Sterowanie urządzeniami i procesami w automatyce przemysłowej

Do komponentów automatyki, dzięki którym możliwe jest sterowanie urządzeniami i procesami można zaliczyć różnego rodzaju sterowniki, kontrolery oraz komputery przemysłowe. Faktem jest, że rozwój tych urządzeń ma charakter dynamiczny.

Sterowniki do prostych zadań

Za najpopularniejsze urządzenia automatyki, których zadaniem podstawowym jest sterowanie urządzeniami i procesami, należy uznać sterowniki programowalne PLC. Są to uniwersalne komponenty wykorzystywane najczęściej do obsługi małych, niezbyt skomplikowanych systemów automatyki, które wymagają stosunkowo prostego sterowania. Zadania realizowane przez sterowniki omawianego typu to: wydawanie komend urządzeniom wykonawczym na podstawie wskazań czujników, udostępnianie danych do paneli operatorskich, obsługa wejść i wyjść, komunikacja i współpraca z systemami nadrzędnymi.

Koncepcja modułowości

Jednym z typów sterowników PLC są sterowniki modułowe, których charakterystyczną cechą jest duża elastyczność. Koncepcja tej grupy sterowników opiera się na możliwości doboru odpowiednich modułów potrzebnych do danej aplikacji i przyłączaniu ich do jednostki centralnej. Niewątpliwą zaletą tego typu sterowników jest możliwość ich rozbudowy lub całkowitej przebudowy bez konieczności wymiany jednostki centralnej i wszystkich modułów towarzyszących. Niesie to ze sobą redukcję kosztów oraz czasu poświęconego na konfigurowanie w przypadku dokonywania zmian w systemach automatyki obsługiwanych przez omawiane sterowniki. Do jednostek centralnych najczęściej można dołączyć moduły wejść oraz wyjść cyfrowych i analogowych w różnych konfiguracjach, moduły nadające i odbierające pozwalające na rozproszenie niektórych elementów sterownika, moduły komunikacyjne. Wszystko to powoduje, że  dany sterownik modułowy PLC jest uniwersalny i wszechstronny. W tabeli przedstawiono kilku przedstawicieli tej grupy sterowników z oferty różnych firm branży automatyki. Scharakteryzowano w niej jednostki centralne, wskazano obsługiwane interfejsy komunikacyjne oraz wymieniono oprogramowania pozwalające na konfigurowanie i oprogramowywanie sterowników. Zwrócono również uwagę na warunki środowiskowe, w których możliwa jest bezawaryjna i bezproblemowa praca danego sterownika programowalnego.

Centralizacja

Reprezentantami innej koncepcji są kompaktowe sterowniki programowalne. W odróżnieniu od sterowników modułowych nadających się doskonale do rozproszonych systemów automatyki, sterowniki kompaktowe znajdują zastosowanie w systemach scentralizowanych. Jednostka centralna spełnia jednocześnie funkcje, które w sterownikach modułowych pełnią poszczególne moduły. Oznacza to, że różnego rodzaju wejścia i wyjścia znajdują się bezpośrednio w obudowie głównej jednostki.

Wybierając kompaktowy sterownik programowalny warto zwrócić uwagę na liczbę dostępnych wejść i wyjść cyfrowych oraz analogowych, sposób montażu i zasilenia, dostępne porty oraz obsługiwane protokoły komunikacyjne. Ważne są również użyte komponenty elektroniczne wpływające na ogólnie pojętą wydajność. Chodzi między innymi o rodzaj procesora oraz pojemności pamięci. Jednym z elementów, które wpływają na komfort pracy z urządzeniem jest również środowisko, którego używa się do programowania danego sterownika. Dla porównania wybranych urządzeń omawianego typu zastosowano formę tabelaryczną.

