Do niedawna programowalne sterowniki logiczne (PLC) były optymalnym rozwiązaniem dla potrzeb sterowania w urządzeniach automatyki przemysłowej. Obecnie inżynierowie dysponują szerszym wyborem – mogą zastosować komputery przemysłowe, programy do sterowania z poziomu komputera i komputery panelowe, które naśladują funkcje kombinacji PLC/interfejs HMI. Bazując na module Raspberry Pi można także budować własne sterowniki na potrzeby konkretnej aplikacji. Nadal jednak istnieje wiele powodów, aby kontynuować stosowanie sterowników PLC. Spośród wielu argumentów na rzecz wykorzystywania tych urządzeń, specjaliści firmy Mitsubishi wskazują 10 najważniejszych.

Dobór odpowiedniego systemu sterowania dla danego układu automatyki powinien być dokonywany na podstawie kryteriów merytorycznych, jednak z wielu powodów sterowniki PLC nadal będą stanowić filar technologii sterowania układami automatyki. Decyduje o tym kilka istotnych argumentów.

Przegląd sterowników Mitsubishi Electric

Stałe wsparcie produktu (1)

Zarówno PLC jak i komputery PC przeszły długą ewolucję. Istnieje jednak spora różnica między kierunkami, w których te urządzenia się rozwijały, a to ma z kolei wpływ np. na kwestię długoterminowego wsparcia obu rozwiązań ze strony producentów. Kontrolowany rozwój sterowników oznacza, że dostawcy potrafią zapewniać wsparcie w dłuższej perspektywie i faktycznie to robią, zarówno w sferze sprzętowej jak i oprogramowania. Pomię­dzy urządzeniami zachowana jest ciągłość technologiczna. W przypadku rozwiązań Mitsubishi można np. zaimportować program użytkownika ze starego 20-letniego sterownika FX PLC do nowego FX5U. Użytkownik może zainstalować najnowszy sterownik i tym samym mieć pewność, że aplikacja zacznie niemalże natychmiast ponownie działać. Pracując na układzie opartym o komputer, trudno byłoby nawet rozważać wykonanie takiej czynności.
Istnieje wiele gałęzi przemysłu, w których wysoki poziom wsparcia produktu jest nie tylko pożądany, ale wręcz wymagany. Np. w branży wodno-kanalizacyjnej mówi się o konieczności oferowania przez dostawców współpracujących na podstawie umów ramowych wsparcia dla systemów sterowania przez okres do 20 lat. Oczywiste jest, że sprzęt sterowniczy ulegnie zmianom w ciągu tego okresu, mimo to użytkownicy PLC będą mogli zawsze przenieść oprogramowanie do nowszego sterownika.

Odporność i niezawodność (2)

Współczesne przemysłowe komputery zapewniają stabilną platformę informatyczną. Byłoby nieuczciwe sugerowanie, że ich systemy zawieszają się i ulegają awarii z regularnością typową dla desktopów. Niemniej jednak komputerów przemysłowych nie należy traktować na równi ze sterownikami.
System operacyjny czasu rzeczywistego działający równolegle do systemu Windows w typowym przemysłowym komputerze PC jest tak zaprojektowany, aby gwarantować taki sam poziom solidności, jaki oferuje jednostka sterująca CPU w PLC. I gdyby komputery PC pracowały w warunkach całkowitego odizolowania, to dyskusja o niezawodności prawdopodobnie byłaby bezprzedmiotowa. Żaden sterownik nie działa jednak w izolacji – trzeba do niego podłączyć urządzenia peryferyjne, wejścia/wyjścia oraz go okablować. Dodatkowo w układzie są również obecne inne urządzenia, z którymi trzeba się komunikować, a każde z nich wymaga osobnych sterowników, które należy załadować do komputera PC. W takiej konfiguracji trudno mieć pewność, że sterowniki tych wszystkich urządzeń zostały przetestowane w warunkach współpracy i że można dokładnie zweryfikować ich sprawność. Konflikty mogą występować i rzeczywiście się zdarzają, a kryzysowe sytuacje mogą ulec dalszemu pogorszeniu za każdym razem, kiedy sterowniki są aktualizowane. W tej sytuacji raczej nieuchronne jest, że przemysłowy komputer PC w końcu ulegnie awarii, co może oznaczać poważne konsekwencje dla procesu sterowania w danym zakładzie. Z drugiej strony sytuacje konieczności ponownego uruchomienia sterownika PLC po awarii oprogramowania nie zdarzają się.

Skalowalność (3)

Najlepiej sprzedającymi się PLC, obejmującymi najszerszy wachlarz aplikacji, są sterowniki z 40 wejściami/wyjściami lub z mniejszą ich liczbą. W przypadku takich aplikacji sterownik PLC stanowi bardzo korzystne rozwiązanie, zdecydowanie lepsze niż system-odpowiednik oparty o komputery. Jednocześnie ta sama podstawowa platforma oferuje też możliwość rozbudowy do dziesiątek tysięcy wejść/wyjść, a użytkownicy mogą przenosić programy sterujące na większe sterowniki, korzystając z tego samego środowiska programistycznego i kompletnie modularnego sprzętu. Tkwiący w sterownikach potencjał do indywidualizacji zastosowania jest ogromny, oferuje liczne sposoby rozbudowy funkcjonalności PLC, a wszystko to bez konieczności porzucania wspólnej platformy.

