PLC s integrovaným rozhraním HMI Jsou praktické, ale jen ve správných aplikacích

-- 22.07.12

Nabídka řídicích prvků s integrovaným rozhraním HMI roste. Slibují zjednodušení, pokud je kombinace těchto součástí vhodná pro vaši situaci.

Obvyklá situace: Pro svůj systém domácí zábavy potřebujete nový televizor a přehrávač DVD. V místní velké prodejně elektra najdete spoustu jednotlivých komponent a několik produktů, které nabízejí všechny součásti v jedné jednotce.  Co si vyberete? Produkt typu „vše v jednom“ je praktický, nekomplikovaný a minimalizuje rozměry systému, ale nemusí nabízet všechny funkce nebo flexibilitu jako jednotlivé komponenty. Možná chcete přehrávač disků Blu-ray, ale ten není dostupný. Nyní změňte scénu a proveďte stejný výběr pro konferenční místnost ve vaší firmě.

Přiměla vás jiná aplikace k výběru něčeho jiného? Pokud pracujete na aplikaci, která vyžaduje výběr řídicího prvku PLC a rozhraní HMI (rozhraní člověk-stroj) pro řízení stroje nebo jako součást procesní jednotky, můžete procházet stejným myšlenkovým procesem. I když řídicí prvek a rozhraní jsou tradičně samostatné prvky, zvyšování výkonu procesorů v kombinaci s nižšími cenami elektroniky vedou k tomu, že je praktické nabízet jednotky s integrovaným PLC a HMI v jednom zařízení. Mohou nabídnout vyšší míru jednoduchosti a praktičnosti ve správných aplikacích, ale nehodí se pro všechno. Kombinované jednotky obvykle zahrnují několik součástí:

• ŸRozhraní HMI, včetně displeje, kterým je nejspíše dotyková obrazovka a samostatná tlačítka.

• ŸŘídicí prvek PLC s odpovídajícím procesorovým výkonem a funkčností.

• ŸI/O vhodného počtu a typu. Některé nabízejí možnost rozšíření pomocí doplňkových přídavných modulů.

Zastánci těchto provedení argumentují tím, že jsou velmi praktická a minimalizují objem kabeláže a místa ve skříni. Všechna kabeláž jde do jednoho bodu pro usnadnění odstraňování chyb. Dokonce i software je jednodušší v tom, že není nutno samostatně programovat PLC a HMI. „Když máte PLC a HMI v jednom zařízení, potřebujete jen jeden programovací software k programování funkčnosti PLC i funkčnosti HMI,“ říká Sam Schuy, technický manažer společnosti Maple Systems. „Proto se z hlediska křivky učení zkracuje množství času potřebného pro naučení, jak produkt používat a programovat.“

Omezená nabídka

Tak jako při hledání vhodné kombinované televize s DVD i vaše možnosti výběru integrované jednotky budou mnohem omezenější než u individuálních komponent. V důsledku toho i možnost, že budete těžit z praktičnosti, bude záviset na tom, zda vaše aplikace může fungovat v rámci těchto omezení. Pro dodavatelské firmy, které chtějí takové produkty nabízet, je to věcí určení, která kombinace funkcí bude nejuniverzálnější, a tím i dobře prodatelná. Jedna velikost nepadne každému, avšak výrobci rádi udržují počet variant produktu co nejnižší. Protože tento výběr je určován aplikacemi, může nakonec jít o zvolení konkrétních trhů. Pokud například cílíte na balicí stroje, můžete identifikovat obvyklé potřeby a naplnit je.

„Jde o to znát trh, který chcete s integrovanou jednotkou oslovit. Pokud řeknete: ‚Toto jsou výrobci OEM a toto jsou aplikace, kam směřujeme‘, budou se prodávat jako housky na krámě,“ říká Tom Elswick, manažer skupiny produktového managementu výrobních automatizačních systémů společnosti Siemens Industry. Podle jeho zkušeností je nejtěžší správně zvolit kombinaci CPU a displeje. U obecných aplikací bylo snadnější integrovat I/O s CPU a nechat rozhraní HMI samostatné.

„Se zabudovanou kombinací I/O a CPU máme mnohem větší úspěšnost naplnění potřeb aplikace,“ dodává Elswick. „Necháme zákazníka, aby řekl: ‚Chci patnáctipalcovou obrazovku‘ nebo ‚Chci desetipalcovou obrazovku‘. To byla součást skládačky, se kterou jsme měli problémy. Pro určité zákazníky jsme vystihli ideální kombinaci a bylo to skvělé. Ale z širšího hlediska je množství I/O, typ I/O a typ CPU v mnohem užším vztahu. Pokud jde o HMI, můžete mít velmi výkonný procesor CPU, ale přitom chcete jen malé HMI, protože se napojujete na systém SCADA, který provádí více zpracování pro získání širšího přehledu. Nebo chcete slabší CPU, s méně I/O a menší funkčností, ale chcete opravdu pěkné grafické rozhraní se spoustou diagnostiky a funkčnosti.“

Praktické to je, ale je to dobrý nápad?

S integrovanými platformami jsou spojeny koncepční otázky, které některé uživatele zneklidňují. „Většina lidí vidí svá PLC jako zařízení vyhrazená pro bezpečné efektivní a účinné řízení. A to je vše,“ říká John Krajewski, ředitel produktového managementu rozhraní HMI společnosti Invensys Operations Management. „Nechtějí, aby prováděla cokoli dalšího a nechtějí, aby jejich výkonu ubíraly jiné funkce, zejména pokud jde o bezpečnost.

Pokud máte společný procesor CPU a začnete provádět činnosti na rozhraní HMI, které tento procesor začnou využívat, takže již není dostupný pro řízení, může to být nepříjemná situace. Nechcete, aby jej lidé využívali k volání do databáze, které by na určitou dobu vytížilo procesor, když je zároveň odpovědný za realizaci blokování zajišťujících bezpečnost. Tak zní argument proti spojování těchto součástí.“ Krajewski uznává, že v potenciálně rizikových aplikacích by se stěží používala integrovaná řešení, vzhledem ke složitosti těchto systémů, nicméně stejná myšlenka by se mohla uplatnit v situacích diskrétní výroby, které závisejí na rychlé odezvě od PLC.

Kdo HMI využívá?

Integrované jednotky obvykle mají nepříliš velké obrazovky, ačkoliv se produktová nabídka vyvíjí. Z velké míry je poháněna očekáváním, kde se takové zařízení bude využívat. Plošina s čerpadlem, sítem, průtokoměrem a regulačním ventilem, určená pro montáž ve větší procesní jednotce, bude téměř jistě připojena k většímu řídicímu systému a ovládána z centrálního dispečinku.

Operátor možná přijde do styku s rozhraním HMI plošiny jen v případě, že dojde k problému, takže složitá grafika by zde našla uplatnění jen málokdy. Na druhou stranu, v některých aplikacích, jako je balicí průmysl nebo výroba potravin a nápojů, může operátor s tímto zařízením pracovat téměř neustále. „V odvětví jako je výroba potravin a nápojů je mnohem běžnější, že je operátor přímo u stroje, protože musí doplňovat materiál, nebo kontrolovat, zda se vše pohybuje správným směrem, takže je se zařízením mnohem více svázán. V jiných oblastech to nemusí být praktické. Například u vodohospodářství a čištění odpadních vod mohou být systémy od sebe vzdáleny i několik kilometrů,“ vysvětluje Krajewski.

Zajímavá cena pro výrobce OEM

Tom Elswick ze společnosti Siemens tvrdí, že za většinou nákupů integrovaných jednotek stojí OEM zákazníci, kteří dodávají pro diskrétní průmysl nebo diskrétní aplikace v procesním prostředí. „Stavějí konkrétní zařízení, které má definovaný účel,“ říká. „Výrobce OEM uvažuje – ‚Letos jich vyrobím 200. Vím, jak vypadají moje I/O, vím, kolik je I/O bodů a vím, jak vypadají mé obrazovky.‘ To je případ, kdy takové zařízení dokonale zapadá do správného poměru cena a výkon.“

I když na cenu myslí všichni uživatelé, výrobci OEM si musejí být vědomi zvláště toho, jakou cenu přidávají jednotlivé komponenty nebo výrobní kroky k ceně produktu. Integrovaná jednotka nabízí velmi účinný způsob, jak se vyhnout pracovním nákladům spojeným s montáží velkého počtu komponent a jejich nákupem. Kombinovanou jednotku můžete nainstalovat rychleji, pravděpodobně i do menší skříně a vyhnete se nutnosti dodatečných kabelů a příslušenství. „Když se podíváte, jak výrobce OEM stanovuje cenu stroje, zjistíte, že započítávají každou malou položku, každý kabel, každé kabelové vedení, všechno, co musejí udělat, protože to vše zvyšuje náklady,“ říká Krajewski. „Nakonec jsou to peníze, které ovlivňují tato rozhodnutí.“

Meze praktičnosti

Jak jsme již zmínili, integrované jednotky bývají na spodnějším konci spektra funkčnosti. S tím, jak aplikace přecházejí na vyšší počet I/O a větší složitost programování, praktičnost nabídky komerčně dostupné jednotky, která je vhodná pro tuto aplikaci, je mnohem menší a dodavatelé nevidí přínos. Přesto se někteří výrobci domnívají, že se plná šíře trhu teprve projeví. Sam Schuy má za to, že je stále prostor pro rozšiřování produktové řady. Nabídka integrovaných zařízení společnosti Maple Systems zpočátku obsahovala relativně malé velikosti obrazovek – o úhlopříčce 3,5 a 5,7 palců, přičemž firma nabízí samostatná rozhraní HMI až do velikosti 15 palců.

Nové integrované jednotky s obrazovkami 7 a 10 palců se vyhodnocují, nicméně Sam Schuy se domnívá, že tyto rozměry už jsou na hranici praktičnosti. „Jakmile se dostanete do oblasti větších obrazovek, cenový rozdíl mezi konvenčními komponentami a kombinací HMI/PLC se začne zmenšovat,“ říká. „Na ceně se nejvíce podílí samotná obrazovka. To je ta nejdražší součást. Pokud zákazník chce větší obrazovku, řekněme 10, 12 nebo 15 palců, pravděpodobně se rozhodne koupit ji samostatně.“ Také možnosti I/O jsou omezené. Uživatel, který chce instalovat systém v procesním výrobním závodě za pomoci inteligentní přístrojové techniky po síti HART nebo fieldbus, najde na trhu jen málo možností integrovaných produktů, pokud nalezne vůbec nějaké. Větší dostupnost I/O pro diskrétní senzory odráží větší příklon k diskrétním aplikacím.

Jiné druhy integrace

Jak již Tom Elswick zmínil, společnost Siemens považuje za snadnější integrovat I/O a PLC bez rozhraní HMI. Společnosti Invensys i Siemens vidí rostoucí příležitosti pro integraci rozhraní HMI spíše s řídicími prvky na bázi PC než s tradičnějšími prvky PLC. Krajewski uvádí, že více výrobců OEM požaduje rozhraní HMI, která lze umístit na tyto řídicí prvky nyní, když technologie přijaly koncepci využívání softwarových PLC. „Na trh řízení na bázi PC jsme vstoupili  v 90. letech s produktem Wonderware InControl a v té době to bylo příliš brzy. Tehdy neexistovaly zabudované operační systémy a podobné věci. Byla to éra Windows 95 a 98 a lidé jim nevěřili, pokud jde o řízení.“ Rozvíjející se technologie jdou více směry než kdy dříve, takže uživatelé si mohou vybrat nabídku přesně odpovídající potřebám dané aplikace. Nejnáročnějším úkolem často je probrat se závratnou šíří nabídky.

ce

Peter Welander je obsahovým ředitelem časopisu Control Engineering. Kontaktujte jej na adrese pwelander@cfemedia.com.

Autor: Peter Welander, Control Engineering