the Benefits of Personal Computer-Based Control Systems

doel en reikwijdte van deze papers is om de voordelen van het gebruik van PC voor industriële besturing te onderzoeken. De standaard Personal Computer (PC) is begonnen te worden gebruikt voor directe machinebesturing in een aantal industriële toepassingen. De installaties die deze stap hebben genomen hebben dit gedaan om te profiteren van de lagere kosten en de toegenomen flexibiliteit van de PC. Andere installaties die het gebruik van PC ‘ s hebben overwogen, zijn misschien niet bekend met de voordelen van dit type besturingssysteem.

in dit document worden de voordelen onderzocht die in aanmerking moeten worden genomen bij de beoordeling van het gebruik van Personal Computers in plaats van programmeerbare logische regelaars voor de directe besturing van industriële apparatuur.

Hardware
vanuit het perspectief van een industriële besturingstoepassing is de exacte configuratie van een besturingseenheid niet bijzonder belangrijk. De figuren 1 en 2 tonen diagrammen van typische hardwareoplossingen. Alle controllers delen de gemeenschappelijke kenmerken dat ze een microprocessor gebruiken als het hart van het systeem. Rond de processor zijn er geheugenapparaten (alleen-lezen en/of lezen-schrijven) en I/O-apparaten. Vaak zal de controller hardware bevatten die communiceert met op afstand gelegen I/O via een netwerk.

in veel industriële toepassingen is het noodzakelijk dat de hardware bestand is tegen extreme omgevingsomstandigheden. Hardwareplatforms die aan deze eisen voldoen, zijn gemakkelijk beschikbaar omdat zowel PLC ‘s als pc’ s

het is duidelijk dat zowel custom solutions (PLC ‘ s) als standard solutions (PCs) over de nodige hardware beschikken om industriële besturing uit te voeren. De systeemsoftware is wat een bepaalde machine tot een industriële controller maakt, en wat een PC gewoonlijk onderscheidt van een PLC.

alle software voor industriële controllers heeft gemeenschappelijke kenmerken:

• betrouwbare werking

• door de gebruiker geschreven controlecode

• real-time uitvoering van die controlecode

• directe communicatie met industriële I / O

systeemsoftware met al deze basiskenmerken is momenteel beschikbaar voor standaard PC ‘ s van verschillende leveranciers.

de hardware die wordt gebruikt om PC ‘ s te bouwen, blijft in een zeer snel tempo verbeteren. Elke zes tot negen maanden komt er een nieuwe generatie personal computer hardware beschikbaar. Daarentegen komt elke twee tot drie jaar een nieuwe generatie PLC-hardware beschikbaar.

met elke volgende hardwaregeneratie:

• de pc ‘ s worden sneller. De Pentium-systemen die vandaag op grote schaal beschikbaar zijn, presteren zelfs de snelste PLC ‘ s met marges van 20:1 of meer.

• de pc ‘ s worden goedkoper. High performance PC ‘ s zijn direct beschikbaar voor minder dan $2000. Lage kosten pc ‘ s zijn goed onder $1000.

• de pc ‘ s krijgen meer geheugen. Systemen met 16MBytes geheugen zijn gemeengoed. Systemen met 64 Mbytes zijn direct beschikbaar.

• de pc ‘ s ondersteunen meer randapparatuur. CD-ROM drives, geluidskaarten, spraakherkenning, optische scanning, hoge capaciteit tape drives, printers en een veelheid van variëteiten, gespecialiseerde I/O (bijvoorbeeld digitaliseren oscilloscopen), en andere items zijn op grote schaal beschikbaar en goedkoop.

naast de verbeteringen met elke generatie, PC hardware biedt voordelen die overleven over vele generaties. Bijvoorbeeld::

• Add-in hardware interfaces (ISA, PCMCIA, SCSI, enz.) zijn gestandaardiseerd.

• parallelle en seriële poorten zijn gestandaardiseerd.

• netwerkfaciliteiten zijn gestandaardiseerd.

• Video interfaces zijn gestandaardiseerd.

• Invoerapparaten (muis, toetsenbord, enz.) zijn gestandaardiseerd.

menselijke factoren
de populariteit van PC ‘ s in commerciële toepassingen heeft geleid tot een uitgebreide activiteit die erop gericht is ze gemakkelijker te installeren, te begrijpen en te gebruiken. In het bijzonder, Microsoft WindowsT heeft sterk verbeterd de toegankelijkheid van computers voor niet-technische mensen.

de resultaten van deze activiteit kunnen beschikbaar worden gesteld aan gebruikers van PC-gebaseerde controlesystemen. Aangezien de onderliggende systeemsoftware kan worden ontworpen om Windows op dezelfde PC te ondersteunen, is dat niveau van productiviteit en gebruiksgemak beschikbaar voor alle gebruikers van het besturingssysteem (programmeur, operator, technicus, supervisor).

gebruiksgemak wordt een verhoogde productiviteit voor de ontwerper van het besturingssysteem. Te vaak besteden besturingsingenieurs ontwikkeltijd aan het bestrijden van de ontwerp-en ontwikkeltools voor hun besturingssysteem, in plaats van uit te zoeken hoe meer of beter product te maken.

de beschikbaarheid van Windows verbetert de productiviteit op de volgende manieren::

• de grafische gebruikersinterface (GUI) die Windows presenteert laat alle delen van het besturingssysteem lijken op alle gebruikers. Door gebruik te maken van deze gemeenschappelijkheid, kunnen PC-gebaseerde besturingssystemen de omvang van de opleiding die vereist is voor besturingsingenieurs, onderhoudstechnici en machineoperators verminderen.

• geavanceerde functies zoals knippen/kopiëren/plakken, ongedaan maken/Opnieuw, zoeken/vervangen, slepen-en-neerzetten, enz., zijn gebruikelijk in Windows-toepassingen. Deze functies verminderen de hoeveelheid tijd die nodig is om veel voorkomende taken uit te voeren tijdens het programmeren en onderhouden van het besturingssysteem

• de documentatie van het besturingssysteem wordt verbeterd door de beschikbaarheid van talrijke tekstverwerkings -, spreadsheet-en databaseprogramma ‘ s.

• ontwikkeltools kunnen eenvoudig worden gekoppeld aan een netwerk, waardoor de resultaten van verschillende engineeringactiviteiten kunnen worden gedeeld tussen teams van engineers.

hulpprogramma ‘ s van derden
de mogelijkheid om Windows te ondersteunen met een PC-gebaseerd systeem biedt de ontwerper van het besturingssysteem een groot aantal spannende mogelijkheden met behulp van softwarepakketten van derden. Neem de volgende mogelijkheden in overweging …

voorbeeld:
het is noodzakelijk om aan het einde van elke productiedag een verslag over de ploegendienst af te drukken. In plaats van speciale apparatuur te kopen en aangepaste software te maken om de taak te behandelen, is het mogelijk om:

1. gebruik Microsoft Excel, Lotus 1-2-3, of een soortgelijk spreadsheet product met DDE om direct de gewenste informatie uit het besturingssysteem te halen.

2. Stel de spreadsheet in om alle noodzakelijke berekeningen uit te voeren op de ruwe informatie, geschikte grafieken/grafieken te maken en tekstuele gegevens in te vullen.

3. Stel een macro in om de spreadsheet uit te voeren en druk automatisch het gewenste rapport af op een printer die wordt ondersteund door Windows.

voorbeeld:
in een complexe toepassing moet het onderhoud van de machine worden ondersteund door technische tekeningen en foto ‘ s van de machine, samen met uitgebreide documentatie van het ontwerp van het besturingssysteem zelf.

ter ondersteuning van dit systeem worden de volgende stukken samengesteld::

1. de tekeningen, foto ‘ s, enz. worden gedigitaliseerd en opgeslagen op een CD-ROM.

2. het besturingssysteem is geprogrammeerd om interne Diagnostische informatie te behouden die de toestand van de machine en de verwachte activiteit weergeeft. Het aanmaken van deze informatie wordt vereenvoudigd door de Windows-gebruikersinterface die beschikbaar is voor het ontwerpen en debuggen van het besturingssysteem.

3. een spreadsheet gebruikt DDE om diagnostische informatie uit het besturingssysteem te halen. Deze informatie wordt gebruikt in een index om mogelijke onderwerpen op de CD-ROM op te zoeken.

4. de inhoud van de CD-ROM wordt weergegeven aan de operator met behulp van een eenvoudige hypertext tool vergelijkbaar met de standaard Windows Online help-systeem.

5. indien gewenst kunnen geavanceerde off-line diagnostische instrumenten (een expert systeem) worden toegepast op de geëxtraheerde informatie, met een diepgaande analyse van de toestand van de machine, mogelijke oorzaken van een storing en aanbevolen remedies.

de machinist en / of onderhoudstechnicus heeft nu toegang tot zeer gedetailleerde informatie over de huidige toestand van de machine, de beoogde werking en de waarschijnlijke oorzaak(en) van een storing. Deze informatie maakt het mogelijk om eventuele noodzakelijke reparaties zeer snel te doen.

in veel gevallen zal het mogelijk zijn voor de bediener om de machine onmiddellijk te repareren, zonder te hoeven wachten op een technicus om het probleem te diagnosticeren.

I/O-ondersteuning
de meeste grote leveranciers van industriële I/O-apparaten bieden een verbinding tussen hun I/O-apparaten en een standaard PC. Meestal is deze verbinding in de vorm van een kaart die in de backplane van de PC gaat en aan het specifieke I/O-netwerk van de leverancier hecht. Daarnaast leveren veel leveranciers I / O-apparaten die direct in het backplane van de PC zitten. Backplane resident I / O-apparaten hebben een breed scala aan mogelijkheden – van discrete in-en uitgangen tot meerassige bewegingsregeling.

met goed ontworpen systeemsoftware kunnen PC-gebaseerde besturingssystemen hiervan profiteren om hun gebruikers diepgaande mogelijkheden te bieden. In het bijzonder is een input nu slechts een input. Het is niet langer belangrijk door welke leverancier de input is vervaardigd of waar deze zich bevindt.

beter nog, de meeste PC ‘ s hebben meerdere slots beschikbaar voor invoegkaarten. Dit betekent dat de systeemsoftware de gebruiker in staat kan stellen in-en uitgangen van meer dan één leverancier in één besturingssysteem te gebruiken.

tegelijkertijd is het zeer belangrijk dat de systeemsoftware de toegang niet beperkt tot de speciale functies die beschikbaar zijn op sommige I/O-families. Sommige I / O-families bieden bijvoorbeeld apparaatdiagnostiek. Als deze functies niet beschikbaar zijn voor het besturingssysteem, verliezen de I/O-apparaten een groot deel van hun waarde.

in een vendoronafhankelijke omgeving is I/O Een goederenpost. Het kan worden gekocht op basis van prijs, functies of andere factoren — zonder rekening te houden met de compatibiliteit met het controlesysteem. Dit feit opent vele mogelijkheden:

• Specialty equipment manufacturers (OEM ‘ s) worden vaak gevraagd om hun product te bouwen rond een andere I/O-familie. De I / O-leveranciersonafhankelijkheid die wordt aangeboden door PC-gebaseerde besturingssystemen betekent dat het ontwerp en de programmering van het besturingssysteem van hun apparatuur niet opnieuw hoeft te worden gestart vanaf nul. Het is een eenvoudige kwestie van het specificeren van compatibele I / O-apparaten uit de catalogus van de nieuwe leverancier.

• eindgebruikers kunnen het I/O-apparaat kiezen dat het beste voldoet aan de behoeften van hun toepassingen. De beste RTD ingangen van de ene leverancier kunnen worden gebruikt in hetzelfde besturingssysteem als de beste 24 volt DC I / O van een andere leverancier en de beste 4-20mA apparaten van nog een andere leverancier. Ook de beste rack mounted I/O kan worden gecombineerd met de beste gedistribueerde I / O.

• ontwerpers van besturingssystemen kunnen besturingselementen ontwikkelen zonder zich zorgen te maken over de specifieke gebreken van het I/O-systeem van één leverancier.

betrouwbaarheid
in een industriële omgeving is het absoluut noodzakelijk dat het besturingssysteem betrouwbaar is. Het moet zorgen voor consistente, foutloze controle van het proces. Betrouwbaarheid moet worden onderzocht met betrekking tot twee overwegingen:

1. fysieke betrouwbaarheid – hoe goed kan de hardware bestand zijn tegen de ruwe fysieke omgeving van de productievloer?

2. Softwarebetrouwbaarheid – hoe goed kan de onderliggende systeemsoftware bestand zijn tegen langdurig gebruik in een tijdkritische omgeving?

op de fysieke betrouwbaarheid front, standaard, commerciële kwaliteit PC ‘ s zijn normaal niet ontworpen om de schok, trillingen, temperatuur en elektrische ruis vaak te tolereren op de productievloer. Er zijn echter veel leveranciers die PC ‘ s gebouwd voor deze omgeving. Ze gebruiken dezelfde constructietechnieken die door de PLC-makers worden gebruikt om robuuste producten te leveren:

• vier punten ondersteunt voor invoegkaarten.

• hoogwaardig metaal voor de behuizingen.

• afgedichte frontpanelen voor vochtvastheid.

• elektronische componenten gewaardeerd voor werking op hoge temperatuur.

• elektronische assemblages getest op schokken en trillingen

• enz.

deze constructiepraktijken resulteren in “industriële” PC ‘s met een levensduur die vergelijkbaar is met PLC’ s.

een ander aspect van de betrouwbaarheid van de hardware is de kosten en moeite om een defecte eenheid te vervangen. De PC is wereldwijd beschikbaar, op korte termijn, van vele leveranciers. In een snuifje kan een commerciële kwaliteit PC van de lokale elektronische superstore zelfs stand-in voor een industriële kwaliteit unit. PLC ‘ s zijn alleen beschikbaar via het distributiesysteem van de specifieke leverancier, waardoor gebruikers een dure lokale inventaris van reserve controllers moeten bijhouden.

bij het beoordelen van de betrouwbaarheid van software moeten twee belangrijke aspecten in aanmerking worden genomen. Deze zijn:

1. beschikbaarheid van het systeem
   hoe goed is de software bestand tegen langdurig gebruik? Hoe goed is het besturingssysteem beschermd tegen externe storingen?

2. Systeemtoegankelijkheid
   hoe eenvoudig is de software te gebruiken? Hoe goed kunnen de gegevens van het controlesysteem beschikbaar worden gesteld voor extern gebruik?

beschikbaarheid: om een besturingssysteem nuttig te maken, moet het actief zijn (“beschikbaar”). Als de systeemsoftware goed is ontworpen, zal het besturingssysteem stabiel en robuust zijn. De besturingscode van de gebruiker zal goed worden beschermd tegen andere activiteiten die kunnen gebeuren.

moderne besturingssystemen (zowel PLC ‘s als PC’ s) zijn gebaseerd op ‘real-time operating systems’ (RTO ‘ s). Deze besturingssystemen beheren de toewijzing van CPU-tijd, systeemgeheugen, interrupts en andere middelen onder de processen die op de machine draaien.

de real-time besturingssystemen die door besturingssystemen worden gebruikt, zijn vrijwel allemaal vergelijkbaar, met een structuur zoals die in figuur 3 wordt weergegeven. Sommige leveranciers gebruiken in-house ontwikkelde besturingssystemen, anderen gebruiken commerciële besturingssystemen. Bij het evalueren van de software betrouwbaarheid van het besturingssysteem van een leverancier, is het belangrijk om te kijken naar de track record van het besturingssysteem dat de basis vormt voor de betrouwbaarheid van het systeem. Steeplechase Software maakt gebruik van het iRMX besturingssysteem van Intel. Met bijna twee miljoen exemplaren in het veld, het is een bewezen, betrouwbaar besturingssysteem.

toegankelijkheid: controlesystemen zijn geen Eilanden meer. In feite is een deel van de informatie die zij gebruiken voor het controleren van apparatuur even belangrijk voor het runnen van de productie-onderneming zelf. Verder, als het besturingssysteem moeilijk te gebruiken, moeilijk te begrijpen, of moeilijk om informatie te krijgen van en naar, dan zal het niet voldoende voldoen aan de behoeften van de gebruikers.

PC-gebaseerde besturingssystemen bieden aanzienlijk meer toegankelijkheid dan traditionele PLC-gebaseerde besturingssystemen. De Windows-omgeving is niet alleen voor het programmeren. Het is ook beschikbaar tijdens gebruik. Dit betekent dat:

• standaard Windows Data exchange methoden kunnen gemakkelijk worden toegepast om informatie te verplaatsen tussen het besturingssysteem en de rest van de onderneming.

• de programmeeromgeving is direct beschikbaar op de controller zelf. Het is niet langer nodig om een aparte computer te hebben voor programmeerdoeleinden.

• een veelheid van kant-en-klare Windows-toepassingen kunnen worden gebruikt om de gegevens van het besturingssysteem te analyseren of te manipuleren terwijl het besturingssysteem wordt uitgevoerd. Receptbeheer, SPC / SQC, materiaalboekhouding, enz. alles wordt makkelijk.

integratie
industriële besturingssystemen worden niet in een vacuüm aangeschaft; er is een specifieke taak voor hen. Met behulp van een PC-gebaseerd besturingssysteem wordt de totale klus sneller, efficiënter en met minder integratie-inspanning gedaan dan conventionele besturingssystemen.

PC-gebaseerde besturingssystemen zijn beschikbaar die vele veelgebruikte delen van de totale besturingsoplossing integreren. In het bijzonder:

• Real-time control – de mogelijkheid om de gebruiker geschreven controle strategieën uit te voeren, correct, over een lange periode van tijd.

• bedieningsinterface-de mogelijkheid om een grafische bedieningsinterface op dezelfde PC als het basisbesturingssysteem op te nemen. Moderne operator interfaces omvatten de mogelijkheid om grafische afbeeldingen op het scherm weer te geven en hun grootte, positie, kleur, enz.te veranderen. gebaseerd op de werking van het controlesysteem.

• programmeren – de mogelijkheid om te maken en debuggen van de controle strategieën te gebruiken. Dit omvat ook de mogelijkheid voor mensen op alle niveaus van de organisatie om programma ‘ s die door een andere persoon zijn gemaakt, gemakkelijk te begrijpen.

• documentatie-de mogelijkheid om snel en eenvoudig informatie uit het besturingssysteem te halen. Deze informatie heeft betrekking op zowel het ontwerp als de werking van het besturingssysteem.

• communicatie-de mogelijkheid om te communiceren via welke netwerkhardware ook beschikbaar is met andere besturingssystemen, speciale operator interfaces, machines in andere gebouwen of over de hele wereld. Er is geen speciale inspanning nodig van de kant van de gebruiker om dit te laten gebeuren.

Neem voor meer informatie contact op met Dave Gee, vice-president, Engineering,
Steeplechase Software Inc. Tel.: 313/995-3348; Fax: 313/995-7218