10 wskazówek przy projektowaniu systemów sterowania maszynami

Z pewnością wiele razy mieliście Państwo do czynienia z czymś, co nasuwało Wam wątpliwości, czy konstruktor tego przedmiotu używał go kiedykolwiek. Poniżej znajduje się 10 wskazówek dla projektantów i konstruktorów, które mogą ułatwić życie przez oszczędność wysiłku i czasu oraz uniknięcie przyszłych frustracji, zarówno twórcom rozwiązań, jak też ich użytkownikom. Wskazówki te dotyczą rozwiązań z zakresu automatyzacji i sterowania, jak również: oprzyrządowania, czujników, obróbki danych oraz komunikacji.
1. Badać, analizować, ustalać priorytety

Mówiąc skrótowo, należy starannie zebrać informacje, opracować plan działania i konsekwentnie dążyć do osiągnięcia spodziewanych, skonkretyzowanych korzyści. Istnieje bowiem cienka granica pomiędzy elastycznym podejściem a udziwnianiem, które w końcu prowadzi do nadmiernego skomplikowania wyrobów czy końcowych opracowań, poważnie utrudnia użytkowanie, zaś autorom splendoru nie dodaje.
Michael Gurney oraz Ed Diehl, współwłaściciele firmy Concept Systems Inc. (specjalność ? integrowanie przemysłowych systemów automatyki) ujmują sprawę tak: ? Po ustaleniu priorytetów należy rozpocząć najpierw od obszarów, które mogą dać najpoważniejszy zwrot zainwestowanych pieniędzy. A do osiągnięcia tego celu bardzo istotnych informacji mogą dostarczyć analizy jakościowe oraz statystyczna kontrola przebiegu procesu produkcyjnego.
? Modułowa konstrukcja urządzeń i maszyn oraz właściwe dobranie metod produkcji mogą sprostać sprzecznym często wymaganiom coraz większego stopnia specjalizacji tych urządzeń i maszyn oraz zredukować czas ich konstruowania: i w ten sposób obniżyć koszty wytwarzania u producentów ? tak twierdzi Larry Komarek, kierownik produkcji sprzętu automatyzacji w firmie Phoenix Contact Inc.
? Maszynę lub rodzinę maszyn można podzielić na podzespoły funkcyjne, w których każdy podzespół, poza elementami mechanicznymi, będzie zawierał elementy automatyzacji i sterowania oraz procedury programowe, wszystko zintegrowane w jedną całość. Konfiguracje specjalizowane dla potrzeb konkretnego klienta, jak również całe rodziny produktów tworzy się następnie z połączenia takich podzespołów ? Radzi L. Komarek i dodaje: ? Uprzednio zaprojektowane, udokumentowane oraz przetestowane podzespoły produkuje się szybko, co znakomicie obniża koszty.
2. Normalizacja, bezpieczeństwo
? Standaryzowane urządzenia systemów automatyki pozwalają na elastyczne stosowanie coraz to nowszych elementów, ?najlepszych w swojej klasie? i likwidowanie kłopotów związanych z wychodzeniem z użycia, opatentowanych jako całość, systemów sterowania ? twierdzą M. Gurney i E. Diehl.
Wiedza intelektualna zebrana w oprogramowaniu wspomagającym projektowanie wyrobów może zostać przełożona na kody maszyn, co pozwala uniknąć mozolnego dobierania parametrów poszczególnych elementów rozwiązań. Niektóre programy wspomagające proces projektowania są wyposażone w translatory danych do formatów plików, takich jak STEP i IGES. Standard STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data zgodny z ISO 10303) opisuje sposób przedstawienia i zamiany cyfrowych informacji o wyrobach.
? W projektowaniu rozproszonych systemów sterowania wykorzystuje się zalecenia artykułu 430.53 (c) normy NEC (National Electric Code) dotyczącej grupowego instalowania silników w celu zredukowania ilości obwodów regulacyjnych ? mówi Rich Mintz, szef produkcji elektronicznej w firmie SEW-Eurodrive. ? Pozwalato na zmniejszenie kosztów, pomaga wyeliminować zakłócenia wynikłe z niedopasowania elektromagnetycznego oraz zapewnia elastyczność, pozwalającą na łatwe przemieszczanie modułów bez potrzeby zmiany okablowania i ponownego odbioru technicznego systemów.
