Классификация контроллера. 
Разработка мультиплексной системы управления электрооборудованием автомобиля КАМАЗ-5490 с использованием контроллера

1) 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.

2) 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.

3) 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.

4) 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 [6].

5) 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.).

6) 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.

7) 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.

8) 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;
• — 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).

9) 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 программного обеспечения для PC;
• — на них, как правило, возможна работа программного обеспечения, разработанного для персональных компьютеров, при наличии требуемых для программного обеспечения аппаратных ресурсов.

PC-несовместимые контроллеры можно охарактеризовать так:

• — архитектура контроллеров закрыта, она, как правило, является ноу-хау разработчика;
• — элементная база, на которой строятся контроллеры, существенно отличается от используемой в PC, она разная у разных производителей;
• — операционные системы, под управлением которых работают контроллеры, совершенно другие, нежели те, которые используются в РС, они часто разрабатываются самими производителями именно для данного типа или линейки контроллеров;
• — так как в таких контроллерах практически не используются стандарты, предлагаемые разработчиками распространённых операционных систем для PC, то работа PC-программ на этих контроллерах оказывается невозможной.

Из рассмотренных выше характеристик можно сделать вывод о сравнительных достоинствах и недостатках РС-совместимых и несовместимых контроллеров. РС-совместимые контроллеры по сравнению с РСнесовместимыми контроллерами в целом обладают большей мощностью, легче стыкуются с различными SCADA, MES, ERP системами, системами управления базами данных, открыты для большинства стандартов в областях коммуникаций и программирования, они в среднем дешевле, проще обслуживаются и ремонтируются.

В то же время РС-несовместимые контроллеры лучше учитывают требования промышленной автоматики; их операционные системы гарантируют отклик контроллера на внешнее событие через заданное время (операционные системы реального времени). Они в целом более надежны, так как больше используют наработанные в промышленности способы диагностики и горячего резервирования, обеспечивающие отказоустойчивость системы в целом. В них шире используются возможности связи с различными полевыми шинами.

Достоинства и недостатки каждого из этих видов контроллеров определяют их области использования. РС-несовместимые контроллеры целесообразно применять на нижних уровнях автоматизации, «поближе» к технологическому объекту. Здесь необходимы связь с периферийными устройствами по полевым шинам, исполнение в реальном времени (с гарантированным временем отклика на внешние воздействия) и надёжность. А открытость контроллера для связи со SCADA, MES или СУБД, как правило, не требуется. РС-совместимые же контроллеры целесообразнее применять на верхних уровнях автоматизации, где требования к реальному времени и связи по полевым шинам отсутствуют, зато становятся строже требования по информационной совместимости контроллеров с корпоративными сетями.

10) Конструктивное исполнение.

По конструктивному исполнению контроллеры можно разделить на несколько групп, мы их условно назовем так:

• — встраиваемые;
• — размещаемые в общий конструктив;
• — модульного типа;
• 11) Встраиваемые контроллеры

Как правило не имеют корпуса, часто конструкция просто крепится на раме. Требований к защитным оболочкам таких контроллеров не предъявляются, поскольку контроллеры встраиваются в общий корпус оборудования и являются неотъемлемой частью этого оборудования.

12) Контроллеры, размещаемые в общий конструктив.

Такие контроллеры характеризуются тем, что все модули — процессорный, коммуникационные, модули ввода-вывода — размещаются в одном конструктиве. В таких контроллерах, как правило, предусматривается некая «материнская» плата с разъёмами, в которые вставляются все модули контроллера.

Конструктивы таких контроллеров бывают как оригинальными, разрабатываемыми производителями, так и стандартизированными. Одним из примеров стандартизированных конструктивов является конструктив Евромеханика (DIN 41 494 / IEC 297−1). Стандарт Евромеханика регламентирует ширину, высоту и глубину рамы контроллера.

13) Контроллеры модульного типа.

Контроллеры модульного типа не используют общего конструктива. Каждый модуль таких контроллеров, будь то процессорный модуль или модуль ввода-вывода, имеет собственный корпус. Так как защитную оболочку для каждого модуля сделать проще, чем для всего контроллера, то именно этот тип контроллеров чаще всего выпускают для жёстких условий эксплуатации в исполнениях IP 67 и выше.

Модули контроллеров с внутренней межмодульной шиной на боковых поверхностях имеют контакты для подключения соседних модулей. А модули контроллеров с внешней шиной, как правило, используют для связи между модулями какую-нибудь скоростную полевую шину, например CAN.

Для правильного выбора контроллера применительно к той или иной задаче, конечно, не будет достаточно классифицировать его по тем или иным признакам. Разработчикам АСУ приходится изучать горы литературы и технической документации. Но тем не менее классификация контроллеров позволяет лучше понять их рынок в целом и сократить время на поиск и выбор наиболее подходящей модели.