Контроллеры — это устройства управления в электронике и вычислительной технике

Автор: | 16.08.2021

Контроллеры – это устройства, позволяющие производить обработку цифровых сигналов. Буквально несколько десятилетий назад все логические системы строились на основе электромеханических реле. Они до сих применяются, но в большинстве сфер были вытеснены микроконтроллерами. Наибольшее распространение контроллеры получили в промышленности, именно в системах управления и автоматизации. Впервые на рынке электроники появилось устройство MODICON производства Bedford Associates в 1960-х годах.

Аналогичные устройства, разработанные другими компаниями, стали известны как ПЛК. А если точнее, то это программируемые логические контроллеры. Их работа зависит от программы, которую записывают при помощи персонального компьютера через специальный интерфейс. Именно благодаря использованию устройств на контроллерах получилось заменить большое количество электромеханических реле логическими элементами.

Что такое контроллер

Что такое контроллер
Так называется электронное устройство, которое используется, чтобы подключать к магистралям компьютера различные периферийные устройства, которые отличаются своим интерфейсом, принципом действия и конструктивным исполнением.

По смысловому значению к контроллеру подойдёт слово «адаптер». Говоря о них, можно сказать, что их назначение является одинаковым. Но контроллером всё же называют более сложные устройства. Под ним понимают приборы, которые могут совершать самостоятельные действия после того, как были получены команды от программы, которая занимается их обслуживанием.

Так, в составе сложного контроллера может быть и собственный процессор. Но если рассматривать с точки зрения рядового пользователя, то данные понятия неотличимы и могут считаться синонимами. Вот что такое контроллер.

Что в него входит

Сейчас это очень сложная техническая единица, которая значительным образом была доработана со времени своей разработки. В современном среднестатистическом контроллере имеются собственный микропроцессор, регистры внешних устройств, благодаря которым осуществляется взаимодействие устройства ЦП, ОЗУ, ПЗУ, согласующие (буферные) схемы.

Вот что такое контроллер. Чтобы представить, что собой являет этот сложный прибор, представьте упрощенную специализированную электронно-вычислительную машину, которая занимается только определённым спектром действий – допустим, осуществляет взаимодействие с клавиатурой, что подсоединена к компьютеру.

Как только осуществляется нажатие на клавишу, данная информация передаётся в центральный процессор, где она уже соответствующе обрабатывается им.

Особенности ПЛК

Для того чтобы понять, что такое контроллер, необходимо разобраться с его устройством и назначением. У программируемого элемента несколько входов – с их помощью происходит контролирование состояния выключателей и датчиков. И есть выходные клеммы, которые подают сигналы различного уровня на электроклапаны, контакторы, электроприводы, реле и другие исполнительные устройства.

Клеммы для подключения устройств

Программирование ПЛК очень простое, потому что язык, на котором это делается, очень схож с логикой работы электромагнитных реле. Если инженер-электрик или обычный монтер умеет читать схемы релейных систем, то он без особых трудностей сможет выполнить программирование контроллеров. Это займет немного времени, все зависит от количества логических элементов и функций.

Нужно отметить, что, в зависимости от модели ПЛК, подключение к ним источников сигналов и особенности программирования будут незначительно отличаться. Но суть процедуры настройки остается неизменной.

Подключение элементов к ПЛК

Во всех моделях контроллеров есть клеммы для подключения питания – некоторые нуждаются в переменном напряжении вплоть до 120 В, а другие — в постоянном до 24 В. Напряжение питания зависит от модели устройства. Входные клеммы обозначаются буквой Х – на каждую подается отдельный сигнал. Общий провод обычно соединяется с нейтралью источника переменного тока или с минусом постоянного.

Схема включения шагового электродвигателя

В корпусе контроллера есть оптический изолятор – простой светодиод. С его помощью происходит связь входной клеммы и общей. При подаче напряжения на ПЛК загорается светодиод – именно по нему можно судить о том, что устройство работает. На выходе происходит генерация сигнала при помощи компьютерной схемотехники – активируется устройство переключения.

 В качестве переключающего устройства могут использоваться электромагнитные реле, транзисторы, силовые ключи, тиристоры. Выходы обозначаются буквой Y. На каждом выходе устанавливается светодиод, сигнализирующий о том, что устройство работает.

Как происходит программирование

Контроллеры – это устройства, позволяющие обрабатывать электрический сигнал и преобразовывать его. На сегодняшний день в ПЛК ставится логика при помощи компьютерной программы. Именно она определяет, на каких выходных клеммах будет присутствовать напряжение при определенных условиях на входных клеммах. Отчасти эта логика схожа с той, которая применяется в релейной схемотехнике. Но в ней нет никаких реле, переключателей, контактов. Написание и просмотр программы происходит при помощи компьютера, который соединяется с портом программирования.

Логика простой программы

Программируемый контроллер для автоматизации

Допустим, у нас есть контроллер, лампа и выключатель. Контроллер подключается к источнику питания, со входом соединяется выключатель, а на выходе ставится лампа. При нажатии кнопки должна загораться лампа. Вариант простейшей программы для ПЛК:

  1. При разомкнутом выключателе на вход не подается напряжение, поэтому на выходе лампа не будет загораться.
  2. При нажатии на кнопку подается сигнал на вход. В программе контакты, соответствующие порту, будут активироваться. Все мнимые реле начнут работать внутри контроллера. Это образное обозначение, на деле никаких электромагнитных реле в нем нет. В результате появляется напряжение на выходе контроллера и лампа загорается.

Все действия, которые производятся с контроллерами, удобнее всего рассматривать на примере электромагнитных реле. Так нагляднее видна работа устройства.

Зачем нужен компьютер

При помощи компьютера происходит создание логической связи между входными и выходными клеммами. Программное обеспечение, с помощью которого осуществляется составление логики, позволяет направить в контроллер виртуальный сигнал и проследить, как он будет действовать при определенных условиях. После того как будет заложена логика внутрь ПЛК, компьютер отключается и контроллер работает самостоятельно. Все команды, которые ему были заданы на этапе программирования, он сможет выполнять без сторонней помощи.

Универсальность ПЛК

Чтобы понять всю силу и универсальность программируемых компонентов, необходимо рассмотреть несколько типов программ. Контроллер – это программируемый элемент, поэтому без вторичной настройки подключенных к нему элементов можно изменить все заданные команды. Допустим, вам нужно изменить программу, рассмотренную выше – при замыкании кнопки должна тухнуть лампа, а при размыкании загораться.

ПЛК для промышленности

Для выполнения такой команды нужно просто поменять местами типы команд, которые были ранее. При нажатии на кнопку должно подаваться напряжение на вход ПЛК, а мнимое реле, которое находится в нем, имеет нормально-замкнутые контакты. Поэтому при подаче напряжения контакты размыкаются и лампа тухнет. Но когда в схеме контроллера пропадает сигнал, мнимое реле замыкает контакты и лампа загорается.

Преимущества контроллеров

Одно из преимуществ контроллеров – это возможность реализации в программном обеспечении логического контроля. Причем, в отличие от релейного оборудования, выходной сигнал может использоваться столько раз, сколько требуется для автоматизации. При помощи контроллера для систем автоматизации можно спроектировать систему запуска и останова электродвигателя. Чтобы построить аналогичную систему на электромеханических элементах, нужно использовать три реле.

ПЛК с дисплеем

При использовании контроллера на две входные клеммы подключаются кнопки. На выходе устанавливается электрический двигатель. Логика выглядит таким образом:

  1. При нажатии кнопки, соединенной с выводом Х1, происходит запуск мотора. При этом контакты мнимого реле запускаются и на выходе появляется напряжение питания.
  2. При нажатии кнопки, соединенной с Х2, мотор останавливается. При этом происходит игнорирование того факта, что ранее была нажата первая кнопка.

Плата контроллера

Причем все процессы, которые происходят в контроллерной системе, могут дублироваться для удаленного мониторинга. Именно с помощью такого свойства реализуется удаленное управление системами. Теперь вы знаете, что такое контроллеры и каковы их ключевые особенности. Программирование устройств может осилить любой человек, который разбирается в компьютерной и релейной технике.

Дополнительные

драйвер контроллера
Зачем необходимо применять контроллеры, кроме уже указанного посредничества? Наличие подобных устройств позволяет уменьшать нагрузку, которая приходится на центральный процессор. Благодаря этому значительно возрастает производительность системы.

 Механизм такой помощи заключается в том, что контроллеры освобождают компьютерные центральные процессоры от самых медленных операций ввода или вывода информации. Впервые идея применения специальных интеллектуальных схем, которые будут разгружать ЦП, была реализована в третьем поколении электронно-вычислительных машин коллективного использования ІВМ-360.

В Советском Союзе был специфичный аналог ЕС ЭВМ. К появлению четвертого поколения возникла технологическая возможность сбора системы управления в рамках единого кристалла. Таким образом, появились первые микроконтроллеры.

Работа с компьютером

драйвера контроллера для windows 7
Как контроллер работает с персональным компьютером? Для этого необходимо наличие в его ОЗУ соответствующей программы и данных. Попадают они сюда из различных устройств, таких как клавиатура, диски, мыши. Обычно для их обозначения используется термин «внешние».

 Хотя ради справедливости следует отметить, что некоторые из них (как то дисковод) находится внутри системного блока компьютера. Результат обработки электронно-вычислительной машиной тоже выводится на внешние устройства, такие как принтер, диски, флеш-накопители и монитор.

Подводя итог, можно сказать, что для полноценной работы персонального компьютера должен присутствовать обмен данными. Он и называется вводом/выводом. Чтобы обмен данными мог выполнять возложенные на него функции, должны работать два звена:

  1. Каждое внешнее устройство, подключаемое к персональному компьютеру, имеет электронную схему, которая используется для управления. А управляет ею драйвер контроллера.
  2. Каждый их них взаимодействует с ОЗУ благодаря системной магистрали передачи данных – шине. Все компоненты персонального компьютера, которые должны работать, подключаются к ней с использованием разъемов расширения системы, которые называются слотами.

