Aktuální vydání

celé číslo

11

2021

Monitorování stavu zařízení, diagnostika, řízení údržby

Snímače a systémy řízení polohy a pohybu (motion control)

celé číslo

PAC – nástup generace řídicích automatů

číslo 3/2005

PAC – nástup generace řídicích automatů

Při sledování nějakého diskusního fóra na téma průmyslová automatizace na internetu je možné nalézt mnoho příspěvků věnovaných výhodám a nevýhodám použití řídicích systémů založených na programovatelných automatech (Programmable Logic Controller – PLC), a těch založených na osobních počítačích standardu IBM PC AT (Personal Computer – PC). Určitě lze na tomto fóru najít i příspěvky na téma PAC. Pak vznikne otázka: „Co je to vlastně PAC?„ Pro vysvětlení, co se za zkratkou PAC skrývá, je nutné vrátit se do nedávné minulosti.

Zrod a rozmach PLC

V 60. letech minulého století se pro řízení průmyslových procesů používala pole mechanických relé. Systémy byly komplikované a náchylné k poruchám. Měnit jejich nastavení bylo velmi obtížné. Na konci 60. let vytvořila firma Bedford Associates nový systém nazvaný Modicon (Modular Digital Controller), který k provádění logických operací a ovládání digitálních I/O využíval polovodičový mikroprocesor (CPU). Prvním sériově vyráběným PLC byl Modicon 084. Další výrobci se postupně přidávali a během 70. let se PLC masově rozšířily. První typy PLC většinou využívaly CPU s modulární architekturou dělenou po bitech (bit slice-based CPU), jako např. AMD 2901, a nebyly schopny pracovat a analogovými hodnotami. Aby bylo programování co nejrychlejší a co nejjednodušší, používaly se pevné řídicí struktury a omezené sady instrukcí. Programovalo se tak ve většině případů v jazyce kontaktních (reléových) schémat (Ladder Diagram – LD), vytvořeném podle původních liniových reléových schémat ze 60. let.

Pravidlo „80-20„

Během následujících 30 let byly PLC zdokonaleny tak, aby zvládly zpracování analogových hodnot a komunikaci v sítích. Současně také vznikly nové způsoby programování standardizované v normě IEC 61131-3. I přesto však bylo 80lní I/O. I současné průzkumy v této oblasti ukázaly, že:

  • 80 % PLC slouží v malých úlohách do 128 I/O,
  • 78 % PLC pracuje jen s digitálními I/O,
  • 80 % úloh je vyřešeno programem obsahujícím do dvaceti instrukcí v jazyce kontaktních schémat.

Právě proto lze ještě nyní v mnoha PLC nalézt procesor AMD 2901 a někteří výrobci (např. firma Keyence) nabízejí k programování výhradně jazyk kontaktních schémat.

Ačkoliv 80 % uživatelů základních funkcí pro zpracování digitálních a analogových signálů bylo (a nejspíše stále je) s tímto stavem spokojeno, je zde ale ještě zbývajících 20 % úloh vyžadujících funkce, které byly za hranicemi možností tehdejších PLC. V 80. a 90. letech dvacátého století se právě těchto 20 % uživatelů rozhodlo založit své řídicí systémy na PC, u kterých objevili jinde nenalezenou flexibilitu, několik způsobů programování a velký výběr hardwaru. Tyto systémy ale tehdy měly několik nedostatků. Hlavními byly:

  • nestabilita: operační systém vhodný pro použití v administrativě nebyl dostatečně stabilní a bylo nutné počítat s jeho „pády„ a s neočekávanými novými spuštěními systému,

  • nespolehlivost: osobní počítače s rotujícími pevnými disky a běžnými komponentami, jako je např. napájecí zdroj, byly náchylné k poruchám,

  • nový způsob programování: operátoři v provozu museli být schopni po poruše rychle obnovit činnost řídicího systému, a zatímco při použití jazyka kontaktních schémat bylo možné poměrně jednoduše ručně opravit kód, k vykonání téhož na PC se operátoři museli naučit nové programovací jazyky.

Zrod PAC

Zákazníci s komplikovanými řídicími úlohami obvykle spolupracovali s výrobci (Rockwell, Siemens, GE Fanuc, Beckhoff, National Instruments atd.) na vývoji nových systémů. Tito zákazníci požadovali spolehlivý systém s dokonalejšími funkcemi. Nově vyvinutá generace řídicích automatů určených pro 20 % nejnáročnějších úloh tudíž spojuje ty nejlepší vlastnosti PLC a PC (obr. 1) Nové automaty PAC (Programmable Automation Controller, řídicí automat) by se měly vyznačovat minimálně pěti hlavními vlastnostmi:

Obr. 1.

Obr. 1. PAC kombinuje nejlepší vlastnosti PC a PLC

  • nejméně dvě funkce (řízení pohybu, PID regulace, řízení pohonu) na jedné základně,

  • jednotné vývojové prostředí umožňující přístup ke všem funkcím, parametrům a provozním údajům v databázi,

  • softwarové nástroje pro vývoj algoritmů řízení pro několik typů zařízení, práce ve vývojovém prostředí a správa dat v souladu s IEC 61131-3,

  • otevřená modulární architektura odrážející strukturu řídicích úloh v průmyslu od ovládacího panelu operátora až po vlastní řídicí jednotku na technologické lince,

  • možnost použití síťových a databázových standardů (TCP/IP, XML, SQL atd.).

PAC od firmy National Instruments

Řídicí automaty od firmy National Instruments jsou založeny na prostředí Labview rozšířeném o Labview Real-Time a na použití programovatelných hradlových polí (FPGA). Díky doplňkům Real-Time a FPGA je možné v Labview naprogramovat vlastní měřicí a řídicí systém a pak jej spustit na vyhrazeném zařízení s operačním systémem reálného času nebo na svém vlastním vytvořeném obvodu s FPGA.

Určení

Hardware podporovaný prostředky firmy National Instruments je určen pro tyto úlohy:

  • grafika: v prostředí Labview lze snadno vytvořit grafické uživatelské rozhraní (HMI),

  • měření (sběr dat, zpracování obrazu, řízení pohybu): firma National Instruments má bohaté zkušenosti s měřením rychlých dějů, hluku a vibrací, s vizuální kontrolou výrobků apod.,

  • zpracování: některé úlohy vyžadují speciální řídicí algoritmy a náročné zpracování signálu; v Labview lze při použití nástrojů od firmy National Instruments i od jiných výrobců vytvořit vlastní řídicí algoritmus,

  • platforma: v grafickém vývojovém prostředí Labview lze vytvořit program, který může běžet v PC i PLC, na čipu s FPGA nebo na kapesním počítači typu PDA,

  • komunikace: prostředí Labview usnadňuje výměnu dat s okolím prostřednictvím rozhraní OPC nebo SQL.

Sortiment PAC

Firma National Instruments nabízí čtyři typy PAC (tab. 1):

  • PXI,
  • Compact Field Point,
  • Compact Vision System,
  • Compact RIO.

Tab. 1. Základní vlastností PAC (řídicích automatů) nabízených firmou National Instruments

+ vhodný
++vhodnější
+++nejvhodnější

PXI

Compct FieldPoint

Compact Vision System

Compact RIO

Funkční schopnosti

zápis dat

+++

+++

++

++

rychlost operací s pohyblivou řádovou čárkou

+++

++

+++

++

rychlá měření (velká vzorkovací frekvence

+++

+

++

++

Spolehlivost

operační systém reálného času

+++

+++

+++

+++

průmyslové certifikáty

++

+++

+++

+++

využití FPGA

ano

ne

ano

ano

PXI je zdokonalený průmyslový počítač s operačním systémem reálného času, pracující při teplotě okolí 0 až 55 °C, a se sběrnicí pro vzájemnou synchronizaci činnosti zásuvných modulů. Může být vybaven i polovodičovou pamětí, která nahrazuje rotující pevný disk. Norma PXI stanovuje chladicí výkon 25 W v každém slotu, a proto se nepřehřívají ani moduly se spínacími relé nebo rychlé měřicí moduly.

Compact Field Point je postaven ze součástek se zvýšenou spolehlivostí a odolností proti vibracím a rázům. Pracuje při teplotě okolí –40 až +70 °C, dokonce má certifikát zkušebny Lloyd pro námořní použití. Zvýšené spolehlivosti byla dosaženo mj. odstraněním rotujících částí, např. ventilátoru. Systémy Compact Field Point převzaly z PC procesory pracující s pohyblivou řádovou čárkou, operační systém reálného času, sloty na paměťové karty Compact Flash pro zápis dat a rozhraní Ethernet.

Compact Vision System je odolný kompaktní systém pro zpracování obrazu. Je vybaven třemi rozhraními IEEE 1394 (Firewire) a procesorem Intel pro rychlou analýzu snímaného obrazu. Ani toto zařízení nemá žádnou rotující část, a je tedy vhodné i do náročného průmyslového prostředí. Systém je dále vybaven 29 digitálními linkami, dostupnými z prostředí Labview Real-Time nebo přímo prostřednictvím vestavěného čipu FPGA.

Compact RIO je nejnovější odolný průmyslový systém s FPGA (až 3 miliony hradel) pro návrh zákaznických měřicích a řídicích systémů pracujících v reálném čase. Digitální smyčka běží na čipu FPGA rychlostí až 1 MHz, analogová do 150 kHz. Obvod FPGA může data předávat procesoru, který provádí operace s pohyblivou řádovou čárkou a na kterém běží Labview Real-Time. Ten se pak postará o složitější výpočty, zápis dat a komunikaci. Systém Compact RIO má malé rozměry, kovovou konstrukci a neobsahuje žádné pohyblivé části. Je proto zvlášť vhodný do těch nejtěžších podmínek a vyhoví i v nejnáročnějších úlohách.

Závěr

Asi 20 % současných uživatelů PLC požaduje po výrobcích řídicích systémů pokročilejší funkce, a tento požadavek „klasický„ PLC nedokáže splnit. Firma National Instruments svým zákazníkům vychází vstříc, neustále inovuje produkty a přidává nové funkce. Zkombinováním nejlepších vlastností osobních počítačů se spolehlivostí programovatelných automatů vytvořila a nabízí flexibilní systém PAC.

Bližší informace o popisovaných produktech lze získat u české pobočky firmy National Instruments.

Ing. Pavel Kmit,
National Instruments Czech Republic, s. r. o.

National Instruments Czech Republic, spol. s r. o.
Národní třída 19/949
110 00 Praha 1
tel.: +420 224 235 774
fax: +420 224 235 749
e-mail: ni.czech@ni.com
http://www.ni.com/czech