Wbrew pozorom wybór odpowiedniego sterownika automatyki do aplikacji przemysłowych – w tym także związanych z ruchem, robotami, maszynami – może być nie lada wyzwaniem. Dlatego też, podejmując się tego zadania, warto wziąć pod uwagę kilka istotnych kryteriów.
We współczesnych aplikacjach przemysłowych sterowniki automatyki wykonują znacznie więcej zadań, niż tylko te realizowane przez układy oparte na przekaźnikach, które z historycznego punktu widzenia zastąpił. Obecnie nowoczesny sterownik potrafi integrować logikę, sterowanie ruchem i robotami oraz komunikować się z innymi maszynami oraz systemami zarządzania. Współczesne sterowniki automatyki mogą być zarówno prostymi urządzeniami, jak i skomplikowanymi kontrolerami, wykorzystującymi procesory wielordzeniowe.
Podział na tradycyjne programowalne sterowniki logiczne (PLC), programowalne sterowniki automatyki (PAC) oraz przemysłowe komputery typu PC (IPC) jest w dużym stopniu nietrafny – patrząc bowiem praktycznie, moduły sterownicze we wszystkich tych grupach dysponują podobną mocą obliczeniową. Dzięki powszechnej akceptacji normy Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej PN-EN IEC 61131-3, opisującej języki programowania dla sterowników PLC, oprogramowanie wykorzystywane w tym celu zyskało pewien stopień standaryzacji. Stabilne systemy operacyjne czasu rzeczywistego, działające w tle, likwidują potrzebę wykorzystywania systemów operacyjnych opartych na Microsoft Windows, tak więc określenie „sterowanie oparte na komputerach PC” mogłoby być z powodzeniem zastąpione określeniem „sterowanie oparte na procesorach Intel” lub „sterowanie oparte na procesorach AMD”, które jest bardziej precyzyjne, gdyż odzwierciedla wykorzystanie procesorów o dużej mocy obliczeniowej, pochodzących od dwóch największych producentów.
Ponieważ współczesne sterowniki automatyki realizują więcej zadań niż tylko sterowanie logiczne, podobnie sama nazwa „PLC” jest też określeniem przestarzałym. Ponieważ wszystkie sterowniki automatyki są programowalne, to litera „P” w skrócie PAC także wydaje się być niepotrzebna. Obecnie sterowniki są zasadniczo komputerami i mogą obsługiwać wiele systemów operacyjnych (czasu rzeczywistego, Microsoft Windows oraz Linux) na tym samym procesorze. Komputery IPC mogą być wykorzystywane do sterowania, akwizycji danych oraz realizacji pojawiających się obecnie nowych zadań, takich jak przetwarzanie danych na krawędzi sieci.
Funkcjonalność sterowników
Obecnie popularne staje się koordynowanie wszystkich funkcji maszyny w tym samym środowisku programowym, w tym samym programie wykonywanym przez ten sam procesor. Pozwala to na synchronizację funkcji maszyny, natomiast modularna struktura kodu sprzyja zorganizowanemu, spójnemu podejściu. Jednak w wielu aplikacjach przemysłowych nadal jest miejsce na mniej zintegrowane rodzaje sterowania, takie bezpośrednie połączenie modułów na poziomie obiektowym, w aplikacjach niewymagających skalowania w górę w architekturze sieci transmisji danych – do sieci ICT, IT.
Złożoność oraz wymagania dotyczące działania aplikacji narzucają specyfikację sterownika. Poniżej podano różne kryteria, które mogą wymagać sprawdzenia (zaznaczenie pola wyboru lub nie), w zależności od danej aplikacji.
Logika
Istnieje fundamentalna potrzeba sterowania logicznego, dlatego też kontynuujemy nazywanie sterowników automatyki „sterownikami PLC”. PLCopen jest organizacją, która utrzymuje i rozszerza zakres normy języków programowania IEC 61131-3 oraz zarządza dużą bazą wiedzy, szkoleń i bibliotek w tym zakresie. Działalność tej grupy wykracza daleko poza same zagadnienia logiki, obejmując m.in. sterowanie ruchem, bezpieczeństwo, protokół komunikacyjny OPC Unified Architecture (UA) i język XML.
