Автоматизация. Начало. Что и почему

ШИМ (широтно-импульсная модуляция)
Обычно, используется для управления нагрузками постоянного тока, но не обязательно. Фазовый или фазоимпульсный способы управления нагрузкой переменного токая тоже отнести к некоторому подобию ШИМ. Суть метода заключается в том, что действующее значение импульсного напряжения зависит не только от формы импульсов, но и от коэффициента заполнения (отношение длительности импульса к периоду), или скважности (обратная величина, по отношению к коэффициенту заполнения, то есть, отношение периода к длительности импульса), если говорить о прямоугольных импульсах.

ШИМ. Изображение с сайта xtechx.ru
На рисунке показано три разных коэффициента заполнения импульсов. Чем выше коэффициент заполнения (или, чем ниже скважность), тем выше действующее значения напряжения. Однако, нагрузка постоянного тока весьма скептически отнесется к питанию напряжением такой формы. Поэтому на выходе обычно устанавливают LC фильтры, которые и формируют постоянное напряжение пропорциональное скважности импульсов.
Частотное регулирование
Не всегда нагрузкой можно управлять включением/выключением или ШИМ. Например, асинхронные двигатели переменного тока не позволят плавно регулировать скорость вращения кроме как изменением частоты питающего напряжения. Поэтому, когда требуется не простое включение такого двигателя, а управление скоростью его вращения, используют частотные преобразователи. Это отдельная большая тема для разговора, поэтому не буду в нее углубляться.
УСО (Устройства сопряжения с объектами)
Устройства управления не могут быть рассчитаны на возможность подключения всего спектра датчиков и исполнительных устройств. Да и количество входов/выходов обычно ограничено. Поэтому в том, или ином виде, системы управления часто включают в свой состав одно, или несколько, УСО. Функции УСО:
1. Преобразование уровней токов и напряжений датчиков к необходимым УУ уровням.
2. Преобразование уровней токов и напряжений УУ к необходимым исполнительным устройства уровням.
3. Увеличение количества доступных входов/выходов.
4. Преобразование протоколов связи с датчиками и исполнительными устройствами.
5. Расширение списка доступных протоколов обмена.
6. Защита входов и выходов УУ.
Это не полный список, но он дает общее представление. Преобразование уровней, обычно, выполняется ограничителями, усилителями-ограничителями, нормирующими усилителями, преобразователями уровня и полярности.
Увеличение количества входов/выходов обеспечивается или микросхемами расширителями портов расположенными прямо на плате устройства управления, или возможность подключения внешних модулей расширения.
Преобразование протоколов связи и расширение списка протоколов нужно обговорить особо. Дело в том, что датчики и исполнительные устройства редко размещаются рядом. Значит надо обеспечить безошибочную передачу данных и сигналов управления на большое расстояние, иногда, километры, не взирая на помехи и потери в линии связи. Кроме того, необходимо использовать минимального количества отдельных линий в канале связи обеспечив, при этом возможность подключения максимального количества устройств и датчиков. Для решения этой проблемы существует множество физических и логических шин и протоколов, включая и нестандартные, и закрытые.
Из физических протоколов можно вспомнить RS-485/422, RS-232, наши стык С2 и ИРПС, токовую петлю 20 мА, токовую петлю 4-20 мА, шину CAN, шину LIN, 1-Wire, I2C. И это далеко не полный список. Не все из этих протоколов рассчитаны на работу на больших расстояниях, но в пределах одного блока, или для подключения рядом расположенных (в пределах одного шкафа) модулей и они могут использоваться.
Для логической организации каналов связи поверх физического уровня может использоваться логический. Так по физическому протоколу RS-485 могут работать, например, Mоdbus и Profibus.
Блок управления, например, может включать в себя устройство управления и УСО в виде регистров расширения цифровых входов, на 8 линий, и выходов, на 8 линий. УСО с нормирующими усилителями на 4 аналоговых лини. УСО для подключения датчиков и исполнительных устройств по RS-485 по обычному протоколу UART. Шину I2C для внутренних нужд и подключения модулей расширения. А сама система управления может дополнительно включать в себя преобразователь протоколов (УСО) Modbus-UART и модуль расширения (УСО) для подключения датчиков DS18B20 и ЦАП по шине 1-Wire.
Ну а о необходимости защиты входов и выходов и говорить не стоит. Ни одна более менее серьезная система без этого не может.
Самодельные любительские устройства и системы автоматики могут не иметь УСО в явном виде. Однако, учитывая популярность темы "умный дом", системы управления все больше приобретают вид полноценных систем.