PCs vs. CLPs: Escolhendo o Sistema de Controle Certo para Automação Industrial

A década de 1970 viu a introdução de CLPs ou Controladores Lógicos Programáveis, que mudariam para sempre a forma como a automação é alcançada em ambientes industriais. Conhecidos por seu design robusto e implementação escalável, o CLP foi adotado por todos os grandes fabricantes e até hoje é a norma para automação industrial. Allen-Bradley, Omron, Siemens, AEG, etc. tornaram-se líderes na fabricação de CLPs, e logo os controladores tinham a capacidade de processamento de um computador enquanto suportavam condições industriais adversas.

Não foi até a década de 1990 que o interesse renovado em Computadores Pessoais começou a ganhar terreno. A razão principal foi o aumento na velocidade do processador, redução no tamanho e uma tendência de queda no custo. Indústrias também começaram a incorporar PCs em suas plantas devido ao nível de controle supervisório que forneciam sobre outras máquinas, incluindo CLPs.

No entanto, hoje tanto CLPs quanto PCs desenvolveram recursos semelhantes, o que tornou bastante difícil para engenheiros de controle decidirem qual produto usar. Vamos dar uma olhada nas funcionalidades centrais de ambos os produtos.

CLPs

CLPs foram projetados como uma alternativa mais simplificada, enxuta, altamente flexível e robusta a painéis de relés e caixas de chaves. Geralmente eram atribuídas tarefas específicas, que eram pré-programadas e então executadas. No entanto, personalização era outro fator que CLPs tinham que fornecer, portanto uma linguagem e estrutura única foi selecionada para todas as atividades de programação. Conhecida como "lógica de escada", esta permitia personalização rápida no código de acordo com a situação. Além de tudo isso, CLPs também tinham que suportar o peso de radiações eletromagnéticas, vibrações e contaminação. Com o passar do tempo, CLPs tiveram que acompanhar tecnologias em desenvolvimento também. Logo, conexões ethernet, controles de processo PID e segurança integrada tornaram-se parte dos CLPs, adicionando à sua longa lista de recursos.

PCs

PCs eventualmente desenvolveram recursos que os colocaram em linha com CLPs em termos de funcionalidade. Além disso, mantiveram sua robustez, bem como personalização devido à disponibilidade de slots de cartão e portas. O poder de processamento de PCs era frequentemente maior que CLPs, pois continham kernel em tempo real, permitindo realizar tarefas críticas de tempo e implementar algoritmos de controle.

O objetivo final é controle robusto, eficiente e confiável sobre ativos industriais, e portanto cada credencial de CLPs e PCs deve ser colocada frente a frente para obter melhor entendimento e conclusão lógica.

Operação

CLPs padrão são embarcados com um sistema operacional de tempo real que usa um processador dedicado para garantir alto grau de confiabilidade durante operações de controle. O SO de um CLP é projetado especificamente para realizar tarefas relacionadas a controle e portanto não há necessidade de utilitários como programas antivírus ou limpadores de registro. Isso, em efeito, aumenta a vazão de processamento do sistema, garantindo que mais ciclos de processamento sejam utilizados monitorando parâmetros cruciais.

PCs também são projetados com kernel em tempo real e um sistema operacional associado, colocando-o pescoço a pescoço contra CLPs em termos de capacidades de processamento. A confiabilidade de PCs era problemática, pois experiências anteriores com falhas de sistema eram bastante comuns. No entanto, esta limitação foi logo eliminada com SOs mais simples, especialmente construídos para uso em indústrias.

Portanto, CLPs e PCs estão atualmente no mesmo nível em termos de operação.

Integração de Hardware

Os requisitos industriais de hoje não são mais similares aos requisitos de 20 anos atrás. Tanto CLPs quanto PCs são requeridos para controlar uma série de dispositivos para comunicação, monitoramento e controle, e portanto devem ter capacidades de expansão suficientes. Protocolos de comunicação industrial bem conhecidos incluem Profibus, CANbus, Modbus, EtherCAT, EtherNET/IP, etc.

Embora tanto o CLP quanto o PC ofereçam estas opções de fieldbus, o CLP tem todas estas capacidades embutidas por padrão. Em contraste, um PC pode requerer uma placa de expansão para suportar um protocolo específico. Mas o maior número de slots de expansão em PCs significa que maior personalização é possível e uma ampla variedade de interfaces pode ser utilizada para operação.

Isso coloca PCs à frente de CLPs quando se trata de lidar com tarefas como imagem avançada de alta resolução ou outras com múltiplos requisitos de processamento inesperados. Além disso, se tarefas que demandam memória devem ser realizadas usando um CLP, então um CLP industrial suplementar teria que ser instalado para acompanhar os parâmetros e conexões dinâmicos.

Segurança

Ciberespionagem sempre esteve em alta devido à conectividade aumentada entre dispositivos. Segurança industrial é primordial para garantir tempo de atividade contínuo e produtividade máxima. Existem duas dimensões básicas de segurança com as quais um CLP/PC deve se preocupar:

• Bloquear acesso não autorizado de ataques externos
• Limitar acesso do usuário conforme seus direitos/cargo

Tradicionalmente, CLPs foram pensados como imunes a ataques de malware e isso é verdade até certo ponto. CLPs têm SO dedicado e funcionalidade limitada, colocando-os em menor risco de ataques comparado a PCs. No entanto, episódios recentes como o "Stuxnet", um malware alvejando CLPs da Siemens, mancharam a reputação do CLP como imune a vírus. Ainda assim, as instâncias registradas de tais ataques são extremamente limitadas. Em comparação, PCs são extremamente vulneráveis a ataques de malware, e requerem proteção antivírus de ponta e monitoramento.

Programação

Ambiente e linguagem de programação são cruciais para obter eficiência ótima, seja de um CLP ou PC. Uma das principais diferenças entre um CLP e PC é a maneira como programas são desenvolvidos e executados. Um CLP geralmente segue uma execução de programa baseada em varredura, enquanto software de PC são geralmente orientados a eventos. Os diferentes estilos de execução, por sua vez, traduzem-se em diferentes filosofias de programação.

CLPs são programados usando linguagens especificadas no padrão IEC 61131-3, ou seja, lógica de escada ou linguagem proprietária do fornecedor. Em comparação, programas baseados em PC usam linguagens como C/C++/.NET. Nenhuma linguagem pode ser chamada de melhor que a outra, pois depende exclusivamente da especialização do programador. Mas devido à tendência aumentada de soluções baseadas em PC e cursos, um programador é mais propenso a achar C/C++/.NET mais flexível comparado à lógica de escada.

Discussões de Custo

Este pode ser o último tópico em discussão, mas é um dos mais importantes. Os problemas de automação e controle de hoje são multi-dimensionais e podem ser resolvidos de mais de uma maneira. Tanto soluções baseadas em PC ou CLP são elegíveis para algumas aplicações, no entanto, a principal restrição que se prova prejudicial é o custo associado a estas soluções.

• Desempenho vs. Custo

O custo inicial de uma solução baseada em PC pode ser maior que uma baseada em CLP, mas sempre que cálculos exigentes e cargas de rede complexas precisam ser processadas, um programa baseado em PC é mais econômico. Em comparação, CLPs podem ser inicialmente baratos, mas à medida que o poder de processamento aumenta, seu custo segue uma tendência exponencial.

• Expansibilidade vs. Custo

PCs têm custo maior que CLPs quando nenhum periférico externo precisa ser adicionado, pois CLPs geralmente suportam equipamentos industriais padrão. No entanto, quando uma solução requer uma infinidade de controles externos, uma solução baseada em PC é muito mais adequada que uma baseada em CLP.

• Robustez vs. Custo

CLPs não requerem excesso de equipamentos de proteção para aumentar sua robustez e blindagem. Em comparação, um PC pode requerer investimento considerável em blindá-lo contra efeitos de ambiente adverso para que tempo de atividade máximo possa ser garantido.

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