Postęp w elektronice zwiększa funkcjonalność przemysłowych komponentów automatyki.
Komponenty wykorzystywane w przemysłowych systemach sterowania, takie jak sterowniki programowalne (PLC), są wzbogacane o dodatkowe interfejsy komunikacyjne i algorytmy przetwarzania danych. Obserwuje się również trend tworzenia maszyn z uwzględnieniem funkcjonalnego bezpieczeństwa. Przyglądając się kluczowym cechom kilku produktów różnych producentów, można zauważyć nacisk, jaki kładzie się na interfejsy komunikacyjne, wewnętrzne przetwarzanie i funkcjonalne bezpieczeństwo.
Bliższa inspekcja architektury i konstrukcji modułów I/O w tych systemach pozwala zaobserwować dodatnie sprzężenie zwrotne pomiędzy postępami w automatyce a rozwojem i wszechobecnością urządzeń elektronicznych. Sprawdźmy zatem trendy w automatyce i ich wpływ na konstrukcję oprzyrządowania. A może zależność jest odwrotna?
Łączność
Od prostych przemysłowych systemów sterowania po rozbudowane systemy sterowania całymi fabrykami, komponenty automatyki przemysłowej można znaleźć w jednym z trzech głównych obszarów zastosowań (rysunek 1): w warstwie nadrzędnej (gromadzenia danych), warstwie sterowania i warstwie rozproszonych systemów polowych (czujniki i aktuatory). Między wszystkimi warstwami następuje wymiana danych, przy czym duże zmiany w komunikacji zachodzą w warstwie najniższej ? od współczesnych czujników oczekuje się znacznie więcej niż tylko pomiaru, dlatego wbudowuje się w nie inteligencję. Wymaga to zmiany sposobu komunikacji z czujnikami.
Trend w automatyce. Do tej pory głównym protokołem komunikacji między czujnikami a sterownikami PLC były pętle 420 mA lub sieci Fieldbus. Chociaż będą one wykorzystywane jeszcze przez lata, w wielu aplikacjach tradycyjne sieci zastępowane są ich ethernetowymi odpowiednikami lub stworzonymi od podstaw deterministycznymi protokołami Ethernet. Należą do nich protokoły Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Sercos, Powerlink i wiele innych. W rzeczywistości przemysłowe protokoły czasu rzeczywistego zyskują największą popularność w krytycznych czasowo operacjach, takich jak sterowanie napędami. Poza protokołami bazującymi na standardzie Ethernet istnieją jeszcze protokoły takie jak HART i IO-Link, które umożliwiają cyfrową komunikację z urządzeniami rozproszonymi (polowymi). Wreszcie komunikacja bezprzewodowa, która wciąż się rozwija i jest wykorzystywana do zbierania informacji z trudno dostępnych miejsc, m.in. zbiorników.
Trendy w architekturze urządzeń. Wiodące kierunki rozwoju komponentów elektronicznych umożliwiające komunikację to programowalność i elastyczność. Mając na uwadze różnorodność przemysłowych protokołów ethernetowych, producenci układów scalonych oferują projektantom systemów sterowania gotowe zestawy ewaluacyjne i dedykowany firmware, umożliwiające tworzenie prototypów urządzeń z wieloma interfejsami komunikacyjnymi działającymi jednocześnie. Co więcej, producenci układów scalonych mają w swojej ofercie kompletne analogowe interfejsy w wykonaniu przemysłowym wyposażone w jeden z protokołów wspomnianych wcześniej. Niektóre z interfejsów są od razu integrowane z procesorami. Wreszcie chipy oferujące bezprzewodową komunikację i pamięć flash, w której przechowywany jest stos wymagany przez interfejsy komunikacyjne.
Wbudowane przetwarzanie
Trend w automatyce. Postępy w łączności pociągają za sobą dwa trendy w systemach sterowania: zwiększanie liczby kanałów dostępnych w systemie oraz zwiększenie liczby systemów rozproszonych. Na przykład cyfrowy moduł I/O firmy Phoenix Contact może posiadać 32 kanały. Zwiększona liczbę kanałów wymaga zwiększonych zdolności przetwarzania, a obudowy modułów wciąż maleją. Złożoność obliczeniowa algorytmów sterowania rośnie, co w połączeniu ze zwiększoną liczbą kanałów wymaga szybkich układów przetwarzających. Na przykład moduły I/O serii DeltaV firmy Ermeson mają wbudowane algorytmy logiki rozmytej, sieci neuronowych i wieloimiennej regulacji predykcyjnej. Co więcej, szybkiego przetwarzania danych wymaga się już nie tylko od jednostek centralnych, ale również od sterowników rozproszonych. Ostatecznie, komponenty rozproszonego systemu sterowania mają wbudowaną inteligencję, która umożliwia im komunikację z urządzeniami nadrzędnymi oraz przeprowadzanie diagnostyki konserwacji.
Trend w architekturze urządzeń. Głównym motorem tych trendów jest integracja, upakowanie i mniejsza moc. Nigdzie indziej integracja nie jest tak ewidentna, jak w rosnącej liczbie funkcji zaimplementowanych w mikroprocesorach i mikrokontrolerach. Prostota, wszechobecność i dostępność IP-Core procesorów ARM połączona z ich niskim zużyciem energii jest czynnikiem stymulującym rozwój wielu odmian układów scalonych bazujących na tej architekturze [autor ma na myśli układy scalone SoC ? z ang. System-on-a-chip ? cały system w jednej obudowie ? przyp. tłum.]. Znaczna integracja komponentów peryferyjnych i dostępność interfejsów komunikacyjnych w jednym procesorze to źródło obserwowanej dziś wbudowanej inteligencji.
Postęp nie nastąpił wyłącznie w technice mikroprocesorowej. Integracji uległy również układy analogowe. Aby zrozumieć skalę integracji, którą udało się osiągnąć, spójrzmy na schemat blokowy architektury typowego wejściaanalogowego przedstawiony na rysunku 2.
Większość producentów układów scalonych oferuje zintegrowane analogowe multipleksery, wzmacniacze, przetworniki ADC, źródło napięcia odniesienia i bufor ? wszystko w jednym chipie. Co więcej, większość z kluczowych komponentów znajdujących się po lewej stronie diagramu umieszczono w obudowie o powierzchni mniejszej niż 40 mm2.
Innym przykładem umożliwiających zwiększanie liczby kanałów rozwiązań są chipy z dużą ilością cyfrowych punktów I/O. Ponieważ wszystkie elementy elektroniczne ulegają miniaturyzacji, należy się spodziewać dalszej integracji i zwiększonego wewnętrznego przetwarzania.
Bezpieczeństwo funkcjonalne
Trend w automatyce. Zwiększona łączność i zaawansowane wbudowane przetwarzanie umożliwiają tworzenie niezwykle zawiłych systemów. Koszt potencjalnej awarii może być zatem znacznie większy niż do tej pory; zagrożenie dla człowieka nigdy nie może być bagatelizowane. Jednocześnie ustawy i dyrektywy, w tym Europejska dyrektywa maszynowa 2006/42/EG, wymagają coraz większych poziomów bezpieczeństwa. Wiele z przemysłowych protokołów ethernetowych zostało zaprojektowanych specjalnie do realizacji funkcji bezpieczeństwa. Jednym z przykładów jest Profisafe, który integruje bezpieczeństwo z istniejącymi sieciami Profibus i Profinet. Aby spełnić wszystkie wymagania bezpieczeństwa i zaoferować bezpieczeństwo funkcjonalne maszyn, producenci musieli zaimplementować zaawansowane funkcje bezpieczeństwa oraz algorytmy diagnostyczne. Dzięki nim ryzyko awarii i przestoju zostało znacznie ograniczone.
Trend w architekturze urządzeń. Trendy umożliwiające realizację bezpieczeństwa funkcjonalnego to zintegrowana diagnostyka oraz funkcje bezpieczeństwa w układach elektronicznych. Dwa procesory pracujące równolegle nad jednym zadaniem są stosowane w motoryzacji od dawna. Taka architektura zapobiegania błędom sprawdza się znakomicie i nic nie stoi na przeszkodzie, aby zacząć stosować ją w automatyce [takie rozwiązania stosowane są od wielu lat w serwonapędach ? przyp. tłum.]. Chociaż większość aplikacji przewiduje możliwość dwukanałowej redundancji, możliwa jest również pewna modernizacja koncepcji poprzez zastosowanie w jednym kanale tańszego procesora, realizującego wyłącznie operacje wpływające na bezpieczeństwo. O funkcje diagnostyczne i bezpieczeństwa wzbogaca się również peryferyjne układy elektroniczne. W wielu odbiornikach Ethernet, odpornych na temperatury panujące w warunkach przemysłowych, zaimplementowano zaawansowane funkcje reflektometru diagnostycznego (TDR), aby wykrywać awarie i przeprowadzać diagnostykę okablowania. Następne serie produktów będą w stanie wykonywać zaawansowane samodzielne autotesty. Wiele z chipów-interfejsów sieciowych ma zabezpieczenia przed odwrotnym podłączeniem przewodów, zbyt wysokim napięciem itp.
Postęp w konstrukcji urządzeń i skorelowany z nim postęp w automatyce tworzą samonapędzającą się machinę. Większe wymagania w zakresie łączności, wbudowanego przetwarzania i bezpieczeństwa funkcjonalnego w nowych modułach I/O sterowników PLC pociągają za sobą konieczność rozwoju układów elektronicznych. Obecna na rynku układów scalonych konkurencja wymusza na ich producentach ciągłą modernizację podzespołów elektronicznych.
Innym obserwowanym trendem jest rosnący potencjał tanich rozwiązań z rynków azjatyckich. Dodatnie sprzężenie zwrotne między automatyką a konstrukcją urządzeń będzie trwało. Jego efektem będzie postęp zarówno w automatyce, jak i elektronice.
Navin Venkata Kommaraju jest menedżerem ds. rozwoju w Texas Instruments.
CE