Как при создании терминала самообслуживания для посетителей, так и при разработке высокоинтеллектуального оборудования для Индустрии 4.0, сегодняшние дизайнеры и инженеры по автоматизации предстают перед выбором из огромного количества доступных аппаратных решений и платформ.
Как при создании терминала самообслуживания для посетителей, так и при разработке высокоинтеллектуального оборудования для Индустрии 4.0, сегодняшние дизайнеры и инженеры по автоматизации предстают перед выбором из огромного количества доступных аппаратных решений и платформ. Разные платформы подходят для решения различных типов задач, но важно понимать для каких задач лучше всего применять ту или иную платформу, чтобы обеспечить оптимальный выбор для каждого случая.
Так как персональные компьютеры (ПК) широко распространены уже на протяжении десятилетий, для многих заказчиков является логичным предположение, что в будущем ПК будут напрямую интегрированы в системы автоматизации и мониторинга. И в самом деле, существует особая модификация ПК - индустриальный ПК (ИПК), созданная для этой цели.
Конечно, существуют и другие возможные решения для автоматизации, такие как специализированные микроконтроллеры или хорошо известные потребителям программируемые логические контроллеры - ПЛК. Различные комбинации этих устройств могут давать наилучший эффект в некоторых случаях применения, но данное Корпоративное Предложение концентрируется на случаях, где применение ИПК дает оптимальный эффект.
Контроллеры и компьютеры любого типа применяются для решения множества задач. Они могут просто отслеживать входные сигналы или могут иметь логические схемы управления, активирующие выходные сигналы. Некоторые могут иметь простейшие средства взаимодействия с операторами, такие как кнопки или лампочки, другие могут потребовать применения более сложных устройств, типа дисплеев или компьютерных мониторов. Они могут выдавать данные журналов или производить сложные расчеты. Эти системы могут быть автономными, но разработка новых систем автоматизации в доктрине Интернета Вещей (ИВ) означает, что наличие интеллектуального управления и сетевого доступа становится всё более важным.
При проектировании важно правильно поставить задачу. В данном случае, основные факторы выбора программируемых контроллеров ззи компьютеров — окружающая среда, требуемый набор функций, возможные способы удаленного доступа. Само собой, цена всегда важна. Зачастую, выбор одного устройства, которое обеспечивает достижение наибольшего количества целей, является оптимальным решением.
В этом корпоративном предложении мы опишем все за и против различных технологий и платформ автоматизации, чтобы определить, в каком случае ИПК подходят лучше всего. Для многих случаев применения, эта технология предлагает оптимальную комбинацию характеристик и может быть идеальным решением для интеллектуальной автоматизации. Помимо этого, ИПК являются идеальным выбором для реализации принципов Индустрии 4.0 благодаря тому, что объединяют системы операционных технологий (ОТ) с информационной технологией (ИТ). Мы начнем с рассмотрения ключевых аспектов, которые определяют ИПК.
Что делает ПК индустриальным?
ИПК обычно выполняются в форме коробки и имеют набор портов для коннекторов, но на этом их сходство с домашними ПК и ноутбуками заканчивается. ИПК предназначены для установки в контрольных шкафах либо другом промышленном оборудовании. Корпус ИПК обычно изготовлен из металла и собран очень жестко, чтобы противостоять высокой температуре, сильной вибрации и прочим факторам жесткой окружающей среды.
Характеристики ИПК
- Прочная конструкция для опасных сред
- Могут работать при высоких температурах
- Отсутствие вентиляторов сводит к минимуму механические поломки
- Компактные корпуса со многими вариантами установки
- Используют стандартные процессоры, память и жесткие диски для обеспечения превосходного соотношения цена/производительность
- Увеличенные возможности подключения к материнской плате
- Поддержка множественных шин подключения промышленных контроллеров
- Стандартные модули связи (USB, проводное и беспроводное соединение)
- Графический интерфейс доступен через кабель HDMI и/или VGA
Подавляющая часть ИПК не имеет вентиляторов и охлаждается через вентиляционные отверстия в корпусе. Исключение вентилятора делает систему гораздо более устойчивой к пыли и убирает значительную часть механических поломок. Таким образом, надежность предельно высока. В ИПК нет расходных материалов или устройств, требующих периодическое техобслуживание, но в случае отказа какого-либо модуля он может быть быстро заменен.В любом случае, отказоустойчивость этих систем на порядок больше уровень их коммерческих аналогов и равна или превышает уровень надежности ПЛК и других промышленных контроллеров.
ИПК не только прочны, они также исключительно гибки в установке. Обычно они очень компактны и предлагают множественные посадочные места, включая установку на болты на оборудование или установку в стандартный 19-дюймовый слот в контрольном шкафу. Еще один популярный вариант установки промышленных устройств — DIN-рейка, позволяющая модульную сборку систем контроля и автоматизации из многих типов компонентов.
ИПК могут устанавливаться в контрольный шкаф и другие посадочные места различными способами, включая установку на DIN-рейку.
Так как ИПК являются производными стандартных домашних ПК, высокая степень настраиваемости является одним из их основных преимуществ. Так же как и обычные собратья, ИПК позволяют легко изменять объемы установленной памяти, жесткого диска, подключаемых модулей и другие функции. Самые компактные версии ИПК часто работают на архитектуре RISC, более продвинутые версии используют х86-битные платформы.
Наиболее заметный аспект, в котором ИПК выделяются на фоне домашних ПК — функционал подключений к материнской плате. Некоторые модели полностью закрыты, в то время как другие предлагают множественные подключенные разъемы ввода/вывода. Более продвинутые версии могут иметь стандартные порты и мини-PCI слоты, а самые широко конфигурируемые системы построены по форм-фактору PC/104 для встраиваемых компьютеров. Это позволяет плотно скомпоновать все платы в корпусе ИПК.
Различные производители предоставляют решения для возможности подключения большого количества датчиков и промышленных сетевых устройств, более продвинутые варианты разъемов ввода/вывода и различных интеллектуальных сенсоров и датчиков. Эти типы подключений очень важны для построения промышленных автоматизированных систем. Например, Advantech предлагает технологию iDoor, значительно расширяющую доступный набор возможных подключений.
 |
 |
 |
Технология iDoor от Advantech предоставляет широкий выбор опций подключения различных модулей для ИПК.
Другие сетевые интерфейсы соответствуют стандартным аналогам. ИПК содержат USB-порты для подключения стандартных устройств (мыши, клавиатуры, принтеры). Доступ к локальной сети предоставляется по проводному или беспроводному соединению. Стандартные слоты для карт памяти предоставляют удобный способ скачивания и закачивания информации.
Возможно, наиболее значительное отличие ИПК от ПЛК или микроконтроллеров — наличие HDMI и/или VGA-разъемов, так что ИПК может напрямую управлять дисплеем. Это повышает шансы ИПК быть комплексной и самодостаточной системой. Многие ИПК оборудованы встроенными дисплеями, являясь компактным и экономически-эффективным решением.
 |
 |
Большим преимуществом ИПК является наличие моделей со встроенными дисплеями, что экономит деньги, место и усилия по установке.
Как полностью доступный для удаленного доступа компьютер, ИПК изначально обеспечивает взаимодействие с ИТ-системами.
ИПК может служить посредником между системами автоматизации цехового уровня и более высокоуровневыми системами, такими как система планирования ресурсов (ERP) или система контроля производственных процессов (MES).
Это означает, что ИПК является естественным выбором для связи операционного оборудования (станков и роботов) с высокоуровневыми промышленными базами данных, такими как система планирования ресурсов (ERP), система контроля производственных процессов (MES),или система управления активами (AMS). Эти системы могут быть расположены на предприятии и связаны с ИПК по проводному соединению, либо же связь может осуществляться через интернет с облачными системами.
На гораздо более детальном уровне, устройства ИВ, например контроллер двигателя могут объединяться одним или несколькими ИПК для создания иерархической структуры управления и сетевого доступа к этим интеллектуальным устройствам.
Если ИПК так хорош, что же могут предложить другие варианты?
Другие варианты
Другие вычислительные платформы для автоматизации существуют и имеют свою нишу. Как мы вскоре убедимся, выбор чаще всего стоит не между ними и ИПК, а между их различными комбинациями с ИПК, что дает оптимальный результат. Специализированные встраиваемые микроконтроллеры и ПЛК — два наиболее часто используемых вида платформ для автоматизации, кроме ИПК.
Специализированные встраиваемые микроконтроллеры наиболее эффективны для применения в продуктах, чей ежегодный объем продаж исчисляется десятками тысяч. Это определяется тем, что они созданы специально для обеспечения минимально необходимого функционала, так что нет лишних затрат на неиспользуемые функции.
Однако, есть множественные недостатки. Со стороны конечного пользователя требуются значительные затраты усилий по дизайну и производству специфического микроконтроллера и его интеграции в конечный продукт. Обычно доступен только ограниченный набор специфических конфигураций, а аппаратное обеспечение, скорее всего, придется дополнительно защищать от условий окружающей среды. Более совершенные и специфические для промышленности возможности, типа промышленных сетевых шин, датчиков и прочего, скорее всего будут недоступны.
 |
 |
Микроконтроллеры недороги, но требуют значительных затрат времени и усилий для создания надежной защиты от условий окружающей среды в промышленности.
Эти устройства труднее программировать, так как они не обладают той же степенью ориентации на потребности пользователя, которая закладывается в устройства широкого потребления. При отсутствии компании-поставщика услуг, конечный пользователь должен сам обеспечивать техническую поддержку своих микроконтроллеров, что увеличивает стоимость их использования.
С другой стороны, ПЛК представляют собой гораздо лучше приспособленный и широкопрофильный вариант для превосходной производительности при контроле в режиме реального времени различных дискретных и аналоговых процессов. Их можно считать микроконтроллерами, заранее встроенными в систему и обладающими рядом улучшений. Они стоят больше, чем микроконтроллеры, но всё ещё достаточно выгодны в промышленных масштабах.
ПЛК превосходно справляются с контролем простых систем и процессов средней сложности, но не могут сравниться с производительностью и функционалом ИПК.
В последние годы, ПЛК были легко доступным коммерческим решением для систем повышенной надежности. Например, по утверждению Control.eng (Ссылка 1), ПЛК являются “развитой технологией без особых перспектив для фундаментального улучшения, так как они используются уже около 50 лет. Однако, так же как и у их близких соперников в мире потребительской электроники, постоянно происходят значительные улучшения в сфере увеличения скорости работы, уменьшения размера и удешевления продукта”.
Несмотря на это, ПЛК имеют довольно серьезные ограничения в некоторых вариантах применения. Скорость обработки данных и объемы памяти могут не соответствовать требованиям, а более продвинутые стратегии контроля (такие как координация систем контроля движения и наблюдения) весьма сложны в реализации. ПЛК гораздо чаще оборудованы шинами для подключения датчиков и других промышленных сетевых устройств, но могут не поддерживать всех желаемых протоколов связи. Обычный ПК всё ещё может быть нужен для обеспечения связи ПЛК с ИВ и системами ИТ. К тому же, ПЛК наравне с микроконтроллерами не так просты в освоении для обслуживающего персонала, как ИПК, что делает их интеграцию в высокоуровневые системы автоматизации более сложной.
Еще одним существенным недостатком ПЛК и микроконтроллеров по сравнению с ИПК является отсутствие простого интерфейса для взаимодействия с оператором. Для этой цели микроконтроллеры обычно требуют добавочное программное и аппаратное обеспечение. ПЛК зачастую предоставляют аппаратную базу для доступа, а размещенные на ПК программы предоставляют варианты интерфейса ”человек-машина”. ИПК же, наоборот изначально способны работать с устройствами ввода и дисплеями, а многие поставляются с встроенными дисплеями размером до 21,5 дюйма или более.
Наилучшим решением является использование ИПК совместно с микроконтроллером или ПЛК. В такой конфигурации микроконтроллер или ПЛК будет осуществлять прямой мониторинг и контроль сигналов ввода/вывода, а весь высокоуровневый функционал, взаимодействие с оператором и сетевое подключение будет обеспечиваться ИПК. С чисто технической точки зрения, использование ИПК для предоставления интерфейса “человек-машина” и связи ПЛК или микроконтроллера с высокоуровневой системой управления является очень привлекательным. Конечно же, введение в систему добавочных платформ усложняет установку и техподдержку и требует больше места в контрольном шкафу.
По этой причине в некоторых ситуациях лучше рассматривать ИПК как самодостаточное решение для автоматизации.
ИПК лишены недостатков микроконтроллеров и ПЛК
Конечно же, ИПК справляются с рутинные задачи обработки сигналов ввода/вывода и поддержания связи между устройствами, но лучше всего они проявляют себя как самодостаточное решение, предоставляющее продвинутые возможности и производительность каждый раз, когда того требует реализуемая автоматизированная задача.
Преимущества ИПК
- Компактная компоновка дает широкий выбор вариантов установки
- Мощность процессора, объемы памяти и жесткого диска можно легко увеличить
- Могут работать под многими операционными системами
- Позволяют запускать сложные управляющие системы и другие приложения
- Могут вести контроль состояния системы в реальном времени
- Превосходны в роли связующего звена между системами операционных технологий (ОТ) и информационных технологий (ИТ)
- Легко осваиваются специалистами в ОТ и в ИТ.
Как уже было отмечено, ИПК обладают многими физическими характеристиками, делающими их оптимальным выбором для любого образца промышленного оборудования. Что еще более важно, пользователи могут приобрести именно то количество вычислительной мощности, которое требуется данной системе. Большое количество процессоров различных модификаций доступно и способно удовлетворить любые запросы. Карты памяти и жесткие диски различного объема стали недорогими товарами. Платформы ИПК легко масштабируются под нужды любого приложения и, так как они создаются из доступных на рынке компонентов наивысшего качества, ИПК предлагают намного более высокое соотношение цена/производительность по сравнению с альтернативами, делая их прекрасным выбором даже для наиболее требовательных приложений.
Когда дело касается возможностей взаимодействия по сети и удаленного управления, ИПК предоставляют более широкий выбор возможностей, по сравнению с другими платформами автоматизации. Вдобавок, они предоставляют как промышленные подключения (шины сетевых устройств и последовательные разъемы), так и стандартные типы интернет подключения (проводное, беспроводное и HDMI соединения).
С точки зрения программного обеспечения, ИПК могут работать с различными операционными системами, такими как Linux, Windows Embedded и последними версиями Windows. Эти операционные системы позволяют пользователям использовать любое необходимое программное обеспечение или разрабатывать программы на программной платформе по своему выбору.
Ярким примером случая, когда ИПК подходит идеально, является применение сложных алгоритмов в процессе сложного контроля процессов (APC). Эти алгоритмы могут потребовать наличия локального хранилища данных и вычисления средних величин с помощью сложных математических вычислительных задач — именно для этих целей и разрабатываются ИПК. Системы наблюдения и контроля движения также обычно требуют платформу ПК для работы их программного обеспечения и обеспечения более высокого уровня функциональности.
Во многих случаях, если дизайнер уже вынужден включить в систему ПК для целей связи или предоставления оператору удобного интерфейса взаимодействия с системой, лучше сразу сосредоточить все операции такого рода в ИПК. В результате можно получить значительно более дешевую и простую в изготовлении и установке систему. Применяется ли ИПК как самодостаточное решение, либо совместно с другими контроллерами, он обеспечивает интеллектуальный уровень работы производственного оборудования и служит для связи с высокоуровневыми системами контроля и другими вычислительными платформами. Персонал, знакомый с принципами работы промышленного оборудования может интуитивно настроить интерфейс контроля и управления на базе ИПК.
С другой стороны, персонал знакомый только с ИТ-инфраструктурой будет гораздо лучше знаком с экосистемой ПК и сетевого окружения, и может использовать другие технологии доступа, такие как удаленный доступ. ИПК подходят для применения во многих ситуациях ,включая описанные ниже.
Применение ИПК
Микроконтроллеры, ПЛК и ИПК применяются в большом количестве сценариев, и полезно будет рассмотреть наиболее типичные решения.
Заводская система контроля оборудования и процессов всегда требует наличия какой-либо платформы автоматизации. Серийно выпускаемые машины, такие как простое торговое оборудование, манипуляторы для переноски комплектующих или оборудование для тестирования и проверки имеют тенденцию к применению микроконтроллеров или простейших ПЛК, поскольку объемы выпуска оправдывают добавленную стоимость предварительной разработки программ контроля. Системы, выпускаемые небольшими партиями, по индивидуальному заказу или достаточно высокой сложности, имеют тенденцию к применению сложных моделей ПЛК и/или ИПК, поскольку эти более сложные системы могут помочь производителю быстрее запустить производство их продукции, экономя время и деньги на разработке и установке систем автоматизации.
Важной причиной включения ИПК в любой вид промышленных систем является движение всей индустрии производства в сторону “интеллектуальных фабрик”, или “Индустрии 4.0”. Эта концепция требует от оборудования производственных систем быть модульным и способным к легкой интеграции друг с другом и высокоуровневыми системами контроля и мониторинга процессов. Микроконтроллеры и большая часть ПЛК имеют довольно скромные возможности в этой сфере, но ИПК являются идеальным методом построения “интеллектуальных фабрик”.
Другой класс продуктов, требующих установки ИПК — терминалы самообслуживания посетителей в банках и торговых или медицинских учреждениях. Эти типы систем с гораздо большей вероятностью потребуют использования ПК, а не других типов контроллеров. Надежное сетевое соединение с другими такими же аппаратами или с системами контроля более высокого уровня является ключевой потребностью для работоспособности этих систем. Другим существенным отличием является все более становящееся стандартным требование наличия графического интерфейса, который ИПК предоставляют по умолчанию, или через внешний монитор, или через интегрированный в корпус дисплей.
