PLC 與 PC-based控制器

B0  2019年 10月08日 10:26


控制器作為自動化系統的中樞,依其類別主要可分成PLC與PC-based控制器兩大類:

PLC起始約於1970年代,能用於快速的更換產線的順序邏輯,易於維護與開發,

並能忍受工業中極端的工作條件,具有很高的可靠性,與內部即時時鐘,被廣泛應用於工業自動化之中。


plc_controller.png


而約1990年開始,隨著個人電腦的普及,使用PC做為控制器的方式開始逐漸增加,

業界開始結合PC的程式控制到工業控制的系統之中,如作為上層監督系統來控制其他大小不等的機台系統(包含PLC),

其特色在於具彈性、易更動設計與維護、豐富的組網能力與低成本的顯示技術。

雖然PC-based控制器具有很強的CPU,但因部份多工作業系統並不是即時的,有些程式的掃描週期反而沒有高性能的PLC快。


pc_based_controller.png


現今的PLC和PC-based控制器已發展了相似的特色,彼此也在相互汲取各自的優點,有時在使用上已能夠相互取代,

目的皆是為了提供業界具有強健性、有效率和穩定的控制系統。

以下就簡短說明PLC與PC-based控制器各方面的特色比較。


1. 作業系統

包含PLC和PC-based控制器都內建執行控制相關工作的嵌入式作業系統,提供工業控制應用的功能;

而因PLC相較於PC多採用經過各供應商製訂的作業系統,

相較於PC,PLC在運算邏輯上多採用順序性的單執行緒執行,也無需考慮相關防毒軟體,

使PLC在執行週期與運算上,時間是確定性的(deterministic)。

PC-based控制器則較適合於多工程式的開發,但也因系統多工程序的排程,

在一些非即時性的程式執行時,會依系統工作負載,對程序產生或多或少的延遲。

而PC-based控制器雖然早期出現了許多系統crash的狀況,但在控制器作業系統的發展中,此問題已經逐漸被消除。


2. 硬體整合

大多PLC與PC作為Host裝置,用於通訊、監控和控制,並具有足够的擴展性,

PLC提供許多內建的總線通訊如PROFINET, CAN bus, Modbus, EtherCAT等、或外部擴充的標準式IO、類比數位轉換介面的裝置,能快速的更換與擴充;

而PC則需採用額外的擴充介面(如PCI)來擴充相關的功能。

此外,人機介面的部份,大多PLC需要另外的人機介面裝置來提供使用者操作介面,

多數的PC-based控制器,本身即連接螢幕與輸入裝置,能提供更多樣且精美的介面;

而在系統需要進階處理如高解析度的影像或多個例外處理的需求時,PC-based控制器擴充性則會優於PLC控制器。


3. 安全性

工業控制安全性的議題,主要包含阻擋外部未授權的存取與攻擊,與限制使用者存取的權限

相較於PC-based控制器,PLC使用專用的作業系統以及功能上相較於PC較為封閉;

雖然也是有出現像Stuxnet攻擊西門子PLC的案例,但記錄上,類似程式病毒攻擊的案例還是極少數的。

比較上,PC-based控制器則較易受到惡意軟體的攻擊,而進一步需要防毒軟體的保護和監控。


4. 程式編程

程式編程的方式,是PLC對PC-based控制器最主要的差異之一。

PLC主要依尋著掃描IO邏輯的程序執行,而PC軟體則通常是事件觸發;

不同的執行方式導致在程式設計的思想上,有根本上的不同。


大多PLC依據IEC61131-3的標準,提供包含ladder、SFC、ST、FBD和IL的程式語言;

而PC則較多樣式,包含C/C++/.NET或控制器本身提供的編程語言等,

在語言上,會因編程者專業程度而有所變異,並無使用特定編程語言較佳的定論。

然而,因為PC-based控制器使用者的逐漸增加,以及PC的普及性,

對於編程者而言,特別是大型程式的開發上,可能會認為C/C++/.NET的程式語言比階梯圖還有彈性。


5. 建置成本

在初期花費上,PC-based控制器可能比PLC還高,

而當有較高計算以及複雜網路工作需被處理時,PC-based控制器所提供的可擴充性與軟體彈性,使其程式設計在花費與效益上是較高的;

PLC可能在初期建置的時候有較低的成本,但隨著處理需求的增加,它的花費可能有指數型的增長。

可擴充性上,PC-based控制器在使用外部週邊的裝置時,因不像PLC有提供相關標準工業裝置,需花費較高的成本來建置;

然而當系統需要與大量的外部連網裝置通訊時,或相關計算密集的程序時,

如整合其他進階運算功能,如視覺、機器學習、邊緣運算等,PC-based的控制器卻比PLC較於適合。

而在安全性方面,PLC無需過量的保護裝置來增加系統的耐用性和隔離保護等;

相較之下,PC-based控制器則需要考量相關的成本投資在保護系統在工業環境的影響,以確保系統能夠正常穩定的工作。


6. 開放性與系統維護

在傳統的控制系統應用中,如果想要更換系統應用,因受限於各種不同的程式語言,增加了整合工作上的難度,

PLC提供了共同的標準介面,利於不同廠牌系統的更換應用,

而為滿足市場上對於控制器開放性與彈性的需求,部份控制器的設計逐漸走向開放性架構的設計。

PC-based控制器在無論軟體和硬體上,在供應與更新方面,都面臨著產品週期較短的問題,

可能在數年之後,供應商關閉製作此硬體的生產線,導致多年後缺乏硬體能夠更新;

或是軟體上的更新,無論是作業系統、編譯環境或是週邊軟體的更新,

在更新的過程,往往需要再投入相關的人力進行軟硬體整合的維護。

相較於此,PLC較長的產品週期,以其標準化的使用介面,能夠有效的降低更新所要付出的成本。



參考資料

1. Inside Machines: PC vs. PLC - Comparing Control Options

2. 三大控制系統,DCS、PLC、PC-Based

3. Comparison between PLC and PC (Personal computer)


延伸閱讀

1. Programming a PLC vs. industrial PC: which is best?



  • 13
  • 4037
  • 2
  • 5

B1  2019年 10月08日 21:30


很用心的好文章 , 讓我又更深入一步了解PC-based 控制器!


B2  2019年 10月14日 8:53


感謝shenyuchen的分享.


有關IEC61131這個PLC相關語言的標準, 也可以參考本論壇的下面這一篇:

http://www.imtf4.tw/topicdetail.php?t=562


  • 最後修改時間:2019年 10月14日 8:54
馬上回應....

共 2 則回應