Дізнайтеся про технічні можливості сучасних вимірювальних підсилювачів у порівнянні з сучасними ПЛК контролерами. На додаток до точності також розглядаються гнучкість у застосуванні, експлуатації та експлуатаційна надійність. Іншими важливими аспектами є можливості інтеграції в системи автоматизації та додатки IOT, а також те, як спроектувати оптимальне промислове середовище керування.
Куди рухаються вимірювальні технології? Які ключові моменти та потенційні перешкоди? А що особливо важливо, якщо ви хочете досягти довгострокового успіху?
Нові концепції незамінні
У минулому взаємодія між окремими компонентами системи в межах випробувального стенду чи виробничого підприємства, наприклад, була можлива лише через складні канали передачі та перетворювачі інтерфейсів. Щоб підвищити ефективність цих дедалі складніших систем, в останні роки відбувається постійний зсув до модульних компонентів і стандартних інтерфейсів.
Розробники продуктів і планово-виробничий відділи шукають гнучкі системи, які вимагають мінімального навчання нових співробітників і які легко інтегруються в нові технології. Існують деякі фундаментальні відмінності між завданнями автоматизації та завданнями розробки продукту. У той час як розробка продукту вимагає точного збору даних вимірювань із високою швидкістю запису, програми автоматизації залежать від даних у реальному часі, що дозволяє підтримувати послідовність і оптимальну швидкість роботи машин. Для останнього фактичні дані вимірювань мають дуже мало значення, а діагностичні дані мають набагато вищий пріоритет.
У мехатронних системах ці колись окремі області зрослися разом. Таким чином, ідеальний компонент є досить гнучким, щоб використовувати його як у виробничих, так і в випробувальних середовищах.
Що робить ПЛК?
Програмований логічний контролер (ПЛК) — це пристрій, який використовується для керування або регулювання машини чи системи та програмується цифровим способом.
У найпростішому випадку ПЛК має входи, виходи, операційну систему (програмне забезпечення) та інтерфейс, підключений до програми користувача. Програма користувача визначає, як перемикаються виходи залежно від входів. ПЛК в основному завжди детермінований, тобто час циклу визначається з точністю до мілісекунди, протягом якого обробляються прикладна програма та послідовність керування машиною. Після програмування ПЛК стає слухняною робочою конячкою. Однак зміни в послідовності завжди вимагають спеціаліста, який адаптує або модифікує та перевіряє робочу програму. Це вимагає від програміста тривалої і ретельної підготовки.
Датчики та виконавчі механізми використовуються для підключення ПЛК до машини чи установки. Крім того, є індикатори стану. Датчики підключаються до входів ПЛК і повідомляють про те, що відбувається в машині чи установці. Прикладами датчиків є кнопки, світлові бар’єри, інкрементні енкодери, кінцеві вимикачі, а також датчики температури, датчики рівня тощо. Виконавчі механізми під’єднані до виходів ПЛК і пропонують можливість керувати машиною чи установкою. Приклади приводів включають контактори для вмикання електродвигунів, електричні клапани для гідравліки або стисненого повітря, а також модулі для керування приводом (керування рухом, регулювання швидкості з контрольованим прискоренням або уповільненням, керування кроковим двигуном).
Відмінності, засновані на модульності
Модульні ПЛК
У випадку модульного ПЛК система керування складається з окремих компонентів, кожен з яких виконує окреме завдання. Найпростішим прикладом може бути ПЛК, що складається з центрального обчислювального вузла (з головним процесором) і принаймні одного вхідного та одного вихідного вузлів. Ці системи можна розширити шляхом додавання додаткових модулів, наприклад, входів або виходів. Зі спеціалізованими модулями, наприклад із послідовними портами, також можна інтегрувати такі компоненти, як метеостанції. За бажанням можна додати обробку аналогових вхідних сигналів, складні модулі керування та численні інші модулі.
Компактні ПЛК
Компактні контролери не розширюються або розширюються лише в обмеженій мірі, тому вимагають менше місця та інвестицій. Вони пропонують ті самі основні функції, що й модульні ПЛК.
Області застосування та межі ПЛК
ПЛК можна використовувати скрізь, де цифрові сигнали та прості значення вимірювань від датчиків і виконавчих механізмів поєднуються в центральній шафі керування. ПЛК працюють синхронно в попередньо визначених робочих програмах і таким чином керують машинами та системами.
Створення та модифікація цих операційних програм потребує добре підготовлених спеціалістів, оскільки адаптація та доповнення ПЛК займають багато часу та не можуть відбутися без спеціального фахівця з програмування. Те ж саме стосується менших компактних контролерів, якими неможливо керувати без необхідних технічних знань.
Завдяки своїй заздалегідь визначеній структурі ПЛК швидко досягає межі обсягу даних, які можна обробити. Отже, для завдань вимірювання та керування з великим об’ємом даних і точною кривою сигналу вимірювання ПЛК швидко досягне своїх обмежень.
Крім того, точність сигналів, виміряних модулями вводу/виводу, часто недостатня для прийняття точних рішень щодо сигналів і процесів на підприємстві. Зниження ефективності процесу виробництва або тестування неминуче.
Тому PLC слід розглядати як автономну систему. Його підключення «до зовнішнього світу» за допомогою відповідних інтерфейсів має лише обмежену доступність. Однак повне підключення є важливою вимогою цифровізації та IoT, де для досягнення бажаного стрибка продуктивності на додаток до системи керування потрібні хмарне зберігання, оцінка та візуалізація.
Операційні технології (OT) та інформаційні технології (IT) зближуються
Дуже схожа ситуація стосується програмного забезпечення для випробувань та контролю. Виміряні величини з випробувального поля необхідно зберегти та проаналізувати за допомогою відповідного програмного забезпечення. Через великий об’єм даних програмне забезпечення базується на ПК і передається через інтерфейс Ethernet на вимірювальний комп’ютер. На наступному кроці частини та методи оцінювального програмного забезпечення потім будуть повторно використовуватися по частинах у виробничому середовищі в поєднанні з елементами технології контролю. Крім того, високий рівень поведінки в режимі реального часу часто вимагається від мехатронних систем у виробничих середовищах, щоб гарантувати плавну взаємодію між усіма компонентами без будь-яких помилок.
HBK пропонує широкий спектр датчиків і систем збору даних для розробки продуктів і для самого виробництва. Часто існуюча інфраструктура не встигає за вимогами та кількістю даних сучасних високодинамічних виробничих ліній.
Важливими критеріями для успішного використання цього типу вимірювальної системи є передача даних у реальному часі та великий об’єм пам’яті. Також важлива проста параметризація та візуалізація вимірювальних даних для різних груп співробітників і операторів.
Прилади та промислові підсилювачі як системи збору вимірювальних даних
Дані вимірювань збираються точно та без шумів із частотою дискретизації 20 кГц. Ідентифікація датчика TEDS спрощує налаштування підсилювача та режим вимірювання. Це не тільки забезпечує швидку конфігурацію шляхом автоматичного розпізнавання підключеного датчика та налаштування вимірювання та функціонального діапазону. Крім того, статус виміряного значення можна використовувати для діагностики конкретного каналу та для вибіркового доступу на місці або за допомогою дистанційного керування у разі виникнення проблем.
Промислові підсилювачі з можливостями внутрішнього обчислення (функції SMART)
Щоб система автоматизації працювала стабільно, канали передачі не повинні бути «забиті». Тому необхідно якомога більше даних вимірювань попередньо обробити. Щоб зробити це децентралізовано, компоненти повинні мати внутрішні обчислювальні канали. Вони виконують функції моніторингу та контролю в режимі реального часу. Потім сигнали можуть бути додатково оброблені всередині та експортовані через аналогові виходи або швидкі польові шини на основі Ethernet до системи автоматизації. Це не перевантажує машину та контролер системи, тому можна досягти короткого та швидкого циклу керування.
Промислові підсилювачі з вбудованими функціями SMART (наприклад, інтелектуальні обчислювальні канали) економічні для виробників машин, оскільки вони усувають потребу у внутрішніх розробниках програмного забезпечення, які пишуть великий код. Будь-який інженер-мехатронік може інтуїтивно керувати цими функціями SMART.
Інтуїтивно зрозуміле управління через нові канали зв'язку
Користувачі та оператори установок щодня користуються перевагами розумних пристроїв. Сучасні компоненти автоматизації тепер вперше привносять у сферу вимірювальних технологій той самий покращений досвід і зручність, які раніше були відомі лише зі смартфонів і планшетних ПК. Окрім знайомого програмного забезпечення та керування, стандартизовані інтерфейси також забезпечують зручний доступ до всіх параметрів пристрою для конфігурації, роботи та аналізу – через будь-який термінальний пристрій з підтримкою Інтернету. Результат: максимальні інвестиції та майбутня безпека для користувачів.
Мережа через периферійні контролери
Коли сучасні вимірювальні технології використовуються як периферійний пристрій, перед машинобудівниками відкривається світ Індустрії 4.0. Модулі вводу/виводу дозволяють дискретизувати додаткові сигнали через аналогові та цифрові входи, забезпечуючи прогнозоване обслуговування та інші переваги.
Граничний контролер підтримує різні комунікаційні протоколи (SMB, OPC UA, TSN, MQTT), за допомогою яких усі необхідні пристрої можна підключити як горизонтально, так і вертикально, щоб сформувати розумну фабрику. Хмарні підключення можуть бути реалізовані таким же чином, і інтеграція будь-яких майбутніх протоколів не буде перешкодою, якщо до компонентів можна отримати доступ через усі інтерфейси системи без будь-яких наслідків.
Необхідність в нових інтерфейсах
Для ефективної передачі даних планування та діагностики в хмару для виробництва потрібен новий формат даних. І OPC-UA є таким форматом даних. Його попередник, OPC, був стандартизований і визначений як стандарт у всьому світі. Уніфікована архітектура OPC (OPC UA) — промисловий протокол зв’язку M2M.
Будучи найновішою з усіх специфікацій OPC від OPC Foundation, OPC UA значно відрізняється від своїх попередників, особливо тому, що він здатний не тільки переміщувати машинні дані (керуючі змінні, вимірювані значення та параметри тощо), але також може описувати їх семантично у машиночитаному вигляді. Ця технологія базується на Ethernet, що пропонує великий потенціал економії та безпеки інвестицій. Отримані дані також передаються через Ethernet, але не в швидкому циклі, який використовується в системах польової шини.
Сфери застосування та обмеження для користувача компонентів автоматизації на основі метрології
Промислові підсилювачі, такі як ClipX і PMX від HBK, забезпечують високу точність вимірювання та високу швидкість вимірювання навіть у діапазоні часткового навантаження. Вони дотримуються тенденції до постійного підвищення якості роботи та оцінки. Але будь ласка, зверніть увагу, що можна зробити якісну заяву, лише якщо весь ланцюг вимірювань, що складається з датчиків і підсилювачів, відповідає необхідним вимогам. Для цього все вимірювальне обладнання що використовується повинно мати відповідну якість вимірювання та обробки сигналів.
Звичайні програмовані логічні контролери (ПЛК) не можуть забезпечити необхідні якості. Це можна зробити лише за допомогою вимірювальних підсилювачів, таких як ClipX або PMX, які мають високу роздільну здатність сигналу (24 біти) і нечутливий вхідний каскад перетворювача. Для цього рекомендується використовувати метод вимірювання несучої частоти (TF), оскільки він модулює вимірювальні сигнали несучої частоти і лише потім їх підсилює. Це усуває пов'язані з системою перешкоди, такі як гул мережі та термоелектрична напруга. Важливо відзначити, що всі вимірювальні канали опитуються паралельно з частотою дискретизації 19200 Гц, незалежно від ступеня розширення.
Завдяки новим мережевим і комунікаційним технологіям, реалізованим у розумних вимірювальних підсилювачах, процеси стають меншими та прозорішими. Керування виробництвом і випробувальним стендом стає легшим, оскільки вони можуть бути значною мірою автоматизовані та дистанційно керовані. Інтенсивне розгортання персоналу та навчання співробітників більше не потрібні. Техніка звітує про власну працездатність і стан; таким чином можна оптимізувати обслуговування.
Система вимірювального підсилювача PMX є максимально гнучкою, оскільки вона сама стає системою керування за допомогою інтегрованого ПЛК CODESYS Soft відповідно до IEC61131. Паралельно він може передавати та зберігати дані вимірювань та оцінки на комп’ютер або в хмару. Це автоматично перетворює PMX на систему автоматизації та збору даних.
Вимірювальні системи ClipX і PMX також можуть бути додатково оснащені польовими шинами Profinet, EtherCAT або Ethernet/IP для підключення їх до виробничого рівня. До цих систем також можна підключити датчики та виконавчі механізми. З’єднання контролюються додатковою діагностикою, тому про несправності можна сигналізувати в режимі реального часу. Крім того, дані вимірювань можуть бути попередньо оброблені в режимі реального часу. Це означає, що значна частина системного навантаження системи керування вже оброблена в підсилювачах ClipX або PMX, а ПЛК розвантажується.
Значні нові можливості виникають, коли дані про завод можна зберігати та використовувати централізовано. Так само, як ми вже знайомі з хмарними рішеннями, такими як Google Maps, тепер це передається у виробництво. З одного боку, можна спеціально задовольнити індивідуальні вимоги, наприклад, контролювати виробництво за розміром партії та закупівлею матеріалів. З іншого боку, несправності виявляються, сигналізуються, і тому їх можна обійти. Виробництво стає більш ефективним, економічно ефективним і значною мірою автоматизованим. Ручні дії заощаджуються, а обслуговуванням можна керувати відповідно до вимог.
Цю статтю написав
Дипломований інженер Майкл Гукес
Менеджер із продуктів і програм промислової електроніки