Sterownik czy komputer przemysłowy?

Wartość koniecznych nakładów inwestycyjnych związanych z implementacją sterowników i komputerów przemysłowych zwykle okazuje się zbyt duża w stosunku do wstępnych oczekiwań klienta-inwestora, jednak z biegiem czasu – w okresie późniejszej eksploatacji okazuje się najczęściej, że wydatek ten przynosi wymierne korzyści. Oto dlaczego warto dobrze rozważyć wszystkie za i przeciw w chwili decyzji o wyborze konkretnych urządzeń i rozwiązań systemowych dla automatyzowanych aplikacji.

Firma Herrmann Automations-technik, producent specjalizowanych urządzeń automatyki i robotów przemysłowych, korzysta na liniach produkcyjnych z paneli wyświetlaczy CANdisplayBOX-M12.
Komputery przemysłowe IPC (Industrial PC), wyposażone w interfejs sieciowy standardu CANbus, pozwalają inżynierom automatykom i maszynowcom na stosunkowo łatwe i szybkie wdrażanie w aplikacjach przemysłowych niezbędnych narzędzi programowych i sprzętowych zwiększających ich niezawodność i elastyczność funkcjonalną oraz upraszczających późniejsze czynności związane z utrzymaniem ruchu czy aktualizacją (np. oprogramowania) itp. Należy jednak mieć świadomość, że takie urządzenia i pakiety programowe muszą mieć swoją cenę i podejmowanie decyzji o ich zakupie jedynie w perspektywie niskiego kosztu tego zakupu zwykle obraca się później przeciw nabywcy, powodując zwiększone lub dodatkowe koszty w trakcie eksploatacji.
Współczesne aplikacje przemysłowe są coraz bardziej skomplikowane i wymagają zastosowania odpowiednich narzędzi, wyposażonych w takie funkcje, jak: szybkozmienne sterowanie prędkością obrotową napędów, synchronizacja złożonych, kilkuosiowych układów napędowych, obsługa specjalizowanych modułów we/wy analogowych i zaawansowanych interfejsów obsługi HMI i inne. Pojawiające się w ofercie firm branżowych tzw. komputery przemysłowe IPC zwykle są znacząco droższe od standardowych, popularnie używanych komputerów klasy PC, jednak warto pamiętać, że stosowanie dziś tanich narzędzi oznacza nagromadzenie problemów i trudności w późniejszym okresie ich eksploatacji. Częste serwisowanie, aktualizowanie, modernizowanie tanich modułów sterowniczych znacznie przewyższa bowiem koszty zakupu lepszych urządzeń oraz powoduje dodatkowe, niepotrzebne zdenerwowanie użytkowników.
Całkowite koszty użytkowania, a cena nabycia
Wielu nabywców sprzętu automatyki i sterowania, wraz z ich doradcami, często nie zdaje sobie sprawy ze współzależności między całkowitymi kosztami użytkowania kupowanych urządzeń a początkową ceną ich zakupu. Całkowity koszt użytkowania to wskaźnik pozwalający menedżerom na oszacowanie bezpośrednich i pośrednich kosztów związanych z zakupem i użytkowaniem danego urządzenia czy produktu, dzięki któremu możliwe jest takie ustalenie jego ceny wyjściowej, aby stanowiła ona swego rodzaju rekompensatę dla producenta, związaną ze spodziewanymi oszczędnościami w trakcie późniejszej eksploatacji. Oszczędności te są wynikiem większej niezawodności i funkcjonalności urządzeń droższych, o większej cenie zakupu.
Większość osób ma już zazwyczaj pewne doświadczenie w zakresie wyboru, doboru komputera osobistego, domowego, dopasowanego do naszych indywidualnych potrzeb i wymagań (szybkość taktowania procesora, wielkość pamięci RAM i twardego dysku, typy interfejsów do urządzeń zewnętrznych itd.). W projektach systemów przemysłowych z komputerami przemysłowymi należy wziąć pod uwagę przede wszystkim interfejsy komunikacyjne (sieciowe i peryferyjne, możliwości zdalnego dostępu, interfejsy operatorskie – specjalne klawiatury lub panele, włącznie z dotykowymi, graficznymi), zdolności do przyszłej rozbudowy, modernizacji (dodatkowe złącza, sloty kart modułowych) i inne. Oprócz standardu sieci komunikacyjnej komputer przemysłowy powinien być wyposażony w interfejsy komunikacji szeregowej RS 232, 422, 485, łącze podczerwieni IrDA, Bluetooth, USB 2.0 (wkrótce USB 3.0), WiFi lub inny standard komunikacji bezprzewodowej z sieciami teleinformatycznymi oraz wspomniane już złącza dla dodatkowych klawiatur, paneli, wyświetlaczy.
Jedną z podstawowych decyzji jest wybór optymalnego systemu operacyjnego w komputerze przemysłowym. Czy można zastosować w powszechnej opinii bardziej stabilny i niezawodny system Linux, czy też konieczne jest użycie popularnego i współpracującego z większością dostępnych na rynku pakietów programowych systemu Windows? Niektóre z aplikacji przemysłowych wymagają pracy ciągłej, przy praktycznie zerowych czasach podnoszenia (reboot). W takich sytuacjach z pomocą może przyjść na przykład system CoDeSys Soft PLC Runtime firmy 3S-Smart Software Solutions GmbH, zgodny z normą języków programowania IEC 61131-3, ułatwiający opracowanie aplikacji do obsługi urządzeń peryferyjnych. Producenci komputerów przemysłowych powinni być bardzo dobrze zorientowani w aktualnej ofercie rynkowej tego typu systemów operacyjnych i programów wspierających.
Implementacja systemów operacyjnych takich jak Linux czy Windows, ze względu na dostępność pakietów antywirusowych, pozwala na ograniczenie możliwych ataków złośliwych programów czy pakietów danych na system sterowania. Lokalne systemy operacyjne mogą być zredukowane jedynie do postaci tzw. systemów szkieletowych, co pozwala dodatkowo na redukcję czasu podnoszenia systemu i oprogramowania. Komputery przemysłowe mogą niekiedy zostać nieumyślnie wyłączone lub uszkodzone na skutek niekorzystnych zjawisk w sieci zasilającej. Dzięki komunikacji poprzez sieć LAN wyłączenia takie mogą być szybko zidentyfikowane, a operatorzy mogą zdalnie podejmować próby ponownego załączenia takich modułów.
Specyfikacja komputerów przemysłowych
Przy wyborze typu komputera przemysłowego należy zwrócić szczególną uwagę na:

  • preinstalowane niezbędne oprogramowanie i narzędzia programowe, co znacznie ułatwia implementację komputera w aplikacji,
  • pewność działania – testy, certyfikaty itp.,
  • częstotliwość niezbędnych modernizacji, wymiany części. Możliwość wprowadzania modernizacji sprzętowych w komputerze nie powinna powodować jego niekompatybilności, utraty niektórych funkcji na rzecz innych. W praktyce wymiany, modernizacje podzespołów w komputerach przemysłowych to zjawisko dość częste, stąd konieczność wcześniejszego sprawdzenia możliwości jego w miarę swobodnego realizowania w czasie eksploatacji.
  • kompatybilność elektromagnetyczna i odporność na zaburzenia zewnętrzne, tak charakterystyczne dla środowisk przemysłowych (zgodność z odpowiednimi normami i standardami). Komputer nie może wchodzić we wzajemne interakcje z innymi urządzeniami elektronicznymi czy modułami wykonawczymi w aplikacji, chyba że przez dedykowane połączenia sieciowe lub elektryczne. Powinien być również odporny na różnego typu inne zjawiska, np. udary prądów, wyładowania elektrostatyczne itp.
  • odporność i wytrzymałość mechaniczna. Z komputerów przemysłowych eliminuje się takie elementy, jak wentylatory, części ruchome, standardowe dyski twarde z ruchomymi głowicami. Wprowadza się pamięci typu flash, procedury programowe i sprzętowe zmierzające do ograniczenia zużycia energii itp. Dzięki tym ostatnim nie ma konieczności tak intensywnego chłodzenia, co z kolei wiąże się bezpośrednio z możliwością wspomnianej wcześniej eliminacji wentylatorów lub innych dodatkowych elementów chłodzenia.
  • dostępność klawiatury, interfejsów sterujących i innych niezbędnych przycisków, pilotów itp.,
  • obudowy dopasowane do warunków środowiskowych, w jakich komputer ma być eksploatowany. Na przykład dla komputerów montowanych na zewnątrz maszyny konieczna może być obudowa klasy IP-65, zarówno dla samego komputera, jak i jego klawiatury. Ponadto w niektórych aplikacjach istotne znaczenie ma temperatura otoczenia – ekstremalnie wysoka lub niska; typowe urządzenia IPC dedykowane są do środowisk z temperaturami 050°C, z wilgotnością do 90%, na wysokościach do 3000 m nad poziom morza. Niekiedy specyfika montażu wymaga dopasowania systemu montażowego do szyn typu DIN, różnego kąta położenia względem pionu/poziomu lub pełnej wodoodporności.

Z kolei decydując się na konkretnego dostawcę wybranego już sprzętu, trzeba zwrócić uwagę na jeszcze inne czynniki:

  • okres obecności dostawcy na rynku, gwarantujący podtrzymanie kontaktu również po zakupie, odpowiedni poziom serwisu i wsparcia technicznego w okresie późniejszej eksploatacji,
  • renoma i dobra reputacja w branży. Doświadczeni i uznani dostawcy niejednokrotnie czynnie współpracują z producentami komputerów IPC np. w procesach projektowych, co pozwala na dopasowanie konkretnych typów komputerów do specyficznych aplikacji czy wymagań klienta,
  • wiedza projektowa i doświadczenie praktyczne we wdrażaniu rozwiązań bazujących na komputerach przemysłowych. Znajomość sprzętu i oprogramowania oraz związanych z nimi możliwości konfiguracyjnych i funkcjonalnych urządzeń IPC.

Artykuł pod redakcją dr. inż. Andrzeja Ożadowicza – AGH Kraków

Standard CANbus gwarantuje dobrą integrację danych i detekcję błędów transmisji
Protokoły komunikacyjne CAN to rozwiązanie znane i uznane przede wszystkim w zastosowaniach branży samochodowej, ale również automatyki przyrządów medycznych oraz aplikacji przemysłowych. CANbus to rodzaj protokołu dedykowanego do obsługi aplikacji w czasie rzeczywistym, z koniecznością zachowania wysokiej niezawodności transmisji danych. Hierarchia bazująca na wielu urządzeniach typu Master, wraz z zaawansowanymi algorytmami detekcji błędów i technologiami retransmisji sygnałów, zapewnia również wysoki stopień integralności systemu, tak istotny w wielu aplikacjach. Standard CAN jest także bardzo przyjazny w zakresie prowadzenia diagnostyki, również mobilnej z użyciem paneli przenośnych czy laptopów oraz połączeń przez sieci komórkowe czy Internet. W porównaniu z innymi standardami automatyki przemysłowej, jego przewagą jest dobry stosunek ceny do możliwości oraz wysoki poziom odporności na zaburzenia transmisji. Najwyższa dostępna obecnie prędkość transmisji to 1 Mbit/sek. Interfejsy sieciowe wyposażone w szereg filtrów i zapór, selekcjonujących komunikaty sieciowe oraz ograniczających skutecznie nieuprawniony dostęp z zewnątrz.
Dostawcy zaznajomieni już z protokołami wyższego poziomu, jak CANopen, mogą z powodzeniem uczestniczyć w implementacji i integracji omawianego tu protokołu. Trzeba pamiętać jednak, że zastosowanie w systemach CAN dodatkowych modułów adapterów USB lub innych, co prawda zmniejsza koszty implementacji, lecz równocześnie pogarsza osiągi i funkcjonalność systemu. Systemy bardziej skomplikowane, rozbudowane, z dodatkowymi modułami innych standardów, charakteryzuje zmniejszenie niezawodności i redukcja czasu międzyawaryjnego.
Rozwiązanie idealne to stosowanie do pracy ze standardem CANbus wbudowanych portów czy modułów interfejsowych, jak chociażby SJA 1000 firmy Philips, obsługującego komunikację z siecią CAN bez obciążania procesora. Dodatkowo zastosowana w nim izolacja optyczna zapobiega powstawaniu szkodliwych dla sieci pętli zwrotnych czy doziemień.
W integracji standardu CAN oraz przygotowaniu systemów sterowania z tym standardem pod konkretne aplikacje, pomagają zawsze eksperci organizacji CIA. www.can-cia.org