Dedykowane środowiska konfiguracyjno-programistyczne

Z punktu widzenia automatyka zajmującego się programowaniem sterowników programowalnych, istotnym aspektem wpływającym na jego komfort pracy oraz optymalne wykorzystanie czasu, jest oprogramowanie, z którego korzysta. Każda firma zajmująca się dystrybucją sterowników PLC posiada dedykowane dla danej serii urządzeń środowisko. Zasada programowania w każdym z takich narzędzi jest podobna. Korzystając z wybranego języka programowania typowego dla sterowników PLC, takiego jak: język drabinkowy (LD), język schematów bloków funkcyjnych (FBD), sekwencyjny język graficzny (SFC), język strukturalny (SL), język listy instrukcji (IL), programista projektuje system w taki sposób, aby sterownik realizował stawiane przed nim zadania. Każde środowisko konfiguracyjno-programistyczne ma jednak swoją specyfikę. Dobre oprogramowanie powinno charakteryzować się dużą przejrzystością i funkcjonalnością oraz możliwie jak największą intuicyjnością obsługi.

Jednym z przykładów oprogramowań dedykowanych do sterowników programowalnych jest propozycja firmy Siemens – TIA Portal. Jest to środowisko umożliwiające jednoczesne programowanie i obsługę sterowników oraz projektowanie graficznych interfejsów użytkownika. Użyteczną funkcjonalnością jest możliwość przenoszenia elementów między poszczególnymi edytorami.

Kolejnym przykładem środowiska do obsługi sterowników programowalnych jest oprogramowanie SoMachine. Jest to środowisko dedykowane do obsługi urządzeń z oferty firmy Schneider Electric. Jego wyróżnikiem jest możliwość projektowania i programowania zarówno sterowników PLC, jak i  terminali HMI, napędów Altivar oraz urządzeń zdalnych Schneider Electric. Skraca to czas pracy nad projektem i zapewnia spójność działania.

Innym środowiskiem umożliwiającym pracę z sterownikami PLC jest propozycja firmy B&R – Automation Studio. Jedną z ciekawszych cech tego środowiska jest możliwość ponownego wykorzystania kodu w postaci modułów programistycznych. Automation Studio umożliwia podział aplikacji na podprojekty, co znacząco ułatwia pracę wielu programistów nad jednym zadaniem projektowym. Inną, wartą uwagi funkcjonalnością omawianego środowiska jest możliwość dwukierunkowej synchronizacji danych z jednym z oprogramowań do projektowania schematów elektrycznych.

Ciekawym podejściem do tematu środowisk do projektowania i programowania sterowników PLC może pochwalić się firma Phoenix Contact. Aby usprawnić pracę nad uruchamianiem systemów automatyki proponuje innowacyjną, otwartą platformę PLCnext Technology. Jej zaletą jest możliwość programowania w językach typowych dla sterowników programowalnych oraz w językach wysokiego poziomu. Jednocześnie omawiana platforma umożliwia włączenie do niej funkcji innych producentów niż Phoenix Contact, czego efektem jest powstanie kompleksowego systemu obsługi sterowników PLC.

Najważniejsze bezpieczeństwo

Najważniejszą cechą, która powinna charakteryzować każdy system automatyki, jest bezpieczeństwo. Ograniczenie do minimum ryzyka utraty zdrowia lub życia przez ludzi obsługujących dane urządzenia i maszyny, powinno być priorytetowym zadaniem dla każdego projektanta systemów automatyki. Zadanie zapewnienia bezpieczeństwa jest realizowane przez dedykowane komponenty automatyki – sterowniki bezpieczeństwa. Wespół z różnymi urządzeniami zbierającymi dane z otoczenia tworzą systemy dbające o zdrowie i życie operatorów różnego rodzaju systemów automatyki. Dzięki odpowiedniemu działaniu sterowników bezpieczeństwa możliwe jest bezpieczne zatrzymywanie poszczególnych podzespołów lub wszystkich składowych maszyn i urządzeń oraz doprowadzanie ich w możliwie jak najkrótszym czasie do stanu optymalnego pod względem bezpieczeństwa. Urządzeniami zbierającymi dane z otoczenia mogą być: bariery i kurtyny świetlne, skanery bezpieczeństwa, czujniki wizyjne, kontaktowe i bezdotykowe czujniki bezpieczeństwa, zamki i przyciski bezpieczeństwa. Dzięki tak zbudowanym systemom możliwe jest zabezpieczanie obszarów zagrożenia przed nieautoryzowaną ingerencją.

