ภายใน CPU ของ PLC: รอบการสแกน หน่วยความจำ และการเลือก

โดยทั่วไปแล้ว Programmable Logic Controller มักถูกประเมินจากจำนวน I/O หรือพอร์ตสื่อสาร แต่ CPU เป็นตัวกำหนดว่าระบบควบคุมทั้งหมดจะตอบสนองได้อย่างคาดการณ์ได้หรือไม่เมื่อสภาวะการผลิตเปลี่ยนแปลง คุณค่าที่แท้จริงไม่ได้อยู่ที่ความเร็วสัญญาณนาฬิกาดิบ แต่อยู่ที่ความสามารถในการประมวลผลลอจิก เคลื่อนย้ายข้อมูลกระบวนการ และจัดการข้อผิดพลาดภายในกรอบเวลาที่วิศวกรสามารถทำความเข้าใจได้

ความแตกต่างนี้มีความสำคัญมากขึ้นเมื่อเครื่องจักรเพิ่มการเคลื่อนที่แบบประสานกัน ระบบวิชัน การสื่อสารด้านความปลอดภัย และการรวบรวมข้อมูลระดับโรงงาน โปรเซสเซอร์ที่ดูเพียงพอสำหรับรายการวัสดุพื้นฐาน อาจกลายเป็นส่วนจำกัดทันทีเมื่อรวมภาระด้านการสื่อสาร การวินิจฉัย และการขยายระบบในอนาคต

การประมวลผลแบบกำหนดเวลาได้แน่นอนคือเป้าหมายหลักของการออกแบบ

คอมพิวเตอร์ทั่วไปได้รับการปรับให้เหมาะกับการใช้งานหลายประเภท โดยต้องจัดสมดุลระหว่างการโต้ตอบกับผู้ใช้ พื้นที่จัดเก็บข้อมูล และบริการเบื้องหลัง ขณะที่ CPU ของ PLC สร้างขึ้นโดยเน้นการควบคุมที่ทำซ้ำได้อย่างสม่ำเสมอ โดยจะรับข้อมูลกระบวนการอย่างต่อเนื่อง ประเมินโปรแกรมของผู้ใช้ และอัปเดตเอาต์พุตคำสั่ง พร้อมทั้งดูแลการสื่อสารและตรวจสอบสถานะของตัวเอง

แนวคิดรอบการสแกนที่คุ้นเคยยังมีประโยชน์ แต่ไม่ควรถือเป็นกฎตายตัวสำหรับทุกแพลตฟอร์ม คอนโทรลเลอร์แบบดั้งเดิมจะอ่านอินพุต ประมวลผลลอจิก และเขียนเอาต์พุตตามลำดับซ้ำไปเรื่อย ๆ ระบบสมัยใหม่อาจใช้ทาสก์แบบเป็นคาบ รูทีนที่ทริกเกอร์ด้วยเหตุการณ์ อัตราการอัปเดต I/O แบบกระจาย และโปรเซสเซอร์เฉพาะสำหรับการเคลื่อนที่หรือความปลอดภัย อย่างไรก็ตาม เป้าหมายทางวิศวกรรมยังคงเหมือนเดิม นั่นคือเวลาตอบสนองที่มีขอบเขตแน่นอนและสามารถตรวจสอบได้

CPU ของ PLC แบบโมดูลาร์ประสานการรับส่งข้อมูลบนแบ็กเพลนระหว่างฮาร์ดแวร์สื่อสารกับ I/O ภายในเครื่อง พร้อมประมวลผลแอปพลิเคชันควบคุม

อิมเมจอินพุต การประมวลผลลอจิก และอิมเมจเอาต์พุต

แอปพลิเคชัน PLC ส่วนใหญ่ไม่ได้คำนวณโดยอ้างอิงแรงดันที่ขั้วต่อซึ่งเปลี่ยนแปลงอยู่โดยตรง โมดูลอินพุตจะแปลงสัญญาณจากหน้างานเป็นค่าดิจิทัล และคอนโทรลเลอร์จะทำให้ค่าเหล่านั้นพร้อมใช้งานผ่านอิมเมจอินพุตหรือพื้นที่ข้อมูลกระบวนการ โปรแกรมจะประเมินข้อมูลที่ถูกเก็บไว้ในช่วงเวลานั้น จากนั้นเขียนผลลัพธ์ลงในอิมเมจเอาต์พุต ซึ่งระบบจะส่งต่อไปยังโมดูลเอาต์พุต

