Na cestě k samointegračním systémům automatizace strojů

Obrázek 1: Když je automatizované zařízení vyvíjeno pomocí moderních produktů a postupů, může být integrováno do dohledových systémů na základě konceptu označovaného jako samointegrace. Obrázky poskytla společnost: Emerson. Obrázek 1: Když je automatizované zařízení vyvíjeno pomocí moderních produktů a postupů, může být integrováno do dohledových systémů na základě konceptu označovaného jako samointegrace. Obrázky poskytla společnost: Emerson.

Rozvoj platforem PLC a PAC, vytváření sítí a programovací metody vedou k samointegračním systémům automatizace strojů, které snižují riziko a úsilí při integraci prováděné uživatelem.

Automatizované výrobní závody a procesy jsou často vytvářeny integrací mnoha menších subsystémů strojů nebo zařízení, což vyžaduje značné úsilí v oblasti systémové integrace a přizpůsobení. Po celá léta uživatelé požadovali lepší přístup ke zjednodušení tohoto integračního úsilí, aby ušetřili peníze a snížili riziko. Samointegrační automatizace je na vzestupu. Vylepšení v oblasti hardwaru, komunikací a softwaru zefektivňují systémovou integraci a zkracují dobu potřebnou na přechod od projektové do výrobní fáze.

Přestože se produkty a postupy pro automatizaci strojů v průběhu času zdokonalily, stále existují překážky bránící dosažení integrace. Hardware, komunikační protokoly a programování softwaru se častokrát opíraly o nekompatibilní technologie, což komplikovalo systémovou integraci. V nejobtížnějších případech se dosažení interoperability mezi různými zařízeními stalo nesmírně složitým, nákladným a časově náročným projektem.

Naštěstí se situace zlepšila. I v případě specializovaného hardwaru, jako jsou programovatelné automaty (PLC) a programovatelné řídicí automaty (PAC), se úsilí o modularizaci programování dostává větší pozornosti. Síťové metody a protokoly pokročily a poskytují srozumitelnou výměnu informací. V návaznosti na tento vývoj směřují automatizační technologie na bázi PLC a PAC směrem k aplikacím samointegračních systémů automatizace strojů, což umožňuje snadnou integraci modulárních subsystémů do celkového systému.

Co je to samointegrační automatizace?

Výrobní zařízení všech typů běžně obsahují různé automatizované subsystémy. Typický výrobce nápojů může mít:

  • Zásobníky sypkých surovin
  • Mísicí a procesní plošiny
  • Plničky lahví
  • Dopravníky pro manipulaci s materiálem
  • Balicí zařízení
  • Systémy filtrace vody
  • Rozvody páry a stlačeného vzduchu.

Jiná průmyslová odvětví mohou využívat kombinaci zařízení, ale obecně existuje mnoho specializovaných dodavatelů pro jakýkoli výrobní závod. Koncoví uživatelé se často více zaměřují na mechanickou interoperabilitu a výkon zařízení. Mohou považovat za nepraktické nebo nemožné vyžadovat určitou úroveň uniformity mezi přidruženými řídicími platformami PLC a PAC. Dodavatelé předpřipravených zařízení proto dodávají celou řadu automatizačních systémů, každý naprogramovaný pomocí různých postupů.

Některé z těchto prvků mohou být dokonce zabezpečené a nedotknutelné z důvodu ochrany duševního vlastnictví nebo provozního výkonu.

Každý z těchto „ostrovů“ předpřipravených zařízení obsahuje svůj vlastní a často jedinečný řídicí prvek, vstup/výstup (I/O), přístrojové vybavení a prvky rozhraní HMI (obrázek 1). Pravděpodobně budou muset komunikovat s nějakou kombinací předřazeného zařízení, následného zařízení, peer systémů a dohledových systémů.

Ve skutečnosti mnoho koncových uživatelů upřednostňuje, aby byly PLC a PAC subsystému dozorovány a možná i řízeny prostřednictvím větší celkové řídicí platformy. Systémová integrace je snahou o koordinaci těchto interakcí. Není žádným překvapením, že integrace různorodých systémů do soudržného celku je docela obtížná.

Pokud by však každý subsystém mohl definovat dostupná data a funkce, a poté tyto atributy vystavit jiným systémům, zefektivnilo by to úsilí o integraci systému. Tuto schopnost lze označit pojmem samointegrace, která vede k jednodušším, méně nákladným a rychlejším implementacím. 

Vývoj integrace automatizačního systému

Základní samointegrace může vyžadovat export konfigurace subsystému PLC nebo PAC, která je ručně importována do dohledové řídicí platformy. V pokročilejších situacích by subsystém mohl sám oznamovat (nebo publikovat) své schopnosti dohledovému systému schopnému takové reakce. K tomu by mohlo dokonce docházet dynamicky prostřednictvím oznámení o změnové události.

Samointegrace se opírá o několik základních funkcí. Platformy a postupy v oblasti PLC a PAC se po mnoho let zdokonalovaly na evoluční cestě a získaly mnoho nezbytných schopností:

  • PLC, PAC a síťový hardware získaly dostatečný výkon umožňující programování a modularitu dat, opakovanou použitelnost a komunikaci.
  • Síťové protokoly začaly využívat modely, takže data mohou být přenášena v kontextu.
  • Koncepty modulárních konfigurací na úrovni systému využily předchozí vývoj a umožnily samointegraci.

V další části textu se podíváme na to, jak každá z těchto fází postupně podporuje cíl dosažení samointegrace průmyslové automatizace.

PLC, PAC a stavební bloky pro řízení na okraji zlepšují systémovou integraci

PLC byly původní sériově vyráběnou platformou digitální průmyslové automatizace. První modely využívaly základní liniová schémata a byly proprietární pro každého výrobce. Programování každého nového projektu vyžadovalo přinejmenším kopírování a vkládání a v nejhorším případě přepisování. Některé PLC nakonec získaly schopnost zapouzdřit často používané rutiny.

Protože tyto automatizační platformy získaly více funkcí, dodavatelé je začali označovat jako PAC. PAC byly lépe disponovány pro vytváření uživatelsky definovaných objektů a objektů na bázi knihoven specifických pro výrobce OEM, které mohly být nakonfigurovány pro zajištění ochrany duševního vlastnictví a garantovaného výkonu.

V posledních několika letech jsou k dispozici okrajové řídicí prvky. Spojují možnosti PAC s výpočetními funkcemi podobnými PC a kombinují deterministické řízení provozních technologií (PT) se zpracováním a prací v síti podobnými informačním technologiím (IT).

Koncepce sdílené databáze usnadnily vzájemnou interakci mnoha prvků řízení, jako jsou PLC, PAC, okrajové řídicí prvky, rozhraní HMI a polohovací systémy. Automatizační systémy se také staly snadněji použitelnými a schopnějšími a získaly některé koncepty podobné objektově orientovanému programování (OOP), které najdeme v komerčních systémech pro podporu tvorby, použití, vylepšení a opětovné použití kódu. Pokrok v logice a zpracování dat však zůstal do značné míry zaměřen na úroveň automatizace strojů. 

Používání Ethernetu pro průmyslovou automatizaci

Ethernet se stal preferovaným médiem k propojení PLC, PAC, okrajových řídicích prvků, rozhraní HMI a dalších prvků automatizace strojů. Samozřejmě stále existují některá použití, jako je polohování nebo nebezpečná místa, kde specializovanější průmyslová sběrnice fieldbus nabízí výkonnostní výhodu. Pro většinu situací v závodě však Ethernet poskytl základní síťový výkon potřebný k přechodu od základního přenosu dat ke komplexní výměně informací.

Pro průmyslové ethernetové aplikace je k dispozici mnoho protokolů. Některé z nich přenášejí nezpracovaná data a vyžadují rozsáhlé uživatelské plánování, aby odesílající a přijímající systémy zvládaly škálování nahoru či dolů, seskupování značek a frekvenci dotazování.

