Platforma sterowania PC-based firmy Beckhoff. Od PLC do chmury obliczeniowej

Rys. 1.

Wykorzystanie komputerów przemysłowych w aplikacjach sterowania pracą maszyn i kontroli procesów ma wiele zalet. Urządzenia te mogą, podobnie jak w przypadku tradycyjnych sterowników, pracować w czasie rzeczywistym i komunikować się z wykorzystaniem różnych protokołów sieciowych, a dodatkowo cechują się wysoką wydajnością obliczeniową oraz możliwościami przetwarzania dużych ilości danych.

Dzięki temu mogą być z powodzeniem stosowane tam, gdzie konieczna jest wymiana informacji z nadrzędnymi systemami IT, a także potrzeba programowania w językach wysokiego poziomu przy jednoczesnym zachowaniu zgodności z językami określonymi w normie IEC 61131-3. W artykule przedstawiamy wybrane elementy składowe platformy sterowania firmy Beckhoff, w tym nowości sprzętowe i programowe przydatne w tworzeniu nowoczesnych systemów z obszaru Internetu Rzeczy i Przemysłu 4.0.

STEROWANIE PC-BASED

Rys. 2.

Podstawę sprzętową rozwiązań sterowania stanowią komputery przemysłowe i embedded firmy Beckhoff. Takimi są przede wszystkim modułowe komputery przemysłowe z serii CX, które łączą funkcjonalność sterowników PLC z możliwościami komputerów przemysłowych. Instalowane na szynie DIN, mogą pełnić zadania kontrolne w różnej wielkości aplikacjach. Ponieważ urządzenia mogą być elastycznie rozszerzane z wykorzystaniem modułów we/wy, można łatwo stworzyć system precyzyjnie dopasowany do potrzeb użytkownika końcowego.

Rodzina produktów CX obejmuje szereg urządzeń różniących się wykorzystanymi procesorami, wielkością wbudowanej pamięci i wydajnością. Jej podstawę tworzą produkty z procesorami Intela - począwszy od kompaktowych wersji z układami Pentium i Celeron (seria CX10xx), poprzez komputery z procesorami Intel Atom (CX50xx, CX51xx) do jednostek z wielordzeniowymi, bardzo wydajnymi Intel Core i7 w CX20xx (fot. 1). Dostępne są też kontrolery ethernetowe z energooszczędnymi procesorami ARM (seria CX90xx).

Rys. 3.

Urządzenia zróżnicowane są także pod względem innych parametrów - w szczególności wbudowanych interfejsów (Ethernet, porty szeregowe, USB, DVI, czytniki kart pamięci). Moduły cechują się standaryzacją wymiarów i, zależnie od typu, mogą również mieć zintegrowany układ zasilający. Komputery pracują w szerokim zakresie temperatur - typowo od -20°C do 60 lub nawet 80°C. Mogą one być dostarczane z preinstalowanym systemem operacyjnym Windows (w tym w wersji czasu rzeczywistego) oraz oprogramowaniem TwinCAT.

W przypadku tworzenia mniejszych systemów sterowania, użytkownicy mogą korzystać z ekonomicznych, ale nadal wysoce funkcjonalnych modułów z serii BX i BC (fot. 2). Zawierają one układy CPU, które mogą komunikować się z ponad kilkuset różnymi elementami I/O dostępnymi w ofercie firmy Beckhoff, pełniąc rolę autonomicznych sterowników PLC programowanych zgodnie z normą IEC 61131-3. Omawiane moduły mogą również zapisywać, przetwarzać i przesyłać do systemów nadrzędnych dane zarejestrowane lokalnie.

Urządzenia z serii BC i BX różnią się od siebie wielkością pamięci, interfejsem operatora (wyświetlacz, przyciski) i wbudowanymi złączami. Moduły występują w wersjach z interfejsami do sieci Profibus, CANopen, DeviceNet, Ethernet oraz do sieci szeregowych, a także, co dotyczy tylko kontrolerów typu BC, w standardach: Lightbus, Interbus oraz Modbus.

KOMUNIKACJA - OD MODUŁÓW WE/WY DO SERWERÓW OPC UA

Rys. 4.

