Čo si vybrať: PLC alebo PC?

Ste konštruktér, projektový manažér, systémový inžinier, vývojár, alebo všetko dokopy? A už ste sa niekedy zamýšľali nad možnosťou či by bolo vhodnejšie použiť PC namiesto PLC, alebo opačne? Ak áno tak tento článok je určený práve vám.

Pri samotnom rozhodovaní, či zvoliť PLC alebo PC, by bolo vhodné zanalyzovať a porovnať charakteristiky 7 hlavných oblastí, ktoré by vám mohli pomôcť  presne zadefinovať a odlíšiť uvedené 2 platformy.


Medzi 7 hlavných oblastí, ktoré stojí za to porovnať patria:

  • Prevádzka
  • Odolnosť
  • Servis
  • Prepojenie hardvéru
  • Zabezpečenie (security)
  • Bezpečnosť (safety)
  • Programovanie


Poďme ale pekne od začiatku

Jedným z najdôležitejších rozhodnutí vo fáze prvotného návrhu technologického zariadenia je výber riadiaceho systému. Dlhé roky bol programovateľný logický automat (PLC) najčastejším nástrojom v oblasti automatizácie a riadenia v strojových zariadeniach. 

Od malých regulátorov využívaných v automobilovom priemysle až po rozsiahle inštalácie regulátorov s tisíckami vstupov/výstupov, ktoré riadia celé prevádzky sa PLC stal hlavným nástrojom riadenia. 

Od 70. rokov 20. storočia, keď PLC videl svetlo sveta prvýkrát, začala aj dominancia PLC na trhu prevádzkového a automatizačného riadenia. 

Avšak od začiatku 90. rokov minulého storočia až dodnes prešli osobné počítače takisto veľmi trnistou cestou a vďaka rastúcej rýchlosti, rôznorodosti procesorov a klesajúcej cene jednotlivých komponentov si našli svoje miesto aj v oblasti riadenia technologických procesov.

Napríklad pred takými 20 rokmi by bola voľba výberu jasná. Bolo by to PLC. Dnes to už avšak neplatí.

Počet aplikácií využívajúcich priemyselné PC je na vzostupe, vďaka čomu sa začína strácať výrazná hranica medzi PC a PLC. 

PLC boli vyvinuté ako modernejšie, prispôsobiteľnejšie a spoľahlivejšie náhrady reléových zariadení a spínacích prvkov. Boli vyvinuté na riešenie špecifických úloh vo výrobných závodoch a jazyk na ich programovanie a štruktúru bol modelovaný podľa vzoru reléových a prepínacích obvodov, ktoré plnohodnotne nahradili. 

PLC museli navyše zachovať ich odolnosť a konzistentný výkon v náročných prostrediach, v ktorých sa nachádzala vysoká úroveň elektromagnetického poľa, znečistenie a vibrácie.

Postupom času sa do PLC dopĺňali funkcie, ako napríklad riadenie pohybu alebo pokročilé formy PID riadenia procesov, obsahovali bezpečnostné funkcie a zároveň si osvojili aj niektoré funkcie klasických PC, ako napr. webový server či možnosť pripojenia do siete.

PC boli na druhej strane z pohľadu stroja či technológie určené pre vyššie úrovne riadenia. Využívali sa najmä na zložité výpočty, monitorovanie, meranie a sieťové prepojenie celej fabriky.

Zároveň boli rozhraním medzi človekom a PLC. Zvyčajne boli umiestnené v menej náročnom prostredí, pretože nedokázali pracovať ako PLC v náročnom prostredí priemyselných prevádzok. 

PC výnimočne obsahovali aj PLC funkcionalitu, ale stále ťažili najmä zo svojich hlavných možností. Čoraz viac sa stávali odolnejšími regulátormi, čo umožnilo ich prevádzku aj v drsnom prostredí, ktoré bolo dovtedy výsadou PLC.

Pri analýze architektúry riadenia môžeme vidieť čoraz väčšie zbližovanie jednotlivých architektúr. Pridaním PCI kariet, hardvérových ovládačov a vhodného softvéru možno z PC urobiť niečo, čo dnes poznáme pod názvom soft-PLC. Okrem toho je možné na podporu časovo kritických úloh a riadiacich algoritmov pridať jadro na prácu v reálnom čase.

Na druhej strane máme PLC so zabudovanou PC funkcionalitou, kde všetko, čo potrebujete na začatie práce, je klávesnica a myš. Takže na základe čoho si vyberieme medzi dvomi riadiacimi platformami? 

Ako sme už uviedli, pri rozhodovaní, či si zvoliť PLC alebo PC, je v prvom rade dôležité pokúsiť sa analyzovať a porovnať niektoré vlastnosti, ktorými sa môžu jednotlivé technológie vzájomne odlišovať.

Preto by bolo vhodné zamyslieť sa nad týmito 7 hlavnými oblasťami, ktoré by sme mali pri výbere PLC resp. PC zohľadniť. Sú to:

  1. Prevádzka
  2. Odolnosť
  3. Servis
  4. Prepojenie hardvéru
  5. Zabezpečenie (security)
  6. Bezpečnosť (safety)
  7. Programovanie


1. Prevádzka

Pri analýze prevádzky sa pozeráme na to, ako bude systém pracovať a aké inštrukcie a úlohy bude vykonávať. Štandardné PLC už má zabudovaný operačný systém reálneho času (RTOS) s priradeným procesorom, čo zabezpečuje vysokú spoľahlivosť celého riadiaceho systému.

Nakoľko PLC len obsluhuje automatizačné funkcie alebo procesy, nepotrebuje táto technológia spúšťanie ďalších pomocných utilít, ako sú napr. antivírusové programy či aktualizácie systému. 

Na druhej strane vďaka nástupu PC s jadrom na prácu v reálnom čase alebo operačným systémom reálneho času dosahuje rovnakú úroveň spoľahlivosti riadenia ako PLC. 

Kvôli nie práve najlepším skúsenostiam s PC z domáceho prostredia alebo kancelárie by sme sa mohli obávať zamŕzania počítača. Treba však zdôrazniť, že takéto zamŕzanie sa môže objaviť na akomkoľvek operačnom systéme vrátane toho, ktoré beží na PLC. Stáva sa to najčastejšie vtedy, keď program beží na PC a nesprávne spracuje priority. 

V priemysle využívame PC na automatizáciu, a preto je len minimálna šanca zamrznutia. Aj keby sa zamrznutie objavilo, nezasiahne nám to činnosť jadra na prácu v reálnom čase a zariadenie zostane v prevádzke. 

Prevádzka v reálnom čase nám garantuje, že vykonanie každej úlohy prebehne v rámci presne definovaného časového úseku. Synchronizácia pohybu alebo pokročilé PID riadenie vyžadujú vysokú úroveň determinizmu v reálnom čase.

V priemysle existuje len minimálna šanca zamrznutia PC


2. Odolnosť

Odolnosť regulátora vyjadruje jeho životnosť v ­rôznych prostrediach. Štandardné, komerčne dostupné PLC nemajú pohyblivé časti, takže odolajú počas miliónov pracovných cyklov  aj náročným prostrediam. 

Štandardný PC obsahuje pohyblivé časti, napr. chladiace ventilátory alebo pevné disky, a preto je menej vhodný do prostredí s vysokou úrovňou vibrácií. 

Avšak priemyselné verzie PC ponúkajú také vylepšenia, ako sú napr. pevné SSD diskové jednotky, bezventilátorové chladenie a montáž do rozvádzača. Vďaka tomu je PC rovnako odolné najnáročnejším priemyselným a prírodným prostrediam ako PLC. 

Preto sa PLC aj PC v tejto oblasti významne približujú. Avšak PC vyžaduje dodatočné úpravy, aby sa vyrovnalo štandardnému PLC.

Z pohľadu odolnosti sa PLC a PC v tejto oblasti významne približujú


3. Servis

Ďalším kritériom, ktoré zoberieme do úvahy, je jednoduchosť a ­výška nákladov na servis, tzn. náklady na opravu a výmenu počas celého životného cyklu regulátora. 

Z pohľadu PLC môžeme externé zariadenia jednoducho nahradiť, a to bez prerušenia činnosti systému. Ak nahradíme aj samotný regulátor, kompaktná modulárna konštrukcia PLC to umožní vykonať rýchlo a bez komplikácií. 

Takto ušetríme náklady, pretože sa výrazne skracuje čas odstávky stroja.

V prípade PC takisto existuje možnosť, že vymeníme externé zariadenie počas prevádzky, avšak ide to len pri USB alebo iných periférnych zariadeniach. Ak je PC vyhotovené v modulárnejšom vyhotovení, napríklad na montáž do zástavby alebo na panel, môže byť čas potrebný na výmenu takmer rovnaký ako pri PLC.

Výhodou však nie je len možnosť bezproblémovej náhrady systému alebo jeho komponentov, ale tiež možnosť disponovať trvalým zdrojom náhradných dielov a dlhodobou dostupnosťou. 

V ­niektorých odvetviach priemyslu vyžadujeme dlhodobú dostupnosť presne tých istých komponentov. V prípade PLC splníme požiadavku na dlhodobú dostupnosť rovnakých originálnych komponentov jednoduchšie, nakoľko PLC sa nemenia tak rýchlo, ako je to v prípade hardvéru a firmvéru pre PC. 

Náhradné diely pre PC nájdeme po roku alebo dvoch oveľa ťažšie ako v prípade dielov pre PLC. 

Na záver tejto časti treba povedať, že v obidvoch prípadoch nájdeme rovnaké náhrady, ale skúsenosť je skúsenosť, a treba si priznať že pre PC je to viac náročnejšie ako pre PLC.

V prípade modulárneho vyhotovenia PC môže byť čas potrebný na výmenu takmer rovnaký ako pri PLC


4. Hardvér

Všetci oceníme, ak máme pri kúpe hardvéru riadiaceho systému možnosť voliť zo širokého výberu, pretože vždy k nemu treba pripájať ešte rôzne periférie, pamäte či používateľské rozhrania. 

PC aj PLC dokážu prostredníctvom priemyselných komunikačných sietí riadiť množstvo zariadení. Medzi tie najznámejšie patria Profibus, DeviceNet či CANbus, prípadne modernejšie verzie využívajúce technológiu siete ethernet, napr. Profinet, EthernetIP a EtherCAT. 

PLC aj PC ponúkajú širokú škálu zberníc, pričom v PLC sú zbernice priamo zabudované, a do PC treba doplniť karty a ovládače, aby sme dosiahli porovnateľné vlastnosti s PLC.

PC je okrem štandardných zberníc vybavené otvorenejšími a prispôsobiteľnejšími rozhraniami, ako je napr. USB, FireWire, sériové rozhranie, bezdrôtový ethernet. 

Vďaka nim získame prístup k väčšej skupine komerčne dostupných zariadení, s ktorými dokážeme vykonávať rôzne úlohy, ktoré by štandardné PLC nedokázalo. 

Ako príklad možno uviesť použitie pokročilého systému na spracovanie obrazu vo vysokom rozlíšení, kde by bolo možné obrázky ukladať, analyzovať, porovnávať a archivovať.  Z tohto pohľadu je pravdepodobne PC lepšie riešenie, pretože je na to prirodzene stavané a má dostatok pamäte, zatiaľ čo PLC má obmedzený priestor na ukladanie a má aj menší výpočtový výkon.

V niektorých aplikáciách je používateľské rozhranie medzi človekom a strojom veľmi dôležité. PC má takúto funkcionalitu zabudovanú. PLC by mohlo potrebovať prepínače, operátorský panel, alebo priemyselné PC. 

Takže aj keď PLC môže komunikovať so zariadeniami po sieťovej zbernici a je aj schopné vykonávať zložité operácie, stále potrebuje PC na vykonávanie pamäťovo náročných úloh. Pri niektorých aplikáciách je aj možnosť prepojenia s inými zariadeniami v rámci systému, ku ktorým PLC nemá priame pripojenie.

Z pohľadu pokročilého spracovania obrazu vo vysokom rozlíšení je PC pravdepodobne vhodnejšie riešenie


5. Zabezpečenie (security)

Zabezpečenie súvisí najmä s ochranou systémových súborov a aplikácií.

Máme tu 2 aspekty:

  1. Ochrana pred neautorizovaným prístupom zvonku (napr. napadnutie vírusom, škodlivý softvér)
  2. Obmedzenie prístupu používateľov (napr. obmedzenie používateľských práv, skrytie súborov). 

PLC je už tradične menej vystavené neautorizovanému prístupu z vonkajšieho prostredia. Navyše vďaka svojmu operačnému systému vyhradenému len na konkrétne činnosti je známych len niekoľko málo vírusových útokov na PLC. 

To však neznamená, že PLC sú imúnne proti vírusom.

Dlhé roky si PLC užíval “status” bezvírusovej technológie a doteraz neexistovali žiadne štandardné spôsoby na detegovanie a elimináciu vírusov, ktoré by sa mohli objaviť. 

A aj keď je PC podstatne citlivejšie na vírusy ako PLC, aj tu je namieste vyžadovať podstatne prísnejšie bezpečnostné opatrenia. Cieľom je výrazne zníženie množstva potenciálnych hrozieb pomocou softvérových produktov na detegovanie a odstránenie vírusov. 

PLC aj PC poskytujú rôzne úrovne prístupu používateľov s cieľom zabezpečiť a udržať obsah maximálne zabezpečný alebo maximálne otvorený, podľa toho čo potrebujeme.

PLC je menej vystavované neautorizovanému prístupu z vonkajšieho prostredia


6. Bezpečnosť (safety)

V závislosti od prostredia, v ktorom sa riadiaci systém nachádza, je pre nás  jeho ochrana jednou z najdôležitejších tém. Obzvlášť v prípade, ak je interakcia človeka so strojom potenciálne nebezpečná a zároveň ak by boli bezpečnostné normy platiace pre danú prevádzku kriticky dôležité.

PLC má so svojou dlhoročnou históriou v oblasti automatizácie priradené kanály na komunikáciu s podradenými zariadeniami a dokáže tak presne monitorovať prevádzku stroja. Často je vybavený aj dodatočnými procesormi, ktoré umožňujú vytvoriť redundantné zapojenie. 

Riešenia postavené na platforme PC len pred niekoľkými rokmi získali zabudovanú bezpečnosť, avšak stále sa nájdu prípady, že táto skutočnosť nie je medzi používateľmi vo väčšom rozsahu prijatá.

Riešenia postavené na platforme PC sú už bežne aj so zabudovanou bezpečnosťou


7. Programovanie

Funkcionalita zariadenia je len taká, ako mu to umožňuje program, ktorý na ňom beží. Programovacie prostredie a jazyk sú z tohto hľadiska mimoriadne dôležité pre optimalizáciu výkonu stroja

Jedným z hlavných rozdielov medzi riešeniami postavenými na báze PC a PLC je, ako sa vykonáva zdrojový program. PLC obsahuje zmes rôznych spôsobov spúšťania, závislých od skenovania vstupov či vzniku udalostí, zatiaľ čo softvér bežiaci na PC sa najčastejšie spúšťa na základe udalostí.

Vykonávanie programu na PLC, ktoré závisí od skenovania vstupov, môže trvať dlhšie, pretože systém potrebuje v jednom cykle skompletizovať najprv akcie s vyššími prioritami.

Rozdiel v štýle spúšťania a vykonávania programu vyžaduje rozdielnu filozofiu programovania a záleží len na nás či nám viac vyhovuje jedna alebo na druhá alternatíva. 

To isté sa týka aj programovacieho jazyka.

PLC sa programuje použitím jedného z jazykov uvedených v norme IEC61131-3 (rebríková logika, zoznam inštrukcií a pod.) alebo niektorým so špecifických jazykov vytvorených jednotlivými výrobcami automatizačných systémov. 

Naopak pre riadenie na báze PC využívame programovacie jazyky, napr. C/C++/.NET. Tieto jazyky ponúkajú neporovnateľnú prispôsobiteľnosť a jednoduché prepojenie.

PLC sa programujú jedným z jazykov uvedených v norme IEC61131-3


Náklady

Mnohé aplikácie môžeme vyriešiť na báze PLC aj PC, avšak pri niektorých aplikáciách sú náklady na to alebo tamto riešenie podstatne odlišné. Ak porovnávame relatívne náklady riešenia na báze PC či PLC  hovoríme o ­štyroch entitách, a to o výkone, rozšírení, prostredí a náročnosti vývoja aplikácie.


Výkon vs. náklady

Ak požadujeme riadiaci systém, ktorý dokáže realizovať očakávané výpočty, obslúžiť vyťaženie siete a spracovať veľké množstvo údajov, pozrime sa na cenu riešenia na báze PC. 

Aj keď môžu byť začiatočné náklady na PC vyššie, prinesie nám táto alternatíva veľmi výkonné riešenie, pri ktorom bude cena rásť prírastkovo s požiadavkou na zvýšenie výkonu. 

Aj keď PLC začína na cenovo nižšej úrovni, pri požiadavke na zvýšenie výkonu môžu náklady časom prekročiť cenu PC.


Rozšírenie vs. náklady

Veľmi podobný scenár by sa odvíjal aj pri rozšírení, ak by sme potrebovali k riadiacemu systému pridať rôzne periférne zariadenia, pamäť na ukladanie údajov alebo zvýšiť výpočtový výkon. 

PC inklinuje k ­vyšším nákladom, ak nepotrebujeme žiadne prídavné funkcie, ale náklady sa zároveň nejako výrazne nezmenia ak budeme požadovať rozšírenie systému.

Náklady na PLC sú zvyčajne nižšie pri aplikáciách, kde tieto témy nie sú podstatné, ale náklady sa nám prudko zvýšia, keď budeme chcieť pridať niekoľko dodatočných zariadení.

PC inklinuje k ­vyšším nákladom, ak nepotrebujeme žiadne prídavné funkcie


Prostredie prevádzky vs. náklady

Prostredie prevádzky môže v niektorých prípadoch zohrávať rozhodujúcu úlohu pri voľbe správneho riadiaceho systému. Štandardné PLC sú navrhnuté tak, aby odolávali náročným podmienkam, ktoré sa nachádzajú v priemyselných prevádzkach. 

Nie je teda žiadnym prekvapením, že štandardné PLC na prevádzku v náročnom prostredí má v porovnaní s PC podstatne nižšiu cenu. Ďalšie pridávanie komponentov do PC s cieľom zlepšiť jeho odolnosť zvyšuje aj celkové náklady na jeho obstaranie a prevádzku.


Čas potrebný na vývoj a úroveň aplikácie vs. náklady

Čas potrebný na vývoj softvéru môže pridať významnú položku k celkovým nákladom na vývoj zariadenia. Avšak často pri prvej fáze výberu systému riadenia na tieto náklady zabúdame, pretože sú skryté. 

Ak ide o prvú aplikáciu konkrétneho riadiaceho systému, mali by sme si nájsť čas, aby sme sa naučili všetko potrebné o novom produkte, alebo si môžeme najať tretiu stranu (napríklad systémového integrátora), ktorá nám  pomôže s integráciou nového systému.

Pri PLC, ktoré využíva spoločný formát, napr. normu IEC61131-3, je jednou z možností, že ak aj neovládame konkrétny programovací jazyk, verte, že existuje na trhu niekoľko odborníkov, ktorí to vedia. Navyše uvedená platforma má zabudované funkcie, ktoré možno využiť pri rýchlej integrácii a riešení problémov. 

Z hľadiska vývoja aplikácie môže byť pre začiatočníkov alebo mierne pokročilých používateľov PLC cenovo lepším riešením riadenie na báze PC: čas potrebný na vývoj (alebo náklady) sa budú znižovať v súlade s našou rastúcou úrovňou znalostí a vedomostí. 

Pri rozsiahlych a podrobných odborných znalostiach systému nebude žiaden alebo len nepatrný rozdiel medzi riešením na báze PC alebo PLC.


Záver

Výsledkom je, že pre svoje aplikácie si budeme najčastejšie vyberať PC alebo PLC, prípadne obidve platformy naraz.

Pri samotnom rozhodovaní, či zvoliť PLC alebo PC, by bolo vhodné zanalyzovať a porovnať charakteristiky 7 hlavných oblastí, ktoré by vám mohli pomôcť presne zadefinovať a odlíšiť uvedené 2 platformy.

Hlavné oblasti, nad ktorými sa budeme najviac zamýšľať, budú pravdepodobne výkon, funkcionalita a v neposlednom rade aj celkové náklady.


Zdroj: Bosch Rexroth Corporation, upravil Automatizacia365.sk

Pridaj komentár

Vaša e-mailová adresa nebude zverejnená. Vyžadované polia sú označené *