Слово «контроллер» произошло от английского control (управление), а не от русского «контроль» (учет, проверка). Контроллером в системах автоматизации называют устройство, выполняющее управление физическими процессами по записанному в него алгоритму с использованием информации, получаемой от датчиков и выводимой в исполнительные устройства.

Первые контроллеры появились на рубеже 60-х н 70-х годов в автомобильной промышленности, где использовались для автоматизации сборочных линий. В то время компьютеры стоили чрезвычайно дорого, поэтому контроллеры строились на жесткой логике (программировались аппаратно), что было гораздо дешевле. Однако перенастройка с одной технологической линии на другую требовала фактически изготовления нового контроллера. Поэтому появились контроллеры, алгоритм работы которых мог быть изменен несколько проще — с помощью схемы соединений реле. Такие контроллеры получили название программируемых логических контроллеров (ПЛК), и этот термин сохранился до настоящего времени. Везде ниже термины «контроллер» и «ПЛК» мы будем употреблять как синонимы.

Немного позже появились ПЛК, которые можно было программировать на машинно-ориентированном языке, что было проще конструктивно, но требовало участия специально обученного программиста для внесения даже незначительных изменений в алгоритм управления. С этого момента началась борьба за упрощение процесса программирования ПЛК, которая привела сначала к созданию языков высокого уровня, затем — специализированных языков визуального программирования, похожих на язык релейной логики. В настоящее время этот процесс завершился созданием международного стандарта IEC (МЭК) 1131-3, который позже был переименован в МЭК 61131-3, Стандарт МЭК 61131-3 поддерживает пять языков технологического программирования, что исключает необходимость привлечения профессиональных программистов при построении систем с контроллерами, оставляя для них разрешение нестандартных задач.

Жесткие ограничения на стоимость и огромное разнообразие целей автоматизации привели к невозможности создания универсального ПЛК, как это случилось с офисными компьютерами. Область автоматизации выдвигает множество задач, в соответствии с которыми развивается к рынок, содержапщй сотни непохожих друг на друга контроллеров t различающихся десятками параметров. Каждый производитель выпускает несколько типов ПЛК разной мощности и стоимости, чтобы увеличить прибыль за счет сегментирования рынка.

Выбор оптимального для конкретной задачи контроллера основывается обычно на соответствии функциональных характеристик контроллера решаемой задаче при условии минимальной его стоимости. Учитываются также другие важные характеристики (температурный диапазон, надежность, бренд изготовителя, наличие разрешений Ростехнадзора, сертификатов и т.п.).

Несмотря на огромное разнообразие контроллеров, в их развитии заметны следующие общие тенденции:

• уменьшение габаритных размеров;
• расширение функциональных возможностей;
• увеличение числа поддерживаемых интерфейсов и сетей;
• использование идеологии «открытых систем»;
• использование языков программирования стандарта МЭК 61131-3;
• снижение цены.

Для классификации огромного разнообразия существующих в настоящее время контроллеров рассмотрим их существенные различия.

Основным показателем ПЛК является число каналов ввода-вывода. По этому признаку ПЛК делятся на следующне группы:

• нано-ПЛК (менее 16 каналов);
• микро-ПЛК (более 16, до 100 каналов);
• средние (более 100, до 500 каналов);
• большие (более 500 каналов).

По расположению модулей ввода-вывода ПЛК бывают:

• моноблочными, в которых устройство ввода-вывода не может быть удаленно из контроллера или заменено на другое. Конструктивно контроллер представляет собой единое целое с устройствами ввода-вывода (например, одноплатный контроллер). Моноблочный контроллер может иметь, например, 16 каналов дискретного ввода и 8 каналов релейного вывода;
• модульные, состоящие из общей корзины (шасси), в которой располагаются модуль центрального процессора и сменные модули ввода-вывода. Состав модулей выбирается пользователем в зависимости от решаемой задачи. Типовое число слотов для сменных модулей — от 8 до 32;
• распределенные (с удаленными модулями ввода-вывода), в которых модули ввода-вывода выполнены в отдельных корпусах, соединяются с модулем контроллера по сети (обычно на основе интерфейса RS-485) и могут быть расположены на расстоянии до 1,2 км от процессорного модуля.

Архитектурой контроллера называют набор его основных компонентов и связей между ними. Типовой состав ПЛК включает центральный процессор, память, сетевые интерфейсы и устройства ввода-вывода. Иногда эта конфигурация дополняется устройством для программирования и пультом оператора, устройствами индикации, реже — принтером, клавиатурой, мышью или трекболом,

Процессорный модуль включает в себя микропроцессор (центральное процессорное устройство — ЦПУ), запоминающие устройства, часы реального времени и сторожевой таймер, Термины «микропроцессор» и «процессор»- в настоящее время стали синонимами, поскольку все вновь выпускаемые процессоры выполняются в виде СБИС, т.е. являются микропроцессорами.

Основными характеристиками микропроцессора являются разрядность (в ПЛК используются 8-, 16- и 32-разрядные микропроцессоры), тактовая частота, архитектура, наличие операций с плавающей точкой, типы поддерживаемых портов ввoдa-вывoдa температурный диапазон работоспособности и потребляемая мощность.

Производительность ПЛК оценивается по следующим параметрам:

• длительность контроллерного цикла (период считывания значений из каналов ввода, обработки в процессоре и записи в каналы вывода);
• время выполнения команд (отдельно логических, с фиксированной и с плавающей точкой);
• пропускная способность шины между контроллером и модулями ввода-вывода;
• пропускная способность промышленной сети;
• время цикла опроса всех контроллеров в одномастерной сети или цикл обращения маркера для многомастерных сетей с маркером;
• время реакции.

Контроллер в системах автоматизации выполняет циклический алгоритм, включающий ввод данных и размещение их в ОЗУ, обработку данных и вывод.

Длительность контроллерного цикла (его еще называют рабочим циклом) зависит от количества модулей ввода-вывода и наличия в них замаскированных (исключенных из процедуры обмена) входов-выходов, поэтому рассчитывается для каждой конфигурации автоматизированной системы отдельно. При интенсивной математической обработке данных (например, при цифровой фильтрации, интерполяции или идентификации объекта управления в режиме нормального функционирования системы) длительность контроллерного цикла существенно зависит от быстродействия процессорного модуля. В контроллерный пик л входит также обслуживание аппаратных ресурсов ПЛК (обеспечение работы системных таймеров, оперативное самотестирование, индикация состояния), контроль времени цикла [494], сетевой обмен, управление многозадачностью, отображение процесса выполнения программы на дисплее и т.п.

В качестве примера рассмотрим ПЛК NLcon-CE, продвигаемый фирмой НИЛ АП под торговой маркой «RealLab!». Контроллер построен на базе мощного (для ПЛК) процессора РХА-255 фирмы Intel и работает с удалейными модулями ввода-вывода через интерфейс RS-485 по протоколу Modbus RTXJ или DCOR

Основными отличительными характеристиками ПЛК являются следующие:

• соответствие идеологии открытых систем;
• малые габаритные размеры;
• мощный процессор;
• большая емкость памяти;
• широкий температурный диапазон (от —25 °С или от —40 до +70 *С);
• поддержка дисплея, мыши, клавиатуры.

Центральный процессор управляет ОЗУ, ЭППЗУ, ЖКИ дисплеем и внешними портами с помощью вспомогательных контроллеров ввода-вывода, исполняя ОС Windows СЕ и программу пользователя, написанную с помощью пакета CoDeSys.

Вспомогательный контроллер («компаньон*) ITE 18152 управляет двумя USB портами и контроллером Realtek, который реализует стек протоколов Ethernet. Два порта RS-485 выполнены на основе контроллера Atmegal64P с использованием двух UART процессора РХА-255.

Автоматизированные системы сбора данных в настоящее время являются общедоступным средством получения экспериментальной информации, и связано это, в первую очередь, с широким распространением персональных компьютеров. Системы сбора данных находят применение для научных исследований, управления производственными процессами, мониторинга в промышленности, медицине, метеорологии, космонавтике и других областях человеческой деятельности. Автоматизированный сбор данных позволяет получить данные нового качества, которые невозможно получить иными средствами. Это результаты статистической обработки огромного числа измерений, полученных в цифровой форме, возможность регистрации случайно появляющихся событий с недостижимой ранее разрешающей способностью по времени и амплитуде, регистрация быстроизменяющихся процессов. Благодаря резкому удешевлению систем сбора данных по сравнению со стоимостью человеческого труда появилось большое количество областей применения, где ранее использовалась ручная регистрация данных: в теплицах, элеваторах, на метеостанциях, в процессе приемо-сдаточных и сертификационных испытаний продукции, на складах, в промышленных холодильниках, при автоматизации научного эксперимента и т.п.

Основным отличием систем сбора данных от ПЛК является отсутствие в них алгоритма управления, т.е, отсутствие необходимости в мощном контроллере и языке МЭК 61131-3, а также наличие большого объема памяти для ведения архива. Хотя системы сбора данных можно построить на любом ПЛК, но в связи с указанными выше особенностями они занимают отдельный сегмент рынка и их выделяют в отдельную группу средств автоматизации.

Системы сбора данных могут применяться в реальном времени, например для мониторинга (наблюдения) различных процессов, идентификации аварийных ситуаций в технологических процессах, а также могут применяться для архивирования данных, когда их обработка отделена от процесса сбора неопределенным интервалом времени. В системах реального времени текущие данные сохраняются в течение некоторого заданного времени в кольцевом буфере, откуда устаревшие данные вытесняются вновь поступившими. В архивирующих системах используются накопители информации большой емкости и данные обрабатываются после завершения сбора.

Несмотря на существующие традиции применения ПЛК для решения проблем автоматизации, многие задачи гораздо эффективнее решаются с помощью персональных компьютеров вместо контроллера. Компьютер может быть использован также как пульт оператора (диспетчера) или выполнять одновременно функции контроллера и пульта оператора, В задачах автоматизации широко применяют как офисные, так и промышленные компьютеры.

Компьютер может быть превращен в полноценный контроллер, если на него установить:

• систему программирования контроллеров (например, CoDeSys или ISa-GRAF);
• электронный диск вместо обычного жесткого диска;
• платы ввода-вывода или внешние модули ввода-вывода;
• сторожевой таймер.

Электронный диск представляет собой ПЗУ, состоящее из микросхем флэш-памяти и конструктивно выполненное в виде корпуса обычного жесткого диска формата 2.5″, 3.5″ или 5.25″ со стандартными интерфейсами IDE и SCSI. Основным достоинством электронного диска является его высокая устойчивость к вибрациям, отсутствие акустического шума, высокая надежность, низкое энергопотребление, малый вес.

Платы и внешние модули ввода-вывода для компьютера выпускаются многими независимыми производителями, что стало возможным благодаря наличию стандартов на конструктивное исполнение и шины как промышленных, так и офисных компьютеров.

Наиболее типичным применением ПК в задачах автоматизации является организация рабочего места оператора (диспетчера). Компьютер здесь выполняет роль человеко-машинного интерфейса (ЧМИ). Для улучшения эргономичности и эффективности работы оператора используют SCADA-пакеты с использованием звука, анимации, высококачественной цветной графики и множеством интеллектуальных функций, облегчающих работу оператора.

Для создания ЧМИ используют мониторы с сенсорным экраном, плазменные панели, проекторы экрана компьютера на стену, трекбол, звуковые колонки, сирены, клавиатуры со степенью защиты от IP-21 до IP-67.

Трекбол аналогичен компьютерной мыши, которая перевернута шариком вверх, и имеет размер шарика от 1 до 4***6 см в диаметре- Трекбол удобен тем, что при его использовании запястье руки остается неподвижным, он не требует много места и может быть использован в условиях тряски и вибрации.

Сенсорный экран представляет собой стеклянную или пластиковую пластину, прикрепленную поверх экрана обычного монитора. Для определения координат касания экрана пальцем оператора используют в основном четыре физических принципа: поглощение пальцем энергии поверхностных акустических волн, изменение емкостного тока при касании экрана, изменение сопротивления между двумя прозрачными проводящими поверхностями при надавливании пальцем и принцип затенения инфракрасных лучей, исходящих из излучателей по периметру экрана. Наибольшее распространение получили ре-застивные и емкостные сенсорные экраны.

Промышленные компьютеры существенно отличаются от офисных по конструктивным признакам, однако используют те же микропроцессоры и архитектуру, Основными отличиями являются следующие:

• разъемы для сменных плат устанавливаются на пассивной объединительной панели, а не на материнской плате;
• для сменных плат используются надежные штырьковые разъемы;
• для смены плат не нужно раскрывать корпус;
• используются специализированные промышленные компьютерные шины CompactPCI, AdvancedTCA, COMExpress, VME, VXI и др.;
• вместо жесткого диска может быть использована флэш-память;
• наличие сторожевого таймера;
• применение вентиляторов со сменным пылеулавливающим фильтром или отсутствие вентиляторов;
• прочная несущая конструкция с надежным креплением плат пружинящими планками с винтовыми зажимами;
• применение блоков питания повышенной надежности, с защитой от х.з. по выходу и с расширенным диапазоном сетевых напряжений (от 100 до 250 В);
• резервирование блоков питания;
• наличие энергонезависимой оперативной памяти (с аккумуляторным питанием), которая сохраняет данные при сбоях или исчезновении питания;
• в одном конструктиве и на одной объединительной шине может располагаться несколько компьютерных систем;
• наличие съемной флэш-памяти;
• применение, кроме Windows, операционных систем DOS, Linux и операционных систем реального времени.

Конструктивное исполнение промышленного компьютера обеспечивает защиту от пыли, влаги, вибрации, электромагнитных наводок и облегчает техническое обслуживание. Для работы в диапазоне температур от —40 до +70 °С используется индустриальная элементная база с расширенным температурным диапазоном или, если это возможно, искусственный подогрев а принудительное охлаждение.