Режимы применения “ТКМ - 52” в АСУ ТП

Контроллер “ТКМ - 52” предназначен для сбора, обработки информации и формирования воздействий на объект управления в составе распределенных иерархических или локальных автономных АСУ ТП на основе сети Ethernet или RS-485(MODBUS). Контроллер может использоваться:

а) как автономное устройство управления небольшими объектами;

б) как удаленный терминал связи с объектом в составе распределенных систем управления;

в) одновременно как локальное устройство управления и как удаленный терминал связи с объектом в составе сложных распределенных систем управления.

Контроллер в дублированном режиме рассчитан на применение в высоконадежных системах управления. В контроллер, в зависимости от вариантов исполнения, может устанавливаться одна из операционных систем: DOS или Системное Программное Обеспечение (СПО) на базе OS LINUX. В первом случае МФК можно осуществлять посредствам универсальных средств программирования с помощью программы TRA - CE MODE.

В автономном применении контроллер решает задачи средней информационной емкости (50 - 200 каналов). К нему можно подключить периферийные различные устройства по последовательным (RS - 232, HRS - 485) и параллельному интерфейсу, а также по сети Ethernet. В качестве пульта оператора-технолога может использоваться встроенный блок клавиатуры и индикатора V03.

В режиме применения удаленного терминала связи с объектом, управляющая программа исполняется на вычислительном устройстве верхнего уровня иерархии (например, на IBM PC), соединенному с контроллером по последовательному каналу (RS - 232 или RS - 485. По протоколу Modbus), либо по сети Ethernet, а контроллер обеспечивает сбор информации и выдачу управляющих воздействий на объект.

Применение в смешанном режиме (в качестве интеллектуального узла распределенной АСУ ТП) управление объектом производится прикладной программой,

хранящейся в энергонезависимой памяти контроллера. При этом контроллер подключен к сети Ethernet, что позволяет вычислительному устройству верхнего уровня иерархии, иметь доступ к значениям входных и выходных сигналов контроллера и значениям рабочих переменных прикладной программы, а также воздействовать на эти значения. В контроллере могут быть использованы все свободные интерфейсы, а также его клавиатура и индикатор. Одновременное исполнение прикладной программы и работа по сети Ethernet поддерживается средствами операционной системы контроллера и системой ввода-вывода.

Данный вариант в наибольшей степени использует ресурсы контроллера “ТКМ 52”, и позволяет создавать с его помощью гибкие и надежные распределенные АСУ ТП любой информационной мощности (до десятков тысяч каналов). При этом обеспечивается живучесть отдельных подсистем.

Состав и характеристики контроллера

Контроллер “ТКМ - 52” является проектно-компонуемым изделием, состав которого определяется при заказе. Контроллер состоит из базовой части,блока клавиатуры-индикации и модулей ввода-вывода (от 1 до 4) . Базовая часть контроллера состоит из корпуса, блока питания, процессорного модуля PCM423L с модулем TCbus52 и блоком клавиатуры и индикации V03.

Корпус контроллера металлический, состоит из секций, соединенных между собой с помощью специальных винтов. В задней секции размещается блок питания и процессорный модуль. В остальных секциях размещаются модули ввода-вывода. В передней секции всегда размещается блок клавиатуры и индикации VОЗ. В зависимости от количества секций для модулей ввода-вывода различаются следующие комплектации базовой части контроллера:

Контроллер “ТКМ - 52” работает от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В, потребляемая мощьность 130 Вт.

Контроллер “ТКМ - 52” рассчитан на непрерывную круглосуточную работу.

Диапазон рабочих температур окружающей контроллер среды от плюс 5 до плюс 50 С. Контролер имеет пылебрызгозащищенное исполнение IP42.

Основные характеристики процессорного модуля:

а) процессор: FAMD DX-133(5x86-133);

б) системное ОЗУ-8Мбайт, в зависимости от установки модуля памяти может расширяться до 32 Мбайт;

в) FLASH - память системных и прикладных программ-4 Мб (может расширяться до 144 Мб;

г) последовательные порты: СОМ1 RS232, COM2 RS232/RS485 совместимы UART 16550, параллельный порт LPT1: поддерживает режимы SPP/EPP/ECP;

д) Ethernet интерфейс: контроллер Realtek RTL8019AS, программно совместим NE2000;

е) таймер аппаратного сброса WatchDog, астрономический календарь-таймер с питанием от встроенной батареи, питание - 5 В ± 5 %, 2 А.

Немного позже появились ПЛК, которые можно было программировать на машинно – ориентированном языке, что было проще конструктивно, но требовало участия специально обученного программиста для внесения даже незначительных изменений в алгоритм управления. С этого момента началась борьба за упрощение процесса программирования ПЛК, которая привела сначала к созданию языков высокого уровня...

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Бийский технологический институт (филиал)

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Кафедра "Методов и средств измерений и автоматизации"

Реферат

на тему: «Программируемые логические микроконтроллеры. Назначение, область применения.

