Ipari folyamatirányító rendszerek 9.

Átírás

1 E P E T A Ipari folyamatirányító rendszerek 9. Folyamatirányító rendszerek felépítése 4. Dr. Csubák Tibor, Megyeri József, Barta Gergely Budapesti Műsza és Gazdaságtudományi Egyetem A folyamatirányító rendszerek felépítésének tárgyalása során a hátralévő fejezetek a meneti és meneti modulok összefoglaló felépítésével foglalkoznak. Elsőként a meneti modulok digitális adatmeneti, számlálóés megszakításmeneti típusait ismertetjük, majd a meneti modulok következnek a digitális és analóg menetek, valamint a digitális analóg-átalakítók tárgyalásával. Digitális meneti modulok A digitális meneti jelek csoportosításánál láttuk, hogy a jel időli lefutása alapján állapot- és impulzusjelről, a jel megjelenési formája szerint feszültségszint- és kontaktusjelről, a jel értelmezése szempontjából független bitről és kódolt bitcsoportról, a jel funkciója alapján ellenőrzött- és megszakításjelről szélhetünk. A jel értelmezése szerinti megkülönböztetése a meneti ök alakítását nem folyásolja, mert mind a független biteket, mind a bitcsoportokat a meneti perifériában a számítógép szóhosszúságától függő (pl. 8 bites) regiszterek gyűjtik össze, a jelek szétválasztása és értelmezése a feldolgozó program feladata. A rendezésgyártók a digitális meneti modulokat a következőképpen csoportosítják: Digitális adatmenetek, Számlálómenetek, Megszakításmenetek. A digitális adatmenetek az ellenőrzött állapotjeleket, a megszakításmenetek a megszakítás funkciójú állapot- vagy impulzusjeleket, a számlálómenetek az ellenőrzött impulzusjeleket kezelik. A digitális meneti jel megjelenési formája (feszültségjel, kontaktusjel) a meneti modulok jelkondicio náló einek alakítását folyásolja. Digitális adatmeneti modul A digitális adatme neti modul blokkvázlata az 1. ábrán látható. A modul a számítógép szóhosszúságától függő számú (pl. 8 bit, 16 bit) digitális meneti jelet kezel, és mind a kapuök száma, mind pedig az adatregiszter bitszáma is ezzel egyezik meg. A jelcsatlakozás a jelek mechanikai csatlakoztatását, a jel kondicionáló a villamos illesztést, a meneti kapu a digitális jelek a) Átkötés 2 b) Fix feszültségosztó C c) Feszültségosztó és szűrő 2 2 C d) C-szűrő Bemene kapu regiszter kapu Digitális jel ENDSZEBUSZ jelek F e) Op kai leválasztó 1 2 n. bit D BELSŐ ÁAMKÖ 1. ábra: Digitális adatmeneti modul MODULVEZÉLŐ F f) elés leválasztó 2. ábra: Digitális meneti modul jelkondícionáló ei 64 M A G Y A / 5

2 E P E T A adatregiszter való programmal vezérelt írását, az adatregiszter a jelek tárolását, a olvasó kapu a tárolt adatbájt számítógép való programmal vezérelt olvasását végzi. A meneti kapure általában TTL-szintű feszültségjelek kapcsolhatók, ezért az ettől eltérő típusú digitális jeleket a jelkondicionáló egységn kell átalakítani TTL-szintű jellé. A 2. ábra a digitális menetekn alkalmazott néhány jelkondicionáló i alakítást mutat. Az egyszerű átkötés akkor alkalmazható, ha a meneti digitális jel zavarmentes, a TTL-szintű feszültségjel és a jeladó közvetlenül a digitális meneti modul közelén helyezkedik el. Az átkötés természetesen galvanikus leválasztást nem tesz lehetővé, ezért a jeladónak vagy földfüggetlen menetűnek kell lennie, vagy ha földelt, akkor a felhasználói földnek a rendszerfölddel azonos potenciálúnak kell lennie. Abban az esetn, ha a digitális, TTL-szintű