Pokročilejší protokoly – například OPC UA – zahrnují reference, proměnné, objektové a datové typy, které koncovým uživatelům umožňují formulovat informační modely se sémantikou. Sémantika obohacuje nezpracovaná data o kontext, včetně popisných informací a informací o škálování, což umožňuje vytváření objektově orientovaných informací, které mohou systémové komponenty pochopit. Informační model má také schopnost informovat příjemce (klienty) o své existenci, a zda došlo ke změnám struktury nebo sémantiky.

CTL2007 MAG2 F1c Programming Emerson Fig2Obrázek 2: Datové struktury, které zahrnují sémantiku, umožňují přijímacím systémům interpretovat data z odesílajících systémů a přijímat oznámení o aktualizacích.

Například když je v programu PLC vytvořena instance typu čerpadla, služby zjišťování mohou upozornit klientské systémy na nový objekt čerpadla a kde jej najít. Objekt čerpadla může obsahovat datové značky pro provozní stav, příkaz rychlosti a vstupní a výstupní teploty a tlaky (obrázek 2). Pokud se k čerpadlu později přidá značka teploty ložiska, lze datovou strukturu aktualizovat a upozornit klientské systémy.

Pomocí sémantiky mohou přijímající systémy automaticky interpretovat data z původních systémů. Systémy automatizace strojů mohou efektivně komunikovat mezi sebou ve stejném jazyce.

Výhody konceptu „stroj jako objekt“ pro dodavatele a výrobce

Dosažené pokroky v oblasti logiky, dat a zapouzdření byly nezbytnými předchůdci pro dosažení zastřešujícího konceptu „stroj jako objekt“ (Machine as an Object – MaaO). Když dodavatel nakonfiguruje svá zařízení pomocí postupů MaaO, zapouzdřuje automatizační systém stroje, aby se mohl ohlásit a sám integrovat do jiných systémů.

Průmyslové standardy, jako je MTP (Module Type Package) sdružení NAMUR, umožnily povýšení koncepce modularizovaných a zapouzdřených systémů (obrázek 3). MTP identifikuje určité aspekty automatizace a signalizuje, jak jsou vystaveny interakcím s vnějšími nebo dohledovými systémy. Když je k dohledovému systému připojeno automatizované zařízení založené na MTP, může systém chápat zařízení jako funkční objekt stroje.

CTL2007 MAG2 F1c Programming Emerson Fig3Obrázek 3: Standard MTP (Module Type Package) sdružení NAMUR definuje aspekty automatizace, které je třeba vystavit, aby byla možná snadná samointegrace automatizovaného zařízení do dohledového systému.

MTP poskytuje vývojářům způsob, jak identifikovat a definovat dostupné funkce zařízení a jak je vyvolat. Všechny potřebné datové značky jsou vystaveny v kontextu pro příkazy, monitorování, alarmování a diagnostiku subsystému. Dokonce i displeje rozhraní HMI mohou být vyvinuty dodavatelem subsystému a importovány do dohledového systému.

Stroj nakonfigurovaný pomocí MTP může obsahovat významné logické a datové značky pro interní použití. Dohledový systém však může přistupovat jen k tomu, co je nutné pro provoz na vysoké úrovni. Například subsystém směšovací nádrže ovládaný předpřipraveným PLC by mohl být integrován do dohledového systému pomocí MTP. Dohledový systém by mohl volat cykly plnění, míchání a vypouštění. Automatizační systém stroje by pak zpracovával podrobnosti časování, otevírání a zavírání ventilů, ovládání směšovače a generování stavových a alarmových značek. 

Cesta k samointegrační automatizaci strojů

Vývoj průmyslové automatizace vedl k integrovanějším systémům. Koncepty jako MTP a MaaO obohacují nezpracovaná data a základní funkce o kontextové informace a schopnosti. Progresivní společnosti zajišťují, aby jejich PLC, PAC, okrajové řídicí prvky, software a síťové platformy byly připraveny na samointegraci, což koncovým uživatelům poskytne možnost sestavovat a nově konfigurovat výrobní závody pomocí modulárních subsystémů.

Control Engineering Česko

Control Engineering Česko je přední časopis o průmyslové automatizaci. Je vydáván v licenci amerického Control Engineering, které poskytuje novinky z této oblasti více než 60 let.

www.controlengcesko.com