Как оцифровать производство: сравнение ПЛК, Raspberry Pi и MICA

Инженеры в сфере автоматизации знакомы с программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), которые обычно поставляются или устанавливаются производителями оборудования. Уже много лет эти приборы являются признанными инструментами для регулирования и контроля за оборудованием и заводами, но достаточно ли хорошо они подходят для создания цифрового производства?

Разработчики всё чаще предпочитают работать с одноплатным компьютером Raspberry PI для запуска приложений в тестовом режиме – чтобы быстро опробовать идеи для новых производственных процессов или с целью анализа данных. Но насколько Raspberry PI подходит для промышленного применения? Открытая компьютерная система HARTING MICA считается третьим вариантом, позволяющим совместить сферы IT и автоматизации.

Все названные компоненты занимают свою нишу и имеют свои преимущества для различных применений. В таблице можно увидеть сильные стороны тех или иных компонентов и технологий и возможность их применения в промышленности.

Попробуем разобраться в ключевых особенностях и отличиях различных устройств, применяемых в сфере автоматизации производственных процессов на промышленных предприятиях.

ПЛК в режиме реального времени

ПЛК более 40 лет используются в промышленности. Они заменили релейное управление за счёт долговечности и надёжности, являющимися важными факторами в промышленности. ПЛК стали использоваться для обработки цифровых и аналоговых сигналов и могут быть установлены в шкафах управления, сэкономив при этом место.

Основная задача ПЛК – регулировка работы и контроль производственного оборудования. Например, ПЛК может отвечать за управление двигателем или его экстренную остановку. Для этой цели ПЛК работает совместно с актуаторами, которые используются для управления выходами на нагрузку. Актуаторы включают в себя контакты для включения электрических моторов, клапанов для гидравлики или сжатого воздуха, или модулей, отвечающих за перемещение. ПЛК может быть связан с датчиками или актуаторами через полевые шины.

ПЛК также может отправлять данные на вышестоящий уровень системы, но его программирование не может быть выполнено через Web-ориентированные языки программирования или приложения с открытым исходным кодом. Функционирование ПЛК базируется на стандарте EN 61131, который часто непонятен для IT-служб, и прежде всего остаётся сферой компетенции инженера-технолога. В отличие от Raspberry PI и MICA, ПЛК работает с данными в режиме реального времени и постоянно взаимодействует с оборудованием.

Недостаток, с которым сталкивается большинство пользователей во время ежедневной работы, – программа ПЛК создаётся для одного контроллера и не может быть использована на других контроллерах без модификации. Другой недостаток – разные схемы адресации при совместной работе контроллеров через полевую шину. В отличие от Raspberry PI, ПЛК подходит для промышленного применения и действительно является ключевым элементом промышленной автоматизации.

Необходимо отметить, что ПЛК существенно отличается от так называемых систем управления на основе персонального компьютера (ПК): системы на основе ПК имеют практически неограниченный объём памяти для хранения данных и работают быстрее. Однако системы на основе ПК имеют ограниченные возможности по работе в режиме реального времени, и их компоненты имеют более низкую надёжность.

Сильными сторонами ПЛК являются:

Raspberry PI – одноплатный компьютер

Raspberry PI был специально создан в качестве обучающего инструмента для студентов. По сути это новый класс устройств – дешёвые одноплатные компьютеры, которые предоставляют достаточные возможности для специфических компьютерных задач в компактном размере. Другие известные компактные компьютеры: Arduino, Banana PI и BeagleBone. Они созданы для экспериментов и быстрых внедрений.

Существует более 20 операционных систем для Raspberry PI, однако Linux является основой для большинства приложений. Microsoft также продвигает свои ОС и ПО для Raspberry. Существует множество бесплатных приложений для Raspberry в Интернете. Raspberry также поддерживает множество языков программирования (Python, Java, C, C++ и другие).

Огромный недостаток Raspberry – это его конструктив, который не соответствует промышленным стандартам. Первые версии вышли на рынок в низкобюджетном исполнении. Новые версии выполнены лучше, но разъёмы, корпус, теплоизоляция монтажной платы, а также стабильность поставок и надёжность для промышленного применения в основном не соответствуют промышленным стандартам. Тем не менее Raspberry PI может послужить для создания прототипов.

Сильные стороны Raspberry PI:

MICA – соответствие промышленным стандартам

MICA базируется на модульной промышленной компьютерной платформе, и разработчики сознательно заняли нишу между низкобюджетным любительским Raspberry PI и ПЛК промышленного стандарта.

Маленькая чёрная «коробочка» может показаться неприглядной, но MICA изготовлен согласно стандартам IP67 и EN50155, поэтому защищён от проникновения воды и пыли при выполнении важнейших промышленных задач: трансляции IT-команд в машинные команды, сборе и анализе информации, обмене данными с верхним уровнем программного обеспечения на предприятии (например, трансляция из системы SAP прямо к станку).

Модульная структура MICA касается и аппаратного, и программного обеспечения. Пользователь может заказать MICA с платой RFID, с модулями EtherCat, PROFINET, EtherNet IP, с интерфейсной платой USB – все версии соответствуют промышленным стандартам защиты. MICA вполне может использоваться, например, для подсоединения системы датчиков и сбора данных на промышленной площадке.

Данные могут быть обработаны непосредственно на MICA, для этого доступны несколько бесплатных инструментов с базами данных. Поддерживается возможность работы с Microsoft Azure, IBM, SAP Hana и Dimension Data для облачных вычислений.

Разработчики MICA также выбрали открытую систему Linux, как на Raspberry PI. Это предоставляет пользователям возможность использовать Web-технологии, языки программирования, такие как «R», базы данных, такие как Hadoop, широко известные в мире IT совместно, например, с оборудованием станка для литья пластмассы под давлением, не испытывая никаких сложностей. Ещё одно преимущество: Linux упрощает сетевую настройку и распределение IP-адресов.

Есть и кое-что особенное: на устройстве HARTING MICA используются программные пакеты (маленькие виртуальные машины), которые могут управляться независимо друг от друга. В основе лежит система управления программными пакетами, контролем доступа, установкой и обновлением приложений.

Для MICA доступны многие языки программирования, такие как Python или C++, но более важно то, что система поддерживает стандартный протокол Industry 4.0 – OPC UA. Это важный компонент для коммуникаций в концепции Industry 4.0. В то же время широкий спектр языков программирования способствует максимально быстрому вводу в работу платформы MICA IT-сотрудниками и развитию новых бизнес-моделей на предприятии.

Но настоящее преимущество системы программных пакетов в том, что есть возможность создавать свои собственные пакеты приложений и запускать их одновременно на одном устройстве.

Дополнительным плюсом является и то, что системы программных пакетов повышают надёжность системы. Ключевым элементом в обеспечении безопасности является использование TPM-чипа, SSL и VPN. Благодаря MICA IT-служба взаимодействует со станками напрямую, но без вмешательства в управление ими, которое выполняется ПЛК. Это позволяет оградить производство от потери данных, задержек и сбоев в работе.

MICA может также работать в offline-режиме без вмешательства в производственную сеть, при этом программное обеспечение не затрагивает процессы производства. Кроме того, программный интерфейс платформы является очень простым и напоминает интерфейс смартфона, облегчая его использование сотрудниками. Результатом является хорошее визуальное восприятие и понимание. Хочется отметить, что дружелюбность интерфейса – это крайне важный фактор для применения той или иной системы в будущих проектах.

Сильные стороны MICA:

На рисунке дано наглядное представление об оптимальном применении рассмотренных устройств в производственном процессе.

Оцифровывание производства тесно связано с развитием концепции Industry 4.0. В первые несколько лет дискуссия, в частности в Германии, была в основном сосредоточена вокруг сетей, объединяющих производственное оборудование, что конкретно может быть реализовано с помощью ПЛК. Но оцифровывание производственного процесса также означает появление новых знаний для персонала, использование и тестирование новых технологий, и, как следствие, развитие новых областей в бизнесе, новых путей получения прибыли – и всё в пределах устоявшихся производственных структур и с небольшими затратами.

Очень многое промышленность может почерпнуть у B2C-компаний из США, которые уделяют большое внимание анализу данных. Не все их внедрения оказались эффективными, однако технологии, применяемые Google и другими компаниями, могут быть полезны для производства и автоматизации.

Появление сотрудников с новым образом мышления требует использование открытых систем, таких как Raspberry и MICA. При этом Raspberry остаётся на столе или на испытательном стенде в качестве «пробного шара», а MICA может служить больше чем тестовым оборудованием, она может участвовать в живом промышленном процессе. Данная платформа более защищена и подходит для промышленного применения. Она не просто осуществляет быструю коммуникацию, а также выполняет функцию анализа данных. При этом не нужно модернизировать производственное оборудование или устанавливать новые элементы управления в щиты автоматики. Перепрограммирования ПЛК также не требуется. MICA может адаптироваться под функции производственного оборудования с помощью модульной структуры программного обеспечения. Выбор тех или иных программ основывается на индивидуальной задаче.

Пользователи MICA не планируют использовать её в качестве ПЛК для управления оборудованием и контроля производственных процессов, они хотят знать только о состоянии оборудования, собирать, записывать и пересылать данные, которые являются основой для принятия решений в процессе оценки стоимости продукции. Это то, что является основой концепции Industry 4.0 – объединение мира IT с промышленной автоматизацией и развитие новых бизнес-моделей.