Cyfroteka.pl

klikaj i czytaj online

Cyfro
Czytomierz
00476 006976 13418359 na godz. na dobę w sumie
Komputerowe systemy automatyki przemysłowej - książka
Komputerowe systemy automatyki przemysłowej - książka
Autor: Liczba stron: 280
Wydawca: Helion Język publikacji: polski
ISBN: 978-83-246-5142-9 Data wydania:
Lektor:
Kategoria: ebooki >> komputery i informatyka >> elektronika >> elektronika
Porównaj ceny (książka, ebook (-20%), audiobook).

Zwiększ efektywność przedsiębiorstwa dzięki stosowaniu inteligentnych rozwiązań! Trudno wyobrazić sobie nowoczesne przedsiębiorstwo przemysłowe, w którym do sterowania procesami technologicznymi nie wykorzystywano by pewnego systemu automatyki. Wraz z rozwojem technologii wytwarzania i niesamowitym wręcz postępem w informatyce systemy te z jednej strony zaczęły się coraz bardziej komplikować, z drugiej zaś trafiać do coraz mniejszych firm, w których kontrolują coraz więcej operacji. Gromadzą przy tym ogromne ilości informacji, wykorzystywanych do sterowania, monitorowania i analizowania pracy maszyn czy urządzeń.

Dane tego typu muszą być w jakiś sposób przesyłane do systemów nadzorczych, należy też nimi odpowiednio zarządzać oraz umożliwić właściwe ich wykorzystanie. W tym celu opracowano standardy komunikacyjne, bazy danych i rozwiązania wizualizacyjne, dzięki którym można nie tylko bardziej skutecznie kontrolować działanie instalacji przemysłowych, lecz również szybko reagować na ewentualne awarie oraz właściwie planować przeglądy techniczne i remonty. Wszystko to przekłada się na zwiększenie wydajności, zmniejszenie awaryjności i skrócenie czasu przestojów przedsiębiorstwa, to zaś ma wpływ na jego wyniki ekonomiczne.

Książka 'Komputerowe systemy automatyki przemysłowej' ma przybliżyć czytelnikowi mechanizmy przekazywania informacji w komputerowym systemie sterowania procesem przemysłowym. Autor opisuje podstawy technologii komunikacyjnych wykorzystywanych podczas eksploatacji infrastruktury systemów informatycznych przedsiębiorstwa, a także zagadnienia dotyczące przemysłowych sieci komputerowych. Skupia się także na budowie przemysłowych systemów operacyjnych oraz różnych systemach komputerowych używanych w systemach automatyki przemysłowej.

Wykorzystaj praktyczne rozwiązania do sterowania i monitorowania procesów technologicznych i miej wszystko pod kontrolą!

Znajdź podobne książki Ostatnio czytane w tej kategorii

Darmowy fragment publikacji:

Wszelkie prawa zastrzeżone. Nieautoryzowane rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci jest zabronione. Wykonywanie kopii metodą kserograficzną, fotograficzną, a także kopiowanie książki na nośniku filmowym, magnetycznym lub innym powoduje naruszenie praw autorskich niniejszej publikacji. Wszystkie znaki występujące w tekście są zastrzeżonymi znakami firmowymi bądź towarowymi ich właścicieli. Autor oraz Wydawnictwo HELION dołożyli wszelkich starań, by zawarte w tej książce informacje były kompletne i rzetelne. Nie biorą jednak żadnej odpowiedzialności ani za ich wykorzystanie, ani za związane z tym ewentualne naruszenie praw patentowych lub autorskich. Autor oraz Wydawnictwo HELION nie ponoszą również żadnej odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikłe z wykorzystania informacji zawartych w książce. Redaktor prowadzący: Michał Mrowiec Projekt okładki: Jan Paluch Wydawnictwo HELION ul. Kościuszki 1c, 44-100 GLIWICE tel. 32 231 22 19, 32 230 98 63 e-mail: helion@helion.pl WWW: http://helion.pl (księgarnia internetowa, katalog książek) Drogi Czytelniku! Jeżeli chcesz ocenić tę książkę, zajrzyj pod adres http://helion.pl/user/opinie?piksap Możesz tam wpisać swoje uwagi, spostrzeżenia, recenzję. ISBN: 978-83-246-5142-9 Copyright © Roman Kwiecień 2013 Printed in Poland. • Kup książkę • Poleć książkę • Oceń książkę • Księgarnia internetowa • Lubię to! » Nasza społeczność Spis treĈci Wykaz waĔniejszych oznaczeþ ........................................................... 7 Wstöp ............................................................................................ 17 Rozdziaä 1. WiadomoĈci podstawowe ............................................................... 21 1.1. Systemy liczbowe .................................................................................................... 21 1.2. Podstawowe operacje na liczbach binarnych ........................................................... 25 1.3. Typy liczb binarnych ............................................................................................... 27 1.4. Tablica kodów ASCII .............................................................................................. 29 1.5. Sumy kontrolne ....................................................................................................... 31 1.6. Bitmapa ................................................................................................................... 34 1.7. JĊzyk HTML ............................................................................................................ 35 1.8. JĊzyk XML .............................................................................................................. 40 1.9. Komendy AT ........................................................................................................... 43 Rozdziaä 2. Model infrastruktury systemów informatycznych ............................. 45 2.1. System planowania zasobów przedsiĊbiorstwa ERP ............................................... 48 2.2. System realizacji produkcji MES ............................................................................. 50 2.3. System sterowania i akwizycji danych SCADA/HMI ............................................. 53 2.4. Urządzenia automatyki przemysáowej ..................................................................... 55 2.5. Programowalne sterowniki PLC/PAC ..................................................................... 56 Rozdziaä 3. Architektura sieci komputerowych ................................................... 65 3.1. Warstwa fizyczna .................................................................................................... 69 3.1.1. Interfejs komunikacyjny RS-232C ................................................................. 74 3.1.2. Interfejs komunikacyjny RS-422A ................................................................ 78 3.1.3. Interfejs komunikacyjny RS-485 ................................................................... 79 3.2. Warstwa áącza danych (liniowa) .............................................................................. 80 3.2.1. Podwarstwa dostĊpu do kabla ........................................................................ 80 3.2.2. Podwarstwa áącza logicznego ........................................................................ 82 Rozdziaä 4. Transfer danych w sieci internetowej .............................................. 83 4.1. Protokóá Ethernet ..................................................................................................... 84 4.2. Protokóá IP ............................................................................................................... 87 4.3. Protokóá TCP ........................................................................................................... 91 4.4. Protokóá UDP .......................................................................................................... 94 4.5. Protokóá HTTP ........................................................................................................ 96 4.6. Protokóá SOAP ........................................................................................................ 97 4 Komputerowe systemy automatyki przemysäowej Rozdziaä 5. Przemysäowe sieci komputerowe .................................................... 99 5.1. Modbus .................................................................................................................. 101 5.2. CAN i LIN ............................................................................................................. 108 5.2.1. Warstwa fizyczna ......................................................................................... 109 5.2.2. Warstwa áącza danych ................................................................................. 112 5.2.3. Warstwa aplikacyjna .................................................................................... 118 5.3. Profibus ................................................................................................................. 121 5.3.1. Warstwa fizyczna ......................................................................................... 121 5.3.2. Warstwa áącza danych ................................................................................. 123 5.3.3. Warstwa aplikacyjna .................................................................................... 130 5.4. Profibus DP ........................................................................................................... 130 5.4.1. Warstwa fizyczna ......................................................................................... 130 5.4.2. Warstwa áącza danych ................................................................................. 131 5.5. EtherCAT .............................................................................................................. 133 5.6. Ethernet Powerlink ................................................................................................ 137 5.7. Przykáady komunikacji .......................................................................................... 140 5.7.1. Komunikacja z miernikiem MPS ................................................................. 140 5.7.2. Komunikacja z przemiennikiem czĊstotliwoĞci ACS 600 ........................... 146 5.7.3. Komunikacja z miernikiem N12H ............................................................... 150 Rozdziaä 6. System operacyjny ....................................................................... 153 6.1. Podstawowe elementy sprzĊtu komputerowego .................................................... 154 6.2. JĊzyki programowania i ich kompilacja ................................................................. 164 6.3. Jądro systemu ........................................................................................................ 173 6.3.1. Szeregowanie wątków ................................................................................. 178 6.3.2. Wspóádzielenie zasobów .............................................................................. 179 6.3.3. Inwersja i dziedziczenie priorytetów ........................................................... 182 6.3.4. Przerwania ................................................................................................... 183 6.3.5. Komunikacja pomiĊdzy zadaniami .............................................................. 184 6.4. Warstwa systemowa i aplikacyjna ......................................................................... 186 6.5. System operacyjny czasu rzeczywistego ............................................................... 192 Rozdziaä 7. WYBRANE TECHNOLOGIE INFORMACYJNE .................................... 