3.3.3 Folyamatirányító számítógépek jellemzői

Az ipari felhasználás az irányítórendszer kulcselemére nézve is szigorú elvárásokat támaszt. A perifériákon lévő eszközök, melyek közvetlen kapcsolatban vannak a munkafolyamattal, ugyan rendelkeznek intelligenciával, de az ítéletalkotás a számítógépekben koncentrálódik. A számítógépekkel szemben jogosan elvárt a magas fokú üzembiztonság, hiszen hibás működés esetén a következmények mind anyagi, mind életbiztonsági szempontból súlyosak lehetnek.

Az ipari számítógépek legfontosabb üzembiztonsági jellemzői a megbízhatóság, robosztusság és a védettség.

Megbízhatóság

Egy számítógép akkor megbízható, ha csak nagyon ritkán vagy egyáltalán nem hibásodik meg. A meghibásodás mértékét a meghibásodások közötti átlagos idővel (Mean Time Between Failures, MTBF) szokás megadni. Ez a statisztikai mérőszám egy valószínűségi alapon számolt érték, ami azt jelenti, hogy egy húszezer órás MTBF-fel rendelkező számítógépnél nem garantált, hogy mindössze egyszer hibásodik meg húszezer óra alatt.

Az MTBF értékét befolyásolja a számítógép gyártásánál felhasznált anyagok minősége. Az integrált áramkörök hadi, kommersz és ipari kivitelben készülhetnek. Ezek a kategóriák a megengedett üzemi hőmérséklet-határokat határozzák meg, ami hadi kivitel esetén -55C^o-tól +125C^o-ig, kommersz kivitel esetén 0C^o-tól +70C^o-ig és ipari kivitel esetén -40C^o-tól +85C^o-ig terjedhet. Az integrált áramköröket tesztelés alapján is osztályozzák. Az elkészült alkatrészekből állítják össze a számítógép egységeit. Az alkatrészeket nyomtatott áramköri lapokra ültetik és forrasztják. A számítógép egységeinek minőségét a gyártás során szigorú minőség-biztosítási rendszer garantálja.

A számítógép egészének meghibásodási valószínűségét az iparban használatos fürdőkád-jelleggörbe jól szemlélteti (15. ábra).

Eszerint a számítógép meghibásodásának valószínűsége az üzembe helyezés utáni néhány órában magas. Ezért még a gyártás helyén egy nagyobb feszültséggel és magasabb üzemi hőmérséklettel üzemeltetik a gépet (beégetés). A számítógép elöregedésével a meghibásodás valószínűsége ismét megemelkedik, de eddigre már megérett a cserére.

Az MTBF mellett a megbízhatóság szempontjából hasonló fontosságú az átlagos javítási idő (Mean Time To Repair, MTTR), ugyanis hiába nagy a két meghibásodás közötti idő, ha a javítás hosszú időt vesz igénybe.

A MTBF értékére kedvező befolyással van, hogy a számítógép és maga a folyamatirányító rendszer is jól körülhatárolható egységekből, modulokból áll (9. ábra). A gyors hibaelhárításnak hardver és szoftver követelményei is vannak. Az önellenőrzést biztosító áramkörök és programok segítségével a hibás modul könnyebben behatárolható és javítható.

Az iparban a folyamatirányító számítógépek minősítésére elfogadott jelzőszám a meghibásodások közti átlagos időből és a javításhoz szükséges átlagos időből számított átlagos rendelkezésre állás (A).

Az ideális értéket az A=1 jelenti, miszerint a számítógép rendelkezésre állása 100%-os. Az összefüggés alátámasztja, hogy a jó folyamatirányító rendszert a ritka meghibásodások mellett a könnyű, gyors javíthatóság is jellemzi.

Robosztusság

A számítógép rendszer akkor tekinthető robosztusnak, ha jól ellenáll a külső behatásoknak, működését ezek csak kevésbé befolyásolják. Ilyen hatást jelent a hőmérsékleti hatás, amit az alkatrészek hőfoktűrése mellett a hatékony hűtéssel csökkentnek. A feszültségingadozások és kimaradások hardveres és szoftveres igényeket is támasztanak. Kettős tápegységgel vagy szünetmentes tápegységgel a probléma jól kezelhető, azonban szükséges lehet, hogy a bekövetkezett kimaradás után a rendszerkezelő program folytatni tudja a folyamat irányítását hiba nélkül. Az elektromágneses zavarok a számítógép működését is befolyásolják, ezért ellenük szükséges a megfelelő védekezés lásd A folyamatirányító rendszer jelátvitele fejezet).

Védettség

A folyamatirányító számítógépeket általában egy központi irányító teremben helyezik el. Ahol azonban a körülmények megkívánják a közvetlen folyamatközeli elhelyezést, a számítógépnek megfelelő tokozást kell biztosítani a behatoló por, forgács, pára, nedvesség ellen.

A villamos készülékek megfelelő tokozással (burkolattal történő védettségét az IP (International Protection) betűkből és két számjegyből álló kombinációval jelölik. Az első számjegy az érintés és az idegen test behatolása elleni védelmet, míg a második számjegy a víz elleni védelem szintjét jelöli (MSZ EN 60529:2001).

1. Veszélyes részek érintése és idegen testek behatolása elleni védelem

0 Nincs védelem.

1 50 mm-es vagy nagyobb idegen testekkel szembeni védelem (szándékos megközelítés ellen nincs védelem).

2 12,5 mm-es vagy nagyobb idegen testekkel szembeni védelem (ujjal történő érintés elleni védelem).

3 2,5 mm-es vagy nagyobb idegen testekkel szembeni védelem (szerszámmal történő érintés elleni védelem).

4 1 mm-es vagy nagyobb idegen testekkel szembeni védelem.

5 Por lerakódás elleni védelem (a por olyan mennyiségben nem hatolhat be, hogy károsan befolyásolná a működő képességet, biztonságot).

6 Por behatolása elleni védelem (porral szemben tömített).

2. Víz behatolása elleni védelem

0 Nincs védelem.

1 Függőlegesen csöpögő víz elleni védelem.

2 Csöpögő víz elleni védelem a tokozás max. 15o-os dőlése esetén.

3 Vízpermet elleni védelem (A függőlegeshez képest minden irányból, max 60o-os szögben permetezett víz nem okozhat károkat).

4 Fröccsenő víz elleni védelem.

5 Vízsugár behatolása elleni védelem (bármely irányból irányítottan, nyomással érkező vízsugár nem okozhat gondokat).

6 Erős vízsugár behatolása elleni védelem (bármely irányból irányítottan érkező erős vízsugár nem okozhat gondokat).

7 Védelem időszakos víz alá merítés hatásai ellen (a készülékbe nem hatolhat be veszélyes mennyiségű víz).

8 Vedelem tartós víz alá merítés hatásai ellen (a 7 pontnál szigorúbb megkötések).

Az automatizálás egyik jellegzetes területe a megmunkálógépek önműködő irányítása számjegyvezérléssel (Numerical Control, NC). A vezérlők számjegyek sorozata alapján végzik feladatukat. Az NC-technika előnyeit a megmunkálógépek (fúró, eszterga, maró, köszörű, lángvágó, kivágó gépek) mellett a robotok, hegesztőgépek, az elektronika iparban a nyomtatott áramköri lapok beültető-automatái, a faipari gépek stb. automatizálásában is hasznosítják. A számítógépes számjegyvezérlés (Computer Numerical Control, CNC) megjelenésével a számítógép a technológia közelébe került. Az ilyen gépeket védeni kell a ráhulló fémforgácstól, kiömlő hűtő folyadéktól (egy gyakran alkalmazott védettség az IP65).

CNC alapú vezérlésekben egy központi számítógép tartalmazza az alkatrészek gyártásához szükséges programot. Ez a gép összeköttetésben áll az intelligens vezérlőkkel, amik a megmunkálógépek hajtásait vezérlik, illetve azok különböző állapotjeleit (sebesség, fordulatszám, pozíció, stb.) fogadják.

A programozható logikai vezérlőket (Programmable Logic Control, PLC) az autóipar igényei hozták létre a hatvanas években. Addig a gyártósorok vezérlését mechanikus relék huzalozott rendszere látta el. Modellváltás esetén az egész rendszert újra kellett telepíteni. A PLC helyettesíteni tudta a teljes huzalozott rendszert, a működési logikáját bontás, szerelés nélkül a helyszínen számítástechnikai tudás nélkül lehet újraprogramozni. Megbízhatóságának, gazdaságosságának, kis méreteinek köszönhetően széles körben használják az ipar teljes területén.

A PLC működése és felépítése hasonló a számítógépekéhez. Egy CPU a bemenetre (input) érkező jeleket, a memóriában tárolt program alapján feldolgozza, és az eredményeket a kimenetre (output) továbbítja. A binárisan tárolt program végrehajtásában azonban jelentős különbség van. A PLC a felhasználói programot utasításról utasításra, sorrendben végrehajtja, majd újrakezdi a program végrehajtását elölről (a program nem tartalmazhat belső hurkokat). Folyamatirányítási rendszerekben ez előnyös tulajdonság, mivel előre meghatározható a program végrehajtási ideje, és a külső jelek kiértékelésére egy ciklusidőn belül (1s-tól néhány 10 ms-ig terjedő érték, PLC-től függően) mindenképp sor kerül.

Ma már elvárás a vezérlő egységektől, hogy ne csak digitális, hanem analóg jeleket is tudjanak kezelni a gépi állapot hatékony teszteléséhez. Az összetett feladatokat ellátó vezérlő rendszerek, egynél több vezérlő ciklus futtatását igénylik különböző ciklus idővel (adatgyűjtés, analizálás, adatrögzítés, beavatkozás). A gyors reagálási képesség, bonyolultabb rendszerkezelő technikák, algoritmusok alkalmazását teszi szükségessé (fuzzy logika, neurális hálózat). A programozható automatizálás vezérlő (Programmable Automation Controller, PAC) ötvözi a PC előnyös jellemzőit (több szálon futó program végrehajtás, könnyű programozhatóság, lebegőpontos műveletvégzés, nagy sebességű adatfeldolgozás, modularitás), PLC megbízhatóságával, robosztusságával.

A PAC a vezérlőegységek hardveres fejlődésének eredménye. Egy másik fejlődési lehetőséget jelent olyan szoftverek készítése, amelyek operációs rendszer függetlenek, így azok instabilitása - kék halál – nem veszélyezteti a folyamatirányítás épségét. Ezek a virtuális logikai vezérlők (Virtual Logic Controller, VLC) még az operációs rendszer betöltődése előtt elfoglalják helyüket a fizikai memóriában. A lefoglalt memória az operációs rendszer felöl nem elérhető, így a vezérlő rendszer teljes prioritást élvezhet.

A PC-én futó alkalmazások, folyamatok a vezérléstől függetlenül a háttérben futnak. Ezzel a megoldással egy ipari kivitelű PC rugalmasan illeszthető annak minden előnyével (bővíthetőség, kedvező teljesítmény/árviszony, stb.) ipari környezetbe.