Komputery i panele przemysłowe

Urządzeniami, które stanowią główny element systemów sterowania są dedykowane sterowniki. Dzięki nim możliwe jest odpowiednie kierowanie pracą urządzeń wykonawczych według wcześniej założonego algorytmu. W złożonych aplikacjach, w których sterowniki PLC okazują się niewystarczającym rozwiązaniem, zastosowanie znajdują komputery przemysłowe. Ważnymi komponentami wchodzącymi w skład systemów sterowania są również panele operatorskie.

Komputer przemysłowy IPC

W nowoczesnych zakładach przemysłowych, o wysokim stopniu zautomatyzowania procesów technologicznych, częstokroć praca wielu urządzeń jest kontrolowana za pomocą jednego układu sterowania. Funkcję nadrzędnego sterownika, czyli centralnej części układu, stanowi komputer. Ze względu na trudne warunki środowiskowe, w których muszą funkcjonować komputery, wskazane jest używanie modeli w wykonaniu przemysłowym. Obudowa gwarantująca ochronę przed zapyleniem oraz kontaktem z wodą jest niezbędna do osiągnięcia wysokiej niezawodności urządzenia. Redukcja ryzyka awarii jest niezwykle ważnym aspektem w kontekście bezawaryjności zautomatyzowanych linii produkcyjnych. Każda usterka powoduje przecież przestój, który jest powodem strat finansowych i może wpłynąć negatywnie na wizerunek zakładu produkcyjnego oraz postrzeganie go jako godnego zaufania partnera biznesowego w przyszłości.

Komputery przemysłowe, zwane w skrócie IPC (Industrial PC), sterują różnego typu urządzeniami odpowiedzialnymi za działanie elementów wykonawczych. Wszelkie urządzenia napędowe, które umożliwiają wprawianie w ruch różnorodnych elementów, są nadzorowane i odpowiednio sterowane z użyciem komputerów przemysłowych. Najpopularniejsze z nich to przemienniki częstotliwości oraz serwowzmacniacze. To właśnie systemy sterowania, który są uruchamiane na komputerach przemysłowych, odpowiadają za generowanie stosownych sekwencji ruchu dla urządzeń napędowych. Algorytmy sterujące zaimplementowane z użyciem dedykowanego oprogramowania na komputerach przemysłowych odpowiadają ponadto za zbieranie informacji z otoczenia. Odpowiednio przetworzone informacje pochodzą z różnego typu czujników rozmieszczonych na sterowanych obiektach.

Rodzaje

Wśród komputerów przemysłowych można wyróżnić kilka rodzajów. Jedną z najpopularniejszych grup są komputery kompaktowe. Jej przedstawiciele charakteryzują się zwartym rozmieszczeniem elementów w ich wnętrzach. Nie wpływa to na utratę ich wydajności. Kolejną charakterystyczną cechą komputerów kompaktowych jest ich bezwentylatorowe wykonanie. Ciepło z procesora i układów elektronicznych jest odprowadzane za pomocą obudowy, która pełni rolę radiatora. Taki stan rzeczy umożliwia skuteczną ochronę przed zapyleniem, jednak nie można zapomnieć o ograniczeniach temperaturowych, w których może pracować dany komputer. Miejscem montażu komputerów kompaktowych jest najczęściej szyna umieszczona w szafie sterowniczej. Ze względu na to, że omawiane urządzenia mają stosunkowo niewielkie wymiary, zbytnio nie ograniczają dostępnej w szafie przestrzeni.

Kolejną grupę komputerów przemysłowych stanowią komputery panelowe. Ich wyróżnikiem jest wbudowanie ekranu w komputer, czego wynikiem jest powstanie spójnego i kompletnego urządzenia sterującego systemem automatyki. Komputery panelowe muszą charakteryzować się wyższym stopniem ochrony IP, w szczególności od frontu, czyli od strony panelu. Miejsce montażu takich komputerów jest zdeterminowane przez panel. Ten musi znajdować się w ergonomicznym położeniu, łatwo dostępnym dla operatora, a jednocześnie umożliwiającym dobre połączenie z innymi komponentami danego systemu sterowania.

