GMA_Microprocess_systems_1

РОССИЙСКИЙ МОРСКОЙ РЕГИСТР СУДОХОДСТВА

Н.А. Алексеев, Н.Е. Жадобин, А.А. Захаров, А.П. Крылов, В.Б. Мачульский

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

Санкт-Петербург

2005

УДК 629.12.03-52(078.5)

В книге рассматриваются датчики электрических и неэлектрических величин, применяемые в судовых автоматических системах контроля и управления, современные микропроцессорные системы управления судовыми электроэнергетическими установками (СЭЭУ) и судовыми энергетическими установками (СЭУ), современные микропроцессорные информационные системы СЭЭУ и СЭУ.

Книга предназначена для судовых электромехаников и механиков, специалистов Регистра и может быть полезна курсантам и студентам высших учебных заведений морского, речного и рыбопромыслового транспорта.

ISBN 5-89331-053-5 © Российский морской регистр судоходства, 2005

©Алексеев Н.А., Жадобин Н.Е., Захаров А.А., Крылов А.П., Мачульский В.Б., 2005

2.Микропроцессорные системы управления

3

2.3.Микропроцессорная система управления судовой электроэнергетической установкой

2.4.Микропроцессорные устройства управления

3.Микропроцессорные системы управления

3.1.Система управления главным двигателем и винтом

3.3.Система управления главным двигателем и винтом

3.4.Система управления главным двигателем и винтом

3.5.Система дистанционного автоматизированного управления

3.6.Система дистанционного автоматизированного управления

4.1.Микропроцессорная система контроля и управления

4

4.2.Система контроля и аварийной сигнализации

4.3.Система контроля, управления и аварийной сигнализации

4.5.Интегрированная судовая система управления и контроля

4.6.Интегрированная система контроля и управления

5

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация судовых устройств и установок-объектов управления осуществляется с использованием различных технических средств.

Процесс автоматического управления объектами связан с получением информации об их состоянии. Получение информации осуществляется с помощью измерительных преобразователей и датчиков. Обычно необходимое преобразование осуществляется с помощью совокупности нескольких измерительных преобразователей (ИП). Измеряемая физическая величина поступает на вход первого ИП, с его выхода – на вход следующего. Преобразования измеряемой величины происходят до тех пор, пока не будет получена выходная величина, удобная для дальнейшей обработки, дистанционной передачи и непосредственного восприятия наблюдателем или использования в системе автоматического управления.

В зависимости от физической природы измеряемой величины преобразователи и датчики делятся на две группы: преобразователи и датчики электрических и неэлектрических величин. К первой группе относятся преобразователи и датчики, реагирующие на измерение напряжения, тока, частоты, мощности, ко второй – преобразователи и датчики, реагирующие на изменение температуры, давления, крутящего момента, частоты вращения, расхода и т. д. Сигналы от датчиков подаются в локальные устройства автоматизации объектов.

Особая роль в автоматизации судовых систем, устройств и механизмов принадлежит ЭВМ. Возможности использования ЭВМ на судах расширялись по мере совершенствования и разработки новых алгоритмов автоматической обработки цифровой информации. Период становления электронной вычислительной техники занимает промежуток времени с момента ее появления на судах в конце 60-х годов прошлого столетия до настоящего времени. ЭВМ выполняют различные функции по контролю и управлению судовождением, перегрузочными операциями, работой механизмов машинного отделения, административно-хозяйственными расчетами.

6

В 70-е годы начался новый этап использования ЭВМ на судах, связанные с созданием микроЭВМ. Собственно говоря, микроЭВМ является логическим следствием развития интегральной схемотехники, когда стало технически возможным сосредоточить значительное число функциональных устройств на одном полупроводниковом кристалле и таким образом изготовить по этой технологии большие блоки или всю ЭВМ в целом. В функциональном смысле они не отличаются от других типов ЭВМ. Тем не менее уменьшение размеров и существенное сокращение стоимости по сравнению с вычислительными машинами старшего поколения сделали микроЭВМ продуктом массового производства и применения, привели к революционным изменениям во всех областях техники.

Современный уровень развития микроэлектронной техники и технологии, характеризуемый широким спектром микропроцессорных комплексов больших интегральных схем (БИС), БИС запоминающих устройств, БИС аналого-цифрового (АЦП) и цифро-аналогового преобразования (ЦАП), операционными усилителями, компараторами, мультиплексорами, интерфейсами, источниками питания, позволил перейти от автоматизации отдельных устройств и механизмов к созданию устройств автоматики с программным управлением, обеспечивающих автоматический режим работы как автономно, так и в составе интегрированных систем управления. Создание интегрированных систем управления, объединяющих локальные устройства автоматики, позволяет решать сложные функциональные задачи контроля и управления не только машинно-котельным или навигационным комплексами, но и технологическим процессом всего судна. Это позволило повысить эффективность процесса управления, его надежность, а также снизить эксплуатационные расходы.

Наибольшее применение при создании интегрированных систем контроля и управления находит децентрализованная иерархическая структура, в которой исполнение задач управления осуществляется на различных уровнях иерархии системы. Такое разделение дает возможность создавать наиболее эффективно работающее оборудование для каждого уровня. При этом достигается независимое исполнение задач управления отдельными узлами системы, параллелизм их ис-

7

полнения, повышается надежность и скорость реакции системы на возникающие события. Необходимо отметить, что фирмы-производи- тели интегрированных систем управления и их компонентов стремятся придерживаться единых стандартов, т. е. делать системы открытыми. Наиболее влиятельной организацией, занимающейся разработкой стандартов интерфейсов систем управления, является комитет POSIX (Portable Operaiting System Interface).

