PC与PLC控制特性之比较

作者：TouchScreen时间：2012-05-18 来源：控制工程网

[摘要]在PLC和PC之间作选择时，可先对这两种技术特性的不同之处进行分析比较，这些特性包括操作性、鲁棒性、适用性、硬件集成、防护、安全、编程及成本等等。

北京时间05月18日消息，中国触摸屏网讯， 20世纪70年代，当可编程逻辑控制器（PLC）首次推出以后，它们就主导了过程和自动化市场。多年来，PLC一直在机械自动化控制的发展中发挥引领作用。不论是用于汽车行业的小型控制器，还是整个工厂运行的大规模控制器，PLC都是个中首选。选择控制系统，是机械设计的初始阶段最重要的决策之一。

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然而，从20世纪90年代初开始，由于处理器速度的提高及范围的扩宽，以及此类元件成本的降低，PC成功地打入了过程和自动化市场。PC应用不断地增加，并且还在加速发展，这两种技术之间的界限也变得模糊。十年前，确定控制器的类型很容易，但如今却不是这样了。

比之开关盒及继电器面板，PLC是一种更精简、灵活、可靠的选择。在工厂中，它专门承担一些特殊任务，取代开关及继电器面板电路的位置，而其语言及结构模块则环绕在安装位置四周。此外，在高水平电磁干扰、污染和振动的挑战性环境中，它还具有耐用性及稳定性。随着时间的推移，PLC逐渐升级并具备了运动控制、先进的比例-积分-微分（PID）过程控制、集成安全等性能，并同时吸收了一些PC功能，如web服务器及网络工具。

另一方面，PC则在机械领域里担任着更高级别的角色。它主要应用于复杂运算、监控、测量、工厂网络以及对PLC的用户界面。它通常设在环境能得到充分控制的地点，因为它不像PLC那样，能在恶劣的工厂条件下稳定运行。

除了自身的核心能力外，历经发展的PC，最终也将PLC的功能收归囊中。同时，它也成为了更可靠的控制器，能在恶劣环境中运行，使这一优势不再是PLC的专利。在对PC及PLC技术的控制架构的分析中表明，技术间的进一步融合将确凿无疑。在加入PCI卡、硬件驱动器及软件之后，PC就可以像PLC一样工作。再加入实时内核，PC即可支持更多的关键任务及控制算法。而另一方面，内嵌PC的PLC，只需要配置键盘和鼠标即可开始工作。

既然如此，在应用中，如何决定选择PLC还是PC结构？为了使选择过程更加简单，首要步骤是，分析比较二者特性中的不同。其中，有7项主要的特性需要考虑：操作性、鲁棒性、适用性、硬件集成、防护、安全、编程。

在分析系统操作时，重点放在系统如何运行及如何处理指令和任务这两个方面。标准PLC嵌入了一个具有专用处理器的实时操作系统（RTOS），可确保控制系统的高可靠性。另外，由于PLC专用于自动控制及过程，无须运行其它工具，因此无需杀毒程序或系统更新。

具有实时内核或实时操作系统的PC，可达到与PLC控制相同的可靠性。在具有使用早期家用或办公用PC的经验后，用户可能比较担心PC的锁定问题（所谓的“蓝屏”）。其实，若操作系统软件未能正确处理优先级，锁定在任何操作系统上都可能发生，也包括PLC在内。对于工业应用，PC的操作软件专用于自动控制，因而发生锁定的概率很小。即便发生，实时内核也将不受影响地继续运行。实时操作，意味着在特定时间内，任何操作都能确保得到有效的处理。同步运动及先进的PID控制需要高水平的实时确定性，而非关键监督式控制器的操作，例如错误信息监控，非关键控制指令或查询的发送，则无需达到这样高的水平。

鲁棒性

控制器的鲁棒性，是指其在各种环境下的耐久程度。标准的成品PLC不含有活动部件，因此能在恶劣环境中运行数百万个周期。标准的PC则具有活动部件，例如风扇或硬盘驱动器，因此不太适合高振动水平的环境。

不过，工业PC（IPC）能提供一些选项，例如固态硬盘、非风扇冷却及并柜安装等。这些选项可使PC达到与PLC同等的耐用性，可承受最严酷的工业或环境条件。在此方面，PLC与PC已经融合，只是PC仍需额外的选项，才能与标准PLC相等同。

适用性

若能对一个系统及其元件进行方便的更换，并备有一个长期有效的替代部件的资源库，将会很有帮助。某些行业的“备份需求”策略，即要求保有这种长期有效性。不同于硬件及固件变化很快的PC，PLC要实现“备份需求”相对更为容易。试图找到一个可供更换的PC部件（即便仅在一年或二年后），要比PLC难得多。

硬件集成

在选择控制系统硬件时，一般都要用到外围设备、存储器及用户界面。一个宽广的选择范围，将是工程师们所喜闻乐见的。PLC和PC都能利用工业通信网络来控制众多的设备。这些知名的网络包括SERCOS，PROFIBUS，DeviceNet和CANbus，还有它们的同行，一些基于以太网的网络，如SERCOS III，Profinet，EtherNet/IP以及EtherCAT。

PLC和PC都能提供一组现场总线的选项，但PLC内置了很多选项，而PC以及一些IPCs则需要额外的存贮卡及驱动器，才能提供这些选项。除了典型的现场总线网络外，PC还配备了一系列更加开放和灵活的界面，例如USB、FireWire、串行、无线以太网等等。

这样，用户便能对更多已有设备进行访问，可处理一些PLC难以完成的任务，例如先进的高分辨率成像系统。这种系统能对图像进行存贮、分析和比较，必要时还能进行存档。由于PC具有相应的内存空间，而PLC的存贮空间小、处理能力有限，因而前者更适用于这样的高级任务。

在一些应用中，用户界面十分重要。PC具有内置的用户界面，而PLC需要依靠开关、操作面板或工业PC。因此，即便PLC能通过现场总线与设备进行交互并执行复杂的操作，它仍需一台PC来处理那些对内存有要求的任务，或者实现与其它系统设备的连接。

防护

防护主要涉及文件系统和应用程序的保护。它具有两个方面：防止未经授权的外界访问（如病毒攻击，恶意软件等）以及用户访问限制（如限制用户权限，隐藏文件等）。

通常，PLC较少出现未经授权的外界访问。由于PLC具有专用的操作系统，被已知病毒攻击的实例很少发生。但这并不代表PLC对病毒免疫。多年来，PLC一直处于无病毒状态，因此一旦有病毒出现，将缺乏一种标准手段来监测和消除病毒。PC相对易受病毒攻击，但严格的安全措施能极大地减少潜在威胁，也可使用标准软件来检测和清除病毒。PLC和PC都提供了不同的用户访问级别，用以保证内容的安全，或在请求时呈现开放状态。

安全及编程

根据操作环境的不同，安全可能成为用户最为关注的问题。当人机交互具有潜在危险时，或在极为注重安全标准的机械验收场合，安全是至关重要的。

不论是在机械自动化，还是指定通信频道对设备运行进行严格监控，或是可选的冗余集成电路上，PLC都具有相当长的历史。直到最近，在一些基于PC的平台上，集成安全才得以应用。

设备功能性的优劣取决于所运行程序的质量。因此，编程环境及语言在优化机械性能方面至关重要。PLC与PC方案的主要区别之一，就是代码的执行方式。PLC采用基于扫描及事件驱动程序的混合执行，而PC软件通常为事件驱动。由于系统首先需要在循环中完成优先级更高的任务，PLC程序的基于扫描执行所需的时间可能更长。执行方式不同，其编程原理也不同。用户往往只惯于使用其中的一种。对于编程语言也是这样：PLC采用的是IEC 61131-3所规定的编程语言（梯形图，指令表等）或供应商专供语言。而基于PC的控制器可使用诸如C/C++/.NET这样的编程语言。

成本商讨

很多应用既可以采用PC也可以采用PLC，但对于某些应用，不同方案间的成本差异很大。PC与PLC结构之间的成本比较，主要在性能、扩展性、环境及发展工作等方面。

若控制系统必须实现苛刻的计算、处理复杂的网络负载以及处理大量数据时，基于PC的方案可能更节省成本。PC的初始成本可能更高，但它提供了一个强大的系统，且只有当性能需求增多时，才会逐渐增加成本。PLC初始价格较低，但若对高端性能有需求时，成本可能赶超PC（见图1）。

扩展性是指控制系统增加外设、提高计算能力或添加数据存贮器的能力。当无需附加功能且扩展性较低时，PC成

图1 性能与成本图片来源：Bosch Rexroth 公司

本将高于PLC。但即便提升扩展性，PC成本也只有小幅的增加。对于这些因素不太重要的应用，由于PLC的优化特性，只需要较低的成本，但若增加更多设备（见图2），成本将会陡增。标准PLC设计可承受工业厂房所设置的苛刻条件。

图2 扩展性与成本

在严酷环境中运行标准PLC，所需成本比PC小得多。为使PC更为可靠，不得不增加组件，而这将使成本显著增加（见图3）。

图3 运行环境与成本

软件发展时间也可能极大地增加成本，但最初选择控制系统时往往并不明显。若是特定控制系统第一次得到应用，使用者可能要花大量时间来学习新产品，或聘请具备产品知识的第三方来帮助进行新系统的整合。很多人都熟悉IEC 61161-3的PLC编程语言；而大量的内置功能可直接整合并快速解决特定问题。因此，对于初级或中级用户而言，PLC比基于Pc的控制器更为节省：发展时间（或成本）与用户的等级及知识基础成反比（见图4）。