1.2. Устройство и принцип работы контроллеров
Контроллеры представляют собой микропроцессорные устройства, выполняющие определенные действия по заложенной в них программе. По сути, контроллеры мало чем отличаются от микро-ЭВМ (компьютеров) и имеют одинаковые с ними основные узлы. Контроллеры, как и большинство существующих на сегодняшний день ЭВМ, построены по архитектуре фон Неймана: они содержат процессор (блок управления + арифметико-логическое устройство), память и устройства ввода-вывода. На рис. 1.1 приведена общая структурная схема контроллера. Однако надо отметить, что конкретные модели контроллеров могут не вполне соответствовать приведенной схеме.
Рис. 1.1. Общая структурная схема программируемых
логических контроллеров
Рассмотрим основные элементы контроллеров, приведенные на рис. 1.1.
Процессор. Основная часть любой ЭВМ, его функция – выполнять команды, записанные в памяти. Тип процессора не является основной характеристикой контроллеров (в отличие от персональных компьютеров), поскольку обычно от контроллеров не требуется очень высокого быстродействия; часто тип процессора даже не указывается в документации к контроллеру. Однако в последнее время развиваются так называемые SCADA-системы (системы контроля управления и диспетчеризации), которые предъявляют новые требования к контроллерам, в частности, поддержку современных сетевых технологий (Ethernet) и многозадачность. Поэтому в современных контроллерах могут применятся достаточно совершенные процессоры, например, Intel Pentium III и др. В то же время, в более простых контроллерах, работающих без связи с другими контроллерами и компьютерами, могут использоваться и более простые процессоры, например, Z80.
Память (ОЗУ и ПЗУ). Функция памяти – хранить программу и данные. Обычно контроллеры не имеют большого объема памяти, поскольку они работают под управлением упрощенных узкоспециализированных операционных систем с довольно скромными запросами. Программа контроллера также не занимает большого объема. Следовательно, контроллеры не имеют жестких дисков (в них нет никакой необходимости). Чтобы контроллер не «забывал» программу при выключении питания, память может быть энергонезависимой (EPROM, Erasable Programmable Read Only Memory), это альтернатива жестким дискам, более простая и дешевая, но с малой емкостью. Объем памяти не является важной характеристикой контроллера. Он может быть, например, несколько килобайт (у персональных компьютеров объем памяти составляет порядка сотен мегабайт, т.е. в сотни тысяч раз больше).
Клавиатурно-дисплейный модуль (КДМ). Предназначен для управления контроллером, ввода команд, программирования, мониторинга. Не особенно удобен для выполнения перечисленных функций, так как обычно контроллеры могут подключаться к компьютерам, выполняющим те же функции. Как правило, КДМ применяется для настройки контроллера «на месте», т.е. довольно нечасто. По этой причине КДМ обычно небольшой и простой.
Порты ввода-вывода. Они служат для преобразования двоичной информации в какие-либо физические сигналы (как правило, в дискретные электрические) и обратно. Порты являются неотъемлемой частью любого микропроцессорного устройства, а контроллере они выполняют функцию ввода данных и выдачи управляющих воздействий. Внешние устройства, как правило, не подключаются к шине контроллера напрямую, поскольку их уровни сигналов обычно не совпадают с уровнями сигналов шины контроллера (лог.0 – 0,2 В, лог.1 – 5 В). Кроме того, подключение устройств к шине без гальванической развязки небезопасно, так как любые виды помех (из-за наводок, пробоев изоляции, коротких замыканий и т.д.) поступали бы напрямую в контроллер, что приводило бы к его неустойчивой работе и даже к выходу из строя. Поэтому порты ввода-вывода обеспечивают, во-первых, необходимое преобразование уровней сигналов, и во-вторых, гальваническую развязку.
Дискретные входные сигналы, как правило, несут информацию о замыкании или размыкании какого-либо контакта (рис. 1.2).
Рис. 1.2. контроллер с двумя дискретными входами
и с двумя релейными выходами
Дискретные выходные сигналы представляют собой управляемые контроллером «ключи», способные замыкать или размыкать цепь (рис. 1.2). Дискретные выходы могут быть релейными или транзисторными. Транзисторные выходы обладают высоким быстродействием и бесшумностью. Релейные выходы достаточно медленные и срабатывают с характерными для реле громкими «щелчками», однако они могут коммутировать цепи с большим напряжением, например, 220 В.
Аналоговые входные сигналы несут изменяющуюся информацию в форме тока или напряжения. Аналоговый сигнал может принимать произвольное значение из определенного диапазона, например, от 0 до 12 В. Такой сигнал не может непосредственно восприниматься контроллером, поскольку контроллер оперирует дискретной (двоичной), а не аналоговой информацией. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой контроллеры оснащаются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). На каждый аналоговый вход контроллер содержит отдельный АЦП.
Аналоговые выходные сигналы формируются в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП), которые преобразуют двоичный цифровой код в аналоговый сигнал. Следует отметить, что АЦП и ЦАП могут и не находится непосредственно внутри контроллеров, а подключаться как дополнительные модули. АЦП и ЦАП рассматриваются в главе 3.
Шина контроллера связывает все его компоненты. Контроллеры содержат три основные шины. Шина данных используется для передачи данных между процессором и другими элементами. Адресная шина используется для передачи адреса в памяти (или порта ввода-вывода), по которому данные можно прочитать или сохранить. Шина управления используется для передачи сигналов управления из процессора другим элементам. Физически шины представляют собой группу проводящих дорожек на плате или проводов, по которым посылаются цифровые сигналы. Передача данных по шинам называется параллельной передачей. При последовательной передаче данных каждый бит по очереди передается по одному-единственному проводу. А при параллельной передаче данных, например при передаче двоичного числа 01101001 по шине передаются все восемь разрядов одновременно, и каждый разряд по своему отдельному проводу (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Параллельная (а) и последовательная (б) передачи данных
Интерфейс предназначен для связи контроллера с компьютером или другими элементами автоматизированной системы. Под интерфейсом понимают унифицированное аппаратно-программное устройство для передачи информации. То есть два разных устройства, обладающих одним интерфейсом, можно подключить друг к другу для обмена информацией. Унификация интерфейсов обеспечивает совместимость подключаемых устройств. Контроллеры могут обладать различными интерфейсами. Обычно контроллеры подключаются через интерфейс к ПЭВМ (рис. 1.1) для программирования и/или мониторинга работы, но могут подключаться также и к другим устройствам и даже к компьютерным сетям. Очевидно, что ПЭВМ, к которой производится подключение, должна обладать соответствующим интерфейсом. Основные типы интерфейсов рассмотрены в главе 4.
2. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
НА БАЗЕ КОНТРОЛЛЕРОВ
Контроллеры не применяются сами по себе, без дополнительного оборудования. В общем случае, схемы использования контроллеров можно подразделить на несколько:
1. Системы сбора данных (рис. 2.1). В этом случае контроллер применяется в качестве «приемника» данных, т.е. он принимает сигналы; осуществляет их аналого-цифровое преобразование; обрабатывает данные; выводит информацию на собственный дисплей (КДМ), или на ПЭВМ, или на другое устройство регистрации данных.
Рис. 2.1. Варианты систем сбора данных
ПЭВМ может как присутствовать, так и нет. ПЭВМ может подключаться к контроллеру как через стандартный интерфейс, так и удаленным соединением через аналоговый канал. В этом случае подключение ПЭВМ и контроллера осуществляется посредством модемов, а в качестве линии связи может быть коммутируемая или выделенная телефонные линии, а также сотовая связь (GSM).
2. Системы программного управления (рис. 2.2) предназначены для выдачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы по заранее заданной программе. В некоторых случаях возможно подключение ПЭВМ к контроллеру, тогда оператор имеет возможность вмешиваться в процесс управления.
Рис. 2.2. Системы программного управления
В качестве исполнительных органов могут использоваться различные устройства для воздействия на технологический процесс, а также устройства сигнализации: магнитные пускатели, электромагниты, винтили, сигнальные лампы, звонки и т.д.
Следует отметить, что системы сбора данных и системы программного управления являются, с точки зрения теории автоматического управления, разомкнутыми системами. В таких системах возможности программируемых контроллеров, как регуляторов, не используются в полной мере
3. Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) являются полноценными замкнутыми системами управления. Они могут быть построены по различным схемам (рис. 2.3), но все работают по одному принципу: контроллер (несколько контроллеров) получают информацию с датчиков, обрабатывают ее, выдают сигналы на исполнительные органы. В АСУТП может быть реализована функция системы контроля и диспетчеризации (SCADA), дающая возможность в удобной форме (на экране ПЭВМ) управлять технологическим процессом, просматривать текущие параметры процесса, вести регистрацию данных.
Рис. 2.3. Варианты АСУТП
На предприятиях, где применяются сложные производственные процессы, например, на целлюлозно-бумажных производствах, внедряются АСУТП на базе готовых систем автоматизации (например Damatic или Experion PKS), которые содержат готовые унифицированные аппаратно-программные решения. Общая структура таких АСУТП приведена на рис. 2.3 (в).
В качестве примера на рис. 2.4 приведена схема системы управления автоматом облагораживания внешнего вида мебельных заготовок на базе контроллера «Alpha XL», а на рис. 2.5 - схема системы автоматического управления фрезерно-брусующим станком на базе контроллера AL-20MR-A.
Рис. 2.4. Схема системы управления автоматом облагораживания внешнего вида мебельных заготовок
Рис. 2.5. система автоматического управления
фрезерно-брусующим станком