Переход на новые технологии управления оборудованием

Опубликовано в номере:
PDF версия
При модернизации контроллеров и платформ автоматизации необходимо учитывать гибкость и дополнительные возможности новых решений, не забывая при этом о разумном распределении инвестиций. В статье освещены ключевые вопросы, касающиеся выбора контроллеров.

Модернизация оборудования и систем управления — это важная, неизбежная и часто болезненная часть поддержания эффективной работы любой отрасли, особенно отрасли по обработке и отгрузке товаров. Такие модернизации необходимы для обеспечения высокой производительности и должны гарантировать, что оборудование будет удовлетворять возрастающим требованиям. Модернизация систем управления также обеспечивает рабочую эффективность и функциональность оборудования на самом современном уровне развития, в итоге защищая и расширяя инвестиции в оборудование и даже саму технологию, например при реализации промышленного «Интернета вещей» (IIoT) в ряду инициатив Industry 4.0.

Хотя модернизация систем управления неизбежна из-за срока службы электроники и процессоров, от связанных с ней проблем можно избавиться. Инженеры могут избежать головной боли за счет хорошего планирования и принятия здравых решений, а также недопущения сценария «вырвать и заменить», к которому прибегает так много компаний, решая, нужно ли продлевать срок работы того или иного компонента оборудования.

При планировании модернизации систем управления в первую очередь следует рассмотреть цели модернизации системы. Пытается ли компания обеспечить защиту от устаревания в будущем, увеличить гибкость системы, улучшить технологию или выполнить требования, касающиеся бюджета или эксплуатационных затрат? Также нужно учитывать допустимое время простоя, необходимое для выполнения модернизации систем управления. Все эти аспекты играют важные роли при выборе характеристик улучшения системы и общих решений, касающихся модернизации.

 

Защита от устаревания

Это первая важная причина модернизации. Нужно учесть архитектуру платформы управления и даже хронологию жизненного цикла поставщика системы управления, чтобы убедиться, что система управления не подвергнется следующей модернизации систем управления спустя какие-то несколько лет. Архитектура платформы управления также играет ключевую роль в обеспечении гибкости системы, то есть оборудование должно быть в состоянии гибко приспосабливаться к отраслевым трендам и изменениям требований потребителей. При выборе новой платформы управления взамен старой компании должны ориентироваться на следующие факторы:

  • Легкость будущей замены/модификации процессоров с целью недопущения тяжелого цикла технологической перестройки, дополнительных затрат и будущих простоев, связанных с устареванием процессоров и системы.
  • Способность ПО управления к масштабированию и переносу для последующего расширения функций и поддержки в рамках текущего и будущего портфолио процессоров, чтобы в дальнейшем избежать усилий в части проектирования, когда закончится срок службы процессора.
  • Связанность локальных входов/выходов, которая позволяет снизить объем финансовых и трудозатрат, обусловленных с заменой локальных входов/выходов и прокладкой новой проводки для всех сенсоров, когда закончится срок службы процессора.
  • Открытость системы, поддерживающей устаревшие протоколы (рис. 1), которые могут присутствовать в текущем решении управления, a также поддержка многих современных протоколов, необходимых как для горизонтальной коммуникации с другим оборудованием и сенсорами, так и для вертикальной коммуникации для поддержки цифровизации и инициатив
 С поддержкой для всех открытых протоколов связи программное обеспечение TwinCAT обеспечивает безопасную передачу данных на уровень предприятия или облака

Рис. 1. С поддержкой для всех открытых протоколов связи программное обеспечение TwinCAT обеспечивает безопасную передачу данных на уровень предприятия или облака.
Все изображение предоставлено компанией Beckhoff Automation

В целом следует определить все ограничения существующей платформы управления. Сюда входит полевая шина, а также любая платформа управления и полевая шина, рассматриваемые как объект модернизации. Любое ограничение может стать слабым звеном в цепочке существующей и будущей систем, поэтому тщательное рассмотрение ограничений крайне важно для того, чтобы избежать дорогостоящих ошибок.

