Программируемые контроллеры в системах промышленной автоматизации

Москва
ИНФРА-М
2020

ПРОГРАММИРУЕМЫЕ 
КОНТРОЛЛЕРЫ В СИСТЕМАХ 
ПРОМЫШЛЕННОЙ 
АВТОМАТИЗАЦИИ

УЧЕБНИК

О.В. Шишов

Рекомендовано 
Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебника 
для учебных заведений, реализующих программу 
среднего профессионального образования 
по укрупненной группе  специальностей 
11.02.00 «Электроника, радиотехника и системы связи» 
(протокол № 13 от 16.09.2019)

УДК 681.5(075.32)
ББК 32.965я723
Ш65

Шишов О.В.
Программируемые контроллеры в системах промышленной автоматизации : учебник / О.В. Шишов. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 365 с. + 
Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Среднее профессиональное 
образование). 

ISBN 978-5-16-015321-6 (print)
ISBN 978-5-16-108337-6 (online)
Учебник посвящен вопросам проектирования систем автоматизированного управления технологическими процессами низового и среднего звена производства на базе программно-технических комплексов, включающих, кроме 
программируемых контроллеров, операторные панели, устройства связи с объектом, цифровые сети, интеллектуальные датчики и исполнительные механизмы. Рассматриваются языки стандарта МЭК 61131-3 и особенности их использования при создании прикладного программного обеспечения контроллеров.
Предназначен для студентов технических специальностей  учреждений среднего профессионального образования.

УДК 681.5(075.32)
ББК 32.965я723

Ш65

Р е ц е н з е н т ы:
кафедра вычислительной техники Пензенского государственного университета;
Д.Ю. Петров, кандидат технических наук, старший научный сотрудник 
лаборатории системных проблем управления и автоматизации в машиностроении Института проблем точной механики и управления Российской академии наук

Учебник занял первое место в номинации «Лучший учебник по техническим 
специальностям» в конкурсе изданий Национального исследовательского 
Мордовского государственного университета имени Н.П. Огарёва в 2015/16 гг.

ISBN 978-5-16-015321-6 (print)
ISBN 978-5-16-108337-6 (online)

Материалы, отмеченные знаком 
, 
доступны в электронно-библиотечной системе Znanium.com

© Шишов О.В., 2020

ВВЕДЕНИЕ

За грохочущим производственным оборудованием, за всеми хитросплетениями трубопроводов, кабелей, за игрой индикаторов, за 
прочно вошедшими в нашу жизнь компьютерами стоит специалист 
по автоматике — инженер, способный разрабатывать, внедрять и поддерживать в работоспособном состоянии систему информационных 
и силовых взаимосвязей элементов оборудования. Развитие науки 
и техники диктует все новые требования к уровню его подготовки.
С появлением в 1970-х гг. микропроцессорной элементной базы 
начался современный этап становления и развития систем управления 
технологическими объектами. Широкое применение микропроцессоров привело к фундаментальным сдвигам в области автоматизации. 
Применение элементов вычислительной техники для организации 
измерений и обработки данных в различных технических системах 
позволяет добиться таких качественных показателей, которых нельзя 
было достичь при применении аналоговой техники — многозадачности, долговременной метрологической стабильности, возможности 
взаимодействия большого количества разнопланового оборудования. 
Без применения этой техники мы не смогли бы обеспечить необходимого сегодня уровня ее функциональности, в том числе развитого 
человеко-машинного интерфейса.
При широком применении этой техники динамика в мире автоматизации сегодня определена однозначно — это все возрастающая 
потребность в комплексных решениях. Доминирующей тенденцией 
развития современных микропроцессорных систем управления является разработка проектов автоматизации для различных областей 
применения с использованием одинаковых базовых решений и стандартных компонентов. Такие проекты автоматизации должны отличаться низкой стоимостью, простотой обслуживания, минимальными 
затратами на проектирование. 
Практическую реализацию эта тенденция нашла в выпуске типовых устройств автоматизации в рамках программно-технических 
комплексов, элементы которых уже при создании ориентируются на 
возможность совместного использования. В состав этих комплексов, 
кроме базовых компонентов — промышленных программируемых 
контроллеров, входят операторные панели, компоненты по организации работы в промышленной сети, устройства связи с объектами 
технологических процессов.
Современный инженер, работающий в области автоматизации производства, должен не только хорошо знать существующие технические 
средства, но и ориентироваться в тенденциях их совершенствования 

и использования. Данная книга в первую очередь рассчитана на тех, 
кто делает первые шаги в этой области. Вместе с тем она будет полезна 
и специалистам, так как она достаточно широко обобщает и представляет с общих позиций конкретные знания, документы и подходы, 
накопленные в этой области.
Приведенные в книге примеры ни в коей мере не претендуют на 
полноту представления того или иного класса устройств. Они подбирались так, чтобы у читателя сложилось общее представление о наборе 
их базовых функций и вариантах исполнения, типовых значениях 
параметров и характеристик. Именно это должно позволить в будущем каждому самостоятельно ориентироваться в многообразии уже 
выпускаемых и вновь появляющихся устройств.

Книга заканчивается большим практическим разделом, который 
посвящен описанию методических подходов к изучению программируемых промышленных контроллеров и языков их программирования, 
возможностей операторных панелей, модулей удаленного ввода-вывода, цифровых промышленных сетей. Все это представляется максимально конкретно — приводятся описания стендов для организации 
практического изучения комплекса оборудования, выпускаемого одним из известных его производителей, примеры, которые раскрывают 
возможности оборудования и программного обеспечения, необходимого для работы с ним.

Данная книга содержит большой перечень источников — книг, 
статей, сайтов, посвященных соответствующей тематике. Обращение 
к ним позволит читателю получить дополнительную информацию из 
первых уст, разобраться в деталях, которые не нашли отражения в этом 
издании. В конце книги помещены приложения, которые, по нашему 
мнению, должны быть под рукой при изучении ее отдельных теоретических разделов, при повторении приведенных и самостоятельной 
реализации более сложных практических примеров.

1. 

ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ — 
ОБЩАЯ АРХИТЕКТУРА 
И АППАРАТНЫЕ РЕСУРСЫ

В конце 1960-х гг. большинство производств все еще основывалось 
на системах управления, состоящих из сотен шкафов с реле, так что 
для инженеров-электриков, изо дня в день поддерживающих работу 
всей этой «кухни», появление контроллеров на базе элементов вычислительной техники стало настоящим событием. 
Изобретателем программируемых контроллеров (точнее, основоположником этого технического направления) считается Ричард Морли 
(Richard Morley, США). Его компания Bedford Associates, основанная 
в 1964 г., занималась числовым программным управлением, автоматизировала работу различных устройств с помощью компьютеров DEC 
PDP-8 и PDP-11 с ОСРВ RT-11. В канун 1968 г. фирма опаздывала 
с одной из разработок, и в результате появилась идея создания системы 
управления, которую можно было бы модифицировать под конкретный перечень задач, для того чтобы, приступая к новому проекту, не 
начинать работу над новой системой управления с самого начала и не 
терять на это время. Новое устройство, созданное компанией Ричарда 
Морли, было названо Modular Digital Controller и, собственно, вскоре 
дало компании новое имя — Modicon Company. Дальнейшая реализация идеи привела в итоге после более или менее окончательного ее развития к созданию того, что мы сегодня и называем программируемыми 
логическими контроллерами (ПЛК, англ. Programmable Logical Controller — PLC). Считается, что этот термин ввел в обращение в своих 
работах Одо Стругер (Odo Josef Struger, компания Allen-Bradley, США) 
в 1971 г. Кстати, существует не прижившийся в отечественной литературе другой перевод этого термина — контроллер с программируемой 
логикой, во многом более удачно отражающий суть этих устройств. 
Одновременно с термином ПЛК в 1970-е гг. широко использовалось 
понятие «микропроцессорный командоаппарат».
Первоначально программируемые контроллеры разрабатывались 
как альтернатива числовому программному управлению. Главная идея, 
положенная в основу разработки, была сугубо практической — заменить большие релейные пульты управления с жесткой логикой, использование которой всякий раз, когда последовательность действий 
нуждалась в изменении, приводила к существенным переделкам. 
Первый контроллер Modicon имел всего 125 слов памяти, и быстродействие не было его главным критерием. Фактически эта разработка представляла собой не более чем принципиально действующую 
модель идеи Морли. Сначала программируемый контроллер состоял 

из процессорной платы и памяти, а алгоритмические и логические 
манипуляции выполнялись программно, и все происходило слишком 
медленно. Положение смог исправить дополнительный третий блок, 
названный «логическим решающим устройством» (Logic Solver). Он 
был способен выполнять характерные для релейных схем «лестничные» алгоритмы без обрабатывающего программного обеспечения общего назначения. Проблема качества контроллеров в Modicon вообще 
не поднималась — это было само собой разумеющимся. Наработка 
на отказ была намного выше, чем у возможных аналогов, и довольно 
скоро это значение составило для изделий Modicon 50 тыс. часов. 
По мере развития Modicon становились все мощнее и требовали все 
больше памяти. Уже в середине 1970-х гг. компанией выпускались 
устройства производительностью 2 MIPS со 128 Кбайт памяти. 
ПЛК на основе микропроцессора впервые был создан в США в 1977 г. 
компанией Allan Bradley Corporation. Он содержал микропроцессор 
Intel 8080 и дополнительные схемы, позволяющие с высокой скоростью 
производить логические битовые операции. В 1978 г. были разработаны 
первые контроллеры в СССР. Разработка первого отечественного контроллера была проведена во Всесоюзном научно-исследовательском 
институте релестроения (ВНИИР, г. Чебоксары). Институтом была 
реализована задача по созданию специального устройства с программируемой логикой, заменяющего релейные схемы систем автоматики.
С приходом к выводу о перспективности этого направления появилось множество разработчиков и производителей контроллеров. 
Сначала каждый из них делал все компоненты для своих систем самостоятельно. У них не было никакой совместимости аппаратных 
и программных средств. Поставщики контроллеров тем самым лишали 
потребителей возможности самостоятельного выбора оборудования 
и продавали самые дорогие решения. Позже появились стандартизированные комплектующие (типизированные решения), и скоро любой 
мог вручную заняться сборкой систем различных конфигураций. Это 
в свою очередь потребовало соответствующего развития языков высокого уровня и сред программирования. С этого момента история 
промышленных контроллеров перешла в новую фазу. В подавляющем большинстве случаев архитектура их аппаратных и программных 
средств стала открытой, а набор команд — типовым и расширяемым. 
Революционно улучшилось соотношение цена/производительность, 
и наконец, они получили возможность работать в любой сети — как 
специализированной индустриальной, так и в коммерческой. 

1.1. 
ОБЩЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ 

Попробуем прежде всего детально и четко разобраться, что мы сегодня вкладываем в понятие «универсальный промышленный контроллер».

Слово «контроллер» произошло от английского control (управление), а не от русского «контроль» (учет, проверка). Контроллером в системах автоматизации называют устройство, выполняющее управление 
физическими процессами по заданному в нем алгоритму с использованием информации, получаемой от датчиков и выводимой в исполнительные устройства. Контроллеры, выполненные на элементах 
жесткой непрограммируемой логики, в настоящее время практически 
не выпускаются. Говоря о контроллерах сегодня, мы почти без исключения имеем в виду цифровые микропроцессорные устройства. 
Термином «промышленный контроллер» обозначают микропроцессорное устройство со встроенным аппаратным и программным 
обеспечением, которое используется для выполнения функций управления технологическим оборудованием. Их развитие идет по двум 
направлениям — создание специализированных и универсальных 
контроллеров.
Специализированным контроллером считается устройство, которое разрабатывалось для конкретного применения и не может применяться в иных местах. Разработка специализированного контроллера 
базируется на идее минимизации аппаратных и программных средств 
для того, чтобы в итоге добиться оптимизации таких качественных 
показателей системы, как быстродействие, точность, стоимость, массо-габаритных показателей. Такой контроллер может быть встроен 
только в конкретную систему и обладает жесткой логикой работы, 
заложенной при изготовлении. Проектирование таких контроллеров 
окупается только для изделий, выпускаемых значительным тиражом.
Простейшие специализированные контроллеры выпускаются 
для выполнения некоторых типовых функций. Примерами типовых 
функций могут являться подсчет изделий, измерение, отображение 
и (или) регулирование какого-либо параметра (температуры, влажности и т.п.) по тому или иному закону и программе регулирования. 
Такие контроллеры обычно являются составными компонентами более 
развитых систем автоматизации. Более сложные специализированные 
контроллеры используются для установки на часто встречающихся 
объектах управления, например на теплопунктах системы жилищнокоммунального хозяйства, в системах кондиционирования помещений 
и т.д. Такие контроллеры выполняют весь комплекс типовых функций 
на подобных объектах. Если предусмотрено программирование специализированного контроллера, то оно сводится лишь к подстройке под 
параметры конкретного объекта (установка коэффициентов закона 
регулирования, задание уставок и т.п.).
При создании промышленных систем управления станками, технологическими поточными линиями, как правило, приходится иметь 
дело не более чем с единицами однотипных устройств. Кроме того, 
очень существенной здесь является возможность быстрой перена

стройки оборудования на выпуск другой продукции. Для уникальных 
проектов, мелкосерийных изделий и опытных образцов желательно 
иметь универсальный свободно программируемый контроллер. 
Сначала универсальные контроллеры строились исходя из концепции размещения в рамках выбранного конструктива максимально 
возможного набора аппаратных средств, избыточного для отдельного 
конкретного применения. 
Могло показаться, что большой объем аппаратных ресурсов сделает 
такое устройство обязательно дорогим, что ограничит его использование. Однако это было не так. Каждый пользователь находил в составе 
аппаратных ресурсов универсального контроллера средства, нужные 
именно ему. Кроме избыточности аппаратных средств, мощным фактором универсализации выступала и выступает возможность управлять микропроцессорными устройствами с помощью самостоятельно 
создаваемых пользователем программ. Таким образом, потребителей 
подобных контроллеров было очень много. Большой объем их выпуска 
существенно снижал их стоимость, и пользователь просто не обращал 
внимания на не используемые им (для него избыточные) аппаратные 
средства контроллера. Но самое главное — каждый потребитель освобождался от необходимости изготовления устройства управления 
(разработки схем, печатных плат, конструктива, отладки), что в итоге 
сокращало средства и время, затрачиваемые им на реализацию и внедрение конкретного проекта.
В современных системах управления на контроллеры возлагаются 
самые разнообразные задачи и для их решения требуется все более 
широкий круг самых различных технических средств. В этом смысле 
концепция универсализации контроллеров (широты их применения), 
основанная на введении в состав каждого из них большого и избыточного для каждой конкретной задачи набора средств, в конечном 
счете должна была потерять смысл. 
Решением этой проблемы явился модульный подход к реализации 
контроллеров. Он состоит в делении контроллера на модули таким 
образом, чтобы каждый из них становился коммерчески эффективным изделием и мог изготавливаться в больших количествах. При 
этом каждый контроллер состоит как бы из двух частей: базовой части, которая включает обязательный и минимальный набор средств, 
и части, которая может модифицироваться, набираться из нескольких 
отдельных модулей, включающих определенный набор средств. Проектировщик как из кубиков набирает с минимальной функционаьной 
избыточностью тот состав средств, который нужен ему для решения 
конкретной задачи. 
Базовая часть контроллера обязательно включает центральный 
процессорный блок (Central Processors Units — CPU), основными 
задачами которого являются хранение программы работы и данных, 

управление периферийными модулями, организация обмена данными и командами с центральным управляющим компьютером, обмен 
данными с прочими контроллерами того же иерархического уровня, 
проведение диагностики работоспособности узлов. Подключаемые 
к нему модули выполняют конкретный набор необходимых функций 
по связи с датчиками и исполнительными устройствами.
Модульный принцип набора функций контроллеров как нельзя 
лучше соответствует общей концепции создания и использования 
универсальных контроллеров, что способствует расширению сферы 
их применения и в конечном счете увеличению объемов их выпуска. 
Кроме рассмотренных очевидных факторов, определяющих широту 
применения универсальных контроллеров (модульность и программируемость), большую роль играют усилия производителей таких устройств, 
направленные на обеспечение максимального удобства их программирования, отладки систем и возможности включения контроллеров в состав 
сетей распределенных (децентрализованных) систем управления.
ПЛК ориентированы на длительную работу в условиях промышленной среды. Это обусловливает определенную специфику схемотехнических решений и конструктивного исполнения. Хороший 
ПЛК обладает мощной и интуитивно понятной системой программирования, удобен в монтаже и обслуживании, обладает высокой 
ремонтопригодностью, имеет развитые средства самодиагностики 
и контроля правильности выполнения прикладных задач, возможности интеграции в единую систему, надежен и неприхотлив. Мощное 
вычислительное ядро современных ПЛК делает их очень похожими 
на компьютеры. 
Долгое время применение универсальных контроллеров ограничивалось тем, что достичь достаточно высоких требований по производительности и точности в рамках массового выпуска унифицированных 
устройств было весьма трудно. Однако развитие микропроцессорной 
техники, достижения технологии изготовления интегральных средств 
все больше стирали эти ограничения. И при разработке систем управления технологическими процессами применение универсальных 
контроллеров является сегодня уже основным подходом. 
В целом в силу дешевизны, надежности и простоты применения 
ПЛК доминируют на нижнем уровне систем промышленной автоматики. Они обеспечивают непосредственное управление оборудованием на переднем крае производства. Программируемые контроллеры 
находят применение в различных отраслях промышленности.
Черная и цветная металлургия. Программируемые контроллеры 
в этих отраслях применяются для управления транспортными операциями на коксовых батареях, загрузке доменных печей, для автоматизации литейных цехов. Их используют также для решения задач, 
связанных с анализом газов и с контролем качества.

Металлообработка и автомобильная промышленность. Это те отрасли, где ПЛК нашли очень широкое применение. Их можно встретить на автоматических линиях и сборочных конвейерах, на стендах 
для испытания двигателей, а также на прессах, токарных автоматах, 
шлифовальных и агрегатных станках, сварочных установках, автоматических станках для разрезки.
Химическая промышленность. В настоящее время ПЛК используются для управления технологическими установками, устройствами 
дозирования и смешивания продуктов, очистки отходов химического 
производства, а также на установках по переработке пластмасс и агрегатах в производстве резины.
Нефтедобыча. Кроме областей применения, аналогичных предыдущей отрасли, ПЛК используются на перекачивающих и распределительных станциях для управления работой и наблюдения за магистральными трубопроводами.
Транспортные и погрузочно-разгрузочные операции. Программируемые контроллеры используются при сортировке посылок, почтовых 
отправлений, механизированном управлении складскими операциями, упаковке, конвейерной пересылке, комплектовании изделий на 
поддонах, в лифтовом хозяйстве, грузоподъемных механизмах и др.
Другие области применения. Все случаи использования ПЛК перечислить невозможно. В текстильной промышленности они могут 
применяться для управления операциями автоматического раскроя 
тканей и контроля нитей, на транспортных конвейерах. В стекольной промышленности, в производстве хрусталя ПЛК управляют операциями отрезки и упаковки. Устройства логического управления 
используются при решении задач, связанных с охраной (офисных 
зданий, промышленных предприятий) и обеспечением безопасности 
(ядерная энергетика).
Настоящий бум внедрения контроллеров в системы промышленной автоматизации начался с появлением интегральных микропроцессоров. Именно с этого момента программируемые контроллеры 
стали базовыми компонентами систем промышленной автоматизации. 
С середины 1970-х гг. выпуском их начали заниматься уже десятки 
компаний. 
Но некоторое время складывалась ситуация, свойственная начальному этапу становления любого нового крупного класса технических 
средств, связанная с отсутствием договоренностей об общих спецификациях и стандартах. Сначала каждый изготовитель разрабатывал 
контроллеры, основываясь только на своем представлении, какими 
они должны быть, предлагал собственный язык программирования. 
В результате ПЛК разных производителей были аппаратно и программно несовместимы. Замена ПЛК на продукт другого изготовителя 
превращалась в огромную проблему. Покупатель ПЛК был вынужден 

использовать изделия только одной фирмы либо тратить силы на изучение разных языков и средства на приобретение соответствующих 
инструментов. 
Достаточно быстро подошел момент, когда уже было нужно зафиксировать все то положительное, что было наработано в этой области, 
и тем самым создать основу для общего дальнейшего развития. В итоге в 1979 г. в рамках Международной электротехнической комиссии 
(МЭК, англ. International Electrotechnical Commission — IEC) была 
создана специальная группа технических экспертов по проблемам 
ПЛК. Перед ней была поставлена задача выработать стандартные 
требования к аппаратным средствам, программному обеспечению, 
правилам монтажа, тестированию, документированию и средствам 
связи ПЛК. В 1982 г. был опубликован первый вариант стандарта, 
который получил наименование МЭК 1131. С 1997 г. МЭК перешел 
на пятизначное обозначение своих документов, и в настоящее время 
наименование международной версии этого стандарта — МЭК 61131 
Программируемые контроллеры (Programmable Controllers).
Ввиду сложности и объемности проблемы уже на этапе создания 
стандарта было образовано несколько проблемно-ориентированных 
подразделений, каждое из которых готовило его определенную часть. 
Итоговый документ включает пять частей, которые в некоторых случаях рассматриваются как отдельные стандарты.
1. Общая информация.
2. Требования к оборудованию и испытаниям.
3. Языки программирования.
4. Руководства пользователя.
5. Разработка сообщений.
Считается, что положения и процедуры, устанавливаемые стандартами серии МЭК 61131, должны применяться комплексно и имеют 
приоритет перед положениями других стандартов МЭК в отношении 
программируемых контроллеров и связанных с ними периферийных 
устройств (за исключением стандартов по безопасности).
Наиболее актуальными стали вторая и третья части стандарта. Вторая часть стандарта «Программируемые контроллеры. Общие технические требования и методы испытаний» (Programmable controllers. 
General technical requirements and test methods) является базисом, на 
основе которого строят свою работу производители контроллеров 
и их периферийного оборудования. Промышленные контроллеры 
и связанные с ними периферийные устройства в этом стандарте рассматриваются как самостоятельные изделия, применяемые для автоматизации производственных процессов. Стандарт устанавливает:
 
• электрические, механические и функциональные требования для 
промышленного контроллера и связанных с ними периферийных 
устройств;