تفاوت میکروکنترلر و PLC (مقایسه کامل PLC و میکروکنترلر ها)

اخیراً ظهور آردوینو و تعداد زیادی برد دیگر مبتنی بر میکروکنترلر، علاقه به سیستم های امبدد را افزایش داده و باعث شده که افراد زیادی از میکروکنترلر ها استفاده کنند. این امر علاوه بر افزایش تعداد کاربران میکروکنترلر، همچنین دامنه و کاربرد هایی را که در آن ها از میکروکنترلر استفاده می شود را افزایش داده است. به همین دلیل در چند مقاله گذشته، ما برخی از موضوعات کلیدی را که برای ساخت دستگاه های بزرگ سیستم امبدد مهم هستند مانند انتخاب میکروکنترلر مناسب برای پروژه خود، انتخاب بین میکروکنترلر و ریزپردازنده پوشش داده ایم. در همین راستا، در این مقاله، میکروکنترلر ها را با کنترل گر منطقی برنامه پذیر (PLC) مقایسه می کنیم.

PLC چیست؟

یک کنترل گر منطقی برنامه پذیر (PLC) یک دستگاه محاسباتی خاص است که برای استفاده در سیستم های کنترل صنعتی و سایر سیستم هایی که قابلیت اطمینان سیستم بالا است طراحی شده است.

آن ها در ابتدا برای جایگزینی رله های سخت افزاری، رشته ها و تایمر های مورد استفاده در فرآیند تولید توسط صنعت اتوماسیون ایجاد شدند. اما امروزه آن ها مقیاس بندی شده اند و توسط انواع فرایند های تولید از جمله خطوط دستگاه مورد استفاده قرار می گیرند. این روز ها احتمالاً هیچ کارخانه ای وجود ندارد که در آن دستگاهی با PLC کار نکند.

دلیل اصلی استفاده گسترده از آن ها را می توان به توانایی آن ها برای مقاومت در برابر کار های سخت نسبت داد. آن ها همچنین نمونه خوبی از سیستم عامل های زمان واقعی هستند. زیرا توانایی بالایی در تولید خروجی از ورودی های خاص در یک بازه زمانی بسیار کوتاه دارند که یکی از نیاز های اصلی محیط های صنعتی است زیرا تأخیر دوم می تواند کل عملیات را مختل کند.

میکروکنترلر چیست؟

میکروکنترلر ها دستگاه های محاسباتی کوچکی در یک تراشه هستند که شامل یک یا چند هسته پردازشی، با دستگاه های امبدد حافظه در کنار پورت های ورودی و خروجی قابل برنامه ریزی (I / O) می باشند. جهت کسب اطلاعات بیشتر، مقاله میکروکنترلر چیست را بخوانید.

آن ها به ویژه در کاربرد هایی که فقط کار های خاص تکراری انجام می شود، مورد استفاده قرار می گیرند. آن ها معمولاً بدون روکش هستند و بدون اتصالات لازم نمی توانند به عنوان دستگاه های مستقل مورد استفاده قرار گیرند. برخلاف PLC، آن ها رابطی مانند نمایشگر ندارند و سوئیچ ها در داخل تعبیه شده اند. زیرا معمولاً فقط دارای GPIO هستند که می توان این اجزا را به آن ها متصل کرد.

آموزش امروز در مقایسه PLC ها و سیستم های میکروکنترلر تحت عناوین مختلفی هستند که عبارتند از:

1. معماری
2. رابط ها
3. عملکرد و قابلیت اطمینان
4. سطح مهارت مورد نیاز
5. برنامه ریزی
6. کاربرد ها

1. معماری

معماری PLC ها:

از PLC به طور کلی می توان به عنوان یک میکروکنترلر سطح بالا نام برد. آن ها اساساً از یک ماژول پردازنده، منبع تغذیه و ماژول های I / O ساخته شده اند. ماژول پردازنده از واحد پردازش مرکزی (CPU) و حافظه تشکیل شده است. علاوه بر یک ریزپردازنده، CPU همچنین شامل حداقل یک رابط است که می تواند از طریق آن (USB ، Ethernet یا RS232) همراه با شبکه های ارتباطی برنامه ریزی شود.