Sterownik modułowy serii iQ-R

Programowanie (4)

Na każdego inżyniera opuszczającego uczelnię, potrafiącego programować w języku strukturalnym, i na każdego specjalistę sprawnie poruszającego się w środowisku C lub C++ przypada obecnie co najmniej kilku innych, którzy chcą korzystać wyłącznie z języka drabinkowego, szczególnie w zakresie aplikacji, gdzie wymagana jest niższa liczba wejść/wyjść. W całym wachlarzu aplikacji znajdą się takie, które początkowo mają niewielkie rozmiary. Być może zostały napisane w języku drabinkowym, ale później rozrastają się wraz z rozbudową aplikacji. Jest to możliwe dzięki skalowalności platformy PLC i możliwości pisania programów sterujących w tekście strukturalnym oraz przeciągania i upuszczania funkcjonalnych bloków oprogramowania, które znacznie odciążają proces konfiguracji.
Mitsubishi oferuje dla sterowników PLC opcję programowania w języku C++, czyli, innymi słowy, łączy elastyczną platformę sprzętową z funkcją programowania w języku wysokiego poziomu. Te same opcje programistyczne są również dostępne na platformie PC, jednakże takich poziomów modułowości i skalowalności, jakimi charakteryzują się narzędzia programowe PLC, platformy PC nie oferują. To samo w zasadzie dotyczy również aspektu sprzętowego.

Integracja z innymi elementami automatyki (5)

Wielu inżynierów automatyków nigdy nie musi szukać produktów poza asortymentem oferowanym przez jednego dostawcę, ponieważ rozwinięci producenci, tacy jak Mitsubishi, zapewniają rozwiązania dla wielu różnorodnych zapotrzebowań – od interfejsów człowiek-maszyna, napędów, urządzeń serwo, urządzeń sterowania ruchem, zabezpieczeń i robotów po niskonapięciowe moduły dystrybucji zasilania, liczniki zarządzania energią i systemy CNC. Jako że wszystkie te urządzenia zaprojektowano do współpracy ze sobą, inżynierowie mogą korzystać z zalet funkcji plug and work, czyli zdolności urządzeń do pracy zaraz po ich podłączeniu.
Na rynku funkcjonują też dostawcy automatyki sprzedający przemysłowe komputery PC, twierdzący, że oferują zasadniczo podobne portfolio urządzeń, ale są to raczej podmioty nieliczne. Jeśli użytkownik dysponuje nowoczesnym sterownikiem PLC, może bardzo łatwo zintegrować urządzenia od obcych producentów. Nie jest jednak pewne czy to samo można powiedzieć o integracji na platformie PC. Problematyczne jest w tym przypadku zagwarantowanie, że sterowniki do modułów innych firm będą na pewno działać. Trudno również odpowiedzieć, ile pracy będzie wymagała konfiguracja, a także – czy w okresie żywotności operacyjnej platformy sterowania będzie można tak samo polegać na gwarancji ciągłej kompatybilności urządzeń. W tej sytuacji dla inżynierów wyzwaniem może być konieczność wyjścia poza ofertę dotychczasowego jedynego dostawcy i zintegrowania elementów pochodzących od innych producentów.

Walory eksploatacyjne (6)

W zakresie mocy obliczeniowej i możliwości użytkowych prawo Moore’a o podwajaniu się osiągów komputerów dotyczy w takim samym stopniu sterowników PLC jak i komputerów PC. Nowoczesne sterowniki PLC same w sobie są również potężnymi komputerami. Najnowsze wcielenie sterownika Mitsubishi FX PLC działa 150 razy szybciej niż pierwsze urządzenie z tej rodziny. Potencjał nowoczesnych sterowników PLC można sobie dobrze uzmysłowić zwracając uwagę na czas wykonywania poleceń, który w najnowszych modelach jest równy ułamkom nanosekundy. Można próbować podrasować komputer PC, aby oferował podobne osią­gi, ale sterowniki PLC dysponują takimi parametrami od razu. Należy do tego dodać podwyższoną prędkość transmisji magistrali i zdolność do synchronizacji wielu wejść/wyjść w układach wysokiej szybkości, co przyczynia się do znacznie większej szybkości reagowania układów sterowania. Także ten walor eksploatacyjny bardzo trudno uzyskać poza środowiskiem PLC.

Bezpieczeństwo (7)

Pojawienie się groźnych wirusów (jak np. Stuxnet) uzmysłowiło wszystkim, że także układy automatyki stały się celami ataków hakerów chcących sparaliżować pracę dużych firm czy funkcjonowanie przedsiębiorstw użyteczności publicznej. Komputery PC charakteryzujące się powszechnie znanym systemem operacyjnym i inherentnymi słabościami pracy w sieci mogą stanowić lukę w systemie sterowania dla potencjonalnego hakera. W przeciwień­stwie do systemów operacyjnych komputerów PC, systemy w sterownikach PLC są o wiele mniej widoczne dla świata zewnętrznego i ta właściwość tradycyjnie stanowiła warstwę ochronną przed wrogimi zamiarami. Nie oznacza to, że producenci PLC przyjmują gwarancję bezpieczeństwa za regułę – firma Mitsubishi wprowadziła funkcję ochrony programów hasłem i przydzielania różnym użytkownikom różnych poziomów uprawnień. Co więcej, można wprowadzić dalsze preferencje dostępu zdalnego, np. przyznawanie praw dostępu tylko konkretnym adresom IP, co zabezpieczy oprogramowanie PLC i cały układ automatyki w środowiskach charakteryzujących się nawet bardzo dużą gęstością połączeń sieciowych.

Sterownik kompaktowy serii FX5

Własność intelektualna (8)

Analogicznie do problemu bezpieczeństwa, zmartwieniem firm posiadających globalne działy rozwoju lub przedsiębiorstw instalujących opracowane systemy na innych kontynentach jest bezpardonowe kopiowanie oprogramowania sterującego przez rywali rynkowych i szybkie opracowywanie go jako konkurencyjnego, tańszego produktu. Temat ten dotyczy wszystkich platform systemowych, jednakże producenci PLC podjęli już poważne kroki w celu rozwiązania tego problemu. W przypadku produktów Mitsubishi, zaszyfrowany kod wbudowany w sprzęt i oprogramowanie można tak zaprogramować, aby był wykonywany w wybranym momencie. Może to oznaczać, że system jest otwarty dla programistów i specjalistów od instalacji przez cały okres rozruchu aplikacji, a potem przełącza się na tryb chroniący go przed dalszą interakcją.

Czynności konserwacyjne (9)

Niezależnie od zastosowanej platformy, każdy układ automatyki wymaga bieżącej konserwacji, np. po to, aby panować nad aktualizacjami sprzętu i oprogramowania, w ramach rozszerzania systemu wraz z ewoluowaniem aplikacji czy też w celu wymiany wadliwych elementów. Istotnym walorem sterowników PLC jest łatwość wykonywania tych czynności właś­nie w układach wykorzystujących PLC. Programy i ustawienia konfiguracyjne praktycznie każdego podłączonego urządzenia można przesłać na kartę SD umieszczoną w slocie jednostki centralnej PLC, co bardzo upraszcza czynności konserwacyjne. Również gdyby nawet sama jednostka centralna PLC uległa uszkodzeniu, nowy procesor można szybko wstawić do płyty bazowej, a oryginalny program załadować bezpośrednio z bootowalnej wersji na karcie SD, dzięki czemu system zacznie od razu działać. Jednocześnie nie trzeba się zmagać z koniecznością ciągłych aktualizacji oprogramowania wbudowanego, które są dużym obciążeniem w przypadku układów opartych o komputery PC, ani martwić czy kolejna aktualizacja nie skonfliktuje się z inną, unieruchamiając cały system. Z perspektywy automatyki przemysłowej właśnie fakt, że komputery PC są systemami wielozadaniowymi, stanowi jedną z ich największych słabości.

Mniejsze zapotrzebowanie na obsługę IT (10)

Jedną z kwestii związanych z funkcjonowaniem dowolnego układu automatyki – istotną w kontekście integracji między poziomem hali produkcyjnej i systemami nadrzędnymi – jest rozdział obowiązków pomiędzy zespołem inżynierów automatyków, a IT. Podział zakresów odpowiedzialności może być źródłem konfliktów, ale – i może przede wszystkim – należy się również liczyć z brakiem wzajemnego zrozumienia potrzeb. W przypadku układów automatyki wykorzystujących sterowniki PLC podział tych zadań jest wyraźnie zaznaczony i rzadko występuje potrzeba, aby zespół informatyków angażował się w pracę przy linii produkcyjnej. Co więcej, wraz z dostępnością takich produktów jak moduł Mitsubishi MES, który wstawiony do płyty bazowej PLC zapewnia bezpośrednio połączenie z bazami danych wyższego poziomu – z systemów automatyki można zupełnie usunąć całe warstwy sprzętu PC, dzięki czemu granica między automatyką i informatyką staje się bardziej wyraźna.

Podsumowanie

Omówione aspekty wskazują, że sterowniki PLC nie są zagrożone jako jedno z podstawowych rozwiązań w zakresie sterowania w systemach automatyki. Należy przy tym zaznaczyć, że w powyższym zestawieniu nie przedstawiono jeszcze takich zagadnień, jak redundancja, bezpieczeństwo czy zdolność nowoczesnych sterowników PLC do wykonywania wielu złożonych funkcji matematycznych, które kiedyś były wyłącznie domeną systemów wykorzystujących komputery PC. Jednocześ­nie, dla wielu aplikacji sterownik PLC oferuje tyle zalet, że powinno się go traktować jako platformę pierwszego wyboru.

Hugh Tasker
Product Manager
dział automatyki przemysłowej
Mitsubishi Electric