Появление Arduino и множества других плат на базе микроконтроллеров в последнее время повысило интерес к встраиваемым системам, открыв мир микроконтроллеров большому количеству людей. Это не только увеличило количество пользователей микроконтроллеров, но также расширило область и приложения, в которых они используются. Но кроме микроконтроллеров во встраиваемых системах могут применяться и такие устройства как программируемые логические контроллеры (ПЛК). В этой статье мы сравним по различным характеристикам микроконтроллеры и ПЛК.

Программируемый логический контроллер

Программируемый логический контроллер (ПЛК, в англ. PLC - programmable logic controller) — это просто вычислительное устройство специального назначения, предназначенное для использования в промышленных системах управления и других системах, где крайне необходима высокая надежность системы.

Первоначально они были разработаны для замены проводных реле, последовательностей и таймеров, используемых в производственном процессе в отрасли автоматизации, но сегодня они масштабируются и используются во всех видах производственных процессов, включая роботизированные линии. В наши дни, вероятно, нет ни одного завода в мире, на котором не было бы машин или оборудования, работающих на ПЛК. Основная причина их широкого распространения и использования глубоко укоренилась в их прочности и способности выдерживать грубое обращение/окружающую среду, связанную с производственными условиями. Они также являются хорошим примером операционных систем реального времени, поскольку непредвиденные задержки могут нарушить важные технологические операции.

Микроконтроллеры

Микроконтроллеры, с другой стороны, представляют собой небольшие вычислительные устройства на одном кристалле, которые содержат одно или несколько вычислительных ядер с устройствами памяти, встроенными рядом с программируемыми портами ввода-вывода специального и общего назначения (I/O). Они используются во всех повседневных устройствах, особенно в приложениях, где необходимо выполнять только определенные повторяющиеся задачи. Обычно они "пустые" и не могут использоваться как автономные устройства без необходимых подключений. В отличие от ПЛК, у них нет таких интерфейсов, как дисплей и встроенные переключатели, поскольку обычно они имеют только порты ввода/вывода (GPIO), к которым можно подключить эти компоненты.

Сегодняшняя статья будет посвящена сравнению ПЛК и систем микроконтроллеров по различным критериям, таким как:

1. Архитектура.
2. Интерфейсы.
3. Производительность и надежность.
4. Требуемый уровень навыков.
5. Программирование.
6. Приложения.

1. Архитектура

Архитектура ПЛК

ПЛК обычно можно назвать микроконтроллером высокого уровня. По существу они состоят из процессорного модуля, источника питания и модулей ввода-вывода. Процессорный модуль состоит из центрального процессора (ЦП) и памяти. Помимо микропроцессора, ЦП также содержит, по крайней мере, интерфейс, через который его можно программировать (USB, Ethernet или RS232), а также сети связи. Блок питания обычно представляет собой отдельный модуль, а модули ввода-вывода отделены от процессора. Типы модулей ввода-вывода включают дискретные (вкл./выкл.), аналоговые (непрерывно регулируемые) и специальные модули, такие как управление движением или высокоскоростные счетчики. Полевые устройства подключаются к модулям ввода-вывода.

В зависимости от количества модулей ввода-вывода, имеющихся в ПЛК, они могут находиться в том же корпусе, что и ПЛК, или в отдельном корпусе. Некоторые небольшие ПЛК, называемые нано/микро-ПЛК, обычно содержат все свои части, включая питание, процессор и т. д., в одном корпусе.

Архитектура микроконтроллера

Архитектура описанных выше ПЛК чем-то похожа на микроконтроллеры по составляющим, но микроконтроллер реализует все на одном кристалле, от центрального процессора до портов ввода-вывода и интерфейсов, необходимых для связи с внешним миром. Архитектура микроконтроллера показана на следующем рисунке.

Точно так же, как микроконтроллер имеет разнообразную архитектуру от архитектуры AVR до архитектуры 8051, ПЛК также имеют вариации в своей конструкции, которые поддерживают конфигурацию и пожелания конкретного производителя, но, как правило, все они соответствуют отраслевому стандарту (IEC 61131-3) для ПЛК. Этот стандарт способствует взаимодействию между модулями и частями ПЛК.

2. Интерфейсы

ПЛК стандартно предназначены для взаимодействия с датчиками, исполнительными механизмами и коммуникационными модулями промышленного класса, поэтому им присваиваются номинальные значения тока и напряжения, которые часто несовместимы с микроконтроллерами без дополнительного оборудования.

ПЛК обычно используют Ethernet и несколько вариантов последовательного интерфейса RS, например RS-232, RS-485, для связи. Появление промышленного Интернета вещей в настоящее время приводит к резкому увеличению количества подключенных ПЛК-устройств, способных передавать данные через интерфейсы беспроводной связи.

Как упоминалось ранее, они бывают разных размеров: от небольших устройств (с несколькими выводами/модулями ввода-вывода), которые называются строительными блоками, до больших, гигантских ПЛК, монтируемых в стойку, с сотнями вводов-выводов.

Микроконтроллеры также имеют датчики, исполнительные механизмы и модули, предназначенные для удовлетворения их конкретных потребностей, которым может быть трудно взаимодействовать с ПЛК. Однако они обычно предназначены для обработки всего нескольких 100 операций ввода-вывода. Хотя можно изучить несколько методов увеличения числа операций ввода-вывода микроконтроллера, это все еще возможно с ПЛК и, следовательно, не является уникальным для микроконтроллеров, за исключением того факта, что это увеличивает весь бюджет проекта.

3. Производительность, прочность и надежность

Это, безусловно, тот момент, в котором ПЛК выделяется больше всего. Как упоминалось изначально, ПЛК был разработан для использования в промышленных установках и, таким образом, был защищен от ряда неблагоприятных условий, связанных с этой средой, таких как экстремальные температурные диапазоны, электрический шум, грубое обращение и высокая вибрация. ПЛК также являются хорошим примером операционной системы реального времени благодаря их способности выдавать выходные данные в кратчайшие сроки после оценки входных данных. Это очень важно в промышленной системе, поскольку время играет огромную роль в производственном предприятии/процессе.

В то же время микроконтроллеры обладают меньшими прочностными характеристиками. По своей конструкции они не были предназначены для использования в качестве автономных устройств, таких как ПЛК. Они были разработаны для встраивания в систему. Это объясняет их менее прочный вид по сравнению с ПЛК. По этим причинам микроконтроллеры могут выйти из строя при использовании в определенных сценариях, поскольку чипы хрупкие и могут быть легко повреждены.

4. Требования к навыкам использования

Одним из ключевых свойств ПЛК является низкий уровень технических знаний, необходимых для программирования и его эксплуатации в целом. ПЛК был разработан для использования как высококвалифицированными экспертами по автоматизации, так и техническими специалистами предприятий, не имеющими или не имеющими минимальной подготовки. Выявлять и диагностировать неисправности относительно легко. Современные устройства ПЛК обычно оснащены экраном дисплея, который упрощает его мониторинг без сложных инструментов.

В то же время микроконтроллеры более требовательны к уровню навыков. Конструкторам необходимо хорошо знать принципы электротехники и программирования, чтобы иметь возможность проектировать дополнительные схемы для микроконтроллера. Микроконтроллерам также требуются специальные инструменты (например, осциллограф) для диагностики неисправностей и устранения неполадок встроенного ПО. Хотя в настоящее время существует несколько упрощенных платформ, таких как Arduino, они по-прежнему намного сложнее, чем ПЛК Plug and Play, как с точки зрения подключения, с точки зрения программирования, так и с точки зрения простоты использования.

5. Программирование

В целях простоты и удобства использования всеми классами знаний ПЛК изначально разрабатывались для программирования с использованием визуальных инструментов, имитирующих соединения/схемы логических схем реле. Это снизило требования к обучению существующих технических специалистов. Основным и наиболее популярным языком программирования, используемым для ПЛК, является язык программирования лестничной логики и списка команд. Лестничная логика использует символы вместо слов для имитации реального управления релейной логикой, которое является пережитком истории ПЛК. Эти символы соединены между собой линиями, обозначающими протекание тока через реле, например контакты и катушки. За прошедшие годы количество символов значительно возросло, что позволяет инженерам легко реализовывать функциональные возможности высокого уровня.

Пример кода на основе релейной логики/диаграммы показан на рисунке выше. Обычно он выглядит как лестница, что и послужило причиной его названия. Этот упрощенный вид делает ПЛК очень простым в программировании, так что, если вы умеете анализировать схему, вы можете программировать и ПЛК.

В связи с недавней популярностью современных языков программирования высокого уровня, ПЛК в настоящее время программируются с использованием этих языков, таких как C, C++ и Basic, но все ПЛК, как правило, по-прежнему соответствуют отраслевому стандарту систем управления IEC 61131/3 и поддерживают языки программирования, предусмотренные стандартом, который включает в себя лестничную диаграмму, структурированный текст, блок-схема функций, список команд и блок-схема последовательного процесса.

Современные ПЛК обычно программируются с помощью прикладного программного обеспечения на основе любого из упомянутых выше языков, работающего на ПК, подключенном к ПЛК с использованием любого из интерфейсов USB, Ethernet, RS232, RS-485, RS-422.

С другой стороны, микроконтроллеры программируются с использованием языков низкого уровня, таких как ассемблер, или языков высокого уровня, таких как C и C++ и других. Обычно это требует высокого уровня опыта работы с используемым языком программирования и общего понимания принципов разработки встроенного ПО. Программистам обычно необходимо понимать такие понятия, как структуры данных, а для разработки очень хорошей прошивки для проекта требуется глубокое понимание архитектуры микроконтроллера.

Микроконтроллеры обычно также программируются с помощью прикладного программного обеспечения, работающего на ПК, и они обычно подключаются к этому ПК через дополнительное оборудование, обычно называемое программатором.

Однако работа программ на ПЛК очень похожа на работу микроконтроллера. ПЛК использует специальный контроллер, поэтому он обрабатывает только одну программу снова и снова. Один цикл выполнения программы называется сканированием и аналогичен прохождению цикла микроконтроллером.

На следующем рисунке показан рабочий цикл программы, работающей на ПЛК.

6. Приложения

ПЛК являются основными элементами управления, используемыми в промышленных системах управления. Они находят применение в управлении промышленными машинами, конвейерами, роботами и другим оборудованием производственных линий. Они также используются в системах на базе SCADA и в системах, требующих высокого уровня надежности и способности противостоять экстремальным условиям. Они используются в различных отраслях, в том числе:

1. Система непрерывного наполнения бутылок.
2. Система периодического смешивания.
3. Система кондиционирования воздуха на сцене.
4. Управление дорожным движением.

С другой стороны, микроконтроллеры находят применение в повседневных электронных устройствах. Они являются основными строительными блоками ряда бытовой электроники и интеллектуальных устройств.

Замена ПЛК в промышленных приложениях микроконтроллерами

Появление простых в использовании плат микроконтроллеров расширило сферу использования микроконтроллеров. Теперь они адаптируются для определенных приложений, для которых микроконтроллеры считались неподходящими, от мини-компьютеров DIY (своими руками) до сравнительно сложных систем управления. Это привело к вопросам, почему микроконтроллеры не используются вместо ПЛК, основным аргументом которых является стоимость ПЛК по сравнению со стоимостью микроконтроллеров. Важно, что с обычными микроконтроллерами еще многое предстоит сделать, прежде чем их можно будет использовать в промышленных приложениях.

Хотя ответ можно найти в уже упомянутых в этой статье пунктах, достаточно выделить два ключевых момента.

1. Микроконтроллеры не обладают такой прочностью и способностью выдерживать экстремальные условия, как ПЛК. Это делает их неготовыми для промышленного применения.

2. Промышленные датчики и исполнительные механизмы обычно разрабатываются в соответствии со стандартом IEC, который обычно рассчитан на определенный диапазон тока/напряжения и интерфейсов, которые могут быть несовместимы напрямую с микроконтроллерами и требуют определенного вспомогательного оборудования, что увеличивает стоимость конечной системы.

Подводя итоги, каждое из этих устройств управления предназначено для использования в определенных системах, и их следует тщательно рассмотреть, прежде чем принимать решение о том, какое из них лучше всего подходит для конкретного применения. Важно отметить, что некоторые производители создают ПЛК на базе микроконтроллеров, например, некоторые из них теперь производят ПЛК на базе Arduino, пример которого показан на следующем рисунке.

414 просмотров