книги / Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты

создания систем противоаварийной автоматики, включая и РЗ [63]. Основные технические характеристики этих средств: объем перепро­ граммируемой и постоянной памяти —до 64 Кбайт, время выполнения короткой операции — не более 2,5 мкс. Микросредства В7/В9, как и МикроДАТ, строятся на основе МПК К580 и К1810. В комплект МС ВТ для противоаварийной автоматики входят: микроЭВМ, устройства сопряжения с объектом (УСО), блоки бесперебойного питания, блоки контроля, управления и индикации [31]. Контролируемые аналоговые и дискретные сигналы от объектов управления поступают на входные УСО, представляющие собой устройства нормализации, фильтрации и гальванической развязки. Для устройств, к которым предъявляются более жесткие требования надежности (к ним относятся и устройства РЗ), разработана система из трех микроЭВМ В7, снабженная индивиду­ альными и общими блоками контроля ЭВМ. Разработка ПО этой систе­ мы осуществлена на языке Ассемблер [63].

Применение МС ВТ в технике РЗ серьезно обостряет задачу их гаран­ тийного и послегарантийного обслуживания и ремонта, требует высо­ кого уровня надежности и качества МС ВТ. Для первых двух направле­ ний развития микроЭВМ характерен магистрально-модульный принцип построения МС ВТ. На рис. 3.1 приведена структура типичной микроЭВМ, построенной по этому принципу, который предполагает: совместимость модулей в рамках каждой системы, строго стандартизированные кон­ струкции интерфейса, гибкость, обеспечивающую возможность быстро-

Рис. 3.1. Структура магистрально-модульной микроЭВМ

61

го построения, наращивания, модернизации или реконфигурации управ­ ляющих систем [61]. Системы унифицированных модулей приобрели многоуровневую иерархическую структуру, сохраняя свои основные черты на каждом уровне. Все виды модулей должны удовлетворять требованиям совместимости, "Й11первую очередь по интерфейсам, кон­ струкции и программному обеспечению. Выбор системного интерфейса определяется архитектурой МП. В отечественных микроЭВМ применя­ ются два основных интерфейса: с раздельными шинами для передачи адреса и данных — И-41, реализованный в 8 -разрядном МПК К580 и 16-разрядном МПК КР 1810; с совмещенными шинами для передачи ад­ реса и данных —МПИ, реализованный в МПК БИС серий К 1811, К 1801/ К1809, К581, К588 и др.

Магистральный параллельный интерфейс (МПИ), используемый в большинстве микроЭВМ семейства ’’Электроника”, является частным случаем интерфейса ’’Общая шина”. Кроме системного интерфейса, пред­ ставляющего собой первый уровень (рис. 3.1), применяются интерфей­ сы других уровней, составляющие в совокупности иерархическую систе­ му. Ко второму уровню относятся малые интерфейсы периферийных устройств ПУ и УСО: радиальный последовательный (ИРПС) и радиаль­ ный параллельный (ИРПР). При помощи этих интерфейсов подключают­ ся практически все ПУ (дисплеи, печатающие устройства, клавиатуры, пульты, графопостроители), за исключением внешних запоминающих устройств, предъявляющих более высокие требования к пропускной способности интерфейса. Сопряжение малого интерфейса с системной магистралью осуществляется при помощи контроллера К. К третьему

Отсутствие жесткой унификации этих интерфейсов приводит к неоправ­ данному росту номенклатуры УСО, ИП и ИО. К четвертому уровню относятся интерфейсы устройств передачи данных (УПД) (телеграфных, телефонных, высокочастотных, оптоволоконных и других каналов для передачи данных на большие расстояния), в том числе интерфейсы, при­ меняемые для построения локальных, региональных и других типов сетей ЭВМ, например ’’Стык С2” . К пятому уровню относятся внешние относительно МП-системы интерфейсы, например системный интер­ фейс старшей ЭВМ в ММС, не унифицированный интерфейс управляемо­ го объекта и т.п. Соединение внешнего интерфейса с системным осущест­ вляется с помощью специального адаптера А интерфейсов операций. Переход к унифицированному интерфейсу и конструктивам обеспечи­ вает взаимную аппаратную совместимость семейств микроЭВМ и сов­ местимость с унифицированными ЯУ, а использование трансляторов с языков программирования высокого уровня обеспечивает и програм­ мную совместимость.

