System sterowania oparty na komputerach typu PC

Niektórzy producenci sugerują, że wykorzystujące także oprogramowanie Microsoft Windows sterowniki wielordzeniowe na bazie komputerów PC, takie jak komputery przemysłowe typu Embedded PC (po prawej), są łatwiejsze do podłączenia i komunikacji z aplikacjami mobilnymi Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT). (Źródło: M. Hoske)

Ponieważ technologia wykorzystywana w automatyce przemysłowej rozwija się coraz szybciej, sterowanie oparte na komputerach typu PC jest obecnie opcją dla niemal każdej aplikacji oraz wsparciem w zakresie skutecznego wdrożenia technologii Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT).

Specyfikacja sterownika jest najważniejszym etapem procesu tworzenia każdej aplikacji automatyki przemysłowej. Z historycznego punktu widzenia niektóre sterowniki były wybierane w odniesieniu do konkretnej konstrukcji maszyny, co dotyczyło zarówno programowalnych sterowników logicznych (PLC), jak i programowalnych sterowników automatyki (PAC) – zależnie od obszaru działania i aplikacji. Urządzenia te pracowały poprawnie przez wiele lat, budując przekonanie, że jeśli coś działa i się nie psuje, to nie należy tego usprawniać. Ponieważ jednak postęp w technologii automatyki przyspiesza, obecnie sterowanie oparte na komputerach typu PC (PC-based control) staje się rozwiązaniem, które może być wykorzystane praktycznie w każdej aplikacji, wnosząc liczne korzyści związane z różnorodnymi zastosowaniami.

Korzyści z systemu sterowania opartego na komputerach typu PC

Największa korzyść z wyboru takiego systemu sterowania przejawia się w doskonałej skalowalności sprzętu i oprogramowania. Zapewnia to inżynierom przejrzystą i efektywną ścieżkę migracji systemu sterowania, co jest istotną zaletą, ponieważ konstrukcje maszyn i projekty zakładów przemysłowych zmieniają się w miarę upływu czasu.

Na przykład niektórzy producenci oferują pewien zakres opcji sterowników, od podstawowych do zaawansowanych z procesorami RISC (Reduced Instruction Set Computing – przetwarzanie danych z liczbą rozkazów zredukowaną do minimum), posiadających architekturę bazującą na procesorach ARM z architekturą RISC (z uproszczoną listą rozkazów) oraz sterowników z procesorami wielordzeniowymi w wielu formach sprzętowych, aż do serwera przemysłowego wyposażonego w procesor 36-rdzeniowy, który umożliwia sterowanie wielordzeniowe. Wszystkie te sterowniki wykorzystują oprogramowanie sterujące napisane na bazie oprogramowania wykorzystywanego w komputerach typu PC. Obsługuje ono funkcje sterowników PLC, sterowanie ruchem, interfejsy operatorskie (HMI), pomiary, monitoring kondycji urządzeń itp. W przypadku sterowników wielordzeniowych zwykle wszystkie te funkcje realizuje jedno urządzenie. Dodatkowo wszystkie rodzaje sterowników, oprócz najbardziej zaawansowanych wielordzeniowych, mogą być produkowane w wielu formach, m.in. do montażu na szynie DIN, do zainstalowania w szafie sterowniczej lub do zintegrowania z interfejsem HMI. Zintegrowanie sterownika typu PC z interfejsem HMI w celu otrzymania urządzenia uniwersalnego różni się w zależności od tego, czy opcje sterowania na bazie PC realizują funkcje sterownika PLC czy PAC, ponieważ istnieje niewiele urządzeń, które mają wyświetlacz do wizualizacji sterowania.

Standardem w tych sterownikach jest także zapis i przechowywanie danych na kartach pamięci typu CFast (zwanych też CompactFast) oraz dyskach półprzewodnikowych (SSD), ponieważ liczba części ruchomych zostaje zredukowana oraz zapewniony jest wysoki poziom niezawodności dla kluczowych aplikacji. Ponieważ wciąż rośnie liczba przeprowadzanych operacji oraz potrzeby związane z realizowanymi procesami technologicznymi i produkcyjnymi, sterowniki na bazie komputerów PC mogą być łatwo zamienione w model o większych możliwościach, który wykorzystuje tę samą platformę oprogramowania.

Ta zamiana zwykle polega na prostym wyjęciu karty pamięci typu Compact Flash ze starego sterownika i włożeniu jej do nowego oraz ponownym uruchomieniu systemu. Wymagane jest tylko nieskomplikowane zaprogramowanie sterownika lub nie ma w ogóle takiej konieczności (chyba że dodano nowe funkcje), co jest zaletą systemu automatyki opartego na oprogramowaniu.

