PRZEMYSŁOWE SYSTEMY INFORMATYCZNE Cz. 8. Integracja systemów informatycznych z systemami automatyki i pomiarów

1. Wstęp 2. Elementy sieci komputerowych 3. Systemy automatyki i pomiarów w sieciach informatycznych 4. System finalnej kontroli produkcji DELTA

1. Wstęp Do najważniejszych systemów informatycznych, często stosowanych jednocześnie w przedsiębiorstwie przemysłowym, należą: · komputerowe systemy zarządzania przedsiębiorstwem, wykorzystujące sieci LAN, · komputerowe systemy automatyki, wykorzystujące sieci przemysłowe, · komputerowe systemy pomiarowe, wykorzystujące specjalizowane interfejsy. Są to różne systemy, opracowane do różnych celów, wykorzystujące różne techniki realizacyjne, standardy interfejsowe i protokoły komunikacyjne. Obejmują między innymi: · system finansowo-księgowy, · system magazynowy, · system płac, · system realizacji zamówień, · system sterowania produkcją, · system automatyki przemysłowej i pomiarów, · systemy projektowania CAD.

W przypadku systemu fabryki, obejmującego również oddziały zamiejscowe, mogą być na przykład zastosowane jednocześnie serwery UNIX, Novell i Windows NT, liczne terminale, komputery PC, drukarki, plottery itp., połączone przez sieć Ethernet i modemy. Jak już podkreślano systemy automatyki przemysłowej charakteryzują się specyficznymi wymaganiami, np. muszą pracować w systemie czasu rzeczywistego. Podobne wymagania dotyczą systemów pomiarowych. Prowadzi to, na ogół, do większej ich jednorodności niż w przypadku systemów informatycznych. Różnorodność systemów używanych w przedsiębiorstwach utrudnia ich integrację w jednolite systemy zarządzania przedsiębiorstwem, sterowania jakością produkcji oraz sterowania procesami produkcyjnymi. Z tego powodu zwrócono uwagę na zmiany zachodzące technologiach telekomunikacyjnych i informatycznych oraz związaną z tym standaryzację, z zamiarem wykorzystania ich do celów wspomnianej integracji.

Przełom XX i XXI wieku zaznaczył się bardzo dynamicznym rozwojem sieciowych technologii informatycznych, przeznaczonych między innymi do zastosowań biurowych i domowych. Powszechność stosowania internetu spowodowało pojawienie się na rynku taniego zaawansowanego oprogramowania sieciowego oraz wyspecjalizowanych podzespołów i modułów elektronicznych, przeznaczonych do tych celów. Rozwój zastosowań powszechnego użytku wspiera i w dużym stopniu kierunkuje rozwój technologii sieciowych, stosowanych w przemyśle. Obecnie coraz częściej w urządzeniach przemysłowych do komunikacji, przesyłania danych i sprzężenia z człowiekiem stosuje się protokoł TCP/IP oraz przeglądarki internetowe. Ponadto powszechnym standardem staje się sieć Ethernet. Stosowanie rozpowszechnionych rozwiązań sieciowych, zmniejsza koszty systemów sterowania i ułatwia sprzężenie tych systemów ze standardowymi systemami wspomagania zarządzania przedsiębiorstwem. Koncepcja systemów otwartych bardzo ułatwia budowę systemów sterowania z modułów, opracowanych w różnym czasie przez różnych producentów, a następnie stosunkowo łatwą rozbudowę tych systemów.

Dla realizacji przemysłowych systemów sterowania i zbierania danych, wykorzystujących sieć, istotna stała się możliwość zastosowania: interfejsu sprzęgającego instalację przemysłową z centrami monitorowania i sterowania za pośrednictwem sieci, serwera sieciowego umożliwiającego zdalne nadzorowanie i sterowanie produkcją, architektury klient-serwer.

Schemat przykładowej konfiguracji systemu automatyki, sprzęgniętego wewnętrznie za pośrednictwem sieci oraz sprzęgniętego z systemem wspomagania zarządzaniem przedsiębiorstwa, przedstawiony jest na rys. 1. Uwzględnia on fakt, że w obecnie przemyśle do celów sprzężenia modułów systemów automatyki powszechnie stosuje się transmisję szeregową z wykorzystaniem galwanicznie izolowanych oraz nieizolowanych interfejsów RS-232 i RS-485. Uwzględnione jest również stosowania sprzężenia poprzez sieć fieldbus. Fieldbus jest siecią, sprzęgającą bloki automatyki, która umożliwia przesyłanie dużych pakietów danych. Do najpowszechniejszych rozwiązań należą Profibus, AS-Interface i Interbus. Umożliwiają one bezpośrednie przesyłanie danych (bez repeatera) na ogół na odległość do kilkuset metrów z prędkością kilkuset b/s. W przypadku kompleksowych systemów automatyki stosuje się raczej Ethernet lub połączenie obu wspomnianych systemów sieciowych. Ethernet umożliwia szybszą transmisję (10Mb/s lub 100Mb/s) oraz zastosowanie protokołu TCP/IP. Należy zwrócić uwagę na to, że stosowanie tego protokołu, oprócz niewątpliwych zalet, nie jest efektywne czasowo przy przesyłaniu krótkich zbiorów danych. Powodem tego jest duża długość nagłówków w protokole TCP/IP.

