Kontrolery PAC w automatyzacji kopalni odkrywkowej

Rys.1. Rozwój rozwiązań

Z czasem w coraz większej liczbie aplikacji układy przekaźnikowe zastąpiono nowocześniejszymi układami PLC, a komputery przemysłowe, wraz z rozwojem technologii, przekształciły się w specjalizowane komputery z określoną funkcjonalnością i o niewielkich gabarytach. Powstała nowa grupa produktów – tzw. kontrolerów wbudowanych (Embedded Controllers). Dalszy rozwój tych rozwiązań (patrz rys. 1) doprowadził do coraz większego zacierania się różnic pomiędzy wymienionymi dwoma segmentami i powstawania urządzeń określanych jako PAC (Programmable Automation Controllers). Tego typu kontrolery programowalne mogą być stosowane w wielu złożonych aplikacjach, czego przykładem jest opisany w artykule system sterowania w kopalni odkrywkowej.

W kierunku PAC

Wyróżniającymi cechami tej grupy urządzeń są otwarta architektura umożliwiające rozbudowę nie tylko o rozwiązania firmowe, ale też o ogólnie przyjęte standardy (interfejsy PCI, PC104, itp.), stosunkowa duża wydajność jednostek centralnych oraz duża pamięć operacyjna. Dostępne oprogramowanie pozwala dodatkowo realizować funkcje właściwe dla PLC, jak i komputerów osobistych. Możliwe jest więc programowanie we wszystkich językach typowych dla PLC – m.in. schemacie drabinkowym, wykorzystując bloki funkcyjne oraz listę instrukcji, ale też w językach takich jak C++, VC++ i innych obiektowych.

Dostępne na rynku urządzenia charakteryzują się modułową budową i wykorzystaniem ogólnodostępnych interfejsów (RS232, RS485, Ethernet, itp.). Są to zwykle konstrukcje bezwentylatorowe, co powoduje, że są one odporne na wibracje i niekorzystne warunki środowiskowe. Z cech technicznych tego typu urządzeń należy wymienić również szerokie zakresy temperatur pracy, stosunkowo niski pobór mocy i wykorzystanie w kontrolerach złączy VGA, co pozwala na podłączenie ekranu wyświetlającego dane. Typowo zawierają one wbudowane gniazda kart Compact Flash oraz interfejsy do sieci Ethernet, co umożliwia ich łatwą integrację z systemami zarządzania przedsiębiorstwem poprzez sieć wewnętrzną lub Internet. Pozwala to również na tworzenie systemów przetwarzania rozproszonego.

Wraz z omawianymi urządzeniami dostarczany jest zwykle zunifikowany system do tworzenia aplikacji, co pozwala na wykorzystanie jednolitego środowiska projektowego dla całej grupy urządzeń. Jeżeli chodzi o system operacyjny, to istnieje możliwość wyboru spośród Windows XP Embedded, Windows CE, Linux oraz Windows XP

Case study: kopalnia odkrywkowa

Aby zobrazować możliwości omawianej grupy urządzeń, posłużyć się można przykładem systemu automatyzacji niewielkiej kopalni odkrywkowej. W jego obrębie wydzielono: główne centrum zarządzania i monitorowania, maszyny rozdrabniające kamień, pojazdy techniczne oraz bramy wejściowe. Infrastruktura i systemy automatyki takiego zakładu powinny umożliwiać:

• centralne zarządzanie całym zakładem,
• zdalny dostęp z głównej siedziby firmy poprzez GPRS (w okolicy nie ma możliwości podłączenia do Internetu),
• kontrola wjazdów i wyjazdów samochodów oraz dostępu pracowników,
• różne funkcje pomocnicze, jak np. wstrzymanie pracy urządzeń w czasie wybuchu,

Opisywany system powinien mieć również możliwość łatwej rozbudowy zakładu o nowe urządzenia. Dodatkowo awaria części infrastruktury zakładu nie może wstrzymać pracy całej kopalni. Poniżej opisano przykład zastosowanych rozwiązań sprzętowych w których wykorzystano produkty Advantech dostarczone przez krakowską firmę CSI.

Wykonana aplikacja

Rys.2. Grupy urządzeń

W omawianym systemie wyróżnić można kilka grup urządzeń, które przedstawiono na rys. 2. W głównej centrali (numer 1 na schemacie) znajdują się dwa panele TPC-1570H z procesorami Intel Pentium M 1.4GHz. Na jednym z nich uruchomiona jest aplikacja typu SCADA do zarządzania pracą kopalni, do tego komputera dołączony jest również poprzez złącze RS czytnik od klawiatury kodowej umieszczonej przy zamku wejściowym do sterowni. Na drugim komputerze uruchomiona jest aplikacja monitoringu oraz komunikacji GPRS z centralą firmy poprzez odpowiedni moduł podłączony poprzez PCMCIA. Drogą bezprzewodową przesyłane są również sygnały alarmowe i możliwy jest zdalny dostęp do danych wizualnych z kamer rozmieszczonych na terenie zakładu. Zastosowane panele TPC-1570H charakteryzują się szerokim zestawem interfejsów, jak audio (alarmy dźwiękowe), 2xUSB, VGA, 2xEthernet, Compact Flash, PCMCIA, złącze klawiatury, myszki oraz 4 porty szeregowe.

W przypadku końcówki systemu przy bramie wejściowej (numer 2), gdzie nie jest konieczna duża moc obliczeniowa, wykorzystuje się prosty kompaktowy komputer UNO-2050, a do niego mały panel operatorski FPM-3120 z ekranem dotykowym. Komunikacja z wagą towarową dla samochodów z kruszywem, rejestratorem czasu pracy pracowników następuje przez interfejsy szeregowe, natomiast układy bramy wjazdowej i sygnalizatorów optycznych sterowane są przez izolowane porty I/O. Warto zauważyć, że pomimo realizowania wielu funkcji, cała sterownia składa się z dwóch elementów – komputera z 4 portami RS-232, 8 wyjściami DO i 8 wejściami DI oraz wymienionego monitora przemysłowego. Odporność na zachlapania czy kurz (IP65), jaką cechuje się ostatnie z urządzeń, to niewątpliwie pożądana cecha w przypadku tej części aplikacji.

Maszyna rozdrabniająca kamień (numer 3) sterowana jest poprzez kontroler UNO-3072. Rozdrabnianiem i sortowaniem kamieni steruje się poprzez wbudowane interfejsy we/wy oraz dwie karty umieszczone w slotach PCI. Jedna z nich to framegrabber z podłączonymi kamerami służącymi do obserwacji kruszywa, natomiast druga to karta PCI-1721 – rozszerza ona liczbę interfejsów UNO-3072 o dodatkowe porty I/O (x16) i wyjścia analogowe (x4). Operatorzy maszyn mają możliwość podglądu i sterowania procesem poprzez wytrzymały monitor przemysłowy FPM-3150.

Wykorzystany w tej aplikacji UNO-3072 charakteryzuje się zwartą obudową i dużą gamą złączy komunikacyjno-sterujących (np. 4xRS232, 4xUSB, 2xEthernet oraz wbudowane 4 izolowane porty DI i DO). Dodatkowo, dzięki dużej mocy obliczeniowej, jest on predysponowany do sterowania maszyną rozdrabniającą, gdyż zachodzi tutaj konieczność przetwarzania obrazu pochodzącego z dołączonych kamer. Komputer ten ze względu na wstrząsy i wibracje generowane przez rozdrabniarkę wyposażony został w przemysłowy dysk typu Flash firmy SiliconSystems. Dysk charakteryzuje się szerokim zakresem temperatur pracy oraz specjalnym kontrolerem zapewniającym jego równomierne zużycie i zabezpieczającym przed niespodziewanymi awariami.

Po zakładzie poruszają się koparki i ładowarki urobku (numer 4). Zamontowano na nich panele TPC-30T, których głównym zadaniem jest przekazywanie zleceń do operatów z centrum zarządzania. Operatorzy, korzystając z ekranu dotykowego, potwierdzają komunikaty lub mają możliwość wybierania innych opcji bez użycia klawiatury czy innego urządzenia wskazującego. Panel TPC-30T działa pod kontrolą odpornego na nagłe wyłączenia systemu Windows CE. Wykorzystanie tego urządzenia w omawianej aplikacji wynika m.in. z niewielkich rozmiarów obudowy i możliwości zasilania napięciem stałym z zakresu 8 do 28V przy maksymalnym poborze mocy wynoszącym 8W.

Elementem dopełniającym system jest redundantna sieć komunikacyjna (numer 5) oparta o przełączniki z serii EKI-7559MI. Urządzenia te wyposażone są w rozbudowane funkcje diagnostyki, a przede wszystkim pozwalają na zbudowanie w prosty sposób redundantnej sieci w technologii X-Ring. Technologia ta pozwala na automatyczne przełączanie transmisji na sprawne segmenty sieci w przypadku uszkodzenia kabli lub któregoś z przełączników. Wszystkie wspomniane urządzenia – TPC-1570H, UNO-3072, UNO-2050 mają po dwa porty Ethernet i bardzo dobrze nadają się do pracy w takiej sieci. W kluczowych punktach zamontowane są kamery z interfejsem IP, które podłączone są do przełączników EKI-7559MI, co pozwala na transmisję danych wizyjnych do centrum zarządzania. Dodatkowo w jednym punkcie umieszczony jest punkt dostępowy Wi-Fi do komunikacji z panelami TPC-30T zamontowanych na ładowarkach i koparkach.

Korzyści z wykorzystanego systemu

Opisywany system zbudowany został w oparciu o wspomniane na początku artykułu kontrolery PAC. Wszystkie wykorzystane w nim urządzenia to konstrukcje bezwentylatorowe, co jest szczególnie istotne w pracy w kopalni, gdzie wszechobecny, rozpylony kurz i pył może mieć szczególnie niekorzystny wpływ na pracę urządzeń elektronicznych. Mają one też metalowe obudowy zapewniające dobre chłodzenie i izolację.

Dla paneli TPC i monitorów FPM standardem jest wykorzystanie modeli z ekranami dotykowym, co umożliwia wygodną komunikację z operatorami urządzeń. Dodatkowo zapewniona jest też ochrona przed wodą i pyłem od czoła na poziomie IP65. Nie bez znaczenia jest również fakt, że wykorzystane urządzenia mogą pracować w szerokim zakresie temperatur – od 0°C do 60°C, a nawet więcej, gdyż dla komputera UNO-3072 dolny zakres wynosi -20°C.

Poprzez zdecentralizowanie systemu poszczególne części mogą działać w ograniczonym zakresie nawet przy całkowitym uszkodzeniu innych elementów infrastruktury. Przemysłowa sieć Ethernet zbudowana jest z wykorzystaniem połączeń redundantnych, które wykonane są fizycznie różnymi drogami, dzięki czemu jest ona bardzo odporna na przypadkowe uszkodzenia. Dodatkowo możliwy jest zdalny dostęp do niej, a automatyczne wysyłanie raportów do głównej centrali firmy nie stanowi żadnego problemu.

Decentralizacja systemu wpływa nie tylko na jego większą niezawodność, ale też, poprzez wymianę jednego komputera na mocniejszy model, można znacznie rozbudować dane lokalne centrum sterowania. Z kolei przy tworzeniu nowego stanowiska roboczego, gdzie wykorzystana będzie przykładowo maszyna wycinająca bloki kamienne, wystarczy wykorzystać kolejny komputer typu UNO, który podłączany jest do istniejącej sieci zakładowej. Ponieważ wszystkie urządzenia firmy Advantech dostępne są w ofercie CSI od 3 do 5 lat od chwili wprowadzenia na rynek, tak więc ewentualna rozbudowa czy modernizacja infrastruktury może odbyć się bez najmniejszych problemów.