Тенденции в решенията за управление на машини

Десетилетия наред архитектурата на системите за управление на машините е останала почти без изменения. Най-общо тя включва програмируем логически контролер (PLC) с дискретни и аналогови входове/изходи, които взаимодействат с крайните устройства, а електронна операторска станция осигурява интерфейса за настройка, управление и поддръжка на машините.

Напредъкът в областта на обработката на данни и комуникациите открива нови възможности пред автоматизацията на машините. При това става дума за комуникации както на локалното ниво на устройствата, така и по-нагоре с другите йерархични нива на предприятието. По този начин се оформя оптимизирана архитектура на автоматизация с единна система за пренос на данни.

Свързването на уреди и модули в мрежа на локално ниво осигурява директни връзки към интелигентни крайни устройства, разположени на самата машина, и може да премахне необходимостта от определен брой входове/изходи в контролния шкаф и съответното опроводяване към тях. Освен опростяването на монтажа, пряката връзка към интелигентни устройства на място подобрява диагностиката и удължава срока на безаварийна служба на машината.

Мрежите, обхващащи всички звена на производственото предприятие и станали възможни благодарение на технологиите по стандартите на индустриалния Ethernet, осигуряват свързването и на машините.

Това е особено ценно за проследяването на ефективността на експлоатацията им, за навременното известяване и взимане на решение при подаване на алармени сигнали от машините, и за дистанционно отстраняване на проблеми и обновяване на програмното осигуряване за автоматизация.

В допълнение към оперативните предимства, напредъкът на технологиите по тези направления дава възможност за оптимизиране на системата за автоматизация – тя може да се опрости, като логиката на управление, интерфейсът за оператора, локалните комуникации между устройствата на място и комуникациите с другите звена на предприятието, се обединят в единен модул за автоматизация.

За ОЕМ производителите напредъкът в комуникациите – на ниво устройства и на ниво предприятие – прави възможно съчетаването на средства за визуализация, управление и за мрежови връзки от ново поколение. Благодарение на тези промени, могат да се проектират и изграждат по-интелигентни машини, при това по-бързо и при по-ниски разходи.

За целта са необходими: интегрирана среда за разработка, която ускорява проектирането на машините; по-малко компоненти и проводници, а това, на свой ред, означава и намаляване на разходите по изработването на машината; централизиран отдалечен достъп и администриране, което води до по-добър режим на работа и по-малко разходи за поддръжката й.

Мрежите оптимизират системата за автоматизация
Макар и да остават донякъде в сянката на навлизащите мащабни мрежи, които обхващат цялото предприятие, мрежите на ниво устройства продължават да се развиват и да осигуряват възможности за по-евтино свързване на все по-прости устройства към логическото управление на системата. Тези мрежи заемат своето място както вътре в контролния шкаф, така и извън него, достигайки до датчиците и изпълнителните механизми, монтирани на машината.

Мрежите на ниво устройства дават множество предимства: намаляват времето за опроводяване и пускането в експлоатация на системата за управление, премахват от нея модулите (платките) с входове/изходи и подобряват събирането и обработката на оперативна и диагностична информация, което прави системите по-надеждни.
По обичайната практика досега, основните устройства в контролния шкаф се свързват посредством платки с входове/изходи и пускането на проводници към логическия контролер на принципа “точка в точка”. Днес проводниците се заменят от опростена мрежа, която свързва всички устройства към един единствен комуникационен порт на контролера, а освен това по нея се подава и захранването на устройствата.

Преходът от множество входно-изходни връзки “точка в точка” към свързването в мрежа на датчици, изпълнителни механизми и интерфейса с оператора, е ключов фактор, позволяващ изграждането на комбинирана платформа за автоматизация. След като ролята на платките с входове/изходи се премахне или се ограничи значително, то и ползата от това PLC да бъде отделен от станцията за интерфейс с оператора също намалява.

Изчислителната мощ на днешните микропроцесори е такава, че поддръжката на операторския интерфейс и програмируемото логическо управление могат да се осъществяват само от едно устройство.

