Порівняння PLC, PAC и IPC

06.11.2016

Порівняння PLC, PAC и IPC

Для правильного вибору між такими пристроями, як програмований логічний контролер, програмований контролер автоматизації і промисловий комп’ютер, необхідно знати їх характерні особливості, обмеження у використанні, сумісність і відмінності між ними. Правильний вибір керуючої платформи, виконаний ще на старті проекту, дасть ті переваги, які зроблять його успішним і в майбутньому. Дана стаття допоможе підібрати підходящий для конкретних завдань контролер.

Керуючі системи, які використовуються в даний час, стали потужнішими і більш гнучкими, вони простіше конфигурируются і програмуються, а також простіше організовані в частині вирішення питань комунікації. Однак величезна кількість наявних на ринку пропозицій подібних пристроїв може привести потенційного споживача в повне замішання. Розуміння переваг, обмежень і сумісності різних пропозицій дозволить інженеру прийняти зважене рішення при виборі з безлічі програмованих логічних контролерів (Programmable Logic Controller, PLC), програмованих контролерів автоматизації (Programmable Automation Controller, PAC) або промислових комп’ютерів (Industrial PC, IPC).

Контролери як заміна реле

До кінця 60-х років для управління окремими функціями керуючі системи містили реле і незалежні контролери контуру управління аналогової частиною системи. Використання цих вузлів було джерелом значних проблем, оскільки вони вимагали дуже великих обсягів для розміщення реле в шафах управління, дорогого і тривалого процесу внесення змін до схеми, а також буквально титанічних зусиль для пошуку і ліквідації несправностей.

На початку 70-х років минулого століття були створені PLC, які стали широко застосовуватися в промислових додатках, замінивши собою системи, що використовують реле. Перші PLC мали великі розміри, проте все одно вони займали менше місця, ніж цілі стіни з реле, а їх програмування проводилося за допомогою окремого терміналу. Їх недоліком був обмежений набір команд.

В кінці сімдесятих на зміну управління окремими ланцюгами прийшли розподілені системи управління (Distributed Control System, DCS), які привнесли централізований процес управління в контрольоване ними оточення. Система типу DCS, як правило, містить безліч стійок введення / виведення (I / O), які знаходяться в безпосередній близькості від керованого пристрою, а також персональний комп’ютер для візуалізації і управління. Системи візуального контролю і введення даних є невід’ємною частиною DCS і використовуються для контролю і управління процесами. На початку 80-х років PLC починають використовуватися в якості проміжної ланки між DCS і стійками компонентів розподіленого управління.

Контролери типу PLC мали безліч переваг, таких як вдосконалена система управління живленням, збільшена пам’ять, поліпшені операції з битами і зменшений розмір в порівнянні з іншими компонентами. Ці переваги поклали початок їх класифікації вже як систем автоматизації, які були далекі від початкової концепції PLC. Так, в даний час ми маємо ще дві групи пристроїв – PAC і IPC, які, наслідуючи основні концепції PLC, сформовані ще на початку сімдесятих, мають нові можливості та функції, що відрізняють їх від оригінальних програмованих контролерів.

PLC

На сьогодні PLC є дуже потужними і функціональними. По суті, це базові блоки для безлічі невеликих проектів. Типова сфера застосування PLC – обладнання OEM-виробників, таке як пакувальне обладнання, лінії розливу, укладальники на піддони і невеликі пристрої для переміщення вантажів. Зазвичай для візуалізації даних і отримання оповіщень про роботу системи PLC використовуються спільно з пристроями взаємодії з користувачем, людино-машинним інтерфейсом (Human-Machine Interface, HMI). Сучасні PLC мають значно більш просунуті можливості в порівнянні зі своїми попередниками, випущеними в 70-х і 80-х роках, а саме: можливість роботи з високошвидкісними інтерфейсами введення / виведення, виконання послідовності заданих операцій, робота в якості пропорційно-інтегрально-диференціального регулятора (ПІД), функції цифрового введення / виводу, а також володіють значно більш широким набором інструкцій. Залежно від виконання і моделі PLC часто мають цілий ряд додаткових модулів, що дозволяють проводити високошвидкісні обчислення, використовувати додаткові мережеві інтерфейси, управляти пристроями переміщення і позиціонування і багато іншого.