feszültségjelre zavarjel szuperponálódik, a TTL-meneten C-szűrőt célszerű alkalmazni. Ha a meneti jel nagyobb feszültségszintű (pl V), akkor egy feszültségosztó jelkondicionálóval a jelszintet TTL-szintre kell leosztani. Ha a kétállapotú feszültségjelen túl nagy a zavarjel, akkor feszültségosztó és szűrő jelkondicionáló együttes alkalmazása a célszerű. Az eddig ismertetett jelkondicionáló ök galvanikus leválasztást nem végeznek. Az optikai leválasztó rel 0 5 V, 0 24 V nagyságú feszültségjelek, a relés leválasztó rel pedig ennél nagyobb szintű, kétállapotú meneti jelek választhatók le galvanikusan. A digitális adatmenteket a számítógépnek meghatározott időnként (pl. 100 ms) kell olvasnia. A digitális adatmeneti modul vezérlőegysége a számítógépből érkező, alábbi típusú parancsokat dekódolja: Kétállapotú menetek adatregiszter való átírása, Az adatregiszter tartalmának olvasása a számítógép. A számítógépnek a olvasott adatok programmal történő értékelésével kell megállapítania a digitális meneti jelek megváltozását és a változáshoz rendelt funkciók végrehajtását (pl. eseménynaplózás, meneti jelállítás stb.). Nagyszámú digitális meneti jel esetén különösen, ha a meneti jelek értéke ritkán változik feleslegesen sok adatvitelt és értékelést kellene a számítógépnek végrehajtania, ami a gép használtságát (ciklusidejét) lerontja. A digitális jelváltozások észlelése jelentősen leegyszerűsödik az úgynevezett változásfigyelő alkalmazásával (3. ábra). Az működésének az a lényege, hogy az előző olvasás során a meneti adatregiszter olvasott információt bitenkénti záró vagy művelettel öszszehasonlítja a menti jel pillanatnyi állapotával. Ha a meneti jel pillanatnyi állapota eltér a korábban olvasott értéktől, akkor a záró vagy menete aktív lesz, amely a számítógépn egy megszakítást hoz létre, és a jelek olvasása, valamint értékelése a megszakításhoz rendelt szubrutinban megtörténik. Tehát változásfigyelő alkalmazásával a számítógépnek csak a megszakítás fellépésekor (csak valamelyik jel megváltozása esetén) kell a kétállapotú meneteket olvasnia és feldolgoznia. kapu n. Számláló menetek Ha egy digitális folyamatjel gyorsabb változásokra képes, mint a feldolgozás ciklusideje (pl. inkrementális adók, enkóder modulok), a két olvasás között fellépő változásokat nemcsak észlelni kell, hanem meg is kell azokat számolni. Ilyenkor a 3. ábrán vázolt változásfigyelő menetét nemcsak a változás jelzésére használjuk fel, hanem azt a modulvezérlő egység részét képező lehetőleg hardver számláló mentére is rákapcsoljuk. A menetek olvasása során a CPU nemcsak egy bitnyi állapotjelet kap menetenként, hanem a legutóbbi ciklus óta történt változások számát is olvashatja. A számlálómeneteknél a záró vagy műveletet értelemszerűen nem kell elvégezni, illetve a változásfigyelést minden számlálómenetre külön-külön végre kell hajtani. Megszakításmeneti modul A 4. ábrán egy megszakításmeneti modul blokkvázlata látható, amely a folyamatból érkező megszakítás funkciójú állapotokat vagy impulzusjeleket továbbít a számítógép. A digitális meneti jelek statikus állapotát digitális meneti regiszterek tárolják. A meneti regiszterek tartalmát a számítógép a II-jelű olvasó ön keresztül bármikor olvashatja. Ugyanakkor a meneti regiszter tartalma bitenként egy változásfigyelő kerül, amely a megszakításállapot-regiszter megfelelő bitpozíciójába logikai 1 értéket ír akkor, ha a meneti regiszter valamelyik bitje logikai 0 értékről 1 értékre változik. A nem kívánt megszakításjelek bitenként a programmal írható megszakításmaszkregiszterek tartalmának megfelelően maszkolhatók, ugyanis a bitenkénti művelet után csak az engedélyezett megszakításjelek juthatnak érvényre. A maszkolás utáni állapotszó nullától eltérő tartalma esetén a modul a számítógépn megszakítást generál. A maszkolás utáni állapotszó az I-jelű ön keresztül olvasható. A modul vezérlőegysége a számítógépből az alábbi parancsokat fogadja: A menti regiszter tartalmának olvasása, A maszkolás utáni állapotszó olvasása, A modul megszakításjelének engedélyezése, A modul megszakításjelének tiltása, A megszakítás maszkregiszterének állítása, A megszakítás állapotregiszterének törlése. M A G Y A / 5 65 Bemeneti kapu regiszter XO- BELSŐ ÁAMKÖ 3. ábra: Digitális meneti modul változásfi gyeléssel Δt ÉS Változás MODULVEZÉLŐ ENDSZEBUSZ jelek

3 E P E T A n. Bemeneti regiszter Változásfigyelő Maszkregiszter Állapotregiszter ÉS VAGY Megszakítás I. kapu- ENDSZEBUSZ jelek 1 a) Átkötés 2 F b) Op kai leválasztós menet (TTL) II. kapu BELSŐ ÁAMKÖ MODULVEZÉLŐ T D 4. ábra: Megszakításmeneti modul c) Nyito kollektoros, tranzisztoros menet C C jelek ENDSZEBUSZ MODULVEZÉLŐ 5. ábra: Digitális meneti modul Beíró kapu adat- regiszter BELSŐ ÁAMKÖ Digitális menetek A digitális meneti jelek a jel időli lefutása alapján fenntartott és impulzusjelek, a jel megjelenési formája szerint feszültségszint- és kontaktusjelek, a jel értelmezése szempontjából pedig független bitek vagy összefüggő bitcsoportok lehetnek. Mindezek a jeltípusok előállíthatók az 5. ábrán vázolt, kétállapotú meneti perifériával. A számítógép a író kapuön keresztül bájtsorosan írja a meneti adatregiszter a viendő adatokat. A írt adat ellenőrzés céljából a olvasó kapuön keresztül visszaolvasható. A jelkondicionáló t az előállítandó digitális jel típusa, jel- és teljesítményszintje, valamint a galvanikus leválasztási igény alapján választjuk meg. A digitális meneti modulokban leggyakrabban alkalmazott jelkondicionáló ök felépítését a 6. ábra foglalja össze. n. bit kapu DIGITÁLIS KIMENETI JELEK F d) elés menet Az átkötés az adatregiszter TTLszintű jelét vezeti a me netre. Ezt a jelkondicionáló t akkor célszerű alkalmazni, ha a menet állapotváltozása gyors, s teljesítményszintű, a jelvevő a meneti modul közelén helyezkedik el, továbbá megvalósítható, hogy a rendszerföld, valamint a felhasználói föld azonos földpotenciálon legyen. Az optikailag leválasztott menettel a galvanikus leválasztás valósítható meg, azonban ehhez a menethez a felhasználói oldalon tápegységet kell alkalmazni. A nyitott kollektoros, tranzisztoros menet állapotváltása a TTL-menethez hasonlóan gyors, azonban nagyobb jelszint és nagyobb teljesítményszint kapcsolására is alkalmas. (A felhasználói rendezés távolsága m is lehet.) A alakításból következik, hogy a működtető egyenfeszültségről a felhasználónak kell gondoskodnia. Az menetén alkalmazott D dióda a T tranzisztor menetét védi a tápegység helytelen kötéséből eredő meghibásodástól. A relés menet állapotváltozásának ideje néhány ms. A szokásosan alkalmazott relék esetén a kapcsolható jelszint 100 V, a teljesítményszint pedig 100 W nagyságrendű. A relés menet előnye, hogy a galvanikus leválasztást is megoldja, a menet nem zavarérzékeny, emiatt a meneti modul és a felhasználói rendezés távolsága több száz méter is lehet. Ezzel a menettel egyenfeszültségű és váltakozó feszültségű felhasználói rendezés egyaránt működtethető. A tápegységről itt is a felhasználónak 6. ábra: Digitális meneti modul jelkondícionáló ei 66 M A G Y A / 5