การแยกส่วนนี้ช่วยให้พฤติกรรมทำซ้ำได้อย่างสม่ำเสมอ แต่ก็ทำให้เกิดความหน่วงเช่นกัน เวลาตอบสนองในกรณีเลวร้ายที่สุดตั้งแต่การเปลี่ยนแปลงของอินพุตจริงจนถึงการทำงานของเอาต์พุตจริง อาจรวมถึงตัวกรองของโมดูลอินพุต การอัปเดตผ่านเครือข่ายหรือแบ็กเพลน การจัดตารางทาสก์ การประมวลผลโปรแกรม และความหน่วงของโมดูลเอาต์พุต วิศวกรที่เลือกขนาดคอนโทรลเลอร์ควรประเมินเส้นทางทั้งหมด แทนที่จะอาศัยตัวเลขความเร็วในการประมวลผลคำสั่งเพียงค่าเดียว

สิ่งที่เกิดขึ้นภายในแต่ละรอบการควบคุม

CPU ต้องทำมากกว่าการประมวลผลลอจิกแบบ Ladder โดยจะจัดการลำดับความสำคัญของทาสก์ อัปเดต I/O ภายในเครื่องและระยะไกล ให้บริการการเชื่อมต่อเครือข่าย บันทึกข้อมูลการวินิจฉัย ตรวจสอบขีดจำกัดของ Watchdog และเก็บรักษาข้อมูลที่เลือกไว้ เมื่อภาระด้านการสื่อสารหรือการเคลื่อนที่เพิ่มขึ้น หน้าที่สนับสนุนเหล่านี้อาจใช้เวลาประมวลผลในสัดส่วนที่มีนัยสำคัญ

การวัดประสิทธิภาพของโปรเซสเซอร์ที่มีประโยชน์ควรครอบคลุมเส้นทางการควบคุมทั้งหมด ซึ่งรวมถึงลอจิก การแลกเปลี่ยน I/O การสื่อสาร และโอเวอร์เฮดของระบบ

Watchdog เปลี่ยนเวลาให้เป็นกลไกด้านความปลอดภัย

ตัวตั้งเวลา Watchdog จะตรวจจับเมื่อทาสก์หรือการสแกนใช้เวลานานเกินระยะเวลาที่อนุญาต การทำงานเกินเวลาอาจเกิดจากลูปที่ไม่ได้ตั้งใจ การจัดการการสื่อสารที่มากเกินไป รูทีนที่มีโครงสร้างไม่ดี หรือปัญหาฮาร์ดแวร์ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแพลตฟอร์มและการกำหนดค่า คอนโทรลเลอร์อาจบันทึกข้อผิดพลาด หยุดทาสก์ หรือทำให้เอาต์พุตเปลี่ยนไปสู่สถานะปลอดภัยที่กำหนดไว้

การตั้งค่า Watchdog ควรอ้างอิงภาระงานกรณีเลวร้ายที่สุดที่วัดได้และมีค่าผื่อ ไม่ใช่ค่าเฉลี่ยในแง่ดี การทดสอบระหว่างการเริ่มใช้งานควรรวมถึงความผิดปกติของเครือข่าย ช่วงข้อมูลการวินิจฉัยที่เพิ่มขึ้นอย่างฉับพลัน และลำดับการผลิตจริงที่มีภาระหนักที่สุด รอบการสแกนเฉลี่ยที่คงที่อาจซ่อนช่วงพีคเป็นครั้งคราวซึ่งมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของเครื่องจักรมากกว่า

