Тема с обложки: платформа ПК в промышленных системах управления

Современные средства управления на базе платформы ПК завоевывают все большую популярность на производстве благодаря гибкости, доступности программного обеспечения и относительно низкой стоимости. Дополнительным плюсом является возможность подключения к корпоративным информационным системам.

Влияние технологий, берущих начало от персональных компьютеров (ПК), ощущается повсюду. Распространенность средств управления на платформе ПК в сфере промышленных коммуникаций, интерфейсов оператора, мониторинга производства и т.д. достигла огромных масштабов. Благодаря персональным компьютерам возникла целая масса программного обеспечения, призванного облегчить диагностику, управление данными и другие операции на предприятиях.

Сейчас уже существует новый уровень технологий ПК, позволяющий осуществлять непосредственное управление производственными линиями. Эти технологии не так общеизвестны, и пользователи с некоторым недоверием относятся к платформе ПК из-за испорченной ранее репутации в задачах управления важными технологическими процессами. Поэтому степень распространенности средств управления, в действительности основанных на платформе ПК, не столь хорошо подтверждена. Несколько приведенных здесь примеров — всего лишь верхушка айсберга всей области применения технологий ПК.

Программное обеспечение для PC оптимизирует управление. На экране — интерфейс системы обработки коленчатых валов на фрезерных станках с ЧПУ. (Фото предоставлено компанией Bosch Rexroth)

Восстановление репутации

Репутация средств управления на основе платформы ПК восстанавливается, хотя и медленно, вместе с ростом доверия пользователей. В системах управления на базе ПК и недорогих персональных компьютерах для дома или офиса используется абсолютно разное аппаратное обеспечение. Многие промышленные компьютеры (ППК) разработаны специально под определенные задачи. Как следствие, достигается более высокая надежность благодаря исключению из конструкции подвижных деталей, например жесткого диска или охлаждающего вентилятора, и установке энергонезависимой flash-памяти, полупроводниковых компонентов и дополнительных плат для специфических задач. В некоторых случаях ППК может быть даже одноплатным компьютером. Встроенная возможность самодиагностики увеличивает надежность подобных систем.

Что касается программного обеспечения, устройства управления на платформе ПК отлично подходят для высокоуровневого программирования, а персональный компьютер становится платформой для создания приложений. ПК также облегчает моделирование и упрощает первоначальный запуск системы.

Вулканизация шин

Производство автомобильных шин включает в себя два сложных процесса, критичных в плане безопасности и надежности. В 2004 году Continental Tire (отделение немецкой компании Continental AG в США) приступила к модернизации 34 вулканизационных прессов для крупных шин на своем заводе в городе Шарлот, Северная Каролина. Раньше линией управляли ПЛК выпуска 1990-х годов, а теперь — средства управления на платформе ПК. Решение о переходе к централизованному управлению на базе ПК было принято, главным образом, из-за ограниченных возможностей имевшихся в наличии систем ПЛК, высокой стоимости новых ПЛК и желания избавиться от большого количества проводных соединений, необходимых децентрализованной системе для управления таким большим числом машин.

Централизованная архитектура на базе PC компании Beckhoff оптимизирует управление 34 вулканизационными прессами на заводе компании Continental Tire. На фото видны эластичные баллоны, которые надуваются внутри еще не вулканизированных шин, придавая им правильную форму

На шинном заводе установили новые сегментные формовые вулканизаторы, разработанные филиалом Continental FMF. В качестве базовой системы управления прессом использовались панельные ПК CP7130 компании Beckhoff Automation. Рассматривалось также оборудование других производителей средств управления, но компания Beckhoff стала главным кандидатом, благодаря ее длительному сотрудничеству с Continental в качестве поставщика продукции мировых стандартов. Новые прессы поддерживают три режима работы: ручной, автоматический и режим замены форм. Ручной режим позволяет вручную приводить в действие элементы установки, при этом можно без опасений изменять параметры и производить тонкую настройку. Как объясняет Джек Плилер, электротехник компании Continental Tire, в период бездействия в полостях пресса сохраняется вакуум, поэтому сегменты пресса не могут изменить положение.

Если пресс бездействует в течение длительного времени, система переходит в режим замены форм, при этом механизм поддержания вакуума отключается, что позволяет перемещать сегменты. В этом режиме производится замена деталей, обслуживание и чистка системы. В автоматическом режиме установка берет на себя процесс загрузки и выгрузки шин, в то время как мониторинг параметров вулканизации и других данных, а также их вывод на экран панельного ПК осуществляется при помощи пакета системного программного обеспечения TwinCat компании Beckhoff.

Модернизация привела к увеличению гибкости системы. Например, как отмечает Плилер, старые прессы под управлением ПЛК не могли работать в настоящем ручном режиме. "Некоторые наборы операций могли быть выполнены последовательно, но не запуск отдельных элементов установки", — объясняет он. Завод Continental также повысил верхний предел рабочей температуры системной платы до 66 °С, так как его поддерживают панельные ПК.

Flash-память вместо жесткого диска

"Ключевой особенностью модели CP7130 является поддержка 330 MB flash-памяти, с которой запускается операционная система Microsoft Windows XPE, а не жесткого диска, — продолжает Плилер. — Этот факт отмел последние аргументы в пользу сохранения подхода, основанного на ПЛК. К тому же, в панельном ПК вместо вентилятора установлен радиатор”. Причиной выбора Microsoft Windows для промышленного контроллера стал программный пакет TwinCat, работающий на ядре Windows независимо от других процессов ОС. "TwinCat имеет встроенную защиту от маловероятных неполадок Windows, не допускающую остановки задач реального времени, таких, как логическое и сетевое управление, и переводящую процесс в безопасное состояние", — добавляет Плилер.

Плилер напоминает, что промышленный контроллер на платформе ПК нельзя сравнивать с домашним или офисным компьютером. Beckhoff выпускает прикладные контроллеры с ОС Windows для различных промышленных задач с высокими требованиями уже несколько лет и планирует развивать данное направление.

Экономия средств, благодаря использованию решения на базе ПК, сразу стала очевидной. Как сообщает Continental, экономия в 50% достигнута за счет электрических и механических устройств управления из расчета на 34 модернизированных вулканизацион-ных пресса, а время установки электрооборудования оказалось на 50% (что составляет около 100 человеко-часов) меньше по сравнению со старыми системами на основе ПЛК.

Надежная, как бетон, система управления

Новый завод Enterprise Stone & Lime производит более двухсот типов бетона. Используются системы управления и ввода/вывода на базе PК, такие как Mistic и Snap, а также программное обеспечение собственной разработки, применяемое более чем на 30 заводах компании

Ведущий в США производитель строительных материалов и генеральный подрядчик — компания New Enterprise Stone & Lime Co. Inc. (NES&L) — владеет и управляет многочисленными каменоломнями, заводами по производству бетона и сопутствующими предприятиями по всей Пенсильвании и Делавэру. Сейчас NES&L использует системы управления и ввода/вывода на базе ПК компании Opto 22 для управления разнообразным оборудованием, применяемым при производстве бетона, гудрона, цемента, асфальта и других материалов. Бетон, в частности, не является однородным материалом. Эшли Флек, программист систем автоматизации в NES&L, отмечает существенные различия между бетоном, используемым при строительстве тюремных стен или трибун спортивного стадиона, и бетоном для различных жилых строений. "Каждый тип бетона — уникальная смесь множества различных ингредиентов: песка, щебня, стальных волокон и т.д.”,- объясняет Флек. Именно в этой области нужны современные средства управления.

Бетоносмесительным процессом на предприятиях NES&L управляют системы компании Opto 22, в том числе контроллер/процессор B3000 Ethernet I/O в сочетании с модулями аналогового и цифрового ввода/вывода, который управляет конвейерами, доставляющими щебень в смесь, и передает данные на ПК по сети Ethernet. Программное обеспечение системы управления (разработанное NES&L) выполняется на ПК, а не на контроллере. Система также управляет открыванием и закрыванием гидравлических затворов, контролирующих добавление нужного количества ингредиентов в смесь.

Эти и другие технологические процессы приводятся в действие и контролируются при помощи программного приложения, разработанного NES&L на Visual Basic (VB). Многочисленные опции приложения позволяют работать с различными алгоритмами управления, необходимыми для реализации множества "рецептов", созданных NES&L. "Эти алгоритмы зачастую нуждаются в модификации в зависимости от требований конкретного завода, -отмечает Флек — Мы понимали, что гораздо проще вносить изменения в приложение собственной разработки, а не в программное обеспечение других производителей".

По словам Флека, Opto 22 разрабатывает и предоставляет необходимое оборудование, не навязывая пользователям своего программного обеспечения. Благодаря этому, часто удается сэкономить тысячи долларов только на одном заказе. NES&L сократила расходы, используя силы собственных разработчиков программного обеспечения и оборудование компании Opto 22 с более открытой архитектурой. "Открытая архитектура позволяет создавать собственные приложения на VB, С и других известных языках программирования" — объясняет Флек.

Среди причин, по которым NES&L выбрала систему управления на базе ПК — меньшая стоимость, гибкость программного обеспечения и характерные для платформы широкие возможности коммуникации с корпоративными системами. Последняя особенность упрощает перенос полученной информации в базы данных — не требуется специального программного обеспечения, серверов или другого промежуточного оборудования, без которого не обойтись при использовании ПЛК или аналогичных устройств.

По словам Флека, средства управления на платформе ПК доказали свою исключительную надежность и дали NES&L явное преимущество при вводе в эксплуатацию новых заводов и производственных линий. "Многие подразделения и дочерние компании NES&L впервые узнали об этих технологиях. Мы внедрили эти средства управления на многих объектах, и нам фактически никогда не приходилось возвращаться для доработки", — утверждает он.

Оптимизация производства карданных валов

Компания Spicer Driveshaft Manufacturing Inc. (отделение Dana Automotive Systems Group) использует разработанную и внедренную компанией City Machine Tool & Die Co. Inc. (Манси, штат Индиана) производственную систему CNC Trunnion, позволяющую увеличить эффективность производства крестовин и деталей шарниров, применяемых в конструкции карданных валов Spicer. City Machine считает станки Trunnion техническим достижением — они могут выполнять до шести различных операций, поддерживают единое централизованное управление и быструю смену типа детали. Эти станки с многопозиционными столами напоминают двухпози-ционные, но с горизонтальными осями поворота. Они также отвечают растущим требованиям к габаритам — размер одного станка составляет 3,8×4,8×3 метра (ширина x длина x высота). Станки Trunnion управляются единой системой числового программного управления (ЧПУ) Rexroth MTC200, основанной на ПК-совместимых компонентах, предоставленных подразделением Electric Drives and Controls компании Bosch Rexroth.

Станки Trunnion компании City Machine Tool & Die управляются одним контроллером ЧПУ на платформе PC MTC200 производства Bosch Rexroth. Его интерфейс SERCOS обеспечивает высокую точность и скорость обработки с замкнутыми циклами управления положением и скоростью, не зависящими от пропускной способности сети

По словам Денниса Келли (Dennis Kelly), технического менеджера компании City Machine, каждый станок Trunnion выполняет независимую операцию, начиная от сверления и резьбонарезки и заканчивая полностью автоматической токарной обработкой. Большое значение имеет эффективная замена типа детали. "Если оператор хочет сменить тип детали, он должен иметь возможность быстро изменить программу, корректировочные константы и другие параметры, зависящие от детали. Это возможно лишь при объединении нескольких систем в одну”,- объясняет Келли.

Одна система Rexroth MTC200 поддерживает до семи независимых процессов и может выполнять несколько параллельных циклов обработки, а также управлять системами сбора данных и позиционирования. В семи процессах управления могут быть задействованы до 32 осей. Как объясняет Карл Рапп (Karl Rapp), заведующий отделением автоматизации механических станков компании Bosch Rexroth, MTC200 поддерживает все функции, необходимые для трехмерной, круговой и винтовой интерполяции, преобразования полярных координат и синхронизации главного шпинделя.

Согласно Раппу, программные функции ЧПУ и ПЛК, необходимые любому станку с числовым управлением, выполняет дополнительная плата, установленная в корпусе компьютера. "Преимущество этого решения состоит в том, что процесс работы станка не зависит от компьютера и операционной системы Windows. Передача параметров управления, имеющих критическое значение в системе с таким количеством осей, осуществляется по шине ISA”,- отмечает он.

Простота использования была ключевым требованием к Trunnion, именно оно стало главной причиной выбора системы числового управления станками MTC200, основанной на платформе ПК.

"Нам нужна была возможность сохранять и загружать множество программ, соответствующих разнообразным деталям, — объясняет Келли. — Наши станки производят большой ассортимент деталей. Контроллер ПЛК приходилось бы перепрограммировать при каждой смене типа детали. Используя систему управления на базе ПК, мы можем выбрать и загрузить программу, соответствующую любому типу детали при помощи меню. После загрузки программы станок готов к работе".

"Мы рассматривали вариант с ПЛК, но наши требования к системе управления слишком высоки, — продолжает Келли. — Этот контроллер в одиночку выполняет функции, которые реализуются только с помощью ПЛК, сопряженного с множеством дополнительных устройств. Наши клиенты получили систему, более простую в использовании и обслуживании, и с поддержкой простой смены типа детали"

Программное обеспечение обновляет станки

В 1993 году компания Great Lakes Industries (GLI, город Джексон, штат Мичиган) произвела обновление первого токарного станка, используя программное обеспечение OpenCNC, что привело к значительному и почти мгновенному увеличению времени безотказной работы и сокращению расходов на ремонт. Пакет OpenCNC, разработанный компанией Manufacturing Data Systems Inc. (MDSI), предназначен для серийной платформы ПК и, вероятно, является первым испытанным на производстве программным средством ЧПУ станков.

GLI производит шестерни и звездочки по заказу таких компаний, как John Deere. Заводской цех разделен на несколько производственных участков, каждый из которых выполняет три или четыре цикла в день. Объем партии составляет около 200 единиц и зависит от возможностей станка, размера и веса детали и требуемых операций. Компания специализируется на эксплуатации модернизированного оборудования, давая станкам "вторую жизнь”. Рик Стаффорд (Rick Stafford), инженер по автоматизации в GLI, рассказывает: "До установки пакета OpenCNC компании MDSI у нас было несколько станков, все еще производивших хорошие детали, но их системы управления совершенно устарели. Мы не могли позволить себе покупку новых станков. Однако основными нашими проблемами был вынужденный простой и расходы на ремонт"

Пакет OpenCNC появился в 1995 году, он работает на последней версии операционной системы Microsoft с модулем расширения реального времени компании Ardence Inc. (ранее Venturcom). Для большей надежности вице-президент по исследованиям и разработкам MDSI Брюс Норс (Bruce Nourse) предложил использовать чипсет и материнскую плату Intel и отказаться от ненужных расширений ПК, занимающих ресурсы системной шины памяти.

"Насколько это было возможно, функции управления реализовывались в ПК-совместимом программном обеспечении", — отмечает Норс. По его словам, требовалось лишь две свободно доступные платы. Одна плата считывала показания датчика положения и выводила сигнал ±10 В, который поступал в систему управления скоростью. Другая плата осуществляла цифровой ввод/ вывод, необходимый для реализации программной логики.

"Мы не использовали плат управления перемещениями, — добавляет Норс, — генерация траекторий и обратная связь для нескольких осей осуществлялась программно. Поддерживалось управление скоростью по гистерезисной кривой, изменяемые пределы ускорения и резких толчков, а также полноценное ПИД-регулирование с упреждением по скорости и ускорению".

Специализированные компьютеры, которые считаются традиционными средствами управления машинами, дороги и сложны в ремонте. В случае поломки у компаний есть два варианта: приобрести новую систему управления или ждать технической поддержки производителя. По словам Стаффорда, практически все машины в GLI — токар-но-револьверные, вертикально-фрезерные, четырехосные зубофрезерные, ше-стиосные сварочные станки и установки для индукционной закалки — с самого начала используются вместе с пакетом OpenCNC. "Мы разработали программу, обеспечивающую совместимость с OpenCNC. Время безотказной работы увеличилось на 20-50% по сравнению с прежним контроллером ЧПУ, а неполадки мы можем устранять самостоятельно, без помощи стороннего производителя", — утверждает он.

"Производительность станков с двухминутным циклом обработки увеличилась почти в два раза после внедрения OpenCNC. Благодаря этому пакету, мы можем покупать станки с устаревшей системой управления и модифицировать ее. Таким образом, мы получаем рабочий станок по цене, в десять раз меньшей первоначальной", — продолжает Стаффорд. Простой и понятный интерфейс OpenCNC также способствует быстрому освоению системы, а также значительному сокращению времени обучения.

В целом, средства управления на базе ПК набирают популярность. Они сочетают в себе преимущества открытой архитектуры, необходимую для управления быстрыми процессами скорость работы, легкость в обслуживании и модернизации, а также, что немаловажно, простоту интеграции с корпоративными системами. Тем не менее, использование элементов управления на основе ПК требует тщательного планирования. По мнению экспертов, оптимальным вариантом для системы управления на платформе ПК станет аппаратное и программное обеспечение одного производителя.