Na rynku automatyki dostępnych jest wiele sterowników bezpieczeństwa. Jedną z firm specjalizujących się w dystrybucji tego typu komponentów jest firma Sick. Oferuje ona dwie grupy sterowników bezpieczeństwa – Flexi Classic, których konfigurowanie odbywa się przez przełącznik obrotowy i odpowiednie okablowanie oraz Flexi Soft. Konfigurowanie drugiej z wymienionych grup urządzeń odbywa się za pomocą dedykowanego do tego celu oprogramowania. Można więc w tym przypadku mówić o programowalnych sterownikach bezpieczeństwa. Obie grupy charakteryzują się poziomem nienaruszalności bezpieczeństwa SIL 3 (IEC 61508) oraz modułową budową. Oprócz modułów głównych produkty z tych serii mogą mieć do 12 modułów rozszerzeń, oraz do 8 modułów przekaźnikowych. Grupa produktowa Flexi Classic może działać w sieciach: EtherNet/IP, Modbus, Profinet, Profibus, CANopen, DeviceNET, a Flexi Soft obsługuje ponadto EtherCAT, CC-Link, SSI i komunikację z użyciem portu szeregowego.

Inną firmą, w portfolio której można znaleźć sterowniki bezpieczeństwa, jest firma Mitsubishi Electric. Jednym z przedstawicieli tej grupy jest produkt o nazwie MELSEC QS. Zapewnia on taki sam poziom nienaruszalności bezpieczeństwa jak wspomniane wcześniej produkty i może pracować w sieci CC-Link i Ethernet. Omawiany sterownik jest w stanie obsłużyć maksymalnie 6144 wejść/wyjść, w tym 1008 wejść/wyjść bezpieczeństwa.

Kolejną serią produktów z omawianej grupy jest seria Pluto, którą można znaleźć w ofercie firmy ABB. Jej przedstawicielami są sterowniki autonomiczne przeznaczone do działania w sieci bezpieczeństwa AS-i, w której wszystkie komponenty bezpieczeństwa są połączone do jednego kabla. Wspomniane sterowniki pozwalają na używanie bezpiecznej magistrali Pluto-bus.

Komputery przemysłowe

W aplikacjach, w których sterownik PLC nie jest wystarczającym rozwiązaniem, zastosowanie znajdują komputery przemysłowe. Umożliwiają one sterowanie złożonymi procesami, dzięki obecności wydajnych komponentów wewnętrznych, licznym interfejsom komunikacyjnym oraz współpracującym kartom rozszerzeń, które są podłączane do komputera lub umieszczane wewnątrz niego. Każda seria komputerów przemysłowych zapewnia możliwość wyboru konkretnego modelu spośród szeregu różnych konfiguracji.

Jednym z typów komputerów przemysłowych są jednostki panelowe. Ich wyróżnikiem jest wbudowanie komputera w ekran, czego wynikiem jest powstanie spójnego komponentu. Opisywane rozwiązanie umożliwia bezpośrednie reagowanie i nadzorowanie systemu przez jego operatora. W tabeli przedstawiono kilka wybranych modeli komputerów panelowych różnych producentów. Podczas doboru odpowiedniego modelu warto zwrócić uwagę na wielkość oraz rodzaj ekranu. W przypadku paneli dotykowych ważną cechą jest to, czy ekran jest ekranem pojemnościowym, czy rezystancyjnym. W zależności od rodzaju aplikacji, do której będzie używany dany komputer panelowy, należy określić, która technologia jest optymalna w konkretnym przypadku. Ważne są również takie cechy jak rodzaj materiału, z którego został wykonany komputer czy temperatura otoczenia, w której może on działać bez przeszkód.

Kolejną grupę komputerów przemysłowych stanowią jednostki kompaktowe. Charakteryzują się zwartą zabudową bez szkody dla wydajności. Dzięki temu możliwa staje się oszczędność przestrzeni podczas projektowania danego systemu. Najczęściej komputery omawianego typu montowane są na szynie w szafie elektrycznej. Warto zauważyć, że powyższy fakt wpływa bezpośrednio na to, że stopień ochrony komputerów kompaktowych jest zdecydowanie niższy niż ma to miejsce w przypadku komputerów panelowych. Wyróżnikiem zdecydowanej większości urządzeń z opisywanej grupy jest ich bezwentylatorowe wykonanie.

