5. Промышленные контоллеры

Многие системы управления строятся на основе простых не имеющих развитых интерактивных средств микропроцессорных блоках – контроллерах. Контроллер это мозг любой автоматической машины, обеспечивающий логику ее работы.

Термином " промышленный контроллер" обозначают микропроцессорное устройство со встроенным аппаратным и программным обеспечением, которое используется для выполнения функций управления технологическим оборудованием.

Их развитие идет по двум направлениям – создание специализированных и универсальных контроллеров.

Специализированным контроллером считается устройство, которое разрабатывалось для конкретного применения и не может применяться в иных местах. Разработка специализированного контроллера базируется на идеи минимизации аппаратных и программных средств для того, чтобы в конечном итоге добиться оптимизации таких качественных показателей системы как быстродействие, точность, стоимость, массо-габаритных показателей. Такой контроллер может быть встроен только в конкретную машину и обладает жесткой логикой работы, заложенной при изготовлении. Проектирование таких контроллеров окупается только для изделий выпускаемых значительным тиражом.

При создании машин занятых в сфере промышленного производства, как правило, приходится иметь дело не более чем с единицами однотипных устройств. Кроме того, очень существенной здесь является возможность быстрой перенастройки оборудования на выпуск другой продукции. Для уникальных проектов, мелкосерийных изделий и опытных образцов желательно иметь универсальный свободно программируемый контроллер.

Универсальный контроллер строится исходя из концепции размещения в рамках выбранного конструктива максимально возможного набора аппаратных средств избыточного для отдельного конкретного применения.

Может показаться, что большой объем аппаратных ресурсов сделают такое устройство обязательно дорогим, что ограничит его использование. Однако это не так.

Каждый пользователь найдет в составе аппаратных ресурсов универсального контроллера средства нужные именно ему. Кроме избыточности аппаратных средств мощным фактором универсализации выступает возможность управлять микропроцессорными устройствами с помощью самостоятельно создаваемых пользователем программ. Таким образом, потребителей такого контроллера будет очень много. Большой объем их выпуска существенно снизит их стоимость, и пользователь просто не будет обращать внимания на неиспользуемые им (для него избыточные) аппаратные средства контроллера. Но самое главное – каждый потребитель будет освобожден от необходимости изготовления устройства управления (разработки схем, печатных плат, конструктива, отладки), что в конечном итоге сократит средства и время, затрачиваемые им на реализацию и внедрение конкретного проекта.

Долгое время применение универсальных контроллеров ограничивалось тем, что достичь достаточно высоких требований по производительности и точности в рамках унифицированных устройств (все-таки при их создании всегда ориентируются на типовые значения параметров и максимально широкий круг пользователей) было весьма трудно. Однако, развитие микропроцессорной техники, достижения технологии изготовления интегральных средств в последнее время все больше стирают эти ограничения. И при разработке систем управления технологическими процессами сегодня применение универсальных контроллеров уже занимает доминирующее положение. За универсальными контроллерами закрепился и чаще всего используется термин программируемые логические контроллеры (ПЛК).

На контроллеры в современных системах управления возлагаются самые разнообразные задачи и для их решения требуются самые различные технические средства. В этом смысле концепция универсализации контроллеров (широты их применения) наталкивается на необходимость введения в состав каждого из них большого и избыточного для каждой конкретной задачи набора средств и в конечном итоге эта концепция может потерять смысл.

Выходом из этой проблемы явился модульный подход к реализации контроллеров. При этом подходе каждый из них состоит как бы из двух частей – базовой части, которая включает в себя обязательный и минимальный набор средств, и части, которая может модифицироваться, набираться из нескольких отдельных модулей. Каждый из модулей включает в себя определенный набор средств. Проектировщик как из кубиков набирает тот состав средств, который нужен ему для решения конкретной задачи.  

Базовая часть контроллера включает в себя центральный процессорный блок (Central Processors Units – CPU), основными задачами которого является управление периферийными модулями, хранение программы работы и данных, организация обмена данными и командами с центральным управляющим компьютером, обмен данными с прочими контроллерами того же иерархического уровня, проведение диагностики работоспособности узлов.

Модульный принцип набора функций контроллеров как нельзя лучше соответствует общей концепции создания и использования универсальных контроллеров, что способствует расширению сферы их применения и, в конечном счете, увеличению объемов их выпуска.

Кроме рассмотренных очевидных факторов, определяющих широту применения универсальных контроллеров, большую роль играют усилия производителей таких устройств направленные на обеспечение максимального удобства их программирования, отладки систем и возможности включения контроллеров в состав сетей распределенных (децентрализованных) систем управления.

Важнейшую роль при создании систем на основе универсальных контроллеров играет программное обеспечение, которое четко подразделяется на две группы – программы управления процессом и сервисное программное обеспечение. Диапазон используемых сервисных программных продуктов простирается от средств отладки программ, созданных с использованием конкретного языка программирования того или иного контроллера, использования драйверов аппаратуры до программных комплексов, интегрирующих средства разработки элементов различных уровней системы – от нижнего уровня систем автоматизации до планирования ресурсов предприятия, организации обмена данными между приложениями различного уровня.

При выборе программного обеспечения необходимо принимать во внимание не только опыт и предпочтения пользователя, но и современные тенденции и методы построения систем. Имеется ли необходимость, чтобы программные средства были построены на принципах открытой архитектуры? Требуется ли от разработчиков системы определенная квалификация и опыт в области программирования? Насколько программное обеспечение легко в использовании и сопровождении? Ответы на эти и подобные вопросы в конечном итоге определяют, какое именно программное обеспечение следует выбрать.

Расширение сферы применения универсальных контроллеров заставляет проектировщика систем управления четко ориентироваться в многообразии контроллеров, которые сейчас предлагают ему различные производители.

ПЛК ориентированы на длительную работу в условиях промышленной среды. Это обуславливает определенную специфику схемотехнических решений и конструктивного исполнения.

Хороший ПЛК обладает мощной и интуитивно понятной системой программирования, удобен в монтаже и обслуживании, обладает высокой ремонтопригодностью, имеет развитые средства самодиагностики и контроля правильности выполнения прикладных задач, средства интеграции в единую систему, надежен и неприхотлив. Мощное вычислительное ядро современных ПЛК делает их очень похожими на компьютеры.

Понятие «ПЛК» не ограничивается понятием «железо», это целостная современная технология. Она включает специфическую аппаратную архитектуру, принцип циклической работы, специализированные языки программирования, подходы объединения в различные сети и т. д.

В целом, в силу дешевизны, надежности и простоты применения, ПЛК доминируют на нижнем уровне систем промышленной автоматики. Они обеспечивают непосредственное управление оборудованием на переднем крае производства.

Программируемые контроллеры находят применение в различных отраслях промышленности.

Черная и цветная металлургия. Программируемые контроллеры в этих отраслях применяются для управления транспортными операциями на коксовых батареях, загрузке доменных печей, для автоматизации литейных цехов. Их используют также для решения задач, связанных с анализом газов и с контролем качества.

Металлообработка и автомобильная промышленность. Это те отрасли, где ПЛК нашли очень широкое применение. Их можно встретить на автоматических линиях и сборочных конвейерах, на стендах для испытания двигателей, а также на прессах, токарных автоматах, шлифовальных и агрегатных станках, сварочных установках, автоматических станках для разрезки.

Химическая промышленность. В настоящее время ПЛК используются для управления технологическими установками, устройствами дозирования и смешивания продуктов, очистки отходов химического производства, а также на установках по переработке пластмасс и агрегатах в производстве резины.

Нефтедобыча. Кроме областей применения, аналогичных предыдущей отрасли, ПЛК используется на перекачивающих и распределительных станциях, для управления работой и наблюдения за магистральными трубопроводами.

Транспортные и погрузочно-разгрузочные операции. Программируемые контроллеры используются при сортировке посылок, почтовых отправлений, механизированном управлении складскими операциями, упаковке, конвейерной пересылке, комплектовании изделий на поддонах, в лифтовом хозяйстве, грузоподъемных механизмах и др.

Другие области применения. Все случаи использования ПЛК перечислить невозможно. В текстильной промышленности они могут применяться для управления операциями автоматического раскроя тканей и контроля нитей, на транспортных конвейерах. В стекольной промышленности, в производстве хрусталя ПЛК управляют операциями отрезки и упаковки. Устройства логического управления используются при решении задач, связанных с охраной (зданий, заводов) и обеспечении безопасности (ядерная энергетика).