Первые контроллеры

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 и 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 (см. раздел "Программное обеспечение"), что исключает необходимость привлечения профессиональных программистов при построении систем с контроллерами, оставляя для них решение нестандартных задач.

В связи с тем, что способ программирования является наиболее существенным классифицирующим признаком контроллера, понятие "ПЛК" все реже используется для обозначения управляющих  контроллеров, которые не поддерживают технологические языки программирования.

С появлением мощных и дешевых  микроконтроллеров в 1972 г. рынок  ПЛК начал расти экспоненциально  и за период с 1978 по 1990 год увеличился с 80 млн. долл. до 1 млрд. долл. и к 2002 г. составил 1,4 млрд. долл. В настоящее  время мировой рынок ПЛК продолжает расти, хотя и гораздо меньшими темпами. Однако последнее замечание не относится к России, где события изменяются очень быстро в связи с возрождением экономики, появлением сильных отечественных производителей и системных интеграторов, а также огромными инвестициями международных корпораций в Российскую экономику.

ПЛК используются практически  во всех сферах человеческой деятельности для автоматизации технологических  процессов, в системах противоаварийной защиты и сигнализации, в станках  с ЧПУ, для управления дорожным движением, в системах жизнеобеспечения зданий, для сбора и архивирования  данных, в системах охраны, в медицинском  оборудовании, для управления роботами, в системах связи, при постановке физического эксперимента, для управления космическими кораблями, для автоматизации  испытаний продукции и т. д. Тем не менее, до сих пор остается много отраслей экономики, куда контроллерная автоматизация только начинает проникать.

Согласно последнему опросу по Интернет, проведенному журналом Control Engineering совместно с Reed Research, большая часть опрошенных использует ПЛК в задачах управления станками. На втором месте - задачи, связанные с управлением технологическими процессами, далее идет управление перемещениями и задачи диагностики. Чаще всего контроллеры используют для решения собственных задач (54%), реже для производства оборудования для продажи (25%), или для того и другого (17%).

Контроллеры используются не только как автономные средства локального управления технологическим установками, но и в составе широкомасштабных систем автоматизированного управления целыми предприятиями.

В настоящее время на Российском рынке преобладают контроллеры  иностранных фирм: Siemens, Mitsubishi, ABB, Schneider Electric, GE Fanuc, однако с течением времени увеличивается доля рынка, занятая отечественной продукцией Российских фирм (НИЛ АП, Текон, Фаствел, ДЭП, Овен, Элемер, Эмикон и др.), что соответствует общемировой тенденции, когда в большинстве стран отечественные фирмы занимают большую долю рынка, чем иностранные. Это объясняется следующими факторами:

• благодаря использованию западных технологических линий и материалов качество изготовления Российских контроллеров часто превосходит зарубежное качество в связи с более высоким уровнем подготовки Российских специалистов;
• Российские фирмы обеспечивают более квалифицированную техническую поддержку и русскоязычную документацию;
• большую роль играет срок поставки и территориальная близость производителя к потребителю;
• соответствие отечественных разработок Российским стандартам, чего часто нельзя сказать об импортных контроллерах;
• лучшее знание Российского рынка отечественными производителями.

Широкому распространению  ПЛК в большой степени способствует рост компьютерной грамотности населения, спецкурсы в ВУЗах, множество  курсов повышения квалификации, проводимых ведущими системными интеграторами.

 Программируемые  логические контроллеры

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 и рынок, содержащий сотни непохожих друг на друга  контроллеров, 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 габаритов;
• расширение функциональных возможностей;
• увеличение количества поддерживаемых интерфейсов и сетей;
• использование идеологии "открытых систем";
• использование языков программирования стандарта МЭК 61131-3;
• снижение цены.

Еще одной тенденцией является появление в контроллерах признаков  компьютера (наличие мыши, клавиатуры, монитора, ОС Windows, возможности подключения жесткого диска), а в компьютерах - признаков контроллера (расширенный температурный диапазон, электронный диск, защита от пыли и влаги, крепление на DIN-рейку, наличие сторожевого таймера, увеличенное количество коммуникационных портов, использование ОС жесткого реального времени, функции самотестирования и диагностики, контроль целостности прикладной программы). Появились компьютеры в конструктивах для жестких условий эксплуатации. Аппаратные различия между компьютером и контроллером постепенно исчезают. Основными отличительными признаками контроллера остаются его назначение и наличие технологического языка программирования.

Типы ПЛК

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

Основным показателем  ПЛК является количество каналов  ввода-вывода. По этому признаку ПЛК  делятся на следующие 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 удалено 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 количество 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.

Часто перечисленные конструктивные типы контроллеров комбинируются, например, моноблочный контроллер может иметь  несколько съемных плат; моноблочный  и модульный контроллеры могут  быть дополнены удаленными модулями ввода-вывода, чтобы увеличить общее  количество каналов.

Многие контроллеры имеют  набор сменных процессорных плат разной производительности. Это позволяет  расширить круг потенциальных пользователей  системы без изменения ее конструктива.

По конструктивному исполнению и способу крепления контроллеры  делятся на:

• панельные (для монтажа на панель или дверцу шкафа);
• для монтажа на DIN-рейку внутри шкафа;
• для крепления на стене;
• стоечные - для монтажа в стойке;
• бескорпусные (обычно одноплатные) для применения в специализированных конструктивах производителей оборудования (OEM - "Original Equipment Manufact urer").

По области применения контроллеры делятся на следующие  типы:

• универсальные общепромышленные;
• для управления роботами;
• для управления позиционированием и перемещением;
• коммуникационные;
• ПИД-контроллеры;
• специализированные.

По способу программирования контроллеры бывают:

• программируемые с лицевой панели контроллера;
• программируемые переносным программатором;
• программируемые с помощью дисплея, мыши и клавиатуры;
• программируемые с помощью персонального компьютера.

Контроллеры могут программироваться  на следующих языках:

• на классических алгоритмических языках (C, С#, Visual Basic);
• на языках МЭК 61131-3.

Контроллеры могут содержать  в своем составе модули ввода-вывода или не содержать их. Примерами  контроллеров без модулей ввода-вывода являются коммуникационные контроллеры, которые выполняют функцию межсетевого  шлюза, или контроллеры, получающие данные от контроллеров нижнего уровня иерархии АСУ ТП.