Практично всі PLC для комунікації між блоками всередині системи, а також між різними аналогічними пристроями або ж для комунікації на рівні Ethernet мають кілька вбудованих інтерфейсів. Ці інтерфейси включають в себе комунікації по стандартам EtherNet / IP, Profibus, Foundation Fieldbus або Modbus TCP. Такі мережі дозволяють виробляти комунікацію від одного самостійного вузла до іншого (PLC-к-PLC), з’єднувати віддалені порти введення / виводу, а також здійснювати взаємодію з людино-машинним інтерфейсом і системами централізованого управління на рівні підприємства і системами збору даних (SCADA). У той час як сучасні PLC досить потужні в порівнянні зі своїми «древніми» аналогами, на сьогодні вони як і раніше мають певні обмеження. Щоб утримувати на конкурентному рівні ринкову ціну, PLC мають обмеження по кількості портів введення / виводу. Це, в свою чергу, накладає обмеження на кількість використовуваних модулів, не дозволяючи, таким чином, розширити функціональні можливості пристрою.

PAC

Великі проекти вимагають використання декількох розподільних шаф з керуючим обладнанням або, якщо це дуже великий проект, потрібна додаткова процесорна потужність і оперативна пам’ять, які не можуть надати стандартні PLC. PAC містять всі функціональні можливості PLC, які були описані вище, плюс ще цілий ряд додаткових функцій.

PAC були розроблені для великих розподілених систем управління і призначені для управління великими пакувальними лініями, контролю за окремо функціонуючими системами управління і для управління великими автоматизованими пересувними вантажними платформами і виробничими процесами. Доступний набір інструкцій у даному випадку є більш просунутим і спеціалізованим. Він може містити команди для управління і контролю виконання технологічних процесів і виробничих операцій, управління послідовністю виконання окремих операцій, комплектування партій, а також управління пристроями. Деякі виробники пішли ще далі, пропонуючи пристрої зі спеціалізованим набором інструкцій для нафтогазової, ядерної, пивоварної промисловості та інших специфічних галузей. Найчастіше цей набір інструкцій передбачає інтенсивні обчислення, що викликає підвищене навантаження на процесор і вимагає від PAC підвищеної продуктивності для коректного виконання своїх функцій. Часто PAC використовуються для централізованого управління на рівні підприємства і систем збору даних (SCADA), а також для управління і зберігання даних в масштабах всього підприємства.

Удосконалення набору команд і відповідних бібліотек HMI уможливлює використання PAC як розподіленої системи управління. Більшу частину функціональності, продуктивності і можливостей інтеграції, необхідних для функціонування DCS, тепер можуть забезпечити і виробники PAC. Історично закріплені за DCS методи управління, такі як управління на основі прогнозованих моделей (Model Predictive Control, MPC) і нечітка логіка (Fuzzy Logic – логіка з висловлюваннями не лише «істина» і «брехня», а й з будь-якими проміжними), які використовуються в складних і нестабільних системах контролю зі зворотним зв’язком, в яких використання традиційних для автоматизації ПІД недоцільно, тепер стали доступні для використання за допомогою PAC.

IPС

Промислові комп’ютери стали широко застосовуватися в 90-х роках, коли компанії, що займаються автоматизацією виробництв, розробили програмне забезпечення (ПО) для звичайного комп’ютера, яке моделює роботу PLC і його оточення. Ці перші спроби використання PC для автоматизації були часто невдалими, оскільки на роботу ПО впливала нестабільність роботи операційної системи (ОС), під управлінням якої працює основний PC, а також часті відмови PC, які не були призначені для роботи у важких умовах середовища індустріального виробництва.

