Каковы различия между панелями автоматизации и ПЛК?

По мере того, как производители оборудования продолжают двигаться к более компактному дизайну, интерфейсы операторов превратились в замены, такие как автоматизированные панели для ПЛК во многих приложениях машин. Так в чем же разница между ПЛК и автоматизированными панелями, которые представляют собой человеко-машинные интерфейсы (ЧМИ или панели управления) в сочетании с органами управления, и каковы преимущества и недостатки каждого из них?

В первые дни автоматизации производители оригинального оборудования поставляли системы управления с установленными в стойку ПЛК, сигнальными лампами, датчиками и кнопками. За прошедшие годы подавляющее большинство OEM-производителей упростили системы, перейдя на панели интерфейса оператора (OI), а не на другие компоненты, монтируемые на панели. Чтобы снизить затраты на проводку и упростить отгрузку оборудования в модульных секциях, многие OEM-производители также перешли на распределенный ввод-вывод. И для дальнейшего снижения затрат, связанных с реактивным обслуживанием, многие OEM-производители также добавляют безопасное удаленное соединение для доступа к сетям конечных пользователей, чтобы пользователи могли удаленно изменять программы и анализировать производительность оборудования.

Как правило, OEM-машина использует программируемый контроллер автоматизации (PAC) с распределенным вводом-выводом, интерфейс оператора с сенсорным экраном с регистрацией данных и маршрутизатор промышленной безопасности. Каждый PAC, OI и маршрутизатор имеют свой собственный процессор, требования к установке и уникальную конфигурацию программного обеспечения. Мощность обработки этих компонентов намного превышает потребности большинства приложений, поэтому соблазн объединить эти компоненты в единое устройство огромен. Но каковы компромиссы?

Преимущества панелей автоматизации

Панели автоматизации объединяют функции программируемого контроллера и интерфейса оператора в единое целое. Они появились на рынке около 15 лет назад. Многие ранние модули были просто панелями ввода-вывода с локальным вводом-выводом, релейной логикой и плоской базой данных. Современные панели, такие как QuickPanel + от GE, включают полные языки программирования IEC61131 (релейная логика, структурированный текст, функциональная блок-схема, последовательная функциональная схема и список команд), а также определяемые пользователем структуры данных и функциональные блоки.

Современные панели, такие как QuickPanel + от GE, включают полные языки программирования IEC61131 (релейная логика, структурированный текст, функциональная блок-схема, последовательная функциональная схема и список команд), а также определяемые пользователем структуры данных и функциональные блоки

Панели автоматизации, такие как QuickPanel от GE, снижают затраты на оборудование, объединяя контроллер, интерфейс оператора и удаленное подключение в одно устройство.

Возможно, будет точнее описать эти панели как контроллеры PAC со встроенным операторским интерфейсом, а не просто как операторский интерфейс, который выполняет управление. В случае QuickPanel + OEM-производители могут приобрести пакет программного обеспечения для удаленной безопасности у Secomea, который позволяет OEM-производителям безопасно подключаться к панели через Интернет с использованием сети клиента, что устраняет необходимость в отдельном маршрутизаторе безопасности. Преимущества этой упрощенной архитектуры включают экономию средств, упрощенное обслуживание и улучшенную производительность.

Панели автоматизации также могут значительно снизить затраты на разработку программного обеспечения. Многие поставщики автоматизации рассказывают о преимуществах совместной базы данных между панелью PAC и OI, но если это отдельные устройства, они все еще имеют отдельные базы данных во время выполнения. Это означает, что каждый раз, когда вы добавляете переменную, вам необходимо загрузить оба устройства. Если контроллер и OI не синхронизированы, вы получите ошибки связи и, возможно, непредвиденную работу. Панели автоматизации используют единую базу данных с единой средой разработки и единую библиотеку для повторно используемых объектов.

Затраты на оборудование также снижаются. Объединение контроллера, интерфейса оператора и удаленного подключения в одном устройстве означает только одно устройство для покупки, установки и настройки. Это экономит деньги как на производстве, так и на панели.

Обслуживание одного устройства - это меньше работы, чем обслуживание трех, особенно если вы поставили систему конечному пользователю, который может находиться за сотни или тысячи миль. С панелью автоматизации вы можете создать резервную копию интерфейса оператора и логической программы на одной карте памяти или USB-накопителе. Если у конечного пользователя есть отдельные файлы для интерфейса оператора и контроллера и ему необходимо восстановить одну или обе программы, они могут загрузить разные ревизии и в конечном итоге получить нерабочую систему. Наличие единой программы для восстановления проще и устраняет проблемы совместимости версий.