Schemat sprzężenia bloków automatyki i pomiarów z systemem wspomagania zarządzania przedsiębiorstwem

2. Elementy sieci komputerowych Techniki sieci komputerowych mogą być skutecznie wykorzystywane do zwiększania zasięgu działania systemów sterowania i pomiarów. Po połączeniu z sieciami lokalnymi systemy te mogą także dodatkowo korzystać z zasobów i możliwości sieci. Najprostszym sposobem połączenia dwóch standardów interfejsowych jest zastosowanie konwerterów interfejsów. Przykłady konwerterów interfejsów szeregowych i ich ekspanderów zostały omówione przy okazji omawiania systemów rozproszonych. Analogiczne konwertery mogą być stosowane również między stosowanymi w systemach pomiarowych interfejsów równoległych, np. GPIB, a interfejsem szeregowym RS-485. Zamiana standardów zachodzi w tym przypadku na najniższym fizycznym poziomie. Wyższy poziom konwersji można uzyskać przez wbudowanie systemów automatyki i pomiarów w informatyczne sieci komputerowe. Możliwe jest wówczas uzyskanie zgodności wielopoziomowych protokołów sterowania przepływem danych w obu systemach. Najczęściej tego rodzaju konwertery rozpoznają protokoł TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol).

Możliwość fizycznej transmisji danych pomiędzy różnymi systemami pozwala na korzystanie z różnych mechanizmów komunikacyjnych. Jednym z takich mechanizmów jest DDE (Dynamic Data Exchange), opracowany przez Microsoft i przeznaczony dla środowiska Windows. Bazuje on na koncepcji klient-serwer. Standard DDE umożliwia aktywność wielu par kilent-serwer, przy czym każda aplikacja może pełnić rolę serwera lub klienta. Aplikacja o funkcji klienta: · wysyła rozkazy do wykonania przez serwer, · wysyła dane do serwera., · obiera dane generowane przez serwer. Aplikacja o funkcji serwera: · wykonuje rozkazy, przesyłane przez aplikacje o funkcji klienta, · odbiera dane od aplikacji o funkcji klienta. · wysyła dane do aplikacji o funkcji klienta. W środowisku Windows jest wiele aplikacji narzędziowych o wbudowanych funkcjach DDE-serwer. Pozwala to na ich zdalne uruchomienie z poziomu innych aplikacji, przesłanie danych, wykonanie żądanych operacji i zwrotne przesłanie niezbędnych danych. Można w ten sposób korzystać np. z arkuszy kalkulacyjnych Excel.

3. Systemy automatyki i pomiarów w sieciach informatycznych Protokoł TCP/IP, używany w komputerowych sieciach informatycznych oraz w internecie, jest protokołem wielopoziomowym, przeznaczonym do przesyłania informacji. Umożliwia on wspólne wykorzystywanie zasobów systemów, dołączonych do sieci. Oparty jest on na koncepcji klient-serwer. Serwer może być umieszczony na tym samym komputerze co klient lub na innym komputerze. Przed użyciem powinien być zainicjalizowany. Aplikacja klient dla skorzystania z usług serwera powinna zbudować łącze. Serwer jest identyfikowany na podstawie adresu komputera i numeru portu. Przy użyciu protokołu TCP/IP realizuje się między innymi: · protokoł transmisji plików w sieci - File Transfer Protokol (FTP), zdalne logowanie się do systemu operacyjnego - Telnet, poczta elektroniczna, sieciowy system plików, drukowanie w sieci, zdalne uruchamianie programów. Po zakończeniu sesji transmisji klient powinien zlikwidować łącze z serwerem.

Internet bazuje na systemie World Wide Web, którego podstawowymi elementami są strony WWW. Strony te są tworzone przy pomocy języka HTML (Hyper Text Markup Language), który określa sposoby kodowania krojów czcionki, formatu tekstu, grafiki, dźwięku i innych multimedialnych nośników informacji. Sposób przesyłania stron WWW przez sieć określa protokoł HTTP (Hyper Text Transfer Protokol). Bazuje on na protokole TCP/IP. W ostatnim okresie coraz więcej przedsiębiorstw produkcyjnych wykorzystuje technologie i narzędzia sieci Internet dla budowy swoich sieci wewnętrznych Intranet. Z powodu tej popularności również nowoczesne narzędzia do tworzenia aplikacji dla celów automatyki i pomiarów są wyposażone w biblioteki, które umożliwiają użycie protokołów HTTP i TCP/IP.

