Jeszcze kilka lat temu bardzo łatwo można było wytyczyć szlak rozwoju technik sterowania, bazujących na sterownikach programowalnych PLC w połączeniu z technologiami komputerowymi. Sterowniki PLC sprawnie i wydajnie realizowały obsługę układów we/wy często na poziomie interfejsu maszynowego. Z kolei sterowanie oparte na technologiach komputerowych i modułach komputerów PC stosowano wszędzie tam, gdzie prowadzone były działania związane z akwizycją danych, ich integracją, obróbką czy analizą. I tak właśnie pierwsze z opisanych rozwiązań było domeną inżynierów i osób z grup utrzymania ruchu, drugie zaś specjalistów od oprogramowania i informatyków.
Jednak postępująca miniaturyzacja i rosnąca funkcjonalność modułów komputerowych wpłynęła też na rozwój technologii automatyki przemysłowej. W jej wyniku pojawiła się koncepcja tzw. programowalnych sterowników automatyki – PAC. Urządzenia te spowodowały coraz większe zacieranie się różnic pomiędzy tradycyjnymi sterownikami PLC a systemami bazującymi na technikach komputerowych. W dalszej części tekstu przedstawiono główne cechy i funkcjonalności decydujące o przewadze nowych sterowników PAC.
Zwiększona funkcjonalność – Zwiększone możliwości funkcjonalne w stosunku do tradycyjnych sterowników PLC w obsłudze dyskretnych i analogowych we/wy wraz z możliwością komunikacji przez łącza szeregowe i akwizycji danych z systemu sterowania. U swego zarania sterowniki PLC były zaprojektowane jako zamienniki stycznikowych i przekaźnikowych układów sterowania. Klasyczne sterowniki PLC mogły obsługiwać układy we/wy i na podstawie własnej aplikacji programowej wystawiać odpowiednie sygnały na wyjścia, bazujące na sygnałach wejściowych.
Sterowniki PAC również mają tę funkcjonalność, idą jednak krok dalej. Dzięki możliwości zaawansowanej komunikacji poprzez sieci sterowania mogą współpracować z rozproszonymi modułami we/wy, napędami, innymi sterownikami PAC, systemami SCADA, interfejsami operatorskimi HMI i innymi urządzeniami współczesnej automatyki. Nowoczesne technologie układów pamięciowych pozwalają współczesnym sterownikom automatyki PAC na obsługę danych systemowych na znacznie wyższym poziomie niż w przypadku tradycyjnych PLC. Ponadto w sterownikach PAC niejednokrotnie wprowadzono gotowe algorytmy do realizacji dodatkowych funkcji automatyki, jak np. regulacja PID czy tworzenie pętli zwrotnych w sterowanych aplikacjach.
Możliwość stosowania w nowych obszarach – Sterowniki PAC mogą być stosowane w zupełnie nowych obszarach, gdzie tradycyjne moduły PLC miały ograniczone możliwości. Sterowników PLC zwykle używano w aplikacjach przemysłowych systemów sterowania, np. na liniach produkcyjnych. Dzięki zaawansowanym funkcjonalnie mikrokontrolerom, możliwości komunikacji przez sieć, rozszerzonym modułom szybkich pamięci, sterowniki automatyki PAC mają znacznie większą funkcjonalność w zakresie zdalnego monitorowania i akwizycji danych. Wszystko to sprawia, że te właśnie układy automatyki znacznie wyprzedzają pod względem funkcjonalności dotychczas stosowane moduły PLC.
Sieci i otwarte standardy sieciowe – W najnowszych aplikacjach sieci wymiany danych mogą być zintegrowane praktycznie na wszystkich poziomach – z modułami automatyki pochodzącymi od różnych producentów (poziom produkcji), sieciami różnych standardów (połączenia np. między sterownikami) oraz z sieciami infrastruktury całego zakładu czy przedsiębiorstwa (poziom zarządzania i biznesu). Szczególnie intensywnie rozwijana jest w tym zakresie idea otwartych standardów sieciowych, najczęściej bazujących na protokole TCP/IP, ułatwiających integrację z popularnymi sieciami teleinformatycznymi. Nowoczesne rozwiązania i techniki komunikacji sieciowej to jeden z istotnych czynników stymulujących rozwój sterowników automatyki PAC, bo choć niektóre ze sterowników PLC również korzystały z połączeń sieciowych, to jednak zwykle były to połączenia w standardach mniej lub bardziej powiązanych z określonymi producentami lub grupami producentów tych sterowników. Natomiast celem nadrzędnym przy konstruowaniu nowych sterowników PAC jest możliwość ich łatwego łączenia w sieci, nie tylko z innymi modułami automatyki, ale również z istniejącymi sieciami infrastruktury zakładowej – Ethernet itp. Podstawowym zatem standardem wydaje się być coraz powszechniej stosowany Ethernet TCP/IP, w różnych swoich odmianach przemysłowych i nie tylko. Kluczem do sukcesu jest tu idea otwartości standardu komunikacji i jego powszechnej dostępności dla środowisk inżynierskich i projektowych. Tylko wówczas każdy inżynier czy projektant na świecie będzie mógł korzystać z jednego standardu i przez tworzenie odpowiednich aplikacji i algorytmów, wykorzystywać go w konkretnych aplikacjach czy systemach sterowania.
