Podręcznik

1. Mikroprocesor jako serce cyfrowego układu sterowania

System mechatroniczny – struktura sterowania procesem produkcyjnym, złożona z podsystemu sensoryki, (zbierającego dane z procesu produkcyjnego), podsystemu sterowania, (realizującego algorytm sterowania procesem produkcyjnym), podsystemu wykonawczego, (realizującego sterowanie układami wykonawczymi procesu produkcyjnego) oraz podsystemu sygnałowego, (realizującego przesyłanie danych w obrębie wyżej wymienionych podsystemów)

Proces produkcyjny – zespół działań, których zadaniem jest przekształcenie półproduktów, surowców, itp. w wyroby gotowe, przeznaczone zazwyczaj na rynek wyrobów użytkowych

Nieustanny rozwój systemów mechatronicznych do sterowania procesami produkcyjnymi, podyktowany wprowadzaniem do procesu produkcyjnego coraz to nowocześniejszych wysokospecjalizowanych urządzeń procesowych typu wtryskarki, obrabiarki sterowane numerycznie czy urządzenia do montażu powierzchniowego elementów elektronicznych, itp., doprowadził do stopniowego wypierania starych układów sterowania, w których rola człowieka jako operatora procesu była dominująca, i wprowadzania nowszych rozwiązań układów sterowania, w których człowiek zaczął pełnić rolę obserwacyjną lub/i sprawozdawczą.

Rysunek 1 pokazuje przykład procesu produkcyjnego, w którym rola człowieka jako operatora była dominująca oraz dla kontrastu przykład procesu produkcyjnego, w którym człowiek pełni tylko rolę obserwatora.

Rysunek 1: Przykłady procesów produkcyjnych (wytwórczych): a) proces o dominującej roli człowieka jako operatora; b) proces, w którym człowiek pełni tylko rolę obserwatora

Wskazana tendencja modernizacji układów sterowania procesami produkcyjnymi zapoczątkowana została pojawieniem się w połowie XX wieku struktur, określanych jako cyfrowe układy sterowania – sterowników cyfrowych, które bazowały na scalonych bipolarnych układach cyfrowych małej skali integracji SSI (ang. Small Scale of Integration). Takie cyfrowe układy sterowania procesami mogły wykonywać podstawowe operacje arytmetyczne na danych wejściowych w postaci binarnej (wtedy najczęściej o długości nie przekraczającej 4 czy 8 bitów), które pochodziły z kontrolowanego procesu produkcyjnego.

Przypomnijmy dla porządku, że ideą wprowadzania sterowników cyfrowych do układów sterowania różnymi procesami przemysłowymi było zastąpienie konwencjonalnego sterowania stykowego nowoczesną techniką cyfrową, z algorytmem sterowania zawartym w pamięci programu odpowiedniego układu cyfrowego, a nie „zapisanym” w postaci łączeniowej poprzez połączenie ze sobą w odpowiedniej konfiguracji cewek przekaźników (styczników), ich zestyków oraz przycisków sterujących. Czyli, w miejscu sieci połączeń elektrycznych różnych zestyków, łączników, cewek przekaźników i styczników, itp., wprowadzono pojedyncze urządzenie – sterownik cyfrowy, w którym cała taka struktura połączeń zawierała się w postaci odpowiedniego programu sterującego. Przez taką modyfikację układu sterowania dokonywała się w sposób stopniowy całkowita eliminacja fizycznego (czyli z użyciem przewodów, kabli, itp.) tworzenia programu sterowania w szafie sterowniczej na rzecz utworzenia algorytmu, który należało „załadować” do pamięci sterownika cyfrowego.

Takie nowe podejście w zastąpieniu konwencjonalnego sterowania stykowego sterowaniem cyfrowym musiało wywołać szereg problemów technicznych, które należało na bieżąco starać się rozwiązać. Jednym z nich był fakt, że sterownik cyfrowy jako urządzenie elektroniczne pracował „bezszumowo” w analogii do układów typu przekaźniki czy styczniki, które na skutek załączania się zestyków generowały dźwięki określane czasem przez praktyków terminem „szycie przekaźnika”. Należało, zatem, zapoznać personel techniczny, obsługujący daną maszynę czy linię technologiczną z nowego typu diagnostyką takiego sterownika cyfrowego, która dokonywała się niejako samoistnie wewnątrz struktury sterownika na skutek odpowiednich wbudowanych w program sterujący procedur diagnostycznych. Dla takich załóg było to coś nowego, bowiem przy konwencjonalnym sterowaniu stykowym diagnostyka działania układu polegała najczęściej (oprócz obserwacji samego procesu) na kontroli załączania odpowiednich układów wykonawczych, które miały zadziałać w „odpowiedniej chwili”.

Należy zaznaczyć, że mała skala integracji scalonych układów cyfrowych, które zaczęły znajdować zastosowanie w sterownikach cyfrowych, stanowiła poważne ograniczenie w rozwoju cyfrowych układów sterowania. Nie można było bowiem mówić o skomplikowanym algorytmie, który mógłby być realizowany przez taki układ sterowania czy mówić o obsłudze dużej liczby sygnałów wejścia/wyjścia, pochodzących z kontrolowanego procesu produkcyjnego. W pewnym sensie powyższe stało się możliwe dopiero w momencie pojawienia się scalonych układów cyfrowych o większej skali integracji, czyli:

układów średniej skali integracji MSI (ang. Medium Scale of Integration);
układów wielkiej skali integracji LSI (ang. Large Scale of Integration);
układów specjalizowanych do określonych zastosowań ASIC (ang. Application in Specific Integrated Circuit).

Rysunek 2 pokazuje przykłady cyfrowych układów scalonych, które należą do wyżej wymienionych grup różnej skali integracji wykonania tych układów.

Rysunek 2: a) układ małej skali integracji SSI – funktory logiczne; b) układ średniej skali integracji MSI – rejestr przesuwny;

c) układ wielkiej skali integracji LSI – mikroprocesor 8-mio bitowy 8080 firmy INTEL; d) układ specjalizowany ASIC

Skala integracji układu scalonego - liczba „upakowanych” bramek logicznych na 1cm² powierzchni tego układu

Pomimo zwiększających się odpowiadająco w miarę rozwoju technologii cech funkcjonalnych układów cyfrowych różnej skali integracji, zilustrowanych na rysunku 2, takich cech jak wykonywanie operacji logicznych na coraz większej liczbie danych cyfrowych oraz coraz większa szybkość przetwarzania pojedynczej informacji cyfrowej, które to cechy spowodowały jak wiadomo użycie tych układów jako „serca” sterowników cyfrowych, te ostatnie posiadały jednak szereg wad, które musiały być znacząco wyeliminowane w przyszłości. Do tych wad zaliczono m.in.:

„sztywną” strukturę fizyczną sterownika cyfrowego bez możliwości szybkiej jego sprzętowej rekonfiguracji w zależności od potrzeb, zwłaszcza przy modernizacji układu sterowania, wymuszonej przez unowocześnianiu linii technologicznych;
stały, wbudowany algorytm pracy sterownika cyfrowego jako serca układu sterowania, algorytm ustalony przez producenta (projektanta) urządzenia przed jego zamontowaniem w cyfrowym układzie sterowania, bez łatwej możliwości zmiany tego algorytmu lub jego modernizacji w trakcie pracy sterownika cyfrowego;
brak komunikacji między sterownikami cyfrowymi w systemie sterowania określanym jako Nadrzędny – Podrzędny MS (ang. Master - Slave), uniemożliwiający łączenie pojedynczych cyfrowych układów sterowania w większe, warstwowe rozproszone systemy sterowania procesami.

Dalszy rozwój w 70 – tych XX. wieku mikroprocesorów zlikwidował wreszcie bariery, które blokowały rozwój dużych i nowoczesnych cyfrowych systemów sterowania, opartych na możliwości wzajemnej komunikacji między sterownikami cyfrowymi. Pojawiły się na rynku scalonych układów cyfrowych nowe następujące grupy wykonania mikroprocesorów w oparciu, o które zaczęto budować już sterowniki cyfrowe:

układy wielkiej skali integracji VLSI (ang. Very Large Scale of Integration)
układy ultra-wielkiej skali integracji ULSI (ang. Ultra Large Scale of Integration).

Rysunek 3 pokazuje przykłady mikroprocesorów, które należą do dwóch ww. grup technologii wykonania cyfrowych układów scalonych.

Rysunek 3: a) układ wielkiej skali integracji VLSI - mikroprocesor; b) układ ultra-wielkiej skali integracji ULSI - mikroprocesor

Mikroprocesor z rodziny scalonych układów cyfrowych, zilustrowanych na rysunku 3, użyty jako serce sterownika cyfrowego, (ale jeszcze nie sterownika PLC), umożliwiał już obsługę dużej liczby sygnałów wejścia/wyjścia procesu produkcyjnego, co było niezbędne przy propagowaniu układów sterowania rozproszonego. Z kolei znaczne zwiększenie szybkości realizacji w takim mikroprocesorze pojedynczej operacji logicznej na określonych danych, umożliwiło pojawienie się tzw. systemów czasu rzeczywistego RTS (ang. Real Time System), które mogły zagwarantować zwiększenie reakcji cyfrowego układu sterowania danym procesem produkcyjnym na zaistniałe zdarzenie procesowe i następnie szybko dostosować do tego zdarzenia określone sterowanie, wypracowane przez sterownik cyfrowy.