Для чего они ещё могут применяться? Вот контроллер Simple Communications используется для того, чтобы отслеживать температуру составляющих частей системного блока. Ведь перегрев может привести к тому, что что-то расплавится и выйдет из строя. Поэтому и было предусмотрено такое устройство, которое в качестве реакции может включить/усилить систему охлаждения или ослабить мощность работы компонента. Чтобы любой прибор нормально работал, необходимы драйвера контроллера. Для Windows 10 или другой операционной системы существуют свои системные файлы, которые организуют работу устройства с персональным компьютером.

Схематические изображения и их зависимость от специализации

контроллер simple communications
Теперь немного о схемах. Дело в том, что чего-то одного универсального и признанного не существует. Это связано с тем, что контроллеры существуют для разных целей, и они должны выполнять различный функционал. Именно из-за этого и не приходится говорить про их универсальность. Только подумайте, как может контроллер монитора заставить работать принтер, если он не имеет необходимой аппаратной составляющей. Поэтому в рамках статьи все же размещено несколько образцов, но они здесь показаны больше в ознакомительных целях, чтобы иметь представление о том, как данные устройства сконструированы. Но схема контроллера под каждый конкретный случай должна подбираться отдельно.

Что такое контроллер управления?

Само слово контролер, буквально обозначает управление. Устройство, называемое контроллер, буквально означает — устройство, предназначенное для управления, чем либо.

Самым простым и понятным примером контроллер компьютера, который управляет внешними устройствами клавиатурой и мышью компьютера.

Чтобы был понятен спектр охватываемых приборов и устройств, именуемых контроллеры, приведу более сложный пример — контроллеры ControlLogix. Эта система на базе одного автономного контроллера и модулями ввода/вывода позволяет осуществлять дискретное управление постоянными процессами, управление приводами, сервоприводами в самых различных комбинациях.

ControlLogix

Используются программируемые контроллеры для автоматического контролирования работы машин, процессов упаковки, автоматизации зданий и конвейеров, управления освещением зданий и систем безопасности.

Еще один пример, это контролер умного дома. Это базовое устройство для работы данной системы. Без контроллеров управления не обходится ни одна система «умный дом». К входам контроллера «умного дома»  подключаются различные датчики (утечки воды, наличие газа, дыма, датчики движения и т.д.). К выходам прибора подключаются сервоприводы и реле управления, которые в автоматическом режиме могут отключить газ, воду, регулировать и управлять светом дома.

kontroller umniy dom 1

Обще устройство контроллеров управления

Рассмотрим обще устройство контроллеров управления. Это поможет, на базовом уровне, понять суть их применения и использования в различных системах.

У любого контроллера есть клеммы входа и выхода. Также у контроллеров управления есть клеммы для подключения внешних интерфейсов. Интерфейсы позволяют контролеру получать и передавать сигналы на различные устройства. Существуют сетевые и коммуникационные интерфейсы.

Например, интерфейс USB позволяет менять прошивку контроллера. Сетевой Ethernet позволяет подключить устройство к сети Интернет и мобильному приложению. Интерфейсы промышленных контроллеров (например, Allen-Bradley) поддерживают промышленные сети (DeviceNet, ProfiBus, Ethernet, ControlNet, DH485 и т.п.).

Базовыми элементами любого контроллера являются входы и выходы устройства. На входы поступают информационные сигналы для дальнейшей обработки. На выходы контроллер сам подает сигнал, который чем-либо управляет.

Например, на вход контроллера поступает сигнал с датчика температуры воздуха. На выход подключаем управление работой кондиционера, включение которого зависит от датчика температуры воздуха.

Или еще пример, на вход подключаем датчик движения, на выход — управление освещением, которое включает/выключает освещение по сигналу датчика.

Входы и выходы

kontroller umniy dom 2

Так как возможностей у контроллеров масса, то и использовать их можно в самых различных комбинациях и системах. Однако важно, входы и выходы контроллера могут быть либо аналоговыми, либо цифровыми (дискретными).

  • Дискретный вход воспринимает только наличие (единица) или отсутствие (ноль) сигнала.
  • Аналоговый вход «видит» параметры сигнала.

Например, датчики температуры, освещенности, влажности должны подключаться к аналоговому входу. Датчик движения или простой выключатель должны подключаться к дискретному входу.

Вывод

Контроллеры управления это устройства позволяющие получать и обрабатывать сигналы, на базе обработанных сигналов (данных), по вложенным в них алгоритмам, управлять различными машинами, механизмами, приборами.

схема контроллера
Итак, мы рассмотрели, что такое контроллер. Как видите, они играют довольно значительную роль в рамках совершенствования таких технических систем, как компьютеры. Конечно, можно обойтись и без них, но тогда придётся говорить о значительных сложностях и падении производственной мощности.

Хотя, если посмотреть на каждый контроллер по отдельности, сначала может возникнуть вопрос о том, как такие слабые устройства могут помочь. И действительно, большинство из них обладают незначительными характеристиками, которые могут составлять единицы мегабайтов или даже килобайтов. То есть они могут выполнять даже всего несколько десятков тысяч операций в секунду!

Но поверьте, если бы эти задачи были переброшены на центральный процессор, он бы тратил значительно больше из-за сложности организации.