W ostatnim czasie niemal codziennie zalewani jesteśmy niezbyt optymistycznymi informacjami ekonomicznymi o fatalnym stanie światowej gospodarki, kryzysach finansowych już nie tylko określonych branż przemysłowych, ale całych państw i regionów. Coraz częściej mówi się o złej koniunkturze, recesji… Tymczasem warto przypomnieć, że takie okresowe wahania kondycji gospodarki światowej nie są niczym nadzwyczajnym i historia ekonomii zna już tego typu sytuacje.
I choć być może współczesne recesje są nieco głębsze i długotrwałe, to można spojrzeć na nie również od innej strony, potraktować je jako okoliczność sprzyjającą weryfikacji oferty producentów oraz dostawców urządzeń i aparatury dla przemysłu; dającą czas na wdrożenie nowych rozwiązań technologicznych, które po aplikacji przyczynią się do redukcji kosztów utrzymania zakładów oraz wzrostu ich wydajności, bezpieczeństwa itp. Przyjęcie takiego punktu widzenia zmienia perspektywę i w tym świetle współczesne kryzysy stają się bardzo podobne do tych znanych z kart historii. Kiedy jedne firmy będą z trudem zmagać się z kłopotami finansowymi, inne będą spokojnie postępować naprzód, modernizując swą ofertę, wdrażając nowoczesne rozwiązania, wybiegając w przyszłość, a nawet ją kreując i tym samym czynnie przyspieszając początek okresu lepszej koniunktury.
Automatyka – to się opłaca!
Głównym celem wdrażania systemów automatyki w przemyśle jest od zawsze zwiększenie elastyczności i wydajności zakładów produkcyjnych oraz ograniczenie kosztów ich utrzymania i eksploatacji. W realiach współczesnej, bardzo wymagającej i rygorystycznej gospodarki regionalnej i światowej cele te zyskują na znaczeniu w jeszcze większym stopniu. Kluczowym elementem, jaki może zaoferować tu współczesna automatyka przemysłowa, jest bogata oferta programowalnych sterowników nowej generacji, wyposażonych w zaawansowane technologie i funkcje, stwarzających wprost nieograniczone możliwości. Co ważne, moduły te są dostępne w coraz niższych cenach. Takie nowoczesne sterowniki coraz częściej są oferowane i implementowane w systemach automatyki jako tzw. węzły sieciowe, do wykorzystania wraz z sieciami komunikacji cyfrowej różnych standardów, tworzącymi ostatecznie rozproszone sieci sterowania. Taka koncepcja organizacyjna pozwala na integrację z modularnymi układami zdalnych we/wy, integrację z innymi podsystemami, ułatwia ewentualną rozbudowę i modyfikację funkcjonalną, pozwala na monitorowanie i gromadzenie danych o stanie urządzeń, wartościach parametrów procesowych itd. Wspomniana skalowalność i elastyczność powstałej platformy systemowej umożliwia ponadto dobre dopasowanie układów sterujących i parametrów przebiegu procesów do parametrów pracy i możliwości fizykalnych oraz funkcjonalnych zainstalowanych maszyn, eliminując sytuacje zakupu sterowników „na wyrost”, których możliwości wykorzystuje się w ograniczonym zakresie, a cena zakupu komponentów jest dość znaczna. Oferta sterowników do rozproszonych systemów skalowalnych rozciąga się bowiem od najprostszych, niewielkich modułów sterowniczych, po zaawansowane technologicznie moduły, bazujące na minikomputerach klasy PC. Pierwsze z nich to stosunkowo niedrogie sterowniki, z dużymi możliwościami funkcjonalnymi, które przy wejściu sieci komunikacyjnych protokołu Ethernet do poziomu przemysłowego stają się bardzo silnym narzędziem, oferującym zupełnie nową jakość w obsłudze i sterowaniu procesami przemysłowymi. Projektuje się je w znakomitej większości jako dedykowane do bezpośredniej obsługi maszyn małej i średniej wielkości, za pośrednictwem niewielkich układów we/wy (kilka, kilkanaście kanałów). Coraz częściej wyposażone są już w interfejs sieci Ethernet lub innych standardów sieci przemysłowych i mogą współpracować z mobilnymi pulpitami operatorskimi. Ułatwione jest także ich programowanie i możliwość rozbudowy modułowej współpracujących z nimi układów we/wy.
Systemy zaawansowane
Na drugim końcu spektrum ofertowego współczesnych sterowników przemysłowych znajdują się moduły i systemy bazujące na technologii rodem z popularnych komputerów klasy PC. Działające na nich oprogramowanie pozwala na obsługę dodatkowych zmiennych i funkcjonalności, umożliwiając łatwą adaptację do zmieniających się warunków pracy systemu lub potrzeb użytkownika oraz zapewniając bezproblemową obsługę komunikacji w sieciach bazujących na protokole ethernetowym, takich jak Modbus TCP, EtherNet/IP czy Profinet. Proste programowanie i uruchamianie aplikacji sterujących, możliwość integracji z popularnymi platformami programowymi interfejsów HMI, gwarantują sukces realizacji takiego systemu sterowania we współczesnym przedsiębiorstwie.
Pakiety oprogramowania niezbędnego do zbudowania aplikacji sterujących, oparte na graficznych platformach tworzenia algorytmów typu flow-chart, pozwalają na łatwe, intuicyjne dla fachowców zorientowanie się w logice kolejnych zdarzeń i warunków, a tym samym szybsze rozwiązywanie ewentualnych problemów, jakie często pojawiają się, szczególnie w fazie rozruchu nowych instalacji. Obserwacja ścieżek realizacji poszczególnych funkcji czy analiza pętli warunkowych jest tu znacznie łatwiejsza, niż w przypadku zastosowania innych języków programowania sterowników, wskazanych przez normy.
Korzyści ze stosowania systemów otwartych
Kierując się dążeniem do jak najszybszego osiągnięcia lepszej wydajności, elastyczności i jakości produkcji, wiele przedsiębiorstw niejednokrotnie zgłasza chęć zakupu kompleksowych rozwiązań systemowych, pod klucz, gdzie oprogramowanie i sprzęt pochodzą zwykle od jednego producenta. Tego typu rozwiązania pozwalają przede wszystkim na ograniczenie problemów z kompatybilnością, dzięki czemu faza wdrożenia i uruchomienia instalacji jest znacznie szybsza. Niebagatelne znaczenie ma również prostsza budowa samych sterowników maszyn, układów we/wy i związane z nimi zmniejszenie ryzyka awarii, przestojów i strat produkcyjnych. Jednakże takie zamknięte rozwiązania ograniczają elastyczność i możliwość adaptacji systemu w trakcie jego późniejszej eksploatacji, chociażby w momencie zakupu maszyny czy sterowników od innych producentów. Dotyczy to w szczególności systemów większych, rozbudowanych funkcjonalnie i integrujących wiele różnego typu podsystemów, które, co można przyjąć za pewnik, nie będą mogły pochodzić tylko z oferty jednego producenta. Współpraca urządzeń sterujących różnych producentów stała się możliwa w momencie opracowania ustandaryzowanych protokołów komunikacji sieciowej dla systemów automatyki przemysłowej, takich jak: Profibus, Interbus, DeviceNet, CANopen i innych. W ostatnich latach pojawił się również trend zastosowania w komunikacji protokołów tzw. Ethernetu przemysłowego i bazujących na nim standardów ModbusTCP, EtherNet/IP itp. Nowatorskość tych rozwiązań polega na zejściu protokołu charakterystycznego dotychczas dla systemów nadrzędnych do poziomu warstwy fizycznej systemów sterowania – bezpośredniej obsługi urządzeń wykonawczych i czujników.
Powstające przy wykorzystaniu tych standardów otwarte sieci sterowania pozwalają projektantom i integratorom na jeszcze lepsze dopasowanie się do potrzeb i wymagań użytkowników/odbiorców oraz eliminują konieczność znaczących zmian w organizacji już funkcjonującego systemu, np. w momencie dołączania nowych funkcji czy nowych modułów. Baza systemowa i struktura sieci pozostaje bowiem taka sama, a ewentualne prace rekonfiguracyjne związane są najczęściej jedynie z integracją na poziomie oprogramowania. Ponadto zastosowanie modułowej koncepcji bloków we/wy umożliwia łatwe dołączanie nowych sygnałów wejściowych, niezależnie od tego, czy są to sygnały cyfrowe, analogowe czy inne – np. modulowane. Dostępna bogata oferta układów modułowych, szerokie spektrum możliwych ich konfiguracji, liczne moduły adaptacyjne i funkcyjne gwarantują dopasowanie do nawet bardzo wyszukanych i wymagających aplikacji użytkowników.
Zarządzanie danymi
Współczesne systemy sterowania procesami przemysłowymi wymagają obsługi coraz większej ilości danych. Wzrasta również ich objętość, zwłaszcza w wyniku coraz powszechniejszego wprowadzania technologii monitoringu i wizualizacji oraz zaawansowanych modułów koncentracji i analizy danych procesowych, które muszą być przesyłane pomiędzy sterownikami lub między sterownikami a systemem nadrzędnym. Zebrane w ten sposób dane mogą być wykorzystane do analiz, prognoz czy rozliczeń, przyczyniając się tym samym do zwiększenia efektywności i jakości procesów produkcji, usprawnienia diagnostyki maszyn i modułów sterowniczych, zwiększenia przejrzystości procesów produkcyjnych i ich poszczególnych ogniw oraz pozwalają na łatwą adaptację funkcji zdalnego dostępu do danych procesowych, dzięki integracji z protokołami Ethernet TCP/IP. Oferta rynkowa modułów dla przemysłowych sieci sterowania z tym właśnie protokołem wciąż się poszerza, a protokół jest tak modyfikowany, by zapewnić niezawodną i szybką transmisję danych w szczególnie wymagających środowiskach, z jakimi mamy do czynienia w przemyśle. Na przykład dla sieci niewielkich, o prostej architekturze dedykowane są switche bez funkcji zarządzania połączeniami, zaś dla sieci bardziej rozbudowanych dostępne są tzw. switche zarządzane, z zaawansowanym monitoringiem i diagnostyką komunikacji. Switch taki, po przydzieleniu indywidualnego adresu IP, zapewnia też zdalne zarządzanie zarówno siecią połączeń, jak i funkcjami samego switcha, który zwykle wspiera technologię SNMP, dzięki czemu łatwa jest jego integracja z sieciami IT oraz obsługa za pomocą standardowych przeglądarek internetowych. W celu umożliwienia budowy stabilnych systemów, z wysokim poziomem bezpieczeństwa danych i ciągłości pracy, układów z redundancją itp., wiele siwtchy zarządzanych wyposażonych jest w bardziej zaawansowane narzędzia i funkcje, takie jak: Rapid Spanning Tree Protocol or Fast Ring high speed redundancy, IGMP Snooping & Query, VLAN&Port security.
W najbliższej przyszłości można się spodziewać dalszego wzrostu szybkości transmisji danych w sieciach przemysłowych oraz większego wykorzystania technologii bezprzewodowych w obsłudze trudno dostępnych miejsc, niebezpiecznych lokalizacji, stref zagrożenia. Technologie te doskonale sprawdzają się też w razie konieczności komunikacji pomiędzy bardzo oddalonymi obiektami, gdzie połączenie kablowe może być nieopłacalne lub wręcz niemożliwe do realizacji w praktyce.
Podsumowując, umiejętne połączenie i integracja wszystkich dostępnych obecnie technologii i rozwiązań systemowych dla sieci przemysłowych pozwala na ograniczenie kosztów funkcjonowania systemu oraz jego ewentualnych reorganizacji, zwiększenie elastyczności i możliwości dopasowania do indywidualnych wymogów inwestora/użytkownika, uzyskanie lepszej kontroli nie tylko nad obsługiwanym procesem, ale i samymi modułami sterowniczymi. Cechy te nabierają szczególnego znaczenia w perspektywie aktualnej sytuacji gospodarczej naszego kraju, całej Europy i świata. Wprowadzenie oszczędności, przy jednoczesnym wzroście jakości i niezawodności produkcji, to niewątpliwie element konkurencji na rynku oraz dobry prognostyk rozwoju na przyszłość.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Andrzeja Ożadowicza – AGH Kraków
Autor: Greg Dixson, Bjorn Falke
