Mikrocontroller vs plc: ein detaillierter Vergleich

Das Aufkommen von Arduino und zahlreichen anderen auf Mikrocontrollern basierenden Karten in jüngster Zeit hat das Interesse an eingebetteten Systemen erhöht und die Welt der Mikrocontroller für eine große Anzahl geöffnet. Dies hat nicht nur die Anzahl der Benutzer von Mikrocontrollern erhöht, sondern auch den Umfang und die Anwendungen, in denen sie verwendet werden. Aus diesem Grund haben wir in den letzten Artikeln einige Schlüsselthemen behandelt, die für den Aufbau großartiger Embedded-System-Geräte wichtig sind, z. Auswahl des richtigen Mikrocontrollers für Ihr Projekt, Auswahl zwischen einem Mikrocontroller und einem Mikroprozessor. In diesem Sinne werde ich für den heutigen Artikel Mikrocontroller mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) vergleichen.

Programmierbare Steuerung

Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist einfach ein spezielles Rechengerät, das für den Einsatz in industriellen Steuerungssystemen und anderen Systemen entwickelt wurde, in denen die Zuverlässigkeit des Systems hoch ist.

Sie wurden ursprünglich entwickelt, um festverdrahtete Relais, Sequenzen und Zeitgeber zu ersetzen, die im Fertigungsprozess von der Automatisierungsindustrie verwendet werden. Heute sind sie skaliert und werden von allen Arten von Fertigungsprozessen verwendet, einschließlich roboterbasierter Linien. Heutzutage gibt es wahrscheinlich keine einzige Fabrik im Wort, in der keine Maschine oder Ausrüstung auf SPS läuft. Der Hauptgrund für ihre breite Akzeptanz und Verwendung liegt in ihrer Robustheit und Fähigkeit, der rauen Handhabung / Umgebung, die mit der Herstellung von Fußböden verbunden ist , standzuhalten. Sie sind auch ein gutes Beispiel für Echtzeitbetriebssysteme Da sie in der Lage sind, innerhalb kürzester Zeit Ausgänge für bestimmte Eingänge zu erzeugen, ist dies eine wichtige Voraussetzung für industrielle Einstellungen, da eine zweite Verzögerung den gesamten Betrieb stören kann.

Mikrocontroller

Mikrocontroller hingegen sind kleine Computergeräte auf einem einzelnen Chip, die einen oder mehrere Prozessorkerne enthalten, wobei Speichergeräte neben programmierbaren speziellen und allgemeinen Ein- und Ausgabeports (E / A) eingebettet sind. Sie werden in allen Arten von Alltagsgeräten verwendet, insbesondere in Anwendungen, in denen nur bestimmte sich wiederholende Aufgaben ausgeführt werden müssen. Sie sind normalerweise leer und können ohne die erforderlichen Verbindungen nicht als eigenständige Geräte verwendet werden. Im Gegensatz zu SPS verfügen sie nicht über Schnittstellen wie die Anzeige und integrierte Switches, da sie normalerweise nur über GPIOs verfügen, an die diese Komponenten angeschlossen werden können.

Das heutige Tutorial konzentriert sich auf den Vergleich von SPSen und Mikrocontrollersystemen unter verschiedenen Überschriften, darunter:

1. Die Architektur
2. Schnittstellen
3. Leistung und Zuverlässigkeit
4. Erforderliche Fähigkeitsstufe
5. Programmierung
6. Anwendungen

1. Architektur

SPS-Architektur:

SPS können allgemein als High-Level-Mikrocontroller bezeichnet werden. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Prozessormodul, dem Netzteil und den E / A-Modulen. Das Prozessormodul besteht aus der Zentraleinheit (CPU) und dem Speicher. Neben einem Mikroprozessor enthält die CPU mindestens eine Schnittstelle, über die sie zusammen mit Kommunikationsnetzwerken programmiert werden kann (USB, Ethernet oder RS232). Das Netzteil ist normalerweise ein separates Modul, und die E / A-Module sind vom Prozessor getrennt. Die Arten von E / A-Modulen umfassen diskrete (Ein / Aus), analoge (kontinuierliche Variable) und spezielle Module wie Bewegungssteuerung oder Hochgeschwindigkeitszähler. Die Feldgeräte sind an die E / A-Module angeschlossen.

Abhängig von der Anzahl der E / A-Module, über die die SPS verfügt, befinden sie sich möglicherweise im selben Gehäuse wie die SPS oder in einem separaten Gehäuse. Bestimmte kleine SPS, die als Nano- / Mikro-SPS bezeichnet werden, haben normalerweise alle ihre Teile, einschließlich Leistung, Prozessor usw., im selben Gehäuse.

Architektur des Mikrocontrollers

Die oben beschriebene Architektur von SPSen ähnelt den Mikrocontrollern in Bezug auf ihre Bestandteile, aber der Mikrocontroller implementiert alles auf einem einzigen Chip, von der CPU bis zu den E / A-Ports und Schnittstellen, die für die Kommunikation mit der Außenwelt erforderlich sind. Die Architektur des Mikrocontrollers ist unten gezeigt.

Ein Beispiel für einen auf Kontaktplanlogik / Diagrammen basierenden Code ist oben gezeigt. Es sieht normalerweise aus wie eine Leiter, was der Grund für den Namen ist. Dieses vereinfachte Erscheinungsbild macht SPSs sehr einfach zu programmieren, sodass Sie SPSs programmieren können, wenn Sie einen Schaltplan analysieren können.

Aufgrund der jüngsten Beliebtheit moderner Programmiersprachen auf hoher Ebene werden SPS jetzt mit diesen Sprachen wie C, C ++ und Basic programmiert, aber alle SPS halten im Allgemeinen immer noch den Industriestandard der Steuerungssysteme IEC 61131/3 ein und unterstützen die von der Standard, die enthalten; Kontaktplan, strukturierter Text, Funktionsblockdiagramm, Anweisungsliste und sequentielles Flussdiagramm.

Moderne SPSen werden normalerweise über eine Anwendungssoftware programmiert, die auf einer der oben genannten Sprachen basiert und auf einem PC ausgeführt wird, der über eine der USB-, Ethernet-, RS232-, RS-485-, RS-422-Schnittstellen mit der SPS verbunden ist.

Mikrocontroller hingegen werden unter anderem mit Low-Level-Sprachen wie Assembler oder High-Level-Sprachen wie C und C ++ programmiert. Dies erfordert in der Regel ein hohes Maß an Erfahrung mit der verwendeten Programmiersprache und ein allgemeines Verständnis der Prinzipien der Firmware-Entwicklung. Programmierer müssen normalerweise Konzepte wie Datenstrukturen verstehen und ein tiefes Verständnis der Mikrocontroller-Architektur ist erforderlich, um eine sehr gute Firmware für das Projekt zu entwickeln.

Mikrocontroller werden normalerweise auch über Anwendungssoftware programmiert, die auf einem PC ausgeführt wird, und sie werden normalerweise über eine zusätzliche Hardware, die üblicherweise als Programmierer bezeichnet wird, mit diesem PC verbunden.

Die Funktionsweise von Programmen auf der SPS ist jedoch der des Mikrocontrollers sehr ähnlich. Die SPS verwendet eine dedizierte Steuerung, sodass sie immer wieder nur ein Programm verarbeitet. Ein Zyklus durch das Programm wird als Scan bezeichnet und ähnelt einem Mikrocontroller, der eine Schleife durchläuft.

Ein Betriebszyklus durch das auf der SPS laufende Programm ist unten gezeigt.

6. Anwendungen

SPS sind die primären Steuerelemente, die in industriellen Steuerungssystemen verwendet werden. Sie finden Anwendung in der Steuerung von Industriemaschinen, Förderbändern, Robotern und anderen Produktionslinienmaschinen. Sie werden auch in SCADA-basierten Systemen und in Systemen verwendet, die ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und die Fähigkeit erfordern, extremen Bedingungen standzuhalten. Sie werden in Branchen eingesetzt, darunter:

1. Kontinuierliches Flaschenfüllsystem

2.

Chargenmischsystem

3. Bühnenklimaanlage 4. Verkehrssteuerung

Mikrocontroller hingegen finden Anwendung in alltäglichen elektronischen Geräten. Sie sind die Hauptbausteine ​​mehrerer Unterhaltungselektronik und intelligenter Geräte.

Ersetzen von SPS in industriellen Anwendungen durch Mikrocontroller

Das Aufkommen einfach zu bedienender Mikrocontroller-Karten hat den Anwendungsbereich von Mikrocontrollern erweitert. Sie werden jetzt für bestimmte Anwendungen angepasst, für die Mikrocontroller von Mini-DIY-Computern für mehrere komplexe Steuerungssysteme als ungeeignet angesehen wurden. Dies hat zu Fragen geführt, warum Mikrocontroller nicht anstelle von SPS verwendet werden. Das Hauptargument sind die Kosten von SPS im Vergleich zu denen von Mikrocontrollern. Es ist wichtig, dass den regulären Mikrocontrollern viel getan werden muss, bevor sie in industriellen Anwendungen eingesetzt werden können.

Die Antwort kann zwar aus den bereits in diesem Artikel erwähnten Punkten entnommen werden, es reicht jedoch aus, zwei wichtige Punkte hervorzuheben.

1. Mikrocontroller sind nicht für die Robustheit und Fähigkeit ausgelegt, extremen Bedingungen wie SPS standzuhalten. Dies macht sie nicht bereit für industrielle Anwendungen.

2. Industrielle Sensoren und Aktoren werden normalerweise gemäß der IEC-Norm konstruiert, die normalerweise in einem Bereich von Strom / Spannung und Schnittstellen liegt, die möglicherweise nicht direkt mit Mikrocontrollern kompatibel sind und eine unterstützende Hardware erfordern, die die Kosten erhöht.

Es gibt noch andere Punkte, aber um im Rahmen dieses Artikels zu bleiben, sollten wir hier aufhören.

Zusammenfassend ist jedes dieser Steuergeräte für die Verwendung in bestimmten Systemen ausgelegt und sollte sorgfältig geprüft werden, bevor eine Entscheidung über das beste für eine bestimmte Anwendung getroffen wird. Es ist wichtig zu beachten, dass bestimmte Hersteller SPS auf Mikrocontroller-Basis bauen, wie beispielsweise industrielle Abschirmungen, die jetzt SPS auf Arduino-Basis herstellen (siehe unten).