Sterowniki przemysłowe rosną w siłę

Szybki postęp technologiczny w zakresie sprzętu i oprogramowania dla komputerów panelowych PC oraz związanych z nimi urządzeń usprawnia projektowanie i osiągi wyposażenia, dając oszczędności czasu, przestrzeni oraz pieniędzy, a jednocześnie utrzymując stabilną, pewną i przyjazną platformę roboczą.
Postęp w zakresie sprzętu i oprogramowania, dotyczący komputerów panelowych PC oraz wynikające z niego oszczędności czasu, przestrzeni i pieniędzy mogą być inspirujące: Kiedy wiele lat temu Pointer Sisters śpiewały „I’m so excited” („Jestem taka podekscytowana”), niewielu pomyślało, że może przyjść dzień, kiedy ich słowa będą mogły się odnosić do automatyzacji i sterowania. W końcu słowo „podekscytowany” dobrze wyraża reakcję wielu osób na coraz bardziej wyrafinowane produkty i systemy zintegrowanego sterowania wprowadzane dziś na rynek.
Co napędza ten proces? Rozwój sprzętu i oprogramowania, w szczególności niebywały postęp dotyczący procesorów wielordzeniowych oraz oprogramowania wirtualizacyjnego, jak nigdy przedtem dostarcza więcej możliwości i zwiększa funkcjonalność, usprawniając projektowanie maszyn przez firmy typu OEM (producentów oryginalnego wyposażenia) oraz czynności obsługowe i utrzymania w ruchu, wykonywane przez końcowego użytkownika. Zintegrowane produkty, takie jak komputery panelowe PC i sterowniki przemysłowe, są małe jak nigdy dotąd, zajmują mniej przestrzeni w szafie sterującej, wytwarzają mniej ciepła, wymagają mniej energii zasilającej, i co najważniejsze, oferują znacznie więcej funkcji.
– Jedną z bardzo ekscytujących nowych technologii jest integracja sprzętowa – twierdzi Robert Jackson, kierownik ds. rozwoju przemysłowych produktów wbudowanych z firmy National Instruments, mówiąc ogólnie o procesorach wielo-rdzeniowych firmy Intel, a w szczególności o procesorze Atom tej firmy. Jednak wraz z ogromnymi możliwościami pojawiają się obawy i potrzebna jest rozwaga. Mając do dyspozycji tak bardzo „zaawansowane” komponenty, jakże wygodne staje się wytwarzanie, ale być może bardziej właściwe byłoby pytanie, jak dalece można sobie na to rzeczywiście pozwolić? Czy każda możliwa nowinka, skoro tylko stanie się osiągalna, powinna być od razu wprowadzana do zakładu? – Podczas gdykonieczne jest bycie na bieżąco z rozwojem nowej technologii, wykonywanie usprawnień w aplikacjach musi być rozważane w kontekście potrzeby stabilności i niezawodności całego przemysłu – sugeruje Lawrence Liang, kierownik rozwoju produktu, interfejsów HMI, grupy automatyzacji przemysłu z firmy Advantech.
Przegląd tego, co się dzieje, wskazuje na to, że prawdopodobnie zmiany w przemyśle postępują w dobrym kierunku. Choć procesory wielo-rdzeniowe są droższe, dają pewne wyraźne korzyści i ich użycie wiąże się ze zmianami ewolucyjnymi. Ich stosowanie nie wymaga wprowadzania drastycznych zmian, zarówno po stronie sprzętu, jak i po stronie oprogramowania. Dlatego z punktu widzenia wszystkich, od wytwórcy maszyn do końcowego użytkownika, produkty są wprowadzane tak, aby zapewnić określony poziom komfortu prawie wszystkim.
Zaproszenie do integrujących się środowisk
Zintegrowane interfejsy sterownika/operatora przebyły długą drogę w stosunkowo krótkim czasie. – Postęp technologiczny umożliwił ciągłe usprawnienia, takie jak praca bez wentylatora, pamięci masowe i nieobrotowe media – zauważa Sidney McLaurin Junior, kierownik handlowy ds. komputerów przemysłowych PC i automatyzacji opartej na komputerach PC z firmy Siemens Industry. – Dzisiejsze rozwiązania oparte na komputerach PC pozwalają firmom typu OEM projektować maszyny o mniejszym obrysie. Pozwala to końcowym użytkownikom wykorzystywać funkcjonalność PLC na komputerze PC oraz eliminuje potrzebę tradycyjnego sprzętu PC.
Potwierdził to Stephan Stricker, kierownik produktu z firmy B&R Automation. – Kilka lat temu systemy były dużo prostsze, a poziom osiągów był o wiele niższy. Teraz mamy sprzęt, który jest dużo bardziej wydajny, łączący funkcję sterującą z interfejsem poprzez włączenie w całość komputerów PC opartych na oprogramowaniu Windows.
– Integrowanie komponentów zmniejsza ilość miejsc możliwych uszkodzeń – twierdzi Corey McAtee, kierownik produktu IPC, z firmy Beck-hoff Automation. – Jeszcze 5 lub 10 lat temu, jeśli chciało się, aby interfejs współdziałał z tradycyjnym rozwiązaniem sterownika PLC, taki interfejs musiał być umieszczony na oddzielnym elemencie osprzętu, musiał wykorzystywać jakiś sposób komunikacji, być wyposażony w odpowiednie okablowanie, wszystko to wymagało dodatkowej przestrzeni oraz dodatkowych kosztów. Zintegrowane urządzenia dają oszczędności poprzez redukowanie wszystkich tych elementów. Oszczędności daje zmniejszenie ilości potrzebnego sprzętu, a wykorzystanie tych nowych udoskonalonych procesorów przyspiesza wykonywanie wszystkich funkcji.
– Mniejszy obrys szafy sterującej stał się głównym czynnikiem trendu integracyjnego – zauważa McLaurin. – Przestrzeń jest kosztowna. Bez sterownika PLC w szafce jest więcej miejsca dla innych elementów. Ponadto system oparty na komputerze PC umożliwia uruchomienie, na jednym komputerze PC, programów opracowanych przez użytkownika i złożonych algorytmów, jakie stosowane są często w przypadku używania tradycyjnych sterowników PLC, wizualizacji, przetwarzania danych i wiele więcej, redukując ilość sprzętu komputerowego, jaki trzeba zakupić. Daje to oszczędności przy wdrażaniu takiego rozwiązania. Jeśli porównuje się inwestycje początkowe, oszczędności są znaczne, biorąc pod uwagę to, że za każdym razem, kiedy wdraża się nowe rozwiązanie, trzeba kupować dodatkowy sprzęt.
Czynnik sprzętowy
– Co kryje się za tymi wszystkimi ulepszeniami? Jedną z bardzo ekscytujących nowych technologii jest integracja sprzętowa – twierdzi Jackson z firmy National Instruments. Procesor przemysłowy Atom, przeznaczony do wbudowanych aplikacji i bardzo eksploatowany w panelach dotykowych, jest podobny do procesorów, jakie znajdują się w popularnych konsumenckich netbookach, lecz może pracować w zakresie temperatur od –20 do +60°C. Jest to odpowiedź na potrzebę przemysłu stosowania sprzętu bez wentylatora i w rozszerzonym zakresie temperatur. Jackson nazywa pojawienie się procesora Atom firmy Intel pierwszym realnym krokiem na rynku przemysłowym. – Ten komponent będzie „wstrząsem dotyczącym sposobu pracy sprzętu komputerowego, dzięki jego zdolności do obsługi dwóch oddzielnych systemów operacyjnych na jednym wielordzeniowym chipsecie. Kiedy mówi się o scalaniu komputerów panelowych PC i sterowników, to jest właśnie to, o czym rozmawiamy – twierdzi Jackson.
Większość sprzedawców chętnie wykorzystuje możliwości rozwiązań wielordzeniowych. Firma Siemens zrekonfigurowała swój sterownik WinAC typu soft controller (który zawiera sterownik oparty na PC), tak aby pracował na oddzielnym rdzeniu od rdzenia Microsoft Windows 7. Rozwiązanie to umożliwia prowadzenie oddzielnych procesów operacyjnych, wykorzystując procesory dwurdzeniowe, takie jak Intel i-Series, które pozwalają na jednoczesną pracę dwóch aplikacji i znacząco zwiększają możliwości i osiągi w ramach jednego urządzenia. System ten jest przeznaczony do zastosowań, w których na platformie PC muszą być realizowane z dużą szybkością funkcje technologiczne przy dużej ilości danych, z wykonywaniem zadań wizualizacyjnych i sterowania.
– Jeśli coś się stanie z systemem Windows – wyjaśnia McLaurin – sterownik PLC dalej pracuje. Zawodność systemu była istotnym powodem do niepokoju ze strony wielu użytkowników. Byli oni niechętni planom przestawienia się na rozwiązanie oparte na PC, gdyż obawiali się zawodności systemu Windows. Wyeliminowaliśmy tę kwestię poprzez oddzielenie pracy sterownika typu soft controller od środowiska Windows.
Podobnie firma Beckhoff Automation jest zwolennikiem gotowej technologii. Jest ona członkiem Intel Embedded Alliance, wykorzystuje możliwości zaawansowanego przetwarzania do zwiększenia funkcjonalności swoich systemów.
– Np. czterordzeniowe komputery PC znacznie bardziej zwiększają funkcjonalność jednego urządzenia – twierdzi McAtee. – Mogę ustalić pracę interfejsu HMI na jednym rdzeniu, sterownika PLC na drugim, sterowanie ruchem na kolejnym rdzeniu i pozostaje mi jeszcze jeden na rozbudowę.
Zależność od oprogramowania
Postępy dotyczące sprzętu komputerowego mogą przyciągać uwagę, lecz oprogramowanie również odgrywa rolę na scenie integracji. Użytkownicy końcowi wymagają więcej od zintegrowanych układów sterowania, w szczególności większej funkcjonalności uzyskiwanej poprzez interfejsy, celem kompilowania informacji statystycznej dotyczącej poszczególnych maszyn i ogólnej produkcji (patrz informacje zawarte w tym artykule, dotyczące nowej technologii interfejsu użytkownika, opartej na wykorzystaniu sieci internetowej).
Nie tak wiele lat temu Casey Weltzin, kierownik rozwoju produktów LabVIEW czasu rzeczywistego, z firmy National Instruments, stwierdził: – Potrzebowaliśmy oddzielnych elementów sprzętu obliczeniowego do uruchomienia programu operacyjnego OS ogólnego zastosowania dla wizualizacji oraz OS czasu rzeczywistego dla logiki deterministycznej. Wirtualizacja pomaga w rozwiązaniu tego wyzwania, pozwalając projektantowi wykorzystać możliwości obu klas systemów operacyjnych na tym samym sterowniku – zmniejszając przez to koszt sprzętu i zajmowaną powierzchnię.
Producenci potrzebują interfejsów, które łatwo można zintegrować z posiadanymi przez nich systemami oraz które pozwalają na zdalny dostęp dla wykonywania czynności obsługowych. – W zakładzie może pracować dziesięć linii produkcyjnych, może powstać potrzeba zmiany produktu wykonywanego na jednej z tych linii – stwierdził Stricker. – Kiedy operator maszyny niema uprawnień dostępu do zmiany konfiguracji produktu, interfejs HMI może zostać skonfigurowany tak, by uzyskiwać zdalny dostęp, przez co wizualizacja wszystkich linii produkcyjnych jest dostępna z dowolnego biurowego komputera PC w zakładzie. Wówczas osoba nadzorująca, z uprawnieniami dostępu, może widzieć i sterować maszyną bez konieczności wchodzenia do hali produkcyjnej.
– Komputer panelowy PC obsługuje wiele funkcji, zbierając je razem w jednym urządzeniu. Będzie to stały element hali zakładowej przyszłości – twierdzi McAtee. – Z mniejszego powstanie więcej. Firma Beckhoff przystąpiła do przenoszenia na oprogramowanie tak wielu obciążeń, jak to jest możliwe, w celu zminimalizowania wymagań sprzętowych systemu. Patrząc na koszty oprogramowania w porównaniu do kosztów sprzętu, biorąc pod uwagę wykorzystanie produktu w jego cyklu życiowym, oprogramowanie jest łatwiejsze w utrzymaniu, mniej kosztuje oraz zminimalizowane są obawy dotyczące żywotności jego komponentów. Możliwość utrzymania jest prawie nieograniczona. Jeśli potrzebna jest zmiana, można modyfikować oprogramowanie. W przypadku sprzętu nie jest to takie łatwe.
– Choć rozwiązana została większość kwestii dotyczących oprogramowania, przeszkody pozostały w postaci kosztów i potrzeby doświadczenia – zauważa Jackson z firmy National Instruments. – Wiele programów opracowano dla określonego sprzętu. Pakiety oprogramowania pionowych interfejsów HMI będą kłopotliwe w dostosowaniu do szerokiego zakresu aplikacji, jakie dostępne są dzisiaj, stwarzając konieczność dalszego rozwoju oprogramowania.
Korzyści z pokonywania ograniczeń
Pokonywanie barier technologicznych to jedna sprawa, przekonywanie użytkowników o korzyściach to druga. Ale korzyści jest wiele. Przestrzeń jest czynnikiem krytycznym w hali zakładu, im mniejszy obrys ze względu na zintegrowane komponenty, tym lepiej. Mniejsza ilość części oznacza mniej punktów możliwych uszkodzeń i łatwiejszą obsługę. Z punktu widzenia projektowania i rozwoju, jedno środowisko zmniejsza czas wprowadzenia na rynek, wymaga uczenia się tylko jednego oprogramowania oraz zmniejsza inwentarz. – Chociaż zaawansowana technologia wymaga nakładów, główną korzyścią integracji, w dłuższym czasie, jest zmniejszenie kosztów – mówi Stricker z firmy B&R. – Integrowanie dwóch elementów eliminuje kwestie ich współpracy. Ponadto jest mniej elementów.
– Z punktu widzenia ochrony środowiska, należy podkreślić, że końcowy użytkownik może wykonać bardziej przyjazną dla środowiska szafę sterującą, ze względu na to, że zintegrowane systemy wymagają mniej energii elektrycznej do chłodzenia – twierdzi McAtee z firmy Beckhoff. – Nowe technologie skłaniają użytkowników końcowych i firmy typu OEM do ponownego przeanalizowania, w jaki sposób została zaprojektowana szafa sterująca, i rozszerzenia wykonanych aplikacji. Dziś komputer PC o rozmiarach książki w miękkiej oprawie może realizować całą automatykę napędu i funkcje interfejsu, jakie wymaga aplikacja, pracując przy temperaturze 55 lub 60 stopni Celsjusza. Tego rodzaju możliwości pozytywnie wpływają na koszty cyklu życia.
– Zintegrowany sterownik pozwala umieścić interfejs operatora blisko maszyny – twierdzi Liang z firmy Advantech. Nowa generacja paneli dotykowych może pracować w zakresie temperatur od –20 do +60° C. Są one bardziej wytrzymałe i mogą działać w trudnych warunkach. Urządzenia pracują w aplikacjach znajdujących się na wolnym powietrzu, gdzie kiedyś nie mogłyby działać, ze względu na problem czytelności.
Ponadto nowoczesne komputery panelowe PC i zintegrowane sterowniki przemysłowe dają bezpieczeństwo oraz narzędzia diagnostyczne, co zmniejsza potrzeby obsługi doraźnej i zwiększa efektywność obsługi rutynowej. Podwójne zasilanie energią minimalizuje skutki awarii zasilania. Przełączalne w ruchu napędy dysku twardego pozwalają na prowadzenie procesu bez występowania przerw w pracy, ograniczając przestoje w przypadku awarii dysku. – Istnieje trend do generowania informacji proaktywnych (z wyprzedzeniem sygnalizujących możliwość awarii) ze zintegrowanego urządzenia przemysłowego, co nie jest możliwe w przypadku zwykłego komputera PC, umożliwiając w ten sposób wykonanie czynności obsługowych lub innych prac serwisowych przed wystąpieniem nieplanowanej przerwy w produkcji – nadmienia McLaurin.
Doprowadzić konia do wodopoju…
Kto nie chce „szybciej” i „lepiej”? Mimo zalet sprzętu i oprogramowania nowoczesnych sterowników zintegrowanych, „nowość” i „ekscytacja” mogą być dla wielu poza zasięgiem. Producentom potrzebne są systemy niezawodne, stabilne i w przeważającej części o dużym okresie żywotności. – Środowisko przemysłowe nie może być przez cały czas całkowicie zmieniane – stwierdza Liang z firmy Advantech. – Usprawnienia są pożądane i potrzebne, a nowa technologia jest dobra, lecz tempo zmiany nie może być zbyt szybkie. Świat przemysłowy zawsze będzie pozostawał w tyle za światem konsumenta. Potrzeba czasu na ocenę, próby i zastosowanie nowych technologii. A nowe systemy wymagają czasu na ich opracowanie. Większość produktów przemysłowych wymaga dłuższego cyklu życia. Nie można oczekiwać, aby przemysł zmieniał produkt co 6 miesięcy lub nawet co rok, jak to ludzie robią ze sprzętem konsumenckim. Systemy przemysłowe wymagają większej stabilności oraz dłuższego cyklu życia.
Występowanie opóźnień we wdrażaniu zaawansowanej technologii to stały problem. Wprowadzanie zmian powoduje obawy, czasami uzasadnione. Jednakże sprzedawcy ułatwiają dokonywanie zmian, nadając nowości znany wygląd.
Ze względu na to, że rdzenie systemu czasu rzeczywistego i systemu Microsoft Windows mogą znajdować się na tym samym chipie, wizualizacja może być oddzielona od sterownika. Użytkownik oporny na zmiany – lub nieskory do wydatków – może unowocześnić sprzęt interfejsu HMI i wizualizacji, bez konieczności wymiany sterownika lub wymienić sterownik, pozozstawiając używany do tej pory interfejs. Producenci mogą wymienić wyświetlacz lub unowocześnić technologię, bez ingerencji w oprogramowanie i sprzęt, co ułatwia wdrażanie nowych rozwiązań przy minimalnych nakładach finansowych. Podobnie, wyświetlacze i ekrany dotykowe, z dokręconym z tyłu komputerem PC torują sobie drogę na rynek, dając odczuć zalety integracji tym, którzy może nawet nie wiedzą, że z tych zalet korzystają. – W tym sensie, być może, rynek komputerów panelowych PC faktycznie wycofuje się z w pełni zintegrowanego rozwiązania, do pewnego rodzaju podejścia modułowego – dodaje Jackson.
Wiele zakładów nadal korzysta z procesorów Celeron lub AMD. Jednak postep w modernizacji jest widoczny.
– W niektórych przypadkach czynniki ekonomiczne opóźniają przyjmowanie nowych rozwiązań – twierdzi Weltzin z firmy National Instruments. – W obecnej sytuacji ekonomicznej wielu producentów ma problemy wykraczające poza kwestię wprowadzania nowej architektury systemów. Lecz aktywność w tym zakresie zaczyna wzrastać z chwilą, kiedy producenci maszyn projektują nowy sprzęt do nowoczesnych aplikacji medycznych i dla sektora energii odnawialnej. Łączenie dwóch funkcji sprzętowych w jedną całość daje znaczne korzyści.
Technologie, które dają niekwestionowane korzyści, nie mogą być ignorowane. Powoli i systematycznie są przejmowane przez firmy typu OEM i końcowego użytkownika, w miarę jak rośnie zadowolenie przemysłu ze stosowania zintegrowanych systemów.
Jeanine Katzel jest redaktorem współpracującym czasopisma Control Engineering.
CE