Традиционные методы предоставления интерфейса “человек-машина” для автоматизированных систем включали в себя кнопки, ручки, вентили и цифровые табло. К сожалению, такая практика очень ограниченна по функциям и совершенно лишена гибкости после запуска системы, не говоря уже о высокой стоимости разработки и настройки. Богатый пользовательский интерфейс, предоставляемый ИПК — вот оптимальное решение для автоматизированных систем.
В наши дни пользователи ожидают даже от суровой производственной машины или специализированного пользовательского устройства получить такой же простой и понятный интерфейс управления как на их смартфоне, планшете, ПК или телевизоре. По наблюдению EDN-Europe.com (Ссылка 2), “Пользовательские интерфейсы современных смартфонов задают стандарты дизайна и в других сферах, например, в промышленном оборудовании”. ИПК можно легко снабдить еще большим количеством вычислительной мощности, оперативной памяти и дискового пространства, чтобы предоставить необходимую производительность. Также можно установить требуемую операционную систему и программное обеспечение для предоставления продвинутого пользовательского интерфейса, требуемого для использования во многих коммерческих и промышленных системах.
Пример применения
В некоторых индустриях, производитель оборудования может выбрать ИПК для работы в качестве общей консолидирующей платформы для разнообразных образцов автоматического оборудования. Представим себе производство, которое разрабатывает и изготавливает широкий ассортимент сборочных машин и манипуляторов для переноски деталей. Наиболее популярные модификации могут комплектоваться специализированными микроконтроллерами, а более индивидуальные модели могут использовать ПЛК.
Путем использования ИПК совместно с остальными компонентами, можно достичь нескольких целей. Прежде всего, ИПК по умолчанию может служить интерфейсом для работы с любой низкоуровневой платформой. Это позволяет производству выбрать наиболее подходящий вариант управляющей системы для каждого случая. В некоторых случаях, ИПК может сам выступать в роли управляющей платформы.
Во-вторых, ИПК предоставляет стандартный сетевой интерфейс и устоявшийся пользовательский интерфейс. Таким образом, производство минимизирует затраты на перенастройку при смене типа машинерии, используя одно и то же программное и аппаратное обеспечение в любой системе, предоставляя пользователям привычный функционал и внешний вид систем управления. Пользователи же очень ценят возможность легкой интеграции нового оборудования в систему без необходимости каждый раз заново изобретать колесо. К тому же, устоявшийся пользовательский интерфейс позволяет опытным пользователям легко обучать новичков и даже обучать их работе с многими однотипными системами на примере одной.
Интеграция ИПК предоставляет мощный инструмент автоматизации для любой производственной системы.
Заключение и обзор
Сегодня выбор технологий автоматизации шире, чем когда-либо, что позволяет дизайнерам оборудования и машин выбрать наилучшие варианты для каждого случая. В то же время, потребители становятся более требовательными и ожидают наличия продвинутых технологий связи и пользовательских интерфейсов в любом оборудовании.
ИПК являются идеальным решением, так как предоставляют оптимальную комбинацию прочной конструкции, высокой производительности, богатого выбора программного обеспечения, большого функционала систем управления, наличия графического интерфейса и наилучшего соотношения между ценой и качеством. Для многих сценариев применения интеграция ИПК с другими контроллерами или применение его в качестве основной платформы для автоматизации становится наилучшим выбором.
Одной из возможностей является интеграция разнообразных контроллеров, пользовательских интерфейсов и других устройств для обеспечения требуемых результатов. В этом случае каждый компонент выполняет конкретную задачу, а ИПК предоставляет средства связи с ними и удобный графический интерфейс управления. Такой подход подразумевает некоторую сложность и довольно высокую стоимость системы, но обеспечивает исключительную гибкость настройки.
Во многих случаях ИПК обладает более чем достаточном функционалом, чтобы быть самодостаточным решением платформы автоматизации. Производители оборудования могут воспользоваться полным спектром возможностей ИПК для предоставления большого количества функционала контроля в реальном времени, приема и обработки больших массивов данных, пользовательского интерфейса с множеством функций и мощного сетевого соединения.
Гибкие ИПК часто становятся наилучшим выбором для реализации интеллектуальной системы автоматизации производства. Они являются оптимальным решением для соединения миров ОТ и ИТ при создании интеллектуальных фабрик.