выполнил

студент гр. ПС–24 _____________________ Р.А.Титов

Подпись, и.о. фамилия

проверил

преподаватель каф. МСИА ___________________ Д.С. Абраменко

подпись, и.о. фамилия

Бийск 2014

Введение

1. Понятие программируемого логического контроллера 5

2. Назначение и применение контроллеров 7

3. Сравнительный анализ рыночных моделей 10

4. Программирование ПЛК 16

Заключение 20

Список использованных источников 21

ВВЕДЕНИЕ уемый

Слово "контроллер" произошло от английского " control" (управление), а не от русского "контроль" (учет, проверка). Контроллером в системах автоматизации называют устройство, выполняющее управление физическими процессами по записанному в него алгоритму, с использованием информации, получаемой от датчиков и выводимой в исполнительные устройства.

Первые контроллеры появились на рубеже 60 – х и 70 – х годов в автомобильной промышленности, где использовались для автоматизации сборочных линий. В то время компьютеры стоили чрезвычайно дорого, поэтому контроллеры строились на жесткой логике (программировались аппаратно), что было гораздо дешевле. Однако перенастройка с одной технологической линии на другую требовала фактически изготовления нового контроллера. Поэтому появились контроллеры, алгоритм работы которых мог быть изменен несколько проще - с помощью схемы соединений реле. Такие контроллеры получили название программируемых логических контроллеров (ПЛК ), и этот термин сохранился до настоящего времени.

Немного позже появились ПЛК, которые можно было программировать на машинно – ориентированном языке, что было проще конструктивно, но требовало участия специально обученного программиста для внесения даже незначительных изменений в алгоритм управления. С этого момента началась борьба за упрощение процесса программирования ПЛК, которая привела сначала к созданию языков высокого уровня, затем – специализированных языков визуального программирования, похожих на язык релейной логики. В настоящее время этот процесс завершился созданием международного стандарта IEC (МЭК) 1131–3 [ Bertocco ], который позже был переименован в МЭК 61131-3 [ IEC ].

Широкое применение средств автоматизации производственных процессов, напрямую влияющее на сокращение издержек и повышение качества продукции, становится главным фактором развития российского промышленного производства. Лучшее доказательство этому – растущее влияние на мировом рынке российских металлургов, нефтяников, предприятий оборонного комплекса. Инвестируя в автоматизацию, модернизацию и развитие производства, сегодня именно эти отрасли становятся локомотивом всей отечественной промышленности.

Современное предприятие наряду с полностью автоматизированными или роботизированными линиями включает в себя и отдельные полуавтономные участки – системы блокировки и аварийной защиты, системы подачи воды и воздуха, очистные сооружения, погрузочно – разгрузочные и складские терминалы и т.п. Функции автоматизированного управления для них выполняют программно – технические комплексы (ПТК). Они строятся с использованием аппаратно – программных средств, к которым относятся средства измерения и контроля и исполнительные механизмы, объединенные в промышленные сети и управляемые промышленными компьютерами с помощью специализированного ПО. При этом, в отличие от компьютерных сетей, центральным звеном ПТК является не главный процессор, а программируемые логические контроллеры, объединенные в сеть.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) объединяют различные объекты и устройства, локальные и удаленные, в единый комплекс и позволяют контролировать и программировать их работу как в целом, так и по отдельности. Этим обеспечивается максимальная эффективность и безопасность производства, возможность оперативной наладки и переналадки, строгий учет и планирование показателей операционной деятельности, оптимизация бизнес – процессов .

1. 
   Понятие программируемого логического контроллера

Программируемый логический контроллер (сокращенно, ПЛК) – электронный компонент, применяемый в современных системах автоматизации. Программируемые логические контроллеры используются главным образом при автоматизации промышленных и производственных процессов. ПЛК различных типов также применяются для организации автоматизированного управления системами вентиляции и кондиционирования, для поддержания заданного температурного режима в помещении и т.д. Применение логических контроллеров позволяет создать практически полностью автономную систему управления, осуществляющую свою деятельность с учетом свойств, характеристик и состояния контролируемого объекта. Участие оператора сводится к общему наблюдению за процессом управления и, при необходимости – изменению заданной программы работы.

Контроллеры ПЛК относятся к категории устройств реального времени и обладают целым рядом существенных отличий от оборудования со сходными назначением и архитектурой. В частности, главным отличием программируемых логических контроллеров от обычных компьютеров является развитая система обработки входящих и исходящих сигналов исполнительных механизмов и различных датчиков; главным отличием от встраиваемых систем управления – схема монтажа, отдельного от объекта управления.

Первые логические контроллеры представляли собой достаточно крупногабаритные системы, состоящие из соединенных между собой контактов и реле. Схема функционирования этих устройств задавалась еще на стадии проектирования и впоследствии не могла быть изменена.