Wieloosiowe sterowanie ruchem
W zależności od wymaganej złożoności i synchronizacji ruchów silników w danej aplikacji przemysłowej, sterownik automatyki może kontrolować ruch dla liczby osi wynoszącej od kilku do kilkunastu, a nawet setek. Zgodnie z Prawem Moore’a oraz standardami przemysłowymi, przy obecnym stanie zaawansowania technologicznego branży sterowników nie jest już dłużej wymagany oddzielny sterownik ruchu czy sterownik robota.
Bezpieczeństwo w sieci
W Ameryce Północnej w zastosowaniach przemysłowych i nie tylko nadal preferowane są zabezpieczone sieci przewodowe. Funkcje i elementy bezpieczeństwa sieci implementowane i realizowanie w tych samych strukturach sieci co sterowanie stały się sprawdzonym i użytecznym elementem ich funkcjonowania.
Bezpieczeństwo sieci może być zrealizowane na różne sposoby: za pomocą rezerwowego rdzenia procesora sterownika, osobnego sterownika bezpieczeństwa czy bezpiecznych układów wejść/wyjść (We/Wy, I/O) w małych systemach. Bezpieczeństwo sieci rozszerza się także na funkcjonalności bezpieczeństwa ruchu i robotów, które pozwalają na pracę maszyn w trybie bezpiecznym zamiast ich wyłączania, co przynosi wyjątkowe korzyści operacyjne.
Sterowanie wieloma robotami różnych typów
Ten sam sterownik automatyki może realizować zintegrowane sterowanie wieloma robotami różnych typów: delta, SCARA (selective compliance assembly robot arm), 6-osiowymi (articulated robots) i/lub suwnicowymi, wraz ze wszystkimi innym funkcjami maszynowymi. Ponadto możliwe jest sterowanie kinematyką robotów w środowisku zgodnym z normą PN-EN IEC 61131-3. Dedykowane sterowniki robotów nadal realizują istotne i unikalne funkcje, w zależności od tego, co jest wbudowane w system robota – od algorytmów paletyzacji do wzorców montażu.
Monitoring maszyn
Monitoring stanu technicznego maszyn jest kluczem do opracowania planu konserwacji prognozowanej i uzyskania redukcji nieplanowanych przestojów. Sterownik maszyny może być połączony z różnymi dostępnymi w handlu przetwornikami, takimi jak sondy temperaturowe i mierniki przyśpieszenia, w celu monitorowania aktualnych warunków i parametrów pracy tej maszyny. Monitoring maszyn może także pomóc w wykrywaniu anomalii, zanim wystąpi znacząca awaria. Ponadto znacznie łatwiej można wdrożyć monitoring zużycia energii czy np. wahań ciśnienia w instalacji sprężonego powietrza, zużycia gazu ziemnego w nagrzewnicach i suszarkach oraz zużycia wody przez procesy technologiczne i mycie sprzętu.
Obsługa danych
Sterownik automatyki może być serwerem i klientem standardów sieciowych WWW i OPC UA. Wiele sterowników ma funkcje zbierania danych Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT) oraz odbierania instrukcji zwrotnych z chmury obliczeniowej lub modułów przetwarzania danych na krawędzi sieci w celu optymalizacji procesów, którymi sterują. Zwykle sterowniki automatyki wysyłają dane do oprogramowania, takiego jak: system realizacji produkcji (MES), system planowania zasobów przedsiębiorstwa (ERP), wyznaczającego wskaźnik efektywności wyposażenia (OEE) oraz modułu szyfrującego dane TPM (Trusted Platform Module). W środowisku IIoT równie ważne jest też realizowanie użytecznej analizy danych, dostępnej również na poziomie sterownika
Automatyczna konfiguracja
Poprzednio, gdy wymieniano na nowy jakiś komponent automatyki, taki jak np. napęd silnikowy, niezbędne było ręczne odnalezienie odpowiedniej wersji oprogramowania układowego urządzenia i jego wgranie. Obecnie sterowniki automatyki mogą automatycznie odczytywać informacje z podłączonych urządzeń i powiadamiać techników, że należy wpisać niezbędne parametry, dokonać aktualizacji itp.
