控制器概念简介

现代工业自动化系统的核心是各类控制器。本书定义的控制器（SOC）是一种广义、通用的控制器，它以SoC高度集成化、固件化的系统集成技术为核心，把整个控制目标的应用系统集成在一个芯片中，能根据过程输入（被控变量与给定值），按一定的控制规律进行操作，并产生过程输出控制信号至执行器，从而实现自动化控制的装置，如图3-2所示。

由图3-2可见，控制器的硬件结构由CPU、存储器、I/O接口、外部接口和通信接口等部分组成，是控制器的核心。CPU是控制器的心脏，通常是微控制器或单片机。存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。I/O接口是过程输入/输出通道，包括模拟量输入/输出和状态量（开关量、数字量）输入/输出，前者用于接收/输出标准工业信号，后者用于接收/输出控制量和被控制量的状态信号，可以是开关量或数字量信号；一台控制器通常都可以接收/输出若干个标准工业信号和状态量信号。外部接口用于连接外部设备，对于整体式控制器，用于连接本体操作面板的操作按键和显示器件。通信接口（RS232、RS485等）用于控制器与其他控制设备之间进行数据通信或联网。

现在广泛应用的可编程序继电器、可编程序控制器、通用变频器、伺服控制器、直接数字控制器（DDC）、智能控制器等，以及各类物理量控制器，如温度控制器、压力控制器、PID控制器等，都属于本书定义的控制器，这些控制器在各类控制系统中起控制中枢或核心处理模块的作用，并都具有如图3-2所示的基本结构。

图3-2 控制器的基本结构(www.xing528.com)

控制器的功能主要由其采用的微控制器芯片及所具有的软件功能所决定。软件一般包括系统程序和用户程序两部分。系统程序通常由监控程序和功能程序两部分组成，监控程序主要监视和管理硬件部分的工作并实现规定的功能；功能程序是控制器所能提供的各种功能指令。用户程序是用户根据控制系统需要，通过控制器的编程软件进行编制。对于整体式控制器，用户程序是用户通过控制器的操作面板，在系统程序菜单中选择所需要的功能指令，并按一定的规则连接起来而构成的。用户程序的编制过程，也称为程序的组态过程。有些控制器的用户程序是通过编程器（专用编程器或计算机）进行编制的，有“在线”和“离线”两种方式。“在线”编程方式是编程器与控制器通过通信接口连接后进行；“离线”编程方式也称为仿真方式，编程的过程与控制器无关。如西门子S7系列可编程序控制器的用户程序的编制，是通过专门的编程软件（如STEP7 V5.5）在计算机上完成的，用户程序的调试可以“在线”或“离线”。

控制器是整个控制系统或控制单元的核心，也是系统实现控制功能的关键部件。它的工作过程是控制器通过模拟量输入通道和状态量输入通道采集实时数据，实时数据可能是各类接点信号、传感器信号或其他控制器传送来的输入信号，并将其转换为CPU可接受的数字信号，然后按照用户程序设定的控制规律进行运算，最后发出控制信号，并将数字信号转换为模拟量信号或状态信号，并通过模拟量输出和状态量输出通道控制设备的运行，从而实现自动化控制。

需要说明的是，上述是广义控制器的一般概念，通过这些基本概念可以大体了解各类控制器的基本结构和工作原理，掌握控制器的基础知识，具体到某一种控制器，尚需根据其用途、功能和应用场合具体分析。