Dobór sterownika do aplikacji automatyki i sterowania

Źródło: Fotolia

Jakimi kryteriami należy się kierować przy wyborze sterownika do aplikacji przemysłowych? Co wziąć pod uwagę, rozważając zastosowanie sterowników PLC, PAC, rozproszonych systemów sterowania, przemysłowych komputerów typu PC (iPC) lub rozwiązań modułowych, wbudowanych?

W ybór dostępnych na rynku rodzajów sterowników jest obecnie tak bogaty, jak nigdy przedtem w historii automatyki przemysłowej. Dostępnych jest wiele typów sterowników do dyskretnych, procesowych i hybrydowych aplikacji automatyki i sterowania, w tym programowalne sterowniki logiczne (Programmable Logic Controllers – PLC), programowalne sterowniki automatyki (Programmable Automation Controllers – PAC), rozproszone systemy sterowania (Distributed Control Systems – DCS), przemysłowe komputery PC (industrial PC – iPC) lub układy sterowania na bazie komputerów PC, a także sterowniki modułowe, wbudowane (jednopłytkowe/jednoukładowe – board-level controllers). Zdarza się również, że w jednym zakładzie wykorzystuje się wiele różnych typów sterowników, co pogarsza efektywność i niezawodność ze względu na skomplikowanie instalacji oraz realizację procedur konserwacji systemów sterowania.

Ponieważ sterowniki funkcjonują w fabrykach niekiedy nawet ponad 20 lat, bywa, że tkwią zapomniane za szarymi drzwiami szaf sterowniczych i w związku z tym działają tak długo, dopóki nie ulegną awarii. Jak w angielskim przysłowiu: „Out of sight, out of mind” (polski odpowiednik: „Co z oczu, to z serca” – przyp. tłum.). Zdarza się, że fabryki są rozbudowywane czy modernizowane – dostawca sprzętu czy wykonawca może wówczas zainstalować nowszą wersję sterownika lub nawet wymienić go na inny – raczej preferowany osobiście, niż wynikający z ogólnej filozofii integracji oraz konserwacji systemu sterowania. Taki właśnie był przez wiele lat status technologii operacyjnej (Operational Technology – OT). Niezawodność była sprawą najważniejszą. Pojawienie się interfejsów człowiek-maszyna (Human-Machine Interface – HMI), działających pod systemem operacyjnym Windows, wymagało, aby do sterowników dodano możliwość podłączenia do sieci Ethernet, ale nawet wtedy systemy sterowania były w dużym stopniu odizolowane od reszty firmy.

Sterowniki XXI wieku

Obecnie dobór wielu rozwiązań i technologii w przemyśle jest determinowany przez możliwość przyłączenia nowych urządzeń do Internetu. Coraz więcej operatorów wykorzystuje smartfony i tablety do uzyskiwania dostępu do informacji, gdy są w terenie. Zmiany w technologii informacyjnej (Information Technology – IT) zachodzą w błyskawicznym tempie i obecnie technologie OT i IT podlegają w coraz większym stopniu ścisłej integracji. Ponadto w centrum uwagi znalazł się również Przemysłowy Internet Rzeczy (Industrial Internet of Things – IIoT) i firmy muszą łączyć technologie OT i IT, aby rozwiązania platformy IIoT mogły efektywnie działać. Inżynierowie automatycy zajmujący się systemami sterowania są dobrze przygotowani na to, aby wspomóc te procesy, ponieważ to oni znają i rozumieją operacje realizowane na hali fabrycznej oraz dostrzegają konieczność otrzymywania i przetwarzania danych w czasie rzeczywistym, rzędu milisekund.

Czas podejmowania decyzji

Obecnie o tym, który sterownik będzie najlepiej pasował do danej aplikacji, decyduje jego zdolność do wsparcia idei konwergencji technologii OT i IT. W przeszłości jednak to inżynierowie automatycy i technicy zajmujący się systemami sterowania podejmowali tę decyzję. Wybór sprzętu był oparty na takich czynnikach, jak możliwości przetwarzania danych, pojemność pamięci sterownika i budowa modułowa, w przypadku której w razie potrzeby łatwo można było dodać nowe wejścia/wyjścia (I/O). Zwracano uwagę na dostępność części zamiennych lub wsparcie ze strony producenta. Sprawą programisty lub integratora systemów było używanie takiego urządzenia, które było im znane w praktyce, czasami dopóty, dopóki urządzenie obsługiwało standard Ethernet lub Modbus.

Ten model decyzji nie jest już odpowiedni w odniesieniu do technologii przemysłowych systemów sterowania (Industrial Control System – ICS), ponieważ rozwijają się one niezwykle szybko. Informacje muszą być pozyskiwane od wielu osób i z różnych źródeł. W rezultacie zmieniły się priorytety przy wyborze systemu sterowania.

Historyczne kryteria doboru sterowników

W przeszłości kryteria stosowane przy podejmowaniu decyzji odnośnie wyboru systemu sterowania dotyczyły głównie sprzętu i sposobu jego wsparcia ze strony producenta. Obejmowały one:

-> platformę sprzętową opartą na mocy obliczeniowej procesora (CPU) i pamięci,

-> skalowalność za pomocą modułów wejść/wyjść (I/O),

-> dostępność części zamiennych,

-> języki programowania,

-> programowanie i wsparcie.

Nowoczesne kryteria doboru sterowników

Obecnie decyzje dotyczące wyboru systemu sterowania koncentrują się w mniejszym stopniu na kryteriach dotyczących sprzętu, a w większym – na możliwościach pracy w sieci, kwestiach cyberbezpieczeństwa i standaryzacji. Nowoczesne kryteria wyboru przemysłowego systemu sterowania obejmują:

-> systemy sterowania z wbudowanymi interfejsami do komunikacji w sieci oraz zaimplementowanymi narzędziami i procedurami w zakresie cyberbezpieczeństwa,

-> stabilne języki programowania służące do bardzo szybkiego tworzenia aplikacji,

-> skalowalność, standaryzację w całym przedsiębiorstwie oraz zredukowaną liczbę części/podzespołów,

-> zmieniające się protokoły,

-> dostępne wsparcie ze strony ekspertów w celu rozwiązywania problemów i dokonywania szybkich modyfikacji, a także funkcje umożliwiające dopasowanie się do zmieniających się potrzeb przedsiębiorstwa (personel własny lub zewnętrzny integrator systemów/firma inżynierska).

Systemy sterowania z wbudowaną komunikacją sieciową i procedurami cyberbezpieczeństwa

Do codziennego funkcjonowania firmy potrzebują przeszkolonego personelu na wszystkich poziomach, by uzyskać dostęp do danych w czasie rzeczywistym dotyczących realizowanych operacji – od hali fabrycznej do zarządu firmy. Dlatego na fizyczne odizolowanie od sieci komunikacji danych urządzeń i modułów sterujących czy monitorujących pracę urządzeń nie można sobie już dłużej pozwolić. W zasadzie tak długo, jak systemy sterowania obsługiwane są przez ludzi, nie istnieje prawdziwa, zintegrowana automatyzacja. W 2016 r. pojawiły się na rynku sterowniki, które obsługują skomplikowane metody szyfrowania danych, ale mogą nadal obsługiwać lokalne funkcje sterowania, nawet podczas skierowanych na nie ataków typu „odmowa dostępu”, zakłócających ich możliwości komunikacyjne. Mogą one ponadto zawierać klucze bezpieczeństwa dla łańcucha dostaw komponentów, aby zapewnić najwyższe poziomy uwierzytelniania sprzętowego i programowego.

Opisane cechy zmieniły reguły gry, jeśli chodzi o decyzje dotyczące systemów sterowania. Jak powiedział jeden z dyrektorów zakładu energetycznego, teraz decyzje dotyczące systemów sterowania nie są podejmowane wyłącznie przez personel operacyjny i techniczny, ale to w gestii zarządu jest zabezpieczenie struktury zakładu przez wybranie platform bezpiecznych systemów sterowania.

Stabilne języki programowania

Kompletny zestaw narzędzi do programowania sterowników daje integratorowi systemów wiele korzyści pod względem efektywności i niezawodności. Są one najlepiej wyrażone w normie IEC 61131, która dopuszcza języki programowania w formie: schematów wykorzystujących bloki funkcyjne (Function Block Diagram – FBD), tekstów strukturalnych (Structured Text – ST), schematu sekwencji funkcji (Sequential Function Chart – SFC) i schematu drabinkowego (Ladder Diagram – LD). Wykorzystanie otwartych (niebędących czyjąś zastrzeżoną własnością) standardów języków programowania, które obecnie mogą być połączone z kluczami bezpieczeństwa, wspomaga działania inżynierów automatyków
zajmujących się systemami sterowania oraz integratorów systemów w dostarczaniu rozwiązań zapewniających wysoki poziom poufności danych. Co istotne, zawsze należy się upewnić, jaki jest koszt licencji oprogramowania do programowania sterowników. Niektórzy producenci odchodzą bowiem od opłat za licencje i oferują darmowe zintegrowane środowiska deweloperskie, które można bardzo szybko pobrać z Internetu i natychmiast używać.

Skalowalność, standaryzacja oraz zredukowana liczba części

Jeżeli któryś z czynników stanowi o konflikcie interesów, trzeba jeszcze raz dokładnie przejrzeć ofertę rozwiązań dostępnych na rynku. Zwykle okazuje się, że przynajmniej jeden z producentów automatyki zerwał z zasadami, które dotąd zapewniały mu konkurencyjność, na rzecz uniwersalnych, otwartych rozwiązań technicznych. Najczęściej oferuje on teraz skalowalną architekturę sterownika z płytą główną typu backplane (z opcjami 5, 10 i 20 slotów), jednym zasilaczem, jednym ultraszybkim modułowym procesorem CPU oraz kilkoma modułami wejść/wyjść (zawierającymi jeden moduł uniwersalny, który jest wybierany programowo jako wejście lub wyjście oraz jako dyskretny lub analogowy). Platforma ta jest skalowalna do dowolnego wymiaru, jednocześnie zaś liczba komponentów jest zredukowana do kilkunastu. Nie trzeba więc dokonywać wyboru pomiędzy tysiącami dostępnych części, jak oczekują tego niektórzy producenci.

Standaryzacja na jednej platformie w całym przedsiębiorstwie może przynieść znaczne korzyści. Przenoszenie danych pomiędzy różnymi sterownikami może być mozolne. Posiadanie jednej platformy, która może objąć swoim zasięgiem każdą zdalną obiektową jednostkę RTU (Remote Terminal Unit) na całej drodze jej połączenia ze sterownikami zainstalowanymi w fabryce i która zapewnia funkcjonalność rozproszonych systemów sterowania (DCS) pod względem programowania oraz integracji z interfejsami HMI, może przynosić firmie korzyści przez wiele kolejnych lat.

Zmieniające się protokoły

Pomimo szybkich zmian aplikacji i oprogramowania, historycznie rzecz biorąc, protokoły podstawowego poziomu pozostawały prawie takie same. To jednak również się zmienia. Protokoły publikowania i subskrybowania zmieniły sposób, w jaki wdrażane są sieci. Nie trzeba już co chwilę łączyć się z niedostępnym lub trudno dostępnym serwerem, aby uzyskać potrzebne dane. Dzięki wykorzystaniu modelu pub/sub (publish/subscribe – publikowanie/subskrybowanie) pojawia się możliwość dostarczania danych metodą „push” (push data – „wypychanie” danych) – gdy wymagają tego zmieniające się parametry lub dane – do każdego miejsca w przedsiębiorstwie: przemysłowego systemu sterowania (ICS), interfejsów HMI, systemu ERP, systemu kontroli zapasów itd. Protokoły, które to umożliwiają, są dziś dostępne – protokół transmisji danych MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) i są wbudowane w proces za pośrednictwem standardu OPC UA (skrót ten oznacza OLE for process control, mechanizm łączenia i osadzania obiektów OLE w sterowaniu procesami albo zunifikowaną architekturę – przyp. tłum.).

Wsparcie fachowców przy wdrażaniu nowoczesnej technologii sterowania

Jest to sprawa kluczowa. Mogą to być pracownicy zakładu lub inżynierowie i integratorzy systemów z firm zewnętrznych – w jednym i drugim wypadku użytkownicy czerpią korzyści z dysponowania zespołem, który działa szybko i sprawnie, realizując zlecane przez firmę zadania. Dodatkowym atutem będzie przeszkolenie tych fachowców na temat wymagań norm przemysłowych, takich jak IEC 61131-3.

Podsumowanie

Obecnie od przemysłowych systemów sterowania oczekuje się znacznie więcej niż kiedykolwiek przedtem. Dla tzw. digital natives, czyli osób, które od dziecka mają styczność z nowoczesnymi, cyfrowymi technologiami, nowe kryteria wyboru sterowników będą oczywiste. Wymaga to od nas innego myślenia o platformach systemów sterowania, dostawcach sprzętu i oprogramowania oraz partnerach biznesowych. Nadszedł czas, by przestać myśleć wyłącznie o sprzęcie, ale skupić się również na wymogach w zakresie posiadania otwartej i bezpiecznej platformy oraz zaawansowanych narzędzi automatyki, czyli tego, co jest niezbędne, by zbudować przedsiębiorstwo cyfrowe.

Dee Brown jest dyrektorem i współzałożycielem firmy Brown Engineers LLC. Zarządza projektami obejmującymi energetyczne systemy rozdzielcze, sterowanie programowe, telemetrię radiową, monitoring, systemy kontroli dostępu oraz sieci informatyczne w zakładach przemysłowych i komunalnych, a także obiektach handlowych.