PC или ПЛК: Сравнение опций управления

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