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I vantaggi dei sistemi di controllo basati su personal computer

Lo scopo e lo scopo di questo documento è quello di esplorare i vantaggi dell’utilizzo del PC per il controllo industriale. Il personal computer standard (PC) ha iniziato ad essere utilizzato per il controllo diretto della macchina in una serie di applicazioni industriali. Gli impianti che hanno fatto questo passo lo hanno fatto per sfruttare il costo ridotto e la maggiore flessibilità del PC. Altri impianti che hanno preso in considerazione l’uso di PC potrebbero non avere familiarità con i vantaggi di questo tipo di sistema di controllo.

Questo documento esplora i vantaggi che devono essere considerati quando si valuta l’uso di Personal computer invece di controllori logici programmabili per il controllo diretto delle apparecchiature industriali.

Hardware
Dal punto di vista di un’applicazione di controllo industriale, l’esatta configurazione hardware di un controller non è particolarmente importante. Le figure 1 e 2 mostrano diagrammi di soluzioni hardware tipiche. Tutti i controller condividono le caratteristiche comuni che utilizzano un microprocessore come cuore del sistema. Intorno al processore, ci sono dispositivi di memoria (sola lettura e/o lettura-scrittura) e dispositivi I/O. Frequentemente, il controller includerà hardware che comunica con I/O localizzati in remoto attraverso una rete.

In molte applicazioni industriali, è necessario che l’hardware resista a condizioni ambientali estreme. Le piattaforme hardware che soddisfano questi requisiti sono facilmente disponibili sia come PLC che come PC

Chiaramente, sia le soluzioni personalizzate (PLC) che le soluzioni standard (PC) hanno l’hardware necessario per eseguire il controllo industriale. Il software di sistema è ciò che rende una particolare macchina un controller industriale, e ciò che di solito distingue un PC da un PLC.

Tutti i software di controllo industriale condivide caratteristiche comuni:

  • funzionamento affidabile

  • scritto dall’utente codice di controllo

  • esecuzione in tempo reale di quel codice di controllo

  • la comunicazione diretta con I/O industriali

Software di sistema con tutte queste caratteristiche di base è attualmente disponibile per PC standard da fornitori diversi.

L’hardware che viene utilizzato per costruire PC continua a migliorare ad un ritmo molto rapido. Una nuova generazione di personal computer hardware diventa disponibile ogni sei-nove mesi. Al contrario, una nuova generazione di hardware PLC diventa disponibile ogni due o tre anni.

Con ogni generazione hardware successiva:

  • I PC diventano più veloci. I sistemi Pentium ampiamente disponibili oggi superano anche i PLC più veloci con margini di 20: 1 o più.

  • I PC diventano più economici. PC ad alte prestazioni sono facilmente disponibili per meno di $2000. I PC a basso costo sono ben al di sotto di $1000.

  • I PC ottengono più memoria. I sistemi con 16 Mbyte di memoria sono all’ordine del giorno. I sistemi con 64 Mbyte sono prontamente disponibili.

  • I PC supportano più dispositivi periferici. Le unità CD-ROM, le schede audio, il riconoscimento vocale, la scansione ottica, le unità a nastro ad alta capacità, le stampanti e una moltitudine di varietà, I/O specializzati (ad es.

Oltre ai miglioramenti di ogni generazione, l’hardware del PC offre vantaggi che sopravvivono a molte generazioni. Ad esempio:

  • Interfacce hardware aggiuntive (ISA, PCMCIA, SCSI, ecc.) sono standardizzati.

  • Le porte parallele e seriali sono standardizzate.

  • Le strutture di rete sono standardizzate.

  • Le interfacce video sono standardizzate.

  • Dispositivi di input (mouse, tastiera, ecc.) sono standardizzati.

Fattori umani
La popolarità dei PC nelle applicazioni commerciali ha favorito una vasta attività volta a renderli più facili da installare, più facili da capire e più facili da usare. In particolare, Microsoft WindowsT ha notevolmente migliorato l’accessibilità dei computer a persone non tecniche.

I frutti di questa attività possono essere messi a disposizione degli utenti di sistemi di controllo basati su PC. Poiché il software di sistema sottostante può essere progettato per supportare Windows sullo stesso PC, quel livello di produttività e facilità d’uso sono disponibili per tutti gli utenti del sistema di controllo (programmatore, operatore, tecnico, supervisore).