منبع تغذیه معمولاً یک ماژول جداگانه است و ماژول های I / O جدا از پردازنده هستند. انواع ماژول های I / O شامل گسسته (روشن / خاموش)، آنالوگ (متغیر پیوسته) و ماژول های ویژه مانند کنترل حرکت یا شمارنده های پرسرعت است. دستگاه های میدانی به ماژول های I / O متصل می شوند.

با توجه به مقدار ماژول های I / O های موجود در PLC، آن ها ممکن است در همان محفظه PLC یا در یک محفظه جداگانه باشند. PLC های کوچک خاصی به نام میکرو یا نانو PLC معمولاً تمام قسمت ها را شامل برق، پردازنده و… را در همان محفظه دارند.

معماری میکروکنترلر ها

معماری PLC توصیف شده در بالا از نظر اجزا تا حدودی شبیه میکروکنترلر ها است، اما میکروکنترلر همه چیز را روی یک تراشه از CPU تا پورت های ورودی و خروجی I/O و رابط های مورد نیاز برای ارتباط با دنیای بیرون دارد. معماری میکروکنترلر در زیر نشان داده شده است.

درست مثل میکروکنترلر که معماری متنوعی از معماری AVR تا معماری 8051 را دارد، PLC ها نیز به همین ترتیب در طراحی خود تغییراتی دارند که از پیکربندی و خواسته یک تولید کننده خاص پشتیبانی می کند اما به طور کلی همه آن ها از استاندارد صنعت (IEC 61131-3) برای PLC ها پیروی می کنند. این استاندارد قابلیت همکاری بین ماژول ها و اجزا را تقویت می کند.

2. رابط ها

PLC ها بصورت استاندارد طراحی شده اند تا با سنسورهای درجه بندی صنعتی، محرک ها و ماژول های ارتباطی ارتباط برقرار کنند. و به این ترتیب میزان جریان و ولتاژ داده می شود که اغلب با میکروکنترلر ها بدون سخت افزار اضافی سازگار نیستند.

PLC ها معمولاً از اترنت و چندین سری سریال RS مانند RS-232 ،RS-485 برای ارتباط استفاده می کنند. امروزه ظهور اینترنت صنعتی در حال ایجاد افزایش تعداد دستگاه های PLC متصل شده است که قادر به انتقال داده از طریق رابط های ارتباطی بی سیم هستند.

همانطور که قبلاً گفته شد، آن ها در اندازه های مختلفی وجود دارند، از دستگاه های کوچک (با چند پین یا ماژول IO) که به عنوان بلوک های ساختمان شناخته می شوند تا PLC های بزرگ و نصب شده روی قفسه با صدها IO.

همچنین میکروکنترلر ها دارای سنسور ها، محرک ها و ماژول هایی هستند که برای رفع نیاز های خاص آن ها طراحی شده اند که ممکن است با PLC ارتباط داشته باشند. با این حال آن ها معمولاً برای پردازش کمتر از 100 IO طراحی شده اند. در حالی که چندین تکنیک را می توان برای افزایش IO های میکروکنترلر جستجو کرد، این مورد هنوز با PLC امکان پذیر است و بنابراین فقط به میکروکنترلر ها اختصاص ندارد، جدا از این واقعیت که کل بودجه پروژه را افزایش می دهد.

3. عملکرد و قابلیت اطمینان

این موردی است که PLC بیشتر از همه آن را تشخیص می دهد. همانطور که در ابتدا ذکر شد، PLC برای استفاده در محیط های صنعتی طراحی شده است و بنابراین تقویت شده است تا بتواند در برابر شرایط نامطلوب محیطی مانند دامنه های دمایی شدید، نویز الکتریکی، جابجایی سخت و ارتعاش زیاد مقاومت کند.

PLC ها همچنین به دلیل توانایی تولید خروجی از ورودی در کمترین زمان ممکن، نمونه خوبی از سیستم عملیاتی در زمان واقعی هستند. این امر در سیستم صنعتی بسیار مهم است، زیرا زمان بندی بخش بزرگی از کارخانه یا فرآیند تولید است.

در مقابل میکروکنترلر ها از مقاومت کمتری برخوردار هستند. آن ها طوری طراحی نشده اند که به عنوان دستگاه های مستقل مانند PLC عمل کنند. آن ها برای اینکه در یک سیستم دیگری تعبیه شوند طراحی شده اند. این امر توضیحی برای ظاهر نه چندان محکم آن ها در مقایسه با PLC است. به همین دلایل، میکروکنترلر ها هنگامی که در حالات خاصی قرار می گیرند از کار می افتند زیرا تراشه ها شکننده هستند و به راحتی آسیب می بینند.

4. مهارت مورد نیاز برای استفاده

یکی از ویژگی های کلیدی PLC دانش فنی پایین مورد نیاز برای برنامه نویسی و به طور کلی عملکرد آن است. PLC به گونه ای طراحی شده است که هم توسط کارشناسان اتوماسیون بسیار ماهر و هم از طرف تکنسین های کارخانه که آموزش رسمی کمی دارند یا فاقد آموزش رسمی اند، مورد استفاده قرار می گیرد. عیب یابی و تشخیص عیب نسبتاً آسان است. دستگاه های PLC مدرن معمولاً دارای یک صفحه نمایش هستند که کار را ساده تر می کند.

از طرف دیگر میکروکنترلر ها به رسیدگی ماهرانه نیاز دارند. طراحان باید دانش کافی از اصول مهندسی برق و برنامه نویسی داشته باشند تا بتوانند مدار های مکمل را برای میکروکنترلر طراحی کنند. میکروکنترلر ها برای تشخیص عیب و مشکل در سیستم عامل به ابزار خاصی (به عنوان مثال اسیلوسکوپ) نیاز دارند. اگرچه چندین پلتفرم ساده مانند آردوینو در حال حاضر وجود دارد، اما هنوز هم بسیار پیچیده تر از plug و PLC هم از نظر اتصال، دیدگاه برنامه نویسی و سهولت استفاده هستند.

5. برنامه نویسی

برای سادگی و سهولت استفاده، PLC ها در ابتدا طراحی شده بودند تا با استفاده از تصویری از برنامه نویسی که از اتصالات و طرح کلی نمودار منطقی رله تقلید می کنند، برنامه ریزی شوند. این امر الزامات آموزش تکنسین های موجود را کاهش می دهد. اصلی ترین و محبوب ترین زبان برنامه نویسی که برای PLC استفاده می شود، زبان برنامه نویسی Ladder Logic و فهرست دستورالعمل است. Ladder Logic(روش نردبانی) از نماد ها، به جای کلمات برای تقلید از کنترل منطق رله استفاده می کند. این نمادها توسط خطوط به هم متصل می شوند تا اتصالات و سیم پیچ ها را نشان دهند. در طول سال ها تعداد نماد ها افزایش یافته است که مهندسان را قادر می سازد تا سطح بالایی از ویژگی ها را به راحتی اجرا کنند.

نمونه ای از کد بر اساس روش نردبانی در بالا نشان داده شده است. این شکل معمولاً مانند نردبان به نظر می رسد که دلیل نامگذاری آن است. این نگاه ساده برنامه نویسی PLC را بسیار آسان می کند به گونه ای که اگر بتوانید طرح کلی را تجزیه و تحلیل کنید، می توانید PLC را برنامه ریزی کنید.

با توجه به محبوبیت اخیر زبان های برنامه نویسی سطح بالا، PLC ها اکنون با استفاده از این زبان ها مانند C ،C ++ و basic در حال برنامه ریزی هستند، اما همه PLC ها هنوز به استاندارد سیستم های کنترل صنعت IEC 61131/3 پایبند هستند و از زبان های برنامه نویسی تعریف شده توسط استاندارد که شامل نمودار نردبانی، متن ساختار یافته، نمودار بلوک تابع، فهرست دستورالعمل ها و نمودار جریان متوالی استفاده می کنند.

PLC امروزی معمولاً از طریق نرم افزار کاربردی بر اساس هر یک از زبان های ذکر شده در بالا برنامه ریزی می شود. و روی یک کامپیوتر متصل به PLC با استفاده از رابط های USB، اترنت، RS232 ،RS-485 ،RS-422 اجرا می شود.

از طرف دیگر میکروکنترلر ها با استفاده از زبان های سطح پایین مانند اسمبلی یا زبان های سطح بالا مانند C و C ++ برنامه ریزی می شوند. این کار معمولاً نیاز به سطح بالایی تجربه از زبان برنامه نویسی و درک کلی از اصول توسعه سیستم عامل نیاز دارد. برنامه نویسان معمولاً باید مفاهیمی مانند ساختار داده ها را درک کرده و برای ایجاد یک سیستم عامل بسیار خوب برای پروژه، درک عمیقی از معماری میکروکنترلر لازم است.

میکروکنترلر ها معمولاً از طریق نرم افزارهای کاربردی که روی کامپیوتر اجرا می شوند نیز برنامه ریزی می شوند و آن ها معمولاً از طریق یک سخت افزار اضافی که معمولاً به عنوان برنامه نویس نامیده می شود، به آن کامپیوتر متصل می شوند.

عملکرد برنامه ها در PLC بسیار شبیه به میکروکنترلر است. PLC از یک کنترل کننده اختصاصی استفاده می کند. در نتیجه آن ها فقط یک برنامه را بار ها و بار ها پردازش می کنند.

یک چرخه عملیاتی از طریق برنامه ای که در PLC اجرا می شود در زیر نشان داده شده است.

6. کاربرد ها

PLC ها عناصر کنترلی اولیه هستند که در سیستم های کنترل صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. آن ها در کنترل ماشین آلات صنعتی، نوار نقاله، ربات و سایر ماشین آلات خط تولید استفاده می شوند. آن ها همچنین در سیستم های مبتنی بر SCADA و سیستم هایی که نیازمند سطح بالایی از قابلیت اطمینان و توانایی مقاومت در برابر شرایط سخت هستند، مورد استفاده قرار می گیرند. آن ها در صنایعی استفاده می شود که عبارتند از:

1. سیستم پر کننده بطری بصورت مداوم
2. سیستم مخلوط کننده دسته ای
3. سیستم تهویه مطبوع مرحله ای
4. کنترل ترافیک

از طرف دیگر میکروکنترلر ها در دستگاه های الکترونیکی روزمره کاربرد دارند. آن ها مهمترین عناصر سازنده دستگاه های الکترونیک مصرفی و دستگاه های هوشمند هستند.

جایگزینی PLC در کاربرد های صنعتی با میکروکنترلر

ظهور برد های میکروکنترلر با کاربرد آسان، دامنه استفاده از میکروکنترلر ها را افزایش داده است، PLC ها اکنون برای کاربرد های خاصی که در آن ها میکروکنترلر ها برای کامپیوتر های کوچک DIY تا چندین سیستم کنترل پیچیده نامناسب هستند، تطبیق داده می شوند. این مسئله باعث ایجاد سوالاتی در مورد این موضوع شده است که چرا میکروکنترلر ها به جای PLC ها مورد استفاده قرار نمی گیرند.

بحث اصلی هزینه PLC ها در مقایسه با میکروکنترلر ها است.در میکروکنترلر های معمولی کار های زیادی باید انجام شود قبل ازاینکه در کاربرد های صنعتی مورد استفاده قرار گیرند.

گرچه می توان پاسخ را از نکاتی که قبلاً در این مقاله ذکر شده است یافت، اما مشخص کردن دو نکته اساسی کافی است.

1. میکروکنترلر ها با توانایی مقاومت در برابر شرایط سخت مانند PLC طراحی نشده اند. این باعث می شود که آن ها برای کاربرد های صنعتی آماده نباشند.
2. سنسور ها و محرک های صنعتی معمولاً مطابق با استاندارد IEC طراحی می شوند که معمولاً در محدوده جریان / ولتاژ و رابط هایی است که ممکن است مستقیماً با میکروکنترلر ها سازگار نباشد و به نوعی سخت افزار پشتیبانی نیاز داشته باشد که هزینه را افزایش می دهد.

نکات دیگری نیز وجود دارد اما برای این مقاله در همین حدود کافی است.

به طور خلاصه، هر یک از این دستگاه های کنترل برای استفاده در سیستم های خاصی طراحی شده اند و باید قبل از تصمیم گیری در مورد بهترین گزینه برای یک کاربرد خاص، به خوبی مورد بررسی قرار گیرند. توجه به این نکته مهم است که تولیدکنندگان خاصی در حال ساخت PLC های مبتنی بر میکروکنترلر هستند، مانند شیلد های صنعتی که اکنون PLC های مبتنی بر آردوینو را نشان می دهند که در زیر نشان داده شده است.

پیشنهاد میکنم مقاله PLC با آردوینو را مشاهده کنید.