自动化是提高工厂产量和降低制造成本的关键因素之一。继电器、PLC 和工业PC (IPC) 等技术进步正在推动工业自动化,从而改变机器与人类交互的方式。本文将讨论工业自动化中广泛使用的二次控制系统硬件,PLC和工业PC。我们还将根据您的应用需求讨论哪种类型的双控制系统最合适。
什么是PLC?
可编程逻辑控制器(PLC) 广泛用于制造工厂的流程自动化。早在20 世纪70 年代,PLC 就改变了自动化系统的游戏规则。 PLC 旨在取代配电盘和开关盒。随着时间的推移,PLC 已升级为更坚固的设计、可扩展的功能和可编程系统。此外,PLC 的编程语言(称为梯形逻辑)使PLC 能够针对机器自动化进行高度定制。这种坚固性和多功能性使PLC 成为替换旧继电器和开关盒的热门选择。
什么是工业计算机?
随着半导体芯片呈指数级发展,个人电脑(PC) 也呈指数级发展。随着计算机芯片变得更强大、更小、更便宜,工业计算机在自动化行业中越来越受欢迎。工业PC可以覆盖PLC提供的监控,但具有更多的工作负载,例如HMI、网关、AI应用程序等。得益于GPU、TPU、VPU、NVMe SSD等性能加速器,工业PC能够执行这些工作负载的整合, 和更多。整合工作负载的能力减少了工厂车间的硬件占用空间。通用计算机和工业计算机的基本组件非常相似,例如CPU、RAM、SSD和GPU。然而,工业计算机的制造和设计可以承受极端的环境条件,从极端温度到冲击和振动。普通PC在遇到一些恶劣的环境时会很快出现故障。使工业PC 极其坚固的一些设计和制造材料包括无风扇设计、一体式机箱和工业级材料。此外,工业计算机的用途也很广泛。它们不仅支持最新技术,还支持工厂自动化中常见的传统技术,如串口、COM、M12连接器、DIO、GPIO等,导致工业PC在制造自动化中的快速增长。
工业计算机和PLC有什么区别?
1. 操作
PLC配有实时操作系统,可以连续监控连接设备的输入,然后根据其程序执行决策命令。此外,PLC 的操作系统(OS) 专门设计用于执行与控制相关的任务。因此,PLC 通常不需要防病毒程序或注册表清理程序,这会增加操作期间的处理吞吐量。
工业PC 可以执行与PLC 相同的任务,但其操作系统使它们能够运行PLC 无法运行的各种应用程序和程序。凭借这些功能,IPC 的用途不仅仅限于控制目的。工业PC 可以整合工作负载,从而减少硬件占用空间。然而,IPC的操作系统(例如Windows和Linux)很容易受到网络攻击,但当前的防病毒软件和防火墙足够先进,可以降低这种风险。
2. 编程
工业PC 和PLC 之间的下一个区别是程序的开发和执行方式。 PLC 通常实现基于扫描的程序执行,而工业PC 通常是事件驱动的软件。例如,IEC 61131-2 标准中指定了PLC 软件逻辑,例如梯形逻辑或其他专有供应商语言。相比之下,工业PC运行在众所周知的Windows或Linux操作系统上,使用C/C++/.NET等编程语言。因此,工业PC 由于受到开发人员的欢迎而更容易编程。与需要特殊培训才能学习的梯形逻辑相比,借助C++ 等通用编程语言,它们还允许系统与更广泛的机器和设备进行交互。
3. 安全性
安全性是制造自动化的缺点之一,如果不认真对待,公司可能会损失很多钱。工业系统应解决两个安全基础问题。首先,阻止未经授权的外部访问的攻击。其次,根据用户的权利或指定限制用户的访问。过去,PLC 能够免受恶意软件攻击。然而,一些攻击者已经开始开发针对PLC 的恶意软件,就像在Stuxnet 中西门子PLC 遭到入侵时发生的情况一样。尽管如此,工业PC 也容易受到恶意软件的攻击,需要通过软件防病毒或硬件模块进行全面保护。一些工业计算机使用主板中嵌入的TPM(可信平台模块)2.0来加密数据。
4. 质量
至于构建质量,PLC 和工业PC 均设计用于在极端环境中运行。由于工业PC 与普通台式计算机或工作站不同,因此工业PC 非常坚固耐用。以下是工业PC 的一些工业特性:
无风扇设计
温度范围宽
抗冲击和振动
高IP等级
可扩展模块
具有传统技术支持的丰富I/O
就构建质量而言,PLC 和工业PC 是很好的搭配。然而,工业PC 因其紧凑的尺寸而胜出。 PLC 通常体积庞大且安装选项有限。有些PLC在安装时也会因为散热受阻而过热。相比之下,工业PC 相对较小,并具有多种安装选项,包括VESA 安装、机架安装和DIN 导轨选项。此外,一些工业PC配备了电源点火管理功能,可以部署用于车载应用。
5. 扩展能力
PLC和工业PC都需要对各种设备进行控制、监视和通信。因此,PLC 和工业PC 都配备了多个COM 端口和其他I/O 功能,包括传统技术。一些常见的工业通信协议包括CANbus、Modbus、Profibus、EtherCAT 和EhterNET/IP。尽管两者都可以支持这些技术,但大多数PLC 已经内置了它们。另一方面,工业PC 具有内置扩展槽以增加其多功能性。因此,工业PC对其可处理的I/O量有较高的门槛。此外,工业PC还有各种COM端口、LAN、USB和HDMI端口。这些功能使工业PC 能够整合来自不同硬件(而不仅仅是PLC)的工作负载。例如,工业PC 可以自行运行HMI 应用程序,而PLC 需要单独的HMI 应用程序才能在显示面板上显示任何内容。工业PC 的特别之处在于它们能够支持从无线卡、5G 模块、SSD 存储到GPU 加速器的无数扩展。
6. 处理能力和存储
PLC 是用于自动化控制的强大控制器,因为它们的微处理器是为特殊功能而设计的。 PLC 可以管理高速I/O,并且可以毫无问题地处理较小的自动化应用。然而,自动化项目正变得更加先进且计算密集。这就是工业PC 的用武之地。工业PC 使用更多的存储空间和完整的处理器,例如可以运行计算和存储密集型应用程序的工作站计算机。此外,借助GPU、TPU、CPU 和VPU 等性能加速器,工业计算机可以与机器视觉应用程序协作,像在智能装配线上一样执行智能计算。
7. 成本
简而言之,PLC和工业PC的成本比较是,PLC对于较小的应用来说成本较低,而工业PC的初始成本较高。然而,随着应用变得更加复杂和计算密集,PLC的累积成本可能会超过工业PC。虽然PLC 的初始成本较便宜,但当需要额外的计算能力或外围设备时,价格会呈指数级增长。相比之下,工业PC的初始成本较高,但当需要升级计算能力和可扩展性时,其成本要低得多。
如何选择工业PC和PLC
当您为工业自动化系统选择可编程控制器时,PLC 和工业PC 都有其用武之地。 PLC更适合运行功能严格的小型自动化系统。此外,PLC坚固耐用、经济高效、安全性高,适合工业部署。另一方面,工业PC 是具有高计算和存储要求的解决方案的理想选择。对于需要控制器多功能性的复杂任务,工业PC 提供较低的总拥有成本(TCO)。 PLC 之所以安全,是因为它们没有无线连接;工业PC 同样安全,因为有当今的网络安全软件;而行业标准硬件也非常可靠。某些应用程序可以在操作中同时使用PLC 和工业PC,以平衡成本和收益。最终,这取决于您的制造过程中实施了哪些功能。