Контроллеры, программируемые с помощью особого языка Ladder Logic Diagram («лестничной логики»), стали следующим поколением и заменили собой устройства с жестко заданной логикой. Внутренняя физическая коммутация (то есть, контакты и реле) была заменена в них виртуальной и представляла собой программу, исполняемую микроконтроллером устройства. Современной разновидностью контроллеров, программируемых после проектирования и сборки, являются так называемые свободно программируемые контроллеры. Для изменения рабочих параметров, диагностики и обслуживания этих устройств используются специальные устройства – программаторы, или ПК, оснащенные соответствующими интерфейсами для подключения и программным обеспечением. Кроме того, для управления свободно программируемыми контроллерами применяются различные системы человеко-машинного интерфейса, в частности – операторские панели. Важнейшими элементами комплексов автоматизированного управления являются также датчики и исполнительные устройства, подсоединяемые к ПЛК централизованно или по методу распределенной периферии.

Для программирования ПЛК контроллеров был разработан ряд стандартизированных языков, описанных в международном стандарте МЭК 61131 .

2. Назначение и применение контроллеров

Программируемые логические контроллеры (ПЛК), являются широко распространенными средствами автоматизации в составе локальных и распределенных систем контроля и управления.

Термином ПЛК обозначают устройства, осуществляющие преобразование, обработку, хранение информации и выработку команд управления или управляющих регулирующих воздействий, реализованные на базе микропроцессорной техники и являющиеся, по сути, специализированными управляющими вычислительными комплексами для работы в локальных и распределенных системах управления в реальном масштабе времени.

Программируемые логические контроллеры предназначены для создания систем автоматизированного управления технологическим оборудованием в энергетике, на транспорте, в т.ч. железнодорожном, в различных областях промышленности, жилищно – коммунального и сельского хозяйства (рисунок 1).

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) в основном ориентированы на реализацию логических функций, а не арифметических операций в реальном масштабе времени и используются вместо релейных схем управления, т. е. для управления полупроводниковыми схемами электроавтоматических устройств технологических объектов.

ПЛК реализуют всевозможные функции командоаппаратов и микроконтроллеров и создаются на базе микро – ЭВМ. Данные микро – ЭВМ можно рассматривать как универсальную программно – настраиваемую модель цифрового управляющего автомата. Возможность применения ПЛК в качестве универсального локального устройства управления всевозможными технологическими процессами достигается путем внесения в ПЛК программы, определяющей алгоритм работы конкретного объекта управления без изменения его электрической структуры .

Таким образом, ориентация ПЛК, как устройства общего назначения, в какой – либо области применения, достигается благодаря соответствующему программированию.

ПЛК может представлять собой либо целый, неделимый продукт, поставляемый одним производителем, либо несколько продуктов – составных частей, поставляемых одним или разными производителями.

По функциональному назначению в ПЛК можно выделить следующие основные части:

а) процессор, осуществляющий прием, обработку и выдачу информации,

б) устройство сопряжения процессора с объектом (УСО),

в) устройство сопряжения процессора с человеком – оператором,

г) программное обеспечение (ПО)(рисунок 2).

Рисунок 2 – Архитектура ПЛК

Требования, предъявляемые к ПЛК, разнообразны, так как ПЛК используются для всевозможных видов деятельности (рабочими, технологами, инженерами) .

Рисунок 1 – Возможные схемы работы контроллеров в промышленности

1. Сравнительный анализ рыночных моделей

На данный момент существует много фирм, производящие ПЛК. Однако наличие различных ПЛК ставит следующий вопрос: как выбрать из этого обилия необходимый контроллер? Большинству потребителей требуется не превосходство одной какой-то характеристики, а некая интегральная оценка, позволяющая сравнить ПЛК по совокупности характеристик и свойств. А это уже отдельная проблема. Так при маркетинге выяснилось, что многие фирмы не приводят данные по надежности (MTBF и MTTR). Однако там, где эти параметры есть, разброс идет на порядки.

Один из самых важных параметров ПЛК быстродействие в каталогах фирм указывается в совершенно разных вариантах. Могут фигурировать время выполнения бинарных команд, время опроса 1К дискретных входов, время выполнения смешанных команд и т.д.

Спектр контроллеров, предлагаемых сегодня, чрезвычайно широк. Все они построены по магистрально – модульному принципу, монтируются на панель или DIN–рейку, работают от напряжения +24 В, поддерживают протоколы обмена Fieldbus, имеют широкий набор модулей:

• модули дискретных входов / выходов;
• коммуникационные модули;
• модули аналогового ввода / вывода;
• модули терморегуляторов;
• модули позиционирования;
• модули ПИД – регулятора;
• модули контроля движения.

Контроллеры имеют равные функциональные возможности, близкие технические и эксплуатационные характеристики и даже почти одинаковые размеры. В такой ситуации необходимо определить критерии оценки и выбора ПЛК, удовлетворяющего поставленной задаче.

Учитывая специфику устройств, критерии оценки можно разделить на три группы:

• технические характеристики;
• эксплуатационные характеристики;
• потребительские свойства.

Кроме того, необходимо разделить характеристики на прямые (для которых положительным результатом является её увеличение) и обратные (для которых положительным результатом является её уменьшение).

