Промышленные контроллеры

Термином «промышленный контроллер» характеризуют класс средств промышленной автоматики, которые выполнены в специальном конструктивном исполнении, имеют развитый набор УСО и обязательно программируются на языках общего применения (не проблемно ориентированных). Это означает, что элементная база центрального процессора может быть любой: начиная с 8-разрядных однокристальных и заканчивая коммуникационными процессорами. Однако в большинстве случаев под определением «промышленный контроллер» скрывается PC-совместимый контроллер модульного исполнения.

Российские производители промышленных контроллеров пытаются найти свою нишу среди широкой номенклатуры средств, предлагаемых всемирно известными производителями. Краткая характеристика технологических контроллеров российского производства представлена в табл. 7.2.

Промышленные контроллеры российских производителей Таблица 7.2.

Современные технологии основаны на системах, разделенных на секции, находящиеся непосредственно рядом с силовым преобразователем. Такая технология имеет следующие преимущества: модульность в конструкции и развитии системы, обнаружение локальных ошибок, простота устранения неисправностей и обслуживания.Рост степени интеграции в микроэлектронике обусловил переход от достаточно сложных, состоящих из нескольких монтажных плат, микропроцессорных систем управления приводами к малогабаритным высокопроизводительным системам на основе однокристальных микроконтроллеров.

Под прямым цифровым управлением понимают непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключом силового преобразователя: инвертора, управляемого выпрямителя, силового коммутатора обмоток вентильного индукторного двигателя, ключа звена рекуперации энергии и т. д.; прямой ввод в микроконтроллер сигналов различных обратных связей с последующей программно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера. Тип сигнала обратной связи может быть различным: дискретным, аналоговым, импульсным.

Возможность технической реализации непосредственного управления силовыми ключами определяется совершенствованием элементной базы силовой электроники.

Освоено промышленное производство ряда новых электронных приборов, в частности, мощных МДП-транзисторов (MOSFET) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе (верхний и нижний ключи, стойки с обратными диодами и целые инверторы), а также силовых интеллектуальных модулей (IPM) со встроенными средствами защиты каждого ключа и интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления.

Существенное изменение претерпела также номенклатура датчиков механических и электрических величин в сторону их миниатюризации, повышения точности, интеграции в одном корпусе чувствительного элемента и электронной схемы преобразования первичного сигнала. Последнее позволило унифицировать выходные аналоговые сигналы датчиков, а в ряде случаев разместить в корпусе датчика интерфейс для непосредственной цифровой обработки микропроцессорной системой выходных сигналов датчиков.

Таким образом, система прямого цифрового управления ориентирована на отказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат и создание одноплатных контроллеров управления приводами, встраиваемых в силовое оборудование. Элементной базой для создания специализированных одноплатных контроллеров управления приводами служат однокристальные микроконтроллеры класса «Motor Control» (управление двигателями). Главное отличие этих изделий от микроконтроллеров общего назначения состоит в номенклатуре встроенных периферийных устройств, а также в максимальной адаптации архитектуры центрального процессора и системы его команд к задачам управления в реальном времени.

Создание внутри кристалла МК все более совершенных периферийных модулей, специализированных именно на задачах управления электроприводом, позволяет реализовать все алгоритмические задачи управления программно-аппаратными средствами только одного микроконтроллера. В пределе встроенная система управления проектируется как однокристальный микроконтроллер, который вместе с силовым преобразователем и исполнительным двигателем конструктивно интегрируется в единое целое - мехатронный модуль движения, имеющий стандартный последовательный интерфейс для обмена управляющей и статусной информацией с системой более высокого уровня - промышленным программируемым контроллером или управляющим компьютером.

С учетом этой тенденции развития большинство МК класса «Motor Control» имеет на кристалле встроенные средства поддержки перспективных промышленных сетей, например, встроенные CAN-контроллеры.

Функционально МК включает в себя модули различных типов памяти и модули периферийных устройств. Размешенные на кристалле МК блоки памяти различаются по функциональному назначению (ОЗУ и ПЗУ), информационной емкости (количество ячеек памяти того и другого типа), а также по технологии занесения программы в ПЗУ. Выпускаются МК с масочным, однократно программируемым (ОТР ROM) и многократно программируемым ПЗУ. Наиболее перспективным в настоящее время считается многократно программируемое пользователем ПЗУ, выполненное по технологии Flash.

В группу модулей периферийных устройств МК общего назначения входит большинство из известных типов адаптеров сопряжения с объектом:

· параллельные порты ввода-вывода;

· многорежимные таймеры (счетчики), таймеры периодических прерываний, процессоры событии;

· многоканальные аналого-цифровой (АЦП) и цифроаналоговый (ЦАП) преобразователи;

· контроллеры последовательного интерфейса связи нескольких типов (UART, SCI, SPI, CAN);

· контроллеры клавиатуры, схемы управления жидкокристаллическими и светодиодными индикаторами.

В большинстве современных электроприводов для создания требуемой формы тока в обмотках двигателя используются регулируемые внутренними средствами силовые преобразователи. Частота коммутации силовых ключей преобразователя составляет от 10 до 20 кГц, т. е. период коммутации равен всего 50 - 100 мкс. Система управления на основе МК должна обеспечить не только формирование интервалов указанной длительности, но и регулирование дли­тельности проводящего состояния силовых ключей в пределах этого интервала с точностью не хуже 1 % в системах скалярного управления и 0,1-0,5 % в системах векторного управления. Поэтому был разработан специальный таймерный модуль многоканального широтно-импульсного генератора (модуль ШИМ-генератора). Наличие в составе МК специализированного периферийного модуля ШИМ-генератора является классификационным признаком, который позволяет отнести МК к классу специализированных МК «Motor Control».