Rozwój przemysłowych systemów sterowania QUO VADIS Ethernet?

 Istnienie współczesnego zakładu przemysłowego, oferującego nowatorskie produkty i dążącego do utrzymania swej konkurencyjności na rynku, jest praktycznie niemożliwe bez nowoczesnego systemu sterowania urządzeniami wykorzystywanymi w tym zakładzie oraz rozbudowanego systemu zarządzania jego całą infrastrukturą.
Oczywiście systemy takie istnieją już od dość dawna, jednakże dopiero dziś i w najbliższej przyszłości mogą one być w pełni zintegrowane, przyczyniając się do wzrostu wydajności produkcji i niezawodności funkcjonowania całego przedsiębiorstwa.

Rys. 1. Rozwój przemysłowych systemów automatyki i sterowania

Wszystko to za sprawą obserwowanego w ostatnim czasie szybkiego rozwoju nowoczesnych technologii elektronicznych i przemysłowych oraz technik i sieci komputerowych (branża IT). To dzięki nim inżynierowie mogą opracowywać coraz to nowsze koncepcje i standardy przemysłowych systemów sterowania, częstokroć realizujące zadania, które dotychczas nie mogły być wykonane ze względu na ograniczenia sprzętowe i programowe (np. obsługa czujników czy sterowników w trudnodostępnych miejscach, poprzez implementację modułów komunikacji bezprzewodowej itp.). 
W związku z coraz większą popularnością i dostępnością globalnej sieci Internet pojawiła się również koncepcja wykorzystania jej protokołu komunikacyjnego TCP/IP w sieciach zakładowych i przemysłowych Ethernet. Takie rozwiązanie pozwoliłoby na większą elastyczność konfiguracji całego systemu sterowania, zwiększyło jego dostępność (np. możliwość zdalnego monitoringu stanu urządzeń z dowolnego miejsca przez standardową przeglądarkę internetową) oraz umożliwiło dokonanie integracji poziomu produkcji ze strukturami zarządzania i biznesu w przedsiębiorstwie.
W niniejszym artykule przedstawiono pokrótce kolejne etapy rozwoju standardów w przemysłowych systemach sterowania, przeanalizowano obecną sytuację w tej dziedzinie, zwracając szczególną uwagę na pojawiające się problemy i ograniczenia techniczne oraz zarysowując wyłaniające się już dziś perspektywy przyszłości tego typu systemów. Zaprezentowano również kilka już proponowanych na rynku koncepcji i rozwiązań praktycznych, nowoczesnych i bardziej niezawodnych systemów sterowania.
Przemysłowe systemy sterowania – koncepcja i rozwój
W przeszłości, nie tak zresztą odległej, systemy sterowania miały głównie strukturę scentralizowaną, z jedną jednostką centralną (np. szybki, wydajny komputer), do której równolegle dołączane były moduły We/Wy analogowych i cyfrowych, napędy z enkoderami oraz inne urządzenia wymagające precyzyjnego sterowania lub monitoringu parametrów ich pracy.
Taka koncepcja miała jednak podstawową wadę – ewentualna awaria jednostki centralnej powodowała stan awaryjny całego systemu sterowania i monitoringu. Istotną kwestią była również konieczność kolejkowania zadań przychodzących z poszczególnych urządzeń do jednostki centralnej, nadawanie im odpowiednich priorytetów itp. Powodowało to oczywiście wydłużenie reakcji systemu na zdarzenia lub sygnały sterujące. Problem ten nabierał szczególnego znaczenia zwłaszcza w aplikacjach precyzyjnego sterowania prędkością napędów elektrycznych lub pozycją wału w serwonapędach. Rosnące wymagania klientów oraz zaostrzające się normy przepisów spowodowały, że systemy sterowania o strukturze scentralizowanej stawały się powoli rozwiązaniem niewystarczającym.
Kolejny etap rozwoju systemów sterowania to rozproszona struktura magistralowa. Dzięki gwałtownemu rozwojowi technicznemu, zwłaszcza w dziedzinie elektroniki i teleinformatyki, na rynku pojawiły się specjalizowane procesory i mikrokontrolery, które mogły być umieszczone w sterownikach (tzw. rozproszenie inteligencji), komunikujących się między sobą poprzez różnego rodzaju (wiele standardów) magistrale. W ten sposób zaczęto mówić o firmowych systemach magistralowych. W tym czasie bowiem (lata 90-te XX wieku) praktycznie każda firma branży automatyki oferowała swój własny standard systemu sterowania, przeznaczony do współpracy głównie z jej produktami. W istotny sposób ograniczało to oczywiście możliwości rozbudowy tworzonych systemów, a klient instalujący taki system wiązał się praktycznie na zawsze z dostarczającą go firmą, która mogła w związku z tym pozwolić sobie na pewien dyktat cenowy.
Te problemy legły u podstaw kolejnej koncepcji rozwojowej przemysłowych systemów sterowania – tzw. systemów rozproszonych i otwartych. Silna konkurencja w branży automatyki przemysłowej spowodowała, że rywalizujące ze sobą dotychczas firmy i koncerny, podjęły wspólne wysiłki zmierzające do uzyskania większej elastyczności systemów automatyki, ich pełnej integralności oraz interoperacyjności.
W tym celu opracowano nowe standardy komunikacji, wykorzystujące najnowsze zdobycze technologii zarówno w sensie szybkości, jak i niezawodności wymiany danych pomiędzy urządzeniami systemowymi. Obecnie istnieje kilka takich standardów, jednakże obserwuje się tendencję do ich coraz większej unifikacji, integracji i stworzenia w przyszłości jednolitego standardu, obowiązującego wszystkie podmioty. Schemat pokazujący kolejne etapu rozwoju przemysłowych systemów sterowania zamieszczono na rysunku 1.
Dlatego też już dziś można powiedzieć, że w przyszłości pojawią się rozproszone systemy o strukturze modułowej, w których wzrośnie prędkość i niezawodność wymiany informacji, a modułowość systemu pozwoli na jego bardziej swobodne konfigurowanie – w zależności od zmieniających się potrzeb klienta. Aktualnym trendem w tym zakresie są standardy bazujące na protokole TCP/IP (Ethernet), o których będzie mowa szerzej w dalszej części artykułu. Nie bez znaczenia jest tu również postęp w dziedzinie oprogramowania wykorzystywanego do programowania, konfiguracji, testowania i monitoringu systemów automatyki oraz poszczególnych urządzeń w sieciach sterowania. Zaawansowane pakiety graficzne umożliwiają tworzenie coraz prostszych, a zarazem coraz bogatszych w funkcje interfejsów użytkownika, interfejsów obsługi pakietów konfiguracyjnych itp.
W ten sposób coraz rzadziej konieczne jest wzywanie przez klientów ekip serwisowych (outsourcing), w celu przeprowadzenia prostych operacji zmiany funkcji czy aplikacji wybranych urządzeń w sieci. Zmniejszył się również znacząco czas niezbędny dla przeprowadzenia robót instalatorskich w trakcie budowy systemu oraz innych niezbędnych operacji związanych z uruchomieniem przemysłowego systemu sterowania (konfiguracja, testy itp.).
Najnowsze systemy automatyki przemysłowej znacznie rozbudziły zapędy i wymagania kadry inżynierskiej w przedsiębiorstwach. Niedostępne dotychczas funkcje, możliwość monitoringu i sterowania urządzeń w tzw. czasie rzeczywistym (real-time) spowodowały konieczność bardzo rygorystycznego podejścia do kwestii tworzenia wspomnianego wcześniej jednolitego standardu, a zwłaszcza wyboru bazowego protokołu komunikacji.
Ethernet zawsze i wszędzie?
Wspomniano już wcześniej, że współczesnym trendem jest wprowadzanie do systemów automatyki standardu Ethernet jako protokołu komunikacyjnego. Warto jednak zastanowić się: czy zawsze jest to rozwiązanie najlepsze, czy protokół ten ma jakieś wady istotne z punktu widzenia zastosowań w sieciach przemysłowych, jakie wymagania powinien spełniać nowoczesny przemysłowy system sterowania?
Poniżej zapisano najbardziej podstawowy zbiór wymogów stawianych współczesnym systemom automatyki:

  • Otwartość oraz interoperacyjność – szerokie spektrum dostępnych produktów pochodzących od różnych producentów pozwala inżynierom na swobodny wybór najlepszego rozwiązania. Jednocześnie ułatwia ewentualną rozbudowę systemu w przyszłości (nowe urządzenia, funkcje itp.).
  • Elastyczność i skalowalność – możliwość szybkiego konfigurowania systemu oraz jego przekonfigurowania w celu dopasowania do zmiennych potrzeb; możliwość zastosowania tego samego systemu w różnych aplikacjach, bez konieczności kupowania dodatkowych urządzeń. Ta cecha determinuje powstawanie w przyszłości wspomnianych już systemów o strukturze modułowej.
  • Niezawodność komunikacji – wysoka odporność na czynniki zewnętrzne (kompatybilność elektromagnetyczna) oraz możliwość integracji z protokołami bezpiecznej komunikacji z wbudowanymi dodatkowymi procedurami bezpieczeństwa systemu.
  • Kompatybilność z popularnymi standardami – możliwość integracji z istniejącymi już systemami magistral miejscowych (fieldbus), takimi jak: Profibus, Device- Net, LonWorks czy Interbus.

Zastosowanie w systemach automatyki standardu Ethernet umożliwia spełnienie powyższych wymagań, ale w przypadku sieci automatyki przemysłowej tylko w ograniczonym zakresie. Przy integracji systemu automatyki poziomu produkcji z sieciami zarządzania i biznesu w przedsiębiorstwie nabierają znaczenia dwie kwestie: objętości danych oraz szybkości i niezawodności przesyłu informacji. Inżynierowie projektujący system sterowania i zarządzania przedsiębiorstwem muszą osiągnąć pewien kompromis pomiędzy tymi dwoma aspektami, biorąc pod uwagę szczególne wymagania wybranych poziomów systemu.
Część sieci obejmująca sferę zarządzania i biznesową, przyjmuje za priorytet konieczność przesyłu dużych pakietów danych związanych z obrazami wideo z monitorów i kamer, ciągami danych o procesie do jego wizualizacji, danymi niezbędnymi dla rozbudowanych interfejsów użytkownika i operatorskich oraz możliwością połączenia z siecią Internet – np. dostęp do dokumentacji, serwerów akwizycji danych i analiz itp. Przy czym dopuszczalne są tutaj niewielkie opóźniania w dostarczeniu informacji (czasy rzędu 100 ms), niewpływające na jakość pracy i funkcjonowania np. systemów wizualizacji czy prowadzenia analiz.
Zgoła odmienne priorytety są domeną części systemu przeznaczonej dla bezpośredniej komunikacji pomiędzy modułami We/Wy czy niewielkimi sterownikami umieszczonymi bezpośrednio przy urządzeniach w zakładzie produkcyjnym, a odpowiedzialnymi za szybką ich reakcję na zmieniające się czynniki zewnętrzne i sygnały sterujące oraz przekazanie informacji dla operatora (np. o awarii). Tu przekazywane są zazwyczaj niewielkie pakiety danych (często nawet pojedyncze bity), a podstawowym wymogiem stawianym medium transmisji jest szybkość przesyłu informacji (czas poniżej 1 ms) i pewność jej przekazania. Pomiędzy tymi dwoma skrajnymi obszarami w systemie sterowania i zarządzania istnieje jeszcze strefa, w której z siecią połączone są zaawansowane sterowniki, układy kontroli i monitoringu na poziomie produkcji itp. To swego rodzaju obszar przejściowy, gdzie czasy reakcji kształtują się na poziomie 10 ms i gdzie w pewnym miejscu następuje przejście od protokołów typowo przemysłowych do standardu Ethernet.
Schematycznie taki podział standardów komunikacyjnych w przedsiębiorstwie pokazano na rysunku 2. 
 
Rys. 2. Standardy komunikacji we współczesnym przemysłowym systemie sterowania 
Warto tu podkreślić, że rozwój tzw. Ethernetu przemysłowego to kwestia ostatnich kliku lat, choć same sieci standardu Ethernet znane są już i stosowane od dość dawna. Wiąże się to z koniecznością wprowadzenia do standardu dodatkowych funkcji i elementów zwiększających pewność i niezawodność komunikacji w sieci właśnie w warunkach przemysłowych. Trzeba jednak pamiętać o pewnych cechach standardu Ethernet wynikających z tego, iż bazuje on na protokole TCP/IP.
Otóż protokół ten ma dwie istotne wady z punktu widzenia możliwości jego wykorzystania w sieciach automatyki przemysłowej. Jest on przede wszystkim protokołem niedeterministycznym, tzn. nie ma tu możliwości dokładnego określenia czasu dostarczenia danych z jednego obiektu do drugiego. Jak już wspomniano w części sieci związanej z zarządzaniem i biznesem, nie ma to większego znaczenia, jednakże na poziomie sterowania urządzeniami w zakładzie jest niedopuszczalne. Druga cecha charakterystyczna to zoptymalizowanie standardu do przesyłania dużych pakietów danych. Co oczywiście jest przydatne w sferze zarządzania, jednak na poziomie sieci automatyki produkcji wprowadza zupełnie niepotrzebne opóźnienia sygnałów, wynikające z konieczności dopasowania małych zbiorów danych do formatu pakietów protokołu TCP/IP.
W związku z omawianymi tu kwestiami czasu dostarczenia danych wprowadzono pojęcie tzw. miękkiego i twardego czasu rzeczywistego (ang. soft, hard real-time). Soft real-time charakteryzuje się dopuszczeniem pewnych konsekwencji związanych z przekroczeniem zakładanego czasu przesyłuinformacji oraz częstym występowaniem wydłużonych czasów reakcji systemu rzędu ponad 5 ms. Z kolei systemy hard real-time to przede wszystkim konieczność dotrzymania wymaganego czasu transmisji w 100%, którego ewentualne przekroczenie powoduje awarię lub nieprawidłowe zadziałanie urządzeń. W takich systemach konieczne jest uzyskanie czasów reakcji poniżej 1 ms.
Gdzie więc stosowany jest standard Ethernet w dzisiejszych rozwiązaniach, czy wzrośnie obszar jego zastosowania w systemach przyszłości? Standard ten powszechnie stosowany jest dziś właśnie w strefach zarządzania i biznesu w przedsiębiorstwach, przy czym obserwuje się jego powolną integrację już ze strefą automatyki przemysłowej (komunikacja ze sterownikami i układami regulacji napędów). W przyszłości integracja ta na pewno poszerzy się i pogłębi. Ideę takiej integracji przedstawia schematycznie rysunek 3.

Rys. 3. Zintegrowany przemysłowy system automatyki i sterowania; a) współczesny, b) w przyszłości 
Czy jednak dojdzie do tego, iż cała sieć będzie zrealizowana w standardzie Ethernet? Wydaje się, że nie warto wchodzić z tym standardem tam, gdzie nie będą wykorzystane w pełni jego możliwości, gdzie są one zupełnie niepotrzebne. Chodzi tu oczywiście o sferę bezpośredniej wymiany prostych informacji pomiędzy urządzeniami czy też modułami We/Wy na poziomie produkcyjnym przedsiębiorstwa. Zastosowanie znajduje tu stara maksyma: nie warto strzelać do muchy z armaty. Istotne jest natomiast skupienie się na poprawie bezpieczeństwa transmisji danych w dwóch kolejnych strefach systemu sterowania i zarządzania, które przecież niejednokrotnie częściowo znajdują się bezpośrednio na terenie zakładu produkcyjnego, a więc w środowisku przemysłowym, charakteryzującym się niejednokrotnie szczególnymi warunkami fizycznymi (wilgoć, brud, pył, pola elektromagnetyczne, ładunki elektrostatyczne itp.).
Ma to szczególne znaczenie w zarysowującej się już dziś perspektywie szerokiego wykorzystania technik komunikacji bezprzewodowej zarówno na poziomie zarządzania, jak i produkcyjnym, gdzie sprzyjają one chociażby zwiększeniu mobilności pracowników obsługi oraz lokalizacji urządzeń systemowych w trudnodostępnych miejscach lub na elementach ruchomych maszyn.
Jak ostatecznie ukształtują się tego typu systemy, pokaże już najbliższa przyszłość.
ce
mgr inż. Andrzej Ożadowicz, Katedra Automatyki Napędów i Urządzeń Przemysłowych, AGH Kraków