Широкое применение в качестве локальных средств автоматики нашли программируемые логические контроллеры PLC (Programmable Logic Controller). Задачей PLC является: сбор данных,

оперативное управление, обмен информацией между узлами одного уровня и с другими иерархическими уровнями. Для взаимодействия с объектами контроля и управления используются устройства ввода/вывода, так называемые устройства связи с объектом (УСО). Эти терминальные устройства, к которым подключаются датчики и исполнительные механизмы, представляют собой модули, предназначенные для обработки аналоговых и дискретных сигналов. Модули компонуются в единые блоки, конструкция которых позволяет заменять модули одного типа на модули другого в конструктиве одного блока. Конструктивное исполнение современных модулей обеспечивает удобство подключения датчиков и сервомеханизмов, провода от которых объединяются на специальных разъемах, которые затем присоединяются непосредственно к модулю. При этом многие производители обеспечивают защиту модулей от неправильного подключения: при замене вышедшего из строя модуля невозможно случайно подключить датчики этого модуля к модулю другого типа, поскольку при первоначальном подключении датчиков осуществляется механическое запоминание (кодирование) типа модуля.

Современные УСО являются многоканальными устройствами, входы/выходы которых потенциально развязаны посредством оптопар. Часто применяются гальванические развязки по цепям питания и управления.

Аналоговые входные модули преобразуют сигналы напряжений и токов разных уровней, а также сигналы от термодатчиков различных типов в цифровой код. Как правило, для этих целей модуль содержит

8

все необходимые элементы: усилители с программируемыми коэффициентами усиления, позволяющими поддерживать несколько уровней входных сигналов, фильтры, линеаризующие элементы, устройства компенсации температуры точки холодного спая и т. п.

Дискретные входные модули обрабатывают сигналы типа I/O (In/Out) различных уровней, импульсные и релейные сигналы. С помощью этих модулей могут быть реализованы функции счета импульсов.

Входные модули обеспечивают передачу к объектам управления аналоговых или дискретных сигналов. Для преобразования цифрового сигнала в аналоговый модуль содержит ЦАП. Выходными сигналами могут быть либо ток, либо напряжение, либо контакты реле. В дискретных выходных модулях на выходах применяются микросхемы с открытым коллектором, что повышает их нагрузочную способность. Релейные выходы позволяют коммутировать значительные нагрузки.

Конфигурированиемодулейввода/выводаосуществляетсядистанционно с одной из операторских (рабочих) станций и предусматривает введение всей необходимой для работы модуля информации (установка коэффициентов усиления, масштабирующих коэффициентов, уставок сравнения, идентификаторов сигналов и т. п.). Конфигурация модулей сохраняется в энергонезависимой памяти, что позволяет быстро восстановить работу системы. Иногда для конфигурирования требуется установка переключателей, находящихся непосредственно на модуле, но в настоящее время производители стремятся создавать блоки, позволяющие осуществлять все уставки дистанционно.

Контроллеры обладают различной вычислительной мощностью

взависимости от установленного процессора и объемов памяти (от нескольких килобайт до мегабайт). Программирование контроллеров облегчено благодаря наличию обширных библиотек готовых программ и специальному программному обеспечению, предназначенному для программирования PLC, поддерживаемому международным стандартом IEC (МЭК) 1131-3 для систем проектирования встроенного программного обеспечения PLC.

Оптимальноераспределениезадачмеждуаппаратнымиипрограммными ресурсами контроллера позволяет реализовывать управление

врежиме реального времени (РВ). Наличие специальных счетчиков

9

и таймеров снимает необходимость в их программной реализации, освобождая вычислительные мощности процессоров.

Сервисные программы протокольного уровня, необходимые для установления коммуникаций с другими устройствами, находятся непосредственно в памяти контроллеров и интерфейсных блоков, что упрощает создание сети. Как правило, интерфейсные блоки и контроллеры обеспечивают функции самодиагностики и диагностики модулей ввода/вывода.

Разработчики при создании УСО стараются реализовать принцип «включил-работай» (Plug-and-Play), когда при замене модуля ввода/вывода в блоке или при подключении нового блока к сети не требуются аппаратные настройки (установка переключателей, штекеров и т. п.).

Корпуса контроллеров и интерфейсных блоков предусматривают степени защиты от IP20 до IP67 и позволяют осуществлять монтаж на стандартные DIN-рельсы.

Для объединения локальных устройств автоматики в единую сеть, а также для их связи с верхними иерархическими уровнями используются стандартные интерфейсы RS232, RS422, RS485. Сети, созданные на их основе, функционируют как управленческие ЛВС (локальные вычислительные сети). Но, в отличие от ЛВС, промышленные сети должны обладать детерменированностью, т. е. все события в них должны быть заранее определены и предсказуемы по времени – это свойство систем реального времени, которым ЛВС не обладают, вот почему в чистом виде они не применяются в промышленных системах управления. Кроме того, в промышленных сетях происходит обмен небольшими по объему пакетами при их большом количестве, в отличие от ЛВС, где передаются сразу значительные объемы информации. Потому способы передачи информации в ЛВС не всегда приемлемы для использования в промышленных сетях в чистом виде, иначе накладные расходы на передачу полезной информации в промышленных сетях окажутся очень высокими по сравнению с ЛВС.

Поскольку распределенные системы управления объединяют сетевые узлы с различными характеристиками, то для их объединения используются различные переходные устройства (шлюзы).

10