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Les avantages des Systèmes de contrôle basés sur ordinateur personnel

Le but et la portée de ces documents sont d’explorer les avantages de l’utilisation du PC pour le contrôle industriel. L’ordinateur personnel standard (PC) a commencé à être utilisé pour le contrôle direct de la machine dans un certain nombre d’applications industrielles. Les usines qui ont franchi cette étape l’ont fait pour profiter du coût réduit et de la flexibilité accrue du PC. D’autres usines qui ont envisagé l’utilisation de PC peuvent ne pas connaître les avantages de ce type de système de contrôle.

Cet article explore les avantages qui doivent être pris en compte lors de l’évaluation de l’utilisation d’ordinateurs personnels au lieu de contrôleurs logiques programmables pour le contrôle direct d’équipements industriels.

Matériel
Du point de vue d’une application de contrôle industrielle, la configuration matérielle exacte d’un contrôleur n’est pas particulièrement importante. Les figures 1 et 2 montrent des schémas de solutions matérielles typiques. Tous les contrôleurs partagent les caractéristiques communes d’utiliser un microprocesseur comme cœur du système. Autour du processeur, il y a des périphériques de mémoire (lecture seule et / ou lecture-écriture) et des périphériques d’E / S. Fréquemment, le contrôleur comprendra du matériel qui communique avec des E / S situées à distance via un réseau.

Dans de nombreuses applications industrielles, il est nécessaire que le matériel résiste à des conditions environnementales extrêmes. Les plates-formes matérielles qui répondent à ces exigences sont facilement disponibles en tant qu’automates et PC

Il est clair que les solutions personnalisées (automates) et les solutions standard (PCS) disposent du matériel nécessaire pour effectuer un contrôle industriel. Le logiciel système est ce qui fait d’une machine particulière un contrôleur industriel, et ce qui distingue généralement un PC d’un PLC.

Tous les logiciels de contrôleur industriel partagent des caractéristiques communes:

  • fonctionnement fiable

  • code de contrôle écrit par l’utilisateur

  • exécution en temps réel de ce code de contrôle

  • communication directe avec les E/S industrielles

Un logiciel système avec toutes ces caractéristiques de base est actuellement disponible pour les PC standard de plusieurs fournisseurs.

Le matériel utilisé pour construire des PC continue de s’améliorer à un rythme très rapide. Une nouvelle génération de matériel informatique devient disponible tous les six à neuf mois. En revanche, une nouvelle génération de matériel PLC devient disponible tous les deux à trois ans.

À chaque génération de matériel suivante:

  • Les PC deviennent plus rapides. Les systèmes Pentium largement disponibles aujourd’hui surpassent même les automates les plus rapides par des marges de 20:1 ou plus.

  • Les PC deviennent moins chers. Les PC haute performance sont facilement disponibles pour moins de 2000 $. Les PC à faible coût sont bien inférieurs à 1000 $.

  • Les PC obtiennent plus de mémoire. Les systèmes avec 16 Mo de mémoire sont monnaie courante. Des systèmes de 64 Mo sont facilement disponibles.

  • Les PC prennent en charge plus de périphériques. Les lecteurs de CD-ROM, les cartes son, la reconnaissance vocale, la numérisation optique, les lecteurs de bandes haute capacité, les imprimantes et une multitude de variétés, les E / S spécialisées (par exemple, la numérisation d’oscilloscopes) et d’autres articles sont largement disponibles et peu coûteux.

En plus des améliorations apportées à chaque génération, le matériel PC offre des avantages qui survivent sur de nombreuses générations. Par exemple:

  • Interfaces matérielles complémentaires (ISA, PCMCIA, SCSI, etc.) sont normalisés.

  • Les ports parallèle et série sont standardisés.

  • Les installations de réseautage sont normalisées.

  • Les interfaces vidéo sont standardisées.

  • Périphériques d’entrée (souris, clavier, etc.) sont normalisés.

Facteurs humains
La popularité des PC dans les applications commerciales a favorisé une vaste activité visant à les rendre plus faciles à installer, à comprendre et à utiliser. En particulier, Microsoft WindowsT a considérablement amélioré l’accessibilité des ordinateurs aux personnes non techniques.

Les fruits de cette activité peuvent être mis à la disposition des utilisateurs de systèmes de contrôle basés sur PC. Étant donné que le logiciel système sous-jacent peut être conçu pour prendre en charge Windows sur le même PC, ce niveau de productivité et de facilité d’utilisation sont disponibles pour tous les utilisateurs du système de contrôle (programmeur, opérateur, technicien, superviseur).