Так как характеристики между собой конфликтны, т.е. улучшение одной характеристики почти всегда приводит к ухудшению другой, необходимо для каждой характеристики определить весовой коэффициент, учитывающий степень влияния данной характеристики на полезность устройства.

Ниже приведены несколько компаний, производящих ПЛК.

Advantech. Контроллеры и модули ввода / вывода

Тайваньская компания Advantech предлагает производит широкую линейку контроллеров и модулей ввода / вывода. Многофункциональные PC–совместимые устройства этой компании имеют широкие возможности и могут быть использованы как для простых задач автоматизации, так и для высокоответственных приложений с высоким быстродействием.

Рисунок – Внешний вид контроллеров Advantech Launches its BAS –3000 Series

Существуют две основные серии контроллеров Advantech – это APAX –5000 и ADAM – 5000. APAX – 5000 с открытой архитектурой, позволяющей использовать различные приложения и имеет высокоскоростной вычислительный процессор (APAX5570XPE/5571XPE), обеспечивая при этом гибкие функции ввода / вывода, повышающие масштабируемость системы. ADAM – 5000 оснащены широким набором интерфейсов для связи, обеспечивающих гибкость коммуникационных соединений.

ICP DAS

Рисунок – Внешний вид контролеров WinCon, uPAC, XPAC

Компания ICP DAS выпускает ПЛК и модули ввода-вывода широко известных в России серий I – 7000, I – 8000, uPAC, WinCon, WinPAC, XPAC, iPAC и т.д.

Возможность применения более дешевых, отработанных и быстро развивающихся открытых архитектур на базе РС – совместимой платформы позволяет широко использовать изделия компании ICP DAS для задач, где раньше применялись только обычные PLC.

Достоинствами контроллеров ICP DAS являются:

• невысокая цена PLC;
• использование открытых протоколов;
• простота программирования и доступность широкого спектра программного обеспечения;
• простота интеграции с системами управления более высокого уровня.

Контроллеры ОВЕН (ПЛК ОВЕН)

Компания ОВЕН уже более 15 лет производит широкий ряд приборов первичной автоматики. Компания ОВЕН в 2005 году начала разработку управляющих контроллеров для широкого применения. В них использовалась современная элементная база и с самого начала закладывались мощные аппаратные ресурсы и широкие программные возможности.

Рисунок – Внешний вид ПЛК ОВЕН

Для их программирования используется среда CoDeSys, разработанной немецкой компанией 3S-Software. Кроме того, контроллеры ОВЕН могут программироваться с помощью интегрированной SCADA и SoftLOGIC системы MasterSCADA .

Контроллеры Сегнетикс

Российская компания «Сегнетикс» (Segnetics) производит три линейки контроллеров. Первая линейка – SMH2010 – универсальные панельные контроллеры для автоматизации широкого спектра объектов в области ЖКХ, автоматизации зданий и промышленности. Вторая линейка предназначена для автоматизации систем вентиляции – Pixel.

Рисунок – Внешний вид ПЛК Сегнетикс

Третья линейка – SMH 2G – второе поколение панельных ПЛК, предназначенных для автоматизации инженерных систем зданий и технологических процессов в промышленности .

1. Программирование ПЛК

Использование ПЛК характеризуется:

а) наглядное описание автоматизируемых технологических процессов и дальнейшая отладка в терминах исходного описания;

б) мобильность – способность к переносу на различные аппаратные и операционные платформы, эффективное исполнение программы в реальном времени;

в) наглядность описания определяется характером объекта и следующими задачами по управлению объектом:

1) задачи параллельной обработки большого числа логических контуров (сотен и тысяч) с обработкой исполнительных действий при наступлении тех или иных событий. В основе логического контура лежит проверка истинности логической функции от нескольких переменных, а событие равнозначно истинности этой функции. Задачи такого рода характерны, например, для таких технологических объектов, как электростанции, химические производства и производства по переработке нефти. Задача адекватно и наглядно описывается системой булевых уравнений. Все языки стандарта, за исключением SFC, хорошо подходят для описания подобных задач, поскольку они или содержат в себе средство представления булевых функций (языки IL, ST), или являются графической формой их отображения (языки LD, FBD).

2) задачи управления процессом, проходящим в своем развитии через ряд состояний (шагов, стадий). Переход от одного состояния к другому происходит по событиям, формируемым по сигналам датчиков процесса. Такие задачи управления возникают, например, при управлении транспортно-складскими системами, агрегатными станками, робототехническими комплексами, характерны они и для объектов, перечисленных в п. 1, в частности, при пуске и останове турбины и др. Задачи данного типа наиболее наглядно представляются автоматными моделями. В стандарте такая модель строится с использованием языка SFC (разметка состоянии, логика управления) и любого другого языка (описание действии, связанных с состоянием, и событий, предписывающих смену состояний). Заметим, что подобные задачи могут быть полностью представлены с помощью других языков стандарта, например языка FBD с использованием элементов памяти – триггеров, но в этом случае автоматная модель будет выражена неявно.

