前言 ：在机器的初始设计阶段最重要的决定之一是选择控制系统。 由于可编程逻辑控制器（PLC）在20世纪70年代首次推出，他们在过程和自动化市场占据主导地位。 多年来，PLC一直引领机器自动化控制的发展。 从汽车行业使用的小型控制器到运行整个工厂的大型控制器，PLC是首选的控制器。然而，从20世纪90年代初开始，随着处理器速度和范围的增加，个人电脑已经成功进入这些市场，并且这些组件的成本下降。 使用PC的应用程序数量在不断增加，导致加速开发，使两种技术之间的界限变得模糊。 十年前，决定使用什么类型的控制器可能是明确的选择; 今天，情况已不复存在。 当然，这在当时是一个重大的挑战。话虽如此，值得强调的是，当时，PC 控制技术还没有像今天在德国及欧洲这样为大家所广泛接受。因此，只有有限的中国客户愿意在他们的机器上尝试新的控制技术。 1.PLC 和PC :PLC是开关盒和继电器面板灵活和可靠的替代品。 它只针对工厂中的特定任务，其语言和结构以它正在取代的开关和继电器面板电路为模型。 此外，它必须在包含相对较高水平的电磁干扰（EMI），污染和振动的具有挑战性的环境中保持其稳健性和一致的性能。 随着时间的推移，PLC不断发展，包括运动控制，先进的比例积分微分PID过程控制和集成安全功能，同时还采用了一些PC功能，如Web服务器和网络实用程序。 另一方面，个人电脑在机器的范围内担任更高层次的角色。它主要用于复杂的计算，监控，测量和工厂联网以及PLC的用户界面。它通常安置在更加环境控制的位置，因为它在苛刻的工厂条件下不能像PLC一样可靠地运行。个人电脑最终演变为包含PLC功能，但仍包含其核心功能。此外，个人电脑已成为一个更强大的控制器，使其能够在只有PLC可以运行的恶劣环境中运行。在分析其控制架构时，技术的进一步融合显而易见。通过添加PCI卡，硬件驱动程序和软件，PC可以用作PLC。此外，添加实时内核可以使PC支持更多关键的任务和控制算法。。 那么，如何选择PLC还是基于PC的架构呢？ 为了简化决策过程，首先分析和比较差异化特征很重要。 要考虑的七大领域是： ·操作 ·鲁棒性 ·可维护性 ·硬件集成 ·安保 ·安全 ·编程 2.分类说明2.1 操作性 在分析系统操作时，应着眼于系统如何运行以及如何处理指令和任务。 标准PLC具有嵌入式实时操作系统（RTOS）和专用处理器，可确保高度的控制系统可靠性。 此外，由于PLC仅处理自动化和/或进程，因此不需要运行其他实用程序，例如防病毒程序或系统更新。 具有实时内核或实时操作系统（OS）的PC可以实现与PLC一样的控制可靠性。 从早期在家中和办公室使用PC的经验来看，用户可能会对PC的锁定保持警惕（所谓的“蓝屏”）。 但是，如果操作系统软件没有正确处理优先级，则这些锁定可能发生在任何操作系统上，包括PLC。 对于工业用途，运行PC的软件专用于自动化，因此锁定的可能性很小。 即使发生锁定，实时内核也不会受到影响并继续运行。 实时操作是一个相对的概念，意味着任何任务都可以保证在一定的时间内处理。 同步运动和/或高级PID控制需要高水平的实时确定性，而非关键的监督控制器操作（如监视错误消息或发送非关键控制器命令或查询）则不会。 2.2 鲁棒性 控制器的稳健性是指其在各种环境下的耐用性。 标准的现成PLC没有移动部件，因此它可以承受恶劣的环境数百万次循环。 标准PC包含移动部件，例如风扇或硬盘驱动器，不太适合振动水平较高的环境。 但是，工业PC（IPC）提供诸如固态驱动器，无风扇散热和机柜内安装等选项。 这些选件使PC与PLC一样耐用，能够承受最恶劣的工业或环境条件。 PLC和PC已经融合在这个领域，但PC需要额外的选项才能达到标准的PLC。 2.3 可维护性 另一个需要考虑的因素是易维修性和维修成本，可以通过控制器使用寿命内的维修和更换成本来衡量。对于PLC，在系统运行时可以轻松更换外部设备。此外，PLC的紧凑型模块化设计使得更换实际控制器变得轻而易举。这可以节省成本，因为它可以减少机器停机时间也可以使用PC执行热插拔，但仅限于USB或其他外部外围设备。如果PC具有更多模块化设计，例如机架或面板安装系统，则更换时间更接近PLC的更换时间。能够毫不费力地更换系统或其组件，并拥有具有长期可用性的替换部件资源库会很有帮助。在某些行业，“准确复制”政策需要长期的可用性。由于硬件和固件不会像PC一样快速地变化，因此使用PLC更容易实现复制。试图找到PC的部件（即使在一年或两年后）可能比PLC更具挑战性。 2.4 硬件集成 每个工程师在选择控制系统硬件时都会欣赏多种选择，因为总是需要诸如附加外围设备，存储器和用户界面等项目。 PLC和PC都可以使用工业通信网络来控制多种设备。一些众所周知的网络是SERCOS，Profibus，DeviceNet和CANbus，以及它们的基于以太网的对等设备，如SERCOS III，Profinet，EtherNet / IP和EtherCAT。 虽然PLC和PC可以提供一系列现场总线选件，但PLC内置了许多这些选件，而PC和某些IPC需要额外的卡和驱动程序才能提供类似的产品。但是，除了典型的现场总线网络之外，PC还配备了更加开放和灵活的接口阵列，如USB，FireWire，串口，无线以太网等。 这使得用户可以访问更多现成的设备来处理PLC通常无法处理的任务，例如先进的高分辨率成像系统，图像将被存储，分析，比较和归档。由于需要大量的内存，PC将非常适合这项高级任务; PLC将具有有限的存储和处理能力。 对于某些应用程序，用户界面是关键的机器组件。 PC具有内置的用户界面，而PLC将主要操作中需要以下一项或全部：交换机，操作面板或工业PC。因此，虽然PLC可通过现场总线与设备进行连接并执行复杂的操作，但仍需要PC来处理内存要求较高的任务，并与系统中的其他设备建立连接。 2.5 安保 安全主要处理保护文件系统和应用程序。 这有两个方面：防止未经授权的访问（如病毒攻击，恶意软件等）和限制用户访问（如限制用户权限，隐藏文件等）。 传统上，PLC不易受到外界未经授权的访问。 由于其专用的操作系统，很少有人知道PLC上的病毒攻击事件。 但是，这并不意味着PLC不受病毒影响。 由于PLC已经享有多年的无病毒状态，因此如果发生病毒，没有标准的方法来检测和消除病毒。 虽然PC比PLC更容易受到病毒攻击，但可以调用严格的安全措施以显着减少潜在的威胁，并且可以使用标准软件来检测和清除病毒。 PLC和PC提供不同级别的用户访问权限，以保持内容的安全性或开放性。 2.6 安全 取决于操作环境，安全性可能是用户主要关心的问题。 在与机器的人机交互可能具有潜在危险以及半导体制造设施或其他工厂的安全标准对机器验收至关重要的情况下，这一点至关重要。 PLC在机器自动化方面有着悠久的历史，可以指定从设备的通信通道以严密监控操作，并且可选集成电路用于冗余。 集成安全性最近才在一些基于PC的平台上可用。 2.7 编程 设备功能与其上运行的程序一样好。 因此，编程环境和语言对于优化机器性能至关重要。 基于PLC和PC的解决方案之间的一个主要区别是代码的执行方式。 PLC混合了基于扫描和事件驱动的程序执行，而PC软件通常是事件驱动的。 基于扫描的PLC程序执行可能需要更长的时间，因为系统需要首先在循环中完成更高优先级的动作。 