Постепенное сближение PLC, PAC и IPC

Контроллеры. История вопроса

Для начала рассмотрим вопрос конвергенции характеристик различных типов промышленных контроллеров.

PLC

Изобретателем первого логического программируемого контроллера, или контроллера с программируемой логикой (Programmable Logic Controller, PLC), считается Дик Морли (Dick Morley). Изобретение PLC одновременно с основанием компании Modicon1 продемонстрировало истинный гений предпринимательства своего времени и навсегда изменило пути управления оборудованием машинами и технологическими процессами. За последние 45 лет использование PLC в качестве замены реле принимало самые различные формы. Оно выросло из простого логического решения до реального многозадачного центрального ядра управления для многих автоматизированных систем.

На рынке до сих пор существует множество устаревших контроллеров, похожих на те, которые Морли упоминает в своих мемуарах. Однако в то же время рынок наводнен новыми технологиями, которые только недавно проникли в сферу автоматического управления. Новые технологии превратили PLC в контроллер, который умеет намного больше того, на что были способны оригинальные массивы реле, разработанные более 45 лет назад.

 PAC 

Термин «программируемые контроллеры автоматизации» (Programmable Automation Controller, PAC) был предложен компанией ARC Advisory Group в 2001 г. PAC, имея отличия от PLC, занял свою отдельную нишу.

В основном инновации в области PAC берут свое начало из сферы персональных компьютеров и других коммерческих технологий, например породивших мобильные телефоны в середине 90-х годов. В те времена эти технологии стремительно развивались, и покупательский спрос неожиданно стал играть большую роль в производстве малогабаритных, более дешевых и быстродействующих компонентов, которые также подходили и для автоматизации технологических процессов и решения задач производственного управления. Изначально во многих компонентах при разработке не закладывалась возможность их использования для работы в промышленных условиях, но так продолжалось сравнительно недолго.

IPC

Индустриальные персональные компьютеры (Industrial PC, IPC) стали использоваться гораздо раньше, чем PAC, как минимум, еще с середины 80-х годов. Первые промышленные ПК были очень массивными и дорогими, например версия IBM была размером с мотор на 50 лошадиных сил и стоила приблизительно $10 000. Но со временем по размерам и стоимости панельные ПК стали сравнимы с PLC или PAC, а в некоторых случаях оказались даже более выгодными для использования.

Слабым местом промышленных ПК была операционная система, поскольку стандартная настольная версия ОС Microsoft Windows была недостаточно развита и надежна для работы в режиме реального времени. Решением этой проблемы стало создание специализированной ОС, способной работать в режиме реального времени, которая, собственно, и превратила промышленный ПК в высокопроизводительный централизованный механизм управления, подходящий для промышленных приложений.

В таблице консолидированы данные, которые необязательно точно определяют функции каждого контроллера в его соответствующей категории, но она вполне может дать приблизительные ориентиры в вопросе выбора конкретного решения.

Основные особенности PLC

В самой простой форме PLC — это «рабочая лошадка» большинства приложений для автоматизации промышленных процессов со сроком работы 10 или более лет при минимальном вмешательстве в процесс работы. Эти контроллеры производятся уже полностью завершенными и запрограммированными для решения определенных задач и с использованием стандартизированных протоколов общения. Такие контроллеры чаще всего выбирают для управления оборудованием и такими простыми процессами, как, например, насосные станции для подачи воды и управление очистными сооружениями. Логическая последовательность их программирования и особенности функционирования отлично подходят для управления простыми и комплексными технологическими последовательностями, но при этом возможностей PLC не хватает для вопросов контроля аналоговых данных и управления этими данными.

Хотя PLC и обладают ограничениями в плане расширяемости их функционала, низкая стоимость как самого такого оборудования, так и его программирования делает эти устройства основным выбором для производителей оригинального комплектного оборудования (Original Equipment Manufacturer, OEM). Несмотря на то, что объем их программной памяти варьируется от малого до среднего, PLC удачно интегрируются в системы управления движением и наблюдений для более требовательных систем управления. А небольшие размеры PLC обуславливают их выбор для применения в приложениях, где существует проблема, связанная с наличием весьма ограниченного пространства.

 Конвергенция PAC на базе PLC 

Поскольку PAC развивался из PLC и обладает его лучшими характеристиками, такими как надежность и компактность, то имеет смысл называть его «PAC на базе PLC» или PLC–PAC. Хотя PLC и используются приблизительно с 60-х годов, сегодняшний уровень развития электроники создает благоприятные условия для развития и разработки нового класса систем автоматизации (рис. 1). Компоненты становятся меньше, дешевле, работают они быстрее и гораздо надежнее, чем когда-либо ранее. Это дает возможность повышать возможности PLC без значительного повышения их стоимости, и при этом позволяет уменьшать стоимость типичных высокопроизводительных систем управления, не жертвуя их производительностью. В итоге PAC вполне могут базироваться на PLC.

