ПРЕИМУЩЕСТВА ПРОГРАММИРУЕМЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ (PAC)

С момента выхода и начала использования программируемых логических контроллеров (PLC) в качестве прибора, заменяющего реле, использование маленьких, автономных контроллеров для автоматизации процессов получило широкое распространение и изменило внешний вид и даже архитектуру самих систем контроля. Развитие ПК (персональных компьютеров) и их эволюционное превращение в повсеместно используемое устройство контроля перевело программируемые логические контроллеры (PLC) в разряд более маленьких и простых систем контроля. В настоящее время можно встретить различные формы ПК: контроллеры, встроенные в передатчики и аппараты, промышленные контроллеры, промышленные компьютеры и даже мобильные устройства в промышленной среде.

Эволюция контроллера автоматизации

Программируемые логические контроллеры (PLCs) начали свое развитие в качестве простой замены реле с запатентованной операционной системой реального времени (RTOS). Одной из причин развития была стоимость — в конце 1960 гг. память и вычислительная мощность были чрезвычайно дорогими по современным стандартам (2009 г.). Еще одной причиной являлось то, что программируемый логический контроллер (PLC) изначально был спроектирован в ответ на запрос компании General Motors, которой понадобилось программируемое устройство, заменяющее реле.

Спустя некоторое время программируемые логические контроллеры (PLCs) стали больше, их вычислительная мощность и память увеличилась, возможностей установки для каналов ввода/вывода стало больше, что в итоге дало возможность производить математические действия в функциональных блоках вместо ранее используемого релейного программирования.

Считалось, что многоступенчатую систему можно легко перевести в язык программирования, имитирующий релейно-контактные схемы, которые мог прочитать каждый электрик. Через несколько лет к базовым программируемым логическим контроллерам (PLC) были предъявлены дополнительные требования, изложенные в стандарте Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) IEC 61131-3, который описывает языки программирования для программируемых логических контроллеров. К сожалению, версии стандарта 61131-3 большинства поставщиков не являются взаимозаменяемыми и не могут взаимодействовать друг с другом.

В связи с этим использование программируемых логических контроллеров (PLCs) для таких сложных алгоритмов управления, как PID и продвинутое управление, ограничивается, что усложняет перенос программ с одной марки программируемого логического контроллера (PLC) на контроллер другой марки.

В начале 1980 гг. в качестве компьютерного устройства общего назначения был разработан маленький «персональный» компьютер, который планировалось сделать недорогим и доступным для любого человека и в то же время достаточно мощным, чтобы использовать для таких высокомощных вычислительных проектов, как крупноформатные электронные таблицы, которые только появились.

После того, как компания IBM выпустила ПК IBM, вездесущность «персонального компьютера» была предопределена. В самом начале развития ПК независимые поставщики программного обеспечения начали производить дополнительные встраиваемые платы ввода-вывода данных и программное обеспечение для получения данных. ПК могли осуществлять высокоскоростной сбор данных, что позволило использовать ПК в лабораторных условиях. Самым ранним программным продуктом, предшествующим компьютерному миру Windows, был “The Software Wedge” компании TAL, который был разработан для сбора данных с любого устройства ввода/вывода и ввода их в электронную таблицу (сначала в VisiCalc, затем в SuperCalc и в конце концов в Excel)

Проблема состояла в том, что ПК не был спроектирован для использования в промышленных целях на заводе или фабрике. У него был съемный корпус, охлаждающие вентиляционные проемы и открытый вентилятор. Такое устройство ПК делало его расчетный срок службы в промышленных условиях коротким.

Конечно, это привело к незамедлительной переупаковке ПК в более прочный корпус, использованию военных технических характеристик и производству плат с повышенным температурным диапазоном. Одним из первых видов применения таких промышленных компьютеров стал высокоскоростной сбор данных для аэрокосмической промышленности, в устройствах контроля перемещениями и системах компьютерного зрения.