执行风格的差异需要一种不同的编程理念，而且用户往往会承诺任何一种或另一种。 编程语言也是如此：PLC使用IEC 61131-3（梯形逻辑，指令列表等）或专有供应商语言中规定的语言进行编程。 基于PC的控件可以使用C / C ++ / .NET等编程语言。 PLC的平台也可能具有内置的功能，可以帮助加快应用程序开发时间。 PLC与PC开发的成本往往相似，PLC的更为刚性的特性被开始/中间用户易于使用所抵消。 3.成本在分析技术要求并比较机器的设计选项之后，需要考虑另外一个主题：成本。 许多应用程序可以通过基于PC或PLC的解决方案解决，但对于某些应用程序，这些解决方案的成本可能差别很大。 基于PC和PLC的体系结构的相对成本比较主要集中在四个方面：性能，可扩展性，环境和开发工作。 ++当控制系统必须满足苛刻的计算，处理复杂的网络负载和处理大量数据时，基于PC的解决方案可能更具成本效益。 PC的初始成本可能会更高，但它提供了一个非常强大的系统，并且只有在需要更高的性能时，成本才会逐步增加。 然而，当需要高性能时，PLC通常以较低的价位开始并且可能比PC更贵 ++ 可扩展性是控制系统添加外设，增加计算能力或增加数据存储的能力。 当不需要额外的功能并且可扩展性较低时，PC的成本往往高于PLC，但是当增加可扩展性时，PC成本增加不多。 由于PLC的优化性质，这些项目并不重要的应用中，PLC的成本通常较低，但当需要大量额外的设备时，成本急剧增加 ++ 标准PLC被设计为能够承受工业工厂环境中的恶劣操作环境。 毫不奇怪，与PC相比，标准PLC在恶劣环境下的运行成本要低得多。 增加组件以使PC更加稳健显着增加了成本 ++软件开发时间可能会增加机器设计项目的大量成本，但在最初选择控制系统时通常会隐藏起来。如果这是第一次应用特定的控制系统，可以花时间学习新产品，使用IEC61131-3等通用格式的PLC，即使不熟悉所使用的语言，也可能存在大量的资源。此外，该平台还有几个内置功能，可以快速整合并解决某些问题。因此，对于那些初次或中级用户，PLC有时比基于PC的控制器便宜一些：开发时间（或成本）随着用户级别和知识库的增加而减少（图4） 。凭借丰富的专业知识和对系统的深入了解，基于PC或PLC的解决方案之间几乎没有成本差异. 4. 倍福公司出品的TWINCAT ，就是基于普通PC的，而不是选择PLC.， 为什么Beckhoff自动化公司称，基于PC的控制器体积更小，速度更快，更灵活，而且更经济。 一般来说，使用可编程逻辑控制器（PLC）没有好的基于技术的理由。但是下一个合乎逻辑的演变是基于PC的控制。Beckhoff基于PC的“科学自动化”提供了一种改变游戏规则的“一体式”方法，将自动化，PLC，运动控制，I / O模块和人机界面（HMI）集成到一个低成本，集中式系统， “技术不断发展以适应工业环境，只有强者才能在竞争日益激烈的全球市场中生存下去。 他说，现在世界需要转变到基于PC的控制，并将PLC留在后面。 为什么？ ++ 机器控制应用节省的成本通常达到30％以上，面板空间达到50％以上; ++ 四核处理器可以提供10 GHz的速度，在一个应用中可以从一个小盒子中以每秒400次扫描的速度处理4,000个I / O点; ++个人电脑不会过时，通常与原始设备制造商合作贴上机器标签，缓解最终用户的犹豫; ++ 升级可免费下载或年度许可费下载; ++ 机器性能更高，成本更低，更灵活，并且更易于连接到监督，ERP和MES系统; ++ 企业对客户驱动的变革更具响应性，盈利能力更强，并且更具可持续性; ++ 翻译服务可用于编程投资; ++ 采用的EtherCAT 技术是免费的 4.1 如果PC对于工业自动化来说是一笔很好的投资，那么为什么人们仍然会购买PLC？ 往往“抵制变革是巨大的，”西门子和三菱等市场领导者加强了人们对变革的恐惧。但是，与其强制要求OEM使用PLC的规范相比，终端用户更多的是允许OEM提供同类最佳的机器，便于维护，这为PC控制开启了大门。 通过克服非理性恐惧以及来自好的分销商的诱惑，企业所有者和机器制造商正在实现巨大的前期资本成本节省和持续生命周期优势，其中包括一个用于I / O测量，状态监测的硬件和软件， 机器人技术，视觉，运动控制，预测性维护，数据采集，人机界面以及还没有想到的下一级功能。 倍福自动化的科学自动化集成了许多产品和功能。让用户不会购买任何有可能过时的东西。 这是客户所期望或许有些终端用户有时会反对PC，因为维护人员必须能够维护该技术。 不过目前的 工业级基于PC的控制很少需要维护，潮流正在转向; 不要因购买PLC而淹没。 4.2 工业PC在自动化行业的潜在优势 尽管PLC在制造工厂中仍然具有许多独特的优势，但多年来，在某些使用案例中已经有越来越多的动机使用工业PC。这些PC非常适合整合从工厂到企业IT网络的趋势，这也促进了工业以太网作为现场总线的补充或替代产品的应用。个人电脑使创建单一网络更加可行。 进入工业PC。与以太网一样，个人电脑也很灵活，并且具有通用前端办公室使用的基础同样，它们已经被修改和优化用于更具体的工业工作流程。他们的一些优点包括： - 通过USB，以太网，FireWire，串口等灵活的I / O，允许用户使用现成的设备和配件执行任务[2]。 - 比PLC更大的内存，可以完成CPU密集型任务，如处理和存档高分辨率图像。 - 多核架构，通过它可以分配不同的活动，例如，一个内核上的PLC任务和另一个内核上的HMI软件。 5.结论：做出选择5.1 PLC和工业PC之间没有普遍的“正确”选择，因为决定取决于应用程序的需求和现有基础设施的特性。 对于工业4.0和工业物联网等用例来说，基于PC的自动化已经被大量推广，但PLC不会很快消失。 例如，如果一家工厂严重依赖EtherCAT，工业PC可能是正确的选择，而倍福自动化已经可预测地推动工业PC使用多年。 然而，EtherCAT只是许多可能的工业以太网协议之一。 再加上基于以太网的网络仍然是所有使用的自动化协议的一小部分，因此在使用PLC或PC之前考虑每个工厂及其网络的具体情况非常重要。 5.2 随着以太网总线技术的发展，比如EtherCAT使通讯技术和现代工业PC所具有的超强计算能力相适应，总线系统不再是控制理念的瓶颈，分布式I/O可能比大多数本地I/O接口运行速度更快。 EtherCAT取代PCI 由于主板集成了以太网卡，用于接口卡的插槽不再是必要条件。随着PC组件急剧向小型化经济化方向发展，工业PC的体积日趋取决于插槽的数目。 而快速以太网的带宽和EtherCAT通讯硬件的过程数据长度则为该领域的发展提供了新的可能性：IPC 中的传统接口现在可以转变为集成的EtherCAT接口端子。除了可以对分布式I/O进行编址，还可以对驱动和控制单元以及现场总线主站、快速串行接口、网关和其它通讯接口等复合系统进行编址。即使是其他无协议限制的以太网设备变体，也可以通过分布式交换机端口设备进行连接。由于一个以太网接口足以满足整个外围设备的通讯要求，因此，这不仅极大地精简了IPC主机的体积，而且也降低了IPC主机的成本 |
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