Як при створенні терміналу самообслуговування для відвідувачів, так і при розробці високоінтелектуального обладнання для Індустрії 4.0, сьогоднішні дизайнери та інженери з автоматизації постають перед вибором з великої кількості доступних апаратних рішень і платформ.
Як при створенні терміналу самообслуговування для відвідувачів, так і при розробці високоінтелектуального обладнання для Індустрії 4.0, сьогоднішні дизайнери та інженери з автоматизації постають перед вибором з великої кількості доступних апаратних рішень і платформ. Різні платформи підходять для вирішення різних типів завдань, але важливо розуміти для яких завдань найкраще застосовувати ту чи іншу платформу, щоб забезпечити оптимальний вибір для кожного випадку.
Так як персональні комп’ютери (ПК) широко поширені вже протягом десятиліть, для багатьох замовників є логічним припущення, що в майбутньому ПК будуть безпосередньо інтегровані в системи автоматизації та моніторингу. І справді, існує особлива модифікація ПК - індустріальний ПК (ІПК), створена для цієї мети.
Звичайно, існують і інші можливі рішення для автоматизації, такі як спеціалізовані мікроконтролери або добре відомі споживачам програмовані логічні контролери - ПЛК. Різні комбінації цих пристроїв можуть давати найкращий ефект в деяких випадках застосування, але дана Корпоративна Пропозиція концентрується на випадках, де застосування ІПК дає найкращий вплив.
Контролери і комп’ютери будь-якого типу застосовуються для вирішення безлічі завдань. Вони можуть просто відстежувати вхідні сигнали або можуть мати логічні схеми управління, що активують вихідні сигнали. Деякі можуть мати найпростіші засоби взаємодії з операторами, такі як кнопки або лампочки, інші можуть зажадати застосування більш складних пристроїв, типу дисплеїв або комп'ютерних моніторів. Вони можуть видавати дані журналів або виробляти складні розрахунки. Ці системи можуть бути автономними, але розробка нових систем автоматизації в доктрині Інтернету Речей (ІР) означає, що наявність інтелектуального управління та мережевого доступу стає все більш важливим.
При проектуванні важливо правильно поставити задачу. В даному випадку, основні фактори вибору програмованих контролерів і комп’ютерів - навколишнє середовище, необхідний набір функцій, можливі способи віддаленого доступу. Само собою, ціна завжди важлива. Найчастіше, вибір одного пристрою, який забезпечує досягнення найбільшої кількості цілей, є оптимальним рішенням.
У цій корпоративній пропозиції ми опишемо всі за та проти різних технологій і платформ автоматизації, щоб визначити, в якому випадку ІПК підходять найкраще. Для багатьох випадків застосування, ця технологія пропонує оптимальну комбінацію характеристик і може бути ідеальним рішенням для інтелектуальної автоматизації. Крім цього, ІПК є ідеальним вибором для реалізації принципів Індустрії 4.0 завдяки тому, що об'єднують системи операційних технологій (ОТ) з інформаційною технологією (ІТ). Ми почнемо з розгляду ключових аспектів, які визначають ІПК.
Що робить ПК індустріальним?
ІПК зазвичай виконуються у формі коробки і мають набір портів для конекторів, але на цьому їх схожість з домашніми ПК і ноутбуками закінчується (дивись далі, Характеристики ІПК). ІПК призначені для всановлення в контрольних шафах або іншому промисловому обладнанні. Корпус ІПК зазвичай виготовлений з металу і зібраний дуже жорстко, щоб протистояти високим температурам, сильним вібраціям та іншим факторам несприятливого навколишнього середовища.
Характеристики ІПК
- Міцна конструкція для небезпечних середовищ
- Можуть працювати при високих температурах
- Відсутність вентиляторів зводить до мінімуму механічні поломки
- Компактні корпуса з багатьма варіантами встановлення
- Використовують стандартні процесори, пам'ять і жорсткі диски для забезпечення чудового співвідношення ціна/продуктивність
- Збільшені можливості підключення до материнської плати
- Підтримка численних шин з'єднання промислових контролерів
- Стандартні модулі зв'язку (USB, Ethernet та бездротове з'єднання)
- Графічний інтерфейс який можна переглянути через кабель HDMI і/або VGA
Переважна частина ІПК не має вентиляторів і охолоджується через вентиляційні отвори в корпусі. Виключення вентилятора з системи робить її більш стійкою до пилу і прибирає значну частину механічних поломок. Таким чином, надійність гранично висока. В ІПК немає витратних матеріалів або пристроїв, що вимагають періодичне техобслуговування, але в разі відмови будь-якого модуля він може бути швидко заменен.В будь-якому випадку, відмовостійкість цих систем на порядок більше рівня їх комерційних аналогів і дорівнює або перевищує рівень надійності ПЛК та інших промислових контролерів.
ІПК не тільки міцні, вони також винятково гнучкі у встановленні. Зазвичай вони дуже компактні і пропонують численні посадочні місця, включаючи встановлення на болти на обладнання або встановлення в стандартний 19-дюймовий слот у контрольну шафу. Ще один популярний варіант встановлення промислових пристроїв - DIN-рейка, що дозволяє модульну збірку систем контролю і автоматизації з багатьох типів компонентів.
ІПК можуть встановлюватися в контрольні шафи та інші посадочні місця різними способами, включаючи встановлення на DIN-рейку.
Так як ІПК є похідними стандартних домашніх ПК, високий ступінь налаштованості є одним з їх основних переваг. Так само як і звичайні побратими, ІПК дозволяють легко змінювати обсяги встановленої пам'яті, жорсткого диска, модулів і інші функції. Найбільш компактні версії ІПК часто працюють на архітектурі RISC, більш просунуті версії використовують х86-бітові платформи.
Найбільш помітний аспект, в якому ІПК виділяються на тлі домашніх ПК - функціонал підключень до материнської плати. Деякі моделі повністю закриті, в той час як інші пропонують множинні підключення роз'єми вводу/виводу. Більш сучасні версії можуть мати стандартні порти і міні-PCI слоти, а найбільш конфігуруючи системи побудовані за форм-фактором PC/104 для вбудованих комп'ютерів. Це дозволяє щільно скомпонувати всі плати в корпусі ІПК.
Різні виробники надають рішення для можливості підключення великої кількості датчиків і промислових мережевих пристроїв, більш сучасні варіанти роз'ємів вводу/виводу і різних інтелектуальних сенсорів і датчиків. Ці типи підключень дуже важливі для побудови промислових автоматизованих систем. Наприклад, Advantech пропонує технологію iDoor, значно розширює доступний набір можливих підключень.
Технологія iDoor від Advantech надає широкий вибір опцій підключення різних модулів для ІПК.
Інші мережеві інтерфейси відповідають стандартним аналогам. ІПК містять USB-порти для підключення стандартних пристроїв (миші, клавіатури, принтери). Доступ до локальної мережі надається по дротовому або бездротовому з'єднанню. Стандартні слоти для карт пам'яті надають зручний спосіб скачування і закачування інформації.
Можливо, найбільш значна відміна ІПК від ПЛК або мікроконтролерів - наявність HDMI і/або VGA-роз'ємів, так що ІПК може безпосередньо управляти дисплеєм. Це підвищує шанси ІПК бути комплексною і самодостатньою системою. Багато ІПК обладнані вбудованими дисплеями, будучи компактним і економічно-ефективним рішенням.
 |
 |
Великою перевагою ІПК є наявність моделей з вбудованими дисплеями, що економить гроші, місце і зусилля по встановленню.
Як повністю доступний для віддаленого доступу комп'ютер, ІПК спочатку забезпечує взаємодію з ІТ-системами.
ІПК може бути посередником між системами автоматизації цехового рівня і більш високорівневими системами, такими як система планування ресурсів (ERP) або система контролю виробничих процесів (MES).
Це означає, що ІПК є природним вибором для зв'язку операційного обладнання (верстатів і роботів) з високорівневими промисловими базами даних, такими як система планування ресурсів (ERP), система контролю виробничих процесів (MES), або система управління активами (AMS). Ці системи можуть бути розташовані на підприємстві і пов'язані з ІПК по дротовому з'єднанню, або ж зв'язок може здійснюватися через інтернет з хмарними системами.
На набагато більш детальному рівні, пристрої ІР, наприклад контролер двигуна можуть об'єднуватися одним або декількома ІПК для створення ієрархічної структури управління і мережевого доступу до цих інтелектуальних пристроїв.
Якщо ІПК такий хороший, що ж можуть запропонувати інші варіанти?
Інші варіанти
Інші обчислювальні платформи для автоматизації існують і мають свою нішу. Як ми незабаром переконаємося, вибір найчастіше стоїть не між ними і ІПК, а між їх різними комбінаціями з ІПК, що дає оптимальний результат. Спеціалізовані вбудовані мікроконтролери і ПЛК - два найбільш часто використовуваних виду платформ для автоматизації, крім ІПК.
Спеціалізовані вбудовані мікроконтролери найбільш ефективні для застосування в продуктах, чий щорічний обсяг продажів обчислюється десятками тисяч. Це визначається тим, що вони створені спеціально для забезпечення мінімально необхідного функціоналу, тому немає зайвих витрат на невикористані функції.
Однак, є багато недоліків. З боку кінцевого користувача потрібні значні витрати зусиль по дизайну і виробництву специфічного мікроконтролера і його інтеграції в кінцевий продукт. Зазвичай доступний тільки обмежений набір специфічних конфігурацій, а апаратне забезпечення, швидше за все, доведеться додатково захищати від умов навколишнього середовища. Більш досконалі і специфічні для промисловості можливості, типу промислових мережевих шин, датчиків та іншого, швидше за все будуть недоступні.
 |
 |
Мікроконтролери недорогі, але вимагають значних витрат часу і зусиль для створення надійного захисту від умов навколишнього середовища в промисловості.
Ці пристрої важче програмувати, так як вони не володіють тим же ступенем орієнтації на потреби користувача, яка закладається в пристрої широкого вжитку. При відсутності компанії-постачальника послуг, кінцевий користувач повинен сам забезпечувати технічну підтримку своїх мікроконтролерів, що збільшує вартість їх використання.
З іншого боку, ПЛК значно краще адаптовані для чудової продуктивності при контролі в режимі реального часу різних дискретних і аналогових процесів. Їх можна вважати мікроконтролерами, заздалегідь вбудованими в систему які мають багато покращень. Вони коштують більше, ніж мікроконтролери, але все ще досить вигідні в промислових масштабах.
ПЛК чудово впорається з контролем простих систем і процесів середньої складності, але не можуть зрівнятися з продуктивністю і функціоналом ІПК.
В останні роки, ПЛК були легко доступним комерційним рішенням для систем підвищеної надійності. Наприклад, за твердженням Control.eng, ПЛК є "розвиненою технологією без особливих перспектив для фундаментального поліпшення, так як вони використовуються вже близько 50 років. Однак, так само як і у їхніх близьких суперників в світі споживчої електроніки, постійно відбуваються значні поліпшення в сфері збільшення швидкості роботи, зменшення розміру та здешевлення продукту ".
Незважаючи на це, ПЛК мають досить серйозні обмеження в деяких варіантах застосування. Швидкість обробки даних і обсяги пам'яті можуть не відповідати вимогам, а більш просунуті стратегії контролю (такі як координація систем контролю руху і спостереження) дуже складні в реалізації. ПЛК набагато частіше обладнані шинами для підключення датчиків і інших промислових мережевих пристроїв, але можуть не підтримувати всіх бажаних протоколів зв'язку. Звичайний ПК все ще може бути потрібен для забезпечення зв'язку ПЛК з ІР та системами ІТ. До того ж, ПЛК нарівні з мікроконтролерами не такі прості в освоєнні для обслуговуючого персоналу, як ІПК, що робить їх інтеграцію в високорівневі системи автоматизації складнішою.
Ще одним істотним недоліком ПЛК і мікроконтролерів в порівнянні з ІПК є відсутність простого інтерфейсу для взаємодії з оператором. Для цієї мети мікроконтролери зазвичай вимагають додаткове програмне і апаратне забезпечення. ПЛК зазвичай надають апаратну базу для доступу, а розміщені на ПК програми надають варіанти інтерфейсу "людина-машина". ІПК, навпаки спочатку здатні працювати з пристроями введення і дисплеями, та деякі постачаються з вбудованими дисплеями розміром до 21,5 дюйма або більше.
Найкращим рішенням є використання ІПК спільно з мікро контролером або ПЛК. У такій конфігурації мікроконтролер або ПЛК буде здійснювати прямий моніторинг і контроль сигналів вводу/виводу, а весь високорівневий функціонал, взаємодія з оператором і з'єднання з мережею буде забезпечуватися ІПК. З технічної точки зору, використання ІПК для надання інтерфейсу "людина-машина" і зв'язку ПЛК або мікроконтролера з високорівневою системою управління є дуже привабливим. Звичайно ж, введення в систему додаткових платформ ускладнює установку і технічну підтримку і вимагає більше місця в контрольній шафі.
З цієї причини в деяких ситуаціях краще розглядати ІПК як самодостатнє рішення для автоматизації.
ІПК позбавлені недоліків мікроконтролерів і ПЛК
Звичайно, ІПК впораються з повсякденними завданнями обробки сигналів вводу/виводу і підтримки зв'язку між пристроями, але найкраще вони виявляють себе як самодостатнє рішення, яке надає розвинені можливості та продуктивність кожного разу, коли того вимагає реалізована автоматизована задача.
Переваги ІПК
- Компактна компоновка дає широкий вибір варіантів встановлення
- Потужність процесора, обсяги пам'яті і жорсткого диска можна легко збільшити
- Можуть працювати з багатьма операційними системами
- Дозволяють запускати складні керуючи системи та інші додатки
- Можуть вести контроль стану системи в реальному часі
- Чудові в ролі сполучної ланки між системами операційних технологій (ОТ) та інформаційних технологій (ІТ)
- Легко опановуються фахівцями в ОП і в ІТ.
Як вже було зазначено, ІПК володіють багатьма фізичними характеристиками, що роблять їх оптимальним вибором для будь-якого зразка промислового обладнання. Що ще більш важливо, користувачі можуть придбати саме ту кількість обчислювальної потужності, яка потрібна даній системі. Велика кількість процесорів різних модифікацій доступно і здатне задовольнити будь-які запити. Карти пам'яті та жорсткі диски різного об'єму стали дешевим товаром. Платформи ІПК легко масштабуються під потреби будь-якої програми і, так як вони створюються з доступних на ринку компонентів найвищої якості, ІПК пропонують набагато більш високе співвідношення ціна/продуктивність в порівнянні з альтернативами, роблячи їх прекрасним вибором навіть для найбільш вимогливих додатків.
Коли справа стосується можливостей взаємодії з мережею та віддаленого управління, ІПК надають більш широкий вибір можливостей, в порівнянні з іншими платформами автоматизації. До того ж, вони надають як промислові підключення (шини мережевих пристроїв і послідовні роз'єми), так і стандартні типи інтернет підключення (дротове, бездротове і HDMI з'єднання).
З точки зору програмного забезпечення, ІПК можуть працювати з різними операційними системами, такими як Linux, Windows Embedded і останніми версіями Windows. Ці операційні системи дозволяють користувачам використовувати будь-яке необхідне програмне забезпечення або розробляти програми на програмній платформі за своїм вибором.
Яскравий приклад це, коли ІПК підходить ідеально, є застосування складних алгоритмів в процесі складного контролю процесів (APC). Ці алгоритми можуть зажадати наявності локального сховища даних і обчислення середніх величин за допомогою складних математичних обчислювальних задач - саме для цих цілей і розробляються ІПК. Системи спостереження і контролю руху також зазвичай вимагають платформу ПК для роботи їх програмного забезпечення і забезпечення більш високого рівня функціональності.
У багатьох випадках, якщо дизайнер вже змушений включити в систему ПК для цілей зв'язку або надання оператору зручного інтерфейсу взаємодії з системою, краще відразу зосередити всі операції такого роду в ІПК. У підсумку можливо отримати значно дешевшу і просту у виготовленні і встановленні систему. Застосовується ІПК як самодостатнє рішення, або спільно з іншими контролерами, він забезпечує інтелектуальний рівень роботи виробничого обладнання і служить для зв'язку з високорівневими системами контролю і іншими обчислювальними платформами. Персонал, знайомий з принципами роботи промислового обладнання може інтуїтивно налаштувати інтерфейс контролю і управління на базі ІПК.
З іншого боку, персонал знайомий тільки з ІТ-інфраструктурою буде набагато краще знайомий з екосистемою ПК і мережевого оточення, і може використовувати інші технології доступу, такі як віддалений доступ. ІПК підходять для застосування в багатьох ситуаціях, включаючи описані нижче.
ПЛК превосходно справляются с контролем простых систем и процессов средней сложности, но не могут сравниться с производительностью и функционалом ИПК.
Застосування ІПК
Мікроконтролери, ПЛК та ІПК застосовуються в великій кількості сценаріїв, і корисно буде розглянути найбільш типові рішення.
Заводська система контролю обладнання та процесів завжди вимагає наявності будь-якої платформи автоматизації. Серійно вироблені машини, такі як просте торгове обладнання, маніпулятори для перенесення комплектуючих або обладнання для тестування і перевірки мають тенденцію до застосування мікроконтролерів або найпростіших ПЛК, оскільки обсяги випуску виправдовують додану вартість попередньої розробки програм контролю. Системи, що впроваджуються невеликими партіями, за індивідуальним замовленням або досить високої складності, мають тенденцію до застосування складних моделей ПЛК та/або ІПК, оскільки ці більш складні системи можуть допомогти виробнику швидше запустити виробництво їх продукції, економлячи час і гроші на розробці і встановленні систем автоматизації .
Важливою причиною включення ІПК в будь-який вид промислових систем є рух всієї індустрії виробництва в бік "інтелектуальних фабрик", або "Індустрії 4.0". Ця концепція вимагає від обладнання виробничих систем бути модульним і здатним до легкої інтеграції один з одним і високорівневими системами контролю і моніторингу процесів. Мікроконтролери і велика частина ПЛК мають досить скромні можливості в цій сфері, але ІПК є ідеальним методом побудови "інтелектуальних фабрик".
Інший клас продуктів, що вимагає встановлення ІПК - термінали самообслуговування відвідувачів у банках та торговельних або медичних установах. Ці типи систем з набагато більшою ймовірністю зажадають використання ПК, а не інших типів контролерів. Надійне мережеве з'єднання з іншими такими ж апаратами або з системами контролю вищого рівня є ключовою потребою для працездатності цих систем. Іншою істотною відмінністю є наявність графічного інтерфейсу, який ІПК надають у базовій конфігураціїї, або через зовнішній монітор, або через інтегрований в корпус дисплей.
Традиційні методи надання інтерфейсу "людина-машина" для автоматизованих систем включали в себе кнопки, ручки, вентилі та цифрові табло. На жаль, така практика дуже обмежена за функціями і абсолютно позбавлена гнучкості після запуску системи, не кажучи вже про високу вартість розробки і настройки. Багатий користувальницький інтерфейс, що надається ІПК - ось оптимальне рішення для автоматизованих систем.
У наші дні користувачі очікують навіть від суворої виробничої машини або спеціалізованого призначеного для користувача пристрої отримати такий же простий і зрозумілий інтерфейс управління як на їх смартфоні, планшеті, ПК або телевізорі. За спостереженням EDN-Europe.com, "Інтерфейси сучасних смартфонів задають стандарти дизайну і в інших сферах, наприклад, в промисловому обладнанні". ІПК можна легко забезпечити ще більшою кількістю обчислювальної потужності, оперативної пам'яті і дискового простору, щоб надати необхідну продуктивність. Також можна встановити необхідну операційну систему та програмне забезпечення для надання новітнього інтерфейсу, необхідного для використання в багатьох комерційних і промислових системах.
Приклад застосування
У деяких індустріях, виробник обладнання може вибрати ІПК для роботи в якості загальної консолідуючої платформи для різноманітних зразків автоматичної обладнання. Уявімо собі виробництво, яке розробляє та виготовляє широкий асортимент складальних машин і маніпуляторів для перенесення деталей. Найбільш популярні модифікації можуть комплектуватися спеціалізованими мікроконтролерами, а більш індивідуальні моделі можуть використовувати ПЛК.
Шляхом використання ІПК спільно з іншими компонентами, можна досягти кількох цілей. Перш за все, ІПК у базовій конфігураціїї може слугувати інтерфейсом для роботи з будь-якою низькорівневою платформою. Це дозволяє виробництву обрати найбільш підходящий варіант керуючої системи для кожного випадку. У деяких випадках, ІПК може сам виступати в ролі керуючої платформи.
По-друге, ІПК надає стандартний мережевий інтерфейс і сталий призначений для користувача інтерфейс. Таким чином, виробництво мінімізує витрати на переконфігурацію при зміні типу машинерії, використовуючи те саме програмне і апаратне забезпечення в будь-якій системі, надаючи користувачам звичний функціонал і зовнішній вигляд систем управління. Користувачі дуже цінують можливість легкої інтеграції нового обладнання в систему без необхідності кожного разу заново винаходити колесо. До того ж, сталий призначений для користувача інтерфейс дозволяє досвідченим користувачам легко навчати новачків і навіть навчати їх роботі з багатьма однотипними системами на прикладі однієї.
Інтеграція ІПК надає потужний інструмент автоматизації для будь-якої виробничої системи.
Висновок та огляд
Сьогодні вибір технологій автоматизації ширше, ніж будь-коли, що дозволяє дизайнерам обладнання та машин вибрати найкращі варіанти для кожного випадку. У той же час, споживачі стають більш вимогливими і очікують наявності новітніх технологій зв'язку та призначених для користувача інтерфейсів в будь-якому обладнанні.
ІПК є ідеальним рішенням, так як надають оптимальну комбінацію міцній конструкції, високої продуктивності, багатого вибору програмного забезпечення, великого функціоналу систем управління, наявності графічного інтерфейсу і найкращого співвідношення між ціною і якістю. Для багатьох сценаріїв застосування інтеграція ІПК з іншими контролерами або застосування його в якості основної платформи для автоматизації стає найкращим вибором.
Однією з можливостей є інтеграція різноманітних контролерів, призначених для користувача інтерфейсів та інших пристроїв для забезпечення потрібних результатів. У цьому випадку кожен компонент виконує конкретне завдання, а ІПК надає засоби зв'язку з ними і зручний графічний інтерфейс управління. Такий підхід має на увазі деяку складність і досить високу вартість системи, але забезпечує виняткову гнучкість настройки.
У багатьох випадках ІПК володіє більш ніж достатній функціоналом, щоб бути самодостатнім рішенням платформи автоматизації. Виробники обладнання можуть скористатися повним спектром можливостей ІПК для надання великої кількості функціоналу контролю в реальному часі, прийому і обробки великих масивів даних, призначеного для користувача інтерфейсу з безліччю функцій і потужного мережевого з'єднання.
Гнучкі ІПК часто стають найкращим вибором для реалізації інтелектуальної системи автоматизації виробництва. Вони є оптимальним рішенням для з'єднання світів ОТ та ІТ при створенні інтелектуальних фабрик.