Konwergencja sterowników przemysłowych typu PLC, PAC oraz IPC

Współczesna oferta rynkowa obejmuje zasadniczo trzy typy przemysłowych sterowników maszyn lub procesów technologicznych: PLC, PAC oraz IPC. Warto przyjrzeć się tym grupom urządzeń – skąd się wzięły, do jakich aplikacji są przeznaczone i jak dobrać właściwą opcję do danego zastosowania.
Pojęcie „dywergentny” albo „rozbieżny” (ang. divergent) jest definiowane jako „mający tendencję do bycia innym lub rozwijania się w różnych kierunkach”. To powszechna strategia w przypadku działalności wielu firm, które dążą do odróżnienia się od konkurencji, często w trywialny sposób. W odniesieniu do sterowników przemysłowych najlepszym słowem opisującym stan rynku i dostępnych cech oferowanych urządzeń jest jednak termin „konwergentny” lub „zbieżny”(ang. convergent). Oznacza on wzajemne zbliżanie się, co szczególnie dotyczy cech lub idei. To całkiem trafnie określa relację pomiędzy programowalnymi sterownikami logicznymi PLC (Programmable Logic Controller), programowalnymi sterownikami automatyki PAC (Programmable Automation Controllers) oraz przemysłowymi komputerami typu PC (Industrial Personal Computer – IPC). W artykule otwierającym najnowszy temat numeru spróbujemy przedstawić, jak tendencja do konwergencji przejawia się w rozwoju różnych typów sterowników przemysłowych.
Pochodzenie i historia sterowników

Pierwszym ze sterowników przemysłowych był PLC, wynaleziony – jak się powszechnie przyjęło – przez Dicka Morleya. Skonstruowanie tego urządzenia na zawsze zmieniło sposób sterowania pracą maszyn. Ów sterownik, jako zamiennik powszechnie wówczas stosowanych układów przekaźnikowych, w ciągu ostatnich czterdziestu pięciu lat przybrał wiele postaci, rozrastając się od prostego układu logicznego do prawdziwego ośrodka sterującego realizacją wielu zadań, w rozmaitych zautomatyzowanych systemach.
Z kolei nazwę PAC stworzyła firma ARC Advisory Group w 2001 r. Z jednej strony nadal istniało wiele tradycyjnych sterowników, podobnych do urządzeń Morleya, jednak z drugiej na rynku sterowników przemysłowych pojawiła się fala nowej technologii wprowadzanej do świata automatyki.
Większość z innowacji towarzyszących sterownikom PAC wywodziła się z postępu technologicznego dokonującego się od połowy lat 90. w odniesieniu do komputerów osobistych typu PC oraz innych technologii komercyjnych, takich jak np. telefony komórkowe. Te branże rozwijały się wówczas gwałtownie, a rynki napędzane przez konsumentów nagle zaczęły odgrywać rolę w produkcji mniejszych, tańszych i szybszych komponentów, które ponadto nadawały się do wykorzystania w automatyce przemysłowej. Początkowo nie rozważano produkcji wielu komponentów o parametrach odpowiednich do pracy w przemyśle, jednak to się szybko zmieniło.
Komputery typu IPC w rzeczywistości istnieją dłużej niż sterowniki PAC – co najmniej od połowy lat 80. Pierwsze modele były dość duże i drogie, np. wersja IBM miała wielkość silnika o mocy 50 KM i kosztowała ok. 10 tys. dolarów. W miarę upływu czasu kształt i rozmiary oraz cena komputera IPC zbliżały się jednak do sterowników PLC i PAC lub nawet okazywały się mniejsze. Problem stanowił jednak system operacyjny. Wersje Microsoft Windows do komputerów osobistych i biurowych nie były bowiem wystarczająco niezawodne, aby nadawały się do sterowania w czasie rzeczywistym. Odpowiedzią było zbudowanie komputera-hosta do systemów operacyjnych czasu rzeczywistego. To zmieniło sprzęt IPC w sterownik o wysokich parametrach, odpowiedni do zastosowań przemysłowych.
Wśród omawianych platform istnieje pewna liczba unikatowych cech charakterystycznych, ale – jak można to zaobserwować na przestrzeni ostatnich kilku lat – granice pomiędzy platformami coraz bardziej się zacierają.
Ostatnio wprowadzone technologie uczyniły PLC sterownikiem o znacznie większych możliwościach niż pierwotne zamienniki układów przekaźnikowych, zaprojektowane ponad czterdzieści pięć lat temu. W tabeli na następnych stronach pokazano dane, które niekoniecznie reprezentują cechy każdego ze sterowników w odpowiedniej kategorii, ale przedstawiają charakterystykę ogólną tych kategorii.
Sterowniki PLC
W swojej najbardziej podstawowej formie sterowniki PLC są „koniem roboczym” wielu aplikacji automatyki przemysłowej – zazwyczaj działają dziesięć lat lub dłużej i wymagają ledwie minimalnych działań konserwacyjnych. Często mają wbudowane procesory z macierzą bramek, zaprojektowane do określonych celów, oraz firmowe interfejsy komunikacyjne. Tego typu urządzenia są nadal popularne w takich aplikacjach, jak sterowanie maszyn oraz proste układy sterujące, takie jak te działające w stacjach pomp wody pitnej czy oczyszczalniach ścieków. Ich programowanie w języku drabinkowym jest dobrze dopasowane do złożonych, zautomatyzowanych sekwencji sterowania, jednak wykazuje braki w przypadku sterowania zmiennymi analogowymi oraz przy opracowywaniu i analizie danych.
PLC działają dobrze w aplikacjach, w których na wagę złota jest przestrzeń, ponieważ mają małe wymiary – zarówno w wersji fixed form factor (ustalonej fabrycznie, nienadającej się do rozbudowy), jak i modułowej. Podczas gdy opcje ich rozbudowy są ograniczone, niski koszt sprzętu i oprogramowania spowodował sporą popularność PLC wśród producentów klasy OEM oraz w wielu innych zastosowaniach.
I chociaż pamięć programowa tych urządzeń jest zwykle z niskiej lub średniej półki, to w celu oferowania bardziej zaawansowanego sterowania mogąbyć integrowane z systemami ruchu (obsługa napędów) oraz wizyjnymi.

<—newpage—>Konwergencja: sterowniki PAC stworzone na bazie PLC

Chociaż PLC znajdują się w użyciu już od lat 70. XX w., postęp technologiczny, jaki dokonuje się w elektronice, stwarza przychylną atmosferę dla rozwoju nowej klasy sterowników (fot. 1). Komponenty są teraz mniejsze, szybsze, tańsze i bardziej niezawodne niż kiedykolwiek przedtem. Otwiera to szansę dla poszerzania możliwości, bez nadmiernego zwiększania kosztów oraz obniżania cen typowego systemu sterowania najwyższej klasy bez osłabiania jego parametrów. W ten sposób ze szkieletu sterownika PLC wyłonił się sterownik PAC.
Ponieważ sterownik PAC niejako pojawił się w wyniku ewolucji PLC i prezentuje wiele z jego najlepszych cech, takich jak niezawodność i kompaktowy kształt, ma sens traktowanie go jako urządzenia opracowanego na bazie sterownika PLC. Jest to doskonały przykład konwergencji technologii w świecie przemysłu. Modele określane jako PAC mogą spełnić wymagania wielu aplikacji, od prostych i tanich sterowników maszyn, do złożonych układów sterowania dużych systemów, z wieloma punktami wejścia/wyjścia (I/O).
Rozwojowi sterowników PAC na bazie sterowników PLC sprzyja współczesny gwałtowny postęp technologiczny, umożliwiający dostawcom produkowanie lepszych modeli po niższych cenach, w porównaniu do starszych systemów sterowania. Technologia znajdująca się wewnątrz tych urządzeń staje się ponadto bardziej kompaktowa, co powoduje, że doskonale pasują one do wielu aplikacji sterowania maszyn oraz innych urządzeń OEM.
Wiele z tych maszyn wymaga umiarkowanie krótkich czasów skanowania, aby na wysoce konkurencyjnych rynkach móc wypełnić specyfikacje projektowe podane przez producentów OEM. W przeszłości producenci maszyn często stawiali czoła problemom z zastosowaniem odpowiednich sterowników PLC, które musiały spełniać wymagania dotyczące czasu i niezawodności obsługi we/wy, wymiarów, ograniczeń oraz parametrów działania.
Alternatywą było dokonanie przejścia – często wręcz koniecznego ze względu na realizację celów postawionych przez inżynierów projektantów – na wysokiej klasy sterownik PAC lub komputer IPC. W wielu przypadkach zastosowanie tych bardziej rozbudowanych sterowników było jednak przesadą i zawyżało nadmiernie koszt ogólny projektu na skutek użycia większej obudowy oraz droższego sprzętu i oprogramowania. Można więc było sięgnąć po sterowniki PAC na bazie sterownika PLC, zapewniające wymagane parametry działania przy kompaktowych wymiarach i po konkurencyjnej cenie.
Rozbudowa układów sterowania za pomocą PAC
Poza sterowaniem pracą maszyn współczesne sterowniki PAC na bazie PLC często dobrze się nadają do wykorzystania w dość złożonych aplikacjach. Na przykład nowoczesny sterownik PAC może skanować setki kanałów analogowych i zapisywać punkty danych do pliku w zintegrowanym porcie pamięci, a następnie umożliwiać dostęp do tych plików za pomocą standardowej przeglądarki internetowej, poprzez własny wbudowany serwer WWW (fot. 2).
Te sterowniki PAC o większych możliwościach zwykle mają procesor ogólnego przeznaczenia. Są także oferowane z szerokim zakresem standardowych protokołów komunikacyjnych, co umożliwia integrację i połączenia z różnymi urządzeniami. Ze względu na dostęp do wielu języków programowania, zdefiniowanych w normie IEC 61131-3, zapewniają rozległe możliwości sterowania. Te systemy o małych i średnich wymiarach, przeznaczone do wbudowania do szaf typu rack, mają także średnią i dużą możliwość zwiększania liczby wejść/wyjść oraz rozszerzania pamięci.
Możliwości te czynią sprzęt i oprogramowanie PAC opcją droższą niż PLC, jednak sterownik PAC na bazie sterownika PLC zapewnia najwyższy poziom parametrów pracy, wymagany w niektórych aplikacjach.
Przykładowo, duże możliwości rozszerzania pamięci sprawiają, że jest to idealne urządzenie do tworzenia macierzy 1D i 2D w celu śledzenia produktów w wymagających aplikacjach, ze śledzeniem atrybutów jakości, danych wysyłkowych, informacji dotyczących klientów itd. Możliwość używania nazw znaczników w sterownikach PAC na bazie sterowników PLC ułatwia także sprzęganie ich z systemami monitorowania i wizualizacji procesów HMI/SCADA, serwerami OPC, oprogramowaniem baz danych systemów ERP oraz aplikacjami sterowania ruchem i wizyjnymi.
Komputery IPC o dużych możliwościach

W bardziej wyspecjalizowanych obszarach automatyki oraz integracji systemów ogromne korzyści może przynieść zastosowanie środowiska komputerów IPC (fot. 3). Dobrymi przykładami są zaawansowane systemy sterowania ruchem, napędami i wizyjne, ponieważ umożliwiają wykorzystywanie wbudowanej w IPC opcji sterowania układami napędowymi do realizacji skoordynowanego sterowania wieloma osiami ruchu. Jeśli istnieje potrzeba zaprojektowania aplikacji za pomocą jednego środowiska programistycznego, widać zalety takiego rozwiązania.
W komputerach IPC montowane są zwykle wielordzeniowe procesory stosowane w komputerach PC, a opcje komunikacyjne pozostają z natury otwarte i ograniczone tylko przez protokoły wymagające specjalnego sprzętu. Ethernet jest zdecydowanie najbardziej popularną opcją komunikacyjną, obsługującą wiele protokołów, takich jak EtherNet/IP, Modbus TCP oraz Profinet.
Możliwości programowania sterowników pozostają największe właśnie w przypadku komputerów IPC. Są tu dostępne nie tylko języki wg normy IEC 61131-3, ale także i te używane do programowania maszyn PC, takie jak C++ i Microsoft.NET framework. Ze względu na podbudowę na bazie komputera PC, interfejs HMI w takich urządzeniach może być zainstalowany w tej samej obudowie i uruchamiany na swoim procesorze w systemie wielordzeniowym.
Komputer IPC jest zwykle podłączony do punktów wejść/wyjść za pomocą łącznika magistrali, tworząc rozproszony system sterowania. Jego konstrukcja czyni go opcją najbardziej nadającą się do rozbudowy ze wszystkich dostępnych na rynku – jest ona zwykle ograniczona jedynie parametrami magistrali.
Te obszerne możliwości sterowania i wysokie parametry pracy są jednak okupione odpowiednio wysokimi cenami, zarówno sprzętu, jak i oprogramowania. W zamian za to komputery IPC oferują dużą pamięć programową, która daje się rozbudowywać według potrzeb, oraz najlepsze w swojej klasie zintegrowane możliwości sterowania ruchem i wizyjne.
Poza granicami
Istnieje też wiele aplikacji, które wykraczają poza granice tych klasyfikacji – wyspecjalizowane wymagania decydują o faworyzowaniu określonych platform sterowania w stosunku do innych. Sterowniki PLC i PAC mają ze sobą wiele wspólnego, a nowa technologia sprzętowa tylko wzmacnia tę wspólną strefę.
Autor: Jeff Payne jest menedżerem wyrobu w grupie automatyki i sterowania firmy AutomationDirect.
Tekst pochodzi z nr 1/2017 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.