Wielozadaniowość – Nowoczesne sterowniki pozwalają na realizację kilku zadań jednocześnie, skracając tym samym czas niezbędny do obsługi konkretnej aplikacji czy układu sterowania. Tradycyjne sterowniki PLC były zwykle urządzeniami dedykowanymi, a przede wszystkim liniowymi (w sensie czasowej realizacji zadań). Dokonywały one ciągłego skanowania sygnałów z wejść i wyjść, przekazując dane z nich do swoich algorytmów sterowania i na ich podstawie generowały odpowiedź – sygnały wyjściowe. W sterownikach automatyki PAC przyjęto nowy schemat działania, oparty na idei wielozadaniowości. Pozwala ona na realizację kilku zadań sterowania jednocześnie, oczywiście przy konieczności zachowania ich odpowiedniej synchronizacji czasowej. Taka organizacja pracy sterownika nie tylko pozwala na efektywniejsze wykorzystanie możliwości współczesnych mikrokontrolerów stosowanych w sterownikach PAC, ale również umożliwia skrócenie czasu ich reakcji na zdarzenia w systemie sterowania. Funkcja wielozadaniowości przydatna jest również dla samych programistów opracowujących aplikacje i algorytmy do sterowników, umożliwiając oparcie ich na szeregu niezależnych i autonomicznych zadań. Mogą one mieć całkowicie odmienne funkcje, a korzystać z tych samych sygnałów we/wy. To podstawowa różnica w koncepcji działania nowoczesnych sterowników automatyki w stosunku do tradycyjnych modułów PLC.
Modułowość – To funkcjonalność sterowników PAC bazująca na logicznym mapowaniu wejść i wyjść sterowników, ułatwiająca szybkie dodawanie, modyfikację i usuwanie modułów współpracujących ze sterownikiem na wspólnym interfejsie. Sterowniki PAC są bowiem ze swej natury urządzeniami przeznaczonymi do pracy w sieci, współpracy z innymi modułami zewnętrznymi. Rozszerzenia mogą być dołączane w sposób konwencjonalny na szynach montażowo-łączeniowych (jak dla sterowników PLC) oraz poprzez interfejs sieciowy (np. rozproszone moduły we/wy). Sam sterownik PAC również może stanowić jeden z rozproszonych węzłów sieciowych jako jeden z elementów większego systemu automatyki i monitoringu. Sterownik PAC korzysta z logicznego mapowania wejść i wyjść w celu pozyskania danych z systemu i realizowanego przez siebie programu. Dzięki temu wprowadzanie wszelkich modyfikacji sprzętowych w tworzonym lub istniejącym już systemie nie wymaga praktycznie żadnych modyfikacji programowych, a jedynie wprowadzenia prostych zmian znaczników danych w systemie.
Zintegrowane środowisko programowania (języki normy IEC 61131-3) – Klasyczne sterowniki PLC i tworzenie aplikacji do nich będą już chyba zawsze kojarzyć się przede wszystkim z językiem drabinkowym, który wykorzystywany jest do ich programowania. W sterownikach PAC zaimplementowano środowisko programowe umożliwiające budowanie aplikacji na bazie jednego ze standardowych języków programowania sterowników przemysłowych. Język drabinkowy jest jednym z nich, lecz poza nim dostępne są jeszcze: język SFC – sekwencyjnych schematów funkcjonalnych, IL – listy instrukcji, ST – tekstu strukturalnego i FBD – diagramów bloków funkcyjnych. Mogą one być mieszane w ramach jednej aplikacji, zależnie od potrzeb programisty, dając mu możliwość doboru narzędzi programistycznych do konkretnych zadań w tworzonej aplikacji. Krótko mówiąc, standaryzacja języków programowania zgodnie z normą IEC 61131-3 zwiększa elastyczność pracy programisty, redukując czas niezbędny na napisanie programu, a jednocześnie zwiększając jakość i funkcjonalność aplikacji końcowej.
Pakiet narzędzi programistycznych i diagnostycznych do sterowników PAC musi wspierać obsługę zcentralizowanych baz danych o parametrach pracy systemu sterowania. Bazy takie powinny mieć możliwość łatwego eksportowania informacji do wszystkich użytkowników danych z systemu, w czym wydatnie pomaga koncepcja tworzenia zintegrowanego i rozproszonego środowiska sterowania, przedstawiona w niniejszym artykule.
Przyszłość
Już dziś widać wyraźnie zarysowujący się trend dodawania coraz to nowych funkcjonalności w coraz mniejszych urządzeniach, co z kolei sprawić powinno, że sterowniki typu PAC będą w przyszłości bardziej funkcjonalne, jednocześnie zachowując, a nawet rozszerzając ideę rozproszenia „inteligencji” w układach sterowania. Normą staną się coraz bardziej zaawansowane sieci i usługi sieciowe, pozwalające na wykorzystanie pełni możliwości funkcjonalnych nowych modułów PAC. Wciąż postępuje również rozwój technologiczny układów pamięci masowej, który umożliwi z kolei gromadzenie bardzo dużych ilości danych i ich szybką, swobodną obróbkę. Podsumowując, koncepcja programowalnych sterowników automatyki PAC będzie się w dalszym ciągu rozwijać, oferując użytkownikowi coraz większe możliwości funkcjonalne oraz zastosowanie w szerszym spektrum aplikacji.
Artykuł pod redakcją Andrzeja Ożadowicza
Autor: Mat Mekschun
