Промышленные контроллеры, микропроцессорные системы энергетических объектов: Рабочая программа, методические указания к изучению дисциплины, задания на контрольную работу

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра автоматизации производственных процессов

ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Рабочая программа Методические указания к изучению дисциплины Задание на контрольную работу

Факультеты: машиностроительный, энергетический Направления, специальности и специализация подготовки дипломированного специалиста: 657900-автоматизированные технологии и производства; 210200-автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении); 210217-компьютерные системы управления в производстве и бизнесе; 650900-электроэнергетика; 100400-электроснабжение Направления подготовки бакалавра: 552900-технология, оборудование и автоматизация; 551700-электроэнергетика

Санкт-Петербург 2003

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 681. 31. (076. 5) Промышленные контроллеры. Микропроцессорные системы энергетических объектов. Рабочая программа, методические указания к изучению дисциплины, задание на контрольную работу.-СПб.: СЗТУ, 2003.-12с. Рабочая программа соответствует требованиям государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлениям подготовки дипломированных специалистов. Направления, специальности и специализация подготовки дипломированного специалиста: 657900-«Автоматизированные технологии и производства»; 210200-«Автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении)»; 210217-«Компьютерные системы управления в производстве и бизнесе»; 650900-«Электроэнергетика»; 100400-«Электроснабжение». Направления подготовки бакалавра: 552900-«Технология, оборудование и автоматизация»; 551700-«Электроэнергетика». Для студентов специальности 210200 (и специализации 210217) дисциплина называется «Промышленные контроллеры» и читается на 4 курсе, а для студентов специальности 100400-«Микропроцессорные системы энергетических объектов» и читается на 5 курсе. В рабочей программе рассмотрены современные модели микроконтроллеров и промышленных контроллеров, которые применяются для интеллектуального цифрового управления техническими объектами, энергетическими установками и другим технологическим оборудованием. Кроме анализа архитектуры, особенностей функционирования как отдельных элементов, так и микроконтроллеров в целом, рассматриваются методы и средства программирования и отладки аппаратной и программной составляющих в реальном масштабе времени. Рассмотрено на заседании кафедры АЛЛ 2 апреля 2003г. Одобрено методической комиссией машиностроительного факультета 28 апреля 2003г. Рецензенты: кафедра автоматизации производственных процессов СЗТУ (заведующий кафедрой А.А. Сарвин, д-р техн. наук, проф.); В.М. Шестаков, д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой электротехники и автоматизации производственных процессов института машиностроения (завод-ВТУЗ). Составитель О.А. Готшальк, канд. техн. наук, доц. © Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2003

3

ПРЕДИСЛОВИЕ Повышение надежности, быстродействия и функциональной насыщенности, а т а к ж е уменьшение габаритов современной вычислительной техники и потребляемой ею электроэнергии привело к широкому ее использованию для управления сложными технологическими объектами с большим количеством датчиков физических величин и управляемых агрегатов. В 1976г был разработан первый микроконтроллер, который объединил на одном кристалле основные элементы системы управления: микропроцессор, постоянное и оперативное запоминающие устройства, порты ввода/вывода информации, таймеры, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Микроконтроллеры нашли широкое применение для интеллектуального управления на транспорте, в промышленности, энергетике и других отраслях народного хозяйства. Данная рабочая программа составлена для двух специальностей: специальности 210200 (со специализацией 210217) и специальности 100400. Для специальности 2510200 (и специализации 210217) дисциплина называется «Промышленные к о н т р о л л е р ы » , а для специальности 100400 дисциплина называется «Микропроцессорные системы энергетических объектов». При всем своем различили эти две дисциплины посвящены одному и тому же вопросу: автоматизации систем управления. При этом не имеет значения, каким технологическим оборудованием предполагается управлять. Изучив предлагаемые разделы рабочей программы, студент в дальнейшем может легко освоить и применить микроконтроллеры для управления любым техническим оборудованием с различной спецификой.

1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 1.1.РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (объем дисциплины 110 часов) 1.1.1. Архитектура микроконтроллеров н промышленных контроллеров [1], с.4...9;[2],с.6...12;[3],с. 10...13; [4], с. 17...25 Определения микроконтроллеров и промышленных контроллеров. Назначение и область применения микроконтроллеров и промышленных контроллеров Обобщенная структурная схема микроконтроллера и промышленного контроллера Назначение их отдельных устройств: центрального процессора, генератора тактовых импульсов, параллельных портов ввода и вывода информации, последовательных портов, контроллера локальной

4

вычислительной сети, аналого-цифровых преобразователей, каналов с широтно-импульсной модуляцией выходных сигналов, таймеров, шин адреса, данных и управления, внутренней и внешней памяти, контроллера прерываний. Центральный процессор. Программно-логическая модель центрального процессора. Назначение и общая характеристика отдельных устройств центрального процессора. Арифметико-логическое устройство. Регистры специального назначения. Регистры общего назначения. Размерность. Обозначение. Организация памяти микроконтроллера. Распределение адресного пространства памяти. Способы адресации. 1.1.2. Система команд [1], с. 10...23; [2], с. 37...43; [3], с. 68...75; [4], с. 33...48 Язык Ассемблер. Шестнадцатеричная система счисления. Структура команд микроконтроллера: метки, мнемокоды, операнды и комментарии. Их определение и назначение. Признаки двухбайтовых, однобайтовых и битовых команд. Размещение операндов в устройствах микроконтроллера в период выполнения операций, обусловленных заданными командами. Согласование размерности операндов с размерностью устройств их хранения. Команды пересылки информации, изменение информации, пересылки через стек. Команды арифметического сложения и вычитания. Команды логического сложения и умножения. Команды арифметического умножения и деления. Команды сдвига информации влево и вправо. Команды безусловных переходов. Команды условных переходов. Команды условных переходов со сравнением операндов. 1.1.3. Функциональные блоки [1], с. 24...40; [2], с. 12...37; [3], с. 16...29, 87. ..102; [4], с. 57...78 Параллельные порты ввода/вывода информации. Назначение. Линии связи. Разрядность. Регистры данных и направления. Типы портов: однонаправленные, двунаправленные и многофункциональные. Режимы работы портов: режим программного ввода/вывода информации, режим ввода/вывода информации со стробированием, режим ввода/вывода информации с набором сигналов квитирования. Общие характеристики портов. Программирование процессов ввода и вывода информации через параллельные порты. Режим ввода информации в объеме порта. Режим вывода

5

информации в объеме порта. Режим ввода информации с определенной линии связи порта (битовый режим). Режим вывода информации из определенного бита выбранного регистра общего назначения через определенный бит порта (битовый режим). Таймеры. Назначение системы реального времени. Режимы работы таймеров: режим выходного сравнения, режим входного захвата. Программно-логическая модель таймера. Назначение устройств таймера: делителя частоты, счетчика, триггера окончания выдержки времени, компаратора, регистра кода выдержки времени. Устройства управления таймером: регистр управления - назначение и разрядность его полей, выбор коэффициента деления; регистр данных; триггер окончания времени задержки, расчет кода выдержки времени. Алгоритм задания работы таймера. Каналы с широтно-импульсной модуляцией сигналов. Назначение каналов с широтно-импульсной модуляцией выходного сигнала. Программнологическая модель одного канала с широтно-импульсной модуляцией выходного сигнала. Назначение блоков и отдельных команд канала с широтноимпульсной модуляцией выходного сигнала: специального таймера, регистра сравнения, компаратора, регистра переполнения. Расчет кода переполнения и кода индекса модуляции. Устройства управления каналами с широтно-импульсной модуляцией выходного сигнала. Регистр управления таймерами. Его формат и содержание битов. Регистр сравнения для запоминания кода индекса модуляции. Регистр переполнения. Регистр управления режимом работы одним каналом с широтно-импульсной модуляцией выходного сигнала. Три режима работы каналов с широтно-импульсной модуляцией. Алгоритмы задания работы каналов с широтно-импульсной модуляцией. Аналого-цифровые преобразователи. Назначение аналого-цифровых преобразователей. Программно-логическая модель аналого-цифрового преобразователя. Назначение устройств и команд аналого-цифрового преобразователя. Устройства управления работой аналого-цифрового преобразователя: регистр конфигурации, регистр данных, триггер окончания преобразования. Алгоритм задания работы аналого-цифрового преобразователя. 1.1.4. Полноэкранный отладчик [1], с. 41...46; [2], с. 57...69; [3], с. 241...260; [4], с. 303...340 Комплектность промышленного контроллера. Аппаратные и программные средства, необходимые для нормальной работы промышленного контроллера. Роль персонального компьютера в комплекте. Назначение полноэкранного отладчика в комплекте. Объединение нескольких промышленных контроллеров локальной вычислительной сетью.

6

Подключение и запуск промышленных контроллеров. Этапы подключения. Основной интерфейс. Его назначение. Окна основного интерфейса: окно управляющей программы (дисассемблер), окно регистров общего назначения, окно регистров специального назначения, окно памяти. Назначение окон основного интерфейса. Конфигурация основного интерфейса. Составление и ввод управляющих программ. Создание новых управляющих программ. Перевод вновь созданных управляющих программ в hex-формат. Коррекция ошибок при составлении управляющих программ. Запуск управляющих программ. Три режима запуска управляющих программ: пошаговый режим, режим исполнения в объеме процедуры, автоматический режим. Исправление управляющей программы в окне дисассемблера. Прерывание исполнения управляющей программы. 1.2. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ОЧНО-ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ (16/24 часов) 1. Архитектура микроконтроллера и промышленного контроллера. ..2 часа 2. Система команд 8 часов 3. Функциональные блоки 4 часа 4. Полноэкранный отладчик 2 » 1.3. ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (8/8 часов) 1. Составление программ для управления работой центрального процессора 4 часа 2. Составление программ для управления работой функциональных блоков и промышленного микроконтроллера в целом 4 » 1.4. ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (12 часов) 1. Ознакомление с работой полноэкранного отладчика 6 часов 2. Составление и ввод управляющей программы 6 »

2. ЛИТЕРАТУРА 1. Готшальк О.А. Промышленные контроллеры: Письменные лекции.-СПб.: СЗТУ.2003. 2. Гладштейн М.А. Микроконтроллеры семейства Z86 фирмы ZILОG: Руководство программиста. - М : ДОДЭКА, 1999. 3. Ремизевич Т.В. Микроконтроллеры для встраиваемых приложений: от общих подходов-к семействам НС05 и НС08 фирмы Motorola. -M.: ДОДЭКА, 2000.

7

4. Бродин В.Б., Шагурин М.И. Микроконтроллеры, архитектура, программирование, интерфейс: Справочник. -М: Изд-во ЭКОМ, 1999.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ К оформлению контрольной работы предъявляются следующие требования. 1. Контрольная работа оформляется в ученической тетради или на отдельных скрепленных листках бумаги. 2. На обложке тетради или первом листке указываются наименование дисциплины, специальность (номер), наименование УКП, шифр, имя, отчество и фамилия студента. 3. Номера вариантов контрольной работы соответствуют последней цифре шифра студента. 4. Контрольная работа должна содержать следующие разделы. 4.1. Техническое условие контрольной работы. 4.2. Описание технического объекта, подлежащего автоматизации. 4.3. Построение и описание граф-схемы алгоритма автоматического управления технологическим объектом. 4.4. Расчеты необходимых параметров системы управления. 4.5. Составление по граф-схеме алгоритма программы управления на языке Ассемблер с комментариями. Контрольная работа может быть зачтена, если она не содержит принципиальных ошибок, выполнена аккуратно и удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям. В качестве контрольной работы студенту предлагается составить программу на языке Ассемблер для автоматического поддержания заданной температуры в сушильной камере (рисунок). На рисунке сделаны следующие обозначения: СК-сушильная камера; НЭ-нагревательный элемент; РНЭ-регулятор нагревательного элемента, регулирующий величину электрического тока, протекающего через нагревательный элемент; ДТ-датчик температуры; В-вентилятор; Р2.10-десятый бит порта Р2, с которого снимается показание о включенном (Р2.10=1) или выключенном (Р2.10=0) нагревательном элементе; Р2.8-восьмой бит порта Р2, с которого снимается показание о включенном (Р2.8=1) или выключенном (Р2.8=0) вентиляторе; Р2.2 и Р2.4-второй и четвертый биты порта Р2, с которых снимаются показания предельных значений температуры в сушильной камере; при Р2.2=1 температура достигла верхнего предельного значения (ВП); при Р2.4=1

8

температура достигла нижнего предельного значения (НП); при Р2 2=0 и Р2.4=0 температура находится в заданных допустимых пределах; Р5.6-шестой бит порта Р5, с которого снимается аналоговый сигнал, характеризующий величину температуры в сушильной камере; Р2.1-первый бит порта Р2, на который подается сигнал на включение (Р2.1=1) или выключение (Р2.1=0) нагревательного элемента;

Р2.5-пятый бит порта Р2, на который подается сигнал на включение (Р2.5=1) или выключение (Р2.5=0) вентилятора; Р2.0-нулевой бит порта Р2, на который подается сигнал в виде серии импульсов с ШИМ для управления РНЭ; ШИМ-сигнал на выходе канала с широтно-импульсной модуляцией; Uп-напряжение питания.

4. ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ Вариант № 0 Если подано напряжение питания на нагревательный элемент и температура в сушильной камере превысила верхнее предельное значение, то включить вентилятор, установить величину напряжения на регуляторе нагревательного элемента, соответствующую 30% ШИМ, и через 2с измерить температуру в сушильной камере.

9

Вариант № 1 Если температура в сушильной камере стала меньше 128°С, то установить величину напряжения на регуляторе нагревательного элемента, соответствующую 60% ШИМ, и через 3с включить вентилятор. Вариант № 2 Через каждые 2с производить измерения температуры в сушильной камере. Если очередное измерение показало, что температура превысила заданное значение 230°С, то выключить нагревательный элемент и включить вентилятор Вариант № 3 Если включен вентилятор, то установить величину напряжения на регуляторе нагревательного элемента, соответствующую 70% ШИМ, и через 2с измерить температуру в сушильной камере. Вариант № 4 Подключить нагревательный элемент к напряжению питания, включить вентилятор и, увеличивая напряжение на регуляторе нагревательного элемента за счет изменения индекса модуляции ШИМ, довести температуру в сушильной камере до 250°С. Изменение индекса модуляции производить через каждые 2с. Дискретность изменения индекса модуляции 2%. Вариант № 5 Если температура в сушильной камере превысила верхнее предельное значение, то произвести измерение действительного значения температуры и при превышении ее величины 300°С понизить напряжение на регуляторе нагревательного элемента за счет изменения индекса модуляции до 50% ШИМ. Вариант № 6 Если измеренная температура в сушильной камере превысила 251°С, то установить величину напряжения на регуляторе нагревательного элемента, соответствующую 10% ШИМ, и через 1с выключить нагревательный элемент и включить вентилятор. Вариант № 7 В автоматическом режиме поддерживать температуру в сушильной камере на уровне 255°С за счет изменения величины напряжения на регуляторе нагревательного элемента. Дискретность изменения напряжения на регуляторе нагревательного элемента за счет изменения индекса модуляции 2% ШИМ. Изменение индекса модуляции производить через каждые 2с.

10 Вариант № 8 Если температура в сушильной камере превысила верхнее предельное значение или стала меньше нижнего предельного значения, то установить величину напряжения на регуляторе нагревательного элемента, соответствующую 25% ШИМ, и через 2с выключить вентилятор.

Вариант № 9 Плавно повышать температуру в сушильной камере (увеличивая величину напряжения на регуляторе нагревательного элемента каждый раз на 2% за счет изменения ШИМ) до тех пор, пока она не достигнет верхнего предельного значения. Выдержка времени между очередными повышениями температуры за счет изменения индекса модуляции ШИМ Зс.

11

СОДЕРЖАНИЕ Предисловие 3 1. Содержание дисциплины 3 1.1. Рабочая программа 3 1.1.1. Архитектура микроконтроллеров и промышленных контроллеров 3 1.1.2. Система команд 4 1.1.3. Функциональные блоки 4 1.1.4. Полноэкранный отладчик 5 1.2. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения 6 1.3. Перечень тем практических занятий 6 1.4. Перечень тем лабораторных работ 6 2. Литература 6 3. Методические указания к изучению дисциплины 7 4. Задание на контрольную работу 8

Редактор А.В. Алехина Сводный темплан 2003г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 Подписано в печать 7.07.2003. Формат 60x84 1/16. Б.кн.-журн. П.л. 0,75. Б.л. 0,375 РТП РИО СЗТУ. Тираж 100.. Заказ 511. Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5