Podzespoły do automatyki przemysłowej

Jedną z dziedzin bezpośrednio związanych z automatyką przemysłową jest pneumatyka, która umożliwia przekazywanie energii i sterowanie za pomocą sprężonego powietrza.

Powietrze w służbie automatyki

Niezwykle często w automatyce przemysłowej inżynierowie stosują rozwiązania pneumatyczne do konstruowania różnego rodzaju systemów automatyki. Popularność rozwiązań pneumatycznych wynika ze stosunkowo prostych zasad działania urządzeń pneumatycznych oraz bogatej oferty tych urządzeń na rynku. Zasadniczo można podzielić podzespoły pneumatyczne na trzy grupy. Do pierwszej z nich należą urządzenia odpowiedzialne za przygotowanie powietrza.

Druga grupa to urządzenia sterujące przepływem powietrza, czyli zawory. Zawory można podzielić na kilka podgrup jako kryterium przyjmując funkcje, które spełniają. Na rynku pneumatyki można znaleźć zawory rozdzielające – kierunkujące przepływ medium, zwrotne – umożliwiające przepływ medium tylko w jednym kierunku, dławiące, które sterują natężeniem przepływu, redukcyjne – zapewniające stałą wartość ciśnienia, bezpieczeństwa, trójdrogowe – z dwoma wejściami jednym wyjściem oraz zawory zdwojonego sygnału. Te ostatnie realizują taką samą funkcję jak bramka logiczna AND.

Zawory umożliwiają odpowiednie ukierunkowywanie przekazywania powietrza do trzeciej grupy podzespołów pneumatycznych, czyli urządzeń wykonawczych. Zadaniem tych ostatnich jest przetwarzanie dostarczanego powietrza na energię mechaniczną, co najczęściej oznacza wprawianie w ruch części mechanicznych systemów automatyki. Najpopularniejszymi urządzeniami wykonawczymi pneumatyki są siłowniki, czyli silniki pneumatyczne o ruchu prostoliniowym. Umożliwiają one realizację przesuwów mechanicznych oraz uzyskiwanie określonych nacisków statycznych. Podczas doboru siłownika do konkretnej aplikacji należy przede wszystkim zwrócić uwagę na długość skoku danego podzespołu oraz zakres dopuszczalnego ciśnienia roboczego. Przykładowe podzespoły pneumatyczne reprezentujące każdą z grup wraz z ich krótkimi charakterystykami zostały zaprezentowane w formie tabelarycznej.

Po pierwsze bezpieczeństwo

Najważniejszą cechą, która powinna charakteryzować dowolny system automatyki przemysłowej, jest bezpieczeństwo. Zapewnienie bezpieczeństwa na odpowiednio wysokim poziomie to niejednokrotnie konieczność większych nakładów pracy projektantów czy zwiększenie stopnia skomplikowania poszczególnych układów. Nic nie jest jednak tak bardzo ważne jak życie i zdrowie ludzkie.

Sercem każdego układu bezpieczeństwa jest zazwyczaj dedykowany do tego typu zastosowań sterownik bezpieczeństwa. Jego zadania to przede wszystkim: wyzwalanie zatrzymań awaryjnych, kontrola stanu urządzeń wykonawczych oraz czujników i urządzeń kontrolujących bezpieczeństwo systemu, dobieranie odpowiedniego typu pracy w zależności od trwania określonej operacji technologicznej, odpowiednie reagowanie na działanie operatora systemu. Przykładowe programowalne sterowniki bezpieczeństwa scharakteryzowano w postaci tabelarycznej.

Elementy wykonawcze systemów automatyki powinny być odpowiednio zabezpieczone systemem osłon, które za pomocą dedykowanych czujników i urządzeń informują sterownik bezpieczeństwa o aktualnym stanie bezpieczeństwa wokół elementów wykonawczych. Popularnymi formami ochrony przed nieautoryzowanym dostępem do elementów ruchomych są bariery i kurtyny świetlne oraz skanery. Ich zaletą jest możliwość zezwolenia, podczas wykonywania konkretnego etapu procesu technologicznego, na wejście w obserwowany przez nie obszar, przykładowo w celu dostarczenia surowca. Odbywa się to bez konieczności fizycznych modyfikacji systemów zabezpieczeń, jak ma to miejsce np. w przypadku ogrodzenia lub zagrody. Zasada działania bariery i kurtyny jest podobna, nadajnik emituje promienie świetlne w kierunku odbiornika, brak odbioru określonej ilości promieni jest informacją o sytuacji niebezpiecznej i wywołuje odpowiednie działania zmierzające do doprowadzenia systemu automatyki do stanu bezpiecznego dla otoczenia. Bariera od kurtyny różni się gęstością emitowanych promieni. Ta pierwsza ma ją zdecydowanie mniejszą i jest stosowana jako zabezpieczenie ogólne, np. przed wtargnięciem człowieka w strefę pracy urządzenia. Kurtyna jest zabezpieczeniem znajdującym się bezpośrednio przy działającym elemencie wykonawczym i ochrania np. przed przypadkowym włożeniem palca, ręki czy głowy w miejsce, w którym nie powinny się znaleźć. Zakres rozdzielczości kurtyn dostępnych na rynku kształtuje się na poziomie od kilkunastu do kilkudziesięciu milimetrów, co oznacza, że takiej wielkości przedmiot zostanie wykryty przez daną kurtynę.

W przypadku stwierdzenia przez sterownik bezpieczeństwa sytuacji niebezpiecznej, odbiegającej od normy, ten wpływa odpowiednio na urządzenia wykonawcze, najczęściej zatrzymując bezpiecznie ich działanie, wprowadzając je w tryb awaryjny i uniemożliwiając ich normalne działanie do czasu ustania sytuacji awaryjnej i potwierdzenia tego faktu przez operatora systemu z góry ustalonym sposobem. Sterownik bezpieczeństwa może ponadto sygnalizować, stan, w którym znajduje się aktualnie system automatyki, za pomocą odpowiednich podzespołów, m.in.sygnalizatorów czy wyświetlaczy. Działanie systemów bezpieczeństwa ma charakter nadrzędny.

Przykładowe kolumny sygnalizacyjne o nazwie SIRIUS 8WD4 znajdują się w ofercie firmy Siemens. Opisywane kolumny mogą składać się z maksymalnie pięciu elementów sygnalizujących w sposób wizualny lub akustyczny sytuację odbiegającą od normy. Świecące diody mają wysoką żywotność osiągającą 100 000 godzin pracy. Innym przykładem urządzeń sygnalizujących są kolumny kombiSIGN 71 znajdujące się w ofercie firmy Instom. Również w tym przypadku można łączyć elementy wizualne z dźwiękowymi. Dostępne są moduły światła błyskowego, migającego LED, obrotowego LED, brzęczki, syreny wielofunkcyjne z regulacją głośności oraz syreny z możliwością zdalnego sterowania.

Ważnym aspektem związanym z podzespołami odpowiedzialnymi za bezpieczeństwo jest zapewnienie wysokiej odporność na zakłócenia elektromagnetyczne. Odporność musi być niezawodna, aby nie powodować niepożądanych reakcji sterownika bezpieczeństwa, co wiąże się z nieuzasadnionymi zatrzymaniami systemu automatyki, a w krytycznych przypadkach z niebezpieczeństwem dla operatora.

Obsługa systemu automatyki

Każdy system automatyki wymaga określonych działań obsługowych. Oczywiście konieczny stopień ingerencji człowieka jest uzależniony od stopnia zautomatyzowania danego systemu. Oprócz określonych reakcji obsługi systemu w normalnym trybie pracy ważne jest nieustanne kontrolowanie przebiegu danego procesu technologicznego i odpowiednie reagowanie zarówno w sytuacjach zagrożenia życia i zdrowia, jak i wykrywania nieprawidłowości mogących prowadzić do strat materialnych. Oprócz zautomatyzowanych systemów bezpieczeństwa i systemów czujników, które wywołują określone zachowania urządzeń automatyki, ważna jest możliwość kontrolowania i ingerencji obsługi w działanie danego procesu.

Do obsługi systemu wykorzystuje się często proste komponenty takie jak przyciski, przełączniki, pokrętła, zaś do obserwacji jego zachowania i aktualnego stanu – lampki i wyświetlacze. Oczywiście wymienione komponenty można zwirtualizować i umieścić na ekranie panelu operatorskiego.

Panel operatorski jest podzespołem, który zapewnia możliwość ingerencji obsługi systemu automatyki w jego pracę oraz obserwację jego aktualnego stanu. Są różne formy paneli operatorskich. Doboru ich rodzaju do danej aplikacji dokonuje się najczęściej na podstawie stopnia zautomatyzowania systemu oraz stopnia skomplikowania danego procesu technologicznego. Panele operatorskie mogą przyjmować formę kilku oddzielnie montowanych elementów, zespołu przycisków i elementów wizualnych, klawiatury z przyciskami funkcyjnymi.

Dużą popularnością cieszą się panele operatorskie z wyświetlaczem oraz klawiaturą z przyciskami funkcyjnymi dla zastosowań w stosunkowo prostych systemach automatyki lub panelem z dotykowym ekranem, który umożliwia wizualizowanie skomplikowanych procesów technologicznych, wyświetlanie wielu parametrów oraz większą swobodę dla programistów systemów automatyki, którzy mogą budować atrakcyjne aplikacje sterujące. Na rynku dostępne są liczne gotowe podzespoły automatyki, które mogą służyć jako łącznik między systemem a jego obsługą. Dobierając panel operatorski do konkretnej aplikacji, należy wziąć pod uwagę liczbę elementów obsługiwanych przez dany system automatyki oraz rolę, które one pełnią. Panele dostępne na rynku różnią się wielkością, funkcjonalnościami, możliwościami, niektóre z nich mogą w stanie bezproblemowo pracować w określonych sieciach przemysłowych. Warto również zwrócić uwagę na interfejsy obsługiwane przez dane urządzenie, typ i wielkość wyświetlacza oraz stopień ochrony. Kilka przykładowych paneli przedstawiono w formie tabelarycznej, która uwzględnia ich najważniejsze cechy.

Sterowanie

Oczywistym jest, że aby móc sterować danym procesem technologicznym i odpowiednio go wizualizować z użyciem paneli operatorskich, konieczne jest zaopatrzenie danego systemu automatyki w odpowiednio dobrany sterownik. Sercem większości prostych systemów automatyki jest sterownik PLC. Na rynku dostępne są setki urządzeń tego typu różnych producentów. Sterownik PLC umożliwia kontrolę procesu i wywoływanie konkretnych działań urządzeń wykonawczych na podstawie sygnałów otrzymywanych z różnego rodzaju czujników. Wszystko dzieje się na podstawie ściśle określonego przez projektanta systemu automatyki algorytmu działania.

Wydawałoby się, że dobierając sterownik PLC, należy zwrócić uwagę tylko na potrzebną liczbę wejść i wyjść. Warto jednak pamiętać, że od sposobu działania tego podzespołu zależy wydajność całego procesu technologicznego oraz bezawaryjność sterowanego przez niego systemu. Ponadto należy zwrócić uwagę na przejrzystość i funkcjonalność oprogramowania, dzięki któremu będzie można zaimplementować odpowiedni algorytm do sterownika. Ma to wpływ na czas uruchamiania systemu oraz łatwość i szybkość czynności serwisowych.

Dobierając sterownik PLC należy pamiętać o zapewnieniu jego kompatybilności z interfejsami dostępnymi lub planowanymi w całym systemie, kwestie związane z bezpieczeństwem, stopień ochrony sterownika, możliwości jego rozbudowy o odpowiednie moduły w przyszłości.

Regulacja

Kolejną grupą produktową, której zadaniem jest wpływanie na przebieg procesu technologicznego w czasie rzeczywistym są regulatory. Najprościej rzecz ujmując, regulatory to komponenty używane w automatyce przemysłowej mające za zadanie doprowadzenie mierzonej wielkości fizycznej do pożądanej wartości. Chodzi o odpowiednie wpływanie na daną wielkość fizyczną w zależności od informacji pozyskiwanych z różnego typu czujników w postaci sygnałów napięciowych i prądowych. Przykładowymi regulowanymi wielkościami fizycznymi są: temperatura, ciśnienie, przepływ, poziom.

Na rynku automatyki przemysłowej można znaleźć regulatory panelowe wyposażone w przyciski funkcyjne i wyświetlacze obrazujące wartość zadaną oraz aktualną danej wielkości fizycznej. Dzięki nim możliwa jest bieżąca ocena sytuacji przez operatora systemu. W ofercie różnego rodzaju dystrybutorów podzespołów automatyki znajdują się również regulatory do montażu w szafach elektrycznych. Te są wyposażone w niewielkich rozmiarów wyświetlacze lub są ich całkowicie pozbawione, ich zaletą jest kompaktowy charakter. Przy doborze odpowiedniego regulatora należy zwrócić uwagę na liczbę dostępnych kanałów, rodzaje obsługiwanych sygnałów wejściowych, zaawansowanie sposobu regulacji oraz dostępne interfejsy komunikacyjne. Kilka przykładów różnego typu regulatorów przedstawiono w tabeli.

Komputery przemysłowe

Bardziej zaawansowaną formą sterownika procesu automatyki przemysłowej jest komputer, który daje dużo więcej możliwości technicznych w porównaniu do sterownika PLC i regulatora. Z technologicznego punktu widzenia nie istnieją przeszkody uniemożliwiające stosowanie w przemyśle standardowych komputerów PC. Jest jednak to niewskazane ze względu na niekorzystne warunki otoczenia panujące w przemyśle. Najczęściej komputer narażony jest na zapylenie, wilgoć lub niekorzystną temperaturę. Dlatego w aplikacjach związanych z zagadnieniem automatyki przemysłowej zastosowanie znajdują komputery specjalnego przeznaczenia, których konstrukcja jest tak zaprojektowana, aby zminimalizować ryzyko negatywnego wpływu środowiska na jego działanie.

Niezwykle ważną cechą komputerów przemysłowych, bo o nich mowa, jest stopień ochrony IP. Warto również zauważyć, że komputery przemysłowe charakteryzują się najczęściej zwartą zabudową, dzięki którym łatwiej jest je wpasować w konstrukcję danych urządzeń. Sama konstrukcja podzespołów automatyki to istotna ich cecha, ale podczas doboru odpowiedniego modelu dla danej aplikacji należy również pamiętać o jego parametrach technicznych takich jak wielkość pamięci wewnętrznej, wielkość i rodzaj pamięci zewnętrznej, model procesora czy system operacyjny. Istotne mogą się również okazać rodzaj i liczba dostępnych portów, takich jak USB, COM, RJ45. Warto również rozważyć użycie komputera przemysłowego zintegrowanego z panelem operatorskim. Takie rozwiązania są coraz powszechniejsze na rynku, a ich rozwój jest zauważalny.

Wśród komputerów przemysłowych można wyróżnić komputery jednopłytkowe, kompaktowe, panelowe i do montażu w szafie. Kilka przykładowych podzespołów tego typu przedstawiono w tabeli.

Podzespoły elektryczne

Z automatyką nierozłącznie związana jest elektryka. To dzięki podzespołom elektrycznym aplikacje automatyki przemysłowej mają szansę funkcjonować. Należy pamiętać, że do prawidłowego działania wszystkich podzespołów automatyki, również tych wspomnianych, potrzebne jest odpowiednie ich zasilenie oraz połączenie w jedną spójną i funkcjonalną całość za pomocą przewodów.

Połączenia elektryczne między poszczególnymi podzespołami i elementami automatyki są realizowane za pomocą dedykowanych do tego celu przewodów. W przekazywaniu energii elektrycznej oraz sygnałów sterujących pośredniczy również mnóstwo różnego rodzaju podzespołów elektrycznych takich jak zasilacze, styczniki, przekaźniki, filtry czy konwertery.

Te ostatnie zapewniają możliwość łączenie podzespołów automatyki, które nie mogą być połączone w sposób bezpośredni. Oto kilka przykładowych konwerterów:

• konwerter Astraada – RS-232 na światłowód – w ofercie firmy Astor,
• konwerter ET-485 – RS-485 na Ethernet – w ofercie firmy Multiprojekt,
• konwerter B&B Electronics 485PTBR – RS-232 na RS-485 – w ofercie firmy Dacpol

W grupie siła

Obecność na rynku bogatej gamy różnego rodzaju podzespołów dedykowanych dla automatyki przemysłowej umożliwia zwiększenie dynamiki automatyzacji przemysłu. Korzystając z gotowych, dedykowanych do konkretnych celów podzespołów, można w prostszy sposób projektować, budować i oprogramowywać systemy automatyki. W doborze odpowiednich podzespołów chętnie pomogą doradcy techniczni producentów i dystrybutorów działających w branży automatyki przemysłowej. Jedyną barierą, która istotnie wpływa na dobór rodzaju podzespołów podczas projektowania systemu dla danej aplikacji jest cena. Należy znaleźć złoty środek pomiędzy aktualnymi potrzebami i wymaganiami, możliwością rozbudowy w przyszłości a dostępnymi środkami finansowymi oraz lokalowymi. Podczas doboru odpowiednich podzespołów warto zwracać uwagę na ich funkcjonalność, ale również na aspekty związane z bezpieczeństwem. Nie mniej ważna jest ergonomia użytkownika systemu. Aktualnie należy zwracać uwagę na aspekty związane z ekologią, np. zużyciem energii.

źródło: Automatyka 11/2018