W efekcie zastosowania wspomnianych protokołów możliwe jest np W efekcie zastosowania wspomnianych protokołów możliwe jest np. przekształcenie lokalnego wirtualnego przyrządu pomiarowego w przyrząd zdalny. Według definicji firmy Hewlett-Packard przyrząd wirtualny jest przyrządem, który wykorzystuje komputer typu PC wraz z graficznym oprogramowaniem do przetwarzania i wyświetlania wyników pomiaru. Istnieją również inne definicje przyrządów wirtualnych, jednak wszystkie podkreślają dużą rolę oprogramowania. Przekształcenie lokalnego przyrządu wirtualnego w przyrząd zdalny, związane jest z wykorzystaniem jego funkcji z innego komputera za pośrednictwem odpowiedniej strony WWW. Strona taka jest wyposażona w przyciski funkcyjne i na ogół w pole wyświetlania wyników działania przyrządu, np. wyników pomiarów.

W systemach informatycznych dane są gromadzone i przetwarzane w bazach danych. Podstawowym narzędziem dostępu i operacji na danych jest język SQL (Structured Query Language - strukturalny język zapytań). Ponieważ istnieją różnego rodzaju bazy danych opracowany został standard ODBC (Open DataBase Connectivity), który zapewnia jednolity sposób dostępu do baz. Standard ten bazuje na standardzie języka ANSI SQL. Standard ODCB stał się podstawą wymiany danych pomiędzy różnymi systemami oprogramowania. Biblioteki ODBC stały się także wyposażeniem urządzeń automatyki i pomiarów. Na przykład wykorzystuje je pakiet pomiarowy LabWindows/CVI firmy National Instruments. Sesja łączności z bazą danych składa się z następujących podstawowych kroków: · Dołączenie bazy danych. Możliwe są jednoczesne łącza z wieloma bazami danych. · Generacja i aktywizacja poleceń SQL. · Wykonywanie poleceń SQL, dzięki którym można np. tworzyć tablice, uaktualniać lub czytać dane. · Deaktywacja poleceń SQL. · Odłączenie bazy danych.

Z tej samej bazy danych może korzystać szereg modułów systemu sterowania i pomiarów oraz system zarządzający i system jakości lub sterujący produkcją. Zastosowanie transmisyjnych protokołów sieciowych (FTP, HTTP POP3) i standardowych topologii sieciowych (110/100BaseT) może zredukować koszty systemów przemysłowych. Systemy przemysłowe, bez względu na architekturę, muszą wykonywać podobne zadania, takie jak: · instalacja i ustawienie (setup), · konfiguracja i rekonfiguracja, · monitorowanie stanu, · wysyłanie komunikatów błędach i stanach nieprawidłowych, · usuwanie błędów (debugging), · zastępowanie programów nowszą wersją (upgrade), · utrzymywanie ruchu.

Protokoł internetowy (IP) może adresować wiele tych zadań i wspierać projektantów eliminując zbędne prace. Przykładem może być instalacja urządzenia przemysłowego w sieci, która jest ułatwiona przez IP dzięki powszechnie dostępnemu i znanemu oprogramowaniu. Można w tym celu wykorzystać protokoł bootowania lub dynamicznej konfiguracji DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) i system nazw domenowych DMS (Domain Name System). Konfiguracja urządzenia może być dokonana za pośrednictwem HTTP (Hypertext Transfer Protocol). Dzięki wspomnianym protokołom łatwo jest także zastąpić w sieci starsze urządzenie, np. sterownik PLC, przez nowsze urządzenie.

Wiele urządzeń przemysłowych musi przesyłać lub przyjmować dane, np Wiele urządzeń przemysłowych musi przesyłać lub przyjmować dane, np. przesyłać dane pomiarowe i przyjmować dane o programie obróbki wyrobu lub działania robota. Połączenie z wykorzystaniem protokołów internetowych zapewnia niezawodność przesyłania danych, w tym wykrywanie i korekta błędów. Dzięki temu uzyskuje się pewność działania urządzeń przemysłowych. Do tego celu można użyć protokoł FTP (File Transfer Protocol), który gwarantuje dostarczenie danych i ich integralność. W przypadku wystąpienia sytuacji alarmowej, posługując się protokołem pocztowym POP3 (Post Office Protocol 3) urządzenie może wysłać odpowiednią wiadomość do dowolnej liczby odbiorców.

4. System finalnej kontroli produkcji DELTA Jako przykład sprzężenia systemu sterowania lub pomiarów z systemem zarządzania przedsiębiorstwem może posłużyć takie sprzężenie systemu DELTA (Distributed End-of-Line Testing Architecture). System ten jest systemem, przeznaczonym do finalnej kontroli jakości w przedsiębiorstwie elektrotechnicznym. Przedsiębiorstwo to jest wyposażone wysoko zautomatyzowane linie produkcyjne, automatyczny wewnętrzny transport materiałów, półproduktów i produktów, zautomatyzowany magazyn wyrobów gotowych oraz rozbudowany system informatyczny zarządzania zakładem. Oprócz zakładu głównego przedsiębiorstwo posiada daleko oddalony oddział zamiejscowy. Przedsiębiorstwo prowadzi produkcję na indywidualne zamówienia, na skutek czego jednocześnie produkuje wiele typów i wersji urządzeń.

Wszystkie produkty muszą być poddane testom bezpieczeństwa za pomocą testerów, które wykonują pomiary: · rezystancji uziemienia, · izolacji upływności, · poboru wartości skutecznej i kąta przesunięcia prądu zasilania, · poprawności i rezystancji połączeń wewnętrznych, · napięć w krytycznych punktach konstrukcji. Testery wyposażone są w interfejsy RS-485 z protokołem MODBUS, co umożliwia ich współpracę oraz synchronizację pracy ze sterownikami PLC. W sieci przedsiębiorstwa pracuje ok. 300 różnego typu komputerów. Fragment sieci, łączącej testery DELTA z serwerem głównym AS/400 i serwerami kontroli jakości QA przedstawia rys. 2. Serwer główny dzieli zamówienia na zadania dla pracowników w horyzoncie kilku dni.

Serwery DELTA służą m. in Serwery DELTA służą m.in. do logowania kart roboczych pracowników do systemu. Po odczytaniu karty serwer komunikuje się z serwerem głównym i na podstawie karty odczytuje z bazy kontekstów testowania produktu: · typ produktu, · nazwę, · miejsce ulokowania programu testowania w systemie, · miejsce ulokowania danych produktu w bazie wynikowej. Następnie serwer lokalny DELTA ściąga z serwerów QA programy testowania i przesyła je do odpowiednich testerów. Po otrzymaniu wyników z testera serwer lokalny wysyła je do odpowiednich baz wynikowych. Wszystkie sieciowe mechanizmy komunikacyjne serwera bazują na protokole TCP/IP oraz standardzie ODBC. Programistyczny mechanizm serwera oparty jest na symulacji wieloprocesorowej cyfrowej maszyny wirtualnej, która pozwala współbieżnie wykonywać wiele zadań. Magistrala komunikacyjna RS-485 jest obsługiwana przez procesory komunikacyjne.

Fragment sieci połączeń testerów DELTA

Oprogramowanie systemu składa się z trzech modułów Oprogramowanie systemu składa się z trzech modułów. Moduł Delta-Server realizuje następujące funkcje: · logowanie kart roboczych, sprawdzanie praw dostępu użytkowników, · rozwiązywanie, na podstawie bazy kontestów, zagadnienia testowania różnych produktów na różnych testerach, · budowa i lokalizacja łącz ODBC, · lokalizacja programów testowania w sieci i przesyłanie ich do odpowiednich testerów, · automatyczna identyfikacja i konfiguracja testerów oraz diagnostyka magistrali. · bezpośrednie sterowanie testerami poprzez magistrale RS-485 z użyciem protokołu MODBUS, · buforowanie danych wyjściowych z testerów i wysyłanie ich łączami ODBC do odpowiednich serwerów.

Moduł Delta-Lab jest zbiorem wirtualnych przyrządów i bloków pomiarowych. Jest używany przy pisaniu programów pomiarowych i ich diagnostyki. Może on być zainstalowany i wykonywany na dowolnym komputerze sieci. Moduł Delta_Editor służy do tworzenia programów pomiarowych. Programy te mają formę parametrów, które są przesyłane do przechowania w bazach danych. Dzięki użytym protokołom i standardom sieciowym moduł ten może komunikować się z dowolną bazą danych, dostępną w sieci. Wyposażony jest w przeglądarkę baz danych oraz generator komend SQL, który pozwala na wykonywanie złożonych operacji wyszukiwania i filtracji danych. W strukturę programu mogą być wpisywane wyrażenia logiczne, które umożliwiają tworzenie złożonych struktur programów. Również ten moduł może być zainstalowany i wykonywany na dowolnym komputerze sieci.