La facilità d’uso aumenta la produttività per il progettista del sistema di controllo. Troppo spesso gli ingegneri di controllo spendono tempo di sviluppo combattendo gli strumenti di progettazione e sviluppo per il loro sistema di controllo, piuttosto che capire come rendere più o meglio il prodotto.

In particolare, la disponibilità di Windows migliora la produttività nei seguenti modi:

  • L’interfaccia utente grafica (GUI) che Windows presenta consente a tutte le parti del sistema di controllo di apparire simili a tutti gli utenti. Sfruttando questa comunanza, i sistemi di controllo basati su PC possono ridurre l’entità della formazione richiesta per ingegneri di controllo, tecnici di manutenzione e operatori di macchine.

  • Funzioni avanzate come taglia / copia / incolla, annulla / ripeti, trova / sostituisci, trascina e rilascia, ecc., sono comuni in applicazioni di Windows. Queste caratteristiche riducono la quantità di tempo necessaria per eseguire molte attività comuni durante la programmazione e la manutenzione del sistema di controllo

  • La documentazione del sistema di controllo è migliorata dalla disponibilità di numerosi programmi di elaborazione testi, fogli di calcolo e database.

  • Gli strumenti di sviluppo possono essere facilmente collegati a una rete, consentendo di condividere i risultati delle varie attività di ingegneria tra team di ingegneri.

Strumenti di terze parti
La possibilità di supportare Windows con un sistema basato su PC fornisce al progettista del sistema di controllo una serie di funzionalità interessanti utilizzando pacchetti software di terze parti. Considerare le seguenti possibilità EXAMPLE

ESEMPIO:
È necessario stampare un rapporto shift-end alla fine di ogni giorno di produzione. Piuttosto che dover acquistare attrezzature speciali e creare software personalizzato per gestire l’attività, è possibile:

  1. Utilizzare Microsoft Excel, Lotus 1-2-3 o qualsiasi altro foglio di calcolo simile con DDE per estrarre direttamente le informazioni desiderate dal sistema di controllo.

  2. Impostare il foglio di calcolo per eseguire tutti i calcoli necessari sulle informazioni grezze, creare grafici/grafici appropriati e compilare tutti i dati testuali.

  3. Impostare una macro per eseguire il foglio di calcolo e stampare automaticamente il report desiderato su qualsiasi stampante supportata da Windows.

ESEMPIO:
In un’applicazione complessa, la manutenzione della macchina deve essere supportata da disegni tecnici e fotografie della macchina, insieme a un’ampia documentazione della progettazione del sistema di controllo stesso.

Per supportare questo sistema, i seguenti pezzi sono messi insieme:

  1. I disegni, fotografie, ecc. sono digitalizzati e memorizzati su un CD-ROM.

  2. Il sistema di controllo è programmato per mantenere le informazioni diagnostiche interne che riflettono lo stato della macchina e l’attività prevista. La creazione di queste informazioni è semplificata dall’interfaccia utente di Windows disponibile per la progettazione e il debug del sistema di controllo.

  3. Un foglio di calcolo utilizza DDE per estrarre informazioni diagnostiche dal sistema di controllo. Queste informazioni vengono utilizzate in un indice per cercare possibili argomenti sul CD-ROM.

  4. Il contenuto del CD-ROM viene visualizzato all’operatore utilizzando un semplice strumento ipertestuale simile al sistema di guida in linea standard di Windows.

  5. Se lo si desidera, è possibile applicare sofisticati strumenti diagnostici off-line (un sistema esperto) alle informazioni estratte, fornendo un’analisi approfondita dello stato della macchina, possibili cause di un malfunzionamento e rimedi raccomandati.

L’operatore della macchina e / o il tecnico di manutenzione ha ora accesso a informazioni altamente dettagliate sullo stato attuale della macchina, sul suo funzionamento previsto e sulla probabile causa / e di un malfunzionamento. Queste informazioni consentono di effettuare le riparazioni necessarie molto rapidamente.

In molti casi, sarà possibile per l’operatore riparare immediatamente la macchina, senza dover attendere un tecnico per diagnosticare il problema.

Supporto I/O
La maggior parte dei principali fornitori di dispositivi I/O industriali fornisce una connessione tra i propri dispositivi I/O e un PC standard. Di solito, questa connessione è sotto forma di una scheda che va nel backplane del PC e si collega alla rete I/O specifica del fornitore. Inoltre, molti fornitori forniscono dispositivi I/O che si trovano direttamente nel backplane del PC. I dispositivi I/O residenti sul backplane coprono un’ampia gamma di funzionalità, da ingressi e uscite discreti al controllo del movimento multiasse.

Con un software di sistema progettato correttamente, i sistemi di controllo basati su PC possono trarre vantaggio da questo fatto per fornire ai propri utenti profonde possibilità. In particolare, un input ora è solo un input. Non è più importante da quale fornitore è stato prodotto l’input o dove si trova.

Meglio ancora, la maggior parte dei PC hanno più slot disponibili per schede add-in. Ciò significa che il software di sistema può consentire all’utente di utilizzare ingressi e uscite da più di un fornitore in un unico sistema di controllo.

Allo stesso tempo, è molto importante che il software di sistema non limiti l’accesso alle funzioni speciali disponibili su alcune famiglie di I/O. Ad esempio, alcune famiglie di I/O forniscono la diagnostica del dispositivo. Se queste funzioni non sono disponibili per il sistema di controllo, i dispositivi I/O perdono gran parte del loro valore.

In un ambiente indipendente dal fornitore, l’I/O è un elemento commodity. Può essere acquistato in base al prezzo, alle caratteristiche o ad altri fattori, indipendentemente dalla compatibilità con il sistema di controllo. Questo fatto apre molte possibilità:

  • I produttori di apparecchiature speciali (OEM) sono spesso invitati a costruire il loro prodotto attorno a una famiglia di I/O diversa. L’indipendenza del fornitore di I/O offerta dai sistemi di controllo basati su PC significa che la progettazione e la programmazione del sistema di controllo delle loro apparecchiature non devono essere ricominciate da zero. Si tratta semplicemente di specificare i dispositivi I / O compatibili dal catalogo del nuovo fornitore.

  • Gli utenti finali possono scegliere il dispositivo I/O che meglio soddisfa le esigenze delle loro applicazioni. I migliori ingressi RTD di un fornitore possono essere utilizzati nello stesso sistema di controllo dei migliori I/O CC a 24 volt di un altro fornitore e dei migliori dispositivi 4-20mA di un altro fornitore. Allo stesso modo, il miglior I/O montato su rack può essere combinato con il miglior I/O distribuito.

  • I progettisti di sistemi di controllo possono sviluppare controlli senza preoccuparsi delle particolari debolezze del sistema I/O di un fornitore.

Affidabilità
In un ambiente industriale, è imperativo che il sistema di controllo sia affidabile. Deve fornire un controllo coerente e privo di errori del processo. L’affidabilità deve essere esaminata rispetto a due considerazioni:

  1. Affidabilità fisica-quanto bene può l’hardware resistere all’ambiente fisico duro del pavimento di fabbricazione?

  2. Affidabilità del software-in che modo il software di sistema sottostante può resistere all’uso a lungo termine in un ambiente critico nel tempo?

Sul fronte dell’affidabilità fisica, i PC standard di tipo commerciale non sono normalmente progettati per tollerare gli urti, le vibrazioni, la temperatura e il rumore elettrico frequentemente presenti sul pavimento di produzione. Ci sono, tuttavia, molti fornitori che forniscono PC costruiti per questo ambiente. Usano le stesse tecniche di costruzione utilizzate dai produttori di PLC per fornire prodotti robusti:

  • Supporti a quattro punti per schede aggiuntive.

  • Metallo ad alta resistenza per le custodie.

  • Pannelli frontali sigillati per resistenza alla penetrazione dell’umidità.

  • Componenti elettronici classificati per il funzionamento ad alta temperatura.

  • Assemblaggi elettronici testati per urti e vibrazioni

  • Ecc.

Queste pratiche di costruzione si traducono in PC “industriali” con tassi di guasto a vita simili ai PLC.

Un altro aspetto dell’affidabilità dell’hardware è il costo e la difficoltà di sostituire un’unità guasta. Il PC è disponibile in tutto il mondo, con breve preavviso, da molti fornitori. In un pizzico, un PC commerciale del superstore elettronico locale può persino sostituire un’unità di tipo industriale. I PLC sono disponibili solo attraverso il particolare sistema di distribuzione del fornitore, costringendo gli utenti a mantenere un costoso inventario locale di controller di riserva.

Quando si considera l’affidabilità del software, ci sono due aspetti importanti che devono essere considerati. Questi sono:

  1. Disponibilità del sistema
    Quanto bene il software resiste all’uso a lungo termine? Quanto bene è il sistema di controllo protetto da disturbi esterni?

