Przyszłość systemów automatyki – integracja, elastyczność, niezawodność

Dziś coraz wyraźniej widać, iż przyszłość przemysłowych systemów automatyki to pełna ich integracja z ogólnozakładową infrastrukturą sieciową i teleinformatyczną – bazującą na standardach i protokołach komunikacji sieci Ethernet oraz Internet.

Możliwość szerszego wykorzystania popularnego i najczęściej już istniejącego w zakładzie medium transmisji danych przynosi zarówno inwestorowi, jak i użytkownikom wymierne korzyści i oszczędności. Dlatego też liczne zespoły badawczo-rozwojowe, składające się z przedstawicieli wiodących firm–dostawców urządzeń automatyki oraz koncernów informatycznych, wciąż prowadzą intensywne prace, związane z rozszerzeniem protokołu Ethernet o możliwości obsługi niewielkich pakietów danych (charakterystycznych dla aplikacji sterowania urządzeniami przemysłowymi) – przy jednoczesnym spełnieniu surowych wymogów krótkiego czasu reakcji i przesłania informacji.

Pojawia się tu kwestia tzw. czasu rzeczywistego, którego definicja nie jest jednoznaczna i wywołuje ciągłe polemiki oraz dyskusje fachowców. Ogólnie przyjmuje się, iż praca dowolnego systemu automatyki, obsługującego konkretną aplikację, może być postrzegana jako praca w czasie rzeczywistym, jeżeli zapewniona jest taka szybkość transmisji danych pomiędzy elementami systemu, która nie powoduje istotnych dla danej aplikacji opóźnień w reakcji i prawidłowym jej funkcjonowaniu.

Mówiąc o pracy systemu w czasie rzeczywistym, należy zwrócić uwagę na dwa istotne aspekty: objętość transmitowanych danych oraz szybkość i niezawodność ich przesyłu. Nabierają one bowiem szczególnego znaczenia przy próbach integracji systemów teleinformatycznych przedsiębiorstwa (duże pakiety danych, brak szczególnych wymogów co do szybkości transmisji) z infrastrukturą systemów automatyki, zwłaszcza precyzyjnie sterowanych napędów elektrycznych (niewielkie pakiety danych, konieczność szybkiej transmisji i reakcji sterowanego układu). W uzyskaniu kompromisu pomiędzy tymi dwoma aspektami technicznymi pomocne są opisywane w niniejszym dodatku rozwiązania modułowe i funkcjonalne, zastosowane w standardzie Profinet, ale podejmowane również w innych standardach.

Kolejnym ważnym aspektem, związanym tym razem ze zwiększeniem elastyczności systemów automatyki przemysłowej i możliwościami ich zastosowania w miejscach, aplikacjach dotychczas niedostępnych, jest kwestia wykorzystania w elementach systemowych coraz bardziej popularnych różnych standardów komunikacji bezprzewodowej. Dotyczy to w szczególności aplikacji przemysłowych, charakteryzujących się dużą dynamiką w sensie mechanicznym. Częste i szybkie zmiany położenia, np. ramion robotów, prowadzą zazwyczaj do szybkiego zniszczenia lub co najmniej nadwyrężenia obsługujących je połączeń kablowych. W sukurs przychodzą tu moduły komunikacyjne standardów WLAN i Bluetooth, korzystające z radiowej transmisji sygnałów i danych. Urządzenia systemowe z takimi modułami mogą być bowiem umieszczane w różnych, nawet trudnodostępnych miejscach, odbierając niezbędne dla ich funkcjonowania sygnały sterujące lub przekazując dane o stanie obsługiwanego urządzenia przemysłowego do sieci.

Zaletą tych rozwiązań jest ich stosunkowo niska cena, ze względu na dopasowanie do popularnych standardów transmisji bezprzewodowej i sieciowej (Ethernet). I choć w aplikacjach przemysłowych oferowana przez nie szybkość transmisji może być w niektórych przypadkach niewystarczająca, o ich ostatecznym zastosowaniu decyduje właśnie kwestia łatwości integracji i standaryzacji. Oczywiście w specyfikacjach wspomnianych tu protokołów komunikacji bezprzewodowej niemal na bieżąco wprowadza się ciągłe udoskonalenia i dodatkowe funkcje, przyspieszające transmisję danych i ograniczające jej ewentualne błędy lub zakłócenia – dzięki czemu na rynku pojawia się coraz więcej urządzeń systemowych dla aplikacji przemysłowych sieci automatyki.

Jeszcze jedna kwestia, na którą należy zwrócić uwagę przy decyzji o zastosowaniu technik bezprzewodowych, to zachowanie właściwego (określonego w licznych normach) poziomu kompatybilności elektromagnetycznej w środowisku, gdzie tego typu urządzenia będą instalowane, bowiem pojawienie się sygnałów zaburzeń od innych systemów elektrycznych (np. linie zasilania, napędy, urządzenia energoelektroniczne i związane z nimi wysokich rzędów harmoniczne lub inne sygnały radiowe w podobnym paśmie częstotliwości), może doprowadzić do zakłóceń transmisji danych w sieci automatyki przemysłowej.

Ostatnio, w ramach wspomnianej już na początku ogólnej tendencji do pełnej integracji wszystkich systemów w przedsiębiorstwach, niezwykle popularna stała się idea połączenia systemów automatyki z systemami i urządzeniami bezpieczeństwa w zakładach przemysłowych. Działania w tym zakresie podjęli również inżynierowie firmy Phoenix Contact – o czym szerzej wspomniano w artykule „Systemy bezpieczeństwa w sieci Profinet” niniejszego dodatku. Dzięki ich wysiłkom użytkownik może swobodnie operować informacjami niezbędnymi dla zachowania bezpieczeństwa pracowników oraz samych urządzeń i szybko, zawczasu podejmować konieczne decyzje lub działania, zmierzające do ograniczenia ryzyka wystąpienia awarii lub wypadków.

Podsumowując powyższe rozważania, współczesne systemy automatyki przemysłowej stają się coraz bardziej uniwersalnym i elastycznym z punktu widzenia użytkownika środowiskiem wymiany informacji pomiędzy licznymi urządzeniami systemowymi, spełniającymi różnorakie funkcje; począwszy od prostego sterowania typu załącz / wyłącz, aż po zaawansowane i precyzyjne sterowanie – np.: serwonapędami, urządzeniami hydraulicznymi i pneumatycznymi oraz zintegrowanymi modułami bezpieczeństwa.

Kluczowym rozwiązaniem technicznym, umożliwiającym tak szeroką integrację funkcjonalną omawianych systemów, było wprowadzenie prostych i zaawansowanych mikrokontrolerów, a dzięki nim rozproszenie funkcji systemu, nawet z możliwością praktycznie autonomicznej pracy niektórych urządzeń systemowych, opierając się na zapisanych w nich programach i algorytmach. Prowadzone obecnie działania zmierzające do pełnej integracji systemów sterowania oraz systemów teleinformatycznych w zakładzie, usprawniają również procedury zarządzania i kontroli produkcji, magazynów itp., a także utrzymanie ruchu i zapobieganie sytuacjom awaryjnym. Wynikające z tego oszczędności czasowe i kapitałowe są już dziś eksponowane przez szerokie grono użytkowników nowoczesnych, rozproszonych systemów automatyki.

Jasne symptomy dalszego kierunku rozwoju systemów automatyki są więc dosyć klarowne, a jakie rozwiązania podpowie przyszłość i szybki rozwój nowych technologii, będziemy mogli stwierdzić już niedługo. n

Dr inż. Andrzej Ożadowicz z Katedry Automatyki Napędów i Urządzeń Przemysłowych na AGH w Krakowie jest redaktorem Control Engineering Polska od 2005 roku. Specjalizuje się m.in. w zagadnieniach integracji systemów – sieci i komunikacja.