Terminale operatorskie, komputery i monitory przemysłowe

Ze względu na ciągły rozwój automatyzacji i robotyzacji w przemyśle, maszyny, urządzenia i całe linie technologiczne stają się niejednokrotnie coraz bardziej złożone, umożliwiając realizację coraz bardziej skomplikowanych zadań. W związku z tym niezbędne jest używanie komputerów przemysłowych, zapewniających elastyczność w projektowaniu systemów sterowania, wysoką wydajność oraz możliwość synchronizacji pracy wielu urządzeń. W tym kontekście nie dziwi fakt, że producenci i dystrybutorzy działający na rynku automatyki, nieustannie poszerzają i rozwijają swoją ofertę komputerów przemysłowych. Do interakcji z systemami sterowania służą terminale operatorskie oraz monitory, których oferta na rynku automatyki jest równie bogata, a grono producentów i dystrybutorów bardzo szerokie.

Komputery przemysłowe

Komputery przemysłowe służą najczęściej do sterowania procesami produkcyjnymi lub złożonymi zautomatyzowanymi maszynami i urządzeniami. Można je również spotkać w automatyce budynkowej, maszynach budowlanych, sprzęcie medycznym, wojskowym i inteligentnych systemach transportowych.

Wśród komputerów przemysłowych można wyróżnić modele jednopłytkowe, które cechują niewielkie wymiary oraz to, że – na co wskazuje ich nazwa – są zmontowane w całości na jednej płytce. Kolejnym rodzajem są komputery w wykonaniu box – zamknięte w szczelnej i wytrzymałej obudowie, dostępne w określonych konfiguracjach, najczęściej bez późniejszej możliwości rozszerzenia, charakteryzujące się kompaktową budową. Możliwość ewentualnej rozbudowy i łatwej konfiguracji to cechy modułowych komputerów przemysłowych.

Komputery przetwarzają dane z poszczególnych sekcji linii technologicznych i nadzorują przebieg całego procesu, umożliwiają zarządzanie, archiwizację danych oraz raportowanie. Są urządzeniami nadrzędnymi, które mogą współpracować ze sterownikami PLC odpowiedzialnymi za działanie poszczególnych sekcji. Sterowniki PLC sterują danym obiektem zgodnie z wcześniej założonym algorytmem, jednocześnie udostępniając dane niezbędne dla systemu nadrzędnego pracującego na komputerze przemysłowym.

Komputery panelowe

Na rynku dostępne są również komputery panelowe, które w swoją obudowę mają wbudowany monitor. Służą głównie do monitorowania przebiegu procesu technologicznego, wizualizacji, prezentacji aktualnych parametrów pracy systemu oraz danych historycznych, a także są wykorzystywane do uruchamiania systemów SCADA. Dostępne na rynku modele mają wyświetlacze o różnej wielkości. Najczęściej są to ekrany dotykowe – pojemnościowe lub rezystancyjne. Integracja w jednej obudowie wszystkich elementów jest rozwiązaniem wygodnym. Komputery panelowe cechują się dzięki temu mniejszą liczbą złączy. Redukcji ulega okablowanie i ewentualne ryzyko uszkodzenia połączenia między jednostką sterującą a wyświetlaczem. Panel umożliwia dostęp do funkcjonalności komputera.

Należy jednak pamiętać o tym, że integracja jednostki oraz panelu staje się wadą, gdy któryś z tych elementów ulegnie uszkodzeniu. Często będzie to wymagało wymiany całego komputera przemysłowego, co generuje większe koszty, gdy sprzęt jest już poza okresem gwarancyjnym. Wynika to ze ścisłego zintegrowania wszystkich komponentów.

Cechy komputerów przemysłowych

Sprawdzone podzespoły renomowanych producentów, przy produkcji których nie popełniono żadnych błędów, nie są wystarczającym gwarantem tego, że dany komputer nadaje się do zastosowań przemysłowych. Głównym tego powodem jest środowisko. W zależności od miejsca realizacji zautomatyzowanego procesu sterowanego przez komputer, musi on być odporny na niską lub wysoką temperaturę, jej częste zmiany, obecność pyłu, wysoką wilgotność. Przydatna jest również odporność na ewentualne skoki napięć czy wyładowania elektrostatyczne. W związku z tymi wymaganiami, które mają bezpośredni wpływ na niezawodność linii produkcyjnej, komponenty używane do budowy komputerów przemysłowych muszą być bardziej odporne na czynniki zewnętrzne – np. temperaturę otoczenia – niż ich standardowe odpowiedniki.

Istotnym problemem, z którym mierzą się producenci komputerów przemysłowych jest odpowiednie chłodzenie. Jego brak może powodować uszkodzenia komponentów lub zawieszanie się komputera podczas pracy. W standardowych wersjach komputerów chłodzenie jest realizowane z użyciem wentylatorów. W przypadku tych dedykowanych do przemysłu, wentylatory nie są dobrym rozwiązaniem, ponieważ wstrząsy, pyły i zanieczyszczenia mogłyby uszkodzić łożyska, co z kolei mogłoby prowadzić do zatarcia się silniczków i ich unieruchomienia. Przeszkodą w używaniu wentylatorów jest również ewentualna wilgoć, która mogłaby dostawać się do wnętrza obudowy przez otwory wentylacyjne i powodować korozję lub zwarcia. Zważając na wymienione czynniki, producenci komputerów przemysłowych rezygnują ze stosowania wentylatorów na rzecz dużych radiatorów i chłodzenia pasywnego.

Kolejną cechą charakteryzującą komputery przemysłowe jest odporność na wstrząsy i wibracje, które mogą towarzyszyć realizacji procesu technologicznego. Używane komponenty muszą być dobrze zmontowane. Luty muszą być trwałe, ale jednocześnie nie mogą powodować naprężeń. Mogłyby one potencjalnie prowadzić do przerwania kontaktu podczas występowania wstrząsów. W celu tłumienia drgań podczas montowania większych komponentów stosuje się elastyczne wypełniania oraz podkładki. Unika się wszelkich złączy i gniazd, które mogłyby się poluzować. Ponadto w komputerach przemysłowych zastosowanie znajdują dyski SSD, które są odporniejsze na wibracje, wytrzymalsze, ale również szybsze.

Komputer przemysłowy powinien charakteryzować się wysoką niezawodnością oraz długą deklarowaną żywotnością. Najczęściej pracuje on w trybie ciągłym lub czas jego działania jest zdecydowanie dłuższy niż bezczynności. Pożądane jest, aby przewidywana żywotność była zdecydowanie dłuższa niż w przypadku standardowego komputera do zastosowań ogólnych. Zmiana sprzętowa w przypadku komputera biurowego czy domowego nie powoduje większych problemów, jest wręcz niejednokrotnie pożądana ze względu na chęć osiągnięcia lepszych parametrów sprzętowych i możliwość korzystania z nowinek technologicznych. Z kolei zmiana sprzętu w przypadku komputera przemysłowego nie jest pożądana, ponieważ wymagałaby dostosowania nowego urządzenia do zastanych warunków i komponentów w danym układzie automatyki lub dostosowania konfiguracji sprzętowej systemu automatyki do nowego komputera przemysłowego. Zamiana komputera na nowocześniejszy powodowałaby pojawienie się problemu z kompatybilnością sprzętową. Ponadto każda zmiana wymaga przestoju zautomatyzowanej linii, serii testów i ewentualnych poprawek, co jest kosztowne i niepożądane w przedsiębiorstwach. Dlatego ważna jest deklarowana przez producenta żywotność komputera, ale również czas oferowanego wsparcia technicznego oraz minimalny czas, przez który dany model będzie jeszcze dostępny na rynku. Może być to istotne w kontekście ewentualnej usterki i konieczności szybkiego rozwiązania problemu.

Jak dobrać komputer do aplikacji

Dobierając komputer przemysłowy do konkretnej aplikacji, należy najpierw podjąć decyzję dotyczącą jego rodzaju. Do wyświetlania informacji i nadzorowania przebiegu procesu przeznaczone są komputery panelowe. Do sterowania i kontroli zautomatyzowanymi procesami zastosowanie znajdują modele typu box oraz modułowe.

Komputery przemysłowe są przystosowane do różnego sposobu montażu. Mogą być montowane na szynie DIN bezpośrednio w szafie sterowniczej (komputery kompaktowe typu box), zgodnie ze standardem VESA (komputery panelowe), przystosowane do montażu na powierzchni poziomej lub pionowej. Od miejsca montażu zależy również materiał, z którego wykonana jest ich obudowa.

Wybierając konkretny model komputera przemysłowego należy zwrócić uwagę na jego odporność na czynniki zewnętrzne – zakres temperatury, w którym producent deklaruje niezawodną pracę, dopuszczalną wilgotność, deklarowaną odporność na wstrząsy oraz stopień ochrony. W przypadku modeli panelowych najczęściej stopień ochrony od frontu jest zdecydowanie większy niż pozostałej części urządzenia.

Dobierając konkretny model komputera przemysłowego, należy zwrócić uwagę na procesor, jego częstotliwość taktowania, liczbę rdzeni, dostępną pamięć wewnętrzną Flash i RAM, liczbę slotów na pamięć RAM, rodzaj pamięci zewnętrznej, ewentualne możliwości jej rozbudowy, liczbę portów USB, COM, PCI, liczbę gniazd ethernetowych czy rodzaje złącz do przesyłu obrazu.

Terminale operatorskie

Do interakcji systemu automatyki z jego operatorem służą terminale i monitory. Terminale operatorskie są przeznaczone do obsługi nieskomplikowanych procesów, prostych maszyn i urządzeń lub konkretnych fragmentów linii technologicznej. Charakteryzują się niewielkimi wymiarami, ich ekrany mają zazwyczaj klika cali. Z wielkością ekranu bezpośrednio powiązana jest rozdzielczość, która stanowi pewne ograniczenie w projektowaniu interfejsu użytkownika wyświetlanego na ekranie terminalu. Dawniej ekrany nie były dotykowe, a do obsługi interfejsów konieczne były fizyczne przyciski. Obecnie zdecydowana większość terminali ma ekrany dotykowe rezystancyjne lub pojemnościowe, a ewentualna obecność przycisków stanowi wyłącznie uzupełnienie. Fizyczne przyciski mogą być używane do wywoływania najczęściej realizowanych funkcji w celu zwiększenia ergonomii użytkowania.

Wybierając model terminalu operatorskiego, należy zweryfikować model procesora, który się w nim znajduje, jego częstotliwość taktowania, dostępną pamięć Flash oraz RAM, liczbę udostępnionych portów, obsługiwane interfejsy. Ważne jest sprawdzenie warunków pracy, w których producent deklaruje niezawodną pracę urządzenia. Istotny jest również stopień ochrony urządzenia, zwłaszcza od strony frontowej, ponieważ to właśnie ekran znajdujący się od frontu będzie bezpośrednio narażony na działanie temperatury, wilgoci, pyłów i zanieczyszczeń pochodzących z otoczenia.

Monitory przemysłowe

Monitory przemysłowe służą do wyświetlania obrazu w trudnych warunkach panujących w zakładach produkcyjnych. Charakteryzują się wysoką odpornością na czynniki środowiskowe, jak temperatura, wilgotność, zapylenie, przystosowaniem do pracy ciągłej, w towarzystwie wstrząsów i wibracji, wysoką niezawodnością i długą żywotnością.

Monitor przemysłowy co do zasady nie powinien mieć żadnych otworów oraz ruchomych elementów chłodzenia. Bezwentylatorowa koncepcja budowy obniża ryzyko awarii wywołanej gromadzeniem się pyłów i kurzów wewnątrz urządzenia. Ważny jest materiał, z którego powstaje monitor. Przykładowo aluminium malowane proszkowo, pokryte powłoką ochroną umożliwia skuteczne zabezpieczenie przed zarysowaniami i pojawianiem się rdzy.

Monitory serii ESAWARE oferowane przez firmę Sabur są dodatkowo pokryte teflonową powłoką, która jest nieprzywieralna i charakteryzuje się wysoką odpornością na działania agresywnych substancji. Ponadto zastosowanie zaokrąglonych krawędzi przedniej ramki ułatwia utrzymanie monitora i jego otoczenia w czystości.

Najczęściej monitory przemysłowe mają ekrany o wielkości kilkunastu do kilkudziesięciu cali, dzięki czemu prezentowane na nich wizualizacje mogą być złożone i jednocześnie czytelne. Najczęściej wspomniane ekrany są dotykowe, aby w łatwy sposób móc zapewnić interakcję użytkownika z systemem, ale do wybranych zastosowań wystarczającym rozwiązaniem może okazać się ekran bez dotyku. Dla ergonomii pracy warto zwrócić uwagę, czy ekran ma wbudowane podświetlenie oraz powłokę antyrefleksyjną, jaki oferuje kąt widzenia, czas reakcji i czas odświeżania.

Wybierając konkretny monitor, należy zwrócić uwagę na dostępne sposoby jego montażu. W zależności od potrzeby montaż może odbywać się na obudowie maszyny lub specjalnym wysięgniku (VESA). Wybrane modele mają możliwość montażu zarówno w poziomie, jak i w pionie, co czyni je bardziej uniwersalnymi. Może się bowiem okazać, że pionowa orientacja jest korzystniejsza dla danej konstrukcji, albo że interfejs użytkownika czy wizualizacja lepiej wyglądają w omawianej orientacji. Warto również sprawdzić umiejscowienie przycisków oraz czy istnieje ewentualna możliwość ich blokady. Może się to okazać kluczowe w trakcie projektowania miejsca montażu takiego monitora.

Firma Pepperl+Fuchs oferuje serię monitorów przemysłowych VisuNet. Modele GXP mają kompaktową konstrukcję, dwie wielkości wyświetlacza i są przeznaczone do zastosowań biotechnologicznych. FLX to gama monitorów dostosowanych do potrzeb przemysłu petrochemicznego, chemicznego i farmaceutycznego, ma niezbędne atesty do pracy w strefach zagrożonych wybuchem. Modele FLX Edge to monitory przeznaczone do pracy w szczególnie trudnych warunkach środowiskowych, dostosowane do zmywania.

Astor w swoim portfolio prezentuje serię monitorów przemysłowych AS56MKR o szczelności IP69K. Urządzenia należące do tej serii mają dotykowe ekrany rezystancyjne. Są dedykowane dla branży spożywczej, farmaceutycznej i chemicznej, gdzie mogą być często narażane na kontakt z wodą i poddawane cyklicznej dezynfekcji.

Z kolei firma Phoenix Contact oferuje dotykowe monitory przemysłowe o różnych wymiarach ekranów pojemnościowych. Ich obudowa zapewnia wysoką kompatybilność elektromagnetyczną. Można je montować na obudowie lub wysięgniku. Dzięki opcjonalnym ekspanderom KVM można transmitować sygnał obrazu i dotyku nawet na odległość do 90 m.

Zakłócenia

Urządzenia elektryczne znajdujące się w pobliżu komputerów i monitorów emitują fale elektromagnetyczne, które mogą zakłócać prawidłowe działanie tych komponentów – komunikację, strumieniowanie danych oraz działanie obwodów elektronicznych. Należy pamiętać, że standardowe modele komputerów i monitorów są przeznaczone do użytku domowego lub biurowego, gdzie zakłócenia elektromagnetyczne nie występują.

W przypadku komputerów przemysłowych odporność na zakłócenia zapewnia wewnętrzne ekranowanie urządzeń. Warto zauważyć, że modele panelowe dzięki integracji z wyświetlaczem mają zredukowane ryzyko zakłóceń przesyłu obrazu.

Ważnym aspektem w kontekście potencjalnych zakłóceń elektromagnetycznych jest odległość komputera od panelu oraz sposób ich połączenia. Każdy standard ma swoje ograniczenia dotyczące odległości, na której transmisja danych odbywa się bez zakłóceń. Należy jednak pamiętać, że w warunkach przemysłowych każdy dodatkowy metr przewodu zwiększa ryzyko pojawienia się problemów ze stabilnym przesyłem obrazu oraz niezawodnością działania. Pomocne może okazać się przesyłanie sygnału z użyciem transmitera i kabla ethernetowego.

Przemysł 4.0

Koncepcja Przemysłu 4.0, opierająca się na gromadzeniu i przetwarzaniu danych oraz wykorzystywaniu wniosków z analiz do optymalizacji działania procesów, wymaga niezawodnego sprzętu o dobrej wydajności. Komputery przemysłowe są doskonałym narzędziem, dzięki któremu dane procesowe mogą być pozyskiwane, wstępnie przetwarzane i przekazywane do systemów nadrzędnych. Te gromadzą dane historyczne, na podstawie których proponują wydajniejsze rozwiązania. Dzięki wnioskom z analiz zgromadzonych danych można ulepszać algorytmy działania zautomatyzowanych procesów, korygując systemy sterowania realizowane przez komputery. Łatwiej jest zarządzać rozbudowanymi systemami sterowania, gdy na obiekcie dostępny jest komputer.

Również monitory przemysłowe wpisują się w koncepcję rozwoju Przemysłu 4.0. Na nich mogą być wyświetlane aktualne oraz archiwalne dane procesowe, trendy, ostrzeżenia o ewentualnych zagrożeniach, wizualizacje, stany poszczególnych maszyn i urządzeń, komunikaty związane z bezpieczeństwem. Monitor może być miejscem, na którym prezentowane są informacje dotyczące eksploatacji i konserwacji poszczególnych komponentów.

Coraz większą popularnością cieszy się łączność bezprzewodowa. W warunkach przemysłowych możliwe jest zapewnienie stabilności połączenia z jej użyciem. W związku z tym w ramach koncepcji Przemysłu 4.0 można rozważać zastępowanie monitorów przemysłowych tabletami w wykonaniu przemysłowym. Oczywistą zaletą takiego rozwiązania jest mobilność. Ponadto jeden tablet może zarządzać kilkoma urządzeniami lub maszynami.

Podsumowanie

Rosnący stopień zautomatyzowania i zrobotyzowania procesów produkcyjnych oraz sukcesywne wdrażanie koncepcji Przemysłu 4.0 w przedsiębiorstwach prowadzi do zwiększenia zapotrzebowania na komputery i monitory przemysłowe oraz terminale operatorskie. Chcąc zapewnić niezawodność działania i długą żywotność, niezależność od warunków środowiskowych i wysoką wydajność, należy korzystać z bogatej oferty rozwiązań dedykowanych dla przemysłu. Mimo wyższych kosztów początkowych, opłacalność inwestowania w przemysłowe wykonania komputerów, monitorów i terminali jest większa.

source: Automatyka 11/2024