Одно устройство означает одну точку подключения. Для мониторинга или обновления системы нет необходимости подключаться к нескольким портам. Это может быть даже более ценно при работе с удаленными подключениями, особенно если ПЛК имеет только программирование последовательного порта. Например, QuickPanel + с удаленной безопасностью позволяет OEM-производителям легко получить доступ к любым удаленным сайтам, выполнив вход на один сервер.

Улучшенная производительность ОИ

Это может показаться нелогичным, но объединение ПЛК и OI в одном устройстве может улучшить время обновления интерфейса оператора во многих приложениях. Это связано с тем, что основной задачей ЦП для традиционного интерфейса оператора является связь с контроллером. Когда сегодняшние операторы нажимают кнопку на экране OI, они ожидают немедленной реакции на оборудование и немедленной обратной связи на экране. Наиболее распространенной причиной задержек в этом ответе является драйвер связи между панелью OI и ПЛК. С панелью автоматизации эта связь намного быстрее, потому что она является внутренней по отношению к устройству. Для обновления экранов оператора нет необходимости полагаться на последовательные или Ethernet-каналы связи.

Важно отметить, что это преимущество может быть омрачено общими требованиями к производительности. Например, если требования к системе управления занимают большую часть процессорного времени, производительность интерфейса оператора может снизиться, поскольку он работает с более низким приоритетом, чем элемент управления. Подробнее об этом позже.

Воспринимаемые недостатки панелей автоматизации

Программируемые контроллеры были отраслевым стандартом на протяжении десятилетий. Они имеют хорошую репутацию за надежность, производительность и детерминистский контроль в реальном времени. Любой, кто задумывается о переходе от традиционных ПЛК или ПКК к автоматическим панелям, должен понимать компромиссы. Существуют некоторые существенные заблуждения относительно производительности и надежности панелей автоматизации по сравнению с традиционными ПЛК. Прежде чем перейти к фактическим компромиссам, мы должны изучить эти заблуждения.

Программируемые логические контроллеры, такие как ПЛК GEW 90-70, сохраняют некоторые преимущества по сравнению с автоматизацией, включая более высокую производительность системы управления, высокую степень модульности и хорошо подходят для систем высокой доступности.

Это управление ПК ?: В середине 90-х многие предсказывали, что управление ПК заменит ПЛК на рынке автоматизации управления. Хотя управление ПК хорошо работает в определенных приложениях, оно, безусловно, не завоевало рынок. Основные проблемы с использованием ПК контроля:

  • Детерминизм (требуется для повторяющихся обновлений ввода-вывода).
  • Проблемы безопасности, требующие защиты от вирусов и исправлений ОС.
  • Долгое время загрузки.
  • Ошибки реестра (часто вызванные отключением питания без выключения Windows).
  • Движущиеся части в жестких дисках и вентиляторах.

Хотя приложения для управления ПК могут предпринять шаги для преодоления некоторых из этих проблем, факт остается фактом, что Windows 7 / XP / NT не предназначены для операционных систем реального времени.

Программируемые контроллеры используют встроенные операционные системы реального времени, такие как VxWorks или QNX, а также многие проприетарные операционные системы. Когда люди впервые видят панель автоматизации с графическим экраном и встроенным механизмом управления, они сразу же думают об управлении с ПК. Но, как и их аналоги с ПЛК, подавляющее большинство панелей автоматизации работают на встроенных операционных системах, в которых нет ни одной из перечисленных выше проблем.

Один из самых популярных вариантов ОС для панелей автоматизации - Windows CE. Семейство Windows CE используется для автоматизации управления в режиме реального времени в течение 15 лет. С выпуском Embedded Compact 7 в 2011 году Microsoft отказалась от названия Windows CE и заменила его на «Embedded Compact». В этой статье термин «Windows CE» будет использоваться для обозначения нескольких поставщиков, использующих различные поколения этой ОС, включая EC7.

