גישת פלטפורמה מאוחדת עבור מידרגיות מכונות OEM ואינטגרציית Brownfield‏

מערכת הבקרה של מכונה היא מרכיב חשוב בתכנון ובאסטרטגיית השיווק שלה. צוותי הנדסה רבים נוקטים בגישה מפוצלת, תוך שימוש במספר משפחות בקרים מתקדמים עבור נקודות מחיר שונות של מכונות, תוך הסתמכות על שערים (Gateways‏) של צד שלישי עבור שילוב מערכות מדורות קודמים. גישה כזו יכולה להגדיל את העלויות הקשורות להנדסה, מלאי ותמיכה בשטח, שבתורן יכולות להפחית את הגמישות התפעולית. החלופה היא סטנדרטיזציה בפלטפורמה אחת, מאוחדת ומידרגית עבור כל היישומים, ולתקשר ביניהם עם פרוטוקולים הן מודרניים והן מדורות קודמים.

שימוש באסטרטגיות מנותקות יכול להיות לא יעיל. ניהול מספר משפחות של PLCs יוצר אתגרים לוגיסטיים בהכשרה ובמלאי, תוך הוספת חומרה מיותרת, מורכבות ונקודות כשל פוטנציאליות למערכת. אבל מה אם פלטפורמה יחידה תוכל לבטל את הפשרות הללו לחלוטין? מאמר זה בוחן גישה כזו, תוך שימוש באקוסיסטם של Siemens‏ SIMATIC S7-1200‏ כמקרה בוחן עבור טיפול בדרישות מידרגיות וחיבוריות.

אתגר המידרגיות של יצרני ציוד מקורי (OEM)

קווי מוצרים של יצרני OEM‏ משתמשים לעתים קרובות במודל "טוב, טוב יותר, הכי טוב", שבו מורכבות המכונה משתנה בהתאם למאפיינים הכלולים. אמנם זה הגיוני, אך האתגר טמון בהגדרת מערכת בקרה שהיא יעילה וחסכונית עבור דגמים בסיסיים אך גם מסוגלת דיה עבור גרסות מהרמה-העליונה. למטרה זו, חלק מהפתרונות הנפוצים הם כדלקמן.

1. מספר פלטפורמות בקרה: שימוש בבקרים שונים עבור כל רובד מכונה עשוי להיראות יעיל וחסכוני עבור יחידה אחת, אך עלול לייצר עלויות במורד הזרם בהכשרה, תכנות ומלאי חלקי חילוף. גישה זו מאלצת את המהנדסים להיות מיומנים במספר סביבות תכנות ודורשת מלאי חלקי חילוף גדול ומורכב יותר הן עבור יצרן ה-OEM‏ והן עבור משתמש-הקצה.
2. בקר PLC קבוע וגדול: בחירת בקר PLC יחיד וגדול מפשטת את התכנות אך עלולה להפוך דגמים ברמת-הבסיס ללא-תחרותיים עקב עלות מפרט החומרים (BOM) עבור קיבולת שאינה בשימוש. גישה זו מציעה גם גמישות מוגבלת עבור שינויים עתידיים. אם לקוח זקוק לחיישן נוסף אחד בלבד, וכל נקודות ה-I/O‏ הקבועות כבר מוקצות, ייתכן שיהיה צורך בתכנון-מחדש יקר וגוזל זמן.

פתרון מעשי הוא פלטפורמת בקרה מודולרית הכוללת מעבד מרכזי שניתן להגדיר במדויק עבור ה-I/O‏ הנדרש עבור כל גרסת מכונה.

התמודדות עם אתגר החיבוריות ב-Brownfield‏

כיצד יכולה מכונה מתקדמת-ביותר לתקשר ביעילות על רצפת מפעל הבנויה על טכנולוגיה של הדור-האחרון? זוהי ליבת הדילמה הקיימת של אינטגרטור המערכות, שבה מכונות חדשות המשתמשות בפרוטוקולים מודרניים, כגון PROFINET, צריכות לעתים קרובות להשתלב עם ציוד קיים המסתמך על פרוטוקולים טוריים, כמו Modbus RTU. זה דורש ממערכות חדשות לתקשר עם התקני VFD, סדרי-גודל והתקנים אחרים מהדורות הקודמים באמצעות תקשורת טורית RS-485. שני פתרונות נפוצים לטיפול בבעיות אלו הם:

1. שערים (Gateways‏) של פרוטוקולים של צד שלישי: שער חיצוני יכול לתרגם בין PROFINET ל-Modbus RTU, אך הוא כרוך בעלויות חומרה נוספות, יוצר נקודת כשל פוטנציאלית ודורש כלי תוכנה נפרד עבור ההגדרה. מיפוי נתונים בין שתי המערכות יכול להיות מסורבל, ופתרון בעיות תקשורת הופך לתרגיל מורכב באבחון שני התקנים נפרדים, אשר לעתים קרובות הם של יצרנים שונים.
2. מחשבים תעשייתיים (IPC) עם קוד מותאם-במיוחד: IPC המריץ תוכנת תקשורת מותאמת-במיוחד הוא פתרון יעיל אך יקר ומורכב, המביא את תחזוקת מערכת ההפעלה של המחשב לרצפת הייצור. אסטרטגיה זו דורשת מיומנויות ייעודיות בתחום ה-IT ופיתוח תוכנה, שלא תמיד קיימות בצוות אוטומציה מסורתי, ויכולה להוביל לפתרונות הנוטים לתקלות וקשים לתחזוקה.

בקר מודרני צריך לתמוך בתקשורת של דורות-קודמים כמאפיין טבעי כדי לפשט את הארכיטקטורה ולרכז את ההגדרה.

הפתרון המאוחד: פלטפורמת SIMATIC S7-1200

סדרת SIMATIC S7-1200 של Siemens‏, שתצורתה מוגדרת בתוך פורטל Totally Integrated Automation‏ (TIA‏), נועדה להתמודד עם אתגרים אלה. הפלטפורמה מגובשת עם רכיבים המציעים מגוון של פונקציות ומאפייני ביצועים. איור 1 ממחיש דוגמה של בקר מודול PLC, תוך הדגשת רכיביו השונים.

איור 1: בקר מודול PLC SIMATIC S7-1200 של Siemens‏ מורכב ממעבד מובנה, פיני I/O‏ על-הלוח, נורות LED סטטוס ומחברים. (מקור התמונה: Siemens‏)

הליבה: מעבד מרכזי רב-יכולות, חסון וגמיש

במרכז מערכת S7-1200‏ יש מעבד מרכזי קומפקטי. למעבד המרכזי 1214C‏, לדוגמה, יש מהירות ביצוע בוליאנית של פקודה/µs‏ 0.08‏ ו-KB‏ 150‏/100‏ של זיכרון עבודה עבור ביצוע תוכנית מהיר. לכך משלימים MB‏ 4‏ של זיכרון טעינה לאחסון הפרויקט כולו (כולל סימבולים והערות) ו-MB‏ 14‏ של זיכרון שמירה עבור שמירה מאובטחת של נתוני מכונה קריטיים גם לאחר מחזור כיבוי והפעלה-מחדש. יציאת PROFINET המשולבת שלה תומכת בעד 16 חיבורי Ethernet, ומתפקדת כבקר I/O‏ עבור רשת התקני שטח מודרנית, כפי שמוצג באיור 2.

איור 2: דוגמה לבקר PROFINET IO וטופולוגיית התקן IO באמצעות מעבד SIMATIC. (מקור התמונה: Siemens‏)

מעבר ללוגיקה, המעבד משלב שישה מונים עצמאיים במהירות גבוהה שיכולים לעבד רכבות פולסים בתדרים של עד kHz‏ 100‏, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור משימות מדידה ומיקום מדויקות באמצעות אנקודרים. יתר על כן, ל-CPU 1214C שתי כניסות אנלוגיות מובנות (0-10 וולט), המספקות יכולת מובנית עבור חישה אנלוגית בסיסית ללא צורך במודולים נוספים. התכן הפיזי של היחידה בנוי עבור מציאות תעשייתית, עם תחום טמפרטורות פעולה נומינלי של 20°C- עד 60°C+ ויכולת לעמוד ברעידות של עד g‏ 2‏ (בהתקנה על קיר), מה שמבטיח פעולה אמינה בסביבות תובעניות.

המעבד זמין במספר גרסות כדי להתאים לכל תשתית הספקת-כוח. ה-6ES7214-1AG40-0XB0‏ הוא דגם DC/DC עבור מערכות סטנדרטיות של VDC‏ 24‏, בעוד שה-6ES7214-1BG40-0XB0‏ (ממסר AC/DC‏) יכול להיות מופעל ממקורVAC‏ 230‏/120‏, ובכך לחסוך מקום ועלויות הודות לביטול הצורך בהספקת-כוח נפרדת. ה-6ES7214-1AG40-0XB0 כולל גם ארבע יציאות של רכבת פולסים עבור בקרת מהירות ומיקום בחוג פתוח של מנועי צעד, מה שמפחית את הצורך בבקרי תנועה מיוחדים ביישומים פשוטים יותר.

פתרון מידרגי עם I/O‏ גרנולרי עם ביצועים עיליים

מאפיין מרכזי של ה-S7-1200 הוא המודולריות שלו. ניתן להרחיב את המעבד באמצעות לוחות אותות (SB) עבור תוספות מינוריות ומודולי אותות (SM) עבור דרישות I/O‏ גדולות יותר, מה שמאפשר אופטימיזציה של ה-BOM עבור היישום.

דגם בסיסי: 14 הכניסות הדיגיטליות ו-10 היציאות הדיגיטליות המובנות של המעבד 1214C מספיקות לעיתים קרובות עבור מכונות ברמה בסיסית, ומספקות נקודת התחלה ממוטבות-עלות.

דגם בינוני: כדי להוסיף אות אנלוגי של 0-10 וולט עבור בקרה בדוחף בתדר משתנה, ניתן להשתמש בלוח האותות SB 1232 >6ES7232-4HA30-0XB0‏, המוצג באיור 3. הוא מתחבר ישירות למעבד, ומספק יציאה אנלוגית יחידה ברזולוציה bit‏-12‏ וזמן המרה מרשים של µs‏ 300‏.

מהירות זו היא קריטית עבור יישומים הדורשים בקרה מגיבה של שסתומים פרופורציונליים או מפעילים (Actuators‏) אנלוגיים אחרים. המודול יכול לדחוף עומסים עם אימפדנס מינימלית של Ω‏ 1,000‏ על פני כבל מסוכך באורך של עד 100 מטר, ובכך להוסיף פונקציונליות קריטית מבלי להגדיל את חתימת-השטח של הבקר.

איור 3: לוח האותות SB 1232 - 6ES7232-4HA30-0XB0 עבור I/O‏ נוסף עבור מעבד SIMATIC S7-1200. (מקור התמונה: Siemens‏)

דגם מהרמה-העליונה: עבור בקרת סעפת שסתומים בעלת 16 נקודות, מודול האותות SM 1222‏ 6ES7222-1BH32-0XB0‏ (איור 4) מספק 16 יציאות טרנזיסטור דיגיטליות, כל אחת עבור A‏ 0.5‏ חסון. פרט מפתח עבור מהנדסים הוא המגבלה המובנית של המודול של מתח הכיבוי האינדוקטיבי לערך טיפוסי של (+L‏) V‏ 48‏ המסייעת בהגנה על היציאות מפני EMF אחורני בעת מיתוג עומסים אינדוקטיביים, כגון סולנואידים.

איור 4: מודול האות SM 1222 - 6ES7222-1BH32-0XB0 עם 16 יציאות טרנזיסטור עם הגבלת מתח כיבוי אינדוקטיבי. (מקור התמונה: Siemens‏)

עבור בקרה אנלוגית מתקדמת, מודול האותות SM 1232 - 6ES7232-4HD32-0XB0‏ (איור 5) מציע ארבעה ערוצי יציאה אנלוגית עם דיוק גבוה. כל ערוץ ניתן להגדרה עבור מתח (V‏ 10‏-‏/+‏ עם רזולוציה של bit‏-14‏) או זרם (mA‏ 20‏0-‏ עם רזולוציה של bit‏-13‏). הוא כולל אבחון משולב עבור תקלות חשמל כגון נתק בחוט וקצר, המאפשר לתוכנת ה-PLC לגלות תקלות חיווט ובעיות יציאה פוטנציאליות, ובכך להגדיל את זמן הפעולה והאמינות של המכונה.

איור 5: מודול האותות SM 1232 - 6ES7232-4HD32-0XB0 עם בקרה אנלוגית משולבת לאבחון תקלות של שבר-חוט וקצר. (מקור התמונה: Siemens‏)

פתרון בעיות חיבוריות עם תקשורת משולבת

עבור שילוב Brownfield‏, לוח תקשורת RS485‏ CB 1241‏ 6ES7241-1CH30-1XB0‏ מתחבר ישירות למעבד המרכזי. הוא מספק נקודת-חיבור טורית פיזית RS-485 מבלי להגדיל את ממדי המערכת, כפי שמוצג באיור 6.

איור 6: תצורות סיומת וממתח עבור רשת תקשורת RS-485. (מקור התמונה: Siemens‏)

נקודת-החיבור תומכת במהירויות תקשורת של עד kbit/s‏ 115.2‏ על פני מרחק של 1,000מטר. האינטגרציה האמיתית היא בתוכנה. פורטל TIA כולל פקודות ספרייה לא רק עבור Modbus RTU‏ (Master‏ ו-Slave‏) אלא גם עבור תקשורת Freeport‏ (ASCII‏), שהיא אידיאלית עבור התקנים פשוטים כמו סורקי ברקוד, ופרוטוקול USS עבור תקשורת עם כונני Siemens‏.

התצורה מטופלת כולה בתוך פרויקט TIA Portal, תוך מיפוי נתונים טוריים ישירות לתוך בלוק נתונים PLC. זה מבטל את הצורך בכלי הגדרת תצורה חיצוניים, ומפשט את ארכיטקטורת הרשת. לצורך תחזוקה, הלוח כולל נוריות LED לאבחון עבור אותות שידור (TxD) וקליטה (RxD), המספקות מבט חטוף על סטטוס פעילות התקשורת ומפשטות את פתרון הבעיות באתר.

סיכום

האתגרים העיקריים עבור מהנדסי אוטומציה הם ניהול מורכבות ותכנון עבור גמישות. סטנדרטיזציה עם פלטפורמת בקרה כמו SIMATIC S7-1200‏ של Siemens‏ מטפלת בבעיות אלו. על ידי שילוב מעבד רב-יכולות כמו ה-CPU 1214C עם אקוסיסטם גמיש של I/O‏ מודולרי, החל מ-SB 1232 ועד ל-SM 1222 ו-SM 1232, יצרני OEM יכולים לבנות ארכיטקטורת בקרה מידרגית יחידה המתאימה עבור תחום של נקודות מחיר מכונות.

באמצעות אפשרויות תקשורת משולבות כמו ה-CB 1241, אינטגרטורים של מערכות יכולים להפחית את המורכבות של שערים (Gateways‏) חיצוניים. גישה מאוחדת זו, שתצורתה נקבעה בתוך סביבת TIA Portal, יכולה להפחית את זמן ההנדסה, למזער את המלאי ולהוביל לפתרונות אוטומציה חסונים וגמישים.