ความจุหน่วยความจำเป็นเพียงส่วนหนึ่งของคำถาม

หน่วยความจำโปรแกรมใช้เก็บลอจิก การกำหนดค่า และโครงสร้างข้อมูล แต่ความจุที่ระบุไว้เป็นหัวข้อเพียงอย่างเดียวไม่ได้บอกความเหมาะสมมากนัก พฤติกรรมของหน่วยความจำแบบ Retentive ความต้องการแก้ไขโปรแกรมขณะออนไลน์ พื้นที่จัดเก็บสูตรการผลิต ประวัติการแจ้งเตือน และขนาดบัฟเฟอร์การสื่อสารก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน นอกจากนี้ บางแพลตฟอร์มยังแยกหน่วยความจำแอปพลิเคชันออกจากพื้นที่จัดเก็บแบบถอดได้หรือแบบไม่ลบเลือน

วิศวกรควรประมาณการโครงการหลังจากรวมไลบรารี การวินิจฉัย และการขยายระบบที่คาดการณ์ไว้แล้ว การซื้อโปรเซสเซอร์ที่เล็กที่สุดซึ่งรองรับซอฟต์แวร์รุ่นแรกได้ อาจสร้างภาระค่าใช้จ่ายสูงในการย้ายระบบภายหลัง ขณะที่การซื้อรุ่นใหญ่ที่สุดโดยไม่มีกรณีภาระงานรองรับ จะเพิ่มต้นทุนโดยไม่ช่วยปรับปรุงคุณภาพการควบคุม

คอนโทรลเลอร์ขนาดกะทัดรัดรวมฟังก์ชัน CPU และ I/O ไว้ด้วยกัน แต่ข้อจำกัดด้านการขยายและสถาปัตยกรรมการอัปเดตยังคงกำหนดขอบเขตการออกแบบเครื่องจักรที่ทำได้

การสื่อสารอาจเป็นสาเหตุหลักของภาระงาน CPU ในระบบสมัยใหม่

ในอดีต การเลือกคอนโทรลเลอร์เน้นที่ I/O ภายในเครื่องและลอจิกพื้นฐาน ปัจจุบัน CPU อาจแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบเป็นคาบกับไดรฟ์และแร็กระยะไกล พร้อมให้บริการ HMI ระบบเก็บประวัติข้อมูล เครื่องมือบำรุงรักษา และเอดจ์เกตเวย์ไปพร้อมกัน จำนวนการเชื่อมต่อ อัตราแพ็กเก็ต ข้อมูลที่ผลิตและบริโภค การแปลงโปรโตคอล และบริการความมั่นคงปลอดภัยทางไซเบอร์ ล้วนส่งผลต่อประสิทธิภาพได้

สำหรับโครงการที่มีอุปกรณ์แบบกระจาย คอลเลกชันการสื่อสารและเครือข่าย ของร้านเป็นจุดอ้างอิงที่มีประโยชน์สำหรับการจับคู่เกตเวย์ สวิตช์ และโมดูลอินเทอร์เฟซให้เข้ากับสถาปัตยกรรมของคอนโทรลเลอร์ ลิงก์ภายในนี้มีความเกี่ยวข้องมากที่สุดในระหว่างการวางแผนโทโพโลยี ซึ่งสามารถประเมินความเข้ากันได้ของโปรโตคอลและการรองรับตลอดอายุการใช้งานไปพร้อมกัน

การมีพอร์ตไม่ได้รับประกันความเข้ากันได้ด้านโปรโตคอลหรือประสิทธิภาพ

การมีขั้วต่อ Ethernet ไม่ได้หมายความว่าจะรองรับโปรโตคอล Industrial Ethernet ทุกประเภท และการรองรับโปรโตคอลหนึ่งก็ไม่ได้รับประกันว่าจะรองรับจำนวนการเชื่อมต่อหรืออัตราการอัปเดตที่ต้องการ วิศวกรควรตรวจสอบเฟิร์มแวร์ของคอนโทรลเลอร์ ฟังก์ชันที่ต้องมีใบอนุญาต โทโพโลยีเครือข่าย การซิงโครไนซ์เวลา และบทบาทที่แน่นอนของแต่ละพอร์ต

อินเทอร์เฟซสำหรับการเขียนโปรแกรมรุ่นเก่าก็ต้องให้ความสำคัญเช่นเดียวกัน CPU รุ่นเก่าอาจยังใช้งานได้ แต่ต้องมีสายเคเบิลที่ถูกต้อง การรองรับระบบปฏิบัติการ และใบอนุญาตซอฟต์แวร์วิศวกรรมพร้อมใช้งาน ก่อนที่โรงงานจะพึ่งพาอุปกรณ์ดังกล่าวเพื่อการกู้คืนระบบ