Рис. 1. AutomationDirect P2000: контроллер, который соединяет в себе возможности PAC, а также форм-фактор и надежность PLC

Такие типы контроллеров удовлетворяют требованиям большинства приложений, начиная от самых простых и недорогих систем управления одной конкретной машиной до управления сложными системами с множеством входов/выходов. На сегодня PLC–PAC являются передовой технологией, которая позволяет поставщикам выпускать контроллеры нового, лучшего качества по более низкой цене, чем более ранние системы контроля. Технология внутри этих контроллеров также становится более простой, что делает эти устройства отличным выбором для систем управления промышленным оборудованием и других OEM-решений. Чтобы отвечать требованиям, которые выставляют OEM-производители в условиях конкурентного рынка, большинству из этих машин не требуется сверхбыстродействие в считывании показателей. В прошлом производители технологического оборудования должны были использовать PLC, которые имели необходимое количество каналов ввода/вывода и соответствовали требуемому форм-фактору. В то же время эксплуатационные ограничения приводили к известным компромиссам в производительности. Альтернативным решением был переход на высокопроизводительные PAC или промышленные ПК. Но в большинстве случаев эти устройства были избыточными и во много раз увеличивали общую стоимость разработки систем управления, так как требовали больше рабочего пространства, вместе с тем увеличивая затраты на оборудование и программирование. Решением вышеперечисленных проблем стало использование PAC на основе PLC, что дало возможность увеличить производительность, не меняя форм-фактор и стоимость.

Подходы к управлению с использованием PAC

Рис. 2. PAC, обладающий широкими возможностями и подходящий как для простых, так и для сложных систем контроля и управления

В дополнение к управлению производственными технологическими процессами сегодняшние PAC–PLC отлично подходят и для более сложных приложений. Например, современный PAC может принимать данные через сотни аналоговых каналов и сохранять их во встроенной памяти, а затем предоставлять доступ к этим данным через стандартный веб-браузер, используя встроенный веб-сервер (рис. 2).

Современные PAC обычно включают в себя процессор для выполнения стандартных операций. Эти контроллеры также оснащены множеством стандартных коммуникационных протоколов, позволяющих производить обмен данными с большинством различных внешних устройств. А их программирование в соответствии разделом 3 стандарта IEC 611312 предоставляет еще больше возможностей для управления технологическими процессами. Такие контроллеры обычно имеют средний или большой форм-фактор, подходящий для использования в стеллажных этажерочных конструкциях, известных как рековая стойка, что позволяет широко варьировать как количество портов ввода/вывода, так и объем памяти.

Эти характеристики делают оборудование и программирование более дорогим, чем у PLC, однако PAC–PLC предоставляют пользователям гораздо более высокий уровень производительности, который требуется в некоторых приложениях.

Например, большая емкость памяти делает PAC на основе PLC наилучшим решением для создания сложнейшей системы контроля одно- и двумерных массивов продуктов, которая требует отслеживания параметров качества, логистической информации и др. Способность PAC–PLC считывать электронные метки также упрощает взаимодействие человека с машиной и, кроме того, позволяет осуществлять общий контроль и получать общие данные от систем HMI/SCADA (Human-Machine Interface/Supervisory Control And Data Acquisition), OPC-серверов (OLE for Process Control3), баз данных ERP (Enterprise Resource Planning), а также систем управления перемещениями и технического (машинного) зрения.

Особые возможности IPC

Использование IPC предоставляет уникальные возможности для более специализированных областей автоматизации и интеграции (рис. 3). Продвинутое управление устройствами позиционирования и техническим (машинным) зрением является прекрасным примером применения IPC во встраиваемых системах для выполнения операций позиционирования в многокоординатных системах. Очевидным является преимущество IPC, и в том случае, когда существует необходимость в разработке системы машинного зрения с использованием при этом всего лишь одного технического решения.

Рис. 3. Пример системы, в которой используются IPC

Процессоры, используемые в IPC — это, в основном, обычные многоядерные десктопные процессоры, обладающие множеством открытых и понятных интерфейсов взаимодействия. Они ограничены только использованием определенного оборудования с применением специфических протоколов. Самым популярным решением для коммуникации является Ethernet с его множеством поддерживаемых протоколов, таких как EtherNet/IP, Modbus TCP и Profinet (протоколы, которые поддерживаются компаниями ODVA, Modbus Organization и PI Noth America соответственно).

Возможности программирования IPC по любому из параметров превосходят любой контроллер управления. Они поддерживают не только языки стандарта IEC 61131-3, но также и обычные распространенные компьютерные языки, такие как С++ и Microsoft.NET. Поскольку эти промышленные ПК основаны на обычных десктопных версиях компьютеров, они имеют аналогичный им интерфейс взаимодействия с пользователем и используют такие же одно- и многоядерные системы.

Обычно IPC подключают к нескольким точкам ввода/вывода с помощью шинного переключателя, создавая тем самым распределенную систему управления. Благодаря своей конструкции и исполнению IPC являются решениями, возможности расширения которых ограничены только лишь спецификацией используемой шины.

Расширенные возможности управления и высокая производительность IPC являются причиной высокой стоимости как самого оборудования, так и его программного обеспечения. Однако IPC обладают весьма широкими возможностями программной памяти, которая может быть расширена, что дает наилучшие в своем классе возможности встраивания ее в системы контроля перемещений и технического (машинного) зрения.

* * *

Существует множество приложений, которые могут находиться на пересечении рассмотренных технологий, но до сих пор остаются в силе специфические требования, которые присущи только определенным направлениям автоматизации. Уже сейчас и PLC, и PAC обладают множеством общих черт, а новые технологии оборудования будут еще более усиливать их технологическое сближение, иными словами — конвергентность, что уже в настоящее время привело к тому, что PAC на основе PLC, наряду с IPC, получили широкое распространение.