Класиффикация современных контроллеров

Классификация современных  контроллеров 

Введение  

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) уже давно и  прочно заняли свою нишу на рынке средств  автоматизации. Развитие полупроводниковой  элементной базы, разработка новых  средств информационного обмена, развитие алгоритмов управления способствует тому, что линейка ПЛК непрерывно расширяется. Многообразие ПЛК с  различными функциональными и техническими, конструктивными характеристиками настолько велико, что разработчики систем автоматизации зачастую оказываются  перед нелегким выбором: какой контроллер наилучшим образом подойдет для  решения той или иной задачи.  

В данной работе мы попытаемся всё множество контроллеров классифицировать по ряду признаков, которые, как нам кажется, наиболее важны для потребителя. Определение для каждого контроллера его классификационных особенностей, его места среди прочих контроллеров позволит с большей точностью сказать, подходит ПЛК для решения данной конкретной задачи или нет.

Классификация  

Страна-производитель  

Некоторое время  назад это был очень важный классификационный признак. Считалось, что контроллеры, произведённые  в Европе, Америке и Японии, гораздо  надежнее, обладают гораздо большим функционалом, чем их «коллеги» из Юго-Восточной Азии и России. В настоящее время этот классификационный признак, скорее всего, потерял актуальность. Российские предприятия набрались опыта и схемотехнические решения у нас подчас даже лучше, чем у западных аналогов. По характеристикам контроллеры-аналоги различных стран-производителей почти не отличаются. Системное и прикладное программное обеспечение либо очень похоже, либо вообще используются стандартизированные продукты (к примеру OS Linux широко используется как на отечественных контроллерах, так и на импортных). Элементная база и в импортных, и в российских контроллерах применяется одна и та же. Кроме того, и отечественные, и европейские, и американские разработчики контроллеров (да и не только контроллеров) в последние годы все чаще размещают производство на одних и тех же площадках в Юго-Восточной Азии. По сути, границы между производителями электроники постепенно исчезают вообще.  

На что действительно  следует обратить внимание, так это  на то, учтена ли при разработке контроллера  российская специфика его эксплуатации. К российской специфике можно  отнести:  

высокий уровень  промышленных помех;

широкий диапазон изменения  параметров атмосферной и промышленной сред;

возможность информационной связи с рядом морально устаревших, но ещё находящихся в эксплуатации средств автоматизации выпуска  российских предприятий 80-х годов;

возможность информационной связи с рядом морально устаревших, но ещё находящихся в эксплуатации средств автоматизации выпуска  российских предприятий 80-х годов;

низкую культуру оперативного персонала в части  общения с вычислительными системами  и дисплейными рабочими станциями.

Контроллеры российского  производства учитывают российскую специфику их эксплуатации. Но и  зарубежные производители также  стали адаптировать свои приборы под наши условия, пытаясь занять часть российского рынка. И, справедливости ради, заметим, что сама «специфика» постепенно сходит на нет, развитие персонала, производства и инфраструктуры не стоит на месте.  

Вывод: страну производитель, как серьезный фактор классификации  рассматривать не стоит.  

Мощность  

Под обобщённым термином «мощность» понимается разрядность  и быстродействие центрального процессора, объём разных видов памяти, число  портов и сетевых интерфейсов. Очень  часто основным показателем, косвенно характеризующим мощность контроллера  и, одновременно, являющимся важнейшей  его характеристикой, является число  входов и выходов (как аналоговых, так и дискретных), которые могут  быть подсоединены к контроллеру. По этому показателю контроллеры подразделяются на следующие классы:  

наноконтроллеры (часто с встроенными функциями), имеющие до 15 входов/выходов;

малые контроллеры, рассчитанные на 15-100 входов/выходов;

средние контроллеры, рассчитанные примерно на 100-300 входов/выходов;

большие контроллеры, рассчитанные примерно на 300-2000 входов/выходов;

сверхбольшие контроллеры, имеющие примерно от 2000 и более  входов/выходов.

Очень важно отметить, что с ростом мощности контроллера  растёт его цена. Причем при переходе разница по цене между различными классами контроллеров очень значительна. Одна из задач при разработке системы  управления – это чётко зафиксировать  число входных и выходных сигналов объекта управления, чтобы избежать лишних затрат при выборе контроллера.  

Область применения  

Область применения – один из наиболее важных признаков  классификации. Область применения контроллера накладывает целый  ряд требований к контроллерам и  очень сильно сужает круг поиска при  разработке систем управления.  

Специализированный  контроллер со встроенными функциями  

Обычно им является минимальный по мощности контроллер, программа действия которого заранее  прошита в его памяти, а изменению  при эксплуатации подлежат только параметры  программы. Число и набор модулей  ввода/вывода определяется реализуемыми в нем функциями. Часто такие  контроллеры реализуют различные  варианты функций регулирования. Основные области применения: локальное управление какой-либо малой технологической  установкой или механизмом.  

Так, например, управление нагревом муфельной печи имеет смысл  осуществить при помощи отдельного температурного контроллера. Во-первых, контроллер можно будет расположить  возле самой печи, что избавит  от необходимости далеко вести провода  от датчиков, а во-вторых, температурные  контроллеры, как правило, имеют  органы индикации, которые позволят видеть текущее значение температуры.  

Контроллер для  реализации логических зависимостей (коммандоаппарат)  

Главные сферы применения такого контроллера: станкостроение, машиностроение, замена релейно-контактных шкафов во всех отраслях промышленности. Он характеризуется  прошитой в его памяти развитой библиотекой  логических функций и функций  блокировки типовых исполнительных механизмов. Для его программирования используются специализированные языки  типа релейно-контактных схем. Набор  модулей ввода/вывода у такого контроллера  рассчитан, в основном, на разнообразные  дискретные каналы. Наиболее простыми представителями данного класса контроллеров являются интеллектуальные реле.  

Контроллер, реализующий  любые вычислительные и логические функции  

Наиболее распространённый универсальный контроллер, не имеющий  ограничений по области применения. Центральный процессор контроллера  имеет достаточную мощность, разрядность, память, чтобы выполнять как логические, так и математические функции. Иногда, для усиления его вычислительной мощности, он снабжается ещё и математическим сопроцессором (во многих современных  процессорах математический сопроцессор  интегрирован в сам кристалл). Инструментальные средства для программирования таких  контроллеров, как правило, поддерживают несколько языков программирования, таких как язык релейно-контактных схем, функционально-блоковых диаграмм, язык С, Basic, Pascal и тому подобные. Как правило, также предоставляется большая библиотека уже реализованных логических, математических и коммуникационных функций. В состав модулей ввода/вывода входят модули на всевозможные виды и характеристики каналов (аналоговых, дискретных, импульсных и т. д.).  

Контроллер противоаварийной защиты  

Он должен отличаться от контроллеров других классов:  

особенно высокой  надежностью, достигаемой различными вариантами диагностики и резервирования (например, диагностикой работы отдельных  компонентов контроллера в режиме реального времени, наличием основного  и резервного контроллеров с одинаковым аппаратным и программным обеспечениями  и с модулем синхронизации  работы контроллеров, резервированием  блоков питания и коммуникационных шин);

высокой готовностью, т. е. высокой вероятностью того, что  объект находится в рабочем режиме (например, не только идентификацией, но и компенсацией неисправных элементов; не просто резервированием, но и восстановлением  ошибок программы без прерывания работы контроллеров);

отказоустойчивостью, когда при любом отказе автоматизируемый процесс переводится в безопасный режим функционирования.

Контроллер цепи противоаварийной защиты должен иметь  сертификат, подтверждающий безопасность его работы в цепях противоаварийной защиты.  

Контроллер телемеханических систем автоматизации  

Данный класс универсальных  контроллеров удобен для создания систем диспетчерского контроля и управления распределёнными на местности объектами. В контроллерах данного класса повышенное внимание уделяется программным  и техническим компонентам передачи информации на большие расстояния беспроводными  линиями связи. В качестве таких  линий часто используются УКВ-радиоканалы  с обычными или транковыми радиостанциями. При этом возможна передача информации от каждого контроллера в диспетчерский центр, а также эстафетная передача информации по цепи от одного контроллера к другому до достижения диспетчерского центра.  

В настоящее время, в связи с большим скачком  в развитии сотовой связи, всё  большее распространение получает передача информации через сети GSM. По сравнению с транковыми сетями сети GSM имеют ряд достоинств и недостатков, обсуждение которых выходит за рамки данной статьи. Тем не менее отметим, что всё большее количество производителей контроллеров для телемеханических систем автоматизации предлагают коммуникационные модули со встроенными GSM-модемами.  

Открытость архитектуры  

По структуре контроллеры  подразделяются на два класса: контроллеры, имеющие фирменную закрытую структуру, и контроллеры открытой структуры, основанной на одном из магистрально-модульных  стандартов.  

При закрытой фирменной  структуре изменения (модификации) контроллера возможны, обычно, только компонентами производителя. Сами изменения  достаточно ограничены и заранее  оговорены производителем.  

При открытой магистрально-модульной  структуре, имеющей стандартный  интерфейс для связи центрального процессора с другими модулями контроллера, ситуация кардинально меняется:  

открытость и широкая  доступность стандарта на шину, соединяющую  модули разного назначения, даёт возможность  выпускать в данном стандарте  любые модули разным производителям, а разработчикам контроллеров даёт возможность компоновать свои средства из модулей разных фирм;

возможность любой  модификации и перекомпоновки средств  путем замены в них отдельных  модулей, а не замены самих средств, удешевляет эксплуатацию средств;

сборка контроллеров из готовых модулей позволяет  точнее учитывать конкретные технические  требования и не иметь в них  лишних блоков и элементов, не нужных для данного конкретного применения;

широкая кооперация разных фирм, поддерживающих данный стандарт на шину и работающих в этом стандарте, позволяет пользователям модулей  не быть привязанными к конкретному  поставщику и иметь широкий выбор  необходимой ему продукции.

В качестве примера  распространённого стандартного интерфейса для обмена информацией внутри контроллера  можно привести интерфейс VME. Эта  шина была разработана фирмой Motorola и впоследствии была стандартизирована IEC как ANSI/IEEE 1014-1987 (отечественный аналог – ГОСТ Р МЭК 821-2000).  

PC-совместимость  

По этому признаку все контроллеры можно разделить  на два класса: PC-совместимые и PC-несовместимые. Каждый из этих классов имеет свои достоинства и недостатки.  

PC-совместимые контроллеры  можно охарактеризовать следующими  особенностями:  

они имеют классическую открытую архитектуру IBM PC;

в них используется элементная база, та же, что и у обычных PC;

они работают под  управлением тех же операционных систем, которые широко используются в персональных компьютерах, например Windows, Unix, Linux, QNX;

программируются они  теми же языками, которые используются для разработки ПО для PC;

на них, как правило, возможна работа программного обеспечения, разработанного для персональных компьютеров, при наличии требуемых для  ПО аппаратных ресурсов.