Современные требования в Автоматизации Промышленности
Наше время предъявляет достаточно сложные, противоречивые, иногда даже взаимоисключающие, требования к Автоматизации Промышленности.
Например, управляющие системы, ставшие уже традиционными, имеют простую связь с датчиками и исполнительными механизмами, хотя и позволяют решать достаточно много не сложных задач автоматизации. Более развитые системы управления уже строятся с применением сетевых технологий передачи данных, взаимодействия между отдельными устройствами, предоставляют необходимые данные на другие уровни и в другие системы управления предприятием, что обусловлено требованиями современности. Это заметно расширяет возможности традиционных систем управления с использованием логики простого дискретного ввода/вывода сигналов от PLC (Программируемый Логический Контроллер).
Многие традиционные PLC запрограммированы с использованием «Лестничных Диаграм (Ladder Logic, LAD)», в которых логически отражены физические соединения дискретных датчиков, реле, исполнительных механизмов и т.д. в системе управления. В задачах же, где требуются большие объемы математических вычислений с плавающей точкой, например, ПИД регулирование для контроля температур, использование LAD становится чрезвычайно трудоемким и заметно усложняет программирование. Для решения таких задач в традиционных PLC применяются специализированные аппаратные модули, которые программируются отдельно, что так же увеличивает трудоемкость и усложняет процесс создания управляющих программ.
Применение PLC в задачах, характерных для PC
Современные задачи автоматизации предъявляют ряд требований, таких как сетевой обмен данными, взаимодействие между различными устройствами, интеграция с общими сетями передачи данных предприятия, которые делают весьма затруднительным использование традиционных PLC. Решение таких задач более свойственны PC (Персональный Компьютер). Для их решения на традиционный PLC устанавливается дополнительный(ые) процессор, в системе так же присутствуют сетевые шлюзы или конвертеры (между сетями с различными сетевыми протоколами), «связующее» (специализированное) ПО работает на отдельном дополнительном PC, там же работает «специализированное» ПО интеграции в общую сеть предприятия для предоставления всех необходимых данных. Такое построение системы управления является громоздким, трудоемким, имеет высокую стоимость.
Применение PC в качестве PLC
В многочисленных задачах, где требуется активный сетевой обмен данными, использование модемной связи и т.д., вполне успешно применяются PC в «промышленном исполнении».
При таких PC-характерных задачах традиционный PLC можно оснастить дополнительными модулями, однако, применение «промышленного PC» в PLC-характерных задачах при управлении механизмами или технологическими процессами и т.д., «промышленный PC» так же требует дополнений и изменений. Например, PC может использовать ОС (операционная система) не оптимизированную для «быстрых» технологических процессов и неявляющуюся детерминистической (с «жёстким» и однозначно определенным временем отклика на событие). Дополнительно карты вв/выв, карты расширений или специализированные технологические карты могут потребовать от ОС PC высокого быстродействия и «жесткого» детерменизма в «реальном масштабе времени».
Введение в PAC system
Производители промышленной автоматики, в ответ на расширяющиеся современные требования промышленности, объединяют детерминистический PLC-характерный стиль управления технологическими процессами с гибкостью конфигурирования и мощностью PC. Такие устройства получили название – Программируемый Контроллер для Автоматизации (Programmable Automation Controller, PAC).
Идея комбинировать PLC и PC технологии в системах управления технологическими процессами в начале заключалась в добавлении «связующего» (дополнительного, специализированного) ПО, дополнительных процессоров, объединения нескольких PLC. PAC, однако, потребовали серьезной переработки дизайна программно-аппаратной платформы. К примеру, для реализации таких функций, как счетчики, триггеры, ПИД-функции, сбор, обработка и обмен данными системы управления на традиционных PLC требуют использования высокопроизводительных и весьма дорогостоящих аппаратных модулей. В то время как PAC уже имеют такие возможности.
PAC выполнены в модульном исполнении, имеют «открытую архитектуру», возможность расширения дополнительными модулями вв/выв и коммуникаций с различными устройствами и бизнес-системами. В частности, PAC показывают отличную производительность и эффективную обработку сигналов вв/выв.
PAC многофункциональны и могут эффективно одновременно обрабатывать дискретный/аналоговый вв/выв, осуществлять высокоскоростной обмен данными с устройствами по последовательным каналам от различных источников.
А так же PAC имеют гибкие возможности интеграции в различные бизнес-системы.
Характеристики PAC
Руководствуясь многими соглашениями аналитики промышленной автоматизации из ARC Advisory Group дали начало данному направлению и присвоили ему название «PAC».
ARC выбрало такое название из двух соображений: помочь пользователям средств автоматизации наиболее точно определить необходимое оборудование в соответсвии с требованиями задачи автоматизации; выбрать производителя данной продукции, который бы наиболее полно осуществлял поддержку своей продукции в течении всего её жизненного цикла.
По определению ARC, PAC должен всецело отвечать следующим требованиям
-
Operate using a single platform (работа всей системы на одной платформе) – включая логические устройства, управление перемещением, управление электрическим приводом, управление технологическими процессами;
-
Employ a single development platform (расширение или изменение в пределах единой платформы) – единая база тeгов (обрабатываемых сигналов) и база данных для всей внедряемой системы;
-
Tightly integrate controller hardware and software – контроллер с жестко связанным программно-аппаратным обеспечением;
-
Be programmable using software tools (программирование с использованием программных инструментов) – возможность создания/изменения управляющей программы «в процессе» работы различных механизмов и устройств.
-
Operate on open, modular architectures (работа на открытой, модульной архитектуре) – на всех уровнях, – от цехового (всего комплекса исполнительных механизмов и агрегатов), до отдельных устройств.
-
Employ de-facto standards (де-факто стандартно имеет возмоэжности) сетевого обмена данными через различные интерфейсы, протоколы, стандартно позволяет обмениваться данными с устройствами различных производителей оборудования.
-
Provide efficient processing and I/O scanning – обеспечивает эффективную обработку данных и управление технологическим процессом, скоростную обработку каналов вв/выв.
Преимущества при развертывании системы и дальнейшего её использования
Характиристики систем, постороенных на базе PAC, определяют ключевые преимущества их применения в промышленных приложениях. Эти ключевые преимущества объединяют в себе расширенные возможности по сравнению с традиционными PLC (которые необходимо дооснащать специализированными модулями), что обеспечивает прекрасную производительность при обработке событий и управления процессом за счет работы на интегрированной программно-аппаратной платформе.
Интеграция аппаратной и программной составляющих дают следующие преимущества при создании системы: «комплексная программная среда» (integrated development environment - IDE) для систем PAC имеет единую базу данных тeгов (переменных процесса) используемую всеми программными инструментами.
PAC системы развертываются на объекте с помощью единого программного пакета, а так же, при необходимости, модернизируется в будущем, вместо целого ряда программных пакетов от различных вендоров, как в случае традиционных систем автоматизации.
Следующим преимуществом является возможность апгрейда (обновления) как аппаратных частей системы, так и ПО. Модульное исполнение процессоров делает возможным их замену без кабельного перемонтажа. Ну и компактный размер модульных PAC значительно экономит шкафное пространство.
PAC обеспечен современными сетевыми интерфейсами, что позволяет вести обмен данными в «реальном масштабе времени» (обработка и передача данных не ниже скорости возникновения событий в техпроцессе). Это позволяет наиболее качественно, полно и точно получать все необходимые данные и использовать их в бизнес приложениях.
Термины и аббревиатура, использованная в данном документе
DAQ Data Acquisition
ERP
HMI Human-Machine Interface
I/O Input/Output
IDE Integrated Development Environment
IP Internet Protocol
OEE Operational Equipment Effectiveness
OEM Original Equipment Manufacturer
OPC OLE For Process Control
PAC Programmable Automation Controller
PC Personal Computer
PID Proportional-Integral-Derivative
PLC Programmable Logic Controller
PPP Point-to-Point Protocol
PSTN Public Switched Telephone Network
RTU Remote Terminal Unit
SCADA Supervisory Control And Data Acquisition
SCM Supply Chain Management
SNMP Simple Network Management Protocol
SQL Structured Query Language
TCO Total Cost Of Ownership
TCP Transmission Control Protocol
PAC используют стандартные сетевые технологии, протоколы, такие как Ethernet и TCP/IP, для обмена данными.
Финансовый эффект
Системы на базе PAC могут давать различные финансовые преимущества. Общая стоимость системы управления снижается в следствии относительно недорогих (по сравнению с традиционными PLC системами) аппаратных средств, снижения стоимости работ и времени создания системы. Обеспечение PAC систем более доступно по сравнению со схожими (по функциональности) системами на традиционных PLC. Так же PAC системы характеризуются большей возвратностью капитальных вложений, уменьшением стоимости в течении «жизненного цикла» системы, в целом низкой стоимостью владения (total cost of ownership - TCO), что расширяет применимость таких систем автоматизации в различных областях промышленности.
Ну и в заключении, снижение первоначальных капиталовложений: PAC системы позволяют начинать развертывать систему автоматизации с минимальным количеством модулей вв/выв, специализированных модулей, остальные модули добавляются по мере необходимости в процессе создания системы, а оставшиеся возможно добавить по окончании монтажа или завершении всего проекта в целом.
