Porównanie sterowników PLC, PAC i IPC

Jakie cechy, ograniczenia i elementy kompatybilności należy przeanalizować przy wyborze właściwego sterownika? Co brać pod uwagę, rozważając zastosowanie PLC, PAC lub przemysłowego komputera typu PC (IPC)? Wybór prawidłowej platformy sterowania od początku zwiększy szanse na sukces projektu.
Współczesne systemy sterowania oferują znacznie więcej możliwości niż kiedyś. Charakteryzują się zdecydowanie większą elastycznością, są łatwiejsze w konfiguracji i programowaniu oraz komunikacji. Duża ilość dostępnego sprzętu i technologii może jednak w pewien sposób sparaliżować projektanta podczas prób określenia prawidłowego typu i modelu sterownika dla danego projektu. Jeśli jednak dobrze zrozumie on cechy ograniczenia i pozna najważniejsze elementy zapewniające kompatybilność różnych oferowanych urządzeń, ma szansę podjąć dobrą decyzję.
Sterowniki zastąpiły przekaźniki
Na świecie aż do końca lat 60. XX w. (a w Polsce i krajach rozwijających się nawet jeszcze później) systemy sterowania składały się z przekaźników sterujących funkcjami dyskretnymi oraz niezależnych sterowników automatyki, sterujących funkcjami analogowymi. Systemy te miały wiele wad – m.in. przekaźniki zajmowały sporo miejsca, a wszelkie zmiany były kosztowne i czasochłonne, podobnie jak prace przy rozwiązywaniu problemów.
We wczesnych latach 70. zbudowano jednak sterownik PLC. Zaczął on być powszechnie stosowany w aplikacjach przemysłowych, zastępując stopniowo systemy przekaźnikowe. Pierwsze modele były duże (chociaż znacznie mniejsze od wcześniejszych ścian z przekaźnikami), a ich programowanie realizowano przez podłączenie specjalnych zacisków i bardzo ograniczoną listę rozkazów.
Pod koniec lat 70. rozproszone systemy sterowania DCS (Distributed Control Systems) zaczęły zastępować sterowniki pojedynczych pętli i centralizować środowisko analogowego sterowania procesem technologicznym. DCS zwykle składa się z wielu paneli typu rack wejścia/wyjścia (I/O), znajdujących się w pobliżu końcowych urządzeń sterujących oraz stacji inżynierskiej z wizualizacją, na bazie komputerów typu PC. Integralną częścią systemu DCS są ekrany graficzne lub inżynierskie, używane przez operatorów do reagowania na nieprawidłowości w realizacji procesu lub strojenia pętli regulacji.
We wczesnych latach 80. systemy na bazie sterowników PLC zaczęły iść drogą systemów DCS, wprowadzono do nich komponenty rozproszone oraz panele typu rack. PLC doświadczyły potem wielu etapów postępu technologicznego, w tym m.in.: zwiększenia mocy obliczeniowej i pamięci, wprowadzenia architektury o większej liczbie bitów oraz zmniejszenia wymiarów. Te usprawnienia zapoczątkowały powstanie kilku klasyfikacji systemów automatyki, poza oryginalną koncepcją PLC. Dwie z nich obejmują sterowniki automatyki przemysłowej PAC oraz przemysłowe komputery PC (IPC). I gdy w sterownikach PLC króluje wciąż ta sama koncepcja co we wczesnych latach 70., to sterownikom PAC oraz komputerom IPC dodano nowe możliwości i funkcjonalności, które odróżniają je od podstawowej koncepcji PLC.

Sterowniki PLC
Sterowniki te cały czas wykorzystuje się do budowy wielu mniejszych projektów z branży automatyki. Dostępne obecnie na rynku modele mają dużą moc obliczeniową i możliwości. Wykorzystywane są przez producentów wyposażenia oryginalnego (OEM) – w takich maszynach, jak pakowarki, napełniarki, paletyzery oraz małe moduły technologiczne. Zwykle łączy się je na poziomie maszyn z interfejsami HMI w celu wizualizacji pracy urządzeń oraz alarmowania o nieprawidłowościach. Poza funkcjami dostępnymi w egzemplarzach z lat 70. i 80. mogą obecnie obsługiwać bardzo szybkie sekwencjonowanie wejść/wyjść (I/O), regulację proporcjonalno-różniczkująco-całkującą PID oraz listy rozkazów. W zależności od producenta i typu, są często kompletnym modułem–hostem dla innych dostępnych, wyspecjalizowanych modułów – m.in. zliczania z wysoką prędkością, interfejsów sieciowych i sterowania ruchem.
Prawie wszystkie sterowniki PLC mają wbudowane interfejsy komunikacji standardów sieci obiektowych lub sieci Ethernet – np. EtherNet/IP, Profibus, Profinet, Foundation Fieldbus czy Modbus TCP. Sieci te umożliwiają komunikację typu peer-to-peer (PLC z PLC), obsługę rozproszonych wejść/wyjść oraz komunikację dla systemów HMI/SCADA. Współczesne sterowniki PLC nadal jednak mają też ograniczenia. Aby utrzymać spadek cen na konkurencyjnym rynku, ograniczana jest zarówno liczba wejść/wyjść, którą mogą obsługiwać, jak i ilość logiki, jaka może być zainstalowana.
Sterowniki PAC
Większe projekty, wymagające kilku rozproszonych paneli typu rack lub bardzo dużych aplikacji, zwykle potrzebują więcej mocy obliczeniowej procesora oraz więcej pamięci, niż to zapewnia podstawowy pakiet PLC. Rozwiązanie stanowią sterowniki PAC, które dysponują wszystkimi wspomnianymi możliwościami systemów PLC oraz charakteryzują się pewnymi dodatkowymi cechami.
Urządzenia te są zaprojektowane do znacznie większych, rozproszonych systemów sterowania, w takich aplikacjach, jak duże linie pakujące, dyskretne systemy sterowania w zakładach produkcyjnych oraz sterowanie procesem technologicznym w większych modułach technologicznych lub fabrykach. Dostępne listy rozkazów są bardziej zaawansowane i wyspecjalizowane dla danej aplikacji, takiej jak sterowanie procesem technologicznym, sekwencjonowanie, przetwarzanie wsadowe i sterowanie urządzeniami. Niektórzy producenci posuwają się nawet do tworzenia i publikowania specyficznych dla danego przemysłu list rozkazów: innych np. dla platform wiertniczych ropy i gazu, elektrowni jądrowych czy browarów. Te wyspecjalizowane listy oferują zwykle bardzo duże możliwości i zużywają dużo mocy procesorów, co wymaga zwiększenia parametrów sterownika PAC, aby instrukcje były wykonywane poprawnie. Sterowniki PAC są często wykorzystywane w systemach informatycznych SCADA, nadzorujących przebieg procesu technologicznego lub produkcyjnego na poziomie przedsiębiorstwa – do sterowania produkcją i zbierania danych w całej fabryce.
Modyfikacje i rozwój list rozkazów sterowników PAC oraz odpowiadających im bibliotek HMI spowodowały zatarcie się granic pomiędzy sterownikami PAC a systemami DCS. Te pierwsze oferują dziś wiele funkcji i możliwości integracji systemów DCS. Potrafią realizować zaawansowane funkcje sterowania, historycznie zarezerwowane dla dużych systemów DCS, takie jak sterowanie predyktywne (Model-Predictive Control – MPC) oraz sterowanie z wykorzystaniem logiki rozmytej (fuzzy logic), które implementowane są w niestabilnych lub skomplikowanych układach sterowania w pętli zamkniętej, tam gdzie wdrożenie regulacji PID staje się nieefektywne.
Komputery przemysłowe IPC
Przemysłowe komputery typu PC zaczęły być wykorzystywane w latach 90. przez firmy z branży automatyki, które projektowały platformy programowe emulujące pracę sterowników PLC, działające na zwykłych komputerach typu PC. Te pionierskie próby wykorzystania komputerów PC dla celów automatyki były jednak często zawodne, ponieważ pojawiały się problemy ze stabilnością systemu operacyjnego komputera-hosta. Dochodziło nawet do uszkodzeń samych komputerów, niezaprojektowanych do pracy w warunkach przemysłowych.
Od tego czasu poczyniono jednak w tej dziedzinie znaczne postępy. Dotyczyły one również wykorzystania wzmocnionych komputerów, zaprojektowanych do pracy w warunkach przemysłowych, oraz bardziej stabilnych systemów operacyjnych. Część producentów stworzyła nawet swoje własne komputery IPC do realizacji konkretnych zadań – mające jądro czasu rzeczywistego dla obsługiwanego środowiska automatyki. To jądro pozwala na odseparowanie automatyki od środowiska systemu operacyjnego i ma pierwszeństwo nad priorytetami systemu operacyjnego, takimi jak realizacja operacji wejścia/wyjścia.
Ponieważ komputery IPC działają na platformach PC, korzystają z bardziej nowoczesnych procesorów i większych zasobów pamięci niż standardowe sterowniki PLC. W przypadku komputerów IPC często na tej samej maszynie może być uruchamiana aplikacja HMI i program obsługujący układ automatyki, co przyczynia się do redukcji kosztów. Zastosowania komputerów IPC obejmują maszyny OEM, moduły technologiczne i projekty z ograniczoną przestrzenią.
Wybór właściwego układu sterowania
Nie istnieje wyraźna reguła mówiąca o tym, kiedy zastosować sterownik PAC, PLC czy komputer IPC. W grę wchodzi wiele czynników, takich jak budżet, rozmiary projektu, wsparcie producenta, złożoność oraz przyszła rozbudowa systemu. Należy przy tym zwrócić szczególną uwagę na procesy i systemy wymagające certyfikatu poziomu bezpieczeństwa (Safety Integrity Level – SIL) oraz średniego czasu między awariami (Mean Time Between Failures – MTBF).
Często klient (wewnętrzny lub zewnętrzny) wyznacza przynajmniej producenta (producentów) systemu sterowania, który ma być zastosowany. Zwykle dzieje się tak ze względu na posiadanie ważnych licencji na oprogramowanie, znajomość procesów konserwacji, przeprowadzone lub zaplanowane szkolenia z konserwacji oraz inżynierskie, posiadanie odpowiedniej wiedzy inżynierskiej, a także wsparcie techniczne dla systemu ze strony regionalnego wykonawcy.
Jeżeli jednak kwestia wyboru jest niejasna, pomóc może stworzenie tabeli kryteriów, a następnie ocena każdej z omawianych technologii. Należy rozważyć w niej najważniejsze elementy projektu czy główne potrzeby, a nie większe pragnienia czy mniej istotne kryteria. Pomaga to w wyeliminowaniu z procesu decyzyjnego czynników subiektywnych. Tabela taka jest użyteczna zwłaszcza wtedy, gdy klienci nie mają żadnej własnej normy lub gdy stosowane przez nich standardy dają wolną rękę w znalezieniu typu rozwiązania i producenta integratorowi systemu.
Niekiedy rozwiązaniem może być także hybrydowa mieszanka sterowników PLC, PAC oraz komputerów IPC. Sieci przemysłowe dopuszczają przecież ściśle zintegrowaną halę fabryczną nawet z wieloma sterownikami rozrzuconymi na liniach wielu producentów.
W podjęciu prawidłowej decyzji dotyczącej projektu może również pomóc doświadczony integrator systemów. Jedno jest pewne – wybór prawidłowej platformy systemu sterowania od początku zwiększy szanse na to, że projekt odniesie sukces. 
Autor: Ryan Williams jest menedżerem projektu w firmie Stone Technologies, zajmującej się integrowaniem systemów sterowania.
Tekst pochodzi ze specjalnego wydania “Sterowanie Silniki & Napędy“. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.