195 7.1. Technologia COM/DCOM .................................................................................... 196 7.2. Technologia CORBA ............................................................................................ 204 7.3. Technologia mobilnych agentów ........................................................................... 205 7.4. Technologia Classic OPC ...................................................................................... 207 7.4.1. Specyfikacje ................................................................................................. 208 7.4.2. Identyfikacja w systemie operacyjnym ........................................................ 215 7.4.3. Interfejsy ...................................................................................................... 217 7.4.4. Tunelowanie ................................................................................................ 222 7.5. Technologia OPC UA ............................................................................................ 226 7.5.1. Architektura ................................................................................................. 227 7.5.2. Specyfikacje ................................................................................................. 228 7.6. Technologia RSE ................................................................................................... 231 7.6.1. Architektura ................................................................................................. 232 7.6.2. Moduáy ........................................................................................................ 233 7.6.3. Model komunikacyjny z urządzeniami automatyki ..................................... 235 7.6.4. WáaĞciwoĞci ................................................................................................. 236 Rozdziaä 8. Komputerowe systemy automatyki przemysäowej .......................... 239 8.1. Dana procesowa ..................................................................................................... 240 8.2. Serwery automatyki przemysáowej ........................................................................ 242 8.2.1. Warstwowy model serwera .......................................................................... 244 8.2.2. Rola wĊzáów nadrzĊdnych w procesie technologicznym ............................. 245 Spis treĈci 5 8.3. System baz danych ................................................................................................ 249 8.3.1. Architektura bazy danych ............................................................................ 249 8.3.2. JĊzyk SQL .................................................................................................... 254 8.4. Model klienta aplikacji WWW .............................................................................. 258 8.5. Diagnostyka komputerowego systemu automatyki ................................................ 262 8.6. Podsumowanie ....................................................................................................... 265 Bibliografia .................................................................................. 267 Skorowidz .................................................................................... 271 6 Komputerowe systemy automatyki przemysäowej Rozdziaä 2. Model infrastruktury systemów informatycznych W automatyce przemysáowej, zajmującej siĊ automatyzacją procesów wytwarzania i procesów technologicznych, wystĊpuje tendencja do tworzenia ukáadów sterowania opartych o rozproszone systemy sterowania DCS (ang. Distributed Control System). Sys- tem DCS odpowiada za sterowanie procesem przemysáowym i wizualizacjĊ procesu przemysáowego, które odbywają siĊ za pomocą sieci komputerowych Ethernet oraz przemysáowych sieci komputerowych, takich jak Modbus, Profibus, Interbus, CAN, CANopen, EtherCat lub inne (rysunek 2.1). Rysunek 2.1. Uproszczona struktura rozproszonego systemu sterowania DCS urządzeniami automatyki przemysáowej; LAN — Local Area Network; MAN — Metropolitan Area Network; WAN — Wide Area Network Stacje operatorskie Klient 1 Klient 2 Serwer 1 WAN / MAN Serwer 2 Stacja diagnostyczna Klient 3 Stacja inĪynierska Klient 4 Ethernet LAN Przemysáowa sieü komputerowa Stacja procesowa 1 Stacja procesowa 2 Stacja procesowa 3 Stacja procesowa N 46 Komputerowe systemy automatyki przemysäowej Serwer przemysáowy (Serwer 1) przejmuje kontrolĊ nad stacjami procesowymi i odczy- tuje dane oraz wydaje rozkazy sterujące. Pozyskane dane procesowe mogą byü archiwi- zowane z okreĞloną czĊstoĞcią w bazie danych naleĪącej do jednostki komputerowej serwera i stanowią Ĩródáo informacji dla stacji operatorskich. Za konfiguracjĊ systemu i nadzór oprogramowania wewnątrz kontrolerów odpowiada stacja inĪynierska przecho- wująca zawsze aktualną dokumentacjĊ. Stacje diagnostyczne odczytują informacje z apara- tury obiektowej1, które sáuĪą do diagnozowania przebiegu procesu technologicznego. Komunikacja systemu DCS z ogólnoĞwiatową siecią komputerową Internet (WAN lub MAN) odbywa siĊ za pomocą kolejnego serwera (Serwer 2). Jedną z podstawowych cech opisanego systemu jest transparentnoĞü, która pozwala postrzegaü go poprzez kompute- rową stacjĊ klienta jako pojedynczy i zintegrowany system sterowania [KR05]. W rozproszonym systemie sterowania (DCS) urządzeniami automatyki przemysáowej apli- kacja klienta (Klient 1, Klient 2 itd.) uzyskuje poáączenie z aplikacją serwera (Serwer 1) w celu odpowiedniej wymiany danych (rysunek 2.1). Rozpatrując ten przepáyw informa- cji, moĪna podzieliü system DCS na dwa podsystemy, tworzące model infrastruktury sys- temów informatycznych skáadających siĊ z dwóch piramid (rysunek 2.2) [CR01]: 1. Podsystem produkcji (piramida dolna), w którym jednostka nadrzĊdna (serwer) odczytuje dane ze stacji procesowych procesu technologicznego — warstwy produkcyjnej lub procesowej. W skáad linii produkcyjnych wchodzą przemysáowe ukáady sterowania CNC (ang. Computer Numerical Control), programowalne ukáady PLC (ang. Programmable Logic Controller), programowalne sterowniki automatyki PAC (ang. Programmable Automation Controller), przemysáowe komputery IPC (ang. Industral PC), czujniki, elementy wykonawcze i inne urządzenia automatyki przemysáowej pracujące w miejscowej sieci komputerowej fieldbus. Informacje pozyskane z tych urządzeĔ gromadzone są w przemysáowej bazie danych, która staje siĊ czĊĞcią skáadową informacji opisującą funkcjonalnoĞü przedsiĊbiorstwa. Podstawowym zadaniem tego podsystemu jest sterowanie urządzeniami w celu realizacji zadaĔ procesu technologicznego oraz zbieranie informacji, na podstawie których system informatyczny bĊdzie odpowiednio zarządzany w procesie podejmowania decyzji. 2. Podsystem zarządzania (piramida górna, odwrócona do dolnej), w którym gáówną rolĊ peánią jednostki nadzorcze (stacja operatorska, inĪynierska oraz diagnostyczna) naleĪące do najwyĪszych warstw zarządzania produkcją. Na podstawie danych zgromadzonych w przemysáowej bazie danych oraz ich analizy technologiczno-ekonomicznej podejmowane są decyzje o odpowiednim odzwierciedleniu funkcjonowania ukáadów sterujących procesem technologicznym. W skáad tego podsystemu wchodzą:  warstwa biznesowa, do której naleĪą systemy wspomagające zarządzanie zasobami przedsiĊbiorstwa, relacjami z klientem, dostawami oraz produktami; moĪna je sklasyfikowaü jako systemy:  planowania zasobów przedsiĊbiorstwa ERP (ang. Enterprise Resource Planning), 1 Aparatura do pomiaru ciĞnienia, temperatury, przepáywu i poziomu cieczy itp. Rozdziaä 2. i Model infrastruktury systemów informatycznych 47 Rysunek 2.2. Model infrastruktury systemów informatycznych skáadających siĊ na rozproszony system sterowania; K1 do K6 — klienty komputerowej sieci Ethernet; SIT — serwer systemów informatycznych; U1 do U6 — urządzenia automatyki przemysáowej Podsystem zarządzania Podsystem produkcji K4 SIT K5 K6 Ethernet K1 K2 K3 Ethernet Serwer przemysáowy Warstwa biznesowa (ERP, SAP, CRM, SCM, PLM, GIS) Warstwa operacyjna (MES, SCADA/HMI) Programowalny sterownik Fielbus 1 U2 U3 U1 U4 Fielbus 2 U5 U6 Warstwa produkcyjna lub procesowa (programowalne sterowniki, stacje procesowe)  analizy i produkcji SAP (ang. Systems Analysis and Product),  zarządzania relacjami z klientami CRM (ang. Customer Relationship Management),  zarządzania áaĔcuchem dostaw SCM (ang. Supply Chain Management),  zarządzania cyklem Īycia produktu PLM (ang. Product Lifecycle Management),  informacji geograficznej GIS (ang. Geographical Information System),  warstwa operacyjna, która odpowiada za wykonanie planów operacyjnych na podstawie informacji otrzymanych z procesu technologicznego; warstwĊ tĊ tworzą wszelkiego rodzaju systemy wizualizacji i nadzoru produkcji, do których naleĪą:  system sterowania i akwizycji danych SCADA/HMI (ang. Supervisory Control and Data Acquisition/Human Machine Interface),  system realizacji produkcji MES (ang. Manufacturing Execution Systems). Przedstawione wyĪej dwie piramidy modelu infrastruktury systemów informatycznych nie mają charakteru monolitycznego. Tworzą je mniej lub bardziej specjalizowane systemy informatyczne dostosowane do realiów procesu technologicznego oraz do struktury sys- temu zarządzania przedsiĊbiorstwem. Ustalenie granic pomiĊdzy warstwami związanymi z bezpoĞrednią kontrolą i nadzorem nad procesem przemysáowym oraz dystrybucją danych moĪe byü kwestią dyskusyjną, jednakĪe takie podejĞcie pozwoli na projektowanie, testo- wanie i kontrolĊ caáego komputerowego systemu sterowania procesem technologicznym. 48 Komputerowe systemy automatyki przemysäowej 2.1. System planowania zasobów przedsiöbiorstwa ERP System planowania zasobów przedsiĊbiorstwa (lub zaawansowane zarządzanie zasobami) ERP (ang. Enterprise Resource Planning) stanowi integracjĊ systemu informatycznego, sáuĪącego do zarządzania zasobami przedsiĊbiorstwa lub wspóádziaáania grupy wspóápra- cujących ze sobą przedsiĊbiorstw, bo gromadzi dane oraz umoĪliwia wykonywanie operacji na zebranych danych. Oprogramowanie ERP obejmuje szereg moduáów (np. wytwarza- nie, zamówienia, rachunki, hurtownia danych, transport, zasoby ludzkie itp.), które mogą byü integrowane z oprogramowaniem firmy. W rozwiniĊciu klasy systemów ERP II wy- korzystano technologie internetowe oraz standard jĊzyka XML. Pozwala to na peáną inte- rakcjĊ systemu z otoczeniem poprzez wymianĊ danych za pomocą sieci komputerowych. Interakcja ta przyczynia siĊ do optymalizacji procesów biznesowych w relacjach przed- siĊbiorstwa z partnerami [KR05]. Systemy ERP są rozwiniĊciem systemów planowania zasobów produkcyjnych MRP II (ang. Manufacturing Resource Planning), których podstawowym elementem jest baza da- nych, stanowiąca wspólne Ĩródáo informacji dla wszystkich pozostaáych moduáów sys- temu. Moduáy te zwykle obejmują takie obszary jak magazynowanie, zarządzanie zapasami, Ğledzenie realizowanych dostaw, planowanie produkcji, zaopatrzenie, sprzedaĪ, kontakty z klientami, ksiĊgowoĞü, finanse, zarządzanie zasobami ludzkimi (páace, kadry) itp. AmerykaĔskie stowarzyszenie sterowania produkcją i zapasami APICS (ang. The Asso- ciation for Operations Management) w 1989 roku oficjalnie ogáosiáo dokument „MRP II Standard System”, w którym opisuje funkcjonalnoĞü przedsiĊbiorstwa [KR05]. Oto ona.  Planowanie biznesowe (ang. Business Planning) — ogólny plan dziaáania przedsiĊbiorstwa.  Bilansowanie produkcji i sprzedaĪy SOP (ang. Sales and Operation Planning) — tworzenie planów produkcji i sprzedaĪy mających na celu realizacjĊ planu biznesowego. Plany te okreĞlają wzajemnie zbilansowane wielkoĞci sprzedaĪy, produkcji oraz poziomu zapasów magazynowych w poszczególnych okresach. Są równieĪ wyznacznikiem dla wszystkich innych planów operacyjnych w przedsiĊbiorstwie.  Zarządzanie popytem DEM (ang. Demand Management) — prognozowanie i planowanie sprzedaĪy oraz potwierdzanie zamówieĔ klientów. Jego celem jest okreĞlanie wielkoĞci przyszáego popytu i ciągáa aktualizacji tej wartoĞci.  Harmonogramowanie planu produkcji MPS (ang. Master Production Scheduling) — bilansowanie podaĪy w kategoriach materiaáów, zdolnoĞci produkcyjnych, minimalnych zapasów dostosowanych do popytu wyraĪonego prognozami, zamówieniami odbiorców, promocjami.  Planowanie potrzeb materiaáowych MRP (ang. Material Requirements Planning) — okreĞlanie harmonogramów zakupów, produkcji oraz montaĪu wszystkich czĊĞci skáadowych wyrobu wraz z priorytetami dla zaopatrzenia i produkcji. Rozdziaä 2. i Model infrastruktury systemów informatycznych 49  Wspomaganie zarządzania strukturami materiaáowymi BMS (ang. Bill of Material Subsystem) — dostarczanie informacji koniecznych do obliczania wielkoĞci zleceĔ produkcyjnych i zaopatrzeniowych oraz ich priorytetów.  Ewidencja magazynowa INV (ang. Inventory Transaction Subsystem) — prowadzenie ewidencji gospodarki magazynowej, dostarczanie do innych funkcji informacji o dostĊpnych zapasach elementów.  Sterowanie zleceniami SRS (ang. Schedule Receipts Subsystem) — kontrola spáywu (przyjĊcia na ewidencjĊ) elementów zaopatrzeniowych i produkowanych, w tym zaplanowanych przez MRP i MPS.  Sterowanie produkcją SFC (ang. Shop Floor Control) — przekazywanie informacji o priorytetach miĊdzy osobą planującą produkcjĊ a stanowiskami roboczymi.  Planowanie zdolnoĞci produkcyjnych CRP (ang. Capacity Requirements Planning) — badanie osiągalnoĞci opracowanych planów produkcji i sprzedaĪy oraz harmonogramu.  Sterowanie stanowiskami roboczymi IOC (ang. Input/Output Control) — wspomaganie kontroli wykonania planu zdolnoĞci produkcyjnych oraz kontrola kolejek na poszczególnych stanowiskach roboczych dotycząca wielkoĞci prac na wejĞciu i wyjĞciu stanowiska.  Zaopatrzenie PUR (ang. Purchasing) — wspomaganie czynnoĞci związanych z nabywaniem towarów i usáug od dostawców oraz umoĪliwienie utworzenia zleceĔ zakupu lub harmonogramu przyjĊü dostaw.  Planowanie zasobów dystrybucyjnych DRP (ang. Distribution Resource Planning) — obsáuga czynnoĞci związanych z harmonogramowaniem przesuniĊü wyrobów pomiĊdzy punktami sieci dystrybucyjnej oraz planowanie produkcji miĊdzyzakáadowej.  NarzĊdzia i pomoce warsztatowe (ang. Tooling) — planowanie dostĊpnoĞci wáaĞciwych narzĊdzi specjalnych w celu wykonania planu produkcji bez przeszkód.  Planowanie finansowe (ang. Financial Planning Interface) — pobieranie z systemu MRP II danych o charakterze finansowym, ich przetwarzanie i przekazywanie do osób odpowiedzialnych za planowanie finansowe.  Symulacje (ang. Simulation) — ocena wpáywu zmian wprowadzonych do poszczególnych elementów MRP II na plany finansowe, potrzeby materiaáowe i zdolnoĞci wykonawcze.  Pomiar wyników (ang. Performance Measurement) — pomiar ciągáej kontroli efektywnoĞci wykorzystania systemu MRP II (ustalenie celów i sprawdzanie drogi osiąganego celu). Systemy planowania zasobów przedsiĊbiorstwa ERP pracują w najwyĪszej warstwie mo- delu infrastruktury rozproszonych informatycznych systemów sterowania i są zaliczane do klasy zintegrowanych systemów informatycznych. Kluczowym czynnikiem uzyska- nia przez nie doskonaáoĞci operacyjnej jest integracja biznesowych koĔcówek aplikacji 50 Komputerowe systemy automatyki przemysäowej do zarządzania przedsiĊbiorstwem z systemem realizacji produkcji MES. Z tego wzglĊdu systemy MES stają siĊ czĊĞcią systemów ERP i odpowiadają za wykonywanie poszcze- gólnych zadaĔ na poziomie operacyjnym, rozszerzając tym samym funkcjonalnoĞü sys- temów ERP. 2.2. System realizacji produkcji MES System realizacji produkcji MES (ang. Manufacturing Execution System) jest systemem komputerowym wykorzystującym technologie informatyczne, oprogramowanie, urzą- dzenia elektroniczne i elementy automatyki, które pozwalają na zbieranie informacji ze stanowisk produkcyjnych i umoĪliwiają optymalizacjĊ operacji procesu produkcyjnego w obszarze biznesowym. Typowy system klasy MES realizuje nastĊpujące funkcje [KR05]. 1. Zarządzanie wykonaniem produkcji (ang. Process Management) — odpowiada za monitorowanie i zarządzanie procesem produkcji. Dostarczone dane procesowe oraz dane o stanach alarmowych i zdarzeniach wspomagają operatorów w podejmowaniu decyzji. Implementowane interfejsy SCADA/HMI pozwalają na bezpoĞrednią komunikacjĊ z urządzeniami automatyki oraz realizują gromadzenie i akwizycjĊ danych z procesu technologicznego. 2. Zarządzanie wydajnoĞcią (ang. Performance Analysis) — odpowiada za monitorowanie danych z procesu produkcji w celu wykonania analizy wydajnoĞci linii produkcyjnych poprzez wyznaczenie wskaĨnika caákowitej efektywnoĞci maszyn i urządzeĔ OEE (ang. Overall Equipment Effectiveness). WskaĨnik OEE w sposób kompleksowy opisuje trzy gáówne obszary dziaáalnoĞci biznesowej przedsiĊbiorstwa: dostĊpnoĞü (D), efektywnoĞü wykorzystania (W) oraz jakoĞü produkowanych wyrobów (J) i wyraĪa siĊ wzorem: OEE ˜ JWD ˜ gdzie: D — dostĊpnoĞü produkowanych wyrobów, okreĞlająca straty czasu na róĪnego rodzaju nieplanowane zdarzenia (straty na dostĊpnoĞci), którą wyznacza siĊ wg zaleĪnoĞci: tD t P E  t E przy czym: (2.1) (2.2) tE — czas eksploatacji, tP — czas nieplanowanych przestojów. W — efektywnoĞü wykorzystania produkowanych wyrobów, okreĞlająca stosunek pomiĊdzy nominalną a faktyczną prĊdkoĞcią maszyny, która wyraĪa siĊ wzorem: ˜ Tn W  t E 100 t ˜ P (2.3) Rozdziaä 2. i Model infrastruktury systemów informatycznych 51 przy czym: n — iloĞü wykonanych produktów (dobre i záe), T — takt pracy linii produkcyjnej, tE — czas eksploatacji, tP — czas nieplanowanych przestojów. J — jakoĞü produkowanych wyrobów, oznaczająca iloĞü dobrych wyrobów wykonanych za pierwszym razem i liczbĊ braków, obliczana wg zaleĪnoĞci: J B nn n przy czym: (2.4) n — iloĞü wykonana (dobre i záe), nB — iloĞü braków i odpadów. WskaĨnik OEE mierzy straty z tytuáu niezaplanowanych zdarzeĔ na maszynach, takie jak nieplanowane przestoje, niezgodna z wymaganiami jakoĞü i wydáuĪone czasy cyklu pracy maszyny, oraz wskazuje poziom strat w zadanym czasie eksploatacji maszyny (rysunek 2.3). Podczas realizacji dziaáaĔ produkcyjnych mogą zaistnieü takĪe inne zdarzenia, których wystąpienie nie jest planowane. Do tej grupy zalicza siĊ:  Straty na dostĊpnoĞci — jest to grupa zdarzeĔ związanych z niemoĪliwoĞcią realizowania zaplanowanych zleceĔ produkcyjnych w wyniku zaistnienia np.: awarii, usterek, oczekiwania na materiaá czy póáwyroby, nieobecnoĞci operatora na stanowisku, przedáuĪających siĊ planowanych przestojów (przedáuĪonego przezbrojenia, testów, konserwacji itp.).  Straty na wykorzystaniu — jest to pomiar sprawdzający, czy realizacja produkcji odbywa siĊ w zaáoĪonym tempie. Wolniejsza produkcja moĪe byü tak samo niekorzystna jak zbyt szybka. RóĪnice od czasu cyklu w dóá mogą byü spowodowane zwolnioną pracą maszyny z powodu stosowania niewáaĞciwej jakoĞci surowca lub póáproduktu, niewiedzą pracownika, niepeáną obsadą, wykonywaniem zbĊdnych czynnoĞci przez operatora, usterkami maszyny powodującymi wydáuĪenie czasu cyklu pracy maszyny, niewáaĞciwą jakoĞcią materiaáu lub surowca powodującą wydáuĪenie czasu cyklu pracy maszyny itp.  Straty na jakoĞci — jest to pomiar czasu wykorzystanego na wytworzenie wadliwych wyrobów. 3. ĝledzenie i genealogia produkcji (ang. Production Tracking and Genealogy) — pozwala na Ğledzenie w czasie rzeczywistym przepáywu produkcji wraz ze szczegóáami dotyczącymi iloĞci zuĪywanych surowców, operatorów wykonujących okreĞlone zadania, realizowanych receptur, wprowadzanych do receptur korekt. Odpowiada za zapis danych w produkcyjnej bazie danych, a w konsekwencji pozwala na odtworzenie kompletnej genealogii produkcji (prostej oraz odwrotnej, ang. reverse genealogy). 52 Komputerowe systemy automatyki przemysäowej Rysunek 2.3. Straty w dostĊpnym czasie pracy maszyny systemu MES y n y z s a m y c a r p s a z c y n p Ċ t s o D i j c a t l a o p s k e s a z C y t a r t s e n a w o n a p e N i l Planowane straty Straty na dostĊpnoĞci Straty na wykorzystaniu Straty na jakoĞci 1 2 3 Efektywna produkcja 4. Zarządzanie jakoĞcią (ang. Quality Management) — odpowiada za dostarczenie w czasie rzeczywistym analiz opartych na pomiarach procesowych, co umoĪliwia zarządzanie jakoĞcią produktów oraz identyfikacjĊ potencjalnych „sáabych ogniw” produkcyjnych. Pozwala na korelacjĊ symptomów, akcji oraz rezultatów w celu rozpoznania przyczyn spadku jakoĞci. Zawiera analizy statystycznego sterowania procesem SPC i statystycznego sterowania jakoĞcią SQC (ang. Statistic Process Control/Statistic Quality Control). Dodatkowo moĪe implementowaü zarządzanie operacjami oraz analizami w ramach systemów kontroli jakoĞci wszystkich czynnoĞci laboratorium LIMS (ang. Laboratory Information Management Systems), które pozwalają na modelowanie procesów zbierania danych z róĪnych Ĩródeá ich organizacji i przetwarzania, a takĪe przeksztaácanie tych danych w informacje czytelne dla odbiorcy oraz dystrybucjĊ i publikacjĊ tych informacji. 5. Gromadzenie i akwizycja danych (ang. Data Collection and Acquisition) — dostarcza mechanizmy pozwalające na gromadzenie danych produkcyjnych (parametrów technologicznych, informacji o wykonywanych zleceniach itp.) pochodzących bezpoĞrednio z urządzeĔ sterujących, np. sterowników PLC, rozproszonych systemów sterowania DCS oraz innych systemów informatycznych w relacyjnych bazach danych czasu rzeczywistego. Pozwala takĪe na udostĊpnianie tych danych w postaci interfejsów, wykresów oraz raportów zawierających kontekstowe informacje dedykowane okreĞlonym uĪytkownikom. 6. Zarządzanie obiegiem dokumentów (ang. Document Control) — zarządzanie dostĊpem do dokumentów oraz przepáywem dokumentów, takich jak instrukcje robocze, receptury, raporty, procedury wykonania operacji, czĊĞci programów (np. programów obrabiarek CNC), zapisy wsadów, zmiany wprowadzane przez technologów, komunikacja „miĊdzyzmianowa” (ang. Shift-to-Shift Communication). Ma za zadanie np. dostarczenie operatorom instrukcji roboczych oraz zaáadowanie nastaw do ukáadu sterowania. Pozwala teĪ na (w ramach zgodnoĞci z normami ISO) dostarczenie instrukcji dziaáaĔ korekcyjnych w przypadku zakáóceĔ procesu produkcyjnego. 7. Zarządzanie alokacją zasobów (ang. Resource Allocation Status) — zarządzanie maszynami, materiaáami (ang. Inventory Management), urządzeniami oraz dokumentami, które są wymagane w celu wykonania operacji. Jest Ĩródáem informacji na temat historii wykorzystania zasobów oraz informacji o stanie pracy w czasie rzeczywistym. Rozdziaä 2. i Model infrastruktury systemów informatycznych 53 8. Zarządzanie zasobami ludzkimi (ang. Labor Management) — dostarczanie informacji dotyczących stanu pracy personelu odpowiedzialnego za produkcjĊ, sprawdzanie dostĊpnoĞci oraz certyfikacji uĪytkowników. Pozwala takĪe na monitorowanie dodatkowych operacji, takich jak przygotowanie materiaáów oraz prace konserwacyjne urządzeĔ dodatkowych, co w konsekwencji daje moĪliwoĞü kalkulacji rzeczywistej wartoĞci kosztów pracy na podstawie aktywnoĞci pracownika ABC (ang. Activity Based Costing). 9. Rozsyáanie zadaĔ produkcyjnych (ang. Dispatching Production Units) — zarządzanie przepáywem pracy jednostek produkcyjnych w kontekĞcie zamówieĔ, wsadów, zleceĔ oraz zadaĔ produkcyjnych. Rozsyáana informacja jest prezentowana w postaci sekwencji operacji, które powinny byü wykonane; zmiany w kolejnoĞci są uwzglĊdniane natychmiast po modyfikacji harmonogramu. W systemie dostĊpne są równieĪ moĪliwoĞci powtórnego wykonywania prac w zaleĪnoĞci od jakoĞci wytwarzanych produktów oraz moĪliwoĞci Ğledzenia wielkoĞci produkcji w toku WIP (ang. Work In-Process). 10. Harmonogramowanie produkcji (ang. Operactions/Detailed Scheduling) — zaplanowanie sekwencji wykonania operacji produkcyjnych opartych na priorytetach, atrybutach, charakterystykach oraz recepturach związanych z okreĞlonymi jednostkami produkcyjnymi. Minimalizuje czasy wykonania sekwencji. OkreĞla skoĔczone ramy czasowe wykonania okreĞlonych zleceĔ oraz rozpoznaje moĪliwe równolegáe ĞcieĪki wykonania operacji, tym samym pozwala na dokáadne obliczenie czasu wykonania zlecenia. 11. Zarządzanie utrzymaniem ruchu (ang. Maintenance Management) — wspomaganie zarządzania pracami konserwacyjnymi maszyn oraz urządzeĔ w zaleĪnoĞci od wielkoĞci wykonywanej produkcji oraz ich czasu pracy. Monitoruje stan wykorzystania maszyn, pozwala na szybką diagnostykĊ oraz gromadzi historiĊ wszelkich aktywnoĞci związanych z utrzymaniem ruchu. System MES staá siĊ jednym z zasadniczych elementów tzw. zarządzania procesami pro- dukcyjnymi. UmoĪliwia on efektywne zbieranie informacji w czasie rzeczywistym wprost ze stacji procesowych i ich transfer na obszar biznesowy. Pozyskane dane z procesu pro- dukcyjnego pozwalają na analizĊ prawdziwego obrazu wykorzystania zdolnoĞci produk- cyjnych oraz kluczowych wskaĨników wydajnoĞci produkcji. Akwizycja tych danych od- bywa siĊ za pomocą systemu SCADA/HMI. 2.3. System sterowania i akwizycji danych SCADA/HMI System nadzorujący przebieg procesu technologicznego lub produkcyjnego SCADA/HMI (ang. Supervisory Control and Data Acquisition/Human Machine Interface) jest systemem komputerowym, którego gáówne funkcje dotyczą zbierania aktualnych danych pochodzą- cych z procesu, wizualizacji jego stanu, sterowania nadrzĊdnego, alarmowania i rejestracji zdarzeĔ, archiwizacji danych oraz udostĊpniania informacji o procesie w sieciach kompu- terowych. Wybór oraz iloĞü prezentowanych danych procesowych odpowiadają okreĞlonej 54 Komputerowe systemy automatyki przemysäowej kategorii nadzorowanego procesu oraz aktualnym wymaganiom obsáugi. Zobrazowanie danych procesowych realizowane jest na ekranach synoptycznych, na których wyĞwietlane są wartoĞci w postaci liczb bądĨ za pomocą róĪnego rodzaju wykresów, suwaków lub mierników. Budowanie ekranów synoptycznych wykonywane jest we wszystkich apli- kacjach komputerowych przeznaczonych do tworzenia systemów SCADA, w których za- warte są biblioteki gotowych elementów prezentacji graficznej [KR05]. WaĪnymi zadaniami systemu SCADA są wykrywanie i rejestracja alarmów oraz gene- rowanych zdarzeĔ wystĊpujących podczas pracy komputerowego systemu sterowania procesem technologicznym. Rejestracja zdarzeĔ i alarmów jest zdeterminowana czasowo, a wymagana szybkoĞü reakcji systemu automatyki na wystąpienie okreĞlonego zdarzenia jest zwykle okreĞlana na etapie formuáowania wymagaĔ speánianych przez dany proces. Wystąpienie zdarzeĔ i alarmów zdefiniowanych w fazie projektowania systemu SCADA moĪe wywoáywaü koniecznoĞü podejmowania przez ukáady znajdujące siĊ w systemie automatyki pewnych dziaáaĔ powodujących zmniejszenie skutków ich wystąpienia. Z uwagi na wymaganą szybkoĞü i niezawodnoĞü tych dziaáaĔ odpowiedzialne za ich realizacjĊ są zazwyczaj ukáady znajdujące siĊ w bliskim otoczeniu obsáugiwanych urządzeĔ, takie jak sterowniki PLC lub moduáy zabezpieczeniowe. Dla wiĊkszoĞci systemów SCADA okreĞla siĊ parametry czasowe związane z rejestracją zdarzeĔ zachodzących podczas pracy obiektu. DziĊki temu system sterowania i wizualizacji umoĪliwia dokáadną analizĊ zaistniaáej awarii i jej skutków. Na parametry czasowe rejestracji zdarzeĔ mają wpáyw parametry wyko- rzystanych urządzeĔ, typy zastosowanych sieci przemysáowych, budowa systemu au- tomatyki, jak równieĪ typ samej aplikacji sáuĪącej do budowy systemu sterowania i wi- zualizacji [KR05]. Do przykáadowych systemów SCADA moĪna zaliczyü:  Adroit — system SCADA wraz z oprogramowaniem raportującym OPUS oraz dostĊpem poprzez strony web (VIZNET),  ANT Studio — oprogramowanie SCADA firmy ANT, sáuĪące do integracji systemów automatyki i pomiarów z wbudowanym serwerem WWW, telemetrią oraz jĊzykiem skryptów,  ASIX — pakiet projektowania i realizacji systemów wizualizacji oraz nadzoru komputerowego firmy ASKOM,  EMAC — system nadzoru i wizualizacji firmy ELEKTROBUDOWA S.A.,  GEMOS — system zarządzania budynkiem i bezpieczeĔstwem firmy ELA COMPIL,  National Instruments LabVIEW — Ğrodowisko do tworzenia systemów SCADA (graficzny jĊzyk programowania),  MicroSCADA — produkt firmy ABB sáuĪący do wizualizacji stacji elektroenergetycznej,  Movicon SCADA — oprogramowanie wizualizacyjne sáuĪące do kontroli, monitorowania i archiwizacji parametrów urządzeĔ oraz procesów przemysáowych,  Inne: iFIX, CoMeta, PRO-2000, RSView, Telwin, Wizcon Supervisor, Wonderware InTouch itp. Rozdziaä 2. i Model infrastruktury systemów informatycznych 55 System SCADA/HMI peáni rolĊ nadrzĊdną w stosunku do programowalnych sterowni- ków PLC/PAC i innych urządzeĔ. Na ogóá sterowniki PLC/PAC poáączone są bezpoĞrednio z urządzeniami wykonawczymi (zawory, przemienniki czĊstotliwoĞci, softstarty itp.) oraz pomiarowymi (czujniki temperatury, przyrządy pomiaru wielkoĞci elektrycznych itp.) i zbierają aktualne dane z obiektu, a takĪe wykonują automatyczne algorytmy sterowania i regulacji. Za poĞrednictwem sterowników PLC/PAC dane trafiają do systemu kompu- terowego i tam są archiwizowane oraz przetwarzane na formĊ bardziej przyjazną dla ob- sáugi systemu automatyki. 2.4. Urzñdzenia automatyki przemysäowej Urządzenia automatyki przemysáowej naleĪą do ukáadów urządzeĔ tworzących system automatyki przemysáowej. Zawierają siĊ w grupie urządzeĔ, które są zarządzane przez system realizacji produkcji MES za pomocą systemów SCADA/HMI. Urządzenia te moĪna podzieliü na nastĊpujące kategorie.  Urządzenia i maszyny realizujące produkcjĊ lub procesy przemysáowe: urządzenia do montaĪu oraz linie montaĪowe, urządzenia do transportu bliskiego, systemy paletyzujące, linie pakujące, prasy, roboty itp.  Urządzenia kontrolno-pomiarowe: aparatura pomiarowa, czujniki, przetworniki, mierniki, wskaĨniki, rejestratory oraz systemy wizyjne.  Urządzenia wykonawcze: zawory, silniki, napĊdy, przepustnice, pompy itp.  Urządzenia sterujące: sterowniki PLC/PAC, komputery przemysáowe IPC, panele operatorskie.  Systemy áącznoĞci: przemysáowe sieci komputerowe. Urządzeniami automatyki przemysáowej produkowanymi na bazie techniki mikrokom- puterowej moĪna sterowaü na dwa sposoby (rysunek 2.4):  lokalny — panel operatorski umieszczony na urządzeniu, umoĪliwiający realizacjĊ okreĞlonych funkcji,  zdalny — urządzenie posiada wyprowadzone záącza sterujące i interfejsy komunikacyjne. W sposobie zdalnego sterowania wyróĪnia siĊ sygnaáy sterujące oraz komunikacjĊ sie- ciową przewodową lub bezprzewodową. Sygnaá sterujący dwustanowy (cyfrowy) cha- rakteryzuje siĊ stanem logicznym „1” o wartoĞci napiĊcia od 5 do 30 V DC lub logicz- nym „0” — poniĪej 5 V DC. Zdalny sygnaá analogowy realizowany jest poprzez wartoĞü prądu w zakresie od 0/4 do 20 mA DC lub poprzez wartoĞü napiĊcia w zakresie od 0/2 do 10 V DC. W przypadku zastosowania sposobu sterowania za pomocą sygnaáu sterującego okablowanie staje siĊ bardziej rozbudowane w stosunku do liczby przewodów wystĊpujących podczas sterowania przy uĪyciu komunikacji sieciowej. Zastosowanie 56 Rysunek 2.4. Sposoby sterowania urządzeniami automatyki przemysáowej Komputerowe systemy automatyki przemysäowej SPOSOBY STEROWANIA urządzeniami automatyki przemysáowej Lokalne Zdalne Sygnaá sterujący Komunikacja sieciowa Przewodowa Bezprzewodowa Dwustanowy (cyfrowy): x 0/24VDC x 0/230VAC Analogowy: x napiĊciowy 0/2-10VDC x prądowy 0/4-20mADC komputerowych sieci przemysáowych sprawia, Īe urządzenie moĪe byü sterowane oraz programowane. W czasie jego pracy moĪliwe jest równieĪ zdalne odczytywanie wybra- nych wartoĞci danych procesowych i zapisywanie ich do bazy danych. Ten rodzaj ste- rowania jest najbardziej efektywny, pod warunkiem Īe prĊdkoĞü przesyáania danych pomiĊdzy urządzeniami automatyki przemysáowej nie opóĨnia procesu sterowania linią technologiczną [KR05]. 2.5. Programowalne sterowniki PLC/PAC Do zarządzania okreĞloną linią produkcyjną uĪywa siĊ programowalnych sterowników, które stanowią integralną czĊĞü warstwy produkcyjnej modelu infrastruktury systemów informatycznych. Ich zadanie polega na sterowaniu urządzeniami automatyki przemy- sáowej oraz na akwizycji danych procesowych. Proces ten z reguáy odbywa siĊ za pomocą przemysáowych sieci komputerowych, takich jak Modbus, Profibus, CAN, EtherCAT, Ethernet Powerlink, ze wzglĊdu na uniwersalny charakter transmisji danych oraz szerokie moĪliwoĞci nadzorowania urządzeĔ automatyki. Sterowniki PLC/PAC bezpoĞrednio wpáywają na pracĊ stacji procesowych oraz odczytują informacjĊ z urządzeĔ automatyki przemysáowej procesu technologicznego. Pozyskane dane przechowywane są w pamiĊci operacyjnej sterownika PLC/PAC i mogą byü udo- stĊpniane systemom SCADA/HMI za pomocą sieci komputerowej. Programowalny sterownik logiczny PLC (ang. Programmable Logic Controller) jest uni- wersalnym urządzeniem mikroprocesorowym przeznaczonym do sterowania pracą maszyny lub urządzenia technologicznego. Sterownik PLC musi zostaü dopasowany do okreĞlonego Rozdziaä 2. i Model infrastruktury systemów informatycznych 57 obiektu sterowania poprzez wprowadzenie do jego pamiĊci poĪądanego algorytmu dzia- áania. Sterownik posiada strukturĊ oprogramowania przystosowaną do wykonywania pĊtli regulacji. Typowa architektura sprzĊtowa sterownika PLC moĪe obejmowaü nastĊpujące kompo- nenty (rys. 2.5). Rysunek 2.5. Uproszczona architektura sterownika PLC Oprogramowanie specyficzne dla danego producenta System operacyjny rzeczywistego czasu RTOS Szyna danych j ü Ğ y w / ü Ğ e w j j ü Ğ y w / ü Ğ e w j j ü Ğ y w / ü Ğ e w j á u d o M á u d o M á u d o M i j y n y c a k n u m o k s e j f r e t n I Jednostka centralna CPU PamiĊü sterownika  Mikroprocesor — jednostka centralna CPU (z ang. Central Processing Unit), która wykonuje algorytm sterowania (program uĪytkownika). Procesory stosowane obecnie w sterownikach PLC są, zaleĪnie od producenta, bardzo zróĪnicowane.  PamiĊü — sáuĪy do przechowywania informacji w postaci cyfrowej w: ROM (ang. Read-Only Memory), reprogramowalnej pamiĊci EPROM (ang. Flash EPROM) oraz w podtrzymywanej bateryjnie pamiĊci RAM (ang. Random Access Memory). Jest przeznaczona do przechowywania oprogramowania systemowego, programu uĪytkownika i elementów konfiguracji.  Baterie lub inne mechanizmy (np. kondensator), za pomocą których program sterownika oraz dane mogą byü przechowywane w przypadku zaniku zasilania.  Zasilacz — wewnĊtrzne zasilanie jednostki centralnej, moduáów wejĞü/wyjĞü oraz moduáów dodatkowych.  Szyna danych — system, przy uĪyciu którego obsáugiwane są moduáy wejĞü/wyjĞü zarówno cyfrowych, jak i analogowych, sterowanie ruchem oraz komunikacja. Sterownik PLC zwykle wyposaĪony jest w szeregową lub równolegáą szynĊ danych, która sáuĪy procesorowi do wymiany informacji z pozostaáymi komponentami sterownika.  Moduáy wejĞü/wyjĞü, do których zalicza siĊ:  moduáy wejĞü dyskretnych,  moduáy wyjĞü dyskretnych,  moduáy wejĞü analogowych,  moduáy wyjĞü analogowych,  kombinowane moduáy wejĞü i wyjĞü. 58 Komputerowe systemy automatyki przemysäowej  Moduáy inteligentne (dodatkowe, specjalizowane) — wyposaĪone są zazwyczaj w ukáady mikroprocesorowe i wykonują funkcje, takie jak:  realizacja záoĪonych procedur sterowania,  przetwarzanie sygnaáów,  gromadzenie danych,  komunikacja.  Inne moduáy, do których moĪna zaliczyü:  moduáy wejĞü do pomiaru temperatury wspóápracujące z termoparą,  moduáy wejĞü do pomiaru temperatury wspóápracujące z termometrem oporowym, np. PT100 lub NI120,  moduáy wagowe, wspóápracujące z mostkami tensometrycznymi,  moduáy licznika o wysokiej czĊstotliwoĞci,  moduáy pozycjonujące,  moduáy programowalne,  moduáy komunikacyjne (Modbus, Ethernet, DeviceNet, Profibus itp.),  moduáy gáoĞnomówiące,  Fuzzy Logic.  Obudowa — konstrukcja mechaniczna sterownika, za pomocą której komponenty mogą funkcjonowaü w ramach jednego urządzenia. WĞród typowych rozwiązaĔ znaleĨü moĪna obudowy, w których montuje siĊ wszystkie komponenty (rozwiązania kompaktowe). Coraz czĊĞciej stosowane są konstrukcje bez wspólnej obudowy (kasety rozszerzające), w których moduáy są áączone indywidualnie nawet na odlegáoĞü 210 m — sterownik rozproszony. Podstawowym komponentem architektury oprogramowania sterownika PLC jest jego system operacyjny (rozdz. 6). Systemy operacyjne czasu rzeczywistego zapewniają ste- rownikom zarówno stabilnoĞü dziaáania, jak i poĪądaną w aplikacjach przemysáowych niezawodnoĞü. W ramach pracy systemu operacyjnego zapisuje siĊ, a nastĊpnie uruchamia programy uĪytkowe, opisujące zachowanie i decyzje systemu sterowania w danej aplikacji, zaleĪnie od informacji wejĞciowej. W pracy kaĪdego sterownika wykonywane są w sposób cykliczny kolejno pojedyncze bloki programu (rysunek 2.6). Na początku kaĪdego cyklu program odczytuje stany wejĞü sterownika i zapisuje je jako obraz wejĞü procesu. Po wykonywaniu czĊĞci logicznej pro- gramu sterującego sterownik wpisuje stany wyjĞü do pamiĊci bĊdącej obrazem wyjĞü proce- su, po czym system operacyjny sterownika PLC uaktywnia odpowiednie wyjĞcia sterujące elementami wykonawczymi. W nastĊpnym kroku realizowana jest komunikacja z pro- gramatorem, komunikacja systemowa (moduáy inteligentne) oraz diagnostyka. Wszystkie poáączenia sygnaáowe áączą siĊ w moduáach wejĞciowych sterownika, a program Ğledzi ich obraz i reaguje zmianą stanów wyjĞü w zaleĪnoĞci od algorytmu programu sterującego. Rozdziaä 2. i Model infrastruktury systemów informatycznych 59 Rysunek 2.6. Cykl pracy programowalnego sterownika Inicjacja (początek) cyklu Obsáuga wejĞü Wprowadzanie wartoĞci zmiennych wejĞciowych Wykonanie czĊĞci logicznej programu sterującego Obsáuga wyjĞü Wprowadzanie wartoĞci zmiennych wyjĞciowych Czas trwania cyklu pracy sterownika Komunikacja z programatorem Komunikacja systemowa (moduáy inteligentne) Diagnostyka Początek nastĊpnego cyklu W celu znormalizowania wytycznych sprzĊtu oraz oprogramowania sterowników PLC w 1993 roku MiĊdzynarodowa Komisja Elektroniki wydaáa normĊ IEC 1131 „Program- mable Controlles” (obecnie IEC 61131), która obejmuje:  informacje ogólne (ang. General Information),  sprzĊt i wymagania testowe (ang. Equipment and Test Requirements),  jĊzyki programowania (ang. Programming Languages),  wytyczne uĪytkownika (ang. User Guidelines),  wymianĊ informacji (ang. Messaging Service). Pierwsze dwie czĊĞci zostaáy przyjĊte w Polsce bez zmian jako PN-IEC 1131-1:1996 i PN-IEC 1131-2:1996, natomiast trzecia jako PN-EN 61131-3:1998. W zakresie opro- gramowania sterowników PLC wyróĪniono nastĊpujące jĊzyki programowania. 1. Graficzne, podzielone na:  jĊzyk LD (ang. Ladder Diagram) — schemat drabinkowy zbliĪony do klasycznego technicznego rysunku elektrycznego, toteĪ jest najprostszą formą oprogramowywania procesów dyskretnych i ciągáych (tabela 2.1 oraz rysunek 2.7). JĊzyk LD oferuje 50 kolumn i 50 linii programu na sieü (ang. network). Caákowita liczba sieci (linii programu LD) ograniczona jest jedynie iloĞcią pamiĊci zastosowanego sterownika. WejĞcia cyfrowe powinny znajdowaü siĊ w kolumnach od 1 do 49, natomiast wejĞcia analogowe áączy 60 Komputerowe systemy automatyki przemysäowej Tabela 2.1. PrzekaĨniki i styki jĊzyka LD Symbol | | | e | ( ) (SM) (RM) + + (/M) ( e ) (M) (S) (R) (n) (p) Nazwa Styk otwarty Styk zamkniĊty PrzekaĨnik o stykach otwartych PrzekaĨnik ustawienia z pamiĊcią SET PrzekaĨnik ustawienia z pamiĊcią RESET Poáączenie pionowe Poáączenie poziome PrzekaĨnik kontynuacji Styk kontynuacji PrzekaĨnik o stykach zamkniĊtych z pamiĊcią PrzekaĨnik o stykach zamkniĊtych PrzekaĨnik o stykach otwartych z pamiĊcią PrzekaĨnik ustawienia SET PrzekaĨnik ustawienia RESET PrzekaĨnik uaktywniany zboczem narastającym PrzekaĨnik uaktywniany zboczem opadającym Rysunek 2.7. Przykáad programowania w jĊzyku LD dla:  0 I 1 I 0 O ˜ 1 I 0 I 1 O ;  4 I 1 I 3 I 2 I 2 O 3 I0 I ; ˜ ˜ ˜ ˜ O 0 ( ) O 1 O 2 ( ) ( ) I 1 | | I 4 | e | I 0 I 1 I 0 I 0 I 2 | | | | | e | | | | | I 1 I 3 I 3 | | | e | | | siĊ bezpoĞrednio do bloków funkcyjnych FBK (ang. Function Blok). Podczas programowania w jĊzyku LD typy styków i poáączeĔ sprawdzane są na bieĪąco — przeprowadzany jest peány test poprawnoĞci programu. Test ten wykrywa wszelkiego rodzaju niezdeklarowane wyjĞcia, otwarte poáączenia, nienazwane styki lub bloki funkcyjne bez parametrów wejĞciowych.  jĊzyk FBD (ang. Function Block Diagram) — diagram schematów bloków funkcyjnych, sekwencja linii zawierających bloki funkcyjne. 2. Tekstowe, do których siĊ zalicza:  jĊzyk listy rozkazów IL (ang. Instruction List) — rodzaj jĊzyka asemblera (podrozdz. 6.2). Rozdziaä 2. i Model infrastruktury systemów informatycznych 61  jĊzyk tekstu strukturalnego ST (ang. Structured Text) — jĊzyk programowania wyĪszego poziomu, gwarantujący szybkie i efektywne tworzenie instrukcji projektu. SáuĪy do programowania nawet bardzo zaawansowanych zadaĔ automatyzacji. Jego skáadnia jest zbliĪona do jĊzyka Pascal. Na jĊzyk tekstu strukturalnego skáadają siĊ takie grupy instrukcji jak operacje logiczne, operacje arytmetyczne, wyraĪenia porównaĔ logicznych, decyzje (przypisania), pĊtle oraz operacje wyboru. Jako sposób programowania sterownika PLC dopuszcza siĊ równieĪ sekwencyjną tablicĊ bloków programowych SFC (ang. Sequential Function Chart). Graf sekwencji SFC ba- zuje na jĊzyku Grafcet/Graftec, który zostaá opracowany w celu podzielenia elementów zadania na prostsze jednostki. Jest przeznaczony dla procesów wykonujących okreĞlone sekwencje czynnoĞci. Symbole wykorzystywane w programowaniu za pomocą tego grafu podzielone są na nastĊpujące grupy (tabele 2.2 i 2.3): Tabela 2.2. Symbole tablicy funkcji SFC. Krok (etap — step) moĪe byü aktywny lub nieaktywny Symbol Nazwa Krok początkowy (ang. Initial Step) Krok regularny (ang. Regular Step) PrzejĞcie (tranzycja) — warunki logiczne realizacji poszczególnych kroków. Speánienie warunków przejĞcia powoduje dezaktywacjĊ aktualnego kroku i aktywacjĊ nastĊpnego kroku Tabela 2.3. Przykáad uĪycia sekwencyjnej tablicy bloków funkcji SFC Przykäad sieci SFC SKOK S1 S2 S3 T1 T2 T2 SKOK Procedury wspóäbieĔne (jednoczesne, równoczesne) Wybór procedury Podwójna linia pozioma S6 T7 S7 S8 T8 S9 S7 T5 T6 S6 S9 S8 T7 T8  krok początkowy (ang. Initial Step) — kaĪdy program zawiera specjalny blok, nazywany krokiem inicjcyjnym,  krok regularny (ang. Regular Step) — blok programu, 62 Komputerowe systemy automatyki przemysäowej  akcje — zawierają aktualny kod programu; są zawsze przypisywane do jakiegoĞ etapu; aby zaprogramowaü akcjĊ, moĪna uĪyü dowolnego jĊzyka programowania,  tranzycja — przejĞcie pomiĊdzy akcjami,  skok — wykorzystywany do implementacji pĊtli oraz powtórzeĔ,  gaáĊzie — umoĪliwiają realizacjĊ programu sterowania w jednej z kilku gaáĊzi na kilka róĪnych sposobów, zaleĪnych od speánienia okreĞlonych warunków. JeĪeli kilka moĪliwych warunków zostanie speánionych, wtedy wykonywana jest gaáąĨ pierwsza od lewej strony. W celu uzyskania niezawodnej pracy sterowania PLC i jego odpornoĞci na awarie stosuje siĊ ukáady redundancyjne. Systemy redundancyjne (rezerwacja systemu) bazują na lo- gicznym programie sterownika oraz kombinacji zabezpieczeĔ sprzĊtowych i programo- wych. Oparte są na zdwojeniu urządzeĔ (sterowników, áączy komunikacyjnych itp.) lub potrojeniu urządzeĔ. Wtedy jest to redundancja TMR (ang. Triple Modular Redundancy). RozróĪnia siĊ nastĊpujące rodzaje systemów redundancyjnych:  system awaryjnego zamykania procesu ESD (ang. Emergency Shutdown System) — bezpieczne zamykanie cyklu produkcyjnego w przypadku awarii,  gorącą rezerwĊ (ang. Hot Stanby PLC Redundancy) — pierwsza jednostka kontroluje proces, druga jest w stanie oczekiwania; w momencie awarii w aktywnej jednostce CPU rezerwowa jednostka przejmuje sterowanie; przejĊcie sterowania przez jednostkĊ moĪe odbyü siĊ poprzez mechanizm synchronizacji, który obejmuje:  synchronizacjĊ cykli pracy obu jednostek CPU,  synchronizacjĊ danych (kopiowanie danych procesowych w kaĪdym cyklu pracy systemu z jednostki aktywnej do rezerwowej),  programowanie i usuwanie awarii w trybie „on-line”,  podwójną redundancjĊ (ang. Duplex PLC Redundancy) — stany wejĞü przekazywane są jednoczeĞnie do obu jednostek centralnych, które realizują program sterujący. Przy generacji przez jednostki centralne jednakowych stanów wyjĞü zostanie obrany stan fizycznych wyjĞü systemu, w przeciwnym przypadku o stanie wyjĞü decyduje stan skonfigurowany w danym wyjĞciu jako standardowy — bezpieczny (ang. Duplex Default State). Programowalne sterowniki automatyki PAC (ang. Programmable Automation Controller) áączą architekturĊ oprogramowania oraz konfiguracjĊ sprzĊtową programowalnych ste- rowników PLC z komputerami klasy PC poprzez:  niezawodnoĞü platformy podobnej do sterowników PLC,  funkcjonalnoĞü komputerów PC,  wykorzystanie standardów przemysáowych, np. OPC (ang. OLE for Process Control) oraz XML (ang. eXtensible Markup Language),  prostotĊ wymiany informacji pomiĊdzy urządzeniami róĪnych producentów. Rozdziaä 2. i Model infrastruktury systemów informatycznych 63 W sterownikach PAC w gáównej mierze korzysta siĊ z oprogramowania narzĊdziowego, które powinno zapewniaü:  transparentny dostĊp do wszystkich parametrów i funkcji w ramach systemu,  moĪliwoĞü poáączenia w jeden system sterowników PAC, PLC, SoftPLC oraz stacji rozproszonych wejĞü/wyjĞü procesowych,  moĪliwoĞü oprogramowania sterowania ruchem, regulacji ciągáej PID,  wspomaganie uĪytkownika systemu i oprogramowania narzĊdziowego w zakresie dostĊpu do wiedzy,  rejestracjĊ duĪej iloĞci danych i ich analizĊ,  wizualizacjĊ i obsáugĊ danych,  maksymalny poziom integracji z siecią przedsiĊbiorstwa z uĪyciem sieci Ethernet TCP/IP czy innych standardów technologii informatycznej IT. Oprogramowanie sterowników PAC zapewnia stabilnoĞü i niezawodnoĞü systemu opera- cyjnego czasu rzeczywistego, istotną podczas obsáugi wejĞü/wyjĞü i ustalania zaleĪnoĞci czasowych w systemie oraz okreĞlania priorytetów wykonania zadaĔ, takich jak pĊtle ste- rowania (rysunek 2.8). Oprogramowanie powinno zawieraü wystarczającą liczbĊ funkcji sterujących i analitycznych oraz umoĪliwiaü zarówno wykonywanie zadaĔ sterowania lo- gicznego, jak i regulacji PID. Uzupeánieniem moĪe byü tworzenie wáasnych, zaawanso- wanych algorytmów regulacji automatycznej. Rysunek 2.8. Uproszczona architektura sterownika PAC Oprogramowanie o otwartej architekturze Szyna danych j ü Ğ y w / ü Ğ e w j j ü Ğ y w / ü Ğ e w j j ü Ğ y w / ü Ğ e w j System operacyjny ogólnego zastosowania á u d o M á u d o M á u d o M j i y n y c a k n u m o k s e f r e t n I j Jednostka centralna CPU PamiĊü komputera W programowalnych sterownikach automatyki PAC uĪywa siĊ tych samych jĊzyków programowania, które są charakterystyczne dla sterowników PLC, czyli jĊzyków zdefi- niowanych w normie IEC 61131-3. Dodatkowo do ich programowania korzysta siĊ rów- nieĪ z jĊzyków skryptowych, takich jak AB (ang. B R Automation Basic) oraz ANSI C. JĊzyk ANSI C jest jednym z najpopularniejszych obecnie jĊzyków programowania wyso- kiego poziomu. Ma zastosowanie nie tylko w komputerach klasy PC, ale równieĪ w pro- gramowalnych sterownikach automatyki, poniewaĪ sterowniki PAC mają umoĪliwiaü programowanie niezaleĪne od platformy sprzĊtowej. 64 Komputerowe systemy automatyki przemysäowej JĊzyk Automation Basic jest bardzo podobny do jĊzyka strukturalnego tekstu ST (ang. Structured Text). To jĊzyk wysokiego poziomu zaproponowany przez firmĊ B R dla systemów automatyki. Jest stosowany w oprogramowaniu dostĊpnym w Automation Studio, aby umoĪliwiü automatyzacjĊ procesów wielu zadaĔ. Charakterystyczne dla skáadni jĊzyka Automation Basic są funkcje logiczne, operacje arytmetyczne, wyraĪenia porównaĔ logicznych, instrukcje decyzji i wyboru, instrukcje iteracyjne (np. pĊtle), kon- strukcje pracy krokowej select2, arytmetyka adresów w pamiĊci oraz funkcje (m.in. inline) i bloki funkcyjne FBK. Programowanie zadaĔ sterownika (ang. task) realizuje siĊ w dwóch sekcjach:  inicjalizacyjnej — sekcja uruchamiana tylko na początku programu po wáączeniu sterownika; zwykle jest uĪywana do inicjacji staáych, ustawienia wartoĞci początkowych zmiennych oraz do wykonywania szeregu operacji,  gáównej — sekcja, w której umieszcza siĊ instrukcje do wykonywania w czasie rzeczywistym przez sterownik programowalny. Dziaáa ona cyklicznie, bez przerwy, w ĞciĞle okreĞlonych interwaáach czasowych, a zatem caáy algorytm sterowania nie moĪe byü umieszczony w pojedynczej pĊtli programu. Sterowniki PLC są jeszcze bardzo czĊsto spotykane w przemyĞle i nie przewiduje siĊ ich wycofywania. Modernizacja linii produkcyjnych polega na zastąpieniu istniejących mo- deli nowszymi. Takie podejĞcie jest zrozumiaáe ze wzglĊdów ekonomicznych oraz prak- tycznych. àatwiej zaprogramowaü nowy sterownik lub zmodyfikowaü aktualny program, uĪywając juĪ istniejącego oprogramowania, niĪ wchodziü w nowe obszary organizacji projektu sterownika PAC. Z tego powodu sterowniki PLC wciąĪ odgrywają olbrzymią rolĊ na ekonomicznych rynkach Ğwiata. Producenci ciągle opracowują nowe technologie, wskutek czego stają siĊ one coraz taĔsze. Z drugiej strony, wspóáczeĞni dostawcy auto- matyki przemysáowej definiują nową klasĊ urządzeĔ, czyli programowalne sterowniki automatyki PAC. Za ich pomocą moĪna wymieniaü dane procesowe w otwartych stan- dardach przemysáowych, co przyczynia siĊ do znacznego zwiĊkszenia funkcjonalnoĞci sys- temu sterowania. 2 Praca krokowa select — instrukcja z okreĞloną liczbą stanów. Pozostaje w jednym ze stanów dopóty, dopóki nie otrzyma komendy do jego zmiany. Rezultatem takiego dziaáania jest to, Īe za kaĪdym razem, gdy program wchodzi w ten obszar kodu, wykonywany jest tylko aktualny stan. Dodatkowo umieszczone w niej są warunki, które — jeĞli zostaną speánione — spowodują zmianĊ stanu w nastĊpnym cyklu. Skorowidz A adresy IP, 87 adres rozgáoszeniowy, 89 adresy prywatne, 88 adresy publiczne, 88 adresy zewnĊtrzne, 88 DNS, 88 adresy MAC, 84 adres multicast, 85 adres rozgáoszeniowy, 84 adresy funkcyjne, 85 adresy lokalnie zarządzane, 85 AJAX, 196 algorytm losowy CSMA/CD, 81 algorytm przekazywania znacznika, 81 AND, 25 architektura sieci komputerowych, 65 algorytm losowy CSMA/CD, 81 algorytm przekazywania znacznika, 81 fale elektromagnetyczne, 71 kabel koncentryczny, 70 LAN, 65 MAN, 65 niezawodna komunikacja poáączeniowa, 82 odpytywanie, 82 RS 232, 74 RS 232C, 74 RS 422A, 78 RS 485, 79 schemat architektury warstwowej, 68 skrĊtka, 70 Ğwiatáowody jednomodalne, 71 Ğwiatáowody wielomodalne, 71 technika transmisji jednopasmowej, 72 technika transmisji wielopasmowej, 72 topologia fizyczna, 66 topologia gwiaĨdzista, 67 topologia logiczna, 66 topologia magistralowa, 66 topologia nieregularna, 68 topologia pierĞcieniowa, 67 topologie sieci komputerowej, 66, 67 transmisja danych, 72 WAN, 66 warstwa aplikacyjna, 69 warstwa fizyczna, 68 warstwa liniowa, 68 warstwa áącza danych, 68, 80 warstwa prezentacji, 69 warstwa sesji, 69 warstwa sieciowa, 68 warstwa transportowa, 69 wĊzeá, 65 wáókno Ğwiatáowodowe, 70 wymagania stawiane obwodom transmisyjnym, 80 asembler, 165 algorytmy tworzenia instrukcji iteracyjnych, 167 algorytmy tworzenia instrukcji przypisania wartoĞci do zmiennej, 166 algorytmy tworzenia instrukcji wyboru, 166 PLAN, 165 SAS, 165 B bajt, 21, 22 baza danych, 249 algorytm realizacji wszystkich operacji, 253 modyfikowanie wartoĞci istniejących obiektów, 252 odczytywanie danych, 252 postaü tabelaryczna danych, 254 tworzenie nowych obiektów, 252 uproszczona struktura folderów, 250 usuwanie obiektów, 252 272 Komputerowe systemy automatyki przemysäowej biblioteki API, 186 budowa, 186 bit, 22 IDE, 112 LSB, 114 RTR, 112 SSR, 112 bitmapa, 34 nagáówek, 34 obraz bitmapy, 35 organizacja w modelu 1-, 4- i 8-bitowym, 34 BMP, Patrz bitmapa BMS, 49 C CAN, 108 binarny sygnaá kodowania, 111 bit IDE, 112 bit RTR, 112 bit SSR, 112 CAL, 119 CAN Kingdom, 119 CANopen, 119 DeviceNet, 119 formaty ramek protokoáu komunikacyjnego, 112 kodowanie NRZ, 111 mechanizmy detekcji báĊdów, 119 organizacja pracy w sieci, 108 poziomy napiĊü, 110 prĊdkoĞci transmisji danych, 111 protokóá HLP, 118 przykáad rozwiązania kolizji na magistrali, 113 TTCAN, 119 warstwa aplikacyjna, 118 warstwa fizyczna, 109 warstwa áącza danych, 112 moduáy aplikacja serwera, 200 rejestracja w systemie operacyjnym, 203 schemat interfejsowy obiektu, 199 struktura organizowania obiektów budowanych, 198 wygląd projektu aplikacji klienta, 199 wygląd projektu aplikacji serwera, 199 COM, 198 CORBA, 204 jĊzyk IDL, 204 protokóá IIOP, 205 CRP, 49 D dana procesowa, 240 kategorie, 241 wartoĞü jakoĞci zmiennej procesowej, 241 wartoĞü stempla czasowego, 240 zmienna procesowa, 240 wymiana informacji pomiĊdzy hostami, 204 DCOM, 204 DCS, 45 model infrastruktury systemów informatycznych, 47 podsystem produkcji, 46 podsystem zarządzania, 46 uproszczona struktura, 45 warstwa biznesowa, 46 warstwa operacyjna, 47 warstwa produkcyjna, 46 DDE, 197 DEM, 48 DNS, 88 DRP, 49 dwójkowy system liczbowy, Patrz system dziesiĊtny system liczbowy, Patrz system dwójkowy dziesiĊtny E encja, 42 ERP, 48 BMS, 49 CRP, 49 DEM, 48 DRP, 49 funkcjonalnoĞü przedsiĊbiorstwa, 48 INV, 49 IOC, 49 MPS, 48 MRP, 48 narzĊdzia i pomoce warsztatowe, 49 planowanie biznesowe, 48 planowanie finansowe, 49 pomiar wyników, 49 PUR, 49 SFC, 49 SOP, 48 SRS, 49 symulacje, 49 EtherCAT, 133 budowa wĊzáa sieci, 136 organizacja pracy sieci, 135 Skorowidz 273 protokoáy komunikacyjne sieci, 133 protokóá EtherCAT, 133 ramka protokoáu komunikacyjnego, 134 Ethernet Powerlink, 1
Pobierz darmowy fragment (pdf)

Gdzie kupić całą publikację:

Komputerowe systemy automatyki przemysłowej
Autor:

Opinie na temat publikacji:


Inne popularne pozycje z tej kategorii:


Czytaj również:


Prowadzisz stronę lub blog? Wstaw link do fragmentu tej książki i współpracuj z Cyfroteką: