PC與PLC控制特性之比較

作者：TouchScreen時間：2012-05-18 來源：控制工程網

[摘要]在PLC和PC之間作選擇時，可先對這兩種技術特性的不同之處進行分析比較，這些特性包括操作性、魯棒性、適用性、硬件集成、防護、安全、編程及成本等等。

北京時間05月18日消息，中國觸摸屏網訊， 20世紀70年代，當可編程邏輯控制器（PLC）首次推出以后，它們就主導了過程和自動化市場。多年來，PLC一直在機械自動化控制的發展中發揮引領作用。不論是用于汽車行業的小型控制器，還是整個工廠運行的大規模控制器，PLC都是個中首選。選擇控制系統，是機械設計的初始階段最重要的決策之一。

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然而，從20世紀90年代初開始，由于處理器速度的提高及范圍的擴寬，以及此類元件成本的降低，PC成功地打入了過程和自動化市場。PC應用不斷地增加，并且還在加速發展，這兩種技術之間的界限也變得模糊。十年前，確定控制器的類型很容易，但如今卻不是這樣了。

比之開關盒及繼電器面板，PLC是一種更精簡、靈活、可靠的選擇。在工廠中，它專門承擔一些特殊任務，取代開關及繼電器面板電路的位置，而其語言及結構模塊則環繞在安裝位置四周。此外，在高水平電磁干擾、污染和振動的挑戰性環境中，它還具有耐用性及穩定性。隨著時間的推移，PLC逐漸升級并具備了運動控制、先進的比例-積分-微分（PID）過程控制、集成安全等性能，并同時吸收了一些PC功能，如web服務器及網絡工具。

另一方面，PC則在機械領域里擔任著更高級別的角色。它主要應用于復雜運算、監控、測量、工廠網絡以及對PLC的用戶界面。它通常設在環境能得到充分控制的地點，因為它不像PLC那樣，能在惡劣的工廠條件下穩定運行。

除了自身的核心能力外，歷經發展的PC，最終也將PLC的功能收歸囊中。同時，它也成為了更可靠的控制器，能在惡劣環境中運行，使這一優勢不再是PLC的專利。在對PC及PLC技術的控制架構的分析中表明，技術間的進一步融合將確鑿無疑。在加入PCI卡、硬件驅動器及軟件之后，PC就可以像PLC一樣工作。再加入實時內核，PC即可支持更多的關鍵任務及控制算法。而另一方面，內嵌PC的PLC，只需要配置鍵盤和鼠標即可開始工作。

既然如此，在應用中，如何決定選擇PLC還是PC結構？為了使選擇過程更加簡單，首要步驟是，分析比較二者特性中的不同。其中，有7項主要的特性需要考慮：操作性、魯棒性、適用性、硬件集成、防護、安全、編程。

在分析系統操作時，重點放在系統如何運行及如何處理指令和任務這兩個方面。標準PLC嵌入了一個具有專用處理器的實時操作系統（RTOS），可確保控制系統的高可靠性。另外，由于PLC專用于自動控制及過程，無須運行其它工具，因此無需殺毒程序或系統更新。

具有實時內核或實時操作系統的PC，可達到與PLC控制相同的可靠性。在具有使用早期家用或辦公用PC的經驗后，用戶可能比較擔心PC的鎖定問題（所謂的“藍屏”）。其實，若操作系統軟件未能正確處理優先級，鎖定在任何操作系統上都可能發生，也包括PLC在內。對于工業應用，PC的操作軟件專用于自動控制，因而發生鎖定的概率很小。即便發生，實時內核也將不受影響地繼續運行。實時操作，意味著在特定時間內，任何操作都能確保得到有效的處理。同步運動及先進的PID控制需要高水平的實時確定性，而非關鍵監督式控制器的操作，例如錯誤信息監控，非關鍵控制指令或查詢的發送，則無需達到這樣高的水平。

魯棒性

控制器的魯棒性，是指其在各種環境下的耐久程度。標準的成品PLC不含有活動部件，因此能在惡劣環境中運行數百萬個周期。標準的PC則具有活動部件，例如風扇或硬盤驅動器，因此不太適合高振動水平的環境。

不過，工業PC（IPC）能提供一些選項，例如固態硬盤、非風扇冷卻及并柜安裝等。這些選項可使PC達到與PLC同等的耐用性，可承受最嚴酷的工業或環境條件。在此方面，PLC與PC已經融合，只是PC仍需額外的選項，才能與標準PLC相等同。

適用性

若能對一個系統及其元件進行方便的更換，并備有一個長期有效的替代部件的資源庫，將會很有幫助。某些行業的“備份需求”策略，即要求保有這種長期有效性。不同于硬件及固件變化很快的PC，PLC要實現“備份需求”相對更為容易。試圖找到一個可供更換的PC部件（即便僅在一年或二年后），要比PLC難得多。

硬件集成

在選擇控制系統硬件時，一般都要用到外圍設備、存儲器及用戶界面。一個寬廣的選擇范圍，將是工程師們所喜聞樂見的。PLC和PC都能利用工業通信網絡來控制眾多的設備。這些知名的網絡包括SERCOS，PROFIBUS，DeviceNet和CANbus，還有它們的同行，一些基于以太網的網絡，如SERCOS III，Profinet，EtherNet/IP以及EtherCAT。

PLC和PC都能提供一組現場總線的選項，但PLC內置了很多選項，而PC以及一些IPCs則需要額外的存貯卡及驅動器，才能提供這些選項。除了典型的現場總線網絡外，PC還配備了一系列更加開放和靈活的界面，例如USB、FireWire、串行、無線以太網等等。

這樣，用戶便能對更多已有設備進行訪問，可處理一些PLC難以完成的任務，例如先進的高分辨率成像系統。這種系統能對圖像進行存貯、分析和比較，必要時還能進行存檔。由于PC具有相應的內存空間，而PLC的存貯空間小、處理能力有限，因而前者更適用于這樣的高級任務。

在一些應用中，用戶界面十分重要。PC具有內置的用戶界面，而PLC需要依靠開關、操作面板或工業PC。因此，即便PLC能通過現場總線與設備進行交互并執行復雜的操作，它仍需一臺PC來處理那些對內存有要求的任務，或者實現與其它系統設備的連接。

防護

防護主要涉及文件系統和應用程序的保護。它具有兩個方面：防止未經授權的外界訪問（如病毒攻擊，惡意軟件等）以及用戶訪問限制（如限制用戶權限，隱藏文件等）。

通常，PLC較少出現未經授權的外界訪問。由于PLC具有專用的操作系統，被已知病毒攻擊的實例很少發生。但這并不代表PLC對病毒免疫。多年來，PLC一直處于無病毒狀態，因此一旦有病毒出現，將缺乏一種標準手段來監測和消除病毒。PC相對易受病毒攻擊，但嚴格的安全措施能極大地減少潛在威脅，也可使用標準軟件來檢測和清除病毒。PLC和PC都提供了不同的用戶訪問級別，用以保證內容的安全，或在請求時呈現開放狀態。

安全及編程

根據操作環境的不同，安全可能成為用戶最為關注的問題。當人機交互具有潛在危險時，或在極為注重安全標準的機械驗收場合，安全是至關重要的。

不論是在機械自動化，還是指定通信頻道對設備運行進行嚴格監控，或是可選的冗余集成電路上，PLC都具有相當長的歷史。直到最近，在一些基于PC的平臺上，集成安全才得以應用。

設備功能性的優劣取決于所運行程序的質量。因此，編程環境及語言在優化機械性能方面至關重要。PLC與PC方案的主要區別之一，就是代碼的執行方式。PLC采用基于掃描及事件驅動程序的混合執行，而PC軟件通常為事件驅動。由于系統首先需要在循環中完成優先級更高的任務，PLC程序的基于掃描執行所需的時間可能更長。執行方式不同，其編程原理也不同。用戶往往只慣于使用其中的一種。對于編程語言也是這樣：PLC采用的是IEC 61131-3所規定的編程語言（梯形圖，指令表等）或供應商專供語言。而基于PC的控制器可使用諸如C/C++/.NET這樣的編程語言。

成本商討

很多應用既可以采用PC也可以采用PLC，但對于某些應用，不同方案間的成本差異很大。PC與PLC結構之間的成本比較，主要在性能、擴展性、環境及發展工作等方面。

若控制系統必須實現苛刻的計算、處理復雜的網絡負載以及處理大量數據時，基于PC的方案可能更節省成本。PC的初始成本可能更高，但它提供了一個強大的系統，且只有當性能需求增多時，才會逐漸增加成本。PLC初始價格較低，但若對高端性能有需求時，成本可能趕超PC（見圖1）。

擴展性是指控制系統增加外設、提高計算能力或添加數據存貯器的能力。當無需附加功能且擴展性較低時，PC成

圖1 性能與成本圖片來源：Bosch Rexroth 公司

本將高于PLC。但即便提升擴展性，PC成本也只有小幅的增加。對于這些因素不太重要的應用，由于PLC的優化特性，只需要較低的成本，但若增加更多設備（見圖2），成本將會陡增。標準PLC設計可承受工業廠房所設置的苛刻條件。

圖2 擴展性與成本

在嚴酷環境中運行標準PLC，所需成本比PC小得多。為使PC更為可靠，不得不增加組件，而這將使成本顯著增加（見圖3）。

圖3 運行環境與成本

軟件發展時間也可能極大地增加成本，但最初選擇控制系統時往往并不明顯。若是特定控制系統第一次得到應用，使用者可能要花大量時間來學習新產品，或聘請具備產品知識的第三方來幫助進行新系統的整合。很多人都熟悉IEC 61161-3的PLC編程語言；而大量的內置功能可直接整合并快速解決特定問題。因此，對于初級或中級用戶而言，PLC比基于Pc的控制器更為節省：發展時間（或成本）與用戶的等級及知識基礎成反比（見圖4）。