Раздел IV. Реализация узлов ввода-вывода данных в системах управления Методические рекомендации для студентов

При изучении раздела следует обратить внимание на обязательность поэтапного перехода от функционального описания узла к структурному и только затем к схемотехнической реализации.

Лекция 11. Основные и факультативные функции узлов ввода-вывода

Функциональным назначением узлов или модулей ввода УУ является единообразное представление сигналов, по­ступающих в УУ, с целью их передачи в виде кода на центральный процессор (ЦП) по его за­просу или при возникновении особо значимого события. Назначением узлов или модулей вывода является выдача кодов с ЦП УУ на внешние устройства с преобразованием их в форму, соответствующую природе приемника. При этом подразумевается, что и входные и выходные сигналы имеют электрическую природу, т.е. первичные и элект­ромеханические преобразователи в состав модулей вво­да/вывода (МВВ) не входят. Таким образом, основная функция изучаемых модулей – выполнять по соответствующим ПРАВИЛАМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ «код–сигнал» или «сигнал–код» (в частном случае «код–код»). На стороне ЦП код должен быть двоичным позиционным. МВВ должны иметь также узлы обмена данными и состояниями с шиной процессора. В целом формируется комплексный интерфейс ² ЦП с объектами.

Как известно /18/, электрические сигналы по информационным параметрам делят на анало­говые, которые являются непрерывными функциями вре­мени, и дискретные, принимающие конечное множество значений. Дискретные сигналы, в свою очередь, могут быть двоичными (двухпозиционными) и кодовыми (цифро­выми).

Анализ существующих и возможных микропроцес­сорных УУ мехатронных систем позволяет предложить следующую классификацию их модулей ввода-вывода по виду сигналов.

Модули ввода могут быть рассчитаны на прием от первичных преобразователей (датчиков) следующих аналоговых сигналов:

а) медленно меняющихся величин постоянного напряжения (в редких случаях – тока);

б) фазы синусоидального сигнала или других параметров сигнала, связанных с временнЫми интервалами (например, скважности или плотности импульсов)

и дискретных сигналов:

а) двухпозиционных (опрос путевых выключателей и других дискретных датчиков, в том числе внутренних, например включения источников питания);

б) числоимпульсных (от импульсных датчиков);

в) кодированных позиционными или непозиционными параллельными кодами (от кодовых датчиков).

Модули вывода могут обеспечивать выдачу на ис­полнительные устройства аналоговых сигналов:

а) медленно меняющихся величин постоянного напряжения и тока;

б) скважности импульсного сигнала;

в) фазы импульсного сигнала относительно опорного

и дискретных сигналов:

а) двухпозиционных ("включить-выключить");

б) числоимпульсных (для шаговых двигателей через коммутатор);

в) кодированных (например, непосредственно на ШД).

Как видно, для систем ЧПУ характерны как анало­говые, так и дискретные входные и выходные величины ³.

Начнем с рассмотрения параметров дискретных сигналов ввода и вывода и соответствующих интерфейсов.

Лекция 12. Блоки ввода-вывода дискретных сигналов

12.1. Блоки ввода двухпозиционных сигналов. Технические требования и возможности

Как указано выше, в качестве нормативного документа по интерфейсным блокам УУ мехатронных систем можно признать стандарт /21/ на связи устройств ЧПУ для металлообрабатывающего оборудования с соответствующими станками. По параметрам двухпозиционных сигналов ввода этим стандартом даны следующие рекомендации:

• напряжение постоянного тока 24 В с допускаемыми отклонениями от плюс 10 до минус 15 %;

• ток входа не более 0,02 А, но не менее 0,01 А.