Cechą wyróżniającą omawiane powyżej urządzenia jest ich pełna kompatybilność z dowolnymi modułami we/wy w standardzie K-bus oferowanymi przez firmę Beckhoff. Niezależnie od tworzonego systemu i wykorzystywanego w nim sterownika, użytkownik może dobierać takie same moduły spośród oferty kilkuset produktów (fot. 3) dostępnych w ofercie firmy.

Zapewniają one możliwość komunikacji z wykorzystaniem większości stosowanych w branży protokołów, w tym czasu rzeczywistego, sterowanie pracą urządzeń wykonawczych, komunikację z czujnikami, systemami wizyjnymi i innymi elementami systemów automatyki.

Komunikacja to nie tylko moduły zewnętrzne, ale też funkcjonalność w oprogramowaniu. W 2014 roku Beckhoff wprowadził do systemu TwinCAT bloki funkcyjne OPC UA dla IEC 61131-3, co zapewniło zupełnie nowe możliwości aplikacyjne. Przykładowo sterownik może bezpośrednio wywoływać funkcje w innych urządzeniach i oprogramowaniu z wykorzystaniem komunikacji B2M.

Może on uruchomiać usługi w systemie wizyjnym, czytniku RFID, komunikować się z panelami operatorskimi lub sterownikami firm trzecich. Urządzenia PC-based mogą też wymieniać dane w złożonych strukturach informacyjnych zarówno w poziomie - pomiędzy innymi PLC i komponentami automatyki, jak też w pionie - przesyłać informacje do systemów MES/ERP czy do chmury obliczeniowej.

OPROGRAMOWANIE TWINCAT

Rys. 5.

Tym, co pozwala przekształcić platformę sprzętową w pełni funkcjonalny system sterowania, jest oprogramowanie TwinCAT. Zapewnia ono możliwość stworzenia softwarowego sterownika logicznego zgodnego z normą IEC 61131-3, a więc programowanego dokładnie tak, jak klasyczne PLC.

Dodatkowo pozwala na korzystanie z takich standardowych języków jak C/C++, C#, .NET, Visual Basic, a nawet Matlab/Simulink (fot. 4). TwinCAT ma również funkcje kontroli pracy napędów, wykonywania pomiarów oraz wspomnianej komunikacji, w tym z chmurą obliczeniową.

Informacje na temat oprogramowania znaleźć można w wydaniach APA z marca oraz lipca 2017 roku, a także na stronach www.automatykaB2B.pl oraz www.beckhoff.pl/twincat/ W tym miejscu zwracamy jedynie uwagę na dwie nowości w bibliotekach funkcyjnych TwinCAT:

• TC3 IoT Communication (TF6701) - pozwala na przesyłanie danych z użyciem protokołu MQTT (MQ Telemetry Transport); jest to standaryzowany sposób wymiany danych popularyzujący się m.in. dzięki szybkości transmisji oraz wykorzystywaniu go przez dostawców usług IT, w szczególności chmurowych (fot. 5);
• TC3 Database Server (TF6420) - serwer zapewniający bezpośrednią komunikację pomiędzy bazami danych a systemem bazującym na TwinCAT; pozwala na łatwe logowanie danych ze sterowników PLC w sposób cykliczny lub przy występowaniu określonych zdarzeń.

BEZPIECZEŃSTWO I STEROWANIE NAPĘDAMI

Rys. 6.

Platforma sterowania firmy Beckhoff, jak już wspomniano, pozwala na łatwą integrację różnorodnych modułów sprzętowych oraz funkcji w oprogramowaniu TwinCAT. Pozwala to na rozbudowę systemów sterowania zgodnie z potrzebami producenta maszyn czy integratora systemów. Przykładem jest wykorzystanie funkcji safety, co umożliwiają rozwiązanie bezpieczeństwa TwinSAFE (fot. 6)

Moduły (terminale) bezpieczeństwa mogą być zintegrowane bezpośrednio w platformie sterowania dzięki wykorzystaniu protokołu bezpieczeństwa TwinSAFE/FailSafe over EtherCAT. Dostępne są wersje o stopniu ochrony IP20 z interfejsem K-bus oraz EtherCAT, jak też wykonane w standardzie IP67 i mogące być montowane bezpośrednio na maszynach.

Dodatkowo, korzystając z technologii TwinSAFE SC (TwinSAFE Single Channel), możliwe jest użycie sygnałów bezpiecznych w dowolnej sieci (o dowolnym standardzie). Umożliwia to przykładowo bezpieczne monitorowanie temperatury czy przetwarzanie wartości analogowych. TwinSAFE SC pozwala na uzyskanie poziomu bezpieczeństwa PL d/Kat. 3 zgodnie PN-EN ISO 13849-1 oraz SIL 2 zgodnie z PN-EN ISO 62061.

