Sterowanie scentralizowane czy rozproszone?

Linie montażowe mają, jak wiadomo, charakter modułowy. Złożone są z modułów odpowiadających różnym etapom produkcji, jak np.: stanowisko montażowe pick and place, stanowisko robota, stanowisko zgrzewania, a także nieodzowny moduł logistyczny, którego funkcją jest transport poszczególnych elementów montażowych pomiędzy modułami oraz dostarczanie kolejnych elementów.
Linię montażową można zautomatyzować posługując się modelem sterowania scentralizowanego lub rozproszonego. Co należy zatem wziąć pod uwagę przed podjęciem decyzji o wyborze jednego z tych modeli?
Sterowanie rozproszone
W pierwszej kolejności przyjrzymy się architekturze rozproszonej.
Trójmodułowa architektura scentralizowana/rozproszona

Osprzęt: W architekturze rozproszonej liczba i moc zastosowanych procesorów określona jest przez liczbę modułów. Każdy moduł wyposażony jest w urządzenie sterujące, a nad całym systemem pieczę sprawuje centralny sterownik PLC, realizujący takie funkcje, jak: logistyka, śledzenie elementów, statystyka. Sterowniki modułowe sterują automatyką w obrębie swoich modułów, z reguły są pozbawione funkcji wizualizacyjnych i operatorskich.
Funkcje wizualizacji i sterowania całą linią produkcyjną realizowane są poprzez centralny sterownik PLC. Ze względu na wąski zakres zadań koniecznych do wykonania w obrębie pojedynczego modułu – w porównaniu do automatyki całej linii – zastosowane w modułach sterowniki charakteryzują się względnie niską wydajnością, a dzięki temu niższą ceną. Aby zachować właściwą synchronizację w momencie włączenia/wyłączenia linii, sterownik modułowy musi komunikować się z centralnym sterownikiem poprzez szybką magistralę. W tym celu stosuje się przeważnie Ethernet z TCP/IP. Wymiana danych dokonuje się poprzez cykliczną wymianę zmiennych w sieci lub acykliczne moduły komunikacyjne. Urządzenie działające w ramach takiej architektury może rozpocząć pracę dopiero po zakończeniu procedury rozruchowej wszystkich podrzędnych sterowników.
Oprogramowanie: Ze względu na prostotę zadań w sterownikach modułowych nie stosuje się zaawansowanego oprogramowania. Z reguły wystarcza też pojedyncza płaszczyzna czasowa (jedno zadanie). Za  to o wiele bardziej złożona jest konfiguracja komunikacji i programowanie centralnego sterownika PLC.
Fieldbus: Urządzenia We/Wy oraz topologie sieci fieldbus swoją niską złożonością odpowiadają prostocie programów pracujących w sterownikach modułowych. Ze względu na wąski zakres działania automatyki urządzenia te wymagają stosunkowo małej liczby sygnałów We/Wy, z reguły wystarczają więc lokalne urządzenia We/Wy. Jeśli zachodzi taka potrzeba, stosuje się dodatkową konwencjonalną sieć fieldbus (z niewielką liczbą węzłów i małą przestrzenią potrzebną do instalacji). Konfiguracja wejść/wyjść wraz z testowaniem sieci musi zostać przeprowadzona osobno dla każdego sterownika modułowego.
Sterowanie ruchem: Większość sterowników modułowych We/Wy nie nadaje się do sterowania ruchem w kilku osiach. Obsługa ruchu i synchronizacja kilku osi zwykle wymusza stosowanie szczególnie drogich osi inteligentnych. Pozycjonowanie i synchronizacja zachodzi w sterowanym napędzie.
Sterowanie scentralizowane
Osprzęt: Inaczej niż to ma miejsce w przypadku architektury rozproszonej, model scentralizowany zwykle zawiera komputer, przeważnie klasy PC. Obsługuje on m.in.: połączenia We/Wy, sterowniki PLC oraz sterowanie ruchem. Jego moc obliczeniowa musi być zatem odpowiednio wysoka. Niemniej jednak potrzebny jest tylko jeden komputer, czyli tylko jeden element do zakupu/modernizacji.
Oprogramowanie: Wymogi wielokrotnego użytkowania i konserwacji powodują, że odpowiednio ustrukturalizowane oprogramowanie musi mieć charakter modułowy. Norma IEC 61131 przewiduje w tym zakresie zorientowanie obiektowe. W modelu scentralizowanym działa tylko jeden program PLC, z czym wiąże się prostota jego przechowywania i archiwizacji, a także łatwe realizowanie centralnych procedur rozruchu/ wyłączenia.
Fieldbus: Jeśli centralna jednostka (master) systemu fieldbus oparta jest na konwencjonalnej magistrali fieldbus, należy rozważyć rozmiary systemu oraz konieczną liczbę jednostek slave.
Sterowanie ruchem: Sieci fieldbus stawia się odpowiednio wysokie wymagania, ponieważ obliczenia związane ze sterowaniem ruchem są wykonywane w komputerze centralnym. Pozycjonowanie ze stanowiska PC wymaga cykli rzędu 3–4 ms – co jest wartością bliską maksymalnym osiągom konwencjonalnych sieci fieldbus. Z drugiej strony, sterowanie ruchem poprzez procesor centralny ma wiele zalet. W związku z tym, że obliczenia związane z pozycjonowaniem, sprzęganiem oraz synchronizacją przeprowadzane są przez odpowiednie programy zainstalowane w pececie, same napędy nie muszą niczego „liczyć” – są stale sterowane. W takim układzie reagowanie zsynchronizowanych napędów następuje bardzo szybko, co eliminuje potrzebę stosowania kłopotliwego sprzęgania napędów poprzez specjalne magistrale. Co więcej, im wyższe są parametry procesora i pamięci komputera, tym bardziej złożone zadania sprzęgania może ten komputer obsługiwać. Standardowy pecet z procesorem Intel Pentium III może z łatwością sterować pozycjonowaniem w aż stu osiach.
Który model wybrać?
Technologia sterowania rozproszonego, lokalnego odznacza się bardzo ustrukturalizowaną architekturą. Prosta jest wymiana i testowanie poszczególnych modułów.Ze względu na prostą topologię można bez problemów wykorzystywać standardowe systemy fieldbus. Jednakże komunikacja pomiędzy modułami, z uwzględnieniem sterownika nadrzędnego, a także synchronizacja sterowników podczas procedury rozruchu/zatrzymania linii, jest stosunkowo skomplikowana.
Z kolei podstawową zaletą technologii sterowania scentralizowanego jest umiejscowienie w jednym punkcie procedur diagnozy, rozruchu przy oddawaniu do eksploatacji oraz konserwacji, a także prosta procedura rozruchu/zatrzymania zakładu oraz łatwe zarządzanie za pomocą jednego programu PLC. Niektóre lub nawet wszystkie wymienione zalety mogą pojawić się w modelu rozproszonym, zależnie od wykorzystanych narzędzi i projektu systemu. Jeśli pozwalają na to parametry sieci fieldbus, z poziomu komputera PC można sterować i synchronizować bardzo wiele osi.
Wśród innych kryteriów ważnych przy wyborze architektury systemu należy wymienić: jej elastyczność i możliwość wielokrotnego użytku, koszty osprzętu, okablowania, uruchomienia i konfiguracji. Ponadto warto zwrócić uwagę na koszty szkoleń z zakresu obsługi tych systemów.
Josef Papenfort jest menedżerem ds. TwinCAT w firmie Beckhoff.
Artykuł pod redakcją Michała Andrzejczaka