В результате экономии за счет роста производства промышленные компьютеры стали стоить значительно ниже, а разработчики плат создали компьютеры с одной платой, более известные как встроенные контроллеры, имеющие устройства ввода/вывода, память, центральный процессор (ЦП) и операционную систему (ОС) в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Такие устройства начали использоваться в самых различных видах механизированного управления, начиная от промышленных установок с числовым программным управлением (ЧПУ/ CNC) на заводах для управления рефрижераторными установками и стиральными машинами.

В начале 2000 гг. Крейг Резник (Craig Resnick) из ARC Advisory Group дал имя промышленным компьютерам, переупакованным таким образом, что они стали очень похожи на обычные программируемые логические контроллеры (PLC). Он назвал их программируемые контроллеры для автоматизации производственных процессов (Programmable Automation Controllers или PACs).

Программируемые контроллеры для автоматизации производственных процессов (PAC) Резника совмещали характеристики промышленного компьютера на базе ПК с возможностями управления, свойственными обычному программируемому логическому контроллеру (PLC)(РИС 1). Он отметил, что программируемый контроллер для автоматизации производственных процессов (PAC) должен объединять надежность программируемого логического контроллера (PLC), вычислительную мощность и имеющиеся на рынке программные средства, а также операционную систему и возможности программного обеспечения ПК.

В настоящее время программируемые контроллеры для автоматизации производственных процессов (PACs) используются для управления производственными процессами, сбора данных, дистанционного мониторинга, компьютерного зрения и контроля перемещений (РИС. 2). Так как программируемые контроллеры для автоматизации производственных процессов (PACs) представляют собой версии ПК специального назначения, они имеют одинаковые встроенные возможности подключения к сетям, такие как Ethernet с настольными функциями. Большинство программируемых контроллеров PAC имеют интегрированные возможности для таких стандартных протоколов сетевого интерфейса, как TCP/IP, SMTP и протокола обмена данными Microsoft, технологию связи и внедрения объектов OLE для управления производственными процессами, сокращенно называемую OPC (связывание и включение объектов для управления технологическими процессами). Программируемые контроллеры PAC могут интегрировать множество устаревших промышленных сетевых протоколов, таких как Modbus, RS232/422, RS485, CANbus, DeviceNet, Profibus, промышленная сеть Foundation и другие, на основе стандартных сетей Ethernet, проводных или беспроводных.

Программируемые контроллеры для автоматизации производственных процессов (PACs) могут работать как полноценные, комплексные вычислительные узлы в распределенной сети, и в такой форме смогли размыть границу между программируемыми устройствами управления и такими функциональными устройствами, как полевые контроллеры DCS и дистанционные терминалы SCADA (RTUs).

Обычный программируемый контроллер PAC обеспечивает:

• Мультидоменные функциональные возможности, включая логическое, непрерывное и управление перемещениями на одной платформе

• Открытую, модульную архитектуру с повсеместно принятыми стандартами связи, не утверждёнными организацией по стандартизации, для сетевых интерфейсов или протоколов

• Единую мультидисциплинную платформу разработки, которая включает общее тегирование и единую базу данных

• Программные средства, которые позволяют осуществлять проектирование схемами технологического процесса для нескольких единиц оборудования или технологических установок

Компания ARC Advisory group подсчитала успех программируемых контроллеров PAC. Она отмечает, что рост на рынке программируемых логических контроллеров (PLC) в период с 2007 г. по 2012 г. оценивается в 6.5% (среднегодовой темп роста), в то время как рост рынка программируемых контроллеров для автоматизации производственных процессов (PAC) ожидается на уровне 10.1% за тот же период времени.

Сжатие модели производства: Автоматизация становится проще.

Стремительный рост возможностей программируемых контроллеров для автоматизации производственных процессов (PAC) сделал возможным сжатие стандартной многоуровневой модели производства.

