PC или ПЛК: Сравнение опций управления

Проблема выбора между программируемым логическим контроллером (ПЛК) и промышленным компьютером (PC) – одна из наиболее часто возникающих в наше время при модернизации существующих или внедрении новых систем управления в промышленности. Эти технологии обладают различными пользовательскими свойствами: принцип действия/обслуживания, устойчивость к промышленным условиям, легкость выполнения сервисного обслуживания, уровень интеграции оборудования и программного обеспечения, функциональная безопасность, обслуживание безопасных в управлении функций, метод программирования, наконец, стоимость внедрения или последующей эксплуатации.
Одним из ключевых решений, принимаемых обычно на начальной стадии проектирования любого оборудования, является выбор типа системы управления. В настоящее время на рынке автоматики несомненно доминируют программируемые логические контроллеры  (ПЛК). Они появились во второй половине семидесятых годов и получили признание инженеров, неоднократно подтверждая свою высокую позицию в области внедрения систем управления. Многие годы именно программируемые контроллеры являлись основой новых технологий управления машинами. В этот период, независимо от того, шла ли речь о простом управлении в автопромышленности или масштабных распределенных системах в управлении целыми заводами, именно программируемые контроллеры всегда были на первом месте. С начала девяностых персональные компьютеры класса PC с успехом внедрялись в системах управления. Это происходило в основном из-за растущей вычислительной мощности процессоров, а также резкого снижения цены на аппаратные компоненты.
Количество решений для систем управления с использованием компьютерных технологий постоянно растет. Тем самым стирается некогда четкая граница между двумя решениями. Благодаря персональным компьютерам класса PC время внедрения приложения значительно сократилось. Еще десять лет назад выбор опции аппаратной платформы системы управления не вызывал затруднений, то сейчас он уже не так очевиден, в каждом случае нужен индивидуальный подход.
Программируемые контроллеры первоначально являлись более удобной, гибкой и надежной альтернативой для шкафов управления с контакторами и реле (системами переключения). Контроллеры использовались для выполнения избранных задач управления, а язык их программирования (в основном релейно-контактные схемы), его структура, был разработан так, чтобы моделировать сеть переключающих схем, которую они должны были заменить. Кроме того, главным преимуществом программируемых контроллеров является их устойчивость к тяжелым условиям среды, электромагнитному излучению (EMI), пыли и вибрации.
Со временем обычные программируемые контроллеры эволюционировали в направлении более гибких решений с точки зрения функциональности. Современные программируемые контроллеры имеют следующие возможности:

  • – реализация функции управления электроприводами,
  • – реализация функции цифровых регуляторов постоянных процессов (в том числе ПИД),
  • – интеграция обслуживания функциональной безопасности,
  • – передача данных с использованием множества протоколов, в том числе детерминистических,
  • – интеграция информационных технологий, таких как услуги серверов страниц WWW, серверов файлов FTP, или стандартизации, описанной в рамках спецификации серверов OPC.

Персональные компьютеры класса PC всегда служили для построения высших уровней в иерархии систем управления машинами. Они использовались для сложных вычислений, мониторинга, измерений, создания коммуникационной инфраструктуры или в качестве интерфейсов оператора программируемых контроллеров.
Компьютеры обычно устанавливались в местах, не требующих защиты от воздействий среды, потому что они не могли работать в таких сложных условиях, как программируемые контроллеры.
Со временем персональные компьютеры получили возможность реализации управляющих функций в реальном времени, по-прежнему обладая высоким уровнем гибкости. Компьютеры PC со временем становились все более устойчивыми системами управления, являясь альтернативой для ПЛК, даже в тяжелых условиях среды. Интеграция функций ПЛК в технологии персональных компьютеров проявилась даже в аппаратно-программной архитектуре. На рынке появились карты, реализующие функции ПЛК (с разъемом PCI), контроллеры внешних устройств, которыми компьютеры уже могли управлять, а также интересные программные решения, предоставляющие компьютерам функции программируемых контроллеров. Самым важным изменением c этой точки зрения было создание ядра операционной системы реального времени. Это было необходимо, чтобы осуществить реализацию алгоритмов автоматической регуляции, в которых необходимо сохранять постоянное время дискретизации (сохранение детерминизма в вычислительных процессах в рамках алгоритма).
С другой стороны, на рынке появились программируемые контроллеры со встроенными функциями, характерными для персональных компьютеров, поддерживающие мышь и компьютерную клавиатуру.

Чем же сейчас следует руководствоваться, принимая решение о выборе типа системы управления – основанной на программируемых контроллерах или на компьютерной технологии?
Безусловно, здесь поможет анализ, а затем сравнение нескольких ключевых факторов с точки зрения проектируемого приложения:

  • – метод выполнения разрабатываемой управляющей программы,
  • – степень устойчивости аппаратуры к тяжелым условиям среды,
  • – диапазон интеграции аппаратных компонентов,
  • – уровень интеграции связанных функций,
  • – метод программирования задач контроллера,
  • – стоимости всего инвестиционного проекта.

Принимая решение о выборе платформы внедряемой системы управления (PC или ПЛК?), необходимо тщательно проанализировать и сравнить, какие преимущества дает каждое из решений. Анализ должен быть индивидуальным для каждого нового приложения и учитывать следующие аспекты: принцип работы, устойчивость к воздействиям среды, легкость проведения сервисного обслуживания, уровень интеграции аппаратных компонентов, уровень защиты, уровень функциональной безопасности, метод программирования и стоимость внедрения.

Метод выполнения задач управления

Метод работы системы управления очень важен. А также то, каким образом выполняются отдельные задачи управления. Стандартные программируемые контроллеры имеют встроенные (с урезанными лишними функциями) операционные системы реального времени, а также специально созданные процессоры, благодаря чему обеспечивается высокой уровень надежности проектируемой системы управления. Программируемые контроллеры выполняют только задачи управления, поэтому для их задач не нужно запуска под операционной системой таких инструментов, как антивирусное программное обеспечение или обновление программных компонентов системы (известные по операционным системам общего назначения).
Персональные компьютеры с запущенным ядром реального времени или операционной системой реального времени могут обеспечить тот же уровень надежности, что и программируемые контроллеры. Пользователи, имевшие опыт работы на домашних персональных компьютерах, опасались, что они будут зависать и прерывать работу (так называемый «синий экран смерти»). Следует учитывать, что зависание (в случае программируемых контроллеров проявляется переходом в сервисный режим) может произойти в любой операционной системе, также в программируемых контроллерах, если конфигурация приоритетов и времени выполнения задач управления не будут заданы правильно. В промышленности программное обеспечение, запускаемое на компьютерах PC, создано для применения в управлении производственными процессами, поэтому опасность «зависания» сведена к минимуму. Даже если это произойдет, ядро реального времени защищено, и будет правильно работать без перерыва.
Выполнение задач управления в реальном времени означает, что их выполнение гарантировано через определенные промежутки времени, именуемое временем время

Устойчивость к воздействиям среды

Под устойчивостью контроллера понимается возможность его работы в тяжелых и часто меняющихся условиях. Типичные программируемые контроллеры не имеют движущихся частей, отсюда их долговечность в промышленных условиях. С другой стороны, стандартные персональные компьютеры имеют много движущихся частей, такие как вентиляторы или жесткие диски. Поэтому сложно ожидать от них долговечности, особенно там, где наблюдается высокий уровень механических колебаний. У промышленных компьютеров жесткие диски изготовлены по технологии SSD (Solid State Drive), имеют безвентиляторное охлаждение (например, с помощью радиаторов), могут также устанавливаться в специальных корпусах.
Благодаря всему этому персональный компьютер становится более прочным, его устойчивость к внешним факторам приближается к программируемым контроллерам. К сожалению, обеспечение такого же уровня устойчивости к воздействию промышленной среды в случае компьютерных технологий приводит к удорожанию всей системы управления.

Вопрос сервисного обслуживания

С точки зрения пользователя очень важно, чтобы стоимость сервисного обслуживания системы управления была как можно ниже в течение всего «жизненного цикла». Обслуживание должно быть как можно проще и занимать мало времени. В случае программируемых контроллеров замена как внешних устройств, так и самих контроллеров происходит легко, минимизируя таким образом время простоя машины или участка производственной линии. В компьютерах все чаще применяется технология горячей замены (hot-swap), позволяющая менять компоненты системы управления без необходимости отключения питания. Ограничивают применение этой технологии внешние устройства, как правило подключенных к компьютеру с помощью интерфейса USB. Если аппаратная архитектура промышленного компьютера является модульной (наиболее частое решение), тогда время замены компонентов примерно такое же, как в случае программируемых контроллеров.
Дополнительным пунктом является минимизация трудозатрат на выполнение сервисного обслуживания и запас нужного количества запасных частей по месту работы машины или производственной линии. Важным аспектом также является длительный временной горизонт доступности запасных частей.
В некоторых отраслях промышленности необходимо использовать в сервисном обслуживании подход типа «copy-exact» (нельзя заменить компонент другим с подобными функциями – заменяемый компонент должен быть идентичным). В случае программируемых контроллеров это просто осуществить, поскольку ни оборудование, ни встроенное программное обеспечение (firmware) часто не меняются. С поиском идентичной запасной части в случае компьютеров (через год или два после покупки) могут возникнуть сложности.

Интеграция аппаратных компонентов

Сейчас инженеры обращают внимание на диапазон выбора опций в рамках видов аппаратных компонентов систем управления: памяти, периферийного оборудования, также интерфейса пользователя (оператора). Как программируемые контроллеры, так и компьютеры (в том числе промышленные), могут управлять множеством устройств с помощью промышленных коммуникационных сетей. К наиболее распространенным протоколам относятся: SERCOS, Profibus, DeviceNet и CANbus, а также их сетевые аналоги: SERCOS III, Profinet, Ethernet/IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink. Как программируемые контроллеры, так и компьютеры предлагают различные возможности в области интерфейсов связи, однако при этом контроллеры в большинстве случаев имеют как минимум один встроенный интерфейс, а для компьютеров (в том числе промышленных) необходимы дополнительные карты, а также программируемые контроллеры для обслуживания сетей. Компьютеры, помимо интерфейсов связи, имеют другие возможности подключения внешних устройств, такие как USB, последовательный и параллельный порт, FireWire, беспроводное соединение TCP/IP. Благодаря этому пользователи могут решать задачи, обычно недоступные для типичных программируемых контроллеров. Примером может быть сложная обработка изображений с высоким разрешением, анализ, сравнение с эталонными изображениями, наконец, архивирование результатов расчетов. Компьютеры отлично подходят для этой цели, в основном в связи с требованием значительного объема памяти и вычислительной мощности процессора. Возможности программируемых контроллеров в этой области значительно ограничены.
Интерфейс оператора является обязательным элементом большинства приложений для систем управления. Компьютеры имеют интерфейс исходя из принципа своей работы. Интерфейсы оператора для программируемых контроллеров могут состоять из: переключателей, панелей оператора, сигнализирующих элементов, таких как диоды, лампочки, звуковая сигнализация или даже панельных компьютеров. Из этого видно, что хотя программируемые контроллеры могут легко обмениваться данными с другими устройствами в промышленных сетях, им необходимы персональные компьютеры для выполнения задач, требующих значительного объема памяти, высокой вычислительной мощности и обмена данными с типичными периферийными устройствами.

Безопасность приложений

Ранее вопрос безопасности системы файлов, a тем самым приложения и данных процесса, хранящихся в системе управления, игнорировался, теперь же он все чаще поднимается. В рамках проблемы безопасности приложения для управления мы выделяем:
а)    защиту от несанкционированного доступа (а тем самым потенциального опасного) извне приложения (например, вирусные атаки),
б)    ограничение прав доступа к функции приложения для управления для разных пользователей (ограниченные возможности записи, чтения, отображения файлов в системе).

Традиционно (хотя сейчас, по правде говоря, в зависимости от данного производителя) программируемые контроллеры менее подвержены несанкционированному доступу извне. Благодаря использованию специальных версий операционных систем известно лишь несколько случае вирусных атак на системы управления, построенные на программируемых контроллерах. К сожалению, это не означает, что программируемым контроллерам не угрожают вирусы. Отсутствует антивирусное программное обеспечение для программируемых контроллеров, которое бы их защищало. Хотя персональные компьютеры больше подвержены атакам вирусов, благодаря стандартизации в области операционных систем они помимо антивирусного программного обеспечения позволяют гибко настраивать как область, так и способ защиты.
Программируемые контроллеры и персональные компьютеры, хотя и различными способами, позволяют задать уровни доступа к системным файлам и данным о процессе.

Функциональная безопасность систем автоматики, а также вопросы программирования

В зависимости от условий работы системы управления функциональная безопасность может являться ключевым аспектом выбора технологии. В случае машин имеет место постоянное взаимодействие пользователя и системы управления (что может порождать потенциальную опасность).
Программируемые контроллеры давно используются в автоматизации машин. Помимо обмена данными с исполнительными устройствами и/или датчиками (концевыми выключателями, световыми завесами безопасности) они обеспечивали функциональность контуров безопасности и избыточности.
Интегрированная функциональная безопасность доступна на немногочисленных платформах систем управления, основанных на компьютерной технологии.
Так повелось, что функциональные возможности устройств в рамках проектируемой системы управления зависят от программы, которая использует эти устройства для реализации задач управления. Обеспечение оптимального качества функционирования системы управления несомненно поддерживается программной средой, а также числом доступных языков программирования.
Главным различием между программируемыми контроллерами и компьютерами PC является способ выполнения программы управления. В простых программируемых контроллерах сочетается постоянное выполнение задач (основанное на механизме так называемого сканирования) с выполнением задач в зависимости от происходящих событий в системе управления. В компьютерах PC задачи выполняются в основном в зависимости от возникающих событий. В случае механизма сканирования задачи не могут быть синхронизированы системно и должны ожидать выполнения, пока процессор контроллера завершит выполнение функций с более высоким приоритетом.

Примечание редакции: Современные системы управления, как основанные на ПЛК, так и на PC, часто оснащаются операционными системами реального времени. Благодаря этому, помимо механизмов сканирования и выполнения заданий в зависимости от событий, в распоряжении пользователей имеется мощный инструмент – простая синхронизация множества выполняемых одновременно задач управления. Можно также задать приоритет реализуемых задач, в том числе собственных алгоритмов автоматического регулирования, а также распределения вычислений в случае мультипроцессорных систем или многоядерных процессоров.

Различия в способе выполнения задач требуют разного подхода к созданию приложений управления. Пользователи часто ограничиваются только одним подходом к программированию. Программы создаются в разных языках, в зависимости от выбранной системной платформы. Для программируемых контроллеров действует стандарт IEC 61131-3, в которой указано несколько языков программирования (релейно-контактные схемы, список инструкций, структурированный текст, последовательностные функциональные диаграммы, функциональные блоковые диаграммы). Производители предлагают пользователям упрощенные версии языков программирования, созданные для их решения.
Для персональных компьютеров типичными языками программирования являются C/C++/.net.

Примечание редакции: Компьютерные системы управления, в которых функции ПЛК выполняет работающее под Windows программное обеспечение – ядро операционной системы реального времени – обычно программируются с использованием языков, характерных для программируемых контроллеров.

Стоимость решения

Выбор платформы системы управления должен зависеть от разрабатываемого приложения. В зависимости от того, что важнее пользователю, по-разному будет формироваться стоимость решения. Стоимость зависит в основном от следующих факторов:

  • – производительности (вычислительной мощности) системы управления,
  • – возможности расширения системы в процессе использования,
  • – условий среды, в которых будет работать система,
  • – планируемого время внедрения приложения.

Если система управления требует сложных вычислений, обслуживания крупной сети исполнительных устройств и/или датчиков, обработки большого объема данных, решения, основанные на компьютерах, будут более экономичными. Начальная стоимость компьютера в системах управления обычно выше, однако это решение значительно большую производительность, а стоимость растет только тогда, когда действительно будет не хватать (хотя часто это маловероятно) вычислительной мощности. Простые версии программируемых контроллеров намного дешевле компьютеров, но могут стать дороже компьютерных решений по мере роста производительности.
Возможности расширения системы управления зависят о того, можно ли добавлять периферийное оборудование, увеличивать вычислительную мощность или реализовать функции хранения данных. Если не нужны дополнительные  функциональные возможности, тогда необходимость расширения (например, в будущем) низкая. В этой ситуации решение с использованием компьютера будет дороже, чем программируемого контроллера, однако его стоимость по сравнению с ПЛК возрастет незначительно, если окажется, что расширение необходимо.
Стоимость контроллера в связи с его оптимизацией обычно ниже в случае менее требовательных приложений, где возможность расширения не так важна, как прочие аспекты выбора. К сожалению, стоимость приложений резко растет по мере увеличения подсоединенных внешних устройств.
Программируемые контроллеры с самого начала проектировались для работы в сложных промышленных условиях. В случае компьютеров их адаптация к работе в производственной среде обходится значительно дороже, чем в случае программируемых контроллеров.
Время разработки управляющего программного обеспечения (программы, описывающей задачи управления) может существенно повлиять на стоимость всей системы. Стоимость управляющего приложения часто скрыта в цене всей системы, когда она запускается впервые. Интегрируя впервые систему управления на данной аппаратной платформе, пользователь может выбрать два пути: обучить своих сотрудников или нанять фирму, специализирующуюся в подобных решениях. Недостаток первого подхода – более длительное время внедрения приложения; недостаток второго – более высокая стоимость приложения.
Многие инженеры знают языки программирования программируемых контроллеров, описанные в стандарте IEC 61131-3. В этих языках имеется множество встроенных функций, облегчающих реализацию систем управления. Тем самым программируемые контроллеры глобально могут быть более дешевым решением, чем системы управления, основанные на компьютерной технологии, особенно для начинающих и малоопытных пользователей. Время реализации и развитие приложения (а также его стоимость) уменьшается вместе с ростом опыта и знанием пользователей.
В ситуации, когда приложение настолько большое, что требует обширных познаний и высокого уровня подготовки инженеров-программистов, стоимость решений, основанных на программируемых контроллерах и компьютерах класса PC, становится сопоставимой.

Примечание редакции: В настоящее время на рынке появилось много инструментов, благодаря которым научные знания из области теории управления многомерными динамическими объектами можно просто и эффективно реализовать в промышленных системах управления. Несмотря на все еще высокую стоимость такого типа программных решений системы управления могут в соответствии с правилами так называемого быстрого прототипирования получить уникальные функции, существенно повышающие качество всей системы. В этом случае стоимость такого решения может быстро окупиться. Это особенно важно при производстве нового технологического оборудования, например станки с числовым управлением для обработки металлов резанием или машин для тепловой обработки.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *