Szczupła architektura systemów automatyki

Od kilku dziesięcioleci architektura systemów automatyki do sterowania pracy maszyn niemal nie uległa zmianie. Podstawowy schemat układów sterowania zawierał programowalny sterownik logiczny (Programmable Logic Controller – PLC) z dyskretnymi i analogowymi modułami wejścia-wyjścia (I/O) biegnącymi do urządzeń końcowych, podczas gdy elektroniczny interfejs operatora (Operator Interface – OI) stanowił układ służący do dokonywania nastaw, obsługi i konserwacji maszyny.
Wynikiem postępu technicznego w przetwarzaniu i komunikacji danych są obecnie nowe możliwości organizacji automatyzacji pracy maszyn. Te postępy w komunikacji mają miejsce zarówno na poziomie urządzeń, jak i przedsiębiorstwa i umożliwiają tworzenie usprawnionej architektury systemu automatyki (rys. 2).
Praca w sieci na poziomie urządzeń umożliwia bezpośrednie połączenia z inteligentnymi urządzeniami końcowymi zainstalowanymi w maszynie i pozwala na wyeliminowanie modułów I/O oraz nadmiernej ilości okablowania z szafy sterowniczej. Poza uproszczeniem konstrukcji, bezpośrednie połączenie z urządzeniami inteligentnymi poprawia diagnostykę i pomaga w wydłużeniu czasu działania maszyn.
Praca w sieci na poziomie przedsiębiorstwa, wraz z pojawieniem się przemysłowych technologii Ethernetu, pozwala na swobodne i efektywne połączenie maszyn w przedsiębiorstwie produkcyjnym. Może to przynieść znaczące korzyści w monitorowaniu wydajności, odbieraniu sygnałów alarmowych z maszyn i rozwiązywaniu problemów stanowiących ich przyczynę oraz sprzyja zdalnemu rozwiązywaniu problemów i aktualizacji programów do obsługi układów automatyki.
Postęp techniczny daje także okazję do usprawnienia architektury systemu automatyki – przekształca go do formy uproszczonej (rys. 2), w której sterowanie logiczne, interfejs operatora, komunikacja na poziomie urządzeń oraz komunikacja na poziomie przedsiębiorstwa są zintegrowane w jeden spójny system automatyki.
Dla producentów sprzętu typu OEM (Original Equipment Manufacturer) postęp techniczny w komunikacji na poziomie urządzeń i na poziomie przedsiębiorstwa umożliwia połączenie układów wizualizacji i sterowania oraz dostęp do nowego poziomu techniki połączeń. Zmiany te pozwalają na szybsze i tańsze projektowanie oraz produkcję bardziej inteligentnych maszyn. Dodatkowe korzyści to:
-> zintegrowane środowisko rozwojowe, które pozwala na szybsze projektowanie maszyn;
-> redukcja liczby podzespołów i okablowania, co oznacza zmniejszenie kosztów budowy maszyn;
-> scentralizowany, zdalny dostęp i zarządzanie, poprawione działanie i zredukowane koszty obsługi maszyn.
Sieci usprawniają automatykę
Pozostając w pewnym stopniu w cieniu postępów dokonujących się na poziomie sieci teleinformatycznych przedsiębiorstw, sieci komunikacyjne na poziomie urządzeń (obiektowym) także ciągle podlegały procesowi postępu technicznego, umożliwiając coraz bardziej opłacalne połączenie w systemie nawet prostszych urządzeń i modułów ze sterownikami logicznymi. Postęp ten miał miejsce zarówno wewnątrz szaf sterowniczych, jak i poza nimi, rozszerzając się na czujniki i elementy wykonawcze zamontowane na maszynie. Sieci na poziomie obiektowym dają wiele korzyści: skrócenie czasu instalacji okablowania i rozruchu przed oddaniem do eksploatacji szafy sterowniczej, usunięcie kart I/O z systemu oraz poprawę obiegu i przetwarzania informacji diagnostycznych w celu budowy bardziej niezawodnych systemów.
W układach sterowania maszyn przejście z architektur bazujących na modułach I/O na pracę w sieci łączącej czujniki, elementy wykonawcze i interfejs człowiek-maszyna (Human-Machine Interface – HMI) staje się kluczowym czynnikiem umożliwiającym stworzenie połączonej platformy automatyki (tzw. sieci rozproszone). Ponieważ karty I/O znikają z systemu lub ich rola zostaje znacznie ograniczona, zmniejszone zostają także koszty instalacji o wartość osobnego sterownika PLC i elektronicznego interfejsu operatora (Electronic Operator Interface – EOI). Moc obliczeniowa dzisiejszych mikroprocesorów umożliwia obsługę zadań interfejsu operatora i sterownika PLC przez jedno urządzenie. Ponadto, ze względu na coraz ważniejszą rolę zdalnego dostępu, wzrasta znaczenie połączonego interfejsu i sterownika, HMI-PLC, zmieniając organizację podstawowego systemu sterowania i umożliwiając wykorzystanie uszczuplonej automatyki, która łączy w sobie logikę, wizualizację i połączenia.
<—newpage—>Zbieżność HMI-PLC
Społeczność producentów, wraz z pojawieniem się Ethernetu przemysłowego i zastosowaniem go w halach fabrycznych, może poczynić znaczne postępy w zwiększeniu wydajności procesów produkcyjnych. Rozszerzające się możliwości sieci oraz inteligentne urządzenia, które mogą być sprzęgane przez te sieci, są siłą napędową ulepszonej diagnostyki, szybszego rozwiązywania problemów i ogólnej poprawy niezawodności maszyn. Pozyskiwanie i dostęp do informacji przekazywanych przez sieć Ethernet daje więcej możliwości w zakresie redukcji czasu i kosztów diagnozowania oraz rozwiązywania problemów, zanim spowodują one przestój lub opóźnią przekazanie urządzeń do eksploatacji po odbiorze technicznym. Zmiany te oddziałują także na systemy automatyki zainstalowanej na maszynach, domagając się nowego spojrzenia na architekturę systemów automatyki oraz rolę sterownika PLC i interfejsu HMI w tych systemach.
W lepszym zrozumieniu zbieżności funkcjonalności urządzeń HMI-PLC i różnych dostępnych opcji sprzętowych, użyteczna może być historyczna perspektywa rozwoju tych technologii. Bowiem właśnie z historycznego punktu widzenia sterowniki PLC opracowano dla celów związanych ze sterowaniem, sekwencjonowaniem i bezpieczeństwem procesów produkcyjnych, zastępując systemy obejmujące wiele urządzeń – liczne przekaźniki, układy czasowe i bębnowe układy sekwencyjne oraz zamknięte układy sterowania. Taki nowy układ sterowania w znacznym stopniu składał się z kart I/O używanych do sprzęgania czujników, elementów wykonawczych i prostych interfejsów operatora (przyciski i lampki kontrolne).
Jako uzupełnienie takiego prostego sterownika PLC wprowadzono elektroniczny interfejs operatora (Electronic Operator Interface – EOI). Podłączony do PLC za pomocą prostego sieciowego połączenia szeregowego, interfejs EOI dodał możliwość prezentowania znacznie bogatszych informacji operatorowi maszyny, zastępując w procesie produkcji niektóre z przycisków i lampek kontrolnych. Tę historyczną relację pomiędzy EOI a PLC pokazano na rys. 3.
W przemysłowych sieciach Ethernet pojawienie się zdalnego dostępu do układów automatyki oznacza zwiększoną funkcjonalność, obejmującą: akwizycję i wymianę danych historycznych, powiadomienia i zarządzanie alarmami oraz zarządzanie bezpieczeństwem. Te cechy wprowadzono zarówno w PLC, jak też EOI. Obecnie wykazują one tendencję do nakładania się na siebie, ponieważ dostawcy sprzętu PLC i EOI rywalizowali w spełnieniu nowych wymagań dotyczących informacji historycznych, alarmowania i bezpieczeństwa (rys. 4).
Więcej nie zawsze oznacza lepiej i dlatego pojawiająca się w ten sposób swoista redundancja rozwiązań dostępnych w zestawach EOI i PLC ma kilka minusów: zbędne duplikowanie sprzętu (Ethernet jest wymagany w obydwu urządzeniach), niepotrzebna złożoność programowania (rezerwowane systemy alarmowe) i zwiększone ryzyko powstania dziur w systemach bezpieczeństwa. Zastosowanie – zamiast dwóch urządzeń z nakładającymi się funkcjonalnościami – jednego, z zestawem funkcji spełniających wymagania odbiorcy bez ich duplikowania, oznacza mniejszą ilość sprzętu do zakupu, zaprogramowania i skonfigurowania (rys. 5).
Uproszczona architektura
Obecnie obserwuje się radykalny postęp w funkcjonowaniu sieci komunikacyjnych, zarówno na poziomie obiektowym, jak i zarządzania przedsiębiorstwem. Obsługują one nową uproszczoną architekturę systemów automatyki. Ostatecznie ta zbieżność może wyeliminować całe poziomy, zestawy urządzeń i umożliwić wprowadzenie „zdalnej inteligencji”, która zredukuje koszty szkoleń, jednocześnie umożliwiając producentom OEM wykorzystanie najlepszego sprzętu, pochodzącego od pewnego rodzaju dostawców.
Zintegrowana architektura umożliwia uszczuplenie układów automatyki – zwiększając jednocześnie ich wydajność i zmniejszając marnotrawstwo – w kategoriach sprzętu i czasu. W środowisku biznesowym, w którym panuje duża konkurencja, dostarczanie najlepszych w swojej klasie rozwiązań, które są inteligentne, intuicyjne i funkcjonalne, daje realne korzyści dla biznesu oraz kreuje systemy sterowania szybsze pod względem projektowania, odbiorów technicznych i utrzymania.

Źródło zdjęć: Eaton
Autor: Rich Harwell jest menedżerem rozwiązań zaawansowanych w firmie Eaton.
Tekst pochodzi z nr 4/2016 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.