Rys. 7.

Dodatkowo platforma sterowania umożliwia łatwe zintegrowanie modułów serwonapędowych oraz wykonywanie zadań typu motion (fot. 7). Dotyczy to zarówno aplikacji najprostszych, jak i zaawansowanych, obejmujących kontrolę bardzo wielu osi w czasie rzeczywistym (na bazie urządzeń Beckhoffa wdrożony został system mający 1200 osi serwo!).

Wykorzystując wybrane moduły z serii CX, można uruchamiać zaawansowane systemy maszyn CNC i sterowania ruchem jak np.: latająca piła, elektroniczna przekładnia oraz elektroniczna krzywka. Ponieważ komputer przemysłowy stanowi również środowisko pracy systemu SCADA, możliwe jest tworzenie w pełni kompaktowych, a jednocześnie wydajnych systemów sterowania i wizualizacji pracy maszyn oraz instalacji technologicznych.

NOWE MODUŁY POMIAROWE ORAZ IOT BUS COUPLER

Rys. 8.

Omawiana platforma znacznie wykracza pod względem funkcjonalnym poza typowe systemy sterowania i kontroli. Producent rozszerzył niedawno ofertę o szereg nowych modułów, w szczególności pomiarowych, które pozwalają na wykonywanie precyzyjnych, stabilnych pomiarów i bezpośrednią integrację w systemie (fot. 8).

Rodzina obejmuje wersje o rozdzielczościach od 12 do 24 bitów i możliwościach akwizycji do 50 tys. próbek na sekundę. Oferowane są przy tym wykonania z różnymi wejściami (napięciowe, prądowe, termoparowe, itd.), a także różniące się liczbą kanałów.

Moduły pomiarowe mogą być wykorzystywane w aplikacjach pomiarowych w przemyśle, do monitorowania warunków środowiskowych, jakości zasilania czy do pracy w systemach automatycznego testowania (ATE).

Rys. 9.

Warto dodać, że wszystkie są wykonywane w standardzie przemysłowym, tj. w metalowych obudowach zapewniających odporność na zaburzenia elektrostatyczne oraz wysoką wytrzymałość środowiskową.

Inną z nowości jest rewolucyjny IoT Bus Coupler EK9160 (fot. 9), który zapewnia bezpośrednią łączność modułów we/wy w standardzie EtherCAT z systemami domeny Internetu Rzeczy (IoT). Dokonuje on konwersji sygnałów z szyny E-bus na różne protokoły IoT, pozwalając na bezpieczne, szyfrowane udostępnianie danych z systemów sterowania przykładowo do chmur obliczeniowych w celu ich przetwarzania i analizy. Całość odbywa się bez potrzeby programowania (wymagana jest jedynie intuicyjna parametryzacja poprzez przeglądarkę), co zapewnia bardzo szybkie tworzenie systemów IoT.

GOTOWOŚĆ NA INDUSTRY 4.0

Rys. 10.

Systemy Beckhoffa zapewniają możliwość łatwej akwizycji danych, ich przetwarzania oraz komunikacji m.in. z chmurą obliczeniową, a w efekcie tworzenia rozwiązań należących do domeny Przemysłu 4.0 oraz Internetu Rzeczy. Jeżeli zaś chodzi o sterowanie pracą maszyn i urządzeń, to systemy PC-based z oprogramowaniem TwinCAT z powodzeniem zastępują też tradycyjne sterowniki programowalne.

Ich przykładowymi zastosowaniami są zaawansowane aplikacje mechatroniczne, takie jak systemy montażowe, maszyny do cięcia drewna, obróbki metali, produkcji tworzyw sztucznych, a także systemy pakujące i automaty montażowe. Uniwersalność platformy sterowania firmy Beckhoff pozwala również na jej użycie w instalacjach procesowych (generacja energii, logowanie zużycia mediów, aplikacje w sektorze wodociągowo-kanalizacyjnym), automatyce budynkowej (sterowanie parametrami instalacji w pomieszczeniach, kontrola dostępu) i wielu innych dziedzinach.

Beckhoff Automation
www.beckhoff.pl