В схеме соответствующих модулей должна быть предусмотрена гальваническая развязка входов от дру­гих цепей УУ, а электрическая изоляция должна выдерживать напряжение 500 В постоянного тока в течение 1 мин. Кроме того, согласно /21/, в каждой входной цепи должно быть не более пяти последовательно включенных контактов (путевых выключателей и т.п.), входные цепи должны быть нечувствительны к их дребезгу в течение 5-10 мс. Схема соединений двухпозиционных входов для мехатронных систем (промышленных роботов – ПР), согласно стандарту /22/, может быть представлена в виде, приведенном на рис. 57, где УЧПУ – устройство числового

программного управления робота, ИУ ПР и ТО – исполнительные устройства робота и технологического оборудования РТК, М – магистраль ввода/вывода данных, ГР – устройства гальванической развязки, ИЧ – интерфейсная часть соответствующего блока, РД – его регистр данных. В качестве нагрузок показаны реле К1, шунтированное обратновключенным диодом VD1, и индикаторная лампа накаливания HL1 с резистором преднакала R2. Диод защищает выходные цепи блока вывода от ЭДС самоиндукции в момент размыкания цепи с индуктивностью (обмотка реле), а резистор – от экстратока включения нелинейного сопротивления лампы. Светодиод обозначен как HL2, поскольку он является сигнальным элементом, R1 служит для ограничения прямого тока на уровне, допускаемом ТУ на этот светодиод (обычно 10-20 мА).

Выходы источника питания входных и выходных цепей (± 24 В) должны быть изолированы от корпуса.

Интерфейсная часть блока ввода, помимо дешифрации адреса и команд и управления магистральными приемопередатчиками, может выполнять следующие функции:

• выявлять переключения в контролируемых цепях и регистрировать их как значимые события (при наличии регистра событий);

• формировать требование прерывания при наступлении любых или заданных переходов контролируемого сигнала;

• при предоставлении прерывания выдавать идентификатор источника прерывания (например, АВП);

• маскировать события в каждом или в нескольких (всех) каналах, блокируя тем самым требование прерывания.

Перечисленные функции могут присутствовать в различных комбинациях. Исходя из этого, можно построить следующую классификацию устройств дискретного ввода (рис. 58).

Например, в АСУТП «Орион» (шина Q-bus) использованы устройства с регистрацией событий в многоразрядном регистре (разряд для каждого события), с индивидуальным маскированием каждого разряда, раздельными адресами РМ и РС, но с общим для всего устройства АВП, настраиваемым с помощью перемычек.

Для сопряжения входных сигналов стандартного уровня 24 В с УВВ необходимо преобразовывать их в уровни, принятые в данном УВВ (как правило, используются уровни ТТЛ). В качестве преобразующих схем применяют резис­тивные делители напряжения, диодные ограничители, компараторы, триггеры Шмит­та, согласователи уровней. Наиболее распространены устройства с токовым входом и гальванической развязкой на базе гибридных микросхем типа К293ЛП1 (хотя они не соответствуют требованию по пробивному напряжению).

Рис. 58

Р ассмотрим пример одного из субблоков дискретного ввода – SB-448 из УЧПУ 2С42 (рис. 59).

Рис. 59

На структурной схеме обозначены следующие узлы и блоки:

ГР – узел гальванических развязок; ШФ – шинные формирователи данных; ФСС – формирователь сигналов событий; РСоб – регистр событий; ФТП – узел формирования требований прерывания; ФИЗ – узел формирования идентификаторов источников запросов прерывания, а также сигналы RA0 – RA2 – команды чтения по условным адресам 0, 1 и 2.

Принципиальная схема узлов, выделенных зеленым, (2 разряда) приведена на рис. 60.

В качестве аппаратных средств борьбы с дребезгом ис­пользуются RS-триггеры, одновибраторы (например, К555АГ3) с логикой на выходе и др. Однако чаще всего применяются программные средства задержки опроса после требования прерывания.

П ринципиальная схема части узла формирования идентификаторов источников запросов прерывания приведена на рис. 61.

О собый случай составляет использование в качестве дискретного сигнала напряжения с выхода датчика Холла ⁴. Датчики Холла – это приборы, измеряющие напряжённость магнитного поля. Собственно датчик Холла есть аналоговый преобразователь, и напряжение на его выходе пропорционально току, протекающему через полупроводниковый элемент и силе магнитного поля. Для получения дискретного сигнала применяют компаратор на триггере Шмидта, позволяющий формировать на выходе импульсы с крутыми фронтами, пригодные для запуска коммутатора, управляющего питанием обмоток двигателя. Структурная схема дискретного датчика положения на элементе Холла и характеристики релейного элемента приведены на рис. 62.

Магнитная индукция внешнего поля, Гс

Рис. 62