Systemy automatyki rozproszonej (grid computing)

Nowa architektura systemów automatyki przenosi moce obliczeniowe do urządzeń wykonawczych. Zdecentralizowane, rozproszone obliczenia mogą się stać przyszłością nowoczesnych systemów transportowych.
Wykorzystanie kilku komputerów do jednoczesnego rozwiązania problemu określane jest z języka angielskiego jako grid computing. Techniki te stosowane są w szczególności w zaawansowanych obliczeniach naukowych wymagających współpracy wielu komputerów i jednoczesnego dostępu do dużych ilości danych. Praca taka możliwa jest przy wykorzystaniu specjalistycznego oprogramowania do rozdziału zadań i danych pomiędzy różne komputery.
Architektura systemów automatyki zmieniała się, przejmując rozwiązania wykorzystywane w infrastrukturze IT. Rozwiązania te były oczywiście modyfikowane do potrzeb użytkowników systemów automatyki. Zastosowanie tych rozwiązań w układach sterowania przepływem materiałów, magazynów i centrów dystrybucji wskazuje na zbieżność rozwoju architektury systemów automatyki z koncepcją grid computing.
Programowanie rozproszone jest jedną z nowszych koncepcji IT wykorzystywanych w automatyce, w której odchodzi się od rozwiązań scentralizowanych na rzecz dystrybuowania mocy obliczeniowych w kierunku urządzeń wykonawczych, takich jak np. układy napędowe taśmociągów. Rozwiązanie to czyni proces szybszym, ponieważ decyzja o sterowaniu podejmowana jest przez posiadające swoją logikę rozproszone urządzenia wykonawcze.
Zaprojektowanie systemu automatyki, w którym sterownik PLC podejmuje decyzje dotyczące całego systemu, ale część zadań realizowana jest lokalnie, jest zadaniem wykonalnym. Pozwoli to na osiągnięcie szybszych czasów reakcji oraz na realizację innych zadań przez mniej obciążoną jednostkę centralną sterownika. Najlepszą informacją jest to, że zaprojektowanie takiego zdecentralizowanego, rozproszonego systemu – i korzyści z tego płynące – jest osiągalne. Ale chociaż założenia są słuszne, to realizacja tego zadania wymaga:

  • wspólnej platformy programistycznej, aby osiągnąć kompatybilność hardware’ową niezależnie od producenta sprzętu,
  • ujednolicenia rozwiązań sprzętowych, umożliwiających rozproszone programowanie,
  • zastosowania ujednoliconych narzędzi konfiguracyjno-zarządczych, takich jak np. standard interfejsu Field Device Tool/Device Type Manager (FDT/DTM),
  • budowy otwartej, łatwo dostępnej i elastycznej sieci.

Oprócz skróconych czasów odpowiedzi i zwiększonej produktywności, być może kluczowym zyskiem programowania rozproszonego jest możliwość budowy sieci urządzeń bez obawy o szybkość sieci i jej przepustowość. W przypadku systemów rozproszonych szybkość sieci, niezbędna przy centralnym podejmowaniu decyzji, nie jest tak istotna, jak otwarty dostęp do niej. Oprócz tych korzyści pojawią się z pewnością jeszcze inne, ponieważ zarówno dystrybutorzy OEM-owi, jak i użytkownicy końcowi podjęli inicjatywę i dokonują coraz więcej wdrożeń wykorzystujących tę technologię.
Rozproszone sterowanie
Obecnie zdecydowana większość procesów kontrolowana jest przez sterownik PLC, który sprawdza stan wejść, wykonuje obliczenia i aktualizuje stan wyjść dla wszystkich elementów układu. Przykładem takiego rozwiązania może być taśmociąg systemu sortowania, którego praca zależy od wskazań czujnika optycznego. Kiedy w wybranym miejscu pojawi się paczka, uaktywni ona czujnik, a informacja o tym zostanie wysłana do sterownika PLC, który uruchomi silnik taśmociągu i zatrzyma go po przetransportowaniu paczki. Na czas reakcji układu na pojawienie się paczki składa się czas skanu sterownika oraz, zależnie od rozwiązania, czas przesyłu informacji z czujnika poprzez sieć.
Czas reakcji wpływa bezpośrednio na produktywność; im szybciej taśmociąg zostanie uruchomiony, tym większą produktywność będzie miało przedsiębiorstwo. Oczywiście bardzo wiele zależy w tym przypadku od mechaniki układu, ale przy tak długim łańcuchu operacji zastosowanie inteligentnych elementów realizujących zadania lokalnie, które raportują jedynie status wykonywanych operacji, dla rozbudowanych i łatwo dostępnych sieci może skrócić czas reakcji układu i przez to podnieść produktywność.
Takie zdecentralizowane układy sterowania mogą ponadto zwiększyć elastyczność sterowania procesem. Przykładowo, jeśli zdecentralizujemy logikę sterowania w systemie wykorzystującym trzy taśmociągi i jeden z nich ulegnie awarii, to pozostałe dwie linie będą mogły kontynuować pracę, a teoretycznie nawet przejąć zadania uszkodzonej linii i utrzymać produktywność procesu na niezmienionym poziomie.
Nowe oprogramowanie, nowe sieci
Zdolność układów I/O sterownika do przejęcia części funkcji sterowania układem jest jedynie jednym z elementów w pełni zdecentralizowanego systemu. Pozostałymi są rozwój standardów przemysłowych i możliwości budowy wysoce dostępnych sieci komunikacyjnych.
Każdy komponent układu automatyki używany w fabryce, magazynach czy centrach dystrybucyjnych dobierany jest zgodnie z indywidualnymi preferencjami dotyczącymi producenta i konkretnego typu urządzenia. Zdecentralizowany, rozproszony układ sterowania przyniesie spodziewane rezultaty i w ogóle będzie możliwy do realizacji, pod warunkiem wprowadzenia przez producentów oprogramowania wspólnych standardów, co zapewniłoby kompatybilność pomiędzy urządzeniami różnych producentów.
Organizacją, która mogłaby przewodniczyć w tworzeniu standardów, jest CoDeSys Automation Alliance, organizacja, która zachęca do wykorzystywania platform o otwartym standardzie. CoDeSys Automation Alliance skupia firmy branży automatyki, których urządzenia programowane są zgodne z normą IEC 61131-3. Oferowane oprogramowanie CoDeSys jest wynikiem współpracy pomiędzy producentami sprzętu i oprogramowania branży automatyki.
CoDeSys oferuje możliwość użycia jednego systemu do programowania i wymiany danych pomiędzy wszystkimi kompatybilnymi komponentami w sieci. Oprogramowanie to nie jest adaptowane do konkretnego urządzenia. Zamiast tego urządzenia poprzez pliki konfiguracyjne zawierające parametry, takie jak model i układ pamięci, obsługiwane są parametry jednostki centralnej. Wszystkie one mogą być modyfikowane bez bezpośredniej ingerencji w sprzęt. Skoncentrowanie się na jednym standardzie i wspólnej wersji oprogramowania pozwala zapewnić wysoką jakość zarządzania i ogranicza konieczność specjalistycznej pomocy.
Podobne zmiany muszą dokonać się również w rozwiązaniach sieciowych i komunikacyjnych, przy czym odpowiednie technologie są już dostępne. Dziś od sieci wymaga się przede wszystkim przesyłania w deterministyczny sposób i z dużymi prędkościami niewielkich, lecz stałych rozmiarów, pakietów danych procesowych. W sytuacji rozdystrybuowania programu sterowania ze sterownika PLC do poszczególnych układów wejść wyjść, od sieci nie wymaga się już tych samych prędkości, ponieważ nie przesyła się już danych procesowych. Sieć musi być zawsze dostępna i przesył danych niezawodny, ponieważ poszczególne elementy układu automatyki raportują do systemu SCADA o stanie swojej pracy, w szczególności przesyłając informacje o alarmach i danych produkcyjnych, oraz komunikują się pomiędzy sobą, wymieniając dane niezbędne do wspólnego prowadzenia procesu. Logicznym rozwiązaniem spełniającym te wymagania jest otwarty Ethernet (standard IEEE 802.3).
Obecna zcentralizowana forma sterowania wymaga sieci typu PROFIBUS czy CANopen zapewniających dużą szybkość i przepustowość, ale w przyszłości, i to z kilku powodów, najlepszym rozwiązaniem dla zdecentralizowanego układu sterowania będzie Ethernet. Jednym z nich jest integracja sieci automatyki z ogólną siecią IT przedsiębiorstwa i możliwość uniwersalnego wykorzystania wolnych zasobów sieci (np. zarówno dla potrzeb automatyki procesowej, jak i administracji). Wykorzystanie personelu działu IT do utrzymania sieci Ethernet w całym przedsiębiorstwie pozwoliłoby również na bardziej efektywne wykorzystanie zasobów ludzkich przedsiębiorstwa.
Wyprzedzać trendy
Jednym z podstawowych sposobów zwiększenia produktywności – w szczególności w systemach transportowych – jest skrócenie czasów reakcji poszczególnych elementów układu wykonawczego. W zasadzie każdy, choć w zależności od implementacji w różnym stopniu, zdecentralizowany układ sterowania zwiększa możliwości układu wykonawczego.
Menedżerowie i sprzedawcy OEM mogą w dalszym ciągu wdrażać koncepcję zdecentralizowanego, rozproszonego sterowania pod warunkiem współpracy z zaufanymi producentami sprzętu automatyki, specjalizującymi się w produkcji elementów wykonawczych wykorzystywanych w szczególności w sterowaniu przepływem materiałów, logistyce i układach transportowych. Firmy te mogą dostarczyć dalszych informacji o aktualnym stanie rozwoju tego typu systemów i pomogą nakreślić kierunki ich rozwoju. Pierwsi chętni przygotowują się już do czerpania korzyści.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Pawła Dworaka