Одним из представителей нового класса МС ВТ являются програм­ мируемые логические контроллеры (ПЛК) [64], которые представля­

62

ют собой совокупность программных и аппаратных средств, позволя­ ющих выполнять работу релейного автомата в соответствии с заданием. Указанные ПЛК можно разделить на регулирующие (ремиконты) и логи­ ческие (ломиконты). Они ориентированы на реализацию систем буле­ вых, а не арифметических функций в реальном масштабе времени и ис­ пользуются вместо релейных схем управления устройств автоматики и различных командоаппаратов. Планируется выпуск ПЛК и диалоговых контроллеров (димиконтов). Ориентация ПЛК как устройства общего назначения на какую-либо область применения достигается за счет наст­ ройки соответствующей процедуры. Работа ПЛК осуществляется в цик­ лическом режиме и в соответствии с моделируемой конкретной релей­ ной схемой: опрашиваются все входы, производится логическое срав нение состояний входов и выходов, а по результатам сравнения включа ются или отключаются те или иные исполнительные органы, при этом ре­

не параллельная обработка входных данных, вследствие чего схема МП-контроллера чаще всего строится по схеме однобитового логическо­ го процессора, и его система команд не содержит команд, выполняющих развитые арифметические операции.

Одной из подобных отечественных машин является ’’РемикОнт Р-100”, особенностью которого является наличие программно-реализованных управляющих алгоритмических блоков. При этом ПЛК выполняются в виде герметичных блоков для работы в загрязненной среде промыш­ ленных предприятий, имеют программные средства самодиагностики и тестирования.

Еще одним видом МС ВТ являются однокристальные микроЭВМ (ОМЭВМ) [61, 65]. В отличие от БИС МП эти ЭВМ содержат на кристал­ ле помимо процессорного элемента (арифметико-логического устрой­ ства со схемами управления) оперативное запоминающее устройство {ОЗУ) данных и ПЗУ микропрограмм, устройства ввода-вывода, допол­ нительно счетчик-таймер и, как правило, генератор тактовых импульсов. Современные однокристальные микроЭВМ имеют разрядность формата данных 4, 8 и 16 бит. Их разрядность шин адресов и команд обычно больше и по структуре сравнима с универсальными ЭВМ. Успехи микро­ электроники позволяют проектировать уже сейчас достаточно сложные микроЭВМ, имеющие несколько десятков тысяч логических вентилей на кристалле. Эти микроЭВМ содержат на кристалле набор функциональ­ ных блоков (рис. 3.2), позволяющий отнести их к практически закон­ ченным устройствам, имеющим предельно малые габариты и высокую на­ дежность. Для отладки систем на ОМЭВМ используются отладочные кристаллы, отличающиеся от законченных изделий отсутствием ПЗУ. Отладочные кристаллы целесообразно использовать также в устрой­ ствах, имеющих малую тиражность, какими являются многие устройства РЗ. Характеристики отечественных ОМЭВМ приведены в табл. 3.3.

63

Рис. 3.2. Функциональный состав МГ1 и однокристальных микроЭВМ

Отметим, что ОМЭВМ К1813 имеет аналого-цифровой преобразова­ тель (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Система ее команд и структура кристалла ориентированы на построение систем непрерывной обработки сигналов, что свойственно устройствам РЗ. Зарубежные фирмы, например Intel, TMS (США) [6 6 ], также выпуска­ ют ОМЭВМ со встроенными АЦП и ЦАП (БИС типов 18022, 18051, 18026, TMS 2100 и т.д.). Эти БИС позволяют осуществлять простейшие функции сбора и частичной обработки аналоговой информации.

Появление аналого-цифровых микроЭВМ обусловлено тем, что ана­ логовый фильтр, имеющий строгое математическое описание, не позво­ ляет практически получить реактивную и активную составляющие сиг­ нала, точно соответствующие расчету. Известно, что классические анало­ говые фильтры реализуются с использованием резисторов, индуктивно­ стей, конденсаторов и активных элементов. С помощью такого фильтра часто бывает трудно или даже невозможно получить действительные сос­ тавляющие сигнала, точно совпадающие с теоретическими значениями. В связи с этим при проектировании фильтров часто принимают компро­ миссное решение на основе применения устройств ЦОС, которые имеют

64

принципиальную возможность обеспечивать требуемую точность обработ­ ки при сколь-угодно сложных алгоритмах.

Быстродействие ОМЭВМ является функцией системы команд, числа используемых регистров, способов адресации, тактовой частоты, при­ меняемой технологии. Одним из способов повышения производитель­

указателя стека и индексных регистров. Они предоставляют програм­ мисту возможность выбора разнообразных путей прохождения ин­ формации через МП. Повышение производительности МП возможно введением канала прямого доступа к памяти, позволяющего вести об­ мен информацией между памятью МП и внешними устройствами без нарушения нормального хода выполнения программы.

Одной из важнейших частей законченной системы РЗ, построенной на МС ВТ, является ПО. Доля затрат при проектировании и поддержа­ нии работоспособности МС ВТ, приходящаяся на ПО, доходит до 80% общих затрат. Специфика ПО микроЭВМ определяется прежде всего назначением и областью применения микроЭВМ. Оно представляет со­ бой совокупность универсальных модулей программ, предназначенных для автоматизации вычислительного процесса в микроЭВМ на стадии разработки и эксплуатации.

Процесс проектирования устройств РЗ на основе ОМЭВМ включает следующие этапы: проектирование алгоритма РЗ; подготовку про­ граммы для ОМЭВМ, реализующей разработанный алгоритм; отладку программы на программной модели ОМЭВМ, реализованной с помощью кросс-средств на универсальной ЭВМ; запись программы во внутрен­ нее ПЗУ; комплексную отладку ОМЭВМ в составе системы или на спе­ циальном стенде. В качестве отладочных средств в настоящее время ши­ роко применяются профессиональные ПЭВМ или аппаратно-программи­ руемые комплексы на основе универсальных микроЭВМ, а также спе-

65

циальные средства отладки и программаторы, подключаемые к ОМЭВМ, и инструментальное программное обеспечение управления ими.

При рассмотрении специализированных МП1£ остановимся на тех, которые по принципу работы наиболее подходят для реализации функ­ циональных модулей и других элементов решающей части РЗ: програм­ мируемых источников опорных сигналов, фильтров, ограничителей, компараторов, таймеров, пороговых элементов и т.д. В начале 80-х го­ дов наряду с универсальными стали создаваться специализированные МПК. В цифровых реле защиты к этому времени начали применяться алгоритмы решения систем дифференциальных уравнений, матричных преобразований и цифровой фильтрации. Если учесть, что устройства РЗ по своей сущности являются специализированными устройствами контроля и управления непрерывным технологическим процессом выра­ ботки и распределения электроэнергии, то становятся очевидными воз­ можность и целесообразность применения в них специализированных МС ВТ. При построении специализированных МПК разработчики идут по пути создания функциональных расширителей для имеющихся МПК или функционально самостоятельных МП, выполняющих крупные опера­ ции. Одной из таких схем, получивших распространение, является циф­ ровое устройство обработки (процессор) аналоговых сигналов модели 2920, разработанное фирмой Intel (США) в 1979 г. Оно реализовано в виде одной интегральной схемы, изготовленной по л-канальной МДПгехнологии [66, 68]. Особенностью структуры БИС 2920 является нали­ чие ЦАП и АЦП, оперирующих с информацией в 9-разрядном двоич­ ном коде (динамический диапазон равен 54 дБ) с использованием ме­ тода последовательных приближений. Указанная БИС содержит аналого­ вую и цифровую части. Для достижения повышенной скорости аналого­ вая часть работает независимо и синхронно с цифровой. Связь между ни­ ми осуществляется через регистр данных. Система команд МП включает 25 инструкций: 6 - для управления вводом-выводом; 1 —для сброса регистра данных в нуль и 18 —для выполнения арифметико-логических операций.

Первой отечественной ОМЭВМ цифровой обработки сигналов (ЦОС) является БИС КМ1813ВЕ1, структура которой в определенной мере аналогична структуре БИС 2920, однако имеет некоторые отличия, ко­ торые существенно расширяют область ее применения. Она является полностью автономным и функционально законченным прибором. В процессоре можно выделить три основные части: программную, анало­ говую и арифметическую (рис. 3.3). Программная часть содержит ин­ формацию, необходимую для управления процессором. При этом ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием, входящее в ее состав, обеспечивает хра­ нение 192 24-разрядных инструкций. Аналоговая часть рассчитана на 4 входных и 8 выходных каналов. Выходной канал имеет индивидуаль­ ный квантователь, коммутируемый на единственный буферированный выход ЦАП. В состав арифметической части БИС входят схемы синхро-

66

и

Рис. 3.3. Структурная схема процессора ЦОС КМ1813ВЕ1

низации, ОЗУ, двоичный сдвиговый регистр (масштабирующее устрой­ ство) и 28-разрядное арифметико-логическое устройство АЛУ. Хотя разрешающая способность АЦП и ЦАП равна 9 двоичным разрядам (8-разрядный код и знак), все арифметические операции выполняются над 25-разрядными числами в дополнительном коде с целью исключения влияния погрешностей округления на конечный результат. Еще три дополнительных разряда позволяют АЛУ обрабатывать возникающие в процессе вычислений переполнения. Рабочая область ОЗУ состоит из 40 25-разрядных слов и имеет два порта — А и В. Из порта А данные могут только считываться, после чего они поступают на вход масштаби­ рующей схемы (сдвигателя), откуда подаются на один из двух входов АЛУ в качестве операнда-источника. Порт В выдает данные на второй вход АЛУ и принимает результаты АЛУ, выступая в качестве операн­ да-приемника. Кроме того, имеется 16 ’’псевдоячеек”, адресуемых как

67

бирующем устройстве (может отсутствовать); 6 —код аналоговой опе­ рации (может отсутствовать); 7 - комментарий. Например, инструкция

и поместить результат в ячейку В; одновременно опросить входной ка­ нал 1 (IN1); комментарий указывает, что в результате содержимое ячейки В будет равно удвоенному содержимому ячейки А.

Однокристальный процессор КМ1813ВЕ1 программно совместим с ЦОС 2920, что позволяет использовать ПО, разработанное для моде­ ли 2920. Функции выводов и электрические характеристики обоих при­ боров в основных режимах полностью совпадают. В БИС КМ1813ВЕ1 введены некоторые новые функции, расширяющие его возможности. Так, наличие цифрового ввода-вывода в последовательном и параллель­ ном кодах и возможность организации программных циклов позволя­ ют выполнять процедуры обработки сигналов с циклическим повторе­ нием отдельных фрагментов и строить МПС. На ОМЭВМ возможна реа­ лизация следующих устройств РЗ и противоаварийной автоматики ЭЭС: фильтры симметричных составляющих, амплитудные анализаторы, полосовые и избирательные фильтры, функциональные модули РЗ с гибкой структурой, в которых функциональный модуль реализует од­ ну из структур РЗ, и т.д. Применение ОМЭВМ КМ1813ВЕ1 ограничива­ ется объемом ОЗУ и ППЗУ, быстродействием БИС и точностью вход­ ного аналого-цифрового преобразования. Последний недостаток удается преодолеть за счет перехода к нелинейной шкале аналого-цифрового преобразования, а первые два —за счет создания ММС на базе ОМЭВМ. При этом необходимо решить задачи организации интерфейса, синхро­ низации процессов обработки и размещения вычислительных задач. Особенностью типовых ММС на базе КМ1813 является то, что возможен обмен только данными в синхронном и асинхронном режимах; наибо­ лее естественно обмен осуществляется в асинхронном побитовом ре­ жиме. Кросс-система программирования для КМ1813ВЕ1 реализована в рамках операционных систем РАФОС и ОС-ДВК. Для обеспечения комплексной отладки имеются специальные отладочные устройства, которые могут работать совместно с ПЭВМ или мини-ЭВМ СМ4 или ав­ тономно в условиях эксплуатации устройства РЗ и при этом осуще­ ствлять перепрограммирование ОМЭВМ. При этом БИС аналогичного назначения имеют различную архитектуру и, как правило, рассчитаны на применение дополнительных схем: ОЗУ, ПЗУ, АЦП, ЦАП. Они нахо­ дят все большее применение, и выпуск их постоянно увеличивается.

В табл. 3.5 приведены основные характеристики отечественных и зарубежных БИС ЦОС, где использованы следующие обозначения: УФ —

70