So sánh PLC và vi điều khiển

Sự ra đời của Arduino và các bo mạch vi điều khiển khác trong thời gian gần đây đã làm tăng sự quan tâm đến các hệ thống nhúng, mở ra thế giới vi điều khiển rất lớn. Điều này không chỉ làm tăng số lượng người dùng vi điều khiển mà còn tăng phạm vi và các ứng dụng mà chúng được sử dụng. Trong bài viết này, Điện Tử Tương Lai sẽ so sánh vi điều khiển với PLC (bộ điều khiển logic khả trình).

PLC

PLC là một thiết bị tính toán có mục đích đặc biệt được thiết kế để sử dụng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp và các hệ thống khác với độ tin cậy cao.

Ban đầu nó được phát triển để thay thế các relay, trình tự và bộ định thời được sử dụng trong quá trình sản xuất của ngành công nghiệp tự động hóa. Nhưng hiện tại nó đã được mở rộng quy mô và được sử dụng trong tất cả các loại quy trình sản xuất bao gồm cả dây chuyền robot. Hiện nay không có nhà máy nào không có máy móc hoặc thiết bị chạy trên PLC. Lý do chính mà nó được  sử dụng rộng rãi có thể bắt nguồn từ độ chắc chắn và khả năng chịu được xử lý và môi trường liên quan đến sản xuất. PLC cũng một ví dụ điển hình về hệ điều hành thời gian thực vì nó có khả năng tạo ra kết quả đầu ra cho các đầu vào cụ thể trong một khung thời gian rất ngắn, đây là yêu cầu quan trọng đối với các cơ sở công nghiệp vì sự chậm trễ có thể làm gián đoạn toàn bộ hoạt động.

Vi điều khiển

Trái lại vi điều khiển là các thiết bị tính toán nhỏ trên một chip có chứa một hoặc nhiều lõi xử lý, với các thiết bị bộ nhớ được nhúng cùng với các cổng đầu vào và đầu ra (I / O) đặc biệt và có mục đích chung có thể lập trình được. Nó được sử dụng trong các thiết bị hàng ngày, đặc biệt là trong các ứng dụng chỉ cần thực hiện các tác vụ lặp đi lặp lại cụ thể. Nó thường để trần và không thể sử dụng như thiết bị độc lập nếu không có các kết nối cần thiết. Không giống như PLC, vi điều khiển không có giao diện như màn hình và các công tắc được tích hợp sẵn mà chỉ có GPIO để kết nối.

Bài viết này sẽ tập trung vào việc so sánh PLC và Vi điều khiển theo các tiêu chí khác nhau bao gồm:

• Kiến trúc
• Giao diện
• Hiệu suất và độ tin cậy
• Mức kỹ năng yêu cầu
• Lập trình
• Ứng dụng

1. Kiến trúc

Kiến trúc PLC:

Nói chung, PLC có thể được coi là một bộ vi điều khiển cấp cao. Về cơ bản, nó được tạo thành từ một module bộ xử lý, nguồn điện và các module I / O. Module bộ xử lý bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU) và bộ nhớ. Ngoài ra đối với bộ vi xử lý, CPU cũng chứa ít nhất một giao diện có thể được lập trình (USB, Ethernet hoặc RS232) cùng với các mạng giao tiếp. Nguồn điện thường là một module riêng biệt và các module I / O tách biệt với bộ xử lý. Các module I / O bao gồm bộ phận gián đoạn (bật / tắt), analog (biến thiên liên tục) và các module đặc biệt như điều khiển chuyển động hoặc bộ đếm tốc độ cao. Các thiết bị hiện trường được kết nối với các module I / O.

Tùy thuộc vào số lượng module I / Os mà PLC sở hữu, chúng có thể nằm trong cùng một vỏ với PLC hoặc trong một vỏ riêng biệt. Một số PLC nhỏ được gọi là PLC nano hay micro thường có tất cả các bộ phận của chúng bao gồm nguồn, bộ xử lý, ... cùng một vỏ.