Wśród komputerów przemysłowych na uwagę zasługują również komputery jednopłytkowe. Przykładowym urządzeniem tego typu jest produkt z oferty firmy CSI – PICO CV-01. Na powierzchni wynoszącej zaledwie 72 cm2 można znaleźć procesor Intel Atom N2600, pamięć wewnętrzną RAM DDR3 do 2 GB pojemności, złącza SATA, mSATA, porty szeregowe, USB oraz po dwa programowalne wejścia i wyjścia cyfrowe. Innym przykładem jednostki jednopłytkowej może posłużyć model PCM-9376 z oferty firmy Elmark Automatyka. Na płytce o powierzchni około 40 cm2 jest procesor AMD G-Series T16R charakteryzujący się wysokim stopniem energooszczędności, do 4 GB pamięci wewnętrznej DDR, gniazda SATA, karty sieciowe, kilka portów szeregowych oraz gniazdo USB.

Wybór

Dobór komputera przypomina do pewnego momentu wybór tradycyjnego komputera do użytku biurowego. Należy zwrócić uwagę na umieszczone wewnątrz urządzenia komponenty wpływające na jego wydajność oraz możliwości. Do takich komponentów niewątpliwie należą procesor, pamięć wewnętrzna oraz zewnętrzna. W przypadku obu pamięci kluczowy jest ich rodzaj i wielkość. W pewnych sytuacjach ważny jest system operacyjny, którym posługuje się dany komputer. Podczas doboru należy zwrócić uwagę na liczbę i rodzaj dostępnych portów USB, PCI, PCIe i szeregowych. Ważne jest również sprawdzenie liczby gniazd Ethernet, szczególnie w kontekście sieci przemysłowych, w których będzie pracowało urządzenie. Kluczowa może okazać się dostępność różnorodnych gniazd, które umożliwiają podłączenie różnych kart rozszerzeń. Oprócz wspomnianych elementów należy zwrócić uwagę na parametry charakteryzujące wyłącznie komputery przemysłowe. Chodzi przede wszystkim o stopień ochrony urządzenia IP, odporność na kontakt z wodą, zakres temperaturowy i wilgotnościowy pracy czy wykonanie bezwentylatorowe. W przypadku komputerów panelowych należy wziąć pod uwagę również parametry związane bezpośrednio z panelem tj. rodzaj i wymiary ekranu, obsługiwane rozdzielczości oraz dedykowane oprogramowania do projektowania interfejsów użytkownika.

Kilkanaście przykładowych modeli różnego typu komputerów przemysłowych przedstawiono w formie tabelarycznego porównania (tabele widoczne są w wersji PDF oraz drukowanej miesięcznika Automatyka).

Panel operatorski HMI

Ważnym elementem większości systemów automatyki jest panel operatorski. To jeden z nielicznych komponentów, z którymi operator ma bezpośredni kontakt. Panel służy do interakcji między obsługą a układem sterującym, jest medium, dzięki któremu dochodzi do wymiany informacji między człowiekiem a sterowanym urządzeniem. Stąd też często stosowanym określeniem na tego typu komponent jest panel HMI (od Human – Machine Interface). Panel umożliwia wyświetlanie aktualnego stanu systemu automatyki. Pozwala także wybierać różnorodne opcje oraz wprowadzać niezbędne dane. Wśród paneli operatorskich dostępnych na rynku można wyróżnić różne typy urządzeń.

W podstawowej formie do wprowadzania danych służą dedykowane przyciski funkcyjne. Obsługa takiego panelu jest bardzo intuicyjna, ryzyko popełnienia jakiegokolwiek błędu przy obsłudze jest niezwykle niskie. Jednak takie rozwiązanie ogranicza do minimum możliwość ingerowania operatora w działanie systemu. Panel w postaci przycisków funkcyjnych sprawdza się w systemach automatyki, których zadaniem jest wykonywanie powtarzalnych, przewidywalnych i względnie nieskomplikowanych czynności, np. przejazdu między ściśle określonymi, stałymi punktami z określoną i zadaną na stałe prędkością. Typowe zastosowanie przycisków to awaryjne zatrzymanie, rozpoczęcie i zakończenie procesu, zmiana trybu pracy, manualne załączanie poszczególnych elementów wykonawczych, np. odpowiedniego elektrozaworu. Do sygnalizowania stanu systemu może służyć podświetlanie przycisków lub lampki statusowe, zaś do regulowania wybranych wartości fizycznych (np. prędkości, napięcia, wysokości) dedykowane pokrętła.

Rozszerzeniem paneli wyposażonych w klawiaturę jest wyświetlacz – najczęściej graficzny, dużo rzadziej alfanumeryczny. Umożliwia on prezentację danych, a w połączeniu z przyciskami funkcyjnymi oraz alfanumerycznymi wprowadzanie i zmianę parametrów. Dzięki tego typu urządzeniom możliwe jest obsługiwanie systemów nieco bardziej złożonych, w których konieczne jest regulowanie wybranych wielkości fizycznych, w zależności od rodzaju wykonywanego w danej chwili zadania. Przykładowo, do grubości materiału poddawanego obróbce należy dobrać odpowiednią grupę parametrów, dla których sterowany proces przyniesie oczekiwane efekty. Grubość materiału może przecież wpływać na wysokość umieszczenia narzędzia wykonawczego czy prędkość realizacji procesu.

Panel VT50 znajdujący się w ofercie firmy Sabur jest jednym z przykładowych tekstowych paneli operatorskich. Pod dwuwierszowym, monochromatycznym wyświetlaczem LCD z podświetleniem LED znajduje się pięć przycisków funkcyjnych i osiem przycisków służących do operowania na tekście, tj. jak strzałki do przesuwania kursora. Panel jest wyposażony w port szeregowy, a stopień ochrony od przodu osiąga IP66. Innym przykładem jest panel SH-300 produkowany przez firmę Array. Wskazany komponent o stopniu ochrony IP65 składa się z graficzno-znakowego wyświetlacza LCD oraz dwudziestu programowalnych przycisków. Również firma WObit posiada w swojej ofercie panele operatorskie omawianego typu. Jednym z przykładowych serii takich produktów jest seria MD. Jej przedstawiciele oprócz wyświetlacza o wymiarze 4,3” i portu szeregowego mają od dziewiętnastu do dwudziestu przycisków, z czego połowa stanowi klawiaturę numeryczną.

Panele dotykowe

Nowocześniejszą formę paneli operatorskich stanowią kolorowe ekrany dotykowe. Umożliwiają one obserwację bieżącego stanu systemu automatyki w bardzo przejrzysty i atrakcyjny sposób. Ponadto widok udostępniany operatorowi na dotykowym ekranie ma również przyciski sterujące, które można rozmieszczać w dowolny sposób, przypisywać im dowolne funkcjonalności oraz decydować o ich wyglądzie oraz wymiarach. Można stwierdzić, że ekrany dotykowe są zwirtualizowaną i dużo atrakcyjniejszą formą opisywanych wcześniej paneli składających się z fizycznych przycisków i przełączników, paneli klawiaturowych oraz tych wyposażonych w proste wyświetlacze i tradycyjne ekrany.

Dedykowane do paneli dotykowych oprogramowanie dostarczane przez ich producentów umożliwia projektowanie spersonalizowanych interfejsów użytkownika. Rozbudowane biblioteki gotowych elementów graficznych dostępne we wspomnianym oprogramowaniu umożliwia odpowiednie dostosowanie interfejsu do charakteru zadań realizowanych przez sterowany system automatyki. Do takich elementów należą: przyciski, suwaki, pola wyboru, listy rozwijane, lampki, wykresy oraz gotowe grafiki. Możliwe jest również importowanie własnych obrazów i grafik, które mogą przyczynić się do jeszcze większej i lepszej personalizacji interfejsów. Podczas doboru panelu, oprócz treści dostępnych bibliotek, warto zwrócić uwagę na to, czy oprogramowanie dedykowane do danego modelu wyświetlacza jest intuicyjne i proste w obsłudze.

Wśród dotykowych paneli operatorskich można znaleźć głównie ekrany rezystancyjne i pojemnościowe. Pierwsze z nich zbudowane są z dwóch powierzchni, które stykają się ze sobą w określonym punkcie pod wpływem dotyku. Zmiana oporu w tym miejscu umożliwia sprawną identyfikację jego współrzędnych i jednoznacznie definiuje punkt, który został wskazany przez operatora. Z kolei zasada działania ekranów pojemnościowych opiera się na zmianie pola elektrostatycznego. Zdefiniowanie miejsca wskazywanego przez operatora jest możliwe dzięki punktowej zmianie pojemności w miejscu dotyku przez przewodzący element np. rysik lub palec operatora. Porównania poszczególnych typów ekranów dokonano w formie tabelarycznej. Ekrany rezystancyjne są tańsze, odporniejsze na drobne uszkodzenia mechaniczne, a ich obsługa jest możliwa dowolnym przedmiotem, co ułatwia pracę operatorowi, ponieważ nie musi za każdym razem zdejmować rękawic ochronnych, gdy chce skorzystać z panelu. Mimo że ekrany pojemnościowe są z reguły droższe od ich rezystancyjnych odpowiedników, są również chętnie wybierane przez projektantów systemów automatyki. Dzieje się tak dlatego, że charakteryzują się większą estetyką, dokładnością oraz żywotnością.

Doboru odpowiedniego rodzaju panelu do danej aplikacji dokonuje się na podstawie stopnia zautomatyzowania sterowanego systemu automatyki oraz stopnia skomplikowania danego procesu technologicznego. Dobierając panel operatorski, należy wziąć pod uwagę liczbę elementów obsługiwanych przez dany system automatyki oraz zadania, które one realizują. Panele dostępne na rynku automatyki różnią się wbudowanymi funkcjonalnościami, wielkością, możliwościami, obsługiwanymi sieciami przemysłowymi, dostępnymi portami i interfejsami. W przypadku paneli dotykowych różnią się rodzajem ekranów, ich wielkością, dostępną rozdzielczością. Ważnym parametrem jest również deklarowana przez producenta żywotność urządzenia. Podczas doboru paneli operatorskich należy również zwrócić uwagę na ich stopień ochrony IP, deklarowany bezproblemowy zakres temperaturowy pracy, wymagany rodzaj zasilania.

Niektóre urządzenia wyróżniają się na tle innych specjalnym przeznaczeniem lub ponadprzeciętną funkcjonalnością. Jedną z przykładowych serii tego typu jest oferowana przez firmę Turck seria paneli TX700FB. Ciekawą właściwością wskazanych paneli jest zminimalizowanie refleksów światła słonecznego oraz zwiększenie jasności ekranu osiągniętą dzięki zmniejszeniu załamań światła na ekranie. Urządzenia z serii TX700FB są dedykowane do przemysłu spożywczego dzięki swojemu higienicznemu wykonaniu oraz maksymalnemu stopniowi ochrony ekranu IP69K. Branża spożywcza jest bardzo wymagająca, ponieważ używane w systemach automatyki komponenty muszą być odporne na mycie częstokroć pod silnym strumieniem wody. Ponadto panele w wykonaniu higienicznym powinny dobrze znosić wysoką temperaturę oraz kontakt z agresywnymi środkami chemicznymi. Przyczynia się do tego między innymi wykonanie obudowy ze stali nierdzewnej.

Przykładowe panele operatorskie różnych producentów przedstawiono w formie tabelarycznego porównania, które uwzględnia wyżej wymienione cechy i parametry.

Panele mobilne

Coraz większą popularność zyskują panele mobilne. Taką funkcję mogą pełnić tablety czy smartfony. Niewątpliwą zaletą takich urządzeń jest możliwość sterowania i nadzoru nad procesem z dowolnego miejsca. Mobilny interfejs użytkownika może okazać się użyteczny przykładowo w przypadku układów automatyki pracujących w ekstremalnych warunkach środowiskowych – wysokiej temperaturze, dużym zapyleniu, strefach zagrożonych wybuchem lub realizujących procesy wymagające wysokiej dbałości o sterylność. Warto pamiętać, że używanie panelu mobilnego niesie ze sobą większe ryzyko dostania się go w niepowołane ręce. Tym samym należy pamiętać o odpowiednim zabezpieczeniu aplikacji sterującej znajdującej się na niej np. hasłem i różnymi poziomami dostępu do danych treści. Ważnym aspektem w przypadku paneli mobilnych jest problematyka związana z ich naładowaniem. Koniecznie trzeba mieć pod kontrolą stan naładowania baterii urządzenia oraz należy odpowiednio zabezpieczyć system na wypadek niespodziewanego rozładowania. Warto posiadać komplet baterii do użycia w przypadku całkowitego rozładowania panelu.

Oczywiście panele mobilne winne być odpowiednio dostosowane do pracy w warunkach przemysłowych, a więc najlepiej gdyby były dosyć odporne na otaczające je warunki środowiskowe. Warto, aby ich narożniki i krawędzie były odpowiednio zabezpieczone przed przypadkowymi uderzeniami i uszkodzeniami mechanicznymi, zaś ekrany były wyposażone w nakładki zabezpieczające. Najlepszym rozwiązaniem są modele wzmocnione.

Zaletą rozwiązań mobilnych jest możliwość nadzorowania pracy wielu urządzeń z jednego miejsca. Jest to wielkim udogodnieniem dla personelu działu utrzymania ruchu. Może on sprawować stały nadzór nad systemami automatyki, a niektóre problemy jest w stanie rozwiązać zdalnie, bez konieczności podchodzenia do urządzeń. Urządzenia pełniące funkcje mobilnych paneli operatorskich, tj. tablety czy smartfony są wyposażone w wiele użytecznych elementów – mikrofony, głośniki, kamery, czujniki ruchu, światła, nawigacje czy możliwość nawiązywania komunikacji między pracownikami. Ich obecność można potraktować jako dodatkowe możliwości. Urządzenia mobilne służące jako panele HMI mogą współpracować ze skanerami i czytnikami.

Przykładowym dedykowanym panelem mobilnym jest produkt znajdujący się w ofercie firmy Siemens – Simatic HMI KTP900F Mobile. Składa się on z podświetlanego dziewięciocalowego wyświetlacza oraz dziesięciu przycisków funkcyjnych. Urządzenie jest zasilane napięciem stałym o wartości 24 V, ma stopień ochrony IP65 oraz jest wyposażone w wyłącznik bezpieczeństwa.

Jednym z przykładowych tabletów przemysłowych, który może posłużyć jako mobilny panel operatorski HMI jest urządzenie Getac UX10. Można go znaleźć w ofercie firmy Elmark Automatyka. Opisywane urządzenie jest wyposażone w pojemnościowy, dziesięciocalowy ekran dotykowy, baterię o stosunkowo dużej pojemności, liczne porty komunikacyjne, opcjonalnie można go doposażyć w skaner kodów kreskowych, czytnik RFID, czytnik kart magnetycznych, skaner linii papilarnych. Ostatnie z wymienionych elementów mogą przyczynić się do odpowiedniego zabezpieczenia urządzenia przed dostaniem się w niepowołane ręce. Opisywany tablet ma pamięć DDR4 o pojemności 8–16 GB, dysk SSD o wielkości 256 GB do 1 TB, system Windows 10 Pro oraz pięć konfigurowalnych przycisków fizycznych. Producent deklaruje odporność na upadek z wysokości 1,8 m.

Innym przykładem tabletu przemysłowego jest ruggON PM-521. Charakteryzuje się on wbudowanymi dwoma systemami operacyjnymi – Windowsa i Androida, możliwością doczepienia dedykowanej klawiatury, wysokim stopniem ochrony wynoszącym IP65 oraz odpornością na upadki z wysokości 1,5 mm.

Obecność w świecie automatyki paneli mobilnych jest doskonałym dowodem na nieustanny rozwój koncepcji Przemysłu 4.0. Zdalna kontrola maszyn i urządzeń oraz możliwość sterowania wieloma elementami rozbudowanych systemów automatyki z jednego miejsca stanowi nowoczesne podejście do działania zautomatyzowanych systemów automatyki.

Podsumowanie

Bogata gama różnorodnych paneli i komputerów przemysłowych umożliwia budowanie atrakcyjnych układów sterowania systemami automatyki. Mnogość propozycji jest gwarantem, że nawet bardzo wybredny projektant znajdzie komponenty, które będą pasować do projektowanego przez niego systemu. W doborze odpowiednich podzespołów chętnie pomogą doradcy techniczni producentów i dystrybutorów działających w branży automatyki przemysłowej.

Dokonany przegląd komponentów używanych do sterowania procesami uzmysławia jak ważną gałąź rynku automatyki stanowią tego typu urządzenia. Oprócz niezwykle istotnych aspektów technicznych urządzeń, należy zwrócić uwagę na intuicyjność obsługi, estetykę wykonania komponentów oraz dostępne funkcjonalności oprogramowania, które jest wykorzystywane do konfigurowania oraz zaprogramowania danego urządzenia automatyki. 

źródło: Automatyka 12/2021