3) задачи автоматического регулирования (ПИД – законы, нечеткое управление и т.д.) встречаются практически везде. Здесь как правило, используются библиотеки заранее разработанных компонентов – графических блоков для языков LD и FBD и подпрограмм для языков ST и PL.

4) задачи управления распределенными технологическими объектами, оптимизационные, а также задачи, связанные с интеллектуальным анализом данных. Задачи такого типа решаются в сложных технологических объектах типа химических производств. Здесь в качестве средств адекватного описания могут использоваться языки ST, универсальные типа С, С++, Паскаль, сценарные типа Visual Basic, объектно-ориентированные типа Java.

Мобильность языков, т.е. способность к переносу на различные аппаратные и операционные платформы, может поддерживаться для языков стандарта в случае использования пакета от одного разработчика. Это связано с невозможностью сосуществования в одной разработке программ на одинаковых языках от разных поставщиков, так как требования стандарта IЕС 61131 – 3 носят рекомендательный характер, а значит, приводят к различиям в реализации языков у разных производителей.

Эффективное исполнение в РВ дает ответ, насколько быстро сможет отреагировать система управления (ПЛК) на происшедшее событие. Обычно используется понятие «временной цикл», т.е. заранее задаваемый интервал времени, например, в диапазона 10…300 мс, в течение которого ПЛК сможет гарантированно отреагировать на входное воздействие. Для обеспечения более быстрой реакции служат так называемые инициативные сигналы, которые обрабатываются по прерыванию (от десятков до сотен микросекунд).

Для широкого круга приложений задача обеспечения требуемого временного цикла решается достаточно легко благодаря высокому быстродействию процессоров, используемых в ПЛК. Haпример, в контроллерах Modicon применяются процессоры компании Intel от Intel 286 до Pentium. Тем не менее здесь есть одна проблема: неэффективное использование процессора при управление объектами, в которых осуществляется в основном обработка логической информации, при которой используется только один разряд из 32. Если найти решение этой проблемы, то по крайней мере можно будет понизить класс применяемого процессора, что выгодно по экономическим соображениям.

Согласно требованиям стандарта, не предопределенные объекты должны иметь имя и тип, объявленные программистом, предопределенные объекты распределяются на три зоны: зону памяти (%М), зону входов (%1) и зону выходов (%Q). Объектами могут быть: биты (X), байты (В), слова (W), двойные слова (D), «длинные» слова (L) – 64 бита

Ограничения стандарта:

а) не фиксируется имя задач;

б) размер графического редактора оставляется на выбор пользователя;

в) нет минимального количества функций, готовых к реализации, но

если используется имя по стандарту (функциональный блок и т.п.), то

оно должно соответствовать стандарту;

г) сервисные утилиты и средства разработки и отладки приложения

(редакторы, языки, документирование и т.п.) не определены;

д) нет точных правил выполнения программы (например, для

функциональных блоков);

е) не описана конвертируемость языков.

Сертификат IЕС 61131 – 3 на сегодня не существует, нет определенного «класса соответствия». Каждый разработчик, объявивший свое соответствие норме, должен представить документацию таблиц соответствия, а также список дополнительных расширений.

Преимущества стандарта для конечных пользователей состоят в том, что уменьшается стоимость обучения, пользовательские приложения однородны, структура программ идентична, используются предопределенные объекты и т.п. Разнообразие стандартных языков позволяет каждую функцию приложения запрограммировать наиболее подходящим для данной задачи языком.

Следование стандарту позволяет разработчикам ПЛК обеспечить соответствие разработки техническим требованиям, предъявляемым потребителями, и даже ввести дополнительные функции, что не могут сделать мелкие поставщики ПО .

Заключение

Первое и главное преимущество ПЛК, обусловившее их широкое распространении, заключается в том, что одно компактное электронное устройство может заменить десятки и сотни электромеханических реле.

Второе преимущество в том, что функции логических контроллеров реализуются не аппаратно, а программно, что позволяет постоянно адаптировать их к работе в новых условиях с минимальными усилиями и затратами.

Применение ПЛК обеспечивает высокую надёжность, простое тиражирование и обслуживание систем управления, ускоряет монтаж и наладку оборудования, обеспечивает возможность быстрого обновления алгоритмов управления (в том числе и на работающем оборудовании) .

Список использованных источников

1. И.Г. Минаев, В.В. Самойленко «Программируемые логические контроллеры. Практическое руководство для начинающего инженера». – Москва.: «Аргус», 2009.

2. И.В. Петров «Программируемые логические контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного программирования». – М.: «Солон–Пресс», 2004.

3. Энциклопедия [Электронный ресурс]. – Форма доступа – http :// wikipedia .

4. Овен [Электронный ресурс]. – Форма доступа – http://www.owen.ru.

5. Техническая коллекция Schneider Electric . Выпуск №16. «Системы автоматического управления на основе программируемых логических контроллеров». – «Schneider Electric Publisher», 2008.

6. Segnetics [Электронный ресурс]. – Форма доступа – http :// www . segnetics . com .

Микроконтроллеры LPC83x интегрируют до 32 КБ FLASH и 4 КБ SRAM памяти.

Набор периферии включает модуль контроля циклическим избыточным кодом (CRC), один интерфейс шины I 2 C, один USART, до двух последовательных интерфейсов SPI, мультидиапазонный таймер, таймер пробуждения системы, модуль SCT-таймера/ШИМ, контроллер прямого доступа к памяти (DMA), 12-битный АЦП, конфигурируемые, при помощи матричного коммутатора, по назначению функций порты ввода/вывода, модуль сравнения структуры входных сигналов и до 29 линий ввода/вывода общего назначения.

Компания NXP представляет семейство микроконтроллеров LPC5411x, выполненных на базе ядра ARM® Cortex®-M4F с опциональным встроенным сопроцессором с ядром Cortex®-M0+. Устройства поддерживают гибкие режимы энергопотребления и работы периферийных узлов, обеспечивая минимальный ток потребления в активном режиме вплоть до 80 мкА/МГц.

Новые микроконтроллеры отличаются увеличенным объемом внутренней RAM-памяти до 192 КБайт, снабжены цифровым двухканальным микрофонным интерфейсом (DMIC) и полноскоростным USB-интерфейсом, работающим без внешнего источника тактового сигнала. Подсистема DMIC обеспечивает наивысшую в отрасли энергоэффективность распознавания голоса и срабатывания по голосу при токе потребления не более 50 мкА. Семейство LPC5411x поддерживается обширным набором инструментальных средств разработки — от библиотеки системных драйверов и примеров прикладных программ LPCOpen до интегрированных сред разработки приложений (IDE), таких как IAR, Keil и LPCXpresso.

В качестве старшего представителя семейства XMC4000, устройства серии XMC4800 являются первыми в отрасли высокоинтегрированными микроконтроллерами с ядром ARM® Cortex®-M, оснащенными интерфейсом EtherCAT®, обеспечивающим коммуникационные возможности в реальном масштабе времени посредством протокола Ethernet. Сочетая функции цифрового сигнального процессора и 32-битного микроконтроллера, семейство XMC4000 идеально подходит для таких промышленных приложений, как цифровые системы преобразования мощности, электроприводы, системы измерений и контроля, модули ввода/вывода данных и т.д.

Промышленное применение микроконтроллеров очень широко. Они включают в себя автоматизацию принятия решений, управление двигателями, создание человек-машинных интерфейсов (HMI), датчики и программируемый логический контроль. Все чаще проектировщики внедряют микроконтроллеры в ранее «неразумные системы», а также быстрое распространение промышленных IoT (интернет вещей) значительно ускоряет процессы внедрения микроконтроллеров. Тем не менее, промышленное применение требует более низкого потребления электрической энергии и более рационального ее использования.

Поэтому производители микроконтроллеров внедряют свои изделия в промышленный и смежные рынки, предлагая при этом высокую производительность и гибкость, но с минимальным потреблением электроэнергии.
Содержание:

Требования к промышленным микроконтроллерам

Как правило, промышленная среда предъявляет повышенные требования к электрооборудованию из-за более жестких условий эксплуатации, таких как возможные электрические помехи и большие скачки токов и напряжений, вызванные работой мощных электродвигателей, компрессоров, сварочного оборудования и других машин. Также могут возникать электростатические и электромагнитные помехи (EMI) и многие другие.

Низкое напряжение питания и геометрические процессы 130 нм (плотность размещения элементов. Достигнут в 2000-2001 годах ведущими компаниями по производству микросхем) или менее, не позволяет обрабатывать перечисленные выше опасности. Для устранения возможных аварийных ситуаций используют специальные внешние схемы защиты, специальные платы, которые располагаются между силовой частью и «землей». Если производители микроконтроллеров хотят покорять современный мировой рынок, им необходимо придерживаться нескольких требований, которые мы рассмотрим ниже.

Малое потребление мощности

Современные системы управления и контроля становятся все более сложными, что повышает требования к осуществлению обработки в отдельных удаленных блоках датчиков. Нужно ли эти данные обрабатывать локально или использовать постоянно растущее количество цифровых протоколов связи? Большинство современных разработчиков включают микроконтроллер в состав датчика измерения, что бы добавить ему дополнительные функции. Современные системы включают в себя мониторы состояния электродвигателей, функции дистанционного измерения жидкостей и газов, управления регулирующими клапанами и так далее.

Многие промышленные узлы датчиков значительно удалены от источников питания, где большой недостаток – это падение напряжения на линии от источника к датчику. Некоторые датчики используют токовую петлю, где потери меньше. Но независимо от типа питания низкое потребление микроконтроллера является обязательным.

Также существуют и системы с питанием от батарей – системы автоматизации зданий, датчики пожарной сигнализации, детекторы движения, электронные замки и термостаты. Также существует множество медицинских устройств, такие как измерители глюкозы в крови, мониторы сердечного ритма и другое оборудование.

Технологии не успевают за постоянно разрастающимися возможностями смарт систем, что повышает необходимость свода к минимуму потребление энергии элементами системы. Микроконтроллер должен потреблять в рабочем режиме минимум электроэнергии и иметь возможность перехода в режим «сна» с минимальным потреблением энергии, а также «просыпаться» по заданному условию (внутренний таймер или внешнее прерывание).

Возможность сохранения данных

Важное примечание о работе батарей: любая батарея рано или поздно разряжается и не может поддерживать отдаваемую мощность на необходимом уровне. Да, если ваш мобильный телефон выключится посреди разговора, это вызовет раздражение, а вот если отключится медицинский аппарат в процессе операции или система сложного производственного цикла – это может привести к очень трагичным последствиям. При питании от сети напряжение может пропасть вследствие большой перегрузки или аварии на линии.

В таких ситуациях очень важно, чтоб микроконтроллер смог просчитать ситуацию отключения и сохранить все важные рабочие данные. Было бы очень хорошо, если бы устройство могло сохранять состояния центрального процессора ЦПУ, счетчика программы, часы, регистры, состояние входов/выходов и так далее, чтобы после повторной работы устройство смогло возобновить свою работу без «холодного» запуска.

Множественные коммуникационные возможности

Когда речь о связи, то в промышленных применениях управляют гаммой. При этом в проводной связи существуют практически все виды, начиная от классической токовой петли 4 – 20 мА и RC-232 и заканчивая Ethernet, USB, LVDS, CAN и многими другими видами протоколов обмена. По мере набора IoT популярности начали появляться беспроводные протоколы связи и смешанные протоколы, например, Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee. Говоря простым языком – вероятность того что данная отрасль осядет на каком-то одном протоколе обмена данными равна нулю, поэтому современные микроконтроллеры должны вмещать в себе целый ряд вариантов связи.

Безопасность

Последняя версия интернет протокола IPv6 имеет 128-битное адресное поле, которое предает ему теоретический максимум в 3,4х10 38 адресов. Это больше чем песчинок в мире! С таким огромнейшим количеством устройств, потенциально открытых для внешнего мира, становится актуальным вопрос безопасности. Многие существующие решения основаны на использовании открытого программного обеспечения, такого как OpenSSL, однако результаты данного использования далеко не лучшие.

Несколько ужасных историй все же имели место. В 2015 году исследователи вооружившись ноутбуком и мобильным телефоном взломали Jeep Cherokee с помощью беспроводного интернет подключения. Им даже удалось отключить тормоза! Естественно этот недостаток был устранен разработчиками, однако опасность остается. Возможность взлома современных систем подключенных к сети Интернет держит экспертов IoT в напряжении, ведь если смогли взломать автомобиль, то могут взломать и систему целого завода или фабрики, а это уже куда опасней. Помните Stuxnet?

Ключевым требованием к современным промышленным микроконтроллерам являются надежные программные и аппаратные функции безопасности, такие как шифрование AES.

Масштабируемый набор основных опций

Продукт, который пытается удовлетворить всех пользователей, в итоге не удовлетворит никого.

Некоторые промышленные приложения приоритетом для себя ставят низкое энергопотребление. Например, беспроводная система мониторинга для регистрации температуры в системе заморозки продуктов, или система накладного датчика для собирания физиологических данных. Данная система проводит большую часть своего рабочего времени в спящем режиме и периодически «просыпается» для выполнения нескольких простых задач.

Крупномасштабный промышленный проект будет сочетать микроконтроллеры с различными комбинациями производительности и потребляемыми мощностями. Чтобы ускорить обработку и ускорить время выхода на рынок, он должен легко портировать код приложения между ядрами, в зависимости от функциональных задач.

Гибкий набор периферийных устройств

Учитывая огромнейшие объемы промышленного контроля, обработки и измерения, любое промышленное семейство микроконтроллеров должно обладать минимальным набором периферийных устройств. Некоторые из «минимального набора»:

• Среднее разрешение (10-, 12-, 14-бит) аналогово-цифровых преобразователей АЦП работающих со скоростью до 1МВыборок/с;
• (24-разрядная версия) с высоким разрешением для более низких скоростей высокоточных приложений;
• Несколько вариантов последовательной связи, особенно I2C, SPI и UART, но желательно и USB;
• Функции безопасности: защита IP, аппаратный ускоритель Advanced Encryption Standard (AES);
• Встроенные LDO и DC-DC преобразователи;
• Специализированные периферийные устройства для выполнения общих задач, например, модуль сенсорного емкостного выключателя, драйвер ЖК панели, усилитель трансимпедансный и так далее.

Мощные инструменты для разработки

Новые проекты становятся все более сложными и требуют улучшения и ускорения процессов разработки. Для того, чтобы не отставать от современных тенденций, любое семейство промышленных микроконтроллеров должно обладать полной поддержкой на всех этапах разработки и эксплуатации, которая включает в себя программное обеспечение, средства и инструменты для разработки.