Sprzęt automatyki na bazie komputerów typu PC, wykorzystujący oprogramowanie automatyki zarówno przeznaczone do obsługi specyficznych zadań sterowania, jak i oprogramowanie uniwersalne, stał się rozwiązaniem przełomowym dla firm poszukujących stabilnego, elastycznego, łatwego w użyciu środowiska programistycznego i platformy systemu sterowania. Na przykład producenci oferują oprogramowanie sterujące, które jest dopasowane do sprzętu automatyki na bazie komputerów typu PC, posiadające różne poziomy działania, aby spełniało indywidualne potrzeby każdej aplikacji, zarówno gdy wymagane są specjalne funkcje kontrolerów ruchu CNC i kinematyki w robotyce, jak i funkcje sterowników PLC.

Ponadto w zintegrowane środowisko programistyczne Microsoft Visual Studio wbudowane jest środowisko inżynierskie dla automatyki, co sprawia, że większość programistów dobrze zna to oprogramowanie oraz umożliwia wykorzystywanie go przez inżynierów wielu specjalności, takich jak programiści tradycyjnych sterowników PLC, inżynierowie oprogramowania oraz specjaliści od technologii informacyjnej (IT). Ponowne użycie kodu jest tu koniecznością i czymś, co inżynierowie automatycy muszą rozważyć przy wyborze nowej platformy systemu sterowania.

Bloki funkcyjne w językach programowania opisanych w normie IEC-61131-3 (lub innych obiektowo zorientowanych) są często dostępne w bibliotekach specyficznych dla aplikacji. Ponowne użycie kodu znacznie skraca czas wprowadzenia nowego produktu na rynek oraz pozwala na bardziej elastyczne konstrukcje maszyn, ułatwiając pracę producentom wyposażenia oryginalnego (OEM), integratorom systemów i użytkownikom końcowym.

Przykład interfejsu operatorskiego (HMI) zoptymalizowanego dla języka HTML-5, który może wyświetlać na monitorach przemysłowych, smartfonach lub tabletach takie informacje, jak prędkość maszyn, całkowity czas pracy czy liczba części dobrych i odrzuconych w wyniku kontroli jakości. (Źródło: M. Hoske)

Wykorzystanie platform sterowania na bazie komputerów PC do wdrożenia technologii IIoT

Inżynierowie i dyrektorzy firm mający pozytywne nastawienie do wprowadzania innowacji szybko się orientują, że wdrożenie rozwiązań Przemysłowego Internetu Rzeczy jest logicznym kolejnym krokiem w kierunku bardziej „usieciowionych” przedsiębiorstw, a także jest konieczne do przeanalizowania w celu dokonania modernizacji i rozwoju w przyszłości.

W przypadku sterowników PLC czy innego sprzętu zamkniętego dodanie obsługi komunikacji w sieci Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT) jest znacznie trudniejszą propozycją. Zwykle też wymaga uzupełnienia sprzętu pochodzącego od innych producentów oraz oprogramowania od firm informatycznych w celu uruchomienia całości. Przy wykorzystaniu sterowania opartego na komputerach typu PC ten typ połączeń sieciowych stał się możliwy, zanim jeszcze została stworzona większość modnych obecnie nowych technologii.

Ważniejsze jest to, że usieciowienie może być zrealizowane za pomocą małej ilości dodatkowego sprzętu, a nawet bez niego, ponieważ obsługa połączeń sieciowych typu Internet i Ethernet została już wbudowana w platformy na bazie komputerów PC kilkadziesiąt lat temu. Jeśli jakaś operacja nie jest całkowicie gotowa do przejścia na technologię IIoT i Przemysłu 4.0, to sterowanie oparte na komputerach typu PC oferuje możliwość zbudowania najbardziej logicznej platformy automatyki oraz bezproblemową ścieżkę migracji systemu sterowania w celu dodania połączeń sieciowych wyższego poziomu dziś i w dowolnym momencie w przyszłości.

Podsumowanie

Wymagania dotyczące systemów sterowania, które i tak są już wysokie, będą jeszcze rosły w przyszłości. Inżynierowie pracujący w fabrykach oraz konstruktorzy maszyn wymagają od producentów urządzeń automatyki dodawania do swoich wyrobów nowych funkcjonalności i większych możliwości w zakresie połączeń sieciowych przy porównywalnej cenie. Z tego względu elastyczne i skalowalne systemy sterowania oparte na komputerach typu PC stanowią najbardziej opłacalną i stabilną opcję.

Eric Reiner jest specjalistą ds. rynku przemysłowych komputerów PC w firmie Beckhoff Automation.