Oprócz wyżej wymienionych komputerów przemysłowych na uwagę zasługują również jednostki jednopłytkowe. Przykładowe urządzenia tego typu znajdują się w ofercie firmy Elmark Automatyka. Jednym z modeli w portfolio wspomnianej firmy jest jednopłytkowy komputer przemysłowy PCM-9376. Na płytce o wielkości 3,5” można znaleźć energooszczędny procesor AMD G-series T16R, do 4 GB pamięci DDR3 RAM, dwa gniazda SATA, dwie karty sieciowe, wyjście VGA oraz po cztery porty szeregowe i gniazda USB 2.0. Innym modelem należącym do tej grupy komponentów jest PICO CV-01, który znajduje się w ofercie firmy CSI. Na powierzchni 7200 mm2 znaleźć można procesor Intel Atom N2600, do 2 GB pamięci DDR3 RAM, po jednym złączu SATA i mSATA, dwa interfejsy szeregowe, pięć portów USB oraz po dwa programowalne wejścia i wyjścia cyfrowe.

Poza wymienionymi już wcześniej cechami komputerów przemysłowych, niezależnie od ich typu, należy zwrócić uwagę na parametry techniczne procesora, płytę główną, dostępną pamięć wewnętrzną, rodzaj pamięci zewnętrznej, jej obecność i wielkość, rodzaj i liczba dostępnych interfejsów komunikacyjnych oraz obsługiwane protokoły. Wszystkie wspomniane elementy mają bezpośredni wpływ na wydajność komponentu. Podczas doboru odpowiedniego sprzętu warto również zwrócić uwagę na sposób zasilenia komputera oraz wymagane napięcie zasilania.

PAC – rozwiązanie pośrednie

Oprócz sterowników programowalnych PLC oraz komputerów przemysłowych, do sterowania procesami mogą posłużyć kontrolery PAC (Programmable Application Controller). W ofertach różnych firm działających w branży automatyki przemysłowej można znaleźć taką kategorię produktową. Urządzenia z tej grupy znajdują się na granicy pomiędzy sterownikami PLC oraz komputerami przemysłowymi i stanowią połączenie ich wybranych cech. Często granice między wspomnianymi trzema grupami komponentów automatyki zacierają się i ciężko jednoznacznie skategoryzować dany model urządzenia.

W uproszczeniu kontroler PAC jest nieco bardziej złożonym odpowiednikiem sterownika PLC z cechami komputera przemysłowego, nadaje się do zadań wymagających większego zaawansowania, gdzie oprócz obsługi wejść i wyjść konieczne jest szybkie obsłużenie dużej ilości danych. Jest to możliwe dzięki opcji wyposażenia ich w wydajne procesory, karty rozszerzeń i dużą pamięć operacyjną. Programowanie kontrolerów PAC jest możliwe w sposób przewidziany zarówno dla sterowników programowalnych, jak i komputerów przemysłowych. Zastosowaniami kontrolerów PAC są m.in. systemy akwizycji danych, świetnie nadają się również do zadań powiązanych z wizualizacją.

Jednym z przykładowych kontrolerów PAC jest produkt dostępny w ofercie firmy Schneider Electric – Modicon M580. Jego specyfika polega na tym, że jest kontrolerem ze standardowym, niezmodyfikowanym Ethernetem wbudowanym w jego rdzeniu. Maksymalna pojemność procesora wejść/wyjść dyskretnych wynosi 4096.

Innym przykładem urządzenia tego typu jest produkt z oferty firmy Elmark Automatyka – kontroler Advantech APAX-5620. Dostępne są dwie wersje wspomnianych kontrolerów – jedna z nich to wersja z licencją ProConOS Runtime do programowania w środowisku KW MultiProg z wykorzystaniem pięciu języków programowania z możliwością ich łączenia – FBD, LD, IL, ST, SFC. Wyróżnikiem omawianych urządzeń jest obecność dwóch portów CAN. System operacyjny Windows CE.NET, procesor XScale PXA270, pamięć FLASH 32 MB, RAM 64 MB oraz 512 kB pamięci z podtrzymaniem bateryjnym zapewniają odpowiednią wydajność dla tego typu urządzeń.

