Системы управления на базе ПК

17.10.2017

Системы управления на базе ПК

Управление технологиями автоматизации на базе персонального компьютера подходит для любого приложения и обеспечивает успешную реализацию инициатив в области промышленного Интернета вещей (Industrial Internet of Things, IIoT) и Индустрии 4.0.

Технические характеристики контроллера, заложенные в его спецификации, являются наиболее важным и определяющим моментом на этапе процесса разработки в области промышленной автоматизации. Исторически сложилось так, что некоторые контроллеры уже де-факто считаются подходящим вариантом для определенных типа оборудования и области применения, будь то программируемый логический контроллер (PLC) или программируемый контроллер автоматизации (PAC).

Эти устройства успешно выполняли свою работу на протяжении многих лет и способствовали созданию некой ментальности, которая в английском языке получила определение «if it’s not broken, don’t fix it”, что близко к русскому «не чини, коли не поломано», или «не буди лихо, пока оно тихо». Она подразумевает, что если что-то находится в удовлетворительном состоянии и приемлемо, то и нет причин пытаться это изменить. Однако по мере того, как прогресс в области автоматизации продолжает ускоряться, становится ясно, что управление на базе персонального компьютера (ПК) предлагает более уникальный набор возможностей, охватывающих самый широкий спектр вариантов применения, и уже не требует выбора того или иного контроллера в зависимости от типа конкретного приложения.

Преимущества системы управления на базе ПК

 

Рис. 1. Смартфон отображает экран HMI от подключенного к облаку упаковочного оборудования компании Groninger

Главные преимущества системы управления на базе ПК – превосходная масштабируемость в рамках оборудования и использование программного обеспечения. Поскольку с течением времени меняется оборудование машин и технологические линии, то именно выбор системы управления на базе ПК, ввиду ее универсальности и гибкости, дает инженерам возможность для ее широкого и эффективного использования. Например, некоторые производители уже предлагают целый ряд опций контроллера, доступных в различных устройствах – от контроллеров начального уровня с RISC-процессорами (Reduced Instruction Set Computer – компьютер с сокращенным набором команд) и до управляющих машин с архитектурой ARM (Advanced RISC Machine – усовершенствованная RISC-машина). Кроме того, на рынке появились многоядерные контроллеры в нескольких аппаратных форматах, вплоть до промышленного сервера, оснащенного 36-ядерным процессором.

Все они управляются программным обеспечением на базе ПК для выполнения некоторых функций: PLC, управления движением, обеспечения безопасности, человеко-машинного интерфейса (Human-machine Interface, HMI), измерения, мониторинга состояния и т. д. Как правило, в случае использования многоядерных контроллеров все это реализовано в одном устройстве. Другие варианты могут быть представлены в нескольких формах конструктивного исполнения – например, для монтажа на DIN-рейку, с установкой в шкаф или интегрированными непосредственно с экраном HMI. При управлении на базе ПК возможна интеграция с HMI в решение «все в одном», что выгодно отличает такую систему от PLC или PAC, поскольку устройств, которые интегрируются с экраном для визуализации, пока еще явно недостаточно.

В качестве примера можно привести экраны HMI с поддержкой HTML5 от компании Beckhoff Automation, которые могут быть сгенерированы на промышленных дисплеях, смартфонах или планшетах и способны показывать скорость оборудования, общее время работы, правильно функционирующие и проблемные части оборудования. На рис. 1 представлен смартфон, отображающий экран HMI от подключенного к облаку упаковочного оборудования компании Groninger в рамках демонстрации предлагаемой концепции на выставке Pack Expo International 2016. Программная платформа для управления на базе ПК компании Beckhoff, TwinCAT 3, была расширена, что позволило предоставить пользователям возможность создавать IoT-сети и подключенные к облачным сервисам системы автоматизации в той же среде, где они программируют PLC, управляют движением и роботизированными устройствами, обеспечивают безопасность и т.д.

Что касается хранения информации, для этого можно использовать карты флеш-памяти CFast (также называемые CompactFast) и твердотельные дисковые накопители (Solid-state Disk, SSD). Такой подход, в отличие от применения накопителей типа HDD, уменьшает количество движущихся частей и тем самым обеспечивает высокую надежность, столь необходимую для критически важных приложений. В будущем может потребоваться увеличение производительности систем управления и автоматизации, но это не проблема. Технологии управления, которые базируются на ПК, позволяют легко заменить модель компьютера на более мощную, но использующую ту же программную платформу.

Для этого обычно нужно выполнить следующие действия: простой обмен компактной флэш-карты со старого устройства, установка ее в новый контроллер и перезапуск системы. Если нет необходимости добавлять новые функции, то, как правило, программирование практически не требуется или оно несущественное. Это одно из основных преимуществ системы автоматизации на основе ПК и программного обеспечения.

Многие компании, которые ищут надежную, гибкую и удобную среду разработки и управляющую платформу, используют программное обеспечение для управления задачами автоматизации, которые являются специфичными для систем управления, и запускают их выполнение на многоцелевом оборудовании на базе ПК. Так, например, для удовлетворения индивидуальных потребностей каждого приложения, независимо от того, предназначены ли его специальные функции для управления работой станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и роботизированной кинематикой или для реализации функций PLC, производители предлагают программное обеспечение для управления, которое соответствует аппаратным средствам на базе ПК с различными уровнями производительности.

Также, как известно, многое из того, что необходимо для разработки средств автоматизации, встроено в среду Microsoft Visual Studio. Это делает создание такого программного обеспечения достаточно знакомым для большинства программистов и позволяет выполнять программирование  и программистам PLC, и тем, кто специализируется в области информационных технологий (IT). Повторное использование кодов является обязательным – это должны учитывать специалисты по контролю при выборе новой платформы управления.

Функциональные блоки в языках программирования IEC-61131-3 («Programmable controllers – Part 3: Programming languages», IDT) или других объектно-ориентированных программах обычно доступны в библиотеках приложений. Повторное использование кода позволяет значительно сократить время выхода на рынок и создать более гибкие конструкции машин для производителей оригинального оборудования (OEM), системных интеграторов и конечных пользователей.

Кроме того, многоядерные контроллеры на базе ПК, которые используют программное обеспечение Microsoft Windows – как встраиваемый ПК компании Beckhoff Automation CX5100 (на рис. 2 справа), – легче подключить и для них проще обеспечить необходимую коммуникацию в рамках мобильных приложений промышленного «Интернета вещей». Компания Beckhoff Automation также готовит к выпуску шинный соединитель EK9160 IoT, который без какой-либо специфической программы управления напрямую соединяет входы/выходы Beckhoff EtherCAT с облаком Microsoft Azure Cloud. Соединитель обеспечивает простую и стандартизированную интеграцию данных ввода-вывода с облачными сервисами, а также передачу информации.

Рис. 2. Подключение смартфона к встраиваемому ПК компании Beckhoff Automation CX5100

Реализация IIoT

При использовании PLC или другого оборудования, базирующегося на жестко встроенном программном обеспечении, подключение в рамках «Интернета вещей» становится достаточно сложным и проблематичным, поскольку для этого, как правило, требуется добавление дополнительных аппаратных средств и программного обеспечения от ИТ-компаний. В платформы управления на базе ПК подключение к Интернету и Ethernet уже было встроено несколько десятков лет назад. Даже если сама рабочая среда, в которой используется рассматриваемая система управления, еще не готова к переходу в IIoT и Индустрию 4.0, управление на базе ПК может обеспечить наиболее логичную управляющую платформу с беспрепятственной миграцией на новые уровни. Это позволяет перейти на более высокие уровни подключения прямо сейчас или сделать это в любое удобное время в будущем.

Требования к системам управления в ближайшее время будут продолжать расти. Инженерам-разработчикам и машиностроителям нужно, чтобы поставщики средств управления обеспечивали им все бо́льшую функциональность, в том числе возможности подключения (причем все это в сопоставимой ценовой категории), и гибкие и масштабируемые системы управления на базе ПК представляют собой наиболее экономичный и надежный вариант такого решения.

Eric Reiner, по материалам Control Engineering

Статьи

05.11.2017

Реализация потенциала полномасштабных end-to-end приложений в сфере Интернета вещей (IoT) при помощи частной и публичной облачной инфраструктуры.

End-to-end бросает вызов
IoT-проекты набирают обороты и теперь разработчики (читать далее)

17.10.2017

Управление технологиями автоматизации на базе персонального компьютера подходит для любого приложения и обеспечивает успешную реализацию инициатив в области промышленного Интернета вещей (Industrial Internet of (читать далее)