Podręcznik

Z powyższej definicji wynika w związku z nakreślonymi zadaniami dla mikroprocesora, że struktura pojedynczego mikroprocesora, (czyli cyfrowego układu scalonego, zawartego w pojedynczej obudowie – rys.3), jak również struktura układu mikroprocesora, (czyli zespołu układów cyfrowych, rozmieszczonych na jednej lub kilku tzw. płytkach drukowanych, złożonego m.in. z pojedynczego mikroprocesora i układów z nim „współpracujących”), muszą posiadać następujące elementy funkcjonalne m.in.:

• jednostkę arytmetyczno-logiczną ALU (ang. Arithmetic Logic Unit), która na dostarczonych danych wykonuje operacje logiczne, takie jak dodawanie, operacje logiczne typu AND, XOR, OR i NOT, oraz przesunięcia bitów w lewo i w prawo;
• układ sterowania CU (ang. Control Unit), który odpowiedzialny jest za dekodowanie ciągu instrukcji, dostarczonych mikroprocesorowi w postaci kodu binarnego i odpowiednie sterowanie pozostałymi blokami mikroprocesora;
• pamięć stałą ROM (EPROM, E2PROM) (ang. Read Only Memory), z której zapisane dane można tylko odczytywać lub zapisywać, ale wyłącznie przy użyciu specjalnych urządzeń programujących; w tego rodzaju pamięci stałej przechowywane są dane, które nie powinny być utracone po odłączeniu zasilania mikroprocesora;
• pamięć swobodnie programowalną RAM (ang. Random Acces Memory), w której możliwy jest wielokrotny i łatwy zapis danych, które stanowią m.in. wyniki realizowanych przez ALU obliczeń i dane tymczasowe, które mogą być wykorzystywane wielokrotnie; w tym rodzaju pamięci przechowywane są utracone po odłączeniu zasilania mikroprocesora, chyba że zastosowano podtrzymanie bateryjne zasilania pamięci;
• rejestry wejścia/wyjścia I/OR (ang. Input Output Registers), czyli komórki pamięci o organizacji Bajtu, słowa lub dwu-słowa, (czyli odpowiednio ośmiu, szesnastu i trzydziestu dwu bitów), które umieszczone są wewnątrz struktury mikroprocesora; zadaniem tych rejestrów jest przechowywanie danych wsadowych oraz wyników obliczeń, które mogą być zamienione na działania mikroprocesora w stosunku do układów zewnętrznych;
• zasilacza PS (ang. Power Source), którego zadaniem jest dostarczenie dla infrastruktury mikroprocesora napięć zasilających poszczególne moduły tego układu.

Rysunek 4 ilustruje schemat blokowy struktury układu mikroprocesora, zawierającej kluczowe jego elementy.

 

 

Rysunek 4: Schemat blokowy struktury układu mikroprocesora: ALU – jednostka arytmetyczno-logiczna; CU – układ sterowania; RAM – pamięć ulotna; ROM – pamięć nieulotna; PS – zasilacz układu mikroprocesora; I/OR – rejestry we/wy

 

 

Rozwój technologiczny układów cyfrowych wielkiej skali integracji o strukturze pokazanej na rysunku 4 doprowadził w konsekwencji do pojawienia się w końcu XX w. maszyny cyfrowej, czyli komputera rozumianego w sensie współczesnym, czyli komputera typu PC (ang. Personal Computer).

 

 

Pomijając naznaczoną pierwotnie rolę dla komputera PC, czyli używanie go do przetwarzania informacji wprowadzanych za pomocą tzw. klawiatury komputerowej lub wcześniej, za pomocą innych urządzeń wejściowych komputera, np. czytników dla taśmy perforowanej, by następnie wyniki obserwować na ekranie monitora, zaczęto rozważać użycie takiego komputera do sterowania procesami produkcyjnymi. Oczywiście komputera typu PC zbudowanego od podstaw lub istniejącego, ale poddanego gruntownej modernizacji, aby parametry techniczne tegoż odpowiadały trudnym warunkom, które istnieją w środowisku przemysłowym. Przykładem takich trudnych warunków mogą być np. występujące tam wibracje czy wysoka temperatura, znacznie wyższa od temperatury otoczenia, czyli temperatury pracy przeciętnego komputera. Przeciętny komputer typu PC mógłby nie „sprawdzić” się w takim środowisku przemysłowym. O tego momentu możemy zatem już mówić o pojawieniu się tzw. sterownika cyfrowego, ale jeszcze nie sterownika PLC.

 

 

Budowa sterownika cyfrowego od podstaw, który dedykowany był dla konkretnego procesu przemysłowego polegała m.in. na „zamknięciu” części elektronicznej o architekturze komputera PC w odpowiedniej obudowie przemysłowej, która mogła sprostać wysokiemu reżimowi jej zastosowania w dedykowanym procesie przemysłowym, oraz na użyciu podzespołów elektronicznych odpornych na wyższe temperatury. Oprócz tego celem współpracy takiego sterownika cyfrowego z kontrolowanym procesem oraz operatorem tegoż, obudowa urządzenia posiadała odpowiednie gniazda elektryczne, które służyły do podłączenia wiązek przewodów sygnałowych, które obsługiwały elementy wejścia/wyjścia procesu, oraz opcjonalnie mogła posiadać tzw. klawiaturę przemysłową, odporną na działanie warunków przemysłowych.

Odmienne podejście projektantów urządzeń obowiązywało przy dostosowywaniu istniejących na rynku komputerów typu PC do warunków procesu przemysłowego, w którym to procesie zazwyczaj taki komputer typu PC nie znajdował się w pobliżu np. kontrolowanej pracującej maszyny lub linii technologicznej, tak jak to robił sterownik cyfrowy wyżej opisany, tylko znajdował się w pewnym oddaleniu od takiej maszyny czy linii, czyli np. znajdował się w pomieszczeniu maszynowni, itp., czyli w warunkach zbliżonych do warunków otoczenia. Przy takim podejściu skupiano się przede wszystkim na wyposażeniu istniejącego komputera PC w odpowiednie karty wejścia/wyjścia, umieszczane w tzw. slotach komputera, które umożliwiały podłączenie do tegoż przewodów sygnałowych o roli i znaczeniu jak w poprzednio omówionym sterowniku cyfrowym. Do współpracy takiego komputera z operatorem służyła zazwyczaj tradycyjna klawiatura oraz monitor ekranowy.

Rysunek 5 ilustruje dwa omówione wyżej typy sterowników cyfrowych, dedykowane do kontrolowania procesów przemysłowych, powstałe na bazie opracowanej w końcu XX w. architektury komputera PC i które to rozwiązania przetrwały do dnia dzisiejszego i są w niektórych aplikacjach przemysłowych dalej stosowane.

Rysunek 5a) ilustruje konstrukcję sterownika cyfrowego do sterowania procesem przemysłowym na przykładzie zabudowy w szafie sterowniczej poszczególnych komponentów komputera typu PC (widocznych), takich jak monitor ekranowy oraz klawiatura, która umieszczona została na odpowiedniego rodzaju wysuwanych prowadnicach. Tego typu obudowy dla sterownika cyfrowego charakteryzują się odpornością m.in. na duże wibracje, które mogą pochodzić od pracującej maszyny lub linii, w pobliżu której sterownik jest umieszczony. Dodatkowo operator procesu posiada możliwość kontroli optycznej na monitorze ekranowym wybranych parametrów procesu oraz dokonywania zmiany nastaw przy użyciu widocznej klawiatury komputerowej.

 

Rysunek 5: Dwa typy sterowników cyfrowych opracowane na bazie architektury komputera typu PC: a) komputer typu PC w szafie sterowniczej firmy Schroff; b) komputer typu PC firmy Advantech

 

Rysunek 5b) ilustruje z kolei drugi przypadek użycia architektury komputera typu PC do budowy sterownika cyfrowego dla procesów przemysłowych. Zaprezentowana obudowa jest obudową typu Tower, czyli rodzajem obudowy, w której montowane są konwencjonalne komputery typu PC. Różnica sprowadza się do jej wzmocnienia oraz doposażenia zestawu od dodatkowe elementy do komunikacji z procesem przemysłowym.