Kontrolery w robotyce

Dynamicznie rozwijającą się dziedziną związaną z przemysłem jest robotyka. Rzecz jasna również w tej branży kluczowymi elementami są kontrolery. Omawiane urządzenia umożliwiają sterowanie ruchami robotów, ich obsługę, diagnostykę i serwisowanie. Nieodłącznymi elementami kontrolerów są ręczne programatory.

W ofercie firmy Astor można znaleźć między innymi kontrolery Kawasaki, które umożliwiają obsługę standardowo od 5 do 7, a opcjonalnie do 16 osi, oczywiście w zależności od konkretnego modelu. Cechą charakterystyczną serii E kontrolerów Kawasaki jest ich przystosowanie do pracy z silnikami z 17-bitowymi enkoderami. Pamięć omawianych kontrolerów pozwala na zapamiętanie 80 000 pozycji, a programowanie może odbywać się za pomocą języka blokowego lub języka AS. Wymianę danych zapewniają: dwa interfejsy USB, dwa gniazda COM oraz dwa gniazda RJ45. Sieci przemysłowe obsługiwane przez opisywane kontrolery to EtherNet/IP w standardzie i DeviceNET, Profibus, Profinet, CC-Link, CANOpen, Modbus opcjonalnie. Ręczny programator RC700-A współpracujący z kontrolerami Kawasaki jest wyposażony w kolorowy ekran z matrycą dotykową oraz klawiaturę o zoptymalizowanym układzie.

Kolejnym przykładem kontrolera robotów jest propozycja z portfolio firmy Fanuc – model R-30iBm Plus. Opisywany kontroler wyróżnia się autorskim oprogramowaniem, które nie jest oparte na systemie Windows, a więc można je uznać za rozwiązanie potencjalnie bezpieczniejsze. W standardowym wyposażeniu tych urządzeń znajdują się liczne inteligentne funkcje takie jak funkcje wizyjne, kontroli sił i zakłóceń. Ręczny programator dedykowany do kontrolera iPendant Touch ma szereg klawiszy funkcyjnych oraz kolorowy ekran dotykowy z możliwością wyświetlania grafiki w 3D, co znacząco ułatwia programowanie.

Z kolei w ofercie firmy ABB można znaleźć kontroler o nazwie IRC5. Jego wyróżnikiem jest oprogramowanie RobotWare z zorientowanym obiektowo językiem wysokiego poziomu RAPID opracowanym przez ABB. Dedykowanym dla omawianego kontrolera programatorem jest FlexPendant z graficznym ekranem dotykowym oraz użytecznym joystickiem. Wartym wspomnienia jest obecność układu bezpieczeństwa z kontrolą położenia robota z pięcioma wyjściami bezpieczeństwa monitorującymi siedem osi.

Wartym podkreślenia jest fakt, że wymienione wyżej kontrolery występują w różnych wersjach obudowy – od bardziej kompaktowych po rozbudowane szafy. Użycie konkretnych rozwiązań jest uzależnione od wielkości i możliwości sterowanego robota oraz potrzeb związanych z użyciem dodatkowych modułów i wzmacniaczy.

Sterowanie procesami

Dokonany przegląd komponentów sterujących procesami w automatyce uzmysławia jak ważną gałąź rynku automatyki stanowią tego typu urządzenia. W zależności od złożoności danego systemu automatyki można wybrać odpowiednie rozwiązanie dla konkretnej aplikacji. Dla niektórych zadań wystarczającym pod względem funkcjonalności komponentem sterującym może okazać się klasyczny sterownik PLC, dla innych użyteczniejszy wydać się może wysoce wydajny komputer przemysłowy lub kontroler z zaawansowanymi funkcjonalnościami. Bogata oferta firm z branży automatyki umożliwia wybór optymalnego rozwiązania. Warto zauważyć jak ważne dla producentów komponentów sterujących jest bogactwo obsługiwanych przez nie interfejsów komunikacyjnych, stanowi to o ich elastyczności. Istotne podczas doboru odpowiedniego sprzętu sterującego procesami jest prostota obsługi i dostępne funkcjonalności zintegrowanego oprogramowania umożliwiającego odpowiednią konfigurację urządzenia i jego zaprogramowanie.

źródło: Automatyka 12/2018