З тих пір сфера IPC зазнала значних змін, включаючи використання захищених спеціальних промислових комп’ютерів, більш стабільних ОС і навіть створення деякими виробниками замовних конфігурацій IPC з ядром реального часу для автоматизації виробничих процесів. Ядро з функціонуванням в реальному масштабі часу дозволяє відокремити роботу автоматики від роботи оточення ОС, що дозволяє отримувати пріоритети роботи таких пристроїв, як системи введення / виводу, вище пріоритетів самої ОС.

Оскільки IPC використовують ті ж платформи, що і стандартні PC, це дозволяє застосовувати більш сучасні процесори і більший обсяг пам’яті, ніж в стандартних PLC. Часто IPC поєднують в одному пристрої як HMI, так і всю систему автоматизації, що дозволяє знизити загальну вартість такої системи управління. IPC широко застосовуються в такому обладнанні OEM-виробників, як пересувні вантажні платформи, а також в проектах з обмеженим робочим простором.

Вибір правильної керуючої системи

В рамках даної статті ми не можемо уявити все чіткі і однозначні правила для швидкого вибору серед PAC, PLC або IPC. При виборі повинні враховуватися багато факторів – такі як бюджет проекту, розміри, доступна технічна підтримка, складність і можливість розширення системи в майбутньому. Особливу увагу слід приділити вимогам до процесів і системним вимогам, а також відповідності сертифікатам рівняповноти безпеки SIL (Safety Integrity Level – дискретний рівень, який приймає одне з чотирьох можливих значень, що визначає вимоги до повноти безпеки для функцій безпеки) і показником середнього часу напрацювання на відмову (Mean Time Between Failure, MTBF).

Часто вибір споживача, по внутрішнім або зовнішнім причин, є детермінованим. Він обумовлений, як мінімум, ім’ям бренду виробника системи автоматизації. Зазвичай вибір здійснюється з урахуванням наявності існуючих ліцензій на програмне забезпечення, технічної підтримки та тренінгів для персоналу, наявності регіональних постачальників.

Коли є сумніви, слід підготувати матрицю відповідності основних критеріїв вибору по кожній з описаних технологій. На першому місці повинні стояти найважливіші і необхідні вимоги, на противагу бажаним і не таким важливим критеріям. Наведена в статті таблиця допоможе усунути суб’єктивність при прийнятті рішення. Вона може бути корисна споживачам, які не пред’являють особливих вимог до системи, або коли їх розпливчасті вимоги дають можливість системного інтегратора запропонувати різні типи рішень і їх виробників.

Вибором можуть стати і змішані системи, що складаються з PLC, PAC і IPC. Сучасні промислові мережі дозволяють легко і без великих проблем інтегрувати різні рішення різних виробників в конкретних заводських умовах.

Таблиця. Приклад оптимального вибору технології (надана компанією Stone Technologies)

Показатель Технология 1 Технология 2 Технология 3 Технология 4
Коэфф. (x/4) Важность, % Итого Важность, % Итого Важность, % Итого Важность, % Итого
Стоимость 3 90 270 50 150 100 300 10 30
Скорость 4 75 300 100 400 100 400 25 100
Расширяемость 2 100 200 75 150 100 200 50 100
Запчасти 2 100 200 50 100 100 200 50 100
Поддержка системного интегратора 4 50 200 50 200 50 200 25 100
Поддержка сторонними фирмами 3 75 225 75 225 75 225 75 225
Критерий 7 3 100 300 80 240 90 270 50 150
Критерий 8 2 100 200 90 180 100 200 25 50
Критерий 9 2 100 200 10 20 20 180 10 20
Итого 2095 1665 2175 875

.

Райан Вильямс (Ryan Williams)

Джерело: 

Статьи

30.04.2018

Ринок індустрії 4.0, Internet of Things (IoT) і Industrial Internet of Things (IIoT) буде продовжувати розвиватися в 2018 році, як прогнозують аналітики ринку галузевої (читать далее)

27.04.2018

Всесвітня торгова ярмарка Embedded World відбулася в 15-й раз з 27 лютого по 1 березня 2018 року в Нюрнберзі. Як завжди, не обійшлося без (читать далее)