PLC vs. Arduino para control industrial

¿Puede un microcontrolador de bajo coste igualar un PLC para una aplicación de control industrial del mundo real?

El mundo «creador» de los constructores de robots de sótanos continúa creciendo, con compañías que desarrollan hardware y software para soportar todo tipo de aplicaciones interesantes. Se  han dado a conocer varios microcontroladores para realizar una amplia variedad de funciones a costos iniciales muy bajos de hardware y software.

Han surgido una gran cantidad de placas, incluidos microcontroladores, matrices de puertas programables en campo (FPGA) y computadoras de placa única. Entre estos, Arduino y Raspberry Pi son dos nombres principales.

Ambos son dispositivos de código abierto, con componentes disponibles de una variedad de proveedores, y ambos requieren un alto nivel de habilidades de programación y algo de imaginación antes de que puedan usarse para aplicaciones de control industrial en tiempo real.

Algunos usuarios industriales pueden imaginar estas plataformas como un sustituto de un PLC de nivel de entrada. Después de todo, si un Arduino puede controlar un robot para una entrada de competencia STEM, ¿Por qué no puede controlar un robot industrial o una máquina simple? Si es posible comprar un Arduino por menos de 20 euros ¿Por qué gastar cientos en un PLC? Un Arduino puede hacer muchas cosas, pero como descubrí, hacer que funcione incluso en una aplicación industrial simple es más fácil decirlo que hacerlo.

Control industrial en tiempo real con un Arduino ¿Plataformas industriales?

Las plataformas Arduino y Raspberry Pi tienen muchas capacidades, pero también carecen de muchas características prácticas para soportar una fácil implementación en aplicaciones industriales.

El Raspberry Pi es efectivamente una PC de placa única miniaturizada basada en Linux, mientras que un Arduino es más como un PLC. Si bien cualquiera de las plataformas parecía adecuada, me decidí por el proyecto Arduino: control de flujo cerrado generado por una bomba. 

Un sensor mide el flujo y envía datos al Arduino, que ajusta un actuador de válvula de control para mantener el punto de ajuste. Esta es una de las funciones de automatización analógicas industriales más básicas y, a menudo, utiliza un bucle PID como algoritmo de control.

El Arduino utiliza la capacidad de control de PI para leer la señal del medidor de flujo y ajustar la válvula para alcanzar y mantener el punto de ajuste. El concepto es bastante simple, pero cuando se trabaja con equipos industriales del mundo real, se vuelve más complicado.

Asimismo, el Arduino es un dispositivo básico, como corresponde a su precio, pero tiene amplias capacidades si se puede escribir el programa adecuado para que coincida con la aplicación. Es una pizarra totalmente en blanco para un programador, sin capacidades nativas o bloques de funciones listos para cargar, por lo que tuve que crear el algoritmo PI desde cero.

Las entradas analógicas son de 0-5 V, y las salidas analógicas son de modulación de ancho de pulso (PWM). Esto es adecuado para regular la velocidad de un motor o para modular un circuito de control de temperatura, pero no es tan bueno para muchas otras aplicaciones. 

1. Soporte de infraestructura básica

Un Arduino no tiene fuente de alimentación, ni tiene ningún tipo de interfaz hombre-máquina (HMI), pero puede usar un pequeño protector de pantalla gráfica agregado a la pila, con un tamaño de pantalla de aproximadamente 1.75 por 2.25 pulgadas. 

Se requiere una programación personalizada para proporcionar información útil, a diferencia de un PLC, que generalmente tendrá múltiples opciones de HMI que solo requieren una configuración de pantalla simple. 

El montaje con cables también es rudimentario, por lo que conectar los dispositivos externos requiere algo de trabajo. El montaje de las placas Arduino requiere creatividad, ya que no hay una carcasa ni opciones prácticas, como un montaje en riel DIN.

Naturalmente, el Arduino no tiene un concepto de las unidades de ingeniería con las que está tratando, pero tampoco tiene un PLC. Simplemente se trata de los valores actuales, que es realmente todo lo que tiene que hacer. Los operadores pueden querer ver galones o porcentaje abierto, pero no es necesario para el controlador.

La mayoría de los equipos de grado industrial, como un PLC, están diseñados para su uso en entornos potencialmente hostiles donde la operación es crítica y debe ser continua. No se puede descomponer y dejar de fumar simplemente porque la planta se calienta demasiado o hace demasiado frío. 

Los Arduinos no se construyen con esto en mente. Están surgiendo más unidades de grado industrial al igual que los gabinetes clasificados, pero esta consideración debería ser parte de cualquier análisis.

El PLC por su parte, ofrece una instrucción PID sofisticada, que permite configurar los diversos parámetros del bucle para el control manual o automático del bucle. 

1. Entonces, ¿cuál es mejor, el Arduino o el PLC? 

Si solo se considera el costo de hardware básico para el controlador y la E / S, el Arduino gana. Pero cuando se agregan todos los componentes auxiliares necesarios para que Arduino sea útil en esta aplicación relativamente simple, la brecha de costos de hardware se reducirá o desaparecerá. 

El tiempo necesario para armar y programar el Arduino también es considerable. Cuando este tiempo se calcula en algo cercano a las tasas normales de horas hombre de ingeniería, el PLC es el claro ganador en términos de costo total.

En cuanto al rendimiento, el Arduino y el PLC hacen de forma eficiente el trabajo. Aunque la mayoría de las aplicaciones industriales requerirán una variedad de otras funciones de control discretas y analógicas. Con un PLC, muchos de estos están integrados, pero ninguno con un Arduino.

Alguien con experiencia en programación en lenguaje C podría considerar que Arduino es un estudio rápido, pero incluso las funciones industriales más básicas tendrán que escribirse desde cero.

Sin embargo, la cantidad de tutoriales en línea y otros disponibles para los PLC ciertamente pesan a su favor, ya que están dirigidos específicamente a usuarios industriales, con muchas bibliotecas de funciones disponibles para descargar para realizar operaciones comunes. Por ejemplo, el PLC tiene disponible un software de ajuste de bucle, que sería muy complejo de escribir para el Arduino.

La durabilidad del equipo ciertamente pesa a favor del PLC hasta que surjan dispositivos Arduino y Raspberry PI más industrializados. Al mismo tiempo, la mayoría de los PLC son parte de familias de productos, que ofrecen escalabilidad y amplitud de capacidades nativas, lo que hace que sea mucho más fácil expandirse. 

Los PLC con módulos de E / S adicionales, HMI y otros equipos auxiliares diseñados para el montaje dentro de gabinetes de control serán mucho más fáciles de trabajar y más eficientes en tiempo que las plataformas Arduino o Raspberry PI.