Kiến trúc của vi điều khiển:

Kiến trúc của PLC được mô tả ở trên phần nào giống với vi điều khiển về mặt cấu thành, nhưng vi điều khiển thực hiện mọi thứ trên một chip duy nhất, từ CPU đến các cổng I / O và các giao diện cần thiết để giao tiếp với bên ngoài. 

Cũng giống như vi điều khiển có kiến trúc đa dạng từ kiến trúc AVR đến kiến trúc 8051, các PLC cũng có các biến thể trong thiết kế hỗ trợ cấu hình và mong muốn của một nhà sản xuất cụ thể nhưng nhìn chung tất cả đều tuân theo tiêu chuẩn công nghiệp (IEC 61131-3) cho PLC Tiêu chuẩn này nâng cao khả năng tương tác giữa các module và các bộ phận.

2. Giao diện

PLC được thiết kế tiêu chuẩn để giao tiếp với các cảm biến, bộ truyền động và module giao tiếp cấp công nghiệp và do đó định mức dòng điện và điện áp thường không tương thích với bộ vi điều khiển không có phần cứng bổ sung.

PLC thường sử dụng Ethernet và một số biến thể của dòng RS-serial như RS-232, RS-485 để giao tiếp. Sự ra đời của internet công nghiệp ngày nay đang tạo ra sự gia tăng về số lượng các thiết bị PLC được kết nối có khả năng truyền dữ liệu qua các giao diện giao tiếp không dây.

Nó có nhiều kích cỡ khác nhau, từ các thiết bị nhỏ (với ít chân IO / module) đến các PLC lớn, được gắn trên giá đỡ khổng lồ với hàng trăm IO.

Bộ vi điều khiển cũng có các cảm biến, bộ truyền động và module được thiết kế để đáp ứng các nhu cầu cụ thể mà có thể khó giao tiếp với PLC. Tuy nhiên, nó thường được thiết kế để xử lý chỉ vài 100 IO. Một số kỹ thuật có thể tăng IO của vi điều khiển, và cũng có thể làm được với PLC.

3. Hiệu suất, Độ bền và Độ tin cậy

PLC được thiết kế để sử dụng trong công nghiệp và do đó đã được củng cố để có thể chịu được một số điều kiện bất lợi liên quan đến môi trường như phạm vi nhiệt độ khắc nghiệt, nhiễu điện, xử lý thô và độ rung cao. PLC cũng là một ví dụ điển hình về hệ thống hoạt động theo thời gian thực do khả năng tạo ra kết quả đầu ra trong thời gian ngắn nhất có thể sau khi đánh giá đầu vào. Điều này rất quan trọng trong hệ thống công nghiệp vì thời gian là một phần lớn của nhà máy và quy trình sản xuất.

Tuy nhiên, các bộ vi điều khiển kém cứng cáp hơn. Nó không được thiết kế để hoạt động như các thiết bị độc lập như PLC. Nó được thiết kế để nhúng vào hệ thống do đó bên ngoài sẽ kém cứng cáp hơn so với PLC. Vì những lý do này, bộ vi điều khiển có thể bị lỗi khi được triển khai trong một số tình huống nhất định vì các chip này rất dễ vỡ và có thể dễ dàng bị hỏng.

4. Yêu cầu kỹ năng để sử dụng

Một trong những thuộc tính quan trọng của PLC ít đòi hỏi kiến thức kỹ thuật để lập trình và vận hành. PLC được thiết kế để sử dụng bởi cả các chuyên gia tự động hóa có tay nghề cao và kỹ thuật viên nhà máy, những người ít hoặc không được đào tạo chính quy. Nó tương đối dễ dàng khắc phục sự cố và chẩn đoán lỗi. Các thiết bị PLC hiện đại thường đi kèm với một màn hình hiển thị giúp giám sát mọi thứ dễ dàng hơn mà không cần các công cụ phức tạp.

Ngược lại vi điều khiển đòi hỏi phải xử lý khéo léo. Người thiết kế cần có kiến thức tốt về các nguyên tắc kỹ thuật điện và lập trình để có thể thiết kế các mạch bổ sung cho vi điều khiển. Vi điều khiển cũng yêu cầu các công cụ đặc biệt (ví dụ: Máy hiện sóng) để chẩn đoán lỗi và sự cố firmware. Mặc dù vẫn có một số nền tảng đơn giản hóa như Arduino, nhưng vẫn phức tạp hơn nhiều so với các PLC cắm và chạy nếu so về kết nối, lập trình và mức độ dễ sử dụng.

5. Lập trình

Vì mục đích đơn giản và dễ sử dụngc, PLC ban đầu được thiết kế để lập trình bằng hình ảnh lập trình mô phỏng các kết nối hoặc sơ đồ của sơ đồ logic relay. Nhờ đó không phải đào tạo nhiều cho các kỹ thuật viên. Phần lớn ngôn ngữ lập trình phổ biến được sử dụng cho PLC là ngôn ngữ lập trình Logic bậc thang và ngôn ngữ lập trình danh sách lệnh. Logic bậc thang sử dụng các ký hiệu, thay vì từ ngữ, để mô phỏng điều khiển logic relay thế giới thực. Các ký hiệu này được kết nối với nhau bằng các đường để cho biết dòng điện chạy qua relay, như tiếp điểm và cuộn dây. Số lượng ký hiệu đã tăng lên rất nhiều trong những năm qua cho phép các kỹ sư dễ dàng thực hiện các chức năng cấp cao.

Do sự phổ biến gần đây của các ngôn ngữ lập trình cấp cao hiện đại, các PLC hiện đang được lập trình bằng các ngôn ngữ như C, C ++ và basic nhưng tất cả các PLC nói chung vẫn tuân thủ tiêu chuẩn hệ thống điều khiển IEC 61131/3 của ngành và hỗ trợ các ngôn ngữ lập trình được quy định bởi tiêu chuẩn bao gồm: sơ đồ bậc thang, văn bản có cấu trúc, sơ đồ khối chức năng, danh sách lệnh vàlưu đồ tuần tự.

PLC ngày nay thường được lập trình thông qua phần mềm ứng dụng dựa trên bất kỳ ngôn ngữ nào được đề cập ở trên, chạy trên PC được kết nối với PLC bằng bất kỳ giao diện nào, USB, Ethernet, RS232, RS-485, RS-422,.

Trong khi đó, vi điều khiển được lập trình bằng các ngôn ngữ cấp thấp như assembly hoặc các ngôn ngữ cấp cao như C và C ++ cùng những ngôn ngữ khác. Nó thường đòi hỏi kinh nghiệm cao về ngôn ngữ lập trình được sử dụng và hiểu biết chung về các nguyên tắc của firmware. Các lập trình viên cần hiểu các khái niệm về cấu trúc dữ liệu và hiểu biết sâu về kiến trúc vi điều khiển để phát triển phần mềm cho dự án.

Bộ vi điều khiển cũng thường được lập trình thông qua phần mềm ứng dụng chạy trên PC và chúng thường được kết nối với PC thông qua một phần cứng bổ sung thường được gọi là bộ lập trình.

Tuy nhiên, hoạt động của các chương trình trên PLC rất giống với hoạt động của bộ vi điều khiển. PLC sử dụng bộ điều khiển chuyên dụng do đó nó chỉ xử lý lặp đi lặp lại một chương trình. Một chu kỳ thông qua chương trình được gọi là scan và nó tương tự như vi điều khiển đi qua một vòng lặp.

6. Ứng dụng

PLC là phần tử điều khiển chính được sử dụng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Nó được ứng dụng trong điều khiển máy công nghiệp, băng tải, robot và các máy móc dây chuyền sản xuất khác. Nó cũng được sử dụng trong các hệ thống dựa trên SCADA và trong các hệ thống yêu cầu mức độ tin cậy cao và khả năng chịu đựng các điều kiện khắc nghiệt. PLC được sử dụng trong các ngành công nghiệp bao gồm;

1. Hệ thống chiết rót chai liên tục
2. Hệ thống trộn hàng loạt
3. Hệ thống điều hòa tầng không khí
4. Kiểm soát lưu lượng

Trong khi đó vi điều khiển được ứng dụng trong các thiết bị điện tử hàng ngày. Nó là nền tảng chính của một số thiết bị điện tử tiêu dụng và thiết bị thông minh.