La facilité d’utilisation devient une productivité accrue pour le concepteur du système de contrôle. Trop souvent, les ingénieurs de contrôle passent du temps à se battre contre les outils de conception et de développement de leur système de contrôle, plutôt que de déterminer comment fabriquer plus ou mieux de produits.

Plus précisément, la disponibilité de Windows améliore la productivité des manières suivantes:

  • L’interface utilisateur graphique (GUI) présentée par Windows permet à toutes les parties du système de contrôle de ressembler à tous les utilisateurs. En tirant parti de ce point commun, les systèmes de contrôle basés sur PC peuvent réduire l’étendue de la formation requise pour les ingénieurs de contrôle, les techniciens de maintenance et les opérateurs de machines.

  • Fonctionnalités avancées telles que couper / copier / coller, annuler /rétablir, rechercher /remplacer, glisser-déposer, etc., sont courants dans les applications Windows. Ces fonctionnalités réduisent le temps nécessaire pour effectuer de nombreuses tâches courantes lors de la programmation et de la maintenance du système de contrôle

  • La documentation du système de contrôle est améliorée par la disponibilité de nombreux programmes de traitement de texte, de tableur et de base de données.

  • Les outils de développement peuvent être facilement rattachés à un réseau, ce qui permet de partager les résultats de diverses activités d’ingénierie entre des équipes d’ingénieurs.

Outils tiers
La possibilité de prendre en charge Windows avec un système basé sur PC offre au concepteur du système de contrôle une multitude de fonctionnalités intéressantes à l’aide de progiciels tiers. Considérez les possibilités suivantesEXAMPLE EXEMPLE

:
Il est nécessaire d’imprimer un rapport de fin de quart de travail à la fin de chaque journée de production. Plutôt que d’avoir à acheter un équipement spécial et à créer un logiciel personnalisé pour gérer la tâche, il est possible de:

  1. Utilisez Microsoft Excel, Lotus 1-2-3 ou tout autre tableur similaire avec DDE pour extraire directement les informations souhaitées du système de contrôle.

  2. Configurez la feuille de calcul pour effectuer les calculs nécessaires sur les informations brutes, créez des graphiques / tableaux appropriés et remplissez toutes les données textuelles.

  3. Configurez une macro pour exécuter la feuille de calcul et imprimez automatiquement le rapport souhaité sur n’importe quelle imprimante prise en charge par Windows.

EXEMPLE:
Dans une application complexe, la maintenance de la machine doit être étayée par des dessins techniques et des photographies de la machine, ainsi que par une documentation approfondie de la conception du système de commande lui-même.

Pour supporter ce système, les pièces suivantes sont assemblées:

  1. Les dessins, photographies, etc. sont numérisés et stockés sur un CD-ROM.

  2. Le système de contrôle est programmé pour maintenir des informations de diagnostic internes qui reflètent l’état de la machine et l’activité attendue. La création de ces informations est simplifiée par l’interface utilisateur Windows disponible pour la conception et le débogage du système de contrôle.

  3. Une feuille de calcul utilise DDE pour extraire des informations de diagnostic du système de contrôle. Ces informations sont utilisées dans un index pour rechercher des sujets possibles sur le CD-ROM.

  4. Le contenu du CD-ROM est affiché à l’opérateur à l’aide d’un outil hypertexte simple similaire au système d’aide en ligne Windows standard.

  5. Si vous le souhaitez, des outils de diagnostic hors ligne sophistiqués (un système expert) peuvent être appliqués aux informations extraites, fournissant une analyse approfondie de l’état de la machine, des causes possibles d’un dysfonctionnement et des remèdes recommandés.

L’opérateur de la machine et / ou le technicien de maintenance ont désormais accès du bout des doigts à des informations très détaillées sur l’état actuel de la machine, son fonctionnement prévu et la ou les causes probables d’un dysfonctionnement. Ces informations permettent d’effectuer les réparations nécessaires très rapidement.

Dans de nombreux cas, il sera possible pour l’opérateur de réparer la machine immédiatement, sans avoir à attendre qu’un technicien diagnostique le problème.

Prise en charge des E / S
La plupart des principaux fournisseurs de périphériques d’E / S industriels fournissent une connexion entre leurs périphériques d’E / S et un PC standard. Habituellement, cette connexion se présente sous la forme d’une carte qui va dans le fond de panier du PC et se connecte au réseau d’E / S spécifique du fournisseur. De plus, de nombreux fournisseurs fournissent des périphériques d’E / S qui se trouvent directement dans le fond de panier du PC. Les périphériques d’E/ S résidents du fond de panier couvrent un large éventail de capacités, des entrées et sorties discrètes au contrôle de mouvement multiaxes.