Применение PAC для решения современных задач промышленной автоматизации |
Одна рабочая платформа на разных уровнях и зонах
Единая система (показанная на стр.1) работает в различных зонах: для мониторинга и управления производственной линией; для управления химическим процессом; для задания и тестирования «рецептов»; для упаковки и отгрузки готовой продукции и т.п. На всех уровнях и зонах PAC должен одновременно обрабатывать аналоговые значения сигналов, такие как температура, давление, уровень и т.д., дискретные состояния задвижек, концевых переключателей, индикаторов состояния и т.д., отслеживать состояние и производить тестирование работоспособности оборудования. В определенные (заданные) моменты времени PAC обменивается полученными данными через ОРС (OLE for Process Control) сервер с панелью(лями) оператора в рабочей зоне, с SQL (Structured Query Language) сервером базы данных. Одновременно с этим PAC производит обработку задачи управления техпроцессом без использования дополнительных процессоров, сетевых шлюзов или специализированного прикладного ПО.
Поддержка стандартных сетевых протоколов
В рассматриваемом примере PAC, операторская и рабочая станции, тестовое оборудование, датчики и исполнительные механизмы техпроцесса, баркод ридеры и т.п. подключены к стандартной 10/100МБ Ethernet сети передачи данных, проложенной везде, где это возможно. В некоторых случаях, устройства не имеющие Ethernet интерфейса, например, температурные датчики, подключены напрямую к модулям вв/выв PAC, либо к модулям, установленным в промежуточные узлы (рэки - racks) вв/выв, имеющие интерфейс Ethernet и опрашиваются PAC по сети.
Используя Ethernet сеть, PAC обменивается данными с удаленными рэками для операций четния/записи аналоговых/дискретных, последовательных сигналов. По этой же сети PAC через ОРС-сервер соединяется с операторской(кими) панелью и SQL сервером базы данных. Безпроводной сегмент системы так же является частью общей сети. PAC может обмениваться с различными мобильными устройствами или временными операторскими станциями.
PAC может контроллировать, мониторить, обмениваться данными с множеством устройств и систем, так как использует такие же стандартные сетевые технологии и протоколы, что и они. В данном примере приведены проводные, безпроводные сети Ethernet, интернет протокол (Internet Protocol - IP), OPC, SQL.
Другими примерами для систем управления могут быть следующие протоколы: Modbus®, SNMP (Simple Network Management Protocol), PPP (point-to-point protocol, обмен точка-точка), возможен так же через модемное соединение. PAC осуществляет коммуниакции под различные требования промышленной системы.
PAC одновременно контролируют объект, собирают данные, обмениваются с другими системами по сети, отслеживают другие задачи.
Обмен данными с другими системами предприятия
В приводимом примере PAC обменивается данными с зонаи и производства, изготовления, учета готовых изделий и с SQL базой данных предприятия. Эта база предоставляет необходимые данные в другие ключевые бизнес системы, такие как: система планирования ресурсов предприятия (enterprise resource planning - ERP), система учета общей эффективности использования оборудования (operational equipment effectiveness - OEE), система управления поставками и снабжением (supply chain management - SCM). Ввиду того, что PAC постоянно и автоматически обновляет в базе всю производственную информацию, она требуется своевременно и для всех других бизнес систем предприятия.
RTU, Data Acquisition, and PAC
Удаленное оконечное устройство (remote terminal unit - RTU) это схожее с контроллером (PLC) удаленно расположенное устройство, предназначенное для сбора данных с локальных датчиков, управления локальными исполнительными механизмами и т.п. Наиболее типичное применение RTU в составе SCADA систем для сбора информации с локальных устройств и передачи ее по сети в SCADA, а так же для локального управления устройствами с помощью информации полученной от SCADA.
Сравнение RTU и PLC
RTU первоначально предназначался для географически «размазанных» объектов, для мониторинга их состояния, сбора данных и управления в таких областях, как: трубопроводы, скважины, грузоподъемные (лифтовые) механизмы, телекоммуникационные объекты и т.п.
Традиционные PLC, как правило, не обладают такой функциональностью, применительно к данному типу задач. Так же, традиционные PLC не имеют конструктивного исполнения для «жестких» условий эксплуатации (температура, влажность, пыль, вибрация). RTU же напротив сфокусированы на расширенных сетевых возможностях, выполнены в конструктивах для «жёстких» условий эксплуатации, имеют расширенные, «гибкие» возможности конфигурации каналов вв/выв.
Однако, для RTU характерны сетевые возможности, ориентированные на имеющиеся кабельные сетевые прокладки, что на сегодняшний день является устаревшим техническим решением. Современные решения являются «открытыми» и базируются на IP-сетях проводных и безпроводных, которые могут охватывать как локальные промышленные зоны, так и обеспечивать доступ к информации из любой точки мира. Такой подход более гибок и менее затратен по стоимость, которая, к тому же, постоянно снижается, а так же стремительно расширяется номенклатура предлагаемых аппаратных средств.
Следовательно, применение устаревших технологий RTU на сегодняшний момент является не очень хорошим решением с точки зрения бизнеса и перспективного технического использования.
PAC, в контрасте к выше сказанному, обладают великолепной коммуникационной совместимостью, разнообразным опционалом каналов вв/выв, конструктивом для «жёстких» условий эксплуатации, и использует самые современные на сегодняшний день коммуникационные стандарты.
С точки зрения привлекательности использования в перспективе систем на PAC, они являются превосходными и способны заменить решения на RTU с их проприетарными сетевыми технологиями и достаточно высокй стоимостью владения.
Сбор данных с помощью PAC
Системы сбора данных с объекта (data acquisition - DAQ system) на основе PC-based (контроллер на базе PC) предоставляют следующие преимущества: скоростное получение значений сигналов (acquisition); быструю обработку и их нормализацию (conditioning), сохранение полученных значений, что, в свою очередь, снижает нагрузку на сетевой траффик.
Большинство DAQ систем на базе PC имют ряд ограничений по расположению их в промышленных условиях или на удаленных объектах. Чаще всего такие системы применяются в лабораторных условиях (лабораторные, испытательные стенды), в «комфортных» условиях и т.п..
В противоположность этому, PAC системы предоставляют возможности разнообразного и гибкого приема сигналов с объекта, их быструю обработку, нормализацию, мультиплексирование. Наличие в PAC мощного процессора и общей (глобальной) памяти (ОЗУ и ПЗУ) позволяет «быстро» собирать данные, группировать их, проводить над ними манипуляции (сравнивать, проверять пороговые значения и т.п.), преобразовывать (например,приводить к инженерным единицам) перед отсылкой их через коммуникационные каналы в базу данных или другие приложения.
Так же, PAC может проводить частичное (в некоторых ограниченных объемах) архивирование данных, причём, это происходит в защищенном (приватном) режиме, в отличии от решений на PC, что в общем заметно увеличивает защищенность всей системы и снижает ее стоимость (т.к не требуется применения специальных мер по защите).
Как подобрать PAC систему
Различные производители оборудования для автоматизации промышленности предлагают PAC или PAC-подобные (PAC-like) продукты. В некоторых случаях такие продукты более похожи на PLC (PLC-like), в других это скорее промышленные компьютеры. Как рассматривалось ранее, PAC обладают функциональностью обоих этих подходов, в то время, как PLC или промышленный PC в отдельности может не соответсвовать поставленной задаче автоматизации.
Важно
Когда Вы оцениваете PAC или PAC-подобные контроллеры, Вам необходимо: собрать все необходимые требования вашей системы автоматизации; оценить, требуется ли добавлять дополнительные процессоры, сетевые интерфейсы, дополнительные промeжуточные аппаратные средства; оценить к какому виду относится ваша задача – PLC или PC-подобна. После этого, рассматриваются предлагаемые PAC контроллеры (в соответствии с критериями, рассмотренными выше), которые наиболее полно смогут решать необходимые для вашей системы задачи.
Выбор производителя
Насколько долго производитель работает на рынке производства оборудования для промышленной автоматизации? Так как, многие производители предлагают новые PAC или PAC-подобные решения, необходимо выбрать нескольких из них и рассмотреть, насколько долго они предлагают оборудование с PAC функциональностью, прежде чем выйти на предложение новых PAC решений (мэйнстрим). Opto 22 одна из таких компаний.
PAC и Opto 22
Предлагая с 1990 года решения PAC, еще перед формулировкой ARC Advisory Group, Opto 22 первая предложила такое решение, первый контроллер назывался mistic™. На данный момент Opto 22 с системами SNAP PAC имеет более чем 20 летний опыт внедрения таких систем и тысячи успешно примененных mistic контроллеров!
Сегодня Opto 22 PAC системы оставляют далеко «за бортом» конкурентов в таких системах, они применяются в разнообразных областях промышленности. Они легки в использовании, гибки, чрезвычайно легко масштабируемы, чем и заслужили признание потребителей.
О Opto 22 и SNAP PAC системе
Opto 22 предлагает инновационную SNAP PAC систему в совокупности с PAC Project™программным обеспечением, SNAP PAC контроллеры, SNAP PAC «мозги» (контроллер с мощным процессором), и SNAP I/O™ чрезвычайно гибко настраиваемые модули вв/выв, которые позволят решить любые задачи промышленного процесса автоматизации. Совокупность хадверной и софтверной частей, поддержка, консультации позволят Вам сократить время разработки, развертывания и поддержания системы в рабочем состоянии, что выгодно отличает компанию Opto 22 и предлагаемые ей решения SNAP PAC.