4 E P E T A kell gondoskodnia. A relés menetek általában morzeérintkezős alakításúak, ami azért kedvező választás, mert a felhasználó szabadon eldöntheti, hogy a működtetni kívánt rendezést az alapállapotában zárt vagy nyitott kontaktushoz kapcsolja. Az menetén alkalmazott C-ívgátló induktív jellegű felhasználói rendezés esetén védi a kontaktust a meghibásodástól (égéstől). menetek Az analóg menetek a számítógép által szolgáltatott digitális jelet alakítják át egyenfeszültség-, egyenáram- vagy jelek MODULVEZÉLŐ frekvenciajellé. A feszültség-, ill. áramjel-menetű 7. ábra: meneti modul analóg meneti modul felépítése az 7. ábrán látható. A számítógép az átalakítandó digitális jelet a író kapuön keresztül az adatregiszter tölti, és ezt a jelet mindaddig tárolja, amíg a számítógép a regiszter tartalmát ismét át nem írja. A írt adatszó ellenőrzés céljából a olvasó kapuön keresztül a számítógép visszaolvasható. Az adatregiszter menete a digitális analóg- (D/A) -átalakítót vezérli. A D/Aátalakító menete típusától függően feszültség- vagy áramjel. A jelkondicionáló lehet átkötés, de lehet feszültség áram-, ill. áram feszültség-átalakító is, ha a felhasználói rendezés a D/A-átalakító által szolgáltatott jeltípustól eltérő jelet igényel. itkábban a jelkondicionáló egység feszültség- vagy áramosztót, ill. nullponteltoló t is tartalmaz. Digitális analóg-átalakítók A digitális analóg-átalakító a menetére kapcsolt, kódolt digitális jelet feszültség- vagy áramjellé alakítja át. A D/A-átalakító digitális menete általában 8 16 bit szélességű szó. A szokásos meneti jeltartományok: 0 5 V, 0 10 V feszültség vagy 0 20 ma, ill ma áram. A legegyszerűbb D/A-átalakító felépítése a 8. ábrán lát ható. A műveleti erősítő áramösszegző menetére a digitális meneti kódtól függően binárisan súlyozott áramokat kapcsolnak. (Az ábrán a kapcsolókat az áttenthetőség kedvéért kontaktussal jelöltük. A valóságban ezek FET-kapcsolók.) A meneti feszültség arányos az áramok összegével. Az átalakító hátránya, hogy n-bites digitális menet esetén 1/2n átfogású, pontos értékű ellenállásokra van szükség, ami a vitelezés szempontjából nehezen megvalósítható előírás. Ezért leggyakrabban az -létrahálózatot tartalmazó D/A-átalakítót alkalmazzák (9.a ábra). A létrahálózat egyik végét egy nagy meneti ellenállású erősítőre, a másik végét -értékű lezáró-ellenálláson keresztül a földre kötik. A létrahálózat -értékű ellenállásait a digitális meneti kódtól függően vagy az referenciafeszültségre (logikai 1), vagy a földre (logikai 0) kapcsolják. Az ábrán példaként az első bithez tartozó ellenállás a referenciafeszültségre, a többi -értékű ellenállás a földpontra kapcsolódik. A második bittől az n-edik bitig terjedő ellenállás-hálózat eredője, ezért a kapcsolás helyettesítő képe az 9.b ábrának megfelelő. Az erősítő meneti feszültsége (U ) a referenciafeszültség fele. Ha csak a második bithez tartozó ellenállás kapcsolódik a referenciafeszültségre, a többi pedig a földre, akkor az ENDSZEBUSZ BELSŐ ÁAMKÖ M A G Y A / 5 67 Beíró kapu kapu I 0 D/Aátalakító Digitális menet 3. bit n. bit 4 ½I 0 ¼I 0 1/2 n-1 I 0 2 n-1 Σ I 8. ábra: Egyszerű alakítású D/A-átalakító a) Digitális menet b) U = /2 adatregiszter - + /2 n. bit 3. bit c) 3/8 9. ábra: - létrahálózatos D/A-átalakító U ANALÓG KIMENETI JEL eferenciafeszültség feszültségmenet eferenciafeszültség Lezáróellenállás feszültségmenet U =3/8 * 2/3= /4

5 E P E T A erősítő meneti feszültsége a referenciafeszültség negyede lesz (9.c ábra). Hasonlóképpen látható, hogy az n-edik bithez tartozó kapcsoló vezérlése esetén az erősítő meneti feszültsége: /2n. Ha egyszerre több bithez tartozó ellenállás kapcsolódik a referenciafeszültségre, akkor az erősítő menetén a részfeszültségek a szuperpozíció elve alapján összegződnek, és az analóg meneti feszültség értéke a digitális meneti kódnak felel meg. Mivel az átalakítás párhuzamos, a D/A-átalakító állási ideje μs nagyságrendű. Ipari alkalmazásokban a galvanikus leválasztást az analóg feszültség- és árammenetnél is meg kell valósítani. Ez legegyszerűbn a D/A-átalakító digitális adatmentén oldható meg (pl. optocsatoló alkalmazásával). Ilyenkor természetesen a D/Aátalakító tápfeszültségének a rendszer tápfeszültségétől függetlennek kell lennie. Ha a számítógépes irányítórendszer több analóg felhasználói rendezést működtet, az analóg menetek alakítására két megoldás is lehetséges: Annyi egymástól független analóg meneti modult alkalmazunk, ahány felhasználói rendezés van, Az analóg meneti modul jelét sorosan egymás után kapcsoljuk rá a felhasználói rendezésekre (demultiplexeljük). Az utóbbi megoldást szemlélteti a 10. ábra. A meneti analóg kapcsoló (demultiplexer) egy analóg vonalat kapcsol több menetre. Kialakítása az analóg méréspontváltó fordítottja. Az analóg menet kapcsolásakor azonban analóg kat kell alkalmazni annak érdekén, hogy az átkapcsolások ideje alatt a felhasználói rendezések menetén az analóg jel változatlanul megmaradjon. A meneteket természetesen folyamatosan frissíteni kell az analóg k minőségétől és a pontossági igényektől függő ciklusidő szerint. menet Digitális menet KIMENETI TÁOLÓ- ÉS KAPCSOLÓ kapcsoló 10. ábra: menet demultiplexelése Összefoglalás Az ipari folyamatirányító rendszerek felépítését azon legfontosabb tervezési szempontok alapján tentettük át, amelyek a rendezésmodulok gyakorlati alakítása során segítenek a jelillesztési, zavarjelelnyomási és megbízhatósági követelmények elégítésén. A jelkapcsolatok elméleti osztályozását és a különböző zavarjeltípusok definícióját követően a zavarjelelnyomás lehetőségeivel, valamint a földelés kérdésével foglalkoztunk. A továbbiakban gyakorlati készüléktechnikai kérdések következtek, a különböző rendszermodulokat az elméleti ismeretek figyelemvételével terveztük meg. A tárgyalást a központi egységek, a tápfeszültségmaradás ellen védett AM-memóriák és a működésükhöz szükséges speciális tápegységek alakításával kezdtük, majd a különböző - és meneti modulok, és azok legfontosabb egységei következtek. Napjainkban igen gyors fejlődésnek lehetünk tanúi a számítógépes folyamatirányítás eszközei, szoftverei, kommunikációs rendszerei terén, a tárgyalt általános érvényű tervezési szempontok azonban szinte minden esetn biztos alapot jelenthetnek a hardver- és szoftvermodulok fejlesztése és alkalmazása során. ANALÓG KIMENETEK editor@magyar-elektronika.hu 68 M A G Y A / 5