Контроллер (англ. controller - регулятор, управляющее устройство) — электрический прибор, с помощью которого в системах управления измеряют токи, напряжения, температуру и другие физические параметры объекта, передают и принимают данные по каналам связи, передают на объект управляющие воздействия, используют в качестве локального автоматического регулятора.
Необходимость использования контроллеров назрела в начале 1960-х. Когда промышленность начала предъявлять высокие требования к эффективному использованию производственных мощностей, а существующие решения на основе релейно-контактных схем не могли обеспечить гибкое и эффективное управление технологическими процессами, так как изменение технологических циклов требовало замены большого числа элементов управления и контроля. Громоздкость и ограниченный срок службы реле требовал создания сложных систем контроля, а поиск неисправности среди 1000 реле требовал содержания большого числа специалистов. Создание промышленных контроллеров позволило объединить сотни - тысячи реле, таймеров, счетчиков в единый и компактный модуль. Возможность перепрограммирования позволила предприятиям быстро перестраивать производство в соответствии с требованиями рынка.
В настоящее время контроллеры — достаточно малогабаритные устройства, поэтому часто встречается название микроконтроллеры. Как правило, контроллеры оснащены микропроцессорной начинкой, позволяющей программировать контроллер на решение заданного круга задач, отсюда другие названия: программируемые контроллерыипрограммируемые логические контроллеры, которые обычно сокращают до ПЛК в русских описаниях и PLC в английских. Современный контроллер может обладать достаточно мощным процессором, класса Pentium, обычно с небольшим энергопотреблением. Также промышленные контроллеры имеют внешние интерфейсы для соединения в системы сбора и передачи данных.
Контроллеры могут быть специализированными, рассчитанными на эффективное решение определённой задачи (например, контроллер релейной защиты) или универсальными, которые могут решать разноплановые задачи в соответствии с установленным набором блоков и вариантом программного обеспечения — например, задачу съёма показаний с приборов учета.
Типичным примером программируемого логического контроллера является контроллер SIMATIC S7-300 фирмы SIEMENS (Германия). Это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности. Контроллеры SIMATIC S7-300 могут включать в свой состав:
- Модуль центрального процессора. В зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типы центральных процессоров, отличающихся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов-выходов и специальных функций, количеством и видом встроенных коммуникационных интерфейсов и т.д.
- Модули блоков питания (PS), обеспечивающие возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230В или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/110В.
- Сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов с различными электрическими и временными параметрами.
- Коммуникационные процессоры (CP) для подключения к сетям PROFIBUS, Industrial Ethernet, ASInterface или организации связи по PtP (point to point) интерфейсу.
- Функциональные модули (FM), способные самостоятельно решать задачи автоматического регулирования, позиционирования, обработки сигналов. Функциональные модули снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять возложенные на них функции даже в случае отказа центрального процессора ПЛК.
- Интерфейсные модули (IM), обеспечивающие возможность подключения к базовому блоку (стойка с CPU) стоек расширения ввода-вывода.
Контроллеры SIMATIC S7-300 позволяют использовать в своем составе до 32 сигнальных и функциональных модулей, а также коммуникационных процессоров, распределенных по 4 монтажным стойкам. Все модули работают с естественным охлаждением.
Контроллер SIMATIC S7-300.
Технологические параметры, присутствующие в реальном промышленном объекте, имеют аналоговый или дискретный вид. Для того, чтобы связать между собой эти параметры используются устройства связи с объектами (УСО). В современных системах управления модули УСО могут:
- присутствовать в виде самостоятельного устройства;
- входить в состав датчиков (датчики с цифровым выходом);
- входить в состав контроллеров (платы ввода/вывода).
На УСО возлагают следующие функции:
- Нормализация аналогового сигнала - приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов входного сигнала аналого-цифрового преобразователя измерительного канала. Наиболее распространены диапазоны напряжений от 0 до 5 В, от -5 до 5 В, от 0 до 10 В и токовые: от 0 до 5 мА, от 0 до 20 мА, от 4 до 20 мА, от 1 до 5 мА.
- Предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала - ограничение полосы частот первичного непрерывного сигнала с целью снижения влияния на результат измерения помех различного происхождения.
- Обеспечение гальванической изоляции между источниками сигнала и каналами системы.
По направлению прохождения данных через УСО их можно разделить на 3 типа:
1) устройства ввода, обеспечивающие передачу сигнала с датчиков в устройство обработки и вывода сигналов для управления;
2) устройства вывода, предназначенные для формирования сигналов для исполнительных механизмов;
3) двунаправленные, то есть обеспечивающие ввод и вывод сигналов.
Примером модулей УСО являются модули серии ADAM-4000, производимые фирмой Advantech (Тайвань). Каждый модуль представляет собой функционально законченное устройство, заключенное в пластмассовый корпус.
Основные характеристики модулей аналогового ввода серии ADAM-4000
Основные характеристики модулей аналогового и дискретного вывода серии ADAM-4000
ADAM-4021
ADAM-4024
ADAM-4068
Разрешение
12 бит
12 бит
1 бит
Число каналов
Тип выходного сигнала:
релейный
§ напряжение
0 – 10 В
0 – 10 В
§ ток
0 – 20 мА
4 – 20 мА
0 – 20 мА
4 – 20 мА
Точность по напряжению
0.2%
0.1%
Точность по току
0.1%
0.1%
Потребляемая мощность
1.4 Вт
3 Вт
0.6 Вт
Модули УСО серии ADAM 4000.
Структурная схема модуля аналогового ввода ADAM-4012 приведена на следующем рисунке. Входной сигнал, присутствующий на дифференциальном входе модуля, поступает на усилитель с программируемым коэффициентом усиления. Коэффициент усиления может принимать значение от 1 до 128. Далее сигнал подвергается низкочастотной фильтрации в фильтре низких частот с граничной частотой, равной 10 Гц, и поступает на вход АЦП. Результат АЦ-преобразования через цепи оптоизоляции поступает во встроенный микропроцессор.
Информационная сеть модулей серии ADAM-4000 строится на базе интерфейса RS-485. Возможные варианты объединения модулей ADAM-4000 в информационно-измерительную сеть показаны на следующем рисунке.
Варианты объединения модулей УСО серии ADAM-4000 в измерительную сеть.
для создания информационно-измерительных сетей, помимо модулей ввода/вывода в серии имеются коммуникационные модули, предназначеные для увеличения протяженности линии связи или организации очередного сегмента сети (повторители). Сюда также относятся преобразователи интерфейсов RS‑232/RS‑485 и др. Они необходимы для обеспечения связи, например, между измерительной сетью предприятия, построенной на RS-485, и интеллектуальными датчиками, которые, как правило, используют интерфейс RS-232, или радиомодемами.
ADAM-4510 - повторитель RS-485/RS-485,
ADAM-4520 - преобразователь RS-232/RS-422/RS-485,
ADAM-4521 - преобразователь RS-232//RS-485,
ADAM-4550 - радиомодем с преобразованием RS-485/RS-232.
