Řízení je definováno jako cílené působení řídícího objektu na objekt řízení se snahou docílit požadovaného chování. Podle tvaru signálů, kterými se přenáší informace, lze řízení rozdělit do tří kategorií:
- logické řízení – používající binární signály (TRUE, FALSE) - analogové řízení – používající spojité signály
- diskrétní řízení – signály jsou definovány pouze v určitých časových
okamžicích daných vzorkovací frekvencí. Základem řídícího systému je mikropočítačová řídící jednotka
V současné době naprostá většina technických prostředků automatizační techniky pracuje s diskrétním řízením, které má oproti spojitému řízení řadu výhod.
3.1 Výhody číslicového řízení
- Centralizace a decentralizace řídících prostředků – řídící obvod je možné rozdělit na několik vzájemně spolupracujících celků propojených průmyslovými komunikačními linkami. Vzniká tzv. distribuovaný řídící systém charakterizovaný víceúrovňovou hierarchickou strukturou.
- Velká spolehlivost – spolehlivost se vyjadřuje tzv. střední dobou mezi poruchami, případně střední dobou mezi opravami. U současných řídících systémů nabývá tento parametr hodnot řádově 104 až 105 hodin.
- Snadná změna struktury řídícího systému – algoritmus řízení narozdíl od klasických automatizačních prostředků určen pevným zapojením
elektronických součástek či pneumatických, případně hydraulických prvků, ale je tvořen programově. Řídící počítače a programovatelné automaty
umožňují požadovanou strukturu regulačního členu sestavit vhodnou kombinací počítacích bloků.
- Programové nastavení parametrů regulátorů – regulátory diskrétních systémů jsou často tvořeny jedinou výkonnou instrukcí (nejčastěji PID) a blokem dat obsahujícím všechny požadované parametry. Některé systémy mají zabudovánu funkci automatického nastavení, případně adaptivní mechanismus.
- Snadný přenos informace na velké vzdálenosti – veškeré signály jsou přenášeny ve tvaru binárně kódovaných dat, která jsou podstatně odolnější vůči elektromagnetickému rušení než signály analogové.
- Snadnější nastavení, oživení a montáž řídících systémů, diagnostické nástroje – diskrétní řídící systémy obsahují řadu ladících a diagnostických nástrojů, které usnadňují uvedení do chodu a odstranění případných poruch.
3.2 Principy číslicového řízení
Regulační obvod je tvořen řídícím a řízeným objektem (regulátorem a regulovanou
soustavou). Regulátor a regulovaná soustava jsou zapojeny do záporné zpětné vazby – regulovaná soustava vysílá do regulátoru pomocí vhodných snímačů a převodníků signál úměrný okamžité hodnotě regulované veličiny. V porovnávacím členu
se vypočítá regulační odchylka e = w – y, která je v regulátoru dále zesílena a upravena
podle vhodného algoritmu – vzniká tak akční veličina. Akční veličina působí na regulovanou soustavu s cílem minimalizovat regulační odchylku. Schéma číslicového
regulačního obvodu je zobrazeno na obr. 8.
Obr. 8: Blokové schéma číslicového regulačního obvodu Zdroj: Kohout, L. (2000)
3.3 Řídící počítače
V současné době používané řídící počítače jsou buď na bázi tzv. průmyslových PC nebo tzv. vestavných systémů.
3.3.1 Průmyslová PC
Jedná se o počítače (obvykle kompatibilní s IBM PC) umožňující nasazení v obtížných
podmínkách (vysoká prašnost, teplota, přítomnost agresivních par a kapalin, vibrace a elektromagnetické rušení). Jsou doplněny vstupně/výstupními jednotkami s prostředím
umožňujícím připojení řízené technologie, vybavený rozhraním pro komunikaci s dalšími členy pomocí sítí LAN a s připojením na moderní průmyslové sběrnice.
Konstrukčně jsou průmyslové počítače přizpůsobeny specifickému nasazení umístěním do speciálních odolných skříní umožňujících zabudování počítače, použitím dotykových TFT obrazovek apod.
Specifické požadavky jsou kladeny i na programové vybavení. Hlavně operační systém těchto počítačů musí být dostatečně stabilní, aby bylo možno zajistit nepřetržitý běh
řídícího systému u důležitých procesů. Pro tento účel výrobci dodávají speciálně upravené a odlehčené verze běžně dostupných operačních systémů (Windows XP, Linux, OS/2).
3.3.2 Vestavné systémy
Pro řídící systém byl zvolen jeden z nejrozšířenějších monolitických mikropočítačů.
V praxi se takovéto řídící systémy nazývají vestavné systémy (anglicky embedded systems). Jejich použití je velmi široké. Mezi nejtypičtější oblasti použití vestavných systémů patří:
- automobilový průmysl – řízení dodávky paliva, systémy ABS apod.
- domácí spotřebiče - čipové karty
- telekomunikace (mobilní telefony)
- senzorika, měřící a diagnostické přístroje - průmyslové regulátory
- servomechanismy, roboty
Od doby, kdy byl na trh uveden mikrořadič s jádrem 8051, který je použit v této diplomové práci, se vývoj v této oblasti posunul značně vpřed. To se týká jak vlastní architektury mikrořadičů, tak způsobu jejich programování.
Konstrukci moderních mikrořadičů popsat následujícími údaji:
- integrace tří typů pamětí – 32 kB až 512 kB pamětí flash pro uložení programu, 2 kB až 14 kB paměti RAM pro umístění proměnných a zásobníku a 1 kB až 4 kB paměti EEPROM pro uložení kalibračních konstant apod.,
- integrace nových průmyslových rozhraní (CAN, J1850, I2C), - až dva osmikanálové desetibitové A/D převodníky,
- až 91 vstupně výstupních obvodů.
Mezi nejdůležitější vývojové trendy v oblasti mikrořadičů patří:
- přechod od osmibitových procesorových jednotek k šestnáctibitovým pro méně náročné a k dvaatřicetibitovým pro náročné aplikace,
- použití pokročilých architektur RISC, řetězení instrukcí (pipelining), superskalární architektury,
- možnost ladit aplikace bez nutnosti vyjmout procesor ze systému a bez použití emulátoru.
Velký pokrok lze zaznamenat i v oblasti programování vestavných systémů.
V minulosti se programy vytvářely převážně v Assembleru a někdy i přímo ve strojovém
kódu. Bylo to dáno malou rychlostí a malou paměťovou kapacitou systémů. Tento přístup je v současné době již překonán. Všichni přední světový výrobci mikrořadičů navrhují
architekturu procesorové jednotky přímo pro podporu vyšších programovacích jazyků a s assemblerem se již nepočítá (Macho, T., 2002). Pro programování se dnes používá
programovací jazyk C a pro rozsáhlejší projekty se začíná používat C++.
Použití vyšších programovacích jazyků sebou nese následující výhody:
- rychlejší vývoj softwaru a z toho plynoucí menší náklady na vývoj, - snazší údržbu softwaru,
- vzrůst bezpečnosti softwaru,
- přenositelnost programů mezi různými typy procesorů a tudíž možnost používat odladěné a dlouhodobě ověřené algoritmy.