? Dla zapewnienia bezpieczeństwa wszystkim pracującym na urządzeniach wyposażonych w elektromechaniczne elementy zabezpieczające, należy sprawdzić, czy elementy te spełniają wymagania normy IEC 60204-1 kategoria 4., ustalającej najwyższy pułap w zakresie bezpieczeństwa ? stwierdza Larry Sunday, kierownik produkcji elementów zabezpieczających firmy Schneider Electric. ? Urządzenia produkcyjne były wyposażane w zabezpieczenia zgodne z normą branżową NFPA-79, dostosowaną do wymagań IEC 60204-1 kat. 4 dopiero w 2002 roku.
L. Sunday ostrzega, że powszechna w Ameryce praktyka polegająca na stosowaniu standardowych przekaźników w bazowych obwodach sterujących, określana mianem ?niezawodnego sterowania?, może nie spełniać wymagań kategorii 4. wymienionej normy.
3. Czujniki
? Przy projektowaniu nie należy zostawiać czujników na koniec ? ostrzega Joseph Dolinsky, dyrektor techniczny w firmie Banner Engineering. ? Inteligentne i bardzo małe czujniki oferują oczywiste korzyści, jednak często tańszy, prostszy, choć większy czujnik rozwiąże Twój problem, jeśli tylko jest dla niego wystarczająco dużo miejsca.
? Decyzja jak najlepiej poradzić sobie z regulacją i odpowiedzią ze strony regulowanego procesu zależy od wielu czynników ? mówi Mark Sippel, szef marketingu i zbytu obiektowych czujników wizyjnych firmy Cognex Corporation. Czy sygnał zwrotny z obiektu powinien powodować korektę po każdym pomiarze czy po potwierdzeniu trendu, czy od razu dokonać odrzucenia, czy skorelować z sygnałem z innego źródła, czy jeden sterownik może koordynować otrzymany wynik pomiaru z innymi zadaniami? W jaki sposób mają być wykorzystane sygnały pomiarowe oraz jak i gdzie należy je przesyłać? Jeśli do komunikacji są używane elementy We/Wy, jakie powinny one być i jak usytuowane w odniesieniu do funkcji realizowanych przez inne elementy systemu regulacji? Rozważyć także trzeba problemy zasilania energią, transmisji danych a nawet oświetlenia.

^{Firma SpanTech, producent transporterów posługuje się zdecentralizowaną technologią sterującą SEW-Eurodrive dla zapewnienia większej modularności oraz szybszego i bardziej elastycznego zmieniania konfiguracji linii}
4. Systemy cyfrowe ? sprzęt i oprogramowanie
? Tę długą (?1000-kilometrową? ? jak to określa) podróż, jaką jest projektowanie maszyny, należy rozpocząć od problematyki przetwarzania danych ? mówi Rahul Kulkarni, jeden ze specjalistów automatyki w firmie National Instruments. ? Obecne regulatory mogą mieć postać sterowników (PLC), minikomputerów (PC-104), interfejsów PCI, PXI czy też specjalizowanej płytki drukowanej ? dodaje R. Kulkami. Przed wyborem rozwiązania należy wziąć pod uwagę wszystkie funkcje, jakie ma wykonać sprzęt cyfrowy: automatyczne zbieranie danych, ich obróbka, przetwarzanie i transmisja, wykorzystanie procedur logicznych, automatyczną regulację procesu technologicznego, sterowanie ruchem, monitorowanie stanu, alarmowanie, raportowanie i wizualizację ? by wymienić tylko najważniejsze.
? Narzędzia do programowania powinny działać w sposób zrozumiały, a wynikające z nich kody powinny mieć formę modułową; powinny się dać skalować i nadawać do wielokrotnego użytku ? stwierdza Dan Seger, główny konsultant techniczny produkcji sprzętu elektronicznego w firmie Rockwell Automation. ? Należy wybrać takie rozwiązanie, taką architekturę, która pomoże uprościć projekt.
? Od sterowników i sieci po urządzenia peryferyjne oraz interfejsy operatora podejmowanie decyzji na zasadzie wybierania wyłącznie najtańszych rozwiązań może później powodować kosztowne w rozwiązaniu problemy ? uzupełnia D. Seger. ? Oprócz tego wymienność elementów i zgodność ich charakterystyk technicznych (kompatybilność) zwiększa efektywność i obniża koszty, bowiem elementy systemu można ze sobą łączyć i mogą się one ze sobą komunikować w tym samym języku ? wtedy nie trzeba się zastanawiać, jak zapewnić komunikację pomiędzy urządzeniami. Tanie sposoby zapewniania komunikacji między przyrządami są rzadko łatwe w użyciu, a ich uruchomienie i utrzymanie w ruchu zabiera zazwyczaj dużo czasu.
Dla uzyskania najlepszych wyników D. Seger sugeruje rozdzielenie programowania funkcji regulacyjnych i sterowania od programowania przepływu i udostępniania informacji. Poleca też, jako bardzo pomocne, uporządkowane formaty danych, rozwijane menu oraz biblioteki obiektów opartych na kodach, ułożonych według funkcji.
5. Elementy wykonawcze automatyki
Tutaj trzeba wybrać z pośród oferty miliardów: typów, odmian i wykonań, pneumatycznych, hydraulicznych lub elektrycznych elementów wykonawczych oraz ich napędów, decydując właściwie dla potrzeb regulacji. Bardzo bogata jest również oferta sterowników do silników elektrycznych, zarówno w systemach analogowych jak i cyfrowych.
Kedar Godbole, strateg sterowania pracą silników w firmie Texas Instruments zaleca poszukiwanie wyższej efektywności nowych rozwiązań oraz redukcję kosztów instalowanych systemów. Potrzeba: kompromisu pomiędzy efektywnością a ceną (optymalny stosunek efektywności do ceny) wydajnego języka C/C++ do szybkiego sporządzenia programu, wysokiego poziomu integracji analogowej (wiele peryferyjnych urządzeń regulacyjnych) oraz elastycznych i łatwych w użyciu narzędzi.
? Płynne regulowanie prawie zawsze jest bardziej wydajne niż dławienie czy hamowanie ? mówi Jan Lindholm z firmy SEW-Eurodrive. ? Napędy z zastosowaniem falowników (bezstopniowa regulacja częstotliwości ? szczególnie w systemie zamkniętej pętli) może podwoić, a czasami nawet potroić trwałość sprzętu (czas pracy między awariami), w porównaniu do rozwiązań z hamulcami sprzęgłowymi czy do podobnych rozwiązań.
J. Lindholm wyjaśnia przy tym, że: ? Napędy typu VFD (falowniki) są teraz znane i ogólnie dostępne, pozwalają rozwiązać mnóstwo problemów z silnikami.

6. Ekrany dotykowe czy przyciski?
Gdybyśmy chcieli dokonać porównania zalet interfejsów użytkownika typu pulpit z przyciskami lub porównać komputerowy interfejs HMI z ekranem dotykowym, to chyba z trudem znaleźlibyśmy przykład przewagi przycisków, no może tylko w małych i prostych urządzeniach lub przy dublowaniu układów zabezpieczeń ? i to głównie ze względu na cenę. Interfejsy z ekranami dotykowymi mają nieporównanie większe możliwości, a przy tym są wyposażone w programy ułatwiające adaptację w nowym otoczeniu i ponownego użycia w całkowicie zmienionej konfiguracji systemu automatyki.
Interfejs użytkownika HMI oferuje też inne zalety, od łączenia danych po diagnostykę. Joe Rubino, kierownik marketingu oprogramowania w firmie Omron Electronics LLC, mówi, że: ? Oprogramowanie diagnozujące stan i sytuacje awaryjne oraz wysyłające odpowiednie komunikaty do użytkowników wydłuża czas przydatności sprzętu do pracy, daje możliwość zredukowania oprogramowania, ułatwia wymienność, co stanowi oddzielną wartość, bardzo znaczącą w stosunku do poniesionych kosztów.
7. Sieci i komunikacja

Sieci bezprzewodowe pozwalają na oszczędność w okablowaniu oraz eliminują potrzebę stosowania przekładów różnych protokołów komunikacji, tak w obrębie automatyzowanego/sterowanego urządzenia, jak i poza nim. David Crump, zajmujący się marketingiem rozwiązań komunikacyjnych w firmie Opto 22 mówi, że: ? Komunikacja maszyny do maszyny (ang. M2M) zwiększa wymienność urządzeń, a wykorzystując bezprzewodową technikę komunikacji, dołącza maszyny i urządzenia do systemów automatyzacji całego przedsiębiorstwa. Pozwala to na zdalne wizualizowanie stanów maszyn i urządzeń, ich załączanie lub wyłącznie, raportowanie danych o produkcji oraz inne działania operatorskie. Technika M2M pomaga również projektantom maszyn śledzić ich cykle życia, identyfikować obszary, gdzie występują zakłócenia lub awarie, udoskonalać przyszłe projekty i stwarzać nowe możliwości dla generowania zysków firmy, poprzez oferowanie klientom usług obniżających koszty, takich jak wyprzedzające (proaktywne) naprawy i konserwacje maszyn i urządzeń lub planowanie napraw.
Pracujący dla National Instrument Rahul Kulkarni stwierdza: ? Technika łączności bezprzewodowej ma różne oblicza: czy to dla komunikacji między urządzeniami (M2M), czy pomiędzy komputerem w siedzibie zarządu a fabrycznym, oddalonym o setki kilometrów systemem interfejsu użytkownika HMI, wyposażonym dodatkowo w sprzęt i oprogramowanie do regulacji nadzorczej oraz zbierania i przetwarzania danych (SCADA). W takim przypadku idealną jest komunikacja bezprzewodowa satelitarna bądź komórkowa. Przy tym dla komunikacji bezprzewodowej pomiędzy sterownikiem (PLC), a interfejsem HMI/SCADA najlepszym rozwiązaniem jest dowolny system łączności z pośród ujętych normą IEEE 802.11.
? Jednakże dla zapewnienia komunikacji pomiędzy sterownikiem a czujnikami, przy odległościach 10-100 m, techniki takie jak Bluetooth i Zigbee (o prędkości transmisji do 1 Mb/s) są bardziej skuteczne ? uzupełnia R. Kulkarni.
Z kolei D. Seger z Rockwell Automation mówi: ? Stosujmy technikę bezprzewodowej komunikacji, aby uniknąć urządzeń posługujących się łączem RS-232 lub Ethernetem, które wymagają napisania właściwych protokołów komunikacyjnych dla zapewnienia transferu danych, a to tylko pochłania czas zamiast go oszczędzać.
W obrębie urządzenia zastosowanie połączeń przewodowych elementów We/Wy, zabezpieczonych przed luzowaniem się, pozwala na znaczną oszczędność czasu potrzebnego na montaż oraz wykrywanie i usuwanie usterek. Dean Norton, szef marketingu w firmie Wago mówi: ? Bezśrubowa technika przyłączy przewodów firmy Wago o nazwie Cage Clamp redukuje czas okablowania aż do 60%, w dodatku eliminując potrzebę ponownego dokręcania co 6-8 miesięcy, jak to ma miejsce w niektórych rozwiązaniach, a przy tym pozwala na większą elastyczność. ? Monter może wstępnie okablować i zainstalować wszystkie niezbędne elementy We/Wy na urządzeniu a dopiero na końcu zainstalować sterownik z protokołem komunikacji odpowiednim dla istniejącej magistrali obiektowej ? wyjaśnia D. Norton.
8. Zasilanie
Największą oszczędność czasu i wysiłku daje zakupienie gotowego systemu zasilania. Należy to wziąć pod uwagę, zanim zaczniemy samodzielnie projektować nowy system.
W celu zapewnia większej efektywności i wyższego stopnia integracji można raportować stany i pracę: szyn zbiorczych, zasilaczy, inteligentnych zespołów oraz systemu zarządzania rozpływem energii na interfejsach użytkownika (HMI). Do tego starannie wykonane izolowanie i ekranowanie przewodów oraz obserwowanie pracy linii zasilającej zapewnia minimalizację zakłóceń napięciowych w linii elektroenergetycznej zasilającej sprzęt systemu automatyki.
9. Integracja
W celu zwiększenia wydajności automatyzowanego urządzenia lub maszyny należy przeanalizować całość problematyki związanej z przebiegiem cyklu produkcyjnego, łącznie z otoczeniem urządzenia. Fredrik Jönsson, główny dyrektor zarządzający firmy FlexLink Systems AB stwierdza: ? 30%-owe wykorzystanie możliwości produkcyjnych to w dalszym ciągu typowy wynik w większości fabryk. Poprzez całościowe rozpatrzenie całego procesu produkcji można ten wskaźnik znacząco podnieść.
Wykorzystanie informacji pochodzących z obrabiarek oraz integrowanie ich z informacjami posiadanymi już w systemie automatyki zakładu generuje korzyści wychodzące daleko poza same maszyny. Jak podaje Step Tools Incorporation: ? Wiele głównych rozwiązań czysto technicznych, ale równieżz dziedziny organizacji produkcji wykazało, że np. wykorzystanie bazy danych według standardu STEP może zredukować koszt planowania produkcji od 35% do 75%.
10. Przygotowania
A kiedy uznacie Państwo, że wszystko zostało już przygotowane, należy wygospodarować odrobinę czasu na wykonanie oceny, zebranie opinii i wniosków oraz przygotowanie podstaw do następnego cyklu projektowego. Trzeba to zrobić wtedy, gdy projekt tkwi jeszcze świeżo w Waszych głowach, ponieważ przy mnogości innych zajęć i obowiązków ta świeżość nie potrwa długo.
ce