fördelarna med persondator-BasedControl Systems

syftet och omfattningen av detta papper är att undersöka fördelarna med att använda PC för industriell kontroll. Den vanliga persondatorn (PC) har börjat användas för direkt maskinstyrning i ett antal industriella applikationer. Anläggningarna som har tagit detta steg har gjort det för att dra nytta av den minskade kostnaden och ökad flexibilitet hos datorn. Andra anläggningar som har övervägt användningen av PC kanske inte känner till fördelarna med denna typ av styrsystem.

denna uppsats undersöker fördelarna som måste beaktas vid utvärdering av användningen av persondatorer istället för programmerbara logiska styrenheter för direkt kontroll av industriell utrustning.

hårdvara
ur ett industriellt kontrollprogram är den exakta hårdvarukonfigurationen för en styrenhet inte särskilt viktig. Figurerna 1 och 2 visar diagram över typiska hårdvarulösningar. Alla styrenheter delar de gemensamma egenskaperna att de använder en mikroprocessor som systemets hjärta. Runt processorn finns minnesenheter (skrivskyddad och/eller läs-skriv) och I/O-enheter. Ofta kommer styrenheten att innehålla hårdvara som kommunicerar med fjärrplacerad I/O via ett nätverk.

i många industriella applikationer är det nödvändigt för hårdvaran att klara extrema miljöförhållanden. Hårdvaruplattformar som uppfyller dessa krav är lätt tillgängliga som både PLC och PCs

det är uppenbart att både anpassade lösningar (PLC) och standardlösningar (PCs) har den nödvändiga hårdvaran för att utföra industriell kontroll. Systemprogramvaran är det som gör en viss maskin till en industriell styrenhet, och vad som vanligtvis skiljer en dator från en PLC.

all industriell styrprogramvara delar gemensamma egenskaper:

• pålitlig drift

• användarskriven kontrollkod

• realtidsutförande av denna kontrollkod

• direkt kommunikation med industriell I / O

systemprogramvara med alla dessa grundläggande egenskaper är för närvarande tillgänglig för vanliga datorer från flera leverantörer.

hårdvaran som används för att bygga datorer fortsätter att förbättras i mycket snabb takt. En ny generation av personlig hårdvara blir tillgänglig var sjätte till nio månader. Däremot blir en ny generation PLC-hårdvara tillgänglig vartannat till tredje år.

med varje efterföljande hårdvarugenerering:

• datorerna blir snabbare. Pentium-systemen som är allmänt tillgängliga idag överträffar även de snabbaste PLC: erna med marginaler på 20:1 eller mer.

• datorerna blir billigare. Högpresterande datorer är lätt tillgängliga för mindre än $2000. Låg kostnad datorer är väl under $1000.

• datorerna får mer Minne. System med 16 MB minne är vanliga. System med 64 Mbyte är lätt tillgängliga.

• datorerna stöder mer kringutrustning. CD-ROM-enheter, ljudkort, röstigenkänning, optisk skanning, bandstationer med hög kapacitet, skrivare och en mängd olika sorter, specialiserad i/o (t.ex. digitalisering av oscilloskop) och andra artiklar är allmänt tillgängliga och billiga.

förutom förbättringarna med varje generation erbjuder PC-hårdvara fördelar som överlever i många generationer. Till exempel:

• Tilläggsgränssnitt för hårdvara (Isa, PCMCIA, SCSI, etc.) är standardiserade.

• parallella och seriella portar är standardiserade.

• Nätverksanläggningar är standardiserade.

• videogränssnitt är standardiserade.

• inmatningsenheter (mus, tangentbord, etc.) är standardiserade.

mänskliga faktorer
populariteten av PC i kommersiella applikationer har främjat omfattande verksamhet som syftar till att göra dem lättare att installera, lättare att förstå, och lättare att använda. I synnerhet har Microsoft WindowsT kraftigt förbättrat tillgängligheten för datorer till icke-tekniska personer.

frukterna av denna aktivitet kan göras tillgängliga för användare av PC-baserade styrsystem. Eftersom den underliggande systemprogramvaran kan utformas för att stödja Windows på samma dator, är den produktivitetsnivån och användarvänligheten tillgänglig för alla användare av styrsystemet (programmerare, operatör, tekniker, handledare).

användarvänlighet blir förbättrad produktivitet för styrsystemet designer. Alltför ofta spenderar kontrollingenjörer utvecklingstid på att bekämpa design-och utvecklingsverktygen för sitt styrsystem, snarare än att räkna ut hur man gör mer eller bättre produkt.

specifikt förbättrar tillgängligheten av Windows produktiviteten på följande sätt:

• det grafiska användargränssnittet (GUI) som Windows presenterar gör att alla delar av styrsystemet verkar likna alla användare. Genom att utnyttja denna gemensamhet kan PC-baserade styrsystem minska omfattningen av utbildning som krävs för kontrollingenjörer, underhållstekniker och maskinoperatörer.

• avancerade funktioner som Klipp ut/kopiera/klistra in, Ångra/Gör om, Sök / Ersätt, dra och släpp, etc., är vanliga i Windows-applikationer. Dessa funktioner minskar den tid som krävs för att göra många vanliga uppgifter under Programmering och underhåll av styrsystemet

• dokumentation av styrsystemet förbättras genom den färdiga tillgängligheten av många ordbehandlings -, kalkylblad-och databasprogram.

• utvecklingsverktyg kan enkelt kopplas till ett nätverk, vilket gör att resultaten av olika tekniska aktiviteter kan delas mellan team av ingenjörer.

tredjepartsverktyg
möjligheten att stödja Windows med ett PC-baserat system ger styrsystemdesignern en mängd spännande funktioner med hjälp av programvarupaket från tredje part. Tänk på följande möjligheter …

exempel:
det är nödvändigt att skriva ut en skiftslutrapport i slutet av varje produktionsdag. I stället för att behöva köpa specialutrustning och skapa anpassad programvara för att hantera uppgiften är det möjligt att:

1. använd Microsoft Excel, Lotus 1-2-3 eller någon liknande kalkylarksprodukt med DDE för att direkt extrahera önskad information från styrsystemet.

2. Ställ in kalkylbladet för att utföra alla nödvändiga beräkningar på den råa informationen, skapa lämpliga grafer / diagram och fyll i alla textdata.

3. Ställ in ett makro för att köra kalkylbladet och automatiskt skriva ut önskad rapport på alla skrivare som stöds av Windows.

exempel:
i en komplex applikation måste maskinunderhåll stödjas av tekniska ritningar och fotografier av maskinen, tillsammans med omfattande dokumentation av själva styrsystemdesignen.

för att stödja detta system sätts följande bitar ihop:

1. ritningar, fotografier, etc. digitaliseras och lagras på en CD-ROM.

2. styrsystemet är programmerat för att upprätthålla intern diagnostisk information som återspeglar maskinens tillstånd och den förväntade aktiviteten. Skapandet av denna information förenklas av Windows-användargränssnittet som är tillgängligt för att designa och felsöka styrsystemet.

3. ett kalkylblad använder DDE för att extrahera diagnostisk information från styrsystemet. Denna information används i ett index för att slå upp möjliga ämnen på CD-skivan.

4. innehållet från CD-skivan visas för operatören med ett enkelt hypertextverktyg som liknar det vanliga Windows on-line-hjälpsystemet.

5. om så önskas kan sofistikerade off-line diagnostiska verktyg (ett expertsystem) tillämpas på den extraherade informationen, vilket ger en djupgående analys av maskinens tillstånd, möjliga orsaker till funktionsfel och rekommenderade lösningar.

maskinoperatören och / eller underhållsteknikern har nu tillgång till mycket detaljerad information om maskinens nuvarande tillstånd, dess avsedda drift och den troliga orsaken till ett fel. Denna information gör att alla nödvändiga reparationer kan göras mycket snabbt.

i många fall kommer det att vara möjligt för operatören att reparera maskinen omedelbart utan att behöva vänta på att en tekniker diagnostiserar problemet.

I / O-stöd
de flesta större leverantörer av industriella I/O-enheter ger en anslutning mellan sina I / O-enheter och en vanlig PC. Vanligtvis är denna anslutning i form av ett kort som går i datorns bakplan och ansluts till leverantörens specifika I/O-nätverk. Dessutom levererar många leverantörer I / O-enheter som sitter direkt i PC-bakplanet. Backplane resident I / O-enheter täcker ett brett spektrum av funktioner — från diskreta ingångar och utgångar till rörelsestyrning med flera axlar.

med korrekt utformad systemprogramvara kan PC-baserade styrsystem dra nytta av detta faktum för att ge sina användare djupa möjligheter. I synnerhet är en ingång nu bara en ingång. Det är inte längre viktigt vilken leverantör ingången tillverkades av eller var den är belägen.

ännu bättre, de flesta datorer har flera platser tillgängliga för tilläggskort. Detta innebär att systemprogramvaran kan tillåta användaren att använda in-och utgångar från mer än en leverantör i ett enda styrsystem.

samtidigt är det mycket viktigt att systemprogramvaran inte begränsar åtkomsten till de specialfunktioner som finns på vissa i/O-familjer. Till exempel tillhandahåller vissa i/O-familjer enhetsdiagnostik. Om dessa funktioner inte är tillgängliga för styrsystemet, förlorar I/O-enheterna en stor del av deras värde.

i en leverantörsoberoende miljö är I/O en vara. Det kan köpas på grundval av pris, funktioner eller andra faktorer — utan hänsyn till kompatibilitet med styrsystemet. Detta faktum öppnar många möjligheter:

• SPECIALUTRUSTNINGSTILLVERKARE (OEM) uppmanas ofta att bygga sin produkt runt en annan i / O-familj. I / O-leverantörens oberoende som erbjuds av PC-baserade styrsystem innebär att design och programmering av deras utrustnings styrsystem inte behöver startas om från början. Det är en enkel fråga att ange kompatibla I / O-enheter från den nya leverantörens katalog.

• slutanvändare kan välja den i / O-enhet som bäst uppfyller behoven hos sina applikationer. De bästa RTD-ingångarna från en leverantör kan användas i samma styrsystem som den bästa 24 volt DC I/O från en annan leverantör och de bästa 4-20mA-enheterna från ännu en leverantör. På samma sätt kan den bästa rackmonterade I/O kombineras med den bästa Distribuerade I/O.

• Styrsystemdesigners kan utveckla kontroller utan att oroa sig för de särskilda bristerna i en leverantörs I/O-system.

tillförlitlighet
i en industriell miljö är det absolut nödvändigt att styrsystemet är tillförlitligt. Det måste ge konsekvent, felfri kontroll av processen. Tillförlitligheten måste undersökas med avseende på två överväganden:

1. fysisk tillförlitlighet-hur väl kan hårdvaran stå emot den hårda fysiska miljön på tillverkningsgolvet?

2. Programvarutillförlitlighet-hur väl kan den underliggande systemprogramvaran stå emot långvarig användning i en tidskritisk miljö?

på den fysiska tillförlitlighet front, standard, kommersiell kvalitet datorer är normalt inte utformade för att tolerera stötar, vibrationer, temperatur, och elektriskt brus som ofta finns på tillverkningsgolvet. Det finns dock många leverantörer som tillhandahåller datorer byggda för denna miljö. De använder samma konstruktionstekniker som används av PLC-tillverkarna för att tillhandahålla robusta produkter:

• fyra punktstöd för tilläggskort.

• höghållfast metall för kapslingar.

• förseglade frontpaneler för fuktpenetrationsmotstånd.

• elektroniska komponenter klassade för hög temperatur drift.

• chock-och vibrationstestade elektroniska enheter

• osv.

dessa konstruktionsmetoder resulterar i ‘industriella’ datorer med livstidsfel som liknar PLC: er.

en annan aspekt av hårdvarutillförlitlighet är kostnaden och svårigheten att ersätta en misslyckad enhet. Datorn är tillgänglig över hela världen, med kort varsel, från många leverantörer. I en nypa, en kommersiell kvalitet PC från den lokala elektroniska superstore kan även stand-in för en industriell kvalitet enhet. PLC: er är endast tillgängliga via den specifika leverantörens distributionssystem, vilket tvingar användarna att upprätthålla en kostsam lokal inventering av reservkontroller.

när man överväger programvarans tillförlitlighet finns det två viktiga aspekter som måste beaktas. Dessa är:

1. systemtillgänglighet
   hur väl står programvaran upp till långvarig användning? Hur väl är styrsystemet skyddat från externa störningar?

2. systemtillgänglighet
   hur lätt är programvaran att använda? Hur väl kan styrsystemdata göras tillgängliga för extern användning?

tillgänglighet: för att ett styrsystem ska vara användbart måste det vara igång (’tillgängligt’). Om systemprogramvaran är korrekt utformad kommer styrsystemet att vara stabilt och robust. Användarens kontrollkod kommer att vara väl skyddad från annan aktivitet som kan hända.

moderna styrsystem (både PLC och PC) är baserade på’ realtidsoperativsystem ‘ (RTOS). Dessa operativsystem hanterar fördelningen av CPU-tid, systemminne, avbrott och andra resurser bland processerna som körs på maskinen.

realtidsoperativsystemen som används av styrsystem är alla i princip lika, med en struktur som den som visas i Figur 3. Vissa leverantörer använder operativsystem som utvecklats internt, andra använder kommersiella operativsystem. Vid utvärdering av Programvarans tillförlitlighet hos en leverantörs styrsystem är det viktigt att titta på operativsystemets historia som ligger till grund för systemets tillförlitlighet. Steeplechase-Programvaran använder iRMX-operativsystemet från Intel. Med nästan två miljoner exemplar i fältet är det ett väl beprövat, pålitligt operativsystem.

tillgänglighet: kontrollsystem är inte öar längre. Faktum är att en del av den information som de använder för att styra utrustning är lika viktig för att driva tillverkningsföretaget själv. Vidare, om styrsystemet är svårt att använda, svårt att förstå eller svårt att få information till och från, kommer det inte att tillgodose användarnas behov på ett adekvat sätt.

PC-baserad styrsystemprogramvara ger väsentligt mer tillgänglighet än traditionella PLC-baserade styrsystem. Windows-miljön är inte bara för programmering. Det är också tillgängligt under drift. Detta innebär att:

• Standard Windows Data exchange metoder kan lätt tillämpas för att flytta information mellan styrsystemet och resten av företaget.

• programmeringsmiljön är direkt tillgänglig på styrenheten själv. Det är inte längre nödvändigt att ha en separat dator för programmeringsändamål.

• en mängd off-the-shelf Windows-program kan användas för att analysera eller manipulera styrsystemdata medan styrsystemet körs. Recepthantering, SPC / SQC, materialredovisning etc. allt blir lätt.

Integration
industriella styrsystem köps inte i vakuum; det finns ett specifikt jobb för dem att göra. Att använda ett PC – baserat styrsystem får det totala jobbet gjort snabbare, mer effektivt och med mindre integrationsinsats än konventionella styrsystem.

PC-baserade styrsystem finns tillgängliga som integrerar många vanliga delar av den övergripande kontrolllösningen. I synnerhet:

• real-time control-förmågan att utföra användarskrivna kontrollstrategier, korrekt, under en lång tidsperiod.

• operatörsgränssnitt-möjligheten att inkludera ett grafiskt operatörsgränssnitt på samma dator som det grundläggande styrsystemet. Moderna operatörsgränssnitt inkluderar möjligheten att visa grafiska bilder på skärmen och ändra storlek, position, färg etc. baserat på styrsystemets funktion.

• programmering-förmågan att skapa och felsöka de kontrollstrategier som ska användas. Detta inkluderar också möjligheten för människor på alla nivåer i organisationen att enkelt förstå program som skapats av en annan person.

• dokumentation-möjligheten att snabbt och enkelt extrahera information från styrsystemet. Denna information omfattar både utformningen och driften av styrsystemet.

• kommunikation – förmågan att kommunicera via vilken nätverkshårdvara som helst med andra styrsystem, dedikerade operatörsgränssnitt, maskiner i andra byggnader eller runt om i världen. Ingen särskild ansträngning krävs av användaren för att få detta att hända.

för mer information, kontakta Dave Gee, vice president, Engineering,
Steeplechase Software Inc. på Tel: 313/995-3348; Fax: 313/995-7218