Microcontrollers Versus PLC’s: A Detailed Comparison
Introducción a los Microcontroladores
A medida que las plataformas electrónicas de código abierto para el desarrollo de prototipos, como Arduino, BeagleBone y Raspberry Pi continúan ampliando el ámbito de las posibilidades para el desarrollo de dispositivos digitales y objetos interactivos, existe más interés que nunca en los microcontroladores y en los componentes relacionados.
Sin embargo, esta industria está tan matizada que es fácil confundir a los microcontroladores con sus homólogos de mayor escala, los controladores lógicos programables (PLC). De naturaleza similar pero de mayor capacidad, los PLC ofrecen innumerables beneficios y usos por derecho propio.
Hoy, estamos profundizando en la diferencia entre microcontroladores y PLC. Explicaremos qué hace cada sistema y quién lo usa para ayudar a diferenciar las características únicas de cada uno.
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¿Qué es un microcontrolador?
Comencemos por el lado más simple de la ecuación. En resumen, un microcontrolador es una computadora. Sin embargo, es diferente a una computadora portátil o a una computadora personal como las que usted ya conoce, aunque todas las computadoras comparten las mismas características:
• Unidad Central de Procesamiento (CPU)
• Capacidad de cargar de programas (por ejemplo, las computadoras de escritorio cargan los navegadores desde el disco duro)
• Memoria de acceso aleatorio (RAM) para almacenamiento temporal de datos
• Dispositivos de entrada y salida para facilitar la comunicación (por ejemplo, teclado, mouse, impresora, monitor)
¿Una diferencia principal? Esas versiones más grandes son "computadoras de uso general". Son capaces de ejecutar miles de programas y son útiles para una variedad de propósitos. Por otro lado, un microcontrolador es más especializado y hace una cosa bien.
Características de un Microcontrolador
¿No está seguro de si un dispositivo en cuestión es un microcontrolador u otro tipo de computadora? Echemos un vistazo a algunas características que lo distinguen.
Integrado
Un microcontrolador se inserta dentro de otro dispositivo. Ayudan a controlar las acciones o funciones del dispositivo. Por esa razón, es posible que escuche a la gente referirse a un microcontrolador como un "microcontrolador integrado".
Funciones Dedicadas
Los microcontroladores solo se dedican a una determinada tarea, diseñados para ejecutar un programa específico. A diferencia de la RAM, este programa permanece en la memoria de solo lectura (ROM), donde no cambia.
De bajo consumo
Una computadora de uso general, que permanece conectada a una toma de corriente, consumirá alrededor de 50 vatios de electricidad. Un microcontrolador solo usará alrededor de 50 milivatios.
Entrada / salida
Un microcontrolador tendrá un dispositivo de entrada dedicado y, en la mayoría de los casos, un dispositivo de salida (como una pantalla LCD o LED).
Además, el microcontrolador recibirá datos del dispositivo que está controlando y envía señales a otros componentes dentro de él para ayudar a controlarlo.
Tomemos el microcontrolador dentro de un televisor, por ejemplo. Acepta órdenes del control remoto y luego muestra el resultado en la pantalla del televisor. En el interior, el controlador controla el sistema de altavoces, el selector de canales y la electrónica del tubo de imagen, como el brillo.
O considere un horno de microondas. El controlador del horno recibe la entrada de datos desde un teclado y muestra la salida en una pantalla LCD. Además, controla el relé que administra el encendido / apagado del generador de microondas.
Económico y pequeño
Un microcontrolador no le hará vaciar su cuenta bancaria. En la mayoría de los casos, los usuarios buscan el más pequeño y accesible que pueda hacer el trabajo.
Reforzado
Muchos microcontroladores pueden soportar altas temperaturas y las condiciones más duras que las que pueden soportar las computadoras de uso general.
Por ejemplo, el microcontrolador que administra el motor de su automóvil debe resistir temperaturas extremas que van desde bajo cero en Alaska hasta más de 100 grados Fahrenheit en Nevada.
Si bien este escenario requiere un microcontrolador reforzado, no todos requieren esta característica. El microcontrolador integrado en un reproductor de Blu-ray Disc, por ejemplo, no necesita ser reforzado.
Microcontroladores en Manufactura
Como los microcontroladores son tan económicos e incluyen una variedad tan amplia de accesorios, su uso se ha vuelto más común. Durante años, su uso se centró en el mundo de los Makers, incluidos los clubes de automatización y los constructores de robots personales. Sin embargo, a medida que se expanden en funcionalidad, los fabricantes también están considerando usarlos en aplicaciones industriales.
¿Es esto un acierto? ¿Son los dos iguales? A continuación, echemos un vistazo a lo que distingue a un PLC de un microcontrolador.
¿Qué es un PLC?
Ahora que hemos cubierto los conceptos básicos de un microcontrolador, comparémoslo con un PLC.
¿La definición más básica? Un PLC es un microcontrolador de mayor escala. Es una computadora digital industrial que está reforzada y adaptada para facilitar los difíciles procesos de fabricación.
Sus aplicaciones más comunes incluyen:
• Líneas de montaje
• Dispositivos robóticos y de aprendizaje automático (machine learning)
• Cualquier función que requiera un control de alta confiabilidad o un diagnóstico de fallas del proceso
¿Cómo funciona?
Un PLC recibe información de sensores y dispositivos de entrada conectados. Luego, procesa esos datos y crea datos de salida basados en parámetros preestablecidos. Dependiendo de la configuración exacta, un PLC puede incluso monitorear y registrar datos de tiempo de ejecución, analizando la productividad de la línea de producción o la temperatura de operación, por ejemplo.
Características de un PLC
¿Qué diferencia a un PLC de un microcontrolador, un PLC industrial a gran escala o cualquier otra solución de control industrial? Echemos un vistazo a algunas características clave.
Salidas, entradas
Un PLC incluye una CPU que almacena y procesa datos del programa. Sin embargo, se basa en módulos de entrada y salida para conectarlo al resto del equipo. Estos módulos de E/S envían información a la CPU, generando ciertos resultados.
Los controles de E/S del PLC pueden ser analógicos o digitales. Las entradas pueden variar desde sensores e interruptores hasta medidores, y las salidas incluyen relés, válvulas, variadores y luces. Una ventaja que ofrecen los PLC es que los usuarios pueden personalizar sus E/S para cumplir con los requisitos de configuración según su necesidad.
Interfaz Hombre-Máquina
Cuando los humanos quieren interactuar con un PLC en tiempo real, cuentan con una interfaz hombre-máquina (HMI) para hacerlo. Estos pueden variar en escala desde una simple pantalla con un teclado y texto hasta un panel de pantalla táctil inteligente similar a los aparatos electrónicos modernos de consumo.
Comunicación
Si bien los dispositivos de E/S son un comienzo, es posible que el PLC también deba conectarse a diferentes tipos de sistemas. Por ejemplo, un usuario puede necesitar exportar datos registrados desde el PLC y enviarlos a un sistema de control, supervisión y adquisición de datos (SCADA).
Para facilitar esta función, la mayoría de los PLC incluyen varios puertos y protocolos de comunicación para garantizar que el dispositivo pueda comunicarse con otros sistemas.
Comparando Microcontroladores y PLC: Escenarios
Si bien puede haber algunas aplicaciones para las cuales un microcontrolador pueda realizar un trabajo similar al de un PLC, los usuarios deben considerar cada escenario para determinar cuál sistema es el mejor.
A los efectos de este documento, utilicemos una aplicación industrial común para ilustrar este punto. Digamos, por ejemplo, que un usuario desea realizar una pequeña tarea automatizada.
Desea usar algunos sensores y un actuador como dispositivo de salida. Además necesita una función de informe para “comunicar” a un sistema de control de mayor nivel. Para esto necesita un programa operativo básico.
Un pequeño PLC funcionará, en este caso. Sin embargo, ¿es la decisión más inteligente y económica? ¿Qué tal una placa de microcontrolador de código abierto? Si tiene una duda similar, aquí hay algunos factores que debe considerar.
Compatibilidad de E/S
Una vez que sepa la cantidad requerida de entradas y salidas, verifique si el microcontrolador en cuestión incluye esa cantidad.
Tenga en cuenta que el tipo de E/S es importante. Es posible que encuentre un microcontrolador con el número correcto de E/S analógicas y discretas, pero es posible que no sean del tipo correcto para su aplicación.
En algunos casos, puede convertirlos para adaptarlos a sus necesidades.
Tome un bucle de corriente de 4-20 mA, por ejemplo. Un usuario puede convertir esto en un lazo de voltaje de 0-5 V en un abrir y cerrar de ojos. Sin embargo, si el PLC incluye un tipo más específico, como una salida analógica con modulación de ancho de pulso (PWM), será más difícil convertirlo en cualquier cosa, aunque puede comprar un convertidor de señal para facilitar el proceso.
Aquí es donde un PLC puede brillar.
Diseñado para funcionar con sensores industriales, la mayoría ofrecerá una gama más amplia de opciones de E/S. Esto reduce la necesidad de conversión externa. Además, la mayoría de los PLC se construirán de forma aislada para los puntos de E/S, lo que puede ayudar a proteger esos dispositivos y circuitos.
Montaje y Carcasa
La mayoría de los microcontroladores se parecen a una placa con pines disponibles para su conexión. Esto puede dificultar el montaje y alojamiento, ya que el usuario deberá proporcionar su propia energía y hacer los terminales si desea conectar un dispositivo externo.
Sistemas Operativos y Watchdogs
Un microcontrolador puede ser menos costoso, pero los usuarios reciben lo que pagan. Su naturaleza básica significa que el usuario será responsable de codificar todo, menos las funciones más simples.
En la mayoría de los casos, esto está bien, porque la mayoría de los microcontroladores operan dentro de entornos de programación comunes, como Linux y C.
Un PLC también requiere la programación de una aplicación simple, aunque hay más en el interior que ni el programador ni el usuario ven. Los programas de gestión y los watchdog ayudan a monitorear los sistemas y equipos para garantizar la protección y la integridad de los datos.
Tome el bucle for / next dentro de un PLC, por ejemplo. Si hay un problema y el programa se atasca, podría obstaculizar el rendimiento y plantear un problema de seguridad.
El Watchdog de software se activará y comenzará a medir el tiempo de cada escaneo del programa. Si un escaneo no termina en el tiempo asignado, se disparará. El PLC falla y lo coloca en modo seguro mientras se notifica al usuario.
Al mismo tiempo, existen Watchdog de hardware que monitorean los dispositivos que se conectan al PLC. Cuando el PLC se comunica con los módulos de E/S o dispositivos externos (como interruptores, sensores o actuadores), el Watchdog cuenta cada escaneo a medida que ocurre.
Si algún recuento de escaneo comienza a retrasarse, indica un problema con el PLC. En la mayoría de los casos, esto activará el sistema en modo seguro y alertará al usuario.
¿Puede agregar esta funcionalidad a un microcontrolador? La respuesta corta es "sí", aunque no es fácil. Los usuarios tendrían que escribir estos programas desde cero o reutilizar módulos de software existentes, ninguno de los cuales es un paso simple. A partir de ahí, el usuario también necesitaría probar y verificar el software para la aplicación dada, lo que también es laborioso.
Condiciones Industriales específicas a considerar
¿Qué pasa con las condiciones industriales específicas? ¿Son los PLC más capaces de soportar condiciones exigentes que los microcontroladores? Aquí hay algunas condiciones ambientales para comparar.
Golpes y vibraciones
Un PLC es capaz de resistir grandes cantidades de golpes y vibraciones comunes en los entornos de un depósito. Un microcontrolador también puede funcionar, aunque requerirá consideraciones especiales de montaje y conexión diseñadas para resistir este abuso.
Corrosión
En algunos ambientes, el equipo está rodeado de vapores y humos que pueden corroer el cableado y otros componentes.
La mayoría de los PLC tienen terminaciones que reducen la cantidad de metal sin protección y expuesto en sus tableros. Asimismo, sus cables incluyen materiales resistentes a la corrosión.
Ruido
En casi todos los ambientes industriales, encontrará sistemas que crean ruido electrónico, junto con campos magnéticos. ¿Puede soportarlo el equipo? Un microcontrolador económico podría entrar en modo de falla o perder su programa si la interferencia es lo suficientemente significativa.
Sin embargo, un PLC tiene un mejor nivel de protección. Puede soportar el ruido electrónico estándar sin problemas.
Niveles de temperatura
La mayoría de los microcontroladores funcionan mejor en un ambiente favorable con temperatura controlada, aunque algunos más resistentes pueden soportar rangos de temperatura más bajos o más altos.
Sin embargo, siempre que se elijan los componentes adecuados, los usuarios pueden instalar un PLC en un gabinete exterior que esté sujeto a temperaturas extremas sin preocuparse.
Estándares de la Industria para Ensayos
¿No está seguro de cómo realizar pruebas para cada una de las características anteriores? La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y Underwriters Laboratories (UL) tienen normas para ello. Cada sistema de PLC deberá incluir documentación que enumere los ensayos completados y la metodología utilizada.
La mayoría de los microcontroladores no se someten a pruebas tan extensas, lo que puede hacer que sea más difícil conocer sus aptitudes. También existen diferencias entre las placas genéricas y las específicas de la marca.
Comprendiendo Microcontroladores versus PLC en su aplicación
Dependiendo su caso particular de uso, su presupuesto y sus expectativas de programa, es posible que pueda utilizar un microcontrolador o un PLC.
Recuerde que, si bien los microcontroladores ofrecen ahorros de costos, son de naturaleza más limitada que los PLC. Esto significa que si está buscando un sistema para entrar en una red industrial más grande, es posible que no estén a la altura de la tarea. Sin embargo, podría ser perfecto para proyectos de “Hágalo Usted Mismo” u otras herramientas para enseñanza que no sean tan complicadas.
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