เช็กลิสต์การเลือก CPU ของ PLC ที่ดีกว่า

เริ่มจากข้อกำหนดด้านการควบคุม นั่นคือเหตุการณ์ทางกายภาพที่เร็วที่สุดซึ่งต้องตรวจจับและตอบสนอง จากนั้นรวมการกรองอินพุต การอัปเดต I/O คาบเวลาของทาสก์ และความหน่วงของเอาต์พุต เพื่อกำหนดเวลาตอบสนองตั้งแต่ต้นทางถึงปลายทางที่ยอมรับได้ แล้วจึงประมาณชนิดของคำสั่ง จำนวนแกนการเคลื่อนที่ ทาสก์ด้านความปลอดภัย การเชื่อมต่อเครือข่าย และโอเวอร์เฮดด้านการวินิจฉัย

ขั้นต่อไป ให้ตรวจสอบความจุ I/O และโทโพโลยี ยืนยันโมดูลภายในเครื่องที่รองรับ แร็กระยะไกล อินเทอร์เฟซเฉพาะทาง และงบประมาณพลังงาน ควรเผื่อการขยายที่ใช้งานได้จริง แทนการใช้ความจุสูงสุดตามข้อมูลผู้ผลิตเป็นเป้าหมายเริ่มต้นของการออกแบบ

สุดท้าย ให้ประเมินปัจจัยตลอดอายุการใช้งาน ได้แก่ ความพร้อมของอะไหล่ นโยบายเฟิร์มแวร์ ความเข้ากันได้กับเครื่องมือวิศวกรรม การอัปเดตความมั่นคงปลอดภัยทางไซเบอร์ ตัวเลือกการทำงานซ้ำซ้อน และเส้นทางการย้ายระบบ วิศวกรที่เปรียบเทียบตระกูลคอนโทรลเลอร์สามารถใช้ คอลเลกชันระบบ PLC และ PAC เพื่อเชื่อมโยงตัวเลือกโปรเซสเซอร์เข้ากับโมดูลและแพลตฟอร์มที่โรงงานรองรับอยู่แล้ว

CPU ที่เหมาะสมจะสร้างสมดุลระหว่างเวลาตอบสนอง การสื่อสาร การขยายระบบ และการรองรับตลอดอายุการใช้งาน แทนการมุ่งเพิ่มคุณสมบัติเพียงรายการเดียวให้สูงสุด

วิจารณญาณทางวิศวกรรมที่สำคัญ

CPU ที่ทรงพลังที่สุดไม่ได้เป็นคอนโทรลเลอร์ที่ดีที่สุดโดยอัตโนมัติ การเลือกขนาดเกินความจำเป็นไม่สามารถแก้ไขการออกแบบทาสก์ที่ไม่ดี การรับส่งข้อมูลเครือข่ายที่มากเกินไป หรือข้อกำหนดด้านเวลาตอบสนองที่ไม่ได้บันทึกไว้ได้ ในทางกลับกัน โปรเซสเซอร์ที่เลือกโดยพิจารณาเฉพาะขนาดโปรแกรมเริ่มต้น อาจกลายเป็นคอขวดเมื่อมีการเพิ่มการตรวจสอบสภาพ การติดตามย้อนกลับ และการสนับสนุนระยะไกล

ในมุมมองของฉัน การเลือก CPU ควรถือเป็นกระบวนการประเมินด้านเวลาและวงจรชีวิต ไม่ใช่การเปรียบเทียบตามแค็ตตาล็อกเท่านั้น ตัวเลือกที่มีเหตุผลรองรับควรบันทึกเวลาตอบสนองกรณีเลวร้ายที่สุด ค่าผื่อสำหรับการเติบโต และข้อกำหนดด้านการกู้คืน บันทึกดังกล่าวจะช่วยให้วิศวกรในอนาคตมีพื้นฐานที่ชัดเจนกว่าในการขยายระบบ แทนที่จะอาศัยเพียงความเร็วโปรเซสเซอร์หรือความจุหน่วยความจำ