Освен това, предвид нарастващото значение на отдалечения достъп, се засилва необходимостта от комбиниране на операторска станция и PLC в едно, което променя базовата структура на системата за управление и дава възможност за по-пестелив подход към автоматизацията, при който се съвместяват логика, визуализация и свързаност.

Конвергенцията на интерфейса човек-машина (HMI) и PLC
С появата на индустриалния Ethernet и внедряването му в заводска среда производителите очакват значително повишение на производителността. Разширяващите се възможности на мрежите и на интелигентните устройства, които могат да обменят данни помежду си чрез тях, водят до по-добра диагностика, по-бързо отстраняване на неизправности и до цялостно подобрение на надеждността на машините.

С обмена на данни, станал възможен благодарение на Ethernet мрежите, се отварят повече възможности за намаляване на времето и разходите за диагностициране и решаване на проблеми, преди те да са довели до престой или до забавяне на срока за пускане в експлоатация.

Тези промени оказват влияние и върху системите за автоматизация, управляващи машините и оборудването, което налага да се погледне по нов начин на архитектурата им и на ролята на PLC и HMI в тези системи.

С индустриалния Ethernet в полето на автоматизацията навлиза достъпът от разстояние, което дава нови функционални възможности на системите, в това число: запис и обмен на данни от минали периоди; известяване за аларми и действията за справяне с тях; администрирането на защитата на данните.

Тези функционални възможности са внедрени и в PLC и в станциите за интерфейс с оператора, като днес те се застъпват до голяма степен предвид това, че производителите и на PLC, и на операторски станции са се надпреварвали да покрият новите изисквания по тези три направления – информация за минали периоди, алармиране и защита на данните.

Повече невинаги означава по-добре и в този смисъл препокриването на функции между операторски станции и PLC има някои недостатъци: ненужното дублиране на хардуер (Ethernet е необходим и на двете устройства), ненужното усложняване на програмното осигуряване (поради препокриването и в системите за алармиране) и повишеният риск от пробиви в сигурността.

Вместо две устройства с припокриващи се функции, концепцията за едно устройство с набор от функции, отговарящо на всички изисквания без дублиране, означава, че оборудването, което ще трябва да се купува, програмира и настройва, ще е по-малко.

Основни характеристики на комбинираните устройства HMI-PLC
Днес се предлагат най-разнообразни устройства от вида HMI-PLC, от които производителите могат да направят избора си. Има два основни типа – устройства с отворена платформа, в чиято основа е индустриален компютър (IPC), и такива със затворена платформа.

И двата типа HMI-PLC имат своето място. Отворената платформа на основата на IPC дава допълнителна гъвкавост поради това, че може да се инсталира допълнително програмно осигуряване. От своя страна пък, затворената платформа е по-оптимизирана и се администрира лесно.

Устройствата както с отворена, така и със затворена платформа, имат сходни основни характеристики и функционални възможности. Основен елемент на комбинирания HMI-PLC са логическите операции и графичната обработка.

От особено съществено значение по-специално са: стабилните и неизменящи се във времето експлоатационни характеристики с оглед изпълнението на всички предвидени задачи, за които е закупено устройството; ефективното логическо програмиране; и широките възможности за графично програмиране.

Освен качествата по време на активната им работа много важна част от тези устройства за специалиста по автоматизация е и интуитивно ясната интегрирана среда за разработка, съчетаваща логическото и графичното програмиране - когато средата е удобна, то става бързо и съответното програмно осигуряване влиза в експлоатация по-бързо.

Нещо повече, среда за разработка с добри средства за симулация, настройка и обновяване на програмите спестява време в две посоки - преди окончателното им инсталиране и пускане в експлоатация, на етапа на разработката, която се ускорява; и след това, през целия период на поддръжката, която става по-лесно и по-бързо.

Комбинираните устройства HMI-PLC са с дисплеи, чиито характеристики са сходни с тези на стандартните станции за HMI: предлагат се всякакви размери, осигурявайки гъвкавост; висока разделителна способност и яркост; има и сензорни екрани, разработени според изискванията за експлоатация в тежки производствени условия.

Наличието на Ethernet мрежи в предприятието и на дистанционен достъп не означава само, че съответните устройства физически разполагат с Ethernet порт, а означава, че този порт осигурява редица функционални възможности, в това число: отдалечен достъп за наблюдение на екрана; отдалечен достъп от различни устройства като смартфони и таблети; дистанционно администриране на програмното осигуряване; отдалечен достъп до бази данни; поддръжка на допълнителни протоколи за обмен на данни (напр. OPC).

Киберсигурността продължава да е източник на безпокойство в производствените предприятия, като опасенията са, че именно Ethernet мрежата може да се окаже слабото място.

Има няколко важни неща, които трябва да се проверяват: дали всеки от начините, по които се осъществява дистанционният достъп, е с надеждна защита; дали всички отворени Ethernet портове са документирани и дали, ако не се използват, могат да бъдат затворени; и дали има начин на самото място да се осигури надеждна защита на програмното осигуряване, поддържащо логиката на управление и визуализацията.

Тъй като директните връзки с проводници към/от входове/изходи се заменят от мрежи на ниво устройства, интегрирането на комбинираните устройства от вида HMI-PLC в тези мрежи е от ключово значение. Интегрирането, на свой ред, зависи от броя и вида на точките за обмен на данни, с които разполагат тези устройства, а от друга страна предопределя обмена на информация с тях.

Всичко това води до спестяване на време при пускането в експлоатация, разширява възможностите за диагностика и осигурява непрекъснат поток от информация, което прави машините по-интелигентни и по-бързодействащи.

Автоматизацията на производственото оборудване днес е нещо повече от управление на машините. Днешната автоматизация включва и възможността да се събират и оценяват критично важни данни в хода на производствения процес и да се алармира бързо в случай на оперативни проблеми.

Нарастващо търсене на системи с децентрализирано разположение на компонентите
В резултат на децентрализацията на компонентите в системите за управление и инсталирането им в непосредствена близост до датчици и изпълнителни механизми, все по-голямо значение придобива монтажът им на самата машина.

Тази тенденция се дължи на желанието на потребителите да намалят разходите за окабеляване, да използват предварително асемблирани кабели за реализиране на още по-големи спестявания и за елиминиране на нуждата от присъединителна кутия.

Директният монтаж на машината има явни предимства за потребителите, особено по отношение задействането на пневматична управляваща верига. Колкото по-близо е задействащият елемент (отдалечен изход или пневматичен контролер) до изпълнителния механизъм, в толкова по-голяма степен обусловените от работната среда изисквания към последния ще се отнасят и до управляващия. Освен това, пневматичните контролери могат да бъдат използвани и за други цели в бъдеще, които до момента потребителите не са обмисляли.

От особен интерес е разработката на монотехнологични модули с множество функции. Най-привлекателни за потребителите са модулите, които предлагат пълен набор от подчинени функции в рамките на машината, а заедно с това могат да изпълняват и функции, свързани с управлението на технологичния процес. Това в момента се обсъжда като основа за оптималното изграждане и конфигуриране на производственото оборудване и за гъвкавостта при монтажа в съответствие с новата концепция Индустрия 4.0.

Добър пример за това е използването на пневматичния контролер като хибриден технологичен терминал. Преди най-важно бе пневматичният контролер да може да бъде управляван по комуникационната шина. Сега обаче се изискват и много други сигнали, данни и функции – за всичко, от простото отчитане на крайни положения вкл./изкл. отворено/затворено, до измерването на температурата и интегрирането на датчици за налягане, пропорционални вентили и критични за безопасността електрически вериги.

Един такъв хибриден технологичен терминал може да се натовари и с прости диагностични функции за проследяване състоянието на свързаната периферия със специализирана самодиагностика и с някои задачи по превантивната поддръжка.

Пневматичните контролери не са само платформа, която осигурява връзки в пневматични и електрически вериги – или дори управление на 3D движение в пространството със съответните електрически задвижвания по трите оси, но могат също така и, благодарение на хибридната модулна концепция на системата и децентрализирания монтаж, да се адаптират към конкретната машина.