  2. Accessibilità del sistema
    Quanto è facile usare il software? In che modo i dati del sistema di controllo possono essere resi disponibili per usi esterni?

Disponibilità: affinché un sistema di controllo sia utile, deve essere in esecuzione (“disponibile”). Se il software di sistema è progettato correttamente, il sistema di controllo sarà stabile e robusto. Il codice di controllo dell’utente sarà ben protetto da altre attività che potrebbero accadere.

I moderni sistemi di controllo (sia PLC che PC) sono basati su “real-time Operating systems” (RTOS). Questi sistemi operativi gestiscono l’allocazione del tempo della CPU, della memoria di sistema, degli interrupt e di altre risorse tra i processi in esecuzione sulla macchina.

I sistemi operativi real-time utilizzati dai sistemi di controllo sono tutti sostanzialmente simili, con una struttura simile a quella mostrata in figura 3. Alcuni fornitori utilizzano sistemi operativi sviluppati internamente, altri utilizzano sistemi operativi commerciali. Quando si valuta l’affidabilità del software del sistema di controllo di un fornitore, è importante esaminare il track record del sistema operativo che costituisce la base per l’affidabilità del sistema. Il software Steeplechase utilizza il sistema operativo iRMX di Intel. Con quasi due milioni di copie in campo, si tratta di un ben collaudato, sistema operativo affidabile.

Accessibilità: i sistemi di controllo non sono più isole. In effetti, alcune delle informazioni che utilizzano per il controllo delle apparecchiature sono altrettanto importanti per l’esecuzione dell’impresa manifatturiera stessa. Inoltre, se il sistema di controllo è difficile da usare, difficile da capire o difficile da ottenere informazioni da e verso, allora non soddisferà adeguatamente le esigenze degli utenti.

Il software del sistema di controllo basato su PC fornisce sostanzialmente più accessibilità rispetto ai tradizionali sistemi di controllo basati su PLC. L’ambiente Windows non è solo per la programmazione. È disponibile anche durante il funzionamento. Ciò significa che:

  • I metodi standard di scambio dati di Windows possono essere facilmente applicati per spostare le informazioni tra il sistema di controllo e il resto dell’azienda.

  • L’ambiente di programmazione è direttamente disponibile sul controller stesso. Non è più necessario avere un computer separato per scopi di programmazione.

  • Una moltitudine di applicazioni Windows off-the-shelf può essere utilizzato per analizzare o manipolare i dati del sistema di controllo mentre il sistema di controllo è in esecuzione. Gestione delle ricette, SPC / SQC, contabilità dei materiali, ecc. tutto diventa facile.

Integrazione
I sistemi di controllo industriale non vengono acquistati nel vuoto; esiste un lavoro specifico da svolgere. Utilizzando un sistema di controllo basato su PC ottiene il lavoro totale fatto più veloce, più efficiente, e con meno sforzo di integrazione rispetto ai sistemi di controllo convenzionali.

Sono disponibili sistemi di controllo basati su PC che integrano molte parti comunemente utilizzate della soluzione di controllo generale. In particolare:

  • Controllo in tempo reale-la capacità di eseguire strategie di controllo scritte dall’utente, correttamente, per un lungo periodo di tempo.

  • Interfaccia operatore-la possibilità di includere un’interfaccia operatore grafica sullo stesso PC del sistema di controllo di base. Le moderne interfacce operatore includono la possibilità di visualizzare immagini grafiche sullo schermo e di modificarne dimensioni, posizione, colore, ecc. basato sul funzionamento del sistema di controllo.

  • Programmazione-la capacità di creare ed eseguire il debug delle strategie di controllo da utilizzare. Ciò include anche la possibilità per le persone a tutti i livelli dell’organizzazione di comprendere facilmente i programmi creati da un’altra persona.

  • Documentazione – la capacità di estrarre rapidamente e facilmente le informazioni dal sistema di controllo. Queste informazioni riguardano sia la progettazione che il funzionamento del sistema di controllo.

  • Comunicazioni-la capacità di comunicare tramite qualsiasi hardware di rete disponibile con altri sistemi di controllo, interfacce operatore dedicate, macchine in altri edifici o in tutto il mondo. Nessuno sforzo particolare è richiesto da parte dell’utente per rendere questo accada.

Per ulteriori informazioni, contattare Dave Gee, vice-presidente, Ingegneria,
Steeplechase Software Inc. tel: 313/995-3348; Fax: 313/995-7218

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