Jste zde

Modulární a decentralizovaná automatizace v praxi

Antonín Vojáček, 4. Leden 2023 - 20:46

Moderní automatizace a řízení vyžaduje flexibilitu, rychlou a snadnou záměnu zařízení, průběžné vyhodnocování dat s možností datové komunikace prostřednictvím širokého portfólia moderních sběrnic. Tyto požadavky je možné řešit modulární koncepcí strojů a decentralizovanou automatizací.

Co je decentralizovaná automatizace?

Decentralizace automatizace je moderní koncept pro digitální továrny umožňující přenést základní zpracování signálů ze senzorů nebo řídících povelů pro akční komponenty (motory, pneumatické členy) z dříve vzdálené řídicí jednotky typu PLC (umístěné v centrálním ovládacím rozvaděči výrobní či balící linky) přímo na lokální místa v lince a strojích. Tyto malé, ale dostatečně výkonné jednotky označované jako FLC (Field Logic Controllers), pak již plně sběrnicovou datovou komunikací, ať již po kabelu či bezdrátově, obousměrně komunikují s nadřazeným zařízením. Tím může být místo PLC rovnou i vyšší řídicí jednotka typu EDGE controller či výkonný průmyslový počítač bez I/O rozhraní. Ty se mohou již jen soustředit na velmi rychlé sofistikované zpracování dat a komunikaci s vizualizací, databázovými servery či cloudovými aplikacemi, které již realizují výrobní MES a podnikové ERP systémy řízení a správy linek, kontroly kvality, prediktivní údržby a ekonomického vyhodnocování.

Současnost a budoucnost automatizace již tak není možné umístit na úroveň klasické pyramidy automatizace, kde základnu tvoří senzory a akční členy, nad nimi pak PLC a následují vrstvy SCADA, MES a ERP systémů. Nyní můžete využít IO-Link senzory, které detekují opotřebení stroje, RFID tagy, které informují stroj o správné konfiguraci pro další krok, nebo I/O moduly, které se rozhodují samostatně. Decentralizované předzpracování tak redukuje strojní data do důležitých informací co nejblíže koncovým prvkům a pokládá tak základ nové éry automatizace. A to i ve výbušném prostředí ATEX až do zóny 0 nebo nově i s použitím EtherCAT komunikace.

Dále je tu i výhodou autodiagnostiky přímo na strojích a zařízeních je odlehčení zátěže na komunikačních linkách do centrálního řídicího systému. Informace se neposílají řídicímu systému, dokud není zjištěna chyba nebo anomálie. Moderní senzory a zařízení mohou samy rozhodnout, kdy dojde k anomálii. Výhodou systémů kontroly stavů je zejména zvýšená dostupnost stroje, jednoduché použití informací o stavu díky efektivní redukci dat v terénu a úspora PLC a komunikačních zdrojů.

Příklad "tradičního" řešení, kde je kompletní centrální řízení v jedné řídicí skříni, do které jsou přímo napojeny i senzory a akční členy. Toto řešení je stále dobré pro samostatně pracující kompaktní stroje.

Příklad jen částečné decentralizované / modulární koncepce -> použití lokálních připojovacích I/O jednotek a modulů, které však fungují jen jako vzdálené I/O rozhraní datově komunikující s centrální řídící jednotkou, která vše ovládá. Toto řešení může být vhodné pro středně rozsáhlé a nepříliš funkčně komplikované dopravníkpové linky nebo velké samostatné stroje, kde jsou již velká vzdálenosti mezi senzory a akčními prvky.

Příklad kompletní decentralizace / modulární koncepce -> lokální jednotky a moduly jednotlivých strojů či sekcí v lince nejen slouží jako lokální připojovací rozhraní, ale provádějí i základní vyhodnocení a řízení dané lokální funkce či lokální sekce. Toto řešení je ideální pro dlouhé výrobní linky s mnoha sekcemi provádějící různé manipulace.

Modulární stroje

Decentralizovaná inteligence značně i usnadňuje konstrukci modulárních strojů. Každý modul pracuje samostatně a dodává sousedním modulům (včetně centrálního řídicího systému) značně zjednodušená data se snadno použitelnými a servisně orientovanými rozhraními pro řídicí účely. Koncept decentralizované bezpečnosti a řízení s použitím kompaktních PLC/Edge kontrolérů s technologií CODESYS umožňuje realizovat provozně i ekonomicky výhodný koncept decentralizovaného řízení procesů logistického závodu s modulární koncepcí přepravních linek a skladů. Jednotlivé části jako samostatné „stavební bloky“ poskládané do požadovaného celku se propojí s hlavním řídicím systémem použitím multiprotokolového Ethernetu podporujícího Profinet, Ethernet / IP a Modbus TCP.

Příklad modulární koncepce, kde každý stroj či jednotka v lince má nějakou vlastní řídicí a připojovací jednotku a je tak schopna i případné autonomní funkce - to je výhodné například pro testování nebo snadnější překonfigurování struktury výrobní linky.

Takovými částmi mohou být nejen zakladače či manipulátory, ale i jednotlivé dopravníkové segmenty, ať již jde o složitější funkce směrovačů, přesunů, štosovačů nebo „jen“ přímé segmenty dopravníků. Do lokální I/O jednotky na každém dopravníku lze připojit všechny potřebné senzory či akční řídicí prvky daného dopravníkového segmentu, jako například optické senzory detekce produktů, RFID čtecí/zapisovací jednotky či různé elektrické či pneumatické ventily, a ty optimálně řídit a synchronizovat. Například na válečkovém dopravníku lze řídit vazby mezi optickým snímačem a pohybem válečků, aby se zabránilo poškození přepravovaných materiálů silnými nárazy.

Moderní decentralizované distribované napojení a řízení tvořené datově propojenými malými řídícími a připojovacími jednotkami

PLC Turck TBEN-L založená na CODESYSu umožňují i modularizaci řídicích programů. Takto mohou být zapojeny a řízeny dokonce i bezpečnostní aplikace a tak na samostatném modulu stroje nejsou potřeba žádné ovládací skříňky. Výhodami jsou zejména rychlejší uvedení nových systémů na trh s kratšími časy uvedení do provozu, možnost velmi flexibilního rozšiřování a menší generování chyb v důsledku možnosti snadnějšího předběžného testování jednotlivých částí / modulů stroje.

Příklad realizace rozšíření již existujícího zařízení o přidané decentralizovaného řízení s produkty firem Turck a Banner.

Decentralizovaná automatizace v praxi

Mnoho zákazníků již objevilo výhody decentralizovaných řešení. Například společnost Asbreuk Service B.V. vybavila nizozemského poskytovatele logistických služeb modulárním, plně automatizovaným nakládacím a vykládacím systémem pro nákladní automobily, který je decentrálně ovládaný robustními moduly Turck TBEN-L-PLC s IP67.

Výrobce balicích strojů DS Smith pak využívá modulární kompaktní decentralizované řešení Turck TBEN-S s integrovaným logickým kontrolérem AGREE pro realizaci monitorování svých lisů papíru bez nutnosti použít nějaký centrální řídicí rozvaděč. Toto řešení teď poskytuje pracovníkům informaci, že brikety ze dvou papírů dosáhly svého maximálního limitu a musí být odsunuty. Pracovníci již tak nemusí sledovat celý proces.

Decentralizovanou bezpečnostní technologii pak využívá i holandská společnost AWL-Techniek, která se zabývá nabízením modulárních a snadno rozšířitelných technologií přímo montovaných na panely jejich M-line platformy strojů. Využívá k tomu i komponenty Turck, zejména IO-Link a safety I/O koncept s krytím IP67 s moduly TBEN-L a TBPN. Snadná montáž bez nutnosti zapouzdření zrychluje vývoj zařízení a hybridní bezpečnostní systém zjednodušuje a šetří kabeláž i celkové náklady. Komunikační rozhraní modulů pak navíc poskytuje i hodnotná diagnostická data pro AWL dashboard Lyla.

V oblasti farmaceutického průmyslu je pak výzvou co nejrychlejší zahájení velkovýroby nově uvedeného produktu. Řešením jsou modulární výrobní reaktory, kde jednotlivé moduly (známé také jako "skidy") se obvykle montují pouze do výrobního závodu v případě potřeby. S decentralizovaným systémem pak mohou být skidy testovány před uvedením do provozu jako hotová jednotka v provozovně výrobce. Výsledkem je, že modulární výrobny lze aktivovat rychleji než monolitické provozy. Navíc nový Ex certifikát jednotek TBEN-S a TBEN-L již umožňuje modularizaci bez rozvaděče i přímo do zóny ATEX 0.

Pro EtherCAT / IO-Link rozhraní pak slouží nejnovější I/O modulů označený jako TBO-LL-8IOL. Mimo multikomunikaci PROFINET, EtherNet/IP, Modbus TCP, tak Turck moduly již lze použít také aplikace založené na EtherCAT. Blokový I/O modul v robustním pouzdru TBEN-L nabízí osm hlavních IO-Link portů, které umožňují flexibilní konfiguraci. Plná galvanická izolace mezi napájecími zdroji umožňuje realizovat bezpečnostní odpojení. Aktuátory, jako jsou IO-Link ventilové bloky, robotická chapadla nebo motory, lze napájet až 4 ampéry. Napájecí zdroj je implementován pomocí konektorů M12-L, které bude možné používat i v budoucnosti. Moduly TBEC-LL-8IOL jsou stejně jako moduly TBEN-S vybaveny FLC logikou s webovým programovacím prostředím ARGEE, které umožňuje uživateli velmi snadno programovat podmínky a akce bez nutnosti instalovat další software, dokonce i s mobilními terminály v terénu.