Экосистема программного обеспечения должна включать в себя GUI IDE, операционную (RTOS), отладчик, примеры написания кода, инструменты генерации кода, периферийные настройки, библиотеки дайверов и API. Также должна быть поддержка процесса проектирования, желательно с онлайн доступом к заводским экспертам, а также к онлайн чату пользователей, где возможен обмен советами и рекомендациями.

Семейство маломощных промышленных микроконтроллеров MSP43x

Некоторые производители разработали решения для удовлетворения спроса растущего рынка. Одним из ярких примеров таких производителей является Texas Instruments с его семейством MSP43x, которое предлагает отличное сочетание высокой производительности и низкого энергопотребления.

Более 500 устройств входит в линейку MSP43x, включая даже MSP430 с сверхнизким уровнем энергопотребления, основанного на 16-битном RISC ядре и MSP432, способного сочетать в себе высокий уровень производительности со сверхнизким энергопотреблением. Эти устройства имеют 32-битное ARM Cortex-M4F ядро с плавающей запятой и с флэш-памятью до 256 Кбайт.

MSP430FRxx это семейство из 100 устройств использующих сегнетоэлектрическую память с произвольным доступом (FRAM) для уникальных возможностей производительности. FRAM, известная также как FeRAM или F-RAM, сочетает в себе функции флэш и SRAM технологий. Она энергонезависима с быстрой записью и низким энергопотреблением, выносливость записи 10 15 циклов, улучшенный код и безопасность данных сравнительно с флэш или EEPROM, а также повышенную устойчивость к радиации и электромагнитным излучениям.

Семейство MSP43x поддерживает множество промышленных и других приложений с низким энергопотреблением, включая сетевую инфраструктуру, процессы контроля, тестирование и измерение, применение в системах домашней автоматизации, медицинском и фитнесс оборудовании, персональных электронных устройствах, а также во многих других.

Пример сверхнизкого энергопотребления: девятиосные датчики объединенные с помощью MSP430F5528

При исследовании и измерении в приложениях все большее количество датчиков «сливаются» в единую систему и используют общее программное и аппаратное обеспечение для объединения данных с нескольких устройств. Сливание данных корректирует отдельные недостатки датчиков и повышает производительность при определении положения или ориентации в пространстве.

Схема выше показывает блок-схему курсовертикали (AHRS) которая использует MSP430F5528 с низким энергопотреблением, а также магнитометр, гироскоп и акселерометр по всем трем осям. MSP430F5528 оптимизирует и расширяет жизненный цикл батареи портативного измеряющего устройства, содержащего 16-битное RISC ядро, аппаратный умножитель, 12-битный АЦП и несколько последовательных модулей включающих USB.

Программное обеспечение использует алгоритм косинусно-матричного управления (direction-cosine-matrix (DCM)), который принимает калиброванные показания датчиков, вычисляет их ориентацию в пространстве и выводит значения в виде высоты, крена, отклонения от курса, называемые углами Эйлера.

В случае необходимости MSP430F5xx может взаимодействовать с датчиками движения через последовательный I 2 C протокол. Это может приносить пользу всей системе, так как основной микроконтроллер освобождается от обработки информации с датчика. Он может оставаться в режиме ожидания, снижая тем самым энергопотребление, или задействовать освободившиеся ресурсы для решения других задач, повысив, таким образом, производительность системы.

Пример высокоэффективного приложения: BPSK модем использующий MSP432P401R

Двоичная фазовая манипуляция (BPSK) представляет собой цифровую схему модуляции, которая передает информацию путем изменения фазы опорного сигнала. Типичным применением будет оптическая система связи, которая использует BPSK модем для обеспечения дополнительного канала связи сигналов с низкой скоростью передачи данных.

BPSK использует два различных сигнала для представления двоичных цифровых данных в двух разных фазах модуляции. Носителем одной фазы будет бит 0, в то время как смещенная на 180 0 фаза будет представлять собой бит 1. Такая передача данных показана ниже:

MSP432P401R образует основу конструкции. В дополнение к 32-разрядному ARM Cortex-M4 ядру, это устройство имеет 14-бит, 1-Mвыборок / с АЦП и CMSIS цифровой обработки сигналов (DSP) библиотеки, что позволяет ему эффективно обрабатывать сложные функции цифровой обработки сигналов.

Ниже показаны передатчик (модулятор) и приемник (демодулятор):

Реализация включает в себя BPSK модуляцию и демодуляцию, прямую коррекцию ошибок, коррекцию ошибок для улучшения BER и цифровое формирование сигнала. BPSK включает необязательную конечно-импульсную характеристику (FIR) фильтра нижних частот для улучшения отношения сигнал-шум (SNR) до демодуляции.

Характеристики модулятора BPSK:

• несущая частота 125 кГц;
• битовая скорость до 125 кбит/с;
• Полный пакет или кадр до 600 байт;
• x4 передискретизации носителя на 125 кГц (т.е. частота дискретизации 500 Квыборок/с)

Выводы

Микроконтроллеры для промышленного использования должны иметь сочетание высокой производительности, низкого энергопотребления, гибкого набора функций, а также мощную экосистему разработки программного обеспечения.