Основной проблемой традиционных окон является время детерминированного сканирования. Windows выполняет множество фоновых задач, поэтому пользователи Windows слишком хорошо знакомы с ожиданием ответов, в то время как компьютер «кто знает, что». Если вашей системе управления придется ждать какое-то неопределенное время, результаты могут быть катастрофическими. Как и другие встроенные операционные системы реального времени, Windows CE достигает детерминированного времени сканирования контроллера, используя приоритезацию потоков и запланированные прерывания. Функция управления имеет самый высокий приоритет. Windows CE имеет небольшое количество фоновых задач по сравнению с ПК, но даже эти задачи имеют ограниченное влияние на обновления управления, поскольку они выполняются с более низким приоритетом. Точно так же трудоемкие задачи ЦП, такие как запуск видео или открытие больших файлов, будут иметь ограниченное влияние на время контрольного сканирования.

Операционная система реального времени: по словам Сэмюэля Фанга, Дэвида Джонса и Тьерри Жубера из Professional Windows Embedded Compact 7: «Существуют мягкие системы реального времени и жесткого реального времени. Мягкая система реального времени может пропускать свой ограниченный временной отклик время от времени и при этом поддерживать приемлемый уровень приемлемой производительности, например, когда устройство Voice over IP может задержать или пропустить доставку голосовых пакетов и по-прежнему предоставлять приемлемый сервис для пользователь. Жесткая система реального времени не может пропустить ни одного из своих ограниченных временных откликов. Когда жесткая система реального времени пропускает ограниченную временную характеристику, это может привести к катастрофическому отказу системы.

«Представьте себе, что происходит, когда электронная тормозная система автомобиля не включается своевременно, в то время как автомобиль движется с высокой скоростью и должен срочно остановиться, чтобы избежать столкновения. Compact 7 - это операционная система реального времени, которая предоставляет надежные базовые сервисы для поддержки разработки встроенных систем, которая требует малой задержки, детерминированной производительности системы в реальном времени. Compact 7 обладает следующими функциями, необходимыми для системы реального времени: многопоточное и приоритетное планирование потоков с приоритетом, предотвращение инверсии приоритетов с использованием наследования приоритетов для динамической настройки приоритетов потоков и прогнозируемая синхронизация потоков ».

ПК с Windows намного более открыты, чем встроенные платформы. Они допускают многочисленные типы пользовательских приложений, которые могут быть разработаны и загружены на нескольких аппаратных вариантах. Это приводит к увеличению издержек, увеличению времени загрузки, проблемам безопасности и частым обновлениям и исправлениям.

Встроенные платформы скомпилированы для конкретного оборудования, а программное обеспечение должно быть написано и скомпилировано для конкретных реализаций операционной системы. Платформы Windows CE несут значительно меньше накладных расходов и не подвержены вирусам Windows. QuickPanel + на Embedded Compact7 может загрузиться и стать полностью функциональным за 30 секунд. Это быстрее, чем некоторые ПЛК на рынке сегодня. Платформы Windows CE могут быть отключены в любое время без выполнения последовательности выключения ОС, требуемой для Windows.

Платформы Windows CE могут быть отключены в любое время без выполнения последовательности выключения ОС, требуемой для Windows

Некоторые панели автоматизации, в том числе QuickPanel от GE, бывают разных размеров. Это позволяет компаниям адаптировать панель к приложениям и рабочей среде.

Надежность: большинство программируемых контроллеров имеют заслуженную репутацию за надежность. Продукты интерфейса оператора исторически не имели такой же репутации. Резистивные сенсорные экраны со временем изнашиваются. Подсветка дисплея со временем гаснет или перегорает. Экран повреждается из-за воздействия внешней стороны панели управления. Все эти проблемы привели многих к выводу, что на эти типы устройств нельзя положиться для контроля. Но так ли это на самом деле?

Ни одна из проблем, описанных выше, не помешает самому контроллеру запустить и обновить входы и выходы. Это продемонстрировано в это видео на YouTube , В видео автоматическая панель испытывает катастрофическое повреждение экрана, но панель все еще контролирует красный мигающий свет, показывая, что система управления продолжает функционировать, несмотря на повреждение экрана. Если сенсорный экран или дисплей поврежден или выходит из строя, панель автоматизации в конечном итоге необходимо будет заменить, но программа управления продолжит работу.

Данные среднего времени между отказами (MTBF) часто используются в качестве эталона надежности. Значения MTBF значительно выше для ПЛК по сравнению с панелями автоматизации из-за возможных сбоев сенсорного экрана и дисплея. Эти сбои включены в данные MTBF, потому что они показывают надежность устройства в целом, а не только функцию управления. Это не сравнение яблок с яблоками, потому что отказ этих компонентов не приведет к отключению системы управления. Чтобы панель автоматизации работала в качестве контроллера, она должна работать только с источником питания, процессором и связью ввода-вывода. Эти платы используют те же типы компонентов промышленного класса, которые используются в системах ПЛК, и столь же надежны.

Языки управления : поскольку программируемые контроллеры предназначены для управления, некоторые инженеры предполагают, что языки программирования более сложные или удобные для пользователя. На самом деле, часто бывает наоборот. Несмотря на то, что некоторые панели автоматизации все еще имеют редактор «только лестница» с плоскими базами данных, это быстро становится скорее исключением, чем правилом. Большинство панелей автоматизации поддерживают полный набор языков IEC, символьного программирования, пользовательских типов данных и пользовательских функциональных блоков. Конечно, то же самое можно сказать и о контроллерах PAC, но во многих случаях панели автоматизации конкурируют с традиционными ПЛК с релейной логикой и схемами адресации на основе ссылок, которые датируются 1990-ми годами.

Преимущества ПЛК

Существуют явные неоспоримые преимущества использования ПЛК. Они включают более высокую производительность системы управления, модульность и потребности систем высокой доступности.

Требования к производительности многих управляющих приложений не могут быть выполнены одним процессором на панели автоматизации. Некоторые панели, например, с процессором 1 ГГц и оперативной памятью 1 ГБ, работают так же или лучше, чем многие ПЛК низкого и среднего уровня, даже при обработке требований интерфейса оператора. Но очевидно, что контроллер PAC с процессором 1 ГГц превзойдет панель автоматизации с процессором 1 ГГц с точки зрения скорости логического сканирования. Если приложению требуется логическое сканирование в диапазоне 10 мсек, это может быть деликатным действием балансировки для панели автоматизации, чтобы удовлетворить потребность при одновременном выделении достаточных ресурсов ЦП для функций интерфейса оператора. Большие системы могут превышать потребности одного ЦП из-за определенной комбинации производительности логики, графики, регистрации данных и других задач. В этих приложениях отдельный контроллер PAC является очевидным выбором.

В этих приложениях отдельный контроллер PAC является очевидным выбором

Не каждая система управления требует специального интерфейса оператора на панели. Некоторые работают как слепые узлы, но многие используют SCADA-систему в масштабе всего предприятия или локальный ПК для требований интерфейса оператора. Традиционные ПЛК и контроллеры PAC очень хорошо подходят для этих систем. Многие программируемые контроллеры используют отдельные сменные модули для ЦП, блока питания, локального ввода-вывода и связи. Если один из этих компонентов выходит из строя, его можно быстро заменить в индивидуальном порядке. Панели автоматизации обычно продают центральный процессор, блок питания, связь и сенсорный экран как единое целое. Если какой-либо из этих компонентов выйдет из строя, вам придется заменить или отремонтировать всю панель.

Системы управления, которые обычно должны работать круглосуточно без перерывов, обычно используют резервированные ЦП с горячим резервированием с синхронизированным сканированием, чтобы избежать отключения системы в случае сбоя одного компонента. Управление горячим резервированием не столь распространено в панелях автоматизации. В случае сбоя сенсорного экрана или дисплея система продолжит работу. В этот момент функции интерфейса оператора могут обрабатываться через удаленный веб-браузер на ПК, или система может автоматически переходить в режим контролируемого завершения работы. В любом случае панель необходимо будет заменить, и в конечном итоге потребуется отключение системы. При использовании процессоров с горячим резервированием на контроллере PAC неисправный компонент можно заменить, пока система продолжает работать с резервным ЦП, поэтому, как правило, время простоя не требуется.

Панели автоматизации предлагают тот же детерминированный контроль в реальном времени, что и традиционные программируемые контроллеры. Программируемые контроллеры лучше подходят для чрезвычайно короткого времени сканирования, очень большого количества операций ввода-вывода и высокой производительности резервирования. Для приложений низкого и среднего уровня, требующих выделенного интерфейса оператора, панели автоматизации обеспечивают упрощенную архитектуру с простыми вариантами удаленного подключения и более низкой общей стоимостью владения.

Для приложений низкого и среднего уровня, требующих выделенного интерфейса оператора, панели автоматизации обеспечивают упрощенную архитектуру с простыми вариантами удаленного подключения и более низкой общей стоимостью владения

Но каковы компромиссы?
Это управление ПК ?
Но так ли это на самом деле?