Программируемые логические контроллеры: принцип работы, виды и применение

Микроконтроллер и микропроцессор — в чём разница?

В составе разных электронных устройств часто встречаются как микроконтроллеры, так и микропроцессоры. Оба этих компонента берут из памяти команды и по ним выполняют логические и арифметические операции, работая при этом с устройствами ввода/вывода и прочей периферией. Так в чём тогда разница?

Микроконтроллер — (далее МК) это микросхема, предназначенная для программного управления электронными схемами. МК выполняется на одном кристалле. На нём расположено как вычислительное устройство, так и ПЗУ и ОЗУ. Кроме этого, в составе МК чаще всего находятся порты ввода/вывода, таймеры, АЦП, последовательные и параллельные интерфейсы. В некоторых даже можно заметить Wi-Fi-/Bluetooth-модуль и даже поддержку NFC.

Первый патент на микроконтроллер был выдан в 1971 году компании Texas Instruments. Инженеры этой компании предложили размещать на кристалле не только процессор, но и память с устройствами ввода/вывода.

Структурная схема микроконтроллера

Несмотря на то, что всё необходимое для работы микроконтроллера в нём уже есть, иногда они используются в паре с внешними периферийными устройствами. К примеру, когда внутренней ПЗУ не хватает (или она попросту отсутствует), подключают внешнюю. Именно так сделали с микроконтроллерами серии ESP. У ESP8266 встроенной памяти нет вообще, а у ESP32 есть незначительные 448 КБ. Поэтому к ним в корпус (точнее под радиатор) помещается flash-память ёмкостью 1–16 МБ.

Тогда почему бы не сделать какой-нибудь портативный компьютер на основе микроконтроллера? Дело в том, что вычислительной мощности у МК чаще всего достаточно мало. Её хватает на управление например, системой полива, микроволновкой или же каким-нибудь станком.

Например, одна из мощных плат платформы Arduino — Due. Она находится под управлением 32-битного AVR-микроконтроллера AT91SAM3X8E. Его тактовая частота 84 МГц. Постоянной памяти тут 512 КБ, а оперативной — 96 КБ. МК имеет 54 цифровых GPIO (12 из которых с поддержкой ШИМ), 12 аналоговых входов и 2 аналоговых выхода (ЦАП). Тут так же присутствуют различные интерфейсы, такие как UART, SPI, I2C.

Не смотря на такие незначительные характеристики, микроконтроллеры очень популярны. Они используются там, где не требуется большой вычислительной мощности — робототехника, контроллеры теплиц, бытовая техника.

Виды и характеристики

ПЛК имеют разные типы входов:

1. Дискретный – в этом случае один вход способен воспринимать один бинарный сигнал. Его мощность обычно составляет 24 Вт, а сила тока – 10 мА.
2. Аналоговый вход – принимается аналоговый сигнал, демонстрирующий показатели тока или напряжения. Их значение соответствует контролируемой физической величине – это может быть температурный уровень, давление, частота, положение в пространстве.
3. Специальный – устройства с такими входами применяются достаточно редко, их используют там, где требуется подсчет отдельных импульсов или фиксация фронтов.

ПЛК также принято делить на три разновидности: они могут быть модульными, моноблочными или распределительными. Первый тип представляет собой набор модулей, каждый из которых ориентирован на работу с определенным типом задач. Второй тип представляет собой моноблок, который оснащается запланированным количеством выходов и входов. Распределительные ПЛК представляют собой несколько модулей, которые могут быть установлены на значительном расстоянии друг от друга.

Требования, ограничения и проблемы при проектировании и производстве ПЛК

Таким образом, становится понятно, что ПЛК — это просто особым образом спроектированная цифровая система управления на основе процессоров разной мощности и с различной функциональной оснащенностью, в зависимости от предназначения. Такую систему можно также считать специализированным мини-компьютером. Причем она изначально ориентирована на эксплуатацию в цехах промышленных предприятий, где имеется множество источников электромагнитных помех, а температура может быть как положительной, так и отрицательной. Дополнительно к минимизации воздействия вышеуказанных факторов необходимо предусмотреть и защиту от агрессивной внешней среды, включающей пыль, брызги технологических жидкостей и паровоздушные взвеси. В таких случаях предусмотрена установка ПЛК в защитные шкафы или в удаленных помещениях. Отдельные модули могут размещаться на удалении до сотен метров от основного комплекта ПЛК и эксплуатироваться при экстремальных внешних температурах. Согласно МЭК 61131, для ПЛК с наружной установкой допустима температура 5…55°C. Для устанавливаемого в закрытых шкафах ПЛК необходимо обеспечить рабочий диапазон 5…40°C при относительной влажности 10…95% (без образования конденсата).

Тип ПЛК выбирается при проектировании системы управления и зависит от поставленных задач и условий производства. В отдельных случаях это может быть моноблочный ПЛК с ограниченными функциями, имеющий достаточное количество входов и выходов. В других условиях потребуются ПЛК с расширенными возможностями, позволяющими использовать распределенную конфигурацию с удаленными модулями входа/выхода и с удаленными пультами управления технологическим процессом.

Связь между удаленными блоками и основным ядром ПЛК осуществляется через помехозащищенные полевые шины по медным кабелям и оптическим линиям связи. В отдельных случаях, например, для связи с подвижными объектами, применяют беспроводные технологии, чаще всего это сети и каналы Wi-Fi. Для взаимодействия с другими ПЛК могут применяться как широко известные интерфейсы RS-232 и RS-485, так и более помехозащищенные промышленные варианты типа Profibus и CAN.

Особенности семейства

Прежде всего, микроконтроллеры этой серии являются быстрыми. Большинство инструкций процессор микроконтроллера выполняет за один цикл. Микроконтроллеры AVR примерно в 4 раза быстрее, чем PIC. Кроме того, они потребляют немного энергии и могут работать в 4 режимах экономии энергии.

Большинство контроллеров AVR являются 8-разрядными, хотя сейчас существует и 32-разрядная разновидность контроллеров AVR32. Кроме того, как уже упоминалось выше, AVR принадлежат к типу RISC-микроконтроллеров. Архитектура RISC (Complex Instruction Set Computers) означает, что набор инструкций, которые может выполнять процессор устройства, является ограниченным, но, в то же время, подобная архитектура дает преимущество в скорости. Противоположностью архитектуры RISC является архитектура CISC (Complex Instruction Set Computers).

8-битность контроллера означает, что он способен передавать и принимать 8-битные данные. Доступные регистры ввода/вывода также являются 8-битными.

Архитектура контроллера основана на регистрах. Это означает, что для хранения исходных данных операции и ее результата в контроллере используются регистры.

Процессор контроллера берет данные из двух входных регистров, выполняет логическую операцию и сохраняет результат в выходном регистре. Все это занимает 1 исполняемый цикл.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Драйвер для pci-контроллер simple communications

Драйвер для данного устройства необходимо скачивать на официальном сайте производителя вашего ноутбука или материнской платы. Называется он Management Engine Interface.

Для начала вам нужно определить модель ноутбука или материнской платы. Затем перейти на сайт производителя и в разделе «Поддержка» -> «Драйверы» и отыскать драйвер Management Engine Interface, указав версию операционной системы.

Management Engine Interface на официальном сайте производителя ноутбука

История семейства

Семейство микроконтроллеров AVR было создано в 1996 г. корпорацией Atmel, а разработчиками архитектуры микроконтроллеров являются Alf-Egil Bogen и Vegard Wollan. Отсюда и происходит название семейства – от первых букв имен разработчиков – A и V, и первой буквы аббревиатуры RISC – типа архитектуры, на которой базируется архитектура микроконтроллера. Также эту аббревиатуру часто расшифровывают как Advanced Virtual RISC (модернизированный эффективный RISC).

Первым микроконтроллером в серии был AT90S8515, однако первым микроконтроллером, выпущенным на рынок, стал AT90S1200. Это случилось в 1997 г.

На сегодняшний день доступны 3 линейки микроконтроллеров:

• TinyAVR – небольшой объем памяти, небольшие размеры, подходит для самых простых задач.

• MegaAVR – наиболее распространенная линейка, имеющая большой объем встроенной памяти (до 256 КБ), множество дополнительных устройств и предназначенная для задач средней и высокой сложности.

• XmegaAVR – используется в сложных коммерческих задачах, требующих большого объема памяти и высокой скорости.

Сравнительные характеристики различных линеек:

Название серии	Число контактов	Объем флэш-памяти	Особенность
TinyAVR	6-32	0,5 – 8 КБ	Небольшой размер
MegaAVR	28-100	4-256 КБ	Периферийные устройства
XmegaAVR	44-100	16-384 КБ	Система прерываний, поддержка DMA

Основные критерии выбора

Для того чтобы выбрать микроконтроллер составим список нужных нам критериев:

• Стоимость микроконтроллера должна быть низкой
• Он должен быть простым в использовании и хорошо поддерживаться
• Важно наличие доступной документации
• Он должен программироваться в графической среде
• Он должен быть популярен и иметь активное сообщество пользователей
• Так как наш робот будет использовать два двигателя и различные датчики, то микроконтроллеру понадобится как минимум два порта для управления двигателями и несколько портов для подключения датчиков. Также должна быть возможность для расширения количества подключаемых устройств в будущем.

Этим критериям соответствует модуль EV3 из набора Lego Mindstorms EV3.