Avec un logiciel système correctement conçu, les systèmes de contrôle basés sur PC peuvent profiter de ce fait pour offrir à leurs utilisateurs de profondes possibilités. En particulier, une entrée n’est plus qu’une entrée. Il n’est plus important de savoir par quel fournisseur l’intrant a été fabriqué ou où il se trouve.

Mieux encore, la plupart des PC ont plusieurs emplacements disponibles pour les cartes complémentaires. Cela signifie que le logiciel système peut permettre à l’utilisateur d’utiliser les entrées et les sorties de plusieurs fournisseurs dans un seul système de contrôle.

Dans le même temps, il est très important que le logiciel système ne limite pas l’accès aux fonctionnalités spéciales disponibles sur certaines familles d’E/S. Par exemple, certaines familles d’E/S fournissent des diagnostics de périphérique. Si ces fonctions ne sont pas disponibles pour le système de contrôle, les périphériques d’E / S perdent une grande partie de leur valeur.

Dans un environnement indépendant du fournisseur, les E/S sont un élément de base. Il peut être acheté sur la base du prix, des caractéristiques ou d’autres facteurs — sans égard à la compatibilité avec le système de contrôle. Ce fait ouvre de nombreuses possibilités:

  • Les fabricants d’équipements spécialisés (OEM) sont fréquemment invités à construire leur produit autour d’une famille d’E / S différente. L’indépendance du fournisseur d’E / S offerte par les systèmes de contrôle basés sur PC signifie que la conception et la programmation du système de contrôle de leur équipement n’ont pas besoin d’être recommencées à zéro. Il s’agit simplement de spécifier des périphériques d’E / S compatibles à partir du catalogue du nouveau fournisseur.

  • Les utilisateurs finaux peuvent choisir le périphérique d’E / S qui répond le mieux aux besoins de leurs applications. Les meilleures entrées RTD d’un fournisseur peuvent être utilisées dans le même système de contrôle que les meilleures E / S 24 volts CC d’un autre fournisseur et les meilleurs appareils 4-20mA d’un autre fournisseur. De même, les meilleures E / S montées en rack peuvent être combinées avec les meilleures E / S distribuées.

  • Les concepteurs de systèmes de contrôle peuvent développer des contrôles sans se soucier des faiblesses particulières du système d’E / S d’un fournisseur.

Fiabilité
Dans un environnement industriel, il est impératif que le système de contrôle soit fiable. Il doit fournir un contrôle cohérent et sans erreur du processus. La fiabilité doit être examinée en fonction de deux considérations:

  1. Fiabilité physique – dans quelle mesure le matériel peut-il résister à l’environnement physique difficile de l’atelier de fabrication?

  2. Fiabilité du logiciel – dans quelle mesure le logiciel système sous-jacent peut-il résister à une utilisation à long terme dans un environnement critique?

Sur le plan de la fiabilité physique, les PC de qualité commerciale standard ne sont normalement pas conçus pour tolérer les chocs, les vibrations, la température et le bruit électrique fréquemment présents sur le sol de fabrication. Il existe cependant de nombreux fournisseurs qui fournissent des PC conçus pour cet environnement. Ils utilisent les mêmes techniques de construction utilisées par les fabricants d’automates pour fournir des produits robustes:

  • Supports à quatre points pour les cartes complémentaires.

  • Métal à haute résistance pour les boîtiers.

  • Panneaux avant scellés pour une résistance à la pénétration d’humidité.

  • Composants électroniques conçus pour un fonctionnement à haute température.

  • Assemblages électroniques testés aux chocs et aux vibrations

  • Etc.

Ces pratiques de construction entraînent des PC “industriels” avec des taux de défaillance à vie similaires à ceux des PLC.

Un autre aspect de la fiabilité matérielle est le coût et la difficulté de remplacer une unité défaillante. Le PC est disponible dans le monde entier, à court terme, auprès de nombreux fournisseurs. À la rigueur, un PC de qualité commerciale de l’hypermarché électronique local peut même remplacer une unité de qualité industrielle. Les automates sont disponibles uniquement via le système de distribution du fournisseur, ce qui oblige les utilisateurs à maintenir un inventaire local coûteux de contrôleurs de rechange.

Lorsque l’on considère la fiabilité du logiciel, deux aspects importants doivent être pris en compte. Ce sont:

  1. Disponibilité du système
    Dans quelle mesure le logiciel résiste-t-il à une utilisation à long terme? Dans quelle mesure le système de contrôle est-il protégé contre les perturbations externes?

  2. Accessibilité du système
    Quelle est la facilité d’utilisation du logiciel ? Dans quelle mesure les données du système de contrôle peuvent-elles être mises à disposition pour des utilisations externes?

Disponibilité : Pour qu’un système de contrôle soit utile, il doit être en cours d’exécution (‘disponible’). Si le logiciel système est correctement conçu, le système de contrôle sera stable et robuste. Le code de contrôle de l’utilisateur sera bien protégé contre toute autre activité qui pourrait se produire.

Les systèmes de contrôle modernes (PLC et PC) sont basés sur des “systèmes d’exploitation en temps réel” (RTOS). Ces systèmes d’exploitation gèrent l’allocation du temps CPU, de la mémoire système, des interruptions et d’autres ressources parmi les processus en cours d’exécution sur la machine.

Les systèmes d’exploitation en temps réel utilisés par les systèmes de contrôle sont tous fondamentalement similaires, avec une structure similaire à celle illustrée à la figure 3. Certains fournisseurs utilisent des systèmes d’exploitation développés en interne, d’autres utilisent des systèmes d’exploitation commerciaux. Lors de l’évaluation de la fiabilité logicielle du système de contrôle d’un fournisseur, il est important d’examiner les antécédents du système d’exploitation qui constitue la base de la fiabilité du système. Le logiciel Steeplechase utilise le système d’exploitation iRMX d’Intel. Avec près de deux millions d’exemplaires sur le terrain, c’est un système d’exploitation fiable et éprouvé.

Accessibilité : Les systèmes de contrôle ne sont plus des îlots. En fait, certaines des informations qu’ils utilisent pour contrôler l’équipement sont tout aussi importantes pour le fonctionnement de l’entreprise de fabrication elle-même. De plus, si le système de contrôle est difficile à utiliser, difficile à comprendre ou difficile à obtenir des informations vers et depuis, il ne répondra pas adéquatement aux besoins des utilisateurs.

Le logiciel de système de contrôle basé sur PC offre beaucoup plus d’accessibilité que les systèmes de contrôle basés sur PLC traditionnels. L’environnement Windows n’est pas seulement destiné à la programmation. Il est également disponible pendant le fonctionnement. Cela signifie que:

  • Les méthodes standard d’échange de données Windows peuvent être facilement appliquées pour déplacer des informations entre le système de contrôle et le reste de l’entreprise.

  • L’environnement de programmation est directement disponible sur le contrôleur lui-même. Il n’est plus nécessaire d’avoir un ordinateur séparé à des fins de programmation.

  • Une multitude d’applications Windows prêtes à l’emploi peuvent être utilisées pour analyser ou manipuler les données du système de contrôle pendant le fonctionnement du système de contrôle. Gestion des recettes, SPC/SQC, comptabilité des matériaux, etc. tout devient facile.

Intégration
Les systèmes de contrôle industriels ne sont pas achetés sous vide; ils ont un travail spécifique à faire. L’utilisation d’un système de contrôle basé sur PC permet d’effectuer le travail total plus rapidement, plus efficacement et avec moins d’effort d’intégration que les systèmes de contrôle conventionnels.

Des systèmes de contrôle basés sur PC sont disponibles qui intègrent de nombreuses parties couramment utilisées de la solution de contrôle globale. En particulier:

  • Contrôle en temps réel – la capacité d’exécuter des stratégies de contrôle écrites par l’utilisateur, correctement, sur une longue période de temps.

  • Interface opérateur – possibilité d’inclure une interface opérateur graphique sur le même PC que le système de contrôle de base. Les interfaces opérateur modernes incluent la possibilité d’afficher des images graphiques à l’écran et de modifier leur taille, leur position, leur couleur, etc. basé sur le fonctionnement du système de contrôle.

  • Programmation – la possibilité de créer et de déboguer les stratégies de contrôle à utiliser. Cela inclut également la capacité pour les personnes à tous les niveaux de l’organisation de comprendre facilement les programmes créés par une autre personne.

  • Documentation – la capacité d’extraire rapidement et facilement des informations du système de contrôle. Ces informations couvrent à la fois la conception et le fonctionnement du système de contrôle.

  • Communications – la capacité de communiquer via tout le matériel réseau disponible avec d’autres systèmes de contrôle, des interfaces opérateur dédiées, des machines dans d’autres bâtiments ou dans le monde entier. Aucun effort particulier n’est requis de la part de l’utilisateur pour y parvenir.

Pour plus d’informations, contactez Dave Gee, vice-président, Ingénierie,
Steeplechase Software Inc. tél.: 313/995-3348; Télécopie: 313/995-7218

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