Możliwości komunikacyjne
Obecnie nawet tanie sterowniki automatyki mają wbudowany co najmniej jeden ethernetowy port komunikacyjny. Porty te służą do komunikowania się sterownika z panelami operatorskimi (HMI), systemami zarządzającymi, a także programowania i realizacji innych zadań, niebędących krytycznymi czasowo. Ponadto sterowniki zwykle obsługują jeden z popularnych na rynku typów Ethernetu przemysłowego, co umożliwia ich pracę w obsługujących maszyny sieciach deterministycznych, takich jak EtherNet/IP, EtherCAT, Powerlink, Profinet i innych. Niestety nadal istnieje tylko jeden ogólnie uznawany przemysłowy standard ethernetowy, który opisuje szybką komunikację deterministyczną, odpowiednią do sterowania maszynami.
Jednak duże nadzieje pokładane są w rozwijaniu technologii sieci wrażliwych na czas (time sensitive networks – TSN), które, jak się oczekuje, wraz ze standardem OPC UA oraz zgodnym z nim modelem nadawca-odbiorca (publish-subscribe, Pub-Sub), wniosą pewien niezbędny poziom determinizmu czasowego do wytycznych standardu IEEE 802 – rodziny standardów ethernetowych, opracowanych przez Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników. Konsorcjum Internetu Przemysłowego (Industrial Internet Consortium), wraz z wieloma producentami automatyki przemysłowej, opracowało w tym celu platformę testową (testbed). Firmy te uczestniczyły w tzw. plugfestach (plufgest, plugtest – wydarzenie oparte na pewnym standardzie technicznym, w którym projektanci sprzętu elektronicznego lub twórcy oprogramowania testują możliwości interoperacyjności swoich produktów czy projektów z produktami czy projektami innych producentów), demonstrujących opłacalność wdrażania sieci TSN w komunikacji typu M2M (maszyna z maszyną).
Rozwijane obecnie sieci TSN mają duże znaczenie, ponieważ dla poprawnego działania technologii IIoT będzie istniała potrzeba interoperacyjności komunikacji między różnymi platformami sterowania wykorzystywanymi w fabryce czy całym przedsiębiorstwie a chmurą obliczeniową. Ponadto, jeśli w jakiejś konkretnej aplikacji wymagane są interfejsy szeregowe, to powinno się dokonać ich szczegółowej specyfikacji, ponieważ ich popularność na rynku spada.
Obudowy sterowników
Poniżej podano najbardziej rozpowszechnione obudowy sterowników automatyki.
→ Obudowa o stopniu IP20, montowana w szafie sterowniczej. Jest to tradycyjna obudowa sterowników PLC, które mają osobny interfejs operatorski (HMI) i zwykle wykorzystują integralne i/lub montowane na płycie montażowej lub szynie DIN układy We/Wy i/lub osobno montowane moduły We/Wy.
→ Szczelna obudowa o stopniu ochrony IP65/67/69K, montowana na podstawie lub ścianie czołowej panelu. W tym rozwiązaniu sterownik zintegrowany jest z interfejsem operatorskim. Takie podejście konstrukcyjne jest coraz bardziej popularne wraz z montażem na wysięgniku ze względu na zalety ergonomiczne. Ponadto sterownik może realizować funkcje komputera PC w celu uruchamiania – poza sterowaniem – różnych aplikacji Windows, takich jak interfejs HMI, chociaż obecnie występuje coraz większa tendencja do stosowania ich wersji webowych interfejsów HMI. Obudowa taka spełnia wymagania dotyczące szczelności ze względu na trudne warunki otoczenia oraz konieczność mycia sprzętu. Na przykład często wykonana jest ze stali nierdzewnej, szczególnie do pracy w środowiskach higienicznych. Montaż na podstawie staje się droższy od montażu w panelu, w szczególności oczywiście w ramie ze stali nierdzewnej oraz porównywalnych sterowników o wyższym stopniu ochrony. Niektórzy użytkownicy preferują sterowniki PLC oraz interfejsy operatorskie montowane w panelu w celu unikania wymiany obydwu komponentów, jeśli tylko jeden z nich ulegnie uszkodzeniu. Jednak obecnie nie ma się już czego obawiać, ponieważ dostępne są urządzenia zintegrowane, w których sterownik jest zamontowany w interfejsie operatorskim i jest jednocześnie wyjmowany. Ułatwia to zainstalowanie większego ekranu lub sterownika o większych możliwościach, bez wymiany ekranu.
→ Obudowa o stopniu IP20 dla przemysłowego komputera PC montowanego w szafie sterowniczej, z oddzielnym interfejsem operatorskim. Podobnie jak w przypadku obudowy zintegrowanej, rozwiązanie to może służyć jako sterownik w systemach czasu rzeczywistego, różnych komputerowych systemach operacyjnych i usługach webowych. Sterownik może być oddzielny, natomiast komputer przemysłowy przeznaczony do zadań niezwiązanych ze sterowaniem, takich jak przetwarzanie danych na krawędzi sieci, w tzw. mgle obliczeniowej czy popularnej już chmurze obliczeniowej. Popularnymi aplikacjami są tu też: archiwizacja danych, segregacja serii danych oraz inspekcje wizyjne.
Skalowalność
O ile środowiska programistyczne są często nierozerwalnie związane ze sprzętem – sterownikami PLC o różnej wielkości, nano, mikro, średnimi i dużymi – to możliwa jest także praca w takich środowiskach, które są niezależne od sprzętu. Oznacza to, że projekt jest kodowany, a następnie można odpowiednio dobrać lub zmienić sprzęt sterujący. Ta forma elastyczności rozszerza się na różne typy silników i napędów. Maszyna wykorzystująca tani silnik krokowy czy napęd o zmiennej częstotliwości (VFD) może stosować ten sam program co serwo maszyna najwyższej klasy. Potrzeba skalowalności jest najbardziej wartościowa przy projektowaniu całej rodziny maszyn. Skalowalność pozwala na ponowne użycie kluczowych elementów oprogramowania.
Jednostki centralne (CPU)
Istnieje wiele możliwości wyboru procesorów do konkretnych aplikacji, od prostych i tanich do wielordzeniowych i drogich, których charakterystyka działania się nakłada. W tym jednak obszarze zaleca się współpracę z inżynierami z działów wsparcia technicznego i sprzedaży firm dostarczających sprzęt, aby wybrać optymalne pod względem ceny i osiągów rozwiązanie dla przewidywanych wymagań aplikacji. Specjaliści ci posiadają odpowiednią wiedzę na temat swoich produktów.
W idealnym przypadku wybrane procesory powinny być skalowane tak, aby oprogramowanie sterujące było kompatybilne z całą linią produktową sterowników. Dostawcy technologii automatyki inwestują w znaczne zapasy kluczowych komponentów, aby zapewnić dostępność produktów oraz migrację na zamienniki niewymagające zmiany kodu ani konfiguracji (drop-in replacements).
Ponadto należy określić, czy będzie wymagana praca bez wentylatora oraz jakie będą temperatury otoczenia w miejscu zainstalowania sterownika. Inne opcje chłodzenia to: wentylatory, klimatyzacja, radiatory i chłodzenie wodne.
Pamięć
Pamięci półprzewodnikowe stały się bardzo popularne w sterownikach automatyki. W tańszych aplikacjach wykorzystywane są media przenośne, takie jak karty CFast czy dyski SSD. Zaletami przenośnych pamięci jest łatwość ich zamiany, wykonywania i zapisywania kopii zapasowych oraz zwiększania pojemności.
Jednak wykorzystując przemysłowe karty pamięci, należy zachować ostrożność i upewnić się, że dany nośnik spełnia wymagania techniczne danej aplikacji. Różne typy pamięci mają różne czasy eksploatacji, zależne od liczby cykli odczytu i zapisu. Jest to także temat do przedyskutowania z dostawcą automatyki.
John Kowal jest dyrektorem ds. rozwoju biznesu w firmie B&R Industrial Automation Corp.