Применение микроконтроллеров в промышленной автоматике. Маломощные микроконтроллеры – основа промышленной автоматизации. Принцип действия и область применения ПЛК

Микроконтроллеры LPC83x интегрируют до 32 КБ FLASH и 4 КБ SRAM памяти.

Набор периферии включает модуль контроля циклическим избыточным кодом (CRC), один интерфейс шины I 2 C, один USART, до двух последовательных интерфейсов SPI, мультидиапазонный таймер, таймер пробуждения системы, модуль SCT-таймера/ШИМ, контроллер прямого доступа к памяти (DMA), 12-битный АЦП, конфигурируемые, при помощи матричного коммутатора, по назначению функций порты ввода/вывода, модуль сравнения структуры входных сигналов и до 29 линий ввода/вывода общего назначения.

Компания NXP представляет семейство микроконтроллеров LPC5411x, выполненных на базе ядра ARM® Cortex®-M4F с опциональным встроенным сопроцессором с ядром Cortex®-M0+. Устройства поддерживают гибкие режимы энергопотребления и работы периферийных узлов, обеспечивая минимальный ток потребления в активном режиме вплоть до 80 мкА/МГц.

Новые микроконтроллеры отличаются увеличенным объемом внутренней RAM-памяти до 192 КБайт, снабжены цифровым двухканальным микрофонным интерфейсом (DMIC) и полноскоростным USB-интерфейсом, работающим без внешнего источника тактового сигнала. Подсистема DMIC обеспечивает наивысшую в отрасли энергоэффективность распознавания голоса и срабатывания по голосу при токе потребления не более 50 мкА. Семейство LPC5411x поддерживается обширным набором инструментальных средств разработки — от библиотеки системных драйверов и примеров прикладных программ LPCOpen до интегрированных сред разработки приложений (IDE), таких как IAR, Keil и LPCXpresso.

В качестве старшего представителя семейства XMC4000, устройства серии XMC4800 являются первыми в отрасли высокоинтегрированными микроконтроллерами с ядром ARM® Cortex®-M, оснащенными интерфейсом EtherCAT®, обеспечивающим коммуникационные возможности в реальном масштабе времени посредством протокола Ethernet. Сочетая функции цифрового сигнального процессора и 32-битного микроконтроллера, семейство XMC4000 идеально подходит для таких промышленных приложений, как цифровые системы преобразования мощности, электроприводы, системы измерений и контроля, модули ввода/вывода данных и т.д.

Микроконтроллеры и одноплатные компьютеры предлагают разработчикам различные возможности для приложений автоматизации, в первую очередь заключающиеся в гибкости настройки и дешевизне решения. Но можно ли доверять данным элементам в условиях промышленной среды при использовании в оборудовании, бесперебойное функционирование которого критически важно?

Ассортимент микроконтроллеров и мини-ПК, появившихся в мире энтузиастов, быстро расширяется, без каких-либо причин ослабления. Эти компоненты, в том числе Arduino, и Raspberry Pi, предлагают необычные возможности, в том числе обширную экосистему, включающую интегрированную среду разработки, поддержку и аксессуары, при этом все очень дешево. Некоторые из инженеров в некоторых случаях предполагают возможность применения таких микроконтроллеров в устройствах промышленной автоматизации вместо программируемых логических контроллеров (ПЛК). Но разве это мудро?

Хороший вопрос, но не нужно спешить с ответом, поскольку зачастую есть решение, которое может быть очевидным с первого взгляда. Давайте посмотрим ниже поверхности и рассмотрим факторы, имеющие отношение к обсуждению. С помощью беглого обзора мы увидим, что сегодня на рынке доступно около восьмидесяти различных плат, в том числе платы с микроконтроллерами, платы с ПЛИС FPGA и мини-ПК с широким спектром возможностей. В этом материале все они будут условно называться микроконтроллерами. Аналогичным образом, несмотря на то, что ПЛК обладают широким спектром возможностей, в этом материале предполагается ПЛК с хорошо продуманным и надежным контроллером.

Рассмотрим небольшой промышленный процесс, требующий двух или трех датчиков и исполнительного механизма. Система связывается с более крупной системой управления, и для управления процессом необходимо написать программу. Это несложная задача для всякого небольшого ПЛК ценой примерно 200 долларов, но заманчиво задействовать значительно более дешевый микроконтроллер. При разработке сначала выполняется поиск периферии ввода-вывода, здесь нет никаких проблем с ПЛК, но, вероятно, это проблема для микроконтроллера.

Некоторые микроконтроллерные выходы относительно легко конвертируются, например, в интерфейс токовой петли 4-20 мА. Другие несколько сложнее преобразовать, например, аналоговый выход с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Определенное количество преобразователей сигналов доступно в качестве стандартных продуктов, но они увеличивают общую стоимость. Инженер, настаивающий на полном самостоятельном производстве, может попробовать сделать преобразователь сам, но такое обязательство может быть непростым и потребует немалого времени на разработку.

ПЛК работают, можно сказать, с любым промышленным датчиком и в основном не требуют внешнего преобразования, поскольку они предназначены для подключения к огромному многообразию датчиков, исполнительных механизмов и прочих промышленных элементов посредством модулей ввода/вывода. ПЛК также легко монтируется, а плата микроконтроллера с контактами и разъемами требует некоторой работы по монтажу и согласованию.

Микроконтроллер – это «голое» устройство без операционной системы или с какой-либо простой операционной системой, которую нужно настраивать под конкретные нужды. В конце концов, одноплатный компьютер, продающий за $40 и имеющий Linux, вряд ли будет иметь много возможностей для встраиваемого программного обеспечения, поэтому пользователю остаётся кодировать все, кроме самых основных возможностей.

С другой стороны, хотя даже если приложение будет простым, ПЛК имеет множество встроенных возможностей, чтобы сделать многое «за кулисами», без использования специального программирования. ПЛК имеют программные сторожевые таймеры, чтобы следить за исполняемой программой и аппаратными устройствами. Эти проверки происходят при каждом сканировании с ошибками или предупреждениями, если возникает проблема.

В принципе, каждая из этих возможностей может быть внесена в микроконтроллер посредством программирования, но пользователь должен будет либо написать подпрограммы с нуля, либо найти уже имеющиеся программные блоки и библиотеки для повторного использования. Естественно, их необходимо проверить в условиях целевого приложения. Инженер, пишущий несколько программ для одного и того же контроллера, может повторно задействовать уже испытанные куски кода, но такие возможности имеются в операционной системе практически каждого ПЛК.

Помимо этого, ПЛК спроектированы так, чтобы выдерживать требования промышленной среды. ПЛК представляет собой прочный аппарат, он изготовлен и протестирован, чтобы выдерживать удар и вибрацию, электрический шум, коррозию и широкий диапазон температур. Зачастую такими преимуществами микроконтроллеры не обладают. Для микроконтроллеров редко проводят такую подробную и доскональную проверку, и обычно эти устройства будут включать лишь главные требования к определенным рынкам, такие как, например, управление бытовой техникой.

Также стоит сказать, что многие промышленные механизмы и оборудование работают в течение десятилетий, поэтому контроллеры также обязаны работать очень долго. В связи с этим пользователям необходима долгосрочная поддержка. Оригинальные производители оборудования обязаны в долгосрочной перспективе рассчитывать на продукты, которые они применяют в своих устройствах, и должны быть готовы, когда клиент желает приобрести запасные части для системы, внедренной двадцать лет назад или раньше. Компании, занимающиеся микроконтроллерами, бывает, не в состоянии обеспечить такую долгую жизнь своего продукта. Большинство производителей ПЛК предоставляют качественную поддержку, некоторые при этом даже предлагают бесплатную техническую поддержку. Впрочем, следует отметить, что пользователи микроконтроллеров часто формируют собственные группы технической поддержки, ответы на многие вопросы зачастую встречаются в дискуссионных группах и форумах с потребностями, аналогичными вашим собственным.

Таким образом, микроконтроллеры и различные типы отладочных плат являются скорее инструментами для обучения, экспериментирования и прототипирования. Они дешевы и значительно упрощают обучение сложным концепциям программирования и автоматизации. Но в то же время, если задача состоит в том, чтобы производство эффективно работало, причем безопасно и без сбоев, ПЛК предоставляют широкий спектр возможностей с надежностью, которая была проверена и применялась на протяжении очень долгого времени. Когда фабрика должна работать бесперебойно, и продукты должны быть изготовлены качественно и без промедления на производственных линиях, надежность и безопасность важнее всего.

, Новости / от admin

Микроконтроллеры против ПЛК: Есть явный победитель в битве за ваши промышленные приложения.

Мир одноплатных компьютеров и микроконтроллеров предлагает интересные и недорогие возможности для приложений автоматизации , но можно ли доверять этим компонентам в критически важных производственных приложениях, где традиционно используются ПЛК?
Ассортимент микроконтроллеров, появляющихся в мире, стремительно растет и нет признаков сокращения. Эти устройства — в том числе Arduino, BeagleBone, Raspberry Pi и другие-предлагают исключительные возможности. А также могут предложить целые экосистемы аксессуаров, и все это по очень низким ценам.
Bill Dehner, инженер по техническому маркетингу; и Tim Wheeler, технический маркетолог и преподаватель-разработчик в AutomationDirect; написали статью под названием микроконтроллеры против ПЛК: кто из них лидирует на вашем предприятии?, которая вышла в ноябре 2017 в издании Control Engineering. Они обсудили, как вырос интерес к этим продуктам, до такой степени, что некоторые рассматривают возможность использования этих микроконтроллеров для приложений промышленной автоматизации вместо ПЛК. Но разумно ли это?

Это естественный вопрос, но к ответу нужно подходить осторожно, потому что зачастую от такого решения зависит больше, чем может показаться на первый взгляд. Посмотрим ниже и увидим факторы, имеющие отношение к обсуждению.
После быстрого онлайн-обзора мы увидим, что есть около 80 различных плат, включая микроконтроллеры, платы FPGA и одноплатные компьютеры, с широким спектром возможностей. В любом случае, в этом блоге, всех их мы объединим вместе и назовем микроконтроллерами.
Аналогичным образом, даже несмотря на то, что ПЛК имеют широкий спектр возможностей, будем считать ПЛК неким общим и надежным контроллером, таким как AutomationDirect BRX.

Гипотетический пример

В статье рассматривается небольшой автоматизированный процесс, требующий двух-трех датчиков и привода. Система взаимодействует с большей системой управления, и программа должна быть написана для управления процессом. Это простая задача для любого малого ПЛК стоимостью около 200$, но хочется использовать гораздо более дешевый микроконтроллер.
Первым шагом является поиск ввода-вывода — не проблема с ПЛК, но, возможно, проблема для микроконтроллера.

«Некоторые (выходы микроконтроллера) сравнительно легко преобразовать, например, токовая петля 4-20 мА в 0-5 В. Другие являются более трудно преобразовываемыми, например аналоговый выход с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ), это в целом для микроконтроллеров. Некоторые преобразователи сигналов доступны как стандартные продукты, но они добавляют общей стоимости. Инженер, практикующий в работе полный цикл «сделай сам», может попытаться создать конвертер внутренне, но такое начинание может быть сложным и требует большого времени на разработку.”

ПЛК работают практически с любым промышленным датчиком, и, как правило, не нуждаются в внешнем преобразовании, поскольку они сделаны для подключения к широкому спектру датчиков, приводов и других промышленных компонентов через их I/O. ПЛК легко монтируется, в то время как плата микроконтроллера с контактами и разъемами потребует немного работы.

Операционные системы

Dehner и Wheeler отмечают, что микроконтроллер представляет собой устройство-скелет с базовой операционной системой. «Ведь одноплатный компьютер, продающийся за 40$, не собирается иметь множество встроенных программных процедур. Поэтому пользователю остается кодировать все, кроме самых элементарных возможностей.”
В то время как приложение может быть простым, ПЛК имеет много встроенных возможностей. ПЛК делает события происходящие за кулисами незаметными и не требующими программирования пользователя, в отличие от ситуации когда используется микроконтроллер. У ПЛК есть программные сторожевые таймеры, чтобы следить за исполняемой программой, и аппаратные сторожевые таймеры, которые контролируют модули и устройства ввода-вывода. Эти проверки происходят на каждом цикле сканирования, с сигнализацией об ошибках или предупреждениях при возникновении проблемы.

«Теоретически, любая из этих возможностей может быть добавлена путем программирования микроконтроллера, но пользователю придется либо написать процедуры с нуля, либо найти существующие программные модули для повторного использования. Естественно, они должны быть протестированы и проверены для приложения, и нужно понимать важность такого тестирования, по крайней мере в первый раз. Инженер, пишущий несколько программ для одного контроллера, вероятно, может повторно использовать проверенные блоки кода. Но эти возможности уже включены в операционную систему практически для любого ПЛК.”

ПЛК это надежность производства

ПЛК предназначены для того, чтобы выдержать требования промышленной среды. Оборудование надежное, и оно сделано и испытано для того чтобы выдержать удар и вибрацию, электрический шум, коррозию и широкий диапазон температур. Иначе с микроконтроллерами.

«Микроконтроллеры редко проходят такое обширное тестирование и, как правило, включают только основные требования к конкретным рынкам, таким как оргтехника. Даже эти требования могут не соблюдаться в случае с неизвестным производителем платы. Универсальная плата, возможно, не была протестирована в той же степени, что и фирменная плата, даже если она кажется идентичной.”

Техническая поддержка

Множество промышленного оборудования безостановочно работает декады, поэтому контроллеры должны также функционировать бесперебойно. Как результат пользователям нужна долгосрочная поддержка.

«Производители оригинального оборудования должны смотреть на продукты, которые они используют на своих машинах, и должны быть готовы, когда клиент хочет купить запчасти для системы, установленной в 1990-х годах или даже раньше.
Компании, производящие микроконтроллеры, не могут сохранять эту связь истории. Если вам нужно заменить контроллер для проекта пять лет назад, найти детали, которые вам нужны, может оказаться проблемой.”

Большинство поставщиков ПЛК имеют отличные возможности поддержки, с некоторыми, как например AutomationDirect, предлагается бесплатная техническая поддержка. Однако конечные пользователи микроконтроллеров с открытым исходным кодом часто создают собственные группы технической поддержки. Ответы на вопросы часто можно найти в дискуссионных группах и тематических форумах с потребностями, похожими на ваши. Или нет.

Подведение итогов

«Микроконтроллеры и другие типы плат для разработки являются фантастическими в качестве учебных инструментов и для экспериментов. Они дешевые и делают сложные концепции программирования и автоматизации гораздо проще для изучения.” Если у вас есть время, то это замечательные инструменты.
«С другой стороны, если задача заключается в том, чтобы эффективно, рационально и безопасно функционировать на производстве, то ПЛК обеспечивают широкий спектр возможностей с надежностью, которая испытывалась и использовалась на протяжении десятилетий. Когда завод должен работать и продукция должна быть изготовлена, надежность и безопасность имеют большее значение, чем что-либо другое.”