УРОВЕНЬ 5: Предприятие

УРОВЕНЬ 4: Бизнес-планирование для производства и логистика

УРОВЕНЬ 3: Общезаводская производственная деятельность и

УРОВЕНЬ 2: Работы на отдельном участке производства

УРОВЕНЬ 1: Базовый контроль/ безопасность

УРОВЕНЬ 0: Производственный процесс

Изначальная модель производства Педью имела пять уровней, начиная с самого производственного процесса до уровня бизнес-системы предприятия. Успехи в производственных мощностях и управлении на Уровне 1 при совмещении полевых контроллеров и распределенных систем управления, которые были отнесены к программируемым контроллерам PAC, позволили сократить Уровни 1, 2, и 3 до одного уровня, оставляя уровень Контроля Завода и Операций, и уровень ERP (планирование ресурсов предприятия) /MES (система управления производством), как показано на нижеприведенном рисунке. Базовый контроль и в некоторых случаях даже критически важный контроль безопасности, операторский интерфейс, а также функции более высокого уровня HMI (Интерфейс «Человек-Машина») /SCADA (система диспетчерского контроля и сбора данных) были интегрированы в единую платформу на основе программируемого контроллера PAC.

Технология PAC

«Сжатие платформы автоматизации»

PAC: Единая управляющая платформа

Система PAC включает контроль, обработку информации, а также работу в сети на одном контроллере. Так как контроллер PAC представляет собой промышленный компьютер, созданный на базе конструктивных характеристик программируемого логического контроллера (PLC), он имеет все характеристики полнофункционального ПК, включая большое запоминающее устройство, жесткий диск, операционную систему, и по желанию многоядерный процессор. Независимо от того, является ли установка «пакетной» системой, непрерывной производственной системой, гибридной; высокоскоростной контроль работы промышленных установок или система компьютерного зрения, контроллер PAC обеспечивает единую систему контроля, способную справляться со всеми этими задачами — а в некоторых случаях с несколькими задачами одновременно.

Программируемые контроллеры PAC можно интегрировать в локальные интерфейсы «Человек-Машина» (HMI) или локальную панель дисплея интерфейса HMI можно расположить близко к установке PAC. Программируемый контроллер PAC может функционировать как мобильный сервер данных со встроенным сервером системы управления реляционными базами данных, поддерживающим структурированный язык запросов SQL, и технологией хранения данных, в таком случае данные могут подвергаться предварительной обработке, использоваться для управления в контроллерах PAC и передаваться в базу данных Предприятия. Ниже приводится пример функциональной возможности манипуляции данными обычным контроллером PAC:

Встроенный мобильный сервер системы управления реляционными базами данных SQL программируемого контроллера PAC

Отметим, что устройство программирования согласно стандарту IEC 61131-3 является центральным устройством, обеспечивающим эксплуатационные характеристики контролера PAC—также как и другие повсеместно принятые стандарты связи и открытые стандарты типа OPC. Необходимо отметить, что со встроенным сервером SQL данные могут передаваться в родном формате базы данных SQL непосредственно из контроллера PAC в базу данных Предприятия или в MS Access для выполнения локальных функций, связанных с управлением.

Одной проблемой в контроллерах PAC всегда было недетерминированная работа Windows и ее производных, а также Ethernet и ее производных. Advantech, например, протестировал свою платформу контроллера PAC на возможность детерминированной работы (в реальном времени) и показал, что время обновления данных составляет 1 мс для 32 цифровых модулей ввода/вывода. Это подтверждает непрерывное использование контроллеров PAC для высокоскоростного сбора данных, приложений управления передвижениями и компьютерного зрения, в которых скорость обновления данных ниже 20 мс очень важна для контроля работы.

Новые области использования

Многогранность платформы контроллера PAC четко прослеживается большим количеством сфер применения, в которых он используется— в производстве и за пределами традиционных отраслей производства.

Интегрирование управления, интерфейса «Человек-Машина» (HMI), функции обработки информации и работы в сети в одну систему управления делает возможным использование платформы в таких несравнимых областях применения, как управление бензонасосом (бензоколонкой) на заправочной станции, мобильные системы GPS при автоперевозках, платформы автоматизированного тестирования в отдельных блоках электронного оборудования, осмотр конечного продукта, радиочастотная идентификация (RFID) и даже управление активами в добавление к использованию контроллеров в традиционном производстве и системах дискретного управления.

В традиционных отраслях перерабатывающей промышленности широкую функциональность контроллеров PAC можно увидеть при использовании их в системах управления процессом замеса бетона. Замена существующего программируемого логического контроллера (PLC) и архитектуры промышленного ПК на единую платформу управления Advantech APAX PAC решила все проблемы связанные с передачей данных между программируемым логическим контроллером PLC (который использовал последовательную передачу данных) и промышленным ПК, в котором использовался Ethernet. Это позволило управляющей программе SoftLogic и программе интерфейса «Человек-Машина» (HMI) работать одновременно в интегрированной системе контроллера PAC (РИС 6).

Программное обеспечение интерфейса HMI включает выбор набора параметров, контроль запуска/остановки и сбор технологических данных, а также обзор функциональных возможностей, в то время как управляющая программа SoftLogic обеспечивает высокоскоростное определение веса в реальном времени. В дополнение к этому, использование контроллера PAC позволяет использовать язык программирования структурированного текста для алгоритма определения веса вместо цепной логической схемы или программирования функциональных блоков.

Контроллер PAC включает функцию дистанционного управления данными в реальном времени напрямую с центра управления, используя открытый стандарт протокола Modbus/ TCP при использовании стандартного Ethernet 100Mb.

Важно, что внутри.

Контроллер PAC не просто персональный компьютер или одноплатный компьютер, помещенный в прочный корпус. Характер

промышленного применения автоматизации процессов, как, например, дозирование цемента, рассмотренного выше, означает, что контроллеры PAC необходимо проектировать так, чтобы к ним применялись более высокие стандарты проектирования и оснащения, чем к стандартным ПК или даже стандартным промышленным ПК. Такие характеристики, как сильное отклонение от стандартного режима, сетевой фильтр ПО, защита от перенапряжения, защита от остановки при перенагреве, защита от остановке при сверхтоке, а также защита от короткого замыкания являются стандартными для современного контроллера PAC, но они могут быть и не включены

в принятую одноплатную конструкцию. В то время как контроллер PAC является более многофункциональным, чем программируемый логический контроллер (PLC), конструкция контроллера PAC должна соответствовать стандарту IEC-61131-2, тип 1…тому же стандарту проектирования, который применяется для контроллера PLC.

Современный контроллер PAC в целом более надежный, чем контроллер PLC и, конечно, относится к классу, сравнимому с промышленными ПК и одноплатным системам OEM. Проходя жесткую сертификацию в качестве контроллера PLC и имея архитектуру двойного контроллера, двойную входную мощность и функцию резервирования системы, контроллер отличается прочностью, износостойкостью и большими функциональными возможностями.

Современный контроллер PAC имеет гибкую топологию. Это означает, что его открытая физическая архитектура позволяет безгранично расширять функции ввода/вывода и управления Некоторые модели контроллера PAC даже позволяют изменять и наращивать

центральный процессор без вмешательства в модули ввода/вывода, и с другой стороны позволяют производить горячую замену модулей ввода/вывода.Факт того, что конструкция контроллеров PAC создана на базе небольшого компьютера с предлагаемым на

рынке ПО

означает, что при усовершенствовании конструкции маленького компьютера и оснащении его более быстрым процессором, более высокой скоростью передачи данных, более высокими вычислительными способностями, большим объемом памяти, энергосберегающими свойствами и пр. позволит в лучшую сторону изменить контроллеры PAC, делая их контроллерами будущего и настоящего.

Модульные контроллеры Mitsubishi Electric MELSEC L
Серия контроллеров Mitsubishi Electric MELSEC L создана для решения средних задач автоматизации, для решения которых ресурсов моноблочных контроллеров уже недостаточно, а решение на больших модульных контроллерах дорого