korzyści płynące z używania komputerów Osobistychsystemy kontroli

celem i zakresem niniejszego artykułu jest zbadanie korzyści płynących z używania komputera do sterowania przemysłowego. Standardowy Komputer osobisty (PC) zaczął być używany do bezpośredniego sterowania maszyną w wielu zastosowaniach przemysłowych. Zakłady, które podjęły ten krok, zrobiły to, aby skorzystać z obniżonych kosztów i zwiększonej elastyczności komputera. Inne zakłady, które rozważały użycie komputerów PC, mogą nie znać korzyści płynących z tego typu systemu sterowania.

w artykule omówiono korzyści, które należy wziąć pod uwagę przy ocenie wykorzystania komputerów osobistych zamiast programowalnych sterowników logicznych do bezpośredniego sterowania urządzeniami przemysłowymi.

Sprzęt
z punktu widzenia aplikacji sterowania przemysłowego dokładna konfiguracja sprzętowa sterownika nie jest szczególnie ważna. Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono Schematy typowych rozwiązań sprzętowych. Wszystkie sterowniki mają wspólną cechę, że wykorzystują mikroprocesor jako serce systemu. Wokół procesora znajdują się urządzenia pamięci (tylko do odczytu i/lub odczyt-zapis) oraz urządzenia I/O. Często kontroler będzie zawierał sprzęt, który komunikuje się ze zdalnie zlokalizowanymi we / wy za pośrednictwem sieci.

w wielu zastosowaniach przemysłowych konieczne jest, aby sprzęt wytrzymał ekstremalne warunki środowiskowe. Platformy sprzętowe spełniające te wymagania są łatwo dostępne zarówno jako Sterowniki PLC, jak i komputery PC

oczywiście zarówno rozwiązania niestandardowe (Plc), jak i standardowe (PCs) mają niezbędny sprzęt do sterowania przemysłowego. Oprogramowanie systemowe jest tym, co sprawia, że dana maszyna jest sterownikiem przemysłowym i tym, co zwykle odróżnia komputer od sterownika PLC.

wszystkie oprogramowanie sterowników przemysłowych ma wspólne cechy:

• niezawodne działanie

• kod sterujący napisany przez użytkownika

• wykonanie tego kodu sterującego w czasie rzeczywistym

• bezpośrednia komunikacja z przemysłowymi I / O

oprogramowanie systemowe z wszystkimi tymi podstawowymi cechami jest obecnie dostępne dla standardowych komputerów PC od kilku dostawców.

sprzęt, który jest używany do budowy komputerów PC, nadal poprawia się w bardzo szybkim tempie. Nowa generacja sprzętu komputerowego staje się dostępna co sześć do dziewięciu miesięcy. Natomiast nowa generacja sprzętu PLC staje się dostępna co dwa do trzech lat.

z każdą kolejną generacją sprzętu:

• komputery stają się szybsze. Powszechnie dostępne dziś Systemy Pentium przewyższają nawet najszybsze Sterowniki PLC o marże 20: 1 lub więcej.

• komputery stają się tańsze. Komputery o wysokiej wydajności są łatwo dostępne za mniej niż $2000. Tanie komputery są znacznie poniżej $1000.

• Komputery zyskują więcej pamięci. Systemy z 16 MB pamięci są powszechne. Systemy z 64 Mb są łatwo dostępne.

• Komputery obsługują więcej urządzeń peryferyjnych. Napędy CD-ROM, Karty dźwiękowe, rozpoznawanie głosu, skanowanie optyczne, wysokowydajne napędy taśmowe, drukarki i wiele odmian, specjalistyczne We/Wy (np. Oscyloskopy digitalizujące) i inne przedmioty są powszechnie dostępne i niedrogie.

oprócz ulepszeń z każdą generacją, sprzęt PC oferuje korzyści, które przetrwają przez wiele pokoleń. Na przykład:

• dodatkowe interfejsy sprzętowe (ISA, PCMCIA, SCSI, itp.) są standaryzowane.

• porty równoległe i szeregowe są standaryzowane.

• urządzenia sieciowe są standaryzowane.

• Interfejsy Wideo są standaryzowane.

• urządzenia wejściowe (mysz, klawiatura itp.) są standaryzowane.

czynniki ludzkie
popularność komputerów PC w zastosowaniach komercyjnych sprzyja szeroko zakrojonej działalności mającej na celu ułatwienie ich instalacji, łatwiejsze do zrozumienia i łatwiejsze w użyciu. W szczególności Microsoft WindowsT znacznie zwiększył dostępność komputerów dla osób nietechnicznych.

owoce tej działalności można udostępnić użytkownikom systemów sterowania opartych na komputerach PC. Ponieważ podstawowe oprogramowanie systemowe może być zaprojektowane do obsługi systemu Windows na tym samym komputerze, ten poziom produktywności i łatwości obsługi są dostępne dla wszystkich użytkowników systemu sterowania (programista, operator, technik, kierownik).

łatwość obsługi zwiększa produktywność projektanta systemów sterowania. Zbyt często inżynierowie kontroli spędzają czas na walce z narzędziami projektowymi i rozwojowymi swojego systemu sterowania, zamiast zastanawiać się, jak stworzyć więcej lub lepszy produkt.

w szczególności dostępność systemu Windows poprawia produktywność w następujący sposób:

• graficzny interfejs użytkownika (GUI), który prezentuje Windows, pozwala wszystkim częściom systemu sterowania wyglądać podobnie do wszystkich użytkowników. Wykorzystując tę powszechność, systemy sterowania oparte na komputerach PC mogą zmniejszyć zakres szkoleń wymaganych dla inżynierów kontroli, techników utrzymania ruchu i operatorów maszyn.

• zaawansowane funkcje, takie jak Wytnij/kopiuj/wklej, Cofnij/Ponów, Znajdź/Zamień, przeciągnij i upuść itp., są powszechne w aplikacjach Windows. Funkcje te skracają czas potrzebny na wykonanie wielu typowych zadań podczas programowania i konserwacji systemu sterowania

• dokumentacja systemu sterowania jest ulepszona dzięki dostępności wielu programów do edycji tekstu, arkuszy kalkulacyjnych i baz danych.

• narzędzia programistyczne można łatwo podłączyć do sieci, umożliwiając dzielenie się wynikami różnych działań inżynierskich między zespoły inżynierów.

narzędzia innych firm
możliwość obsługi systemu Windows z systemem opartym na komputerze zapewnia projektantowi systemu sterowania wiele ekscytujących możliwości przy użyciu pakietów oprogramowania innych firm. Rozważmy następujące możliwości …

przykład:
konieczne jest wydrukowanie raportu z przesunięciem na koniec każdego dnia produkcyjnego. Zamiast kupować specjalny sprzęt i tworzyć niestandardowe oprogramowanie do obsługi zadania, możliwe jest:

1. Użyj programu Microsoft Excel, Lotus 1-2-3 lub podobnego arkusza kalkulacyjnego z DDE, aby bezpośrednio wyodrębnić pożądane informacje z systemu sterowania.

2. Skonfiguruj arkusz kalkulacyjny, aby wykonać wszelkie niezbędne obliczenia na surowych informacjach, twórz odpowiednie wykresy/wykresy i wypełniaj dowolne dane tekstowe.

3. Skonfiguruj makro do uruchamiania arkusza kalkulacyjnego i automatycznie Drukuj żądany raport na dowolnej drukarce obsługiwanej przez System Windows.

przykład:
w złożonych zastosowaniach konserwacja maszyny musi być poparta rysunkami inżynierskimi i zdjęciami maszyny, wraz z obszerną dokumentacją projektu samego systemu sterowania.

aby wesprzeć ten system, zestawiono następujące elementy:

1. rysunki, fotografie itp. są digitalizowane i przechowywane na płycie CD-ROM.

2. system sterowania jest zaprogramowany do utrzymywania wewnętrznych informacji diagnostycznych, które odzwierciedlają stan Maszyny i oczekiwaną aktywność. Tworzenie tych informacji jest uproszczone przez interfejs użytkownika systemu Windows dostępny do projektowania i debugowania systemu sterowania.

3. arkusz kalkulacyjny wykorzystuje DDE do wyodrębnienia informacji diagnostycznych z systemu sterowania. Informacje te są używane w indeksie do wyszukiwania możliwych tematów na płycie CD-ROM.

4. zawartość z płyty CD-ROM jest wyświetlana operatorowi za pomocą łatwego narzędzia hipertekstowego podobnego do standardowego systemu pomocy on-line Windows.

5. w razie potrzeby, wyrafinowane narzędzia diagnostyczne off-line (system ekspercki) mogą być stosowane do wyodrębnionych informacji, zapewniając dogłębną analizę stanu maszyny, możliwych przyczyn awarii i zalecanych środków zaradczych.

operator maszyny i / lub konserwator ma teraz dostęp do bardzo szczegółowych informacji na temat aktualnego stanu maszyny, jej zamierzonego działania i prawdopodobnych przyczyn awarii. Informacje te pozwalają na bardzo szybkie wykonanie niezbędnych napraw.

w wielu przypadkach operator będzie mógł natychmiast naprawić maszynę, bez konieczności oczekiwania na technika, który zdiagnozuje problem.

Obsługa We/Wy
większość głównych dostawców przemysłowych urządzeń We/Wy zapewnia połączenie między swoimi urządzeniami We/Wy a standardowym komputerem. Zwykle połączenie to ma postać karty, która wchodzi do płyty tylnej komputera i podłącza się do określonej sieci I/O dostawcy. Ponadto wielu dostawców dostarcza urządzenia We / Wy, które znajdują się bezpośrednio w płycie tylnej komputera. Rezydentne urządzenia We/Wy typu Backplane obejmują szeroki zakres możliwości — od dyskretnych wejść i wyjść po wieloosiowe sterowanie ruchem.

dzięki odpowiednio zaprojektowanemu oprogramowaniu systemowemu systemy sterowania oparte na komputerach PC mogą wykorzystać ten fakt, aby zapewnić swoim użytkownikom ogromne możliwości. W szczególności, Dane wejściowe są teraz tylko danymi wejściowymi. Nie ma już znaczenia, przez którego dostawcę dane wejściowe zostały wyprodukowane ani gdzie się znajdują.

co więcej, większość komputerów PC ma wiele slotów dostępnych na karty dodatkowe. Oznacza to, że oprogramowanie systemowe może umożliwić użytkownikowi korzystanie z wejść i wyjść od więcej niż jednego dostawcy w jednym systemie sterowania.

jednocześnie bardzo ważne jest, aby oprogramowanie systemowe nie ograniczało dostępu do specjalnych funkcji dostępnych w niektórych rodzinach We/Wy. Na przykład niektóre rodziny we / wy zapewniają diagnostykę urządzenia. Jeśli funkcje te nie są dostępne dla systemu sterowania, wówczas urządzenia We/Wy tracą dużą część swojej wartości.

w środowisku niezależnym od dostawcy, I / O jest towarem. Można go kupić na podstawie ceny, funkcji lub innych czynników — bez względu na kompatybilność z systemem sterowania. Fakt ten otwiera wiele możliwości:

• producenci sprzętu specjalistycznego (OEM) są często proszeni o zbudowanie swojego produktu wokół innej rodziny we/wy. Niezależność od dostawców We/Wy oferowana przez systemy sterowania oparte na komputerach PC oznacza, że projektowanie i programowanie systemu sterowania ich urządzeń nie musi być rozpoczynane od zera. Jest to prosta kwestia określenia kompatybilnych urządzeń We / Wy z katalogu nowego dostawcy.

• Użytkownicy Końcowi mogą wybrać urządzenie We / Wy, które najlepiej spełnia potrzeby ich aplikacji. Najlepsze wejścia RTD od jednego dostawcy mogą być używane w tym samym systemie sterowania, co najlepsze 24-woltowe wejścia/wyjścia DC od innego dostawcy i najlepsze urządzenia 4-20mA od innego dostawcy. Podobnie, najlepsze We/Wy montowane w szafie mogą być łączone z najlepszymi rozproszonymi We / Wy.

• projektanci systemów sterowania mogą opracowywać sterowniki bez martwienia się o konkretne wady systemu We/Wy jednego dostawcy.

niezawodność
w środowisku przemysłowym konieczne jest, aby system sterowania był niezawodny. Musi zapewniać spójną, bezbłędną kontrolę procesu. Wiarygodność należy zbadać w odniesieniu do dwóch czynników:

1. niezawodność fizyczna – jak dobrze sprzęt może wytrzymać trudne warunki fizyczne w hali produkcyjnej?

2. niezawodność oprogramowania – jak dobrze podstawowe oprogramowanie systemowe może wytrzymać długotrwałe użytkowanie w środowisku o krytycznym czasie?

jeśli chodzi o niezawodność fizyczną, standardowe komputery klasy komercyjnej nie są zwykle zaprojektowane tak, aby tolerować wstrząsy, wibracje, temperaturę i hałas elektryczny często występujący na podłodze produkcyjnej. Istnieje jednak wielu dostawców, którzy zapewniają Komputery zbudowane dla tego środowiska. Wykorzystują te same techniki konstrukcyjne, które są stosowane przez producentów PLC, aby zapewnić solidne produkty:

• czteropunktowe wsparcie dla kart dodawanych.

• metal o wysokiej wytrzymałości do obudów.

• uszczelnione przednie panele zapewniają odporność na przenikanie wilgoci.

• Elementy elektroniczne przystosowane do pracy w wysokiej temperaturze.

• Zespoły elektroniczne testowane na wstrząsy i wibracje

• itd.

te praktyki konstrukcyjne skutkują “przemysłowymi” komputerami PC o wskaźnikach awaryjności, które są podobne do sterowników PLC.

innym aspektem niezawodności sprzętu jest koszt i trudność wymiany uszkodzonego urządzenia. Komputer jest dostępny na całym świecie, w krótkim czasie, od wielu dostawców. W skrócie, komputer klasy komercyjnej z lokalnego sklepu elektronicznego może nawet stać na jednostkę klasy przemysłowej. Sterowniki PLC są dostępne tylko za pośrednictwem Systemu Dystrybucyjnego konkretnego dostawcy, co zmusza użytkowników do utrzymywania kosztownych lokalnych zapasów zapasowych sterowników.

rozważając niezawodność oprogramowania, należy wziąć pod uwagę dwa ważne aspekty. Są to:

1. dostępność systemu
   jak dobrze oprogramowanie wytrzymuje długotrwałe użytkowanie? Jak dobrze system sterowania jest chroniony przed zewnętrznymi zakłóceniami?

2. dostępność systemu
   jak łatwo jest używać oprogramowania? Jak dobrze można udostępnić dane systemu sterowania do zastosowań zewnętrznych?

Dostępność: aby system sterowania był użyteczny, musi być uruchomiony (“dostępny”). Jeśli oprogramowanie systemu jest prawidłowo zaprojektowane, system sterowania będzie stabilny i wytrzymały. Kod sterujący użytkownika będzie dobrze chroniony przed innymi działaniami, które mogą się zdarzyć.

nowoczesne systemy sterowania (zarówno PLC, jak i PC) są oparte na “systemach operacyjnych czasu rzeczywistego” (RTOS). Te systemy operacyjne zarządzają alokacją czasu procesora, pamięci systemowej, przerwań i innych zasobów między procesami uruchomionymi na komputerze.

systemy operacyjne czasu rzeczywistego używane przez systemy sterowania są zasadniczo podobne, o strukturze takiej jak ta pokazana na rysunku 3. Niektórzy dostawcy używają systemów operacyjnych opracowanych w domu, inni używają komercyjnych systemów operacyjnych. Oceniając niezawodność oprogramowania systemu kontroli dostawcy, ważne jest, aby spojrzeć na historię systemu operacyjnego, który stanowi podstawę niezawodności systemu. Oprogramowanie Steeplechase wykorzystuje system operacyjny iRMX firmy Intel. Z prawie dwoma milionami kopii w terenie, jest to sprawdzony, niezawodny system operacyjny.

dostępność: Systemy sterowania nie są już wyspami. W rzeczywistości, niektóre z informacji, które używają do kontrolowania sprzętu jest równie ważne dla prowadzenia przedsiębiorstwa produkcyjnego, sam. Ponadto, jeśli system sterowania jest trudny w użyciu, trudny do zrozumienia lub trudny do uzyskania informacji iz, nie zaspokoi odpowiednio potrzeb użytkowników.

oprogramowanie systemu sterowania opartego na PC zapewnia znacznie większą dostępność niż tradycyjne systemy sterowania oparte na PLC. Środowisko Windows jest nie tylko do programowania. Jest również dostępny podczas pracy. Oznacza to, że:

• Standardowe metody Wymiany Danych Systemu Windows można łatwo zastosować do przenoszenia informacji między systemem sterowania a resztą przedsiębiorstwa.

• środowisko programowania jest dostępne bezpośrednio na samym sterowniku. Nie jest już konieczne posiadanie osobnego komputera do celów programistycznych.

• wiele gotowych aplikacji systemu Windows może być używanych do analizy lub manipulowania danymi systemu sterowania podczas pracy systemu sterowania. Zarządzanie recepturami, SPC / SQC, Rachunkowość materiałowa itp. wszystko staje się łatwe.

Integracja
Przemysłowe systemy sterowania nie są kupowane w próżni; istnieje dla nich konkretne zadanie. Korzystanie z systemu sterowania opartego na komputerze sprawia, że całkowita praca jest wykonywana szybciej, wydajniej i przy mniejszym wysiłku integracji niż konwencjonalne systemy sterowania.

dostępne są systemy sterowania oparte na PC, które integrują wiele powszechnie używanych części ogólnego rozwiązania sterowania. W szczególności:

• kontrola w czasie rzeczywistym-możliwość wykonywania strategii kontroli napisanych przez użytkownika, poprawnie, przez długi okres czasu.

• interfejs operatora-możliwość włączenia graficznego interfejsu operatora na tym samym komputerze co podstawowy system sterowania. Nowoczesne interfejsy operatora obejmują możliwość wyświetlania obrazów graficznych na ekranie oraz zmiany ich rozmiaru, położenia, koloru itp. w oparciu o działanie układu sterowania.

• Programowanie-możliwość tworzenia i debugowania stosowanych strategii sterowania. Obejmuje to również zdolność ludzi na wszystkich poziomach organizacji do łatwego zrozumienia programów stworzonych przez inną osobę.

• dokumentacja-możliwość szybkiego i łatwego wydobycia informacji z systemu sterowania. Informacje te obejmują zarówno konstrukcję, jak i działanie systemu sterowania.

• komunikacja-możliwość komunikacji za pośrednictwem dowolnego dostępnego sprzętu sieciowego z innymi systemami sterowania, dedykowanymi interfejsami operatorskimi, maszynami w innych budynkach lub na całym świecie. Użytkownik nie musi podejmować żadnych specjalnych wysiłków, aby tak się stało.

aby uzyskać więcej informacji, skontaktuj się z Dave Gee, vice-president, Engineering,
Steeplechase Software Inc. Tel: 313/995-3348; Fax: 313/995-7218