Die Vorteile von PC-basierten Steuerungssystemen

Zweck und Umfang dieses Artikels ist es, die Vorteile der Verwendung von PC für die industrielle Steuerung zu untersuchen. Der Standard Personal Computer (PC) hat begonnen, für die direkte Maschinensteuerung in einer Reihe von industriellen Anwendungen verwendet zu werden. Die Anlagen, die diesen Schritt unternommen haben, haben dies getan, um die reduzierten Kosten und die erhöhte Flexibilität des PCS zu nutzen. Andere Anlagen, die die Verwendung von PCS in Betracht gezogen haben, sind möglicherweise nicht mit den Vorteilen dieser Art von Steuerungssystem vertraut.

Dieser Beitrag untersucht die Vorteile, die bei der Bewertung der Verwendung von Personalcomputern anstelle von speicherprogrammierbaren Steuerungen für die direkte Steuerung von Industrieanlagen berücksichtigt werden müssen.

Hardware
Aus Sicht einer industriellen Steuerungsanwendung ist die genaue Hardwarekonfiguration eines Controllers nicht besonders wichtig. Die Abbildungen 1 und 2 zeigen Diagramme typischer Hardwarelösungen. Alle Steuerungen haben die gemeinsame Eigenschaft, dass sie einen Mikroprozessor als Herzstück des Systems verwenden. Um den Prozessor herum befinden sich Speichergeräte (schreibgeschützt und / oder schreibgeschützt) und E / A-Geräte. Häufig enthält der Controller Hardware, die über ein Netzwerk mit remote gelegenen E / A kommuniziert.

In vielen industriellen Anwendungen ist es notwendig, dass die Hardware extremen Umgebungsbedingungen standhält. Hardwareplattformen, die diese Anforderungen erfüllen, sind leicht verfügbar, da sowohl SPSen als auch PCs

Sowohl kundenspezifische Lösungen (SPSen) als auch Standardlösungen (PCs) über die erforderliche Hardware verfügen, um industrielle Steuerungen durchzuführen. Die Systemsoftware macht eine bestimmte Maschine zu einer industriellen Steuerung und unterscheidet einen PC normalerweise von einer SPS.

Alle industrielle controller software aktien gemeinsame eigenschaften:

• zuverlässiger Betrieb

• vom Benutzer geschriebener Steuercode

• echtzeit-Ausführung dieses Steuercodes

• direkte Kommunikation mit Industrial I/O

Systemsoftware mit all diesen grundlegenden Eigenschaften ist derzeit für Standard-PCS von mehreren Anbietern erhältlich.

Die Hardware, die zum Bau von PCS verwendet wird, verbessert sich weiterhin sehr schnell. Alle sechs bis neun Monate wird eine neue Generation von PC-Hardware verfügbar. Im Gegensatz dazu steht alle zwei bis drei Jahre eine neue Generation von SPS-Hardware zur Verfügung.

Mit jeder nachfolgenden Hardwaregeneration:

• Die PCs werden schneller. Die heute weit verbreiteten Pentium-Systeme übertreffen selbst die schnellsten SPSen um Margen von 20: 1 oder mehr.

• Die PCs werden billiger. Hochleistungs-PCs sind für weniger als 2000 US-Dollar erhältlich. Low-Cost-PCs sind weit unter $ 1000.

• Die PCs bekommen mehr Speicher. Systeme mit 16MByte Speicher sind an der Tagesordnung. Systeme mit 64 Mbyte sind problemlos verfügbar.

• Die PCs unterstützen mehr Peripheriegeräte. CD-ROM-Laufwerke, Soundkarten, Spracherkennung, optisches Scannen, Bandlaufwerke mit hoher Kapazität, Drucker und eine Vielzahl von Varianten, spezialisierte E / A (z. B. Digitalisierungsoszilloskope) und andere Artikel sind weit verbreitet und kostengünstig.

Zusätzlich zu den Verbesserungen mit jeder Generation bietet PC-Hardware Vorteile, die über viele Generationen hinweg bestehen. Zum Beispiel:

• Zusätzliche Hardware-Schnittstellen (ISA, PCMCIA, SCSI, etc.) standardisiert sind.

• Parallele und serielle Schnittstellen sind standardisiert.

• Vernetzungsmöglichkeiten sind standardisiert.

• Videoschnittstellen sind standardisiert.

• Eingabegeräte (Maus, Tastatur, etc.) standardisiert sind.

Human Factors
Die Popularität von PCS in kommerziellen Anwendungen hat umfangreiche Aktivitäten gefördert, die darauf abzielen, sie einfacher zu installieren, leichter zu verstehen und einfacher zu bedienen. Insbesondere Microsoft WindowsT hat die Zugänglichkeit von Computern für nicht-technische Personen erheblich verbessert.

Die Früchte dieser Tätigkeit können Benutzern von PC-basierten Steuerungssystemen zur Verfügung gestellt werden. Da die zugrunde liegende Systemsoftware so konzipiert werden kann, dass sie Windows auf demselben PC unterstützt, stehen dieses Maß an Produktivität und Benutzerfreundlichkeit allen Benutzern des Steuerungssystems (Programmierer, Bediener, Techniker, Supervisor) zur Verfügung.

Die Benutzerfreundlichkeit wird für den Konstrukteur des Steuerungssystems zu einer erhöhten Produktivität. Zu oft verbringen Steuerungstechniker Entwicklungszeit damit, mit den Design- und Entwicklungswerkzeugen für ihr Steuerungssystem zu kämpfen, anstatt herauszufinden, wie sie mehr oder bessere Produkte herstellen können.

Insbesondere verbessert die Verfügbarkeit von Windows die Produktivität auf folgende Weise:

• Die grafische Benutzeroberfläche (GUI), die Windows präsentiert, ermöglicht es, dass alle Teile des Steuerungssystems für alle Benutzer ähnlich erscheinen. Durch die Nutzung dieser Gemeinsamkeit können PC-basierte Steuerungssysteme den Schulungsaufwand für Steuerungstechniker, Wartungstechniker und Maschinenbediener reduzieren.

• Erweiterte Funktionen wie Ausschneiden / Kopieren / Einfügen, Rückgängig / Wiederherstellen, Suchen / Ersetzen, Ziehen und Ablegen usw., sind in Windows-Anwendungen üblich. Diese Funktionen reduzieren den Zeitaufwand für viele gängige Aufgaben während der Programmierung und Wartung des Steuerungssystems

• Die Dokumentation des Steuerungssystems wird durch die Verfügbarkeit zahlreicher Textverarbeitungs-, Tabellenkalkulations- und Datenbankprogramme verbessert.

• Entwicklungstools können einfach an ein Netzwerk angeschlossen werden, sodass die Ergebnisse verschiedener Engineering-Aktivitäten von Ingenieurteams gemeinsam genutzt werden können.

Tools von Drittanbietern
Die Möglichkeit, Windows mit einem PC-basierten System zu unterstützen, bietet dem Steuerungssystemdesigner eine Vielzahl aufregender Funktionen unter Verwendung von Softwarepaketen von Drittanbietern. Betrachten Sie die folgenden Möglichkeiten…

BEISPIEL:
Es ist notwendig, am Ende jedes Produktionstages einen Schichtendbericht auszudrucken. Anstatt spezielle Ausrüstung zu kaufen und benutzerdefinierte Software zu erstellen, um die Aufgabe zu bewältigen, ist es möglich:

1. Verwenden Sie Microsoft Excel, Lotus 1-2-3 oder ein ähnliches Tabellenkalkulationsprodukt mit DDE, um die gewünschten Informationen direkt aus dem Steuerungssystem zu extrahieren.

2. Richten Sie die Tabelle ein, um alle erforderlichen Berechnungen für die Rohinformationen durchzuführen, entsprechende Grafiken / Diagramme zu erstellen und Textdaten einzugeben.

3. Richten Sie ein Makro ein, um die Tabelle auszuführen und den gewünschten Bericht automatisch auf jedem von Windows unterstützten Drucker auszudrucken.

BEISPIEL:
In einer komplexen Anwendung muss die Maschinenwartung durch Konstruktionszeichnungen und Fotos der Maschine sowie durch eine umfangreiche Dokumentation der Konstruktion des Steuerungssystems selbst unterstützt werden.

Um dieses System zu unterstützen, werden die folgenden Teile zusammengestellt:

1. Die Zeichnungen, Fotografien, etc. werden digitalisiert und auf einer CD-ROM gespeichert.

2. Das Steuerungssystem ist so programmiert, dass es interne Diagnoseinformationen verwaltet, die den Zustand der Maschine und die erwartete Aktivität widerspiegeln. Die Erstellung dieser Informationen wird durch die Windows-Benutzeroberfläche vereinfacht, die zum Entwerfen und Debuggen des Steuerungssystems zur Verfügung steht.

3. Eine Tabelle verwendet DDE, um Diagnoseinformationen aus dem Steuerungssystem zu extrahieren. Diese Informationen werden in einem Index verwendet, um mögliche Themen auf der CD-ROM nachzuschlagen.

4. Der Inhalt der CD-ROM wird dem Bediener mit einem einfachen Hypertext-Tool angezeigt, das dem standardmäßigen Windows-Online-Hilfesystem ähnelt.

5. Auf Wunsch können ausgefeilte Offline-Diagnosetools (ein Expertensystem) auf die extrahierten Informationen angewendet werden, die eine eingehende Analyse des Maschinenzustands, mögliche Ursachen für eine Fehlfunktion und empfohlene Abhilfemaßnahmen ermöglichen.

Der Maschinenbediener und / oder Wartungstechniker hat jetzt per Fingertipp Zugriff auf sehr detaillierte Informationen über den aktuellen Zustand der Maschine, ihren beabsichtigten Betrieb und die wahrscheinliche (n) Ursache (n) einer Fehlfunktion. Diese Informationen ermöglichen es, notwendige Reparaturen sehr schnell durchzuführen.

In vielen Fällen kann der Bediener die Maschine sofort reparieren, ohne auf die Diagnose durch einen Techniker warten zu müssen.

E / A-Unterstützung
Die meisten großen Hersteller von industriellen E / A-Geräten bieten eine Verbindung zwischen ihren E / A-Geräten und einem Standard-PC. Normalerweise erfolgt diese Verbindung in Form einer Karte, die sich in der Backplane des pcs befindet und an das herstellerspezifische E / A-Netzwerk angeschlossen wird. Darüber hinaus liefern viele Anbieter I / O-Geräte, die direkt in der PC-Backplane sitzen. Backplane-residente I / O—Geräte decken ein breites Spektrum an Funktionen ab – von diskreten Ein- und Ausgängen bis hin zur mehrachsigen Bewegungssteuerung.

Mit einer richtig konzipierten Systemsoftware können PC-basierte Steuerungssysteme diese Tatsache nutzen, um ihren Benutzern tiefgreifende Möglichkeiten zu bieten. Insbesondere ist ein Input jetzt nur noch ein Input. Es ist nicht mehr wichtig, von welchem Hersteller der Eingang hergestellt wurde oder wo er sich befindet.

Besser noch, die meisten PCS verfügen über mehrere Steckplätze für Zusatzkarten. Dies bedeutet, dass die Systemsoftware es dem Benutzer ermöglichen kann, Ein- und Ausgänge von mehr als einem Anbieter in einem einzigen Steuerungssystem zu verwenden.

Gleichzeitig ist es sehr wichtig, dass die Systemsoftware den Zugriff nicht auf die speziellen Funktionen beschränkt, die für einige E / A-Familien verfügbar sind. Beispielsweise bieten einige E / A-Familien eine Gerätediagnose. Wenn diese Funktionen der Steuerung nicht zur Verfügung stehen, verlieren die E / A-Geräte einen großen Teil ihres Wertes.

In einer herstellerunabhängigen Umgebung ist E/A ein Gebrauchsgegenstand. Es kann auf der Grundlage von Preis, Eigenschaften oder anderen Faktoren erworben werden – ohne Rücksicht auf die Kompatibilität mit dem Steuerungssystem. Diese Tatsache eröffnet viele Möglichkeiten:

• Spezialgerätehersteller (OEM’s) werden häufig gebeten, ihr Produkt um eine andere E / A-Familie herum aufzubauen. Die I / O-Herstellerunabhängigkeit von PC-basierten Steuerungssystemen bedeutet, dass das Design und die Programmierung des Steuerungssystems ihrer Geräte nicht von Grund auf neu gestartet werden müssen. Es ist eine einfache Angelegenheit, kompatible E / A-Geräte aus dem Katalog des neuen Anbieters anzugeben.

• Endbenutzer können das E / A-Gerät auswählen, das den Anforderungen ihrer Anwendungen am besten entspricht. Die besten RTD-Eingänge eines Anbieters können im selben Steuerungssystem verwendet werden wie die besten 24-Volt-DC-E / A eines anderen Anbieters und die besten 4-20-mA-Geräte eines anderen Anbieters. Ebenso können die besten Rack Mounted I /O mit den besten Distributed I /O kombiniert werden.

• Steuerungssystemdesigner können Steuerungen entwickeln, ohne sich um die besonderen Schwächen des E / A-Systems eines Anbieters kümmern zu müssen.

Zuverlässigkeit
In einer industriellen Umgebung ist es unerlässlich, dass das Steuerungssystem zuverlässig ist. Es muss eine konsistente, fehlerfreie Steuerung des Prozesses ermöglichen. Die Zuverlässigkeit muss in Bezug auf zwei Überlegungen untersucht werden:

1. Physische Zuverlässigkeit – Wie gut kann die Hardware der rauen physischen Umgebung der Fertigungshalle standhalten?

2. Softwarezuverlässigkeit – Wie gut kann die zugrunde liegende Systemsoftware einer langfristigen Verwendung in einer zeitkritischen Umgebung standhalten?

In Bezug auf die physische Zuverlässigkeit sind handelsübliche Standard-pcs normalerweise nicht so ausgelegt, dass sie Stöße, Vibrationen, Temperaturen und elektrische Geräusche tolerieren, die häufig in der Fertigung auftreten. Es gibt jedoch viele Anbieter, die für diese Umgebung gebaute Pcs anbieten. Sie verwenden die gleichen Konstruktionstechniken, die von den SPS-Herstellern verwendet werden, um robuste Produkte bereitzustellen:

• Vier punkt unterstützt für add-in karten.

• Hochfestes Metall für die Gehäuse.

• Versiegelte Frontplatten für Feuchtigkeit eindringen Widerstand.

• Elektronische Bauelemente veranschlagt für Operation der hohen Temperatur.

• Schock- und vibrationsgeprüfte elektronische Baugruppen

• Etc.

Diese Konstruktionspraktiken führen zu ‘industriellen’ PCS mit Lebensdauerausfallraten, die denen von SPS ähneln.

Ein weiterer Aspekt der Hardwarezuverlässigkeit sind die Kosten und die Schwierigkeit, eine ausgefallene Einheit auszutauschen. Der PC ist weltweit verfügbar, kurzfristig, von vielen Anbietern. Zur Not kann ein handelsüblicher PC aus dem örtlichen Elektronik-Superstore sogar für ein industrielles Gerät stehen. SPS sind nur über das Vertriebssystem des jeweiligen Anbieters verfügbar, sodass Benutzer einen kostspieligen lokalen Bestand an Ersatzsteuerungen führen müssen.

Bei der Betrachtung der Softwarezuverlässigkeit müssen zwei wichtige Aspekte berücksichtigt werden. Dies sind:

1. Systemverfügbarkeit
   Wie gut hält die Software einer Langzeitnutzung stand? Wie gut ist das Steuerungssystem vor externen Störungen geschützt?

2. Systemzugänglichkeit
   Wie einfach ist die Software zu bedienen? Wie gut können Steuerungsdaten für externe Nutzungen zur Verfügung gestellt werden?

Verfügbarkeit: Damit ein Steuerungssystem nützlich ist, muss es laufen (‘verfügbar’). Wenn die Systemsoftware richtig ausgelegt ist, ist das Steuerungssystem stabil und robust. Der Steuercode des Benutzers ist gut vor anderen Aktivitäten geschützt, die möglicherweise stattfinden.

Moderne Steuerungssysteme (sowohl SPS als auch PCS) basieren auf Echtzeitbetriebssystemen (RTOS). Diese Betriebssysteme verwalten die Zuweisung von CPU-Zeit, Systemspeicher, Interrupts und anderen Ressourcen zwischen den auf dem Computer ausgeführten Prozessen.

Die von Steuerungssystemen verwendeten Echtzeitbetriebssysteme sind alle im Wesentlichen ähnlich, mit einer Struktur wie in Abbildung 3 gezeigt. Einige Anbieter verwenden selbst entwickelte Betriebssysteme, andere kommerzielle Betriebssysteme. Bei der Bewertung der Softwarezuverlässigkeit des Steuerungssystems eines Anbieters ist es wichtig, die Erfolgsbilanz des Betriebssystems zu betrachten, die die Grundlage für die Systemzuverlässigkeit bildet. Steeplechase Software verwendet das iRMX-Betriebssystem von Intel. Mit fast zwei Millionen Exemplaren im Feld ist es ein bewährtes, zuverlässiges Betriebssystem.

Barrierefreiheit: Steuerungssysteme sind keine Inseln mehr. Tatsächlich sind einige der Informationen, die sie zur Steuerung von Geräten verwenden, für den Betrieb des produzierenden Unternehmens selbst gleichermaßen wichtig. Des Weiteren, wenn das Steuerungssystem schwer zu bedienen ist, schwer zu verstehen, oder schwer zu bekommen Informationen zu und von, dann wird es nicht ausreichend die Bedürfnisse der Nutzer befriedigen.

PC-basierte Steuerungssoftware bietet wesentlich mehr Zugänglichkeit als herkömmliche SPS-basierte Steuerungssysteme. Die Windows-Umgebung dient nicht nur der Programmierung. Es ist auch während des Betriebs verfügbar. Dies bedeutet, dass:

• Standard-Windows-Datenaustauschmethoden können leicht angewendet werden, um Informationen zwischen dem Steuerungssystem und dem Rest des Unternehmens zu verschieben.

• Die Programmierumgebung ist direkt auf der Steuerung selbst verfügbar. Es ist nicht mehr notwendig, einen separaten Computer für Programmierzwecke zu haben.

• Eine Vielzahl von handelsüblichen Windows-Anwendungen kann verwendet werden, um die Daten des Steuerungssystems zu analysieren oder zu manipulieren, während das Steuerungssystem ausgeführt wird. Rezeptverwaltung, SPC/SQC, Materialbuchhaltung, etc. alles wird einfach.

Integration
Industrielle Steuerungssysteme werden nicht im luftleeren Raum gekauft; sie haben eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen. Mit einem PC-basierten Steuerungssystem wird die gesamte Arbeit schneller, effizienter und mit weniger Integrationsaufwand erledigt als mit herkömmlichen Steuerungssystemen.

PC-basierte Steuerungssysteme sind verfügbar, die viele häufig verwendete Teile der Gesamtsteuerungslösung integrieren. Insbesondere:

• Echtzeitsteuerung – die Fähigkeit, vom Benutzer geschriebene Steuerungsstrategien über einen langen Zeitraum korrekt auszuführen.

• Bedienoberfläche – die Möglichkeit, eine grafische Bedienoberfläche auf demselben PC wie das Basissteuerungssystem einzubinden. Moderne Bedienoberflächen umfassen die Möglichkeit, grafische Bilder auf dem Bildschirm anzuzeigen und deren Größe, Position, Farbe usw. zu ändern. basierend auf dem Betrieb des Steuerungssystems.

• Programmierung – die Fähigkeit, die zu verwendenden Steuerstrategien zu erstellen und zu debuggen. Dazu gehört auch die Fähigkeit von Personen auf allen Ebenen der Organisation, Programme, die von einer anderen Person erstellt wurden, leicht zu verstehen.

• Dokumentation – die Fähigkeit, schnell und einfach Informationen aus dem Steuerungssystem zu extrahieren. Diese Informationen decken sowohl den Entwurf als auch den Betrieb des Steuerungssystems ab.

• Kommunikation – die Fähigkeit, über die verfügbare Netzwerkhardware mit anderen Steuerungssystemen, dedizierten Bedienoberflächen, Maschinen in anderen Gebäuden oder auf der ganzen Welt zu kommunizieren. Es ist kein besonderer Aufwand seitens des Benutzers erforderlich, um dies zu ermöglichen.

Weitere Informationen erhalten Sie von Dave Gee, Vice President, Engineering,
Steeplechase Software Inc. tel.: 313/995-3348; Telefax: 313/995-7218