POWRÓT

SEMESTR IV

Systemy informatyki przemysłowej - systemy wspomagające. Środowiska sieciowe. Światłowody jako nośniki informacji.


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Systemy wspomagające
Środowisko sieciowe
Światłowody jako nośniki informacji


 

Systemy wspomagające

   

   Informatyka przemysłowa, także informatyka procesowa - dziedzina wiedzy znajdująca się na pograniczu nauk informatycznych oraz nauk o technologiach przemysłowych. Koncentruje się na zastosowaniu komputerów i oprogramowania w przemyśle. Do jej głównych zainteresowań należą informatyczne aspekty w następujących zastosowaniach:

  • komputerowe monitorowanie i sterowanie produkcją;
  • komputerowe modelowanie, symulacja i optymalizacja procesów technologicznych;
  • eksploracja i analiza danych przemysłowych;
  • projektowanie przemysłowych systemów informatycznych, m.in systemy czasu rzeczywistego, systemy wbudowane;
  • zastosowanie sztucznej inteligencji w przemyśle, m.in. systemy ekspertowe;
  • projektowanie urządzeń wykorzystywanych w przemyśle, m.in. oprogramowanie sprzętowe.

Wyróżnić można szereg różnych kategorii oprogramowania stosowanego powszechnie w przemyśle. Najważniejsze to:

  • Laboratory Information Management Systems (LIMS)
  • Maintenance Management (CMMS)
  • Manufacturing Execution (MES)
  • Supervisory Control and Data Aquisition (SCADA)
  • Human Machine Interface (HMI)
  • Operations Management Interface (OMI)

   Część z wymienionych typów oprogramowania została zaprojektowana specjalnie na potrzeby przemysłu (np. SCADA), a część stanowi adaptację rozwiązań znanych z innych branż (jak np. rozwiązania Bussiness Intelligence). Wspólną cechą wszystkich z wymienianych kategorii oprogramowania jest ich przeznaczenie do wykorzystanie w przemyśle, a co za tym idzie, duże wymagania co do niezawodności i pewności działania. Główną korzyścią ze stosowania wyżej wymienionych komputerowych systemów informatycznych jest zmniejszenie ruchu dokumentów papierowych, przyspieszanie wymiany informacji, zwiększenie wpływu obsługi na przebieg procesu produkcyjnego oraz zwiększenie możliwości szybkiego reagowania. To wszystko przekłada się na zmniejszenie kosztów i zwiększenie zysków zakładu produkcyjnego.


LIMS - zarządza informacją laboratoryjną

   Systemy LIMS (ang. Laboratory Information Management System) jest to system zarządzania informacją laboratoryjną. Pozwalają na zbieranie wyników pomiarów i porządkowanie dokumentacji, automatyzację pobierania danych, rejestrowanie czynności pracowników laboratorium itp. itd.
Wybrane funkcje systemów wspierających pracę laboratorium:

  • zbieranie wyników pomiarów,
  • prowadzenie dokumentacji,
  • zarządzie próbkami,
  • zarządzanie magazynem,
  • zarządzanie zgłoszeniami o problemach z jakością,
  • analizy danych dotyczących jakości,
  • zarządzanie sprzętem laboratoryjnym,
  • pomoc przy audytach i certyfikacji,
  • raportowanie.

CMMS - ułatwia czynności konserwacyjne i naprawami maszyn

   Systemy CMMS ułatwiają prowadzenie codziennych czynności związanych z konserwacją i naprawą maszyn oraz pozwalają zbierać szczegółowe dane dotyczące pracy działu utrzymania ruchu, co pozwala przewidywać możliwe awarie i ich przyczyny. Możliwe jest budowanie wiedzy o serwisowanej instalacji na potrzeby szkolenia operatorów czy też w celu planowania modernizacji i rozbudowy parku maszynowego. CMMS mogą być zintegrowane z systemami SCADA (operatorzy mogą na bieżąco zgłaszać uwagi i awarie) i połączone z systemami MES (zbieranie danych o przestojach).


MES - zarządzanie produkcją

   Systemy Realizacji Produkcji (MES) stanowią grupę oprogramowania przemysłowego odpowiedzialną za zarządzanie produkcją. Zgodnie z przyjęta klasyfikacja systemy MES stanowią łącznik pomiędzy warstwą programowania biznesowego (ERP) i oprogramowania produkcyjnego (SCADA). System MES wspiera produkcję ułatwiając wprowadzanie nowych produktów, operowanie na mniejszych i różnorodnych partiach produkcyjnych i pozwala zmniejszyć czas produkcji. Spełnia on również wymagania odnośnie elektronicznego przechowywania informacji w celu śledzenia procesu produkcyjnego oraz pochodzenia produktu.

Hierarchiczna struktura współczesnych systemów przemysłowch

  • poziom I - sterowanie produkcją w czasie rzeczywistym,
  • poziom II - wizualizacja, gromadzenie danych z procesów produkcyjnych,
  • poziom III - zarządzanie wykonywaniem MES (ang. Manufakturing Resources Planning) - jest odpowiedzialny za wymiane danych pomiedzy systemami poziomów I i II a systemami klasy ERP (ang. Enterprice Resorce Planing),
  • poziom IV - zarządzanie zasobami produkcyjnymi MRP (zarzadzanie zasobami przedsiębiorstwa, zamówienia, zakupy, funanse, ksiegowość, kosztorysy, prognozowanie i planowanie działalności przedsiebiorstwa),


Systemy SCADA, HMI i OMI - sterowanie i wizualizacja

   Systemy sterowania nadrzędnego SCADA, interfejsy człowiek - maszyna HMI, oraz nowa grupa oprogramowania tzw. interfejsy zarządzania operatywnego OMI często taktowane są jako jedna grupa oprogramowania. Często rozróżnianie odbywa się na poziomie sprzętu i wykorzystanej technologii, a nie funkcjonalności. Zgodnie z takim podziałem systemy HMI są to zazwyczaj panele operatorskie, SCADA działa na komputerach klienckich, a OMI najlepiej jeżeli działało bo przez przeglądarkę, albo na smartphonie menadżera. Okazuje się, że o ile te grupy mocno się przenikają i istnieje oprogramowanie należące do wszystkich grup jednocześnie, to można wyraźnie nakreślić granicę pomiędzy realizowanymi funkcjami.

HMI

   HMI to interfejsy człowiek-maszyna. Pozwalają na wymianę informacji pomiędzy operatorem, a urządzeniem. Skrót HMI stosowany jest najczęściej do oprogramowania wizualizującego przebieg proces a produkcyjnego.

OMI

   OMI to interfejsy zarządzania operatywnego (ang. Operations Management Interface). Co do zasady jest to oprogramowanie wizualizacje stanowiące interfejs pomiędzy człowiekiem, a systemem realizującym/wspierającym sterowanie operatywne (np. systemami realizacji produkcji MES).

SCADA

   Systemy sterowania nadrzędnego i akwizycji danych SCADA (ang. Supervisory Control and Data Aqusition) stanowią systemy nadzoru pobiega procesu produkcyjnego.

Do góry


 

Środowisko sieciowe

   

   Rynek związany z przemysłowymi sieciami komunikacyjnymi przeżywa rozkwit. Jego źródłem jest postępująca cyfryzacja przemysłu oraz popularyzacja koncepcji Industry 4.0, które implikują potrzeby związane z pozyskiwaniem i transmisją coraz większych ilości danych. Wzrosty są szczególnie widoczne w przypadku sieci bazujących na Ethernecie przemysłowym, w przypadku których liczba nowoinstalowanych węzłów sieciowych prawdopodobnie przekroczyła liczbę tradycyjnych rozwiązań fieldbus. Przedstawiamy nowy raport rynkowy związany z tematyką nowoczesnej komunikacji przemysłowej.
Systemy komunikacyjne stanowią kręgosłup nowoczesnych przedsiębiorstw i instalacji produkcyjnych. Umożliwiają one kontrolę pracy maszyn, zapewniają możliwość przesyłania danych (których jest coraz więcej) oraz integrację systemów produkcyjnych z IT.

   Występują w dużej różnorodności, jeżeli chodzi o standardy, przy czym mamy tu do czynienia z dwiema dużymi grupami rozwiązań - sieciami polowymi (fieldbus) oraz ethernetowymi. Oprócz przemysłu, rozwiązania komunikacyjne wykorzystywane są m.in. w transporcie, energetyce, zastosowania budynkowych czy infrastrukturalnych. A do tego dołączają kolejne obszary.
   Przemysł 4.0, Internet Rzeczy, cyfryzacja produkcji, nowe inwestycje infrastrukturalne czy rosnące wymogi odbiorców maszyn w zakresie zdalnego dostępu i możliwości pozyskiwania danych - wszystko to od lat sprzyja rozwojowi branży przemysłowych urządzeń sieciowych. Przekłada się to również na sytuację na rynku, którą rodzimi dostawcy w większości określili jako dobrą lub bardzo dobrą.
   W przypadku przemysłu i pokrewnych branż najczęstszymi odbiorcami komponentów sieciowych są integratorzy systemów, a więc firmy tworzące i instalujące m.in. linie technologiczne, infrastrukturę sieciową w obiektach przemysłowych, uruchamiające maszyny, itd. Drugą główną grupą odbiorców są producenci maszyn, podobnie duży odsetek odpowiedzi dotyczył klientów końcowych z przemysłu, czyli zakładów produkcyjnych.

Urządzenia sieciowe

  • Urządzenia pomiarowe
  • Urządzenia wykonawcze
  • Urządzenia sterujące
  • Urządzenia interfejsu użytkownika
  • Bazy danych
  • Serwery obliczeniowe
  • Systemy SCADA

Do góry


 

Światłowody jako nośniki informacji

   

   Światłowód - przezroczysta zamknięta struktura z włókna szklanego wykorzystywana do propagacji światła jako nośnika informacji. Światłowód to bardzo elastyczne, chociaż niezwykle cienkie włókno czystego szkła, niewiele grubszego niż ludzki włos. Bity kodowane są na światłowodzie jako strumienie świetlne, które generowane są przez lasery lub diody elektroluminescencyjne (LED). Elektroniczne urządzenia półprzewodnikowe, zwane fotodiodami, wykrywają impulsy świetlne i przetwarzają je na napięcie elektryczne. Światło lasera przesyłane światłowodem może uszkodzić ludzkie oko. Do propagacji fal świetlnych wykorzystywane jest zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Włókno światłowodowe składa się z dwóch rodzajów szkła: rdzeń (ang. core), który przenosi rzeczywisty sygnał świetlny oraz warstwa ochronna (ang. cladding) - warstwa szkła, która otacza rdzeń. Warstwa ochronna ma niższy współczynnik załamania światła, co umożliwia powstanie zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia w rdzeniu.

   Dzięki sporej wytrzymałości na działanie czynników obniżających jakość przesyłu danych, takich jak temperatura, wilgotność oraz odporność na zaburzenia elektromagnetyczne - światłowody stają się coraz popularniejsze w komunikacji przemysłowej.
   W światłowodach informacja przesyłana jest w postaci impulsów świetlnych rozchodzących się wzdłuż rdzenia pokrytego płaszczem. Promienie przemieszczają się, ponieważ ulegają kolejnym tzw. całkowitym odbiciom.

   Światłowody dzieli się na szklane, wykonywane przeważnie z charakteryzującego się dużą przezroczystością szkła kwarcowego oraz plastikowe. Produkuje się też kable, w których rdzeń jest wykonany ze szkła, a płaszcz z tworzywa sztucznego.
   Ze względu na sposób propagacji promieni świetlnych w rdzeniu w grupie światłowodów szklanych wyróżnia się włókna jednomodowe oraz wielomodowe.

Światłowód jednomodowy zbudowany jest z szerszego rdzenia, zwykle w standardzie 50/125 (??2) lub 62,5/125. Moduły obsługują transmisję danych z szybkością do 10 Gbps na falach o długości 850 nm lub 1320 nm. Źródłem światła jest dioda LED. Wadą jest odległość transmisji, która wynosi 550 m (przy prędkości transmisji 1G).

Światłowód jednomodowy - składa się z bardzo małego rdzenia, zwykle w standardzie 9/125. Źródłem światła jest laser. Popularne w aplikacjach wymagających dalekiego zasięgu transmisji - do 120 km.

   W jednomodowych fala świetlna rozchodzi się jako pojedynczy mod wzdłuż osi światłowodu. W tych drugich, wielomodowych występuje wiele modów światła, które docierają do odbiornika różnymi drogami. Aby w światłowodzie możliwa była propagacja jednomodowa, średnica rdzenia musi mieć rozmiar zbliżony do długości fali świetnej.
Rdzeń światłowodów wielomodowych jest znacznie grubszy niż jednomodowych.

   Kable światłowodowe mają budowę warstwową. Rdzeń i płaszcz otaczane są powłokami ochronnymi, których liczba i rodzaj zależą od przeznaczenia okablowania (do wykorzystania wewnątrz budynku, na zewnątrz lub w nietypowych warunkach) oraz sposobu jego prowadzenia (pod ziemią, w kanale, jako kable samonośne lub podwieszane).
Oprócz okablowania niezbędnymi komponentami sieci światłowodowych są nadajniki oraz odbiorniki impulsów świetlnych, a także wzmacniacze (repeatery) sygnału oraz konwertery sygnału elektrycznego na optyczny (i odwrotnie).
   Nadajnik składa się z modulatora, który koduje przesyłaną informację oraz źródła światła: diody laserowej (w przypadku światłowodów jednomodowych) lub diody LED (w wielomodowych). Częścią odbiornika jest z kolei demodulator, który dekoduje informację przetworzoną z sygnału optycznego na elektryczny w detektorze.
Jako detektor używane są głównie fotodiody PIN lub lawinowe.

   Obecnie, w większości środowisk przemysłowych światłowód jest przede wszystkim wykorzystywany jako okablowanie szkieletowe do połączeń ze sobą różnych punktów dystrybucji o wysokim natężeniu ruchu sieciowego. Biorąc pod uwagę, że włókna stosowane w mediach światłowodowych nie są przewodnikami elektrycznymi, nośniki te są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne i nie przewodzą niepożądanych prądów elektrycznych. Dodatkowo, włókna optyczne są cienkie, mają stosunkowo niską utratę sygnału i mogą pracować przy znacznie większych długościach niż media miedziane.
   Podczas budowania sieci można spotkać się ze sprzętem różnych producentów. Tutaj pojawia się kwestia kompatybilności sprzętu w kontekście komunikacji z wykorzystaniem światłowodów i jego prawidłowego działania.
Konieczna jest weryfikacja poniższych parametrów technicznych:

  • długość fali świetlnej (nm),
  • szybkość transmisji (zgodnie ze standardem 802.3 Ethernet),
  • typ kabla światłowodowego (jednomodowy, wielomodowy),
  • odpowiednia średnica rdzenia w kablu (np. OM1, OM2).

   Kabel światłowodowy (ang. Optical fiber cable) - kabel zawierający jedno lub więcej włókien szklanych prowadzących fale świetlne. W telekomunikacji wykorzystuje się zwykle światło podczerwone. Kable utworzone z włókien szklanych są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne i mają dużą przepustowość. Przy ich użyciu można osiągać szybkości przesyłania do 100 Gb/s (ok. 12,5 GB/s); najszybsze systemy światłowodowe mogą prowadzić sygnał rzędu kilku Tb/s. Podczas eksploatacji promień zgięcia światłowodu nie może być za mały i musi wynosić co najmniej 10 centymetrów, aby było możliwe zapewnienie całkowitego wewnętrznego odbicia fali świetlnej w światłowodzie.

Ćwiczenia laboratoryjne ze światłowodami.

  • Badanie efektywności komunikacji światłowodowej między komputerami.
  • Pomiar bitowej stopy błędów.
  • Łączenie światłowodów oraz badanie ich tłumienności.
  • Charakterystyka modowa światłowodów.

Do góry


   

 

 (C) 2020 Wydział Nauk Medycznych i Technicznych KPSW. All Rights Reserved