Løs industrielle automatiseringsudfordringer med en ny generation af PLC-hardware

Automatisering baseret på