Analiza literatury dotyczącej mikroprocesorowych układów sterowania urządzeń energoelektronicznych pozwala na stwierdzenie, że brak jest opracowania szeregu problemów takich jak:
1. uzasadnienie wyboru systemu mikroprocesorowego,
2. szczegółowy algorytm projektowania sterownika (np. wykonanie schematu połączeń sterownika), 3. zalecenie dotyczące technicznej konstrukcji sterownika, (projekt obwodu drukowanego, jedno-
dwustronne, wielowarstwowe),
4. uruchamianie sterownika (sprawdzenie poprawności wykonania płytki obwodu drukowanego, lutowanie elementów, sprawdzenie podstawowych funkcji np. programem testującym),
5. metodologia tworzenia oprogramowania sterownika przekształtnika, 6. wykonywanie dokumentacji,
7. środowisko realizacji sterowników (np. komputer, oprogramowanie użytkowe, emulator układowy, programator EPROM , system dokumentacyjny),
8. wymagania i wykonanie przemysłowe.
ad. 1. Autorzy publikacji nie podają uzasadnienia wyboru danego opisywanego rozwiązania. Decyzja o wyborze określonego systemu w ynika zwykle z doświadczenia realizatorów, sprawności w posługiwaniu się danym elementem/systemem i dostępności oprogramowania użytkowego (asembler, kompilator 'C'). Decyzja nie wynika z określonego procesu zbudowanego w oparciu pewne kryteria i m echanizmy ujm ujące aspekty techniczne i ekonomiczne.
rozdział 1 - Wstęp
ad. 2. Przez szczegółowy algorytm projektowania rozumie się proces konstruowania schematu elektrycznego sterownika, wynikiem którego jest rysunek i pliki zawierający wszystkie informacje o nim. W ykorzystuje się do tego odpowiednie narzędzia (programy użytkowe - OrCAD, Protel), uwzględniając zasady wykonania poprawnego schematu (czytelność, podział na arkusze odpowiadające częściom funkcjonalnym, właściwie skonstruowane połączenia elektryczne tzn. zaznaczenie połączeń, wpisanie wszystkich danych umożliwiających opracowanie płytki drukowanej - typ elementu, typ obudowy, połączenie nieużywanych wejść układów cyfrowych i analogowych do ustalonego potencjału itp.). Końcowa postać schematu podlega kontroli programu testującego wykazującego błędy.
ad. 3. Konstrukcja techniczna sterownika oznacza wykonanie projektu i realizację obwodu drukowanego. Na początku podejmuje się decyzję o rodzaju montażu: przewlekany, powierzchniowy, dwustronny, wielowarstwowy. Projektowanie obwodu drukowanego jest procesem iteracyjnym, z powracaniem do schematu elektrycznego i wprowadzaniem w nim zmian. Danymi do projektu są: wymiary i kształt płytki, rozłożenie elementów, najkrótsze połączenia, masy, zasilania, wyprowadzenia na zewnątrz płytki. Niewłaściwy rozkład elementów, długie ścieżki łączące elementy, złe prowadzenie masy i zasilań układu m ogą prowadzić do małej odporności na zakłócenia. Zwykle realizacja obwodu drukowanego wychodzi poza środowisko realizacji sterowników (powierzana firmom specjalistycznym).
ad. 4. Po zrealizowaniu obwodu drukowanego następuje jego uruchomienie. Obejmuje to: sprawdzenie poprawności wykonania (zwarcia, przerwy, wytrzymałość elektryczna, przyśpieszone starzenie), lutowanie elementów (właściw ą technologią) i kontrola podstawowych funkcji np. programem testującym.
ad. 5. Danymi do opracowania oprogramowania sterownika przekształtnika są: opis słowny i schemat blokowy.
Program powstaje w sposób iteracyjny. Wykorzystuje się w tym ustalone podprogramy, podprogram y obsługi przerwań, procedury. Oprogramowanie uznaje się za zakończone jeżeli spełnia ono określone warunki poprawności.
ad. 6. W ykonanie dokumentacji jest ostatnim etapem procesu realizacji sterownika. W skład dokumentacji wchodzą: rysunki schematu elektrycznego, obwodu drukowanego (wszystkie powierzchnie), spis elementów, lista połączeń, schemat blokowy programu, wydruk programu z komentarzami, pliki schematu elektrycznego i obwodu drukowanego oraz programu sterownika. Dokumentacja powinna być wykonywana zgodnie z określonymi normami.
ad. 7. Środowisko realizacji sterowników stanowi fizyczne połączenie wielu elementów niezbędnych do ich opracowania. M ożna je rozdzielić na cztery części:
- człowiek - projektant - programista,
- część układowa - komputer, drukarka (postscriptowa), ploter, fotoploter, programator EPROM , emulator EPROM , emulator układowy mikroprocesora,
- część programowa - zintegrowany program do projektowania schematów elektrycznych i obwodów drukowanych (OrCAD, Protel), edytor, asembler, kompilator 'C1,
- laboratorium badań i testowania, - archiwum.
Struktura i organizacja środowiska w sposób istotny w pływ ają na sprawność wykonywania projektów o określonej złożoności.
ad. 8. Sterowniki, które znalazły zastosowane w przemysłowych urządzeniach energoelektronicznych, są bardzo rzadko przedstawiane w dostępnej literaturze. Jeśli można znaleźć jakiekolw iek informacje to są one wycinkowe.
W projektowaniu sterownika uwzględnione m uszą być wszystkie wymagania typowe dla urządzeń przemysłowych (np.: zabezpieczenia, diagnostyka, dodatkowe funkcje sterownicze, łatwość obsługi, trwałość, kompatybilność elektromagnetyczna). Niezawodność je st jednym z ważniejszych zagadnień, które należy rozwiązać.
Jeżeli nawet rozwiązania niektórych z wymienionych problem ów opisane są w literaturze, to znaczną część informacji można uznać za zdezaktualizowaną. Informacje są przy tym rozproszone, wycinkowe, a co najważniejsze, rzadko podawane w ujęciu przystosowanym do specyfiki energoelektroniki i bezpośrednich
rozdział 1 - Wstęp
zastosowań przemysłowych. W w ielu przypadkach pewne informacje są nawet niedostępne (np. dokumentacje techniczne, które można by traktować jako przykłady). Powodem takiej sytuacji jest szybki rozwój mikroprocesorów i zaworów energoelektronicznych.
Literatura związana z tem atyką sterowników mikroprocesorowych w urządzeniach energoelektronicznych obejmuje szereg prac, które zostały niżej przedstawione. S ą one zestawione w czterech grupach:
książki związane z energoelektroniką,
książki dotyczące ogólnych zagadnień techniki mikroprocesorowej, artykuły z periodyków i konferencji,
materiały firmowe.
« W ójciak A.: Mikroprocesory w energoelektronice 1W21. 1984
K siążka ta o charakterze teoretyczno-praktycznym, przeznaczona jest dla studentów i inżynierów o specjalności energoelektronika. Obejmuje opis typowych systemów mikroprocesorowych i budowę podzespołów sprzęgających, wykorzystywanych w układach sterowania przekształtników. Praca jest ilustrowana przykładami realizacji bloków funkcjonalnych sterowników mikroprocesorowych, wraz z procedurami programowymi.
Przykłady praktyczne układów sterowania dotyczą prostownika sterowanego i cyfrowych regulatorów PID.
W wyniku upływającego czasu pozycja ta w pewnych fragmentach dezaktualizuje się, zwłaszcza ze względu na szybki rozwój m ikroprocesorów i ich układów peryferyjnych. M ożna j ą można polecić jako materiał źródłowy dla konstruktorów układów sprzęgających.
« Fainsztein W.G.. Fainsztein E.G. : Mikronrocessornyje sistiemy uprawljenia tiristornymi elektropriwodami, TFU. 1986
Praca o charakterze teoretycznym, przeznaczona dla inżynierów i pracowników naukowych zajmujących się układami sterowania przekształtników. W książce rozpatrzono metody i środki konstrukcji systemów mikroprocesorowych w tyrystorowych urządzeniach energoelektronicznych. Z naczną jej część obejm ują rozważania teoretyczne, opisujące problemy działania i stabilności układów sterowania. Upływ czasu i ograniczenie się do urządzeń tyrystorowych powoduje, że praca nie jest ju ż w wielu punktach aktualna.
• Dubey G.K.. Doradla S.R.. Joshi A.. Sinha R.M.K.: Thyristorised Power Controllers rD51. 1986
Praca jest przeznaczona dla studentów i inżynierów zajmujących się energoelektroniką. Ma charakter teoretyczno-praktyczny. Jeden z rozdziałów jest poświęcony mikroprocesorowym układom sterowania przekształtników energoelektronicznych. Przedstawione w nim przykłady dotyczą 8-bitowego mikroprocesora Intel 8085. Oprócz wiadomości katalogowych opisujących mikroprocesor, zawiera także krótkie informacje dotyczące drogi postępowania przy realizacji sterowników oraz narzędzi programowych i układowych wspomagających te działania. W pracy zawarto również opis konstrukcji systemu mikroprocesorowego.
Książka tematycznie pokrywa się w pewnym zakresie z prezentowaną pracą, z tym że informacje w niej zawarte są częściowo przestarzałe.
• Heimo W.. Kozioł R. : System y mikroprocesorowe w automatyce napędu elektrycznego 1H21. 1989
Książka przeznaczona jest dla inżynierów automatyków konstruujących układy sterowania napędami elektrycznymi, w których stosuje się moduły mikroprocesorowe. M a ona charakter teoretyczno-praktyczny jednak z większym naciskiem na część teoretyczną. Poruszono w niej ogólne problem y teorii sterowania mające zastosowanie do zautomatyzowanego napędu elektrycznego, realizowanego za pom ocą systemów mikroprocesorowych. Podawane schematy układów mikroprocesorowych m ają charakter ogólny, a przykłady szczegółowe odnoszą się do 8-bitowego mikroprocesora Intel 8080 (regulator PID) i napędu prądu stałego.
W zasadzie praca nie podejmuje wymienionych powyżej problemów o charakterze technicznym.
• Kenio T Power Electronics for the M icroprocessor Aee IK91. 1990
Praca przeznaczona dla studentów jak i inżynierów elektryków zajmujących się mikroprocesorowym sterowaniem przekształtników energoelektronicznych w napędzie elektrycznym. M a charakter raczej praktyczny, przykłady dotyczą układów laboratoryjnych, zbudowanych na m ikroprocesorach 8-bitowych Intela (8080, 8085), Ziloga (Z-80) i mikrokontrolerze Intel 8051. W pracy pokazano przekrój typowych napędów prądu stałego i przemiennego małej mocy, z dużym naciskiem na silniki specjalne (krokowe, z magnesami trwałymi).
Większość przykładów zilustrowano nie tylko schematami blokowymi i elektrycznymi sterowników, ale także
rozdział 1 - Wstąp
wydrukami procedur program ów sterujących. M ateriały do książki były zbierane w drugiej połow ie łat osiemdziesiątych, w związku z czym część z nich jest ju ż zdezaktualizowana. Praca zawiera materiał, który tylko w niewielkim zakresie ujęty jest tak, jak proponuje się w niniejszej pracy.
• Nowacki Z.: M odulacja szerokości impulsów w napędach przekształtnikowych gradu przemiennego (~N21.
1991
Adresatem pracy są studenci i inżynierowie specjalizujący się w energoelektronice i napędzie prądu przem ien
nego. Ma ona charakter teoretyczno-praktyczny i przedstawiono w niej metody modulacji szerokości impulsów, stosowane w nowoczesnych napędach przekształtnikowych prądu przemiennego. W jednym z rozdziałów zamieszczono przykład realizacji mikroprocesorowego układu sterowania falownika napięcia M SI opartego o mikroprocesor Intel 8085. Naszkicowano w nim skrótowo schematy blokowe sterownika oraz schematy blokowe programu głównego i podprogram ów obsługi przerwania, nie poruszając problem ów będących przedmiotem niniejszej pracy.
• Wójciak A.: M ikroprocesory w układach przekształtnikowych ł\V21. 1992
Jest to drugie, zmienione wydanie pracy z 1984 roku. Uaktualniono w niej informacje o stosowanych mikroprocesorach, poszerzając je o mikrokontrolery 8- i 16-bitowe (Intel, Zilog, M otorola). Do zam ieszczonych przykładów realizacji dodano opis programowych modulatorów MSI. S ą one zilustrowane schematami blokowymi odpowiednich procedur.
• Heimo W.. K ozioł R. : System y mikroprocesorowe w automatyce napędu elektrycznego IH21. 1994
Książka ta jest drugim, ale zmienionym wydaniem pracy tych samych autorów z 1989 roku. Tematyka pozostała ogólnie ta sama, ale gruntownie zmieniono zawartość. Rozszerzono informacje dotyczące algorytmów filtrów i regulatorów cyfrowych. Przeznaczono także dodatkowy rozdział krótkiemu opisowi wybranych m ikro
kontrolerów firm Intel i Motorola. Nadal praca ma jednak charakter głównie teoretyczny.
• Kaźmierkowski M.P.. Tunia H.: Autom atic Control o f Converter-Fed Drives TK81. 1994
Praca o charakterze teoretycznym, przeznaczona jest dla studentów i inżynierów o specjalności energoelektronika i automatyka napędu elektrycznego. Zawiera ona dodatkowy rozdział będący wprowadzeniem do sterowania mikroprocesorowego. Temat sterowania mikroprocesorowego je st tu przedstaw iony skrótowo.
• Materiały seminarium: M icroprocessor Control o f Motor Drives and Power Converters fS31. 1994
Były one przeznaczone dla uczestników seminarium odbywającego się przed konferencją PEMC'94. Składają się na nie artykuły kilku autorów, dotyczące różnych problemów związanych z mikroprocesorowym sterowaniem przekształtników energoelektronicznych, z ukierunkowaniem na napęd prądu stałego i przem iennego. Oprócz podstaw dotyczących systemów mikroprocesorowych, poszczególne artykuły opisują problem y układów napędowych prądu przemiennego (modulacja szerokości impulsów (MSI), m odele silników prądu przemiennego, sterowanie zorientowane połowo) i prądu stałego (mikroprocesorowe sterowanie prostownika tyrystorowego, z uwzględnieniem problemów prądów ciągłych i przerywanych). Praca je st ilustrowana przykładami ze schematami i fragmentami procedur, ale m ają one charakter raczej laboratoryjny.
Ostatnie lata przyniosły wydanie wielu pozycji książkowych, dotyczących ogólnych zagadnień techniki mikroprocesorowej. N ie uw zględniają one specyfiki mikroprocesorowego sterowania urządzeń energoelektronicznych. Powinny być jednak przedstawione, jako materiał pom ocniczy przy konstrukcji systemu mikroprocesorowego i jego oprogramowaniu. S ą to:
• Grabowski J.. K oślacz S.: Podstawy i praktyka programowania mikroprocesorów TG51. 1987
Książka jest przeznaczona dla osób zajmujących się programowaniem systemów mikroprocesorowych. M a ona charakter raczej praktyczny, przedstaw ia nie tylko elementy systemu m ikroprocesorowego, ale także narzędzia służące do programowania (asemblery) oraz technikę programowania w systemach jedno i wieloprocesorowych.
Oczywiście jako pozycja ogólnoinformatyczna nie w pełni przystaje do potrzeb energoelektroniki.
• Pieńkos i in.: Układy mikroprocesorowe 8080/8085 w modułowych systemach sterowania fP51, 1988
Praca o charakterze praktycznym przeznaczona dla studentów i inżynierów zajmujących się projektowaniem i oprogramowaniem systemów mikroprocesorowych. Obejmuje opis m ikroprocesorów Intel 8080 i 8085 w raz z ich elementami peryferyjnymi oraz blokami sprzęgającymi z otoczeniem. Praca jest wartościowa, przy czym
rozdział 1 - Wstęp
informacje w niej zawarte są częściowo zdezaktualizowane z powodu znacznego rozwoju mikrokontrolerów, chętnie obecnie stosowanych w sterownikach przekształtników, których w pracy nie uwzględniono.
» Coffron J.W.. Long W.E. : Technika sprzęgania układów w systemach mikroprocesorowych fC41. 1988 (oryg. 19831
K siążka jest przeznaczona dla inżynierów i techników zajm ujących się zagadnieniami układów mikroprocesorowych. Przedstawiono w niej w przystępny sposób zagadnienia związane ze sprzęganiem m ikroprocesorów (Intel 8085 i Zilog Z-80) z pozostałymi elementami systemu mikroprocesorowego.
Przytoczono wiele schematów rozwiązań praktycznych. D użą potencjalną wartość książki, obniża postępująca dezaktualizacja, związana z rozwojem elementów systemu m ikroprocesorowego lat 90-tych.
• Badźmirowski i in.: Układy i systemy mikroprocesorowe [BU. 1990
K siążka o kręgu odbiorców podobnym jak praca poprzednia. Omówiono w niej zagadnienia ogólne związane z techniką mikroprocesorową. Obejmuje mikroprocesory i mikrokontrolery 8-, 16- 32-bitowe, oraz procesory sygnałowe. Przedstawiono w niej także elementy peryferyjne i sprzęgające, pokazując przykłady realizacji technicznej, wraz z fragmentami procedur je obsługujących. Niewiele jest tu jednak informacji całościowo ujmujących problemy projektowania i realizacji sterowników mikroprocesorowych.
Ostatnie lata nie przyniosły nowych pozycji książkowych wydanych w języku polskim, całościowo ujmujących problemy techniki mikroprocesorowej. Pojawiły się natomiast prace opisujące wybrane mikroprocesory, będące praktycznie tłumaczeniem odpowiednich katalogów firmowych. Niewątpliwie takie książki m ają dużą wartość w fazie oprogramowania sterownika, podobnie jak katalog, ale nie w noszą informacji mogących rozwiązać problemy przedstawione w wyżej wymienionych punktach 1 -8.
W wielu artykułach konferencyjnych i zamieszczonych w periodykach krajowych oraz zagranicznych [M5], [KIO], [K15], [B10], [B3], [K4], [C l] można znaleźć informacje o sterownikach mikroprocesorowych, stosowanych do sterowania przekształtników. Brak w nich jest istotnych informacji, a te które się tam znajdują m ają dla niniejszej pracy znaczenie pomocnicze.
W odróżnieniu od wymienionych powyżej, artykuł Le-Huy'a "Microprocessors a n d D igital IC's for Motion Control" FLII. zamieszczony w specjalnym numerze Proceedings o f the IEEE, nr 8/1994 poświęconym energoelektronice, zawiera wiele przydatnych informacji z zakresu, którem u poświęcona jest niniejsza praca.
A utor przedstawia możliwości stosowania różnego typu mikroprocesorów, mikrokontrolerów, procesorów sygnałowych, procesorów RISC i transputerów do układów sterowania przekształtników energoelektronicznych.
Praca jest zakończona szeregiem przykładów zastosowań techniki mikroprocesorowej do nowoczesnych, przekształtnikowych układów napędowych. Ze względu na szczupłość miejsca, autor ten przedstawianym przykładom tym poświęca niewiele uwagi. Artykuł nie porusza problem ów projektowania i realizacji praktycznych układów sterowania.
Pewne wartościowe informacje można znaleźć w materiałach firm produkujących przekształtniki energoelektroniczne sterowane mikroprocesorowo. Przeanalizowano następujące wydawnictwa firmowe:
A BB [MF1 ], Apator [MF4], Danfoss [MF6], Hitachi [MF5], Lenze [MF14], Siemens [MF17], Voith- Elin [MF20]. Okazuje się, że trudno znaleźć jakiekolwiek informacje na temat układu sterowania nawet w szczegółowym opisie technicznym. M ają one jednak wartość innego rodzaju, pozw alają bowiem na wyszczególnienie dodatkowych funkcji, jakie powinien spełniać układ sterowania (i sam przekształtnik), jakiego typu zabezpieczenia należy stosować (nadprądowe, podnapięciowe i in.), jakie parametry pracy urządzenia powinny być nastawialne i w jakim zakresie. Dane te pozw alają na uniknięcie w ielu problem ów i przeszkód na drodze do skonstruowania sprawnego urządzenia przemysłowego.
W przedstawionej powyżej analizie stanu aktualnego tematu wykazano, że brak w niej je st opracowań o takim charakterze jaki proponuje się w niniejszej pracy.
Analiza powyższa wskazuje, że podejmowana tematyka z pow odu trudności ujęcia wiedzy inżynierskiej w sztywne ramy nie je st i nie może być sformalizowana.
rozdział 1 - Wstąp