При рассмотрении ограничений контроллера нужно учитывать его производительность, количество устройств, которое может быть подключено к контроллеру или полевой шине, топологию, поддерживаемую полевой шиной, и способность контроллера подключаться к другим открытым протоколам, необходимым для горизонтальной и вертикальной коммуникации. Также следует учитывать возможности локального сбора данных (DAQ), имеющуюся память (RAM) и даже аналитику, если это вписывается в цели диагностического техобслуживания.

 

Повышение гибкости

При оценке увеличения гибкости системы управления главным должно быть сравнение возможностей распределенной системы управления и нераспределенной системы, или централизованной системы, в случае которой оценка полевой шины становится даже еще более критичной. Имеется в виду не распределение кодов управления через несколько программируемых логических контроллеров (ПЛК), а скорее распределение терминалов ввода/вывода (I/O), приводов, сканеров, камер, роботов и других устройств в системе управления. Тщательная оценка полевой шины должна позволить не учитывать распределенные ПЛК, что улучшает пределы полевой шины и ПЛК.

Подход с распределением через центральный интегрированный контроллер обеспечивает высокую степень гибкости системы и защиты от устаревания. Если существующая система управления снова подключается к главному шкафу управления через провод, следует оценить степень приемлемости затрат и времени простоя, которое потребуется для перехода к распределенной системе.

Архитектура полностью интегрированной системы обеспечивает оптимальную защиту от устаревания и защиту вложений. Основой для такой гибкой архитектуры должна быть широкая масштабируемость ПЛК и промышленных компьютеров (IPC), которые ранжируются от микроконтроллеров до мощных многоядерных машинных контроллеров, с числом ядер до 40. Следует искать поставщиков, гарантирующих, что их контроллеры поддерживают программную платформу стандартной автоматизации, которая объединяет все функции системы управления. Эта платформа должна быть способна работать на одном мощном интегрированном машинном контроллере и поддерживать задачи разделения ПЛК в отдельных ядрах мощных многоядерных машинных контроллеров.

Одноцелевые контроллеры «черный ящик» больше не нужны для размещения отдельных функций системы управления, что создает циркулирующий по всей системе цикл «конец срока действия». Вместо этого один мощный машинный контроллер может синхронно исполнять все функции: ПЛК, управление движением, интерфейс «человек-машина» (HMI), роботизация, визуализация, безопасность, речь, аналитика, машинное обучение (ML), мониторинг условий и даже мехатронные решения — например, технологии линейного транспорта и движение в плоскости с левитацией. Такая концепция «всё в одном» улучшает систему управления и избавляет от необходимости брутальной технологической перестройки, которая требуется в случае традиционных платформ управления.

 

Совершенствование технологий

Компании вкладывают средства в новые технологии управления по многим причинам. Вот лишь некоторые из них:

  • Устранение ограничений производительности.
  • Добавление интегрированных функций безопасности.
  • Инкорпорирование концептов Industry 4.0 и диагностического техобслуживания.
  • Улучшение диагностики для обеспечения максимального времени функционирования.
  • Добавление систем роботизации и визуализации.
  • Совершенствование интерфейса оператора машины, например расширенной графики и анимации HMI, интерфейс через планшетный ПК и мобильный телефон, связь с облаком, интернетом и т. п.

Выполнение этих целей требует гибкого контроллера, а также более открытых ПО и сетевых решений. При этом платформа ПО автоматизации должна поддерживать все открытые устаревшие и современные протоколы полевой шины, а также все открытые вертикальные протоколы для облегчения связи с системами предприятий, исполнительными системами и системами управления складов и даже с облачными системами.

OPC UA, MQTT, AMQP, HTTPS/REST, Real-time TCP и Modbus TCP — это лишь несколько вариантов протоколов, которые должны поддерживаться ПО. То же самое касается организации промышленных сетей: платформа управления должна поддерживать все открытые полевые шины, промышленные системы Ethernet, такие как EtherCAT от Ethernet Technology Group, EtherNet/IP от ODVA и Profinet от PI North America, a также сети на уровне устройств. Это обеспечивает простую интеграцию в существующую модифицируемую систему или новую систему на современном объекте.

Плюсы подхода на основе интегрированной системы этим не ограничиваются, есть и другие — в части гибкости и стабильности для технологических улучшений.

 

Интеграция промышленных систем связи, безопасности, входов/выходов

Когда EtherCAT (рис. 2) используется как основа для коммуникации через полевую шину, то может интегрировать все устаревшие и современные протоколы полевой шины в сеть EtherCAT. Это повышает производительность полевой шины.

EtherCAT предлагает оптимальную промышленную полевую шину Ethernet для коммуникации в смешанных сетях «грязного» производства

Рис. 2. EtherCAT предлагает оптимальную промышленную полевую шину Ethernet для коммуникации в смешанных сетях «грязного» производства

EtherCAT также повышает гибкость системы при возрастании важности безопасности машины. Отказо­безопасность за счет EtherCAT (Fail Safe over EtherCAT, FSoE), по международному стандарту IEC 61784-3, позволяет обеспечивать проводное подсоединение кнопок аварийной остановки, предельных выключателей, предохранительных ковриков и прочих предохранительных устройств через безопасные входы/выходы EtherCAT и обеспечивать коммуникацию по тому же кабелю Ethernet, который передает стандартные сигналы всех других сенсоров и приводов машины.

Интегрированная архитектура управления может использовать EtherCAT в качестве протокола коммуникации для всех локальных и удаленных установочных I/O-плат вместо проприетарных протоколов через объединительную плату, которые широко используются в отрасли. Применение открытого протокола коммуникации EtherCAT вместо протоколов через объединительную плату снижает затраты, повышает производительность, существенно улучшает диагностику и расширяет топологические возможности. Кроме того, некоторые поставщики предлагают ту же аппаратуру I/O как для удаленных установочных I/O-плат, так и для локальных установочных плат ПЛК. Это позволяет отказаться от необходимости удаления, замены и повторной прокладки проводки, что обычно происходит с другими платформами управления, когда локальный I/O ПЛК устаревает в силу того, что срок службы процессора ПЛК подходит к концу. В других платформах это означает большой объем повторной прокладки проводки в ходе модернизации системы управления. В конечном итоге пользователи должны проверять, что поставщик обеспечил прежнюю совместимость всех вновь установленных встроенных программ, чтобы замена терминала ввода/вывода не потребовала модернизации встроенной программы в контроллере, даже если терминал ввода/вывода поддерживает более новую встроенную программу, чем заменяемая.

 

Улучшение или экономия?

Прямолинейный подход к архитектуре интегрированной системы управления и EtherCAT помогает системе выполнять требования по поддержке текущих и будущих машин, притом что система открыта и защищена от устаревания. Он также помогает сократить бюджет на модернизацию за счет устранения необходимости в большом количестве центральных процессоров выключателей. Расходы на программные инструменты проектирования, техподдержку по телефону и онлайн-обучение могут повлечь большие расходы, связанные с эксплуатационными затратами в отношении множества платформ управления. Однако некоторые поставщики предлагают их бесплатно, тем самым помогая избежать подобных расходов.

Выбор приводной технологии также может помочь в модернизации существующих систем. Приводы EtherCAT от некоторых поставщиков поддерживают управление двигателей от третьих лиц, соответственно, замены двигателей при модернизации системы управления не требуется, за счет чего время и расходы на модернизацию существенно снижаются. Эти приводы можно также эффективно применять для управления двигателями различных типов — например, серводвигателями или индукционными двигателями. A если в приводную технологию EtherCAT встроены функции поддержки безопасного движения FSoE, можно обеспечить машине еще бóльшую безопасность при существенном снижении затрат на контакторы, проводку и терминалы ввода/вывода, обеспечивающие дополнительную безопасность. Далее, удобная в использовании приводная технология обеспечивает простоту выполнения модернизации, снижает затраты и время простоя, а также помогает модернизировать функции безопасности машины.

Поэтому, если компания планирует модернизацию системы управления или рассматривает приобретение платформы управления следующего поколения, архитектура управления, интегрированная с EtherCAT, обеспечивает существенные плюсы и защиту от устаревания. При гибкой архитектуре и поддержке всех устаревших и современных протоколов можно добиться ощутимого перехода на новые технологии систем и оборудования, устанавливаемых непосредственно нa месте эксплуатации. Это снижает риски и позволяет членам вашей команды обучаться новым технологиям вместе с эволюцией системы управления, в которой используются все плюсы полностью интегрированной платформы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *