Jako zalety sterowania opartego na komputerach przemysłowych należy wymienić kontrolę w prostej formie przy optymalnej skalowalności zarówno oprogramowania, jak i sprzętu. Zapewnia to łatwą migrację między systemami oraz możliwość rozbudowy w przypadku zmieniających się potrzeb aplikacyjnych.
W ielu producentów oferuje możliwość rozbudowy prostych kontrolerów, co w konsekwencji pozwala realizować funkcje obsługi bardziej złożonych urządzeń lub nawet całych systemów technologicznych. Jest to możliwe dzięki technologii wielordzeniowej stosowanej w nowoczesnych procesorach.
Obecnie bezpośrednio z poziomu komputera przemysłowego można realizować wiele funkcji dotychczas przewidzianych wyłącznie dla sterowników PLC, włączając w to kontrolę ruchu, systemy bezpieczeństwa, obsługę interfejsów HMO, a także pomiar i monitorowanie stanów. Wszystkie te funkcje mogą być realizowane przez kontrolery bazujące na procesorach wielordzeniowych. Co istotne, odpowiedni kontroler powinno się dobierać również w zależności od sposobu montażu (szyna, panelowo, w szafie).
Sterowanie może być zintegrowane z panelem HMI, dzięki czemu jedno urządzenie służy zarówno do wizualizacji, jak i realizacji funkcji czy algorytmów sterowania. Dzięki nowoczesnym pamięciom masowym możliwe jest zmniejszenie liczby części ruchomych (np. klasyczne dyski pamięci), co gwarantuje wyższy poziom niezawodności i trwałości, zwłaszcza w przypadku aplikacji o znaczeniu krytycznym.
W razie potrzeby kontroler oparty na PC można bezproblemowo zmienić na mocniejsze urządzenie, pracujące na tej samej platformie programowej. Prace w tym zakresie z reguły sprowadzają się do przełożenia nośnika pamięci, najczęściej karty Compact Flash, ze starego do nowego urządzenia.
Zdalna obsługa
W nowoczesnych systemach sterowania opartych na komputerach ważny jest zdalny dostęp do danych, sterowanie oraz obsługa alarmów. Dzięki odpowiednim modułom oprogramowania system można urozmaicić powiadamianiem o zaistniałych zdarzeniach za pomocą wiadomości tekstowych lub przy użyciu poczty elektronicznej. W rozwiązaniach tego typu uwzględnia się strukturę typu „klient-serwer”. Oprogramowanie „klient”, które żąda alertów, jest w stanie pracować na stacjach sieciowych z jednoczesnym odwoływaniem się do usług świadczonych przez „serwer”. Komunikaty są wysyłane w oparciu o standardową pocztę elektroniczną za pomocą Internetu lub protokołu SMTP. Ważna jest przy tym możliwość docierania informacji za pomocą wiadomości SMS.
W niektórych aplikacjach przewidziano możliwość generowania informacji do określonych grup odbiorców, np. użytkowników indywidualnych (przez telefon komórkowy lub e-mailem), czy też wybranej grupy użytkowników. Można zastosować również harmonogramy będące mechanizmami automatycznego wybierania adresatów.
Integracja
Niemal wszystkie aplikacje sterująco-wizualizacyjne implementowane i obsługiwane za pomocą komputerów bazują na zintegrowanym środowisku projektowym. Kluczową rolę odgrywają narzędzia graficzne, które zdecydowanie skracają czas projektowania takich aplikacji.
Nowoczesne zintegrowane systemy automatyki wymagają współpracy zarówno na płaszczyźnie sprzętowej, jak i programowej, przy czym dla prawidłowej pracy systemu ważna jest wymiana danych pomiędzy urządzeniami sterującymi, wykonawczymi i pomiarowymi. Konieczne jest odpowiednie skonfigurowanie interfejsów (porty szeregowe, gniazda TCP/IP itp.) oraz integracja protokołów komunikacyjnych i zapewnienie mechanizmów odnoszących się do wymiany i archiwizowania danych.
W ostatnim etapie integruje się poszczególne moduły oraz realizowane przez nie funkcje i dodaje kontrolki graficzne, łącząc je z właściwymi kanałami i umieszczając w odpowiednim miejscu na ekranie. Nie bez znaczenia są przy tym możliwości w zakresie przekazywania danych do innych programów sterujących i aplikacji komputerowych.
Ethernet to podstawa
Systemy sterowania bazujące na komputerach przemysłowych mogą wykorzystywać do wymiany danych sieć Ethernet. Zalet wynikających ze stosowania urządzeń z interfejsem Ethernetu przemysłowego jest przynajmniej kilka. Kluczowe pozostaje przede wszystkim łatwe wykonywanie sieci ze względu na jej całkowite zestandaryzowanie, obejmujące: złącza, kable, korytka, gniazda, panele dystrybucyjne, szafy itp. Oprócz tego ważne są też: możliwość łatwego sprawdzenia sieci przy użyciu znormalizowanych testów, kompatybilność interfejsu komunikacyjnego urządzeń oraz elastyczność konfiguracji przeprowadzanej za pomocą przeglądarki internetowej. Warto podkreślić też uniwersalność, dzięki której do sieci Ethernet można podłączać urządzenia z interfejsami szeregowymi oraz całe sieci bazujące na standardzie RS.
Ethernet przemysłowy jest jedną z najszybciej rozwijających się technologii transmisji danych w przemyśle. Można zaobserwować stały trend integracji w ramach tego standardu interfejsów z urządzeniami w niższych poziomach sterowania (poziom obiektowy), np. z czujnikami. Dobierając rozwiązanie do konkretnego systemu, należy zwrócić uwagę na wymagania aplikacji, co wpływa na dobór urządzeń, odpowiedniego protokołu i okablowania. Coraz większe znaczenie mają bezprzewodowe techniki transmisji danych, które stają się konkurencyjne w odniesieniu do rozwiązań przewodowych. Innym ważnym zagadnieniem jest ochrona danych. Dlatego w modułach switchy przemysłowych pojawiają się zintegrowane routery z funkcją firewall lub uwierzytelniania użytkowników.
Zaleca się też stosowanie rozwiązań o zwiększonej niezawodności i odporności na trudne środowisko przemysłowe. Tańsze urządzenia oznaczają pozorne oszczędności, są zazwyczaj usuwane przy pierwszej awarii powodującej przestój w realizowaniu procesu technologicznego.
Uzupełnieniem warstwy sprzętowej jest odpowiednie oprogramowanie monitorująco-diagnostyczne infrastrukturę sieciową, czyli wszystkie urządzenia w sieci Ethernetu przemysłowego, takie jak switche, routery, komputery przemysłowe, panele operatorskie, roboty, sterowniki, kamery itp.
Na polskim rynku Ethernetu przemysłowego dostępna jest szeroka gama urządzeń – od konwerterów typu RS na Ethernet, poprzez serwery portów, media konwertery skrętka-światłowód, przetworniki różnych wielkości, moduły wejść/wyjść, po switche niezarządzalne i zarządzalne oraz routery.
W systemach automatyki dużym uznaniem cieszą się konwertery Ethernet na porty typu RS, które są stosowane w istniejących sieciach RS opartych na magistrali RS-485, interfejsie RS-232 czy CLO, a używane jako punkty dostępowe z Internetu do lokalnej sieci RS.
Przy wyborze elementów infrastruktury Ethernetu przemysłowego należy kierować się potrzebami wykonywanej sieci. Jeżeli kontrolowany proces jest wolnozmienny i podlega nadzorowi przez obsługę, to nie ma potrzeby stosowania rozwiązań opartych na sieci ze strukturą pierścienia. Nie trzeba również uwzględniać urządzeń sieciowych przeznaczonych do systemów czasu rzeczywistego.
W przypadku procesów krytycznych, od których może zależeć życie ludzkie, czy też w efekcie ich niewłaściwej pracy mogą powstać ogromne straty materialne, należy zastosować urządzenia sieciowe umożliwiające zbudowanie sieci redundantnych o jak najkrótszym czasie reakcji na uszkodzenie łącza.
Moduły I/O
Nowoczesne moduły wejścia/wyjścia są niezbędne w systemach automatyki i sterowania. Zadaniem modułów I/O jest zbieranie sygnałów z urządzeń wykonawczych oraz czujników różnych parametrów rozlokowanych w obiekcie, na urządzeniach itp., a następnie ich integrowanie i przetwarzanie. Niejednokrotnie zastosowanie znajdują tu bezprzewodowe systemy wymiany danych.
Dla użytkowników modułów I/O ważna jest prosta, a zarazem elastyczna konfiguracja punktów analogowych i dyskretnych. Nie bez znaczenia pozostaje również ergonomika obsługi urządzenia, polegająca między innymi na łatwym podłączaniu przewodów oraz umieszczaniu modułów na szynie. Kluczową rolę odgrywa możliwość rozbudowania systemu. Przy wyborze modułów zwraca się uwagę na mieszanie wejść/wyjść analogowych z dyskretnymi oraz funkcję diagnostyki i separacji optycznej.
W przemysłowych aplikacjach bardzo często moduły I/O współpracują ze sterownikami PLC. Niejednokrotnie moduły zbierają wiele różnych typów sygnałów w pojedynczym węźle sieciowym. Wejścia mogą mieć postać sygnałów analogowych, cyfrowych oraz pochodzących z termopar, czujników RTD i znaczników RFID. Na uwagę zasługuje możliwość komunikowania z innymi sieciami poprzez interfejsy DeviceNet, CANopen lub Profibus.
W nowoczesnych systemach automatyki i sterowania większość połączeń między modułami wykonuje się za pomocą sieci standardu Ethernetu przemysłowego. Warto wspomnieć tu również o protokołach sieci rozproszonych, dedykowanych do obsługi modułów poziomu obiektowego (czujniki, elementy wykonawcze). Obecnie można nabyć moduły zasilane za pomocą technologii PoE (Power over Ethernet) i z wbudowanym serwerem WWW, umożliwiającym zdalne konfigurowanie, monitorowanie i sterowanie z wykorzystaniem przeglądarki internetowej. Należy podkreślić, że w oferowanych na rynku modułach I/O zwraca się uwagę na ograniczenie ilości kabli połączeniowych.
Panele operatorskie
Projektując aplikacje przemysłowe z systemem sterowania i wizualizacji, można wykorzystać do tego celu nowoczesne panele dotykowe operatorskie – zarówno jako podstawowe urządzenia wizualizacji, jak również terminale operatorskie. Złożoność aplikacji, rodzaj zastosowanych urządzeń sterowniczych, medium komunikacyjne oraz protokół komunikacji poszczególnych elementów sieci determinują dobór odpowiedniego panelu.
Najnowocześniejsze panele operatorskie wykonywane jako dotykowe panele ekranowe zapewniają zaawansowaną grafikę, gwarantującą nowoczesny wygląd i co ważne, wysoką rozdzielczość, komunikatywność panelu. Jego rozmiar (matryca) powinien być odpowiednio duży, co gwarantuje przejrzystość programu i samej aplikacji wizualizacyjnej. Należy przy tym pamiętać, że nie zawsze jest potrzebna duża matryca z bardzo wysoką rozdzielczością i kolorami, szczególnie jeśli chodzi o niewielkie aplikacje.
Podstawowym kryterium uwzględnianym przy doborze panelu są zastosowane porty komunikacyjne i obsługa protokołów komunikacyjnych. Panele najczęściej są wyposażone w porty RS-232/RS-485/RS-422, RS-485/422/MPI 12 Mb. Oprócz tego instalowane są porty USB (do programowania, drukarek, skanerów), gniazda kart CF, wyjścia audio i odpowiednie gniazda rozszerzeń. Nie zawsze dostępny jest interfejs Ethernet i port światłowodowy. Panel należy tak dobrać, aby obsługiwał wszystkie protokoły urządzeń projektowanych w aplikacji. W zasadzie już we wczesnej fazie projektowania wiadomo, jakie funkcje będzie obsługiwał panel i jakie urządzenia będą do niego podłączone i przez niego obsługiwane.
Ważnym elementem przy wyborze panelu jest też dostępność oprogramowania do konfiguracji i programowania aplikacji oraz prosta obsługa, co zdecydowanie wpływa na koszt oraz czas wykonania systemu sterowania. Dodatkowo panele wyposażane są w karty pamięci do archiwizacji danych, serwery WWW służące do bezpośredniego połączenia z siecią internetową i możliwością podglądu aplikacji z komputera stacjonarnego przez przeglądarkę internetową. Przy wyborze panelu operatorskiego warto uwzględnić też cenę urządzenia, na którą wpływ ma głównie zastosowany ekran i liczba portów komunikacyjnych. Ważna jest optymalizacja poszczególnych kryteriów.
Optymalizacja
Każda fabryka jest inna, a co za tym idzie – ilość alarmów i powiadomień znacznie się różni. Alarmy mają przy tym różną hierarchię ważności i nie wszystkie muszą być widoczne na interfejsie głównym aplikacji. Stąd też w niektórych systemach przewiduje się funkcję podsumowania zaistniałych alarmów, które dodatkowo mogą być filtrowane i organizowane zgodnie z bieżącymi potrzebami procesu i operatora.
W nowoczesnych systemach HMI uniwersalność aplikacji zyskuje się dzięki projektowaniu uniwersalnych obiektów wizualizacyjnych. Tym sposobem po zainstalowaniu programu, powstałe elementy konstrukcyjne i szablony zdecydowanie ułatwiają tworzenie narzędzi raportowania oraz analiz na różnych poziomach nadzorowania procesów. W oferowanych na rynku systemach odchodzi się od struktur organizacyjnych z mniejszymi podsystemami. Unika się w ten sposób nieefektywności spowodowanej rozłącznym analizowaniem danych. Ważne jest, aby konfiguracja zapewniała wprowadzanie danych we właściwym kontekście, bez konieczności ponownego przetwarzania. Jeżeli operator analizuje określone dane, to nie powinien tej samej czynności powtarzać jego przełożony czy też menedżer. Ewentualna ponowna analiza informacji powinna być przeprowadzona w odmienny sposób na potrzeby uzyskania innych danych wyjściowych.
Optymalizacja interfejsów HMI w dużej mierze zależy od urządzenia, na którym odbywa się obsługa systemu. Stąd też dostępne na rynku panele operatorskie pozwalają na wymianę informacji pomiędzy urządzeniami sterowania a człowiekiem. Zastosowanie paneli operatorskich zapewnia nie tylko zmianę parametrów pracy systemu sterowania, lecz również zgłaszanie błędów i sygnalizowanie stanów alarmowych w maszynach. Za pomocą ekranu użytkownik może być informowany o przebiegu procesu technologicznego. Panele operatorskie to nie tylko współpraca ze sterownikami PLC. Coraz częściej urządzenia te są uzupełnieniem przemienników częstotliwości, zasilaczy czy też serwonapędów. O funkcjonalności panelu operacyjnego decyduje przede wszystkim sposób wymiany danych z systemami automatyki. Warto zatem zwrócić uwagę na złącza urządzenia, dzięki którym znacznie prostsza jest rozbudowa istniejącego systemu. Niektóre panele charakteryzują się bardzo prostym sposobem przełączania między trybami pracy HMI i HMI-PLC.
Damian Żabicki jest dziennikarzem, redaktorem, autorem zajmującym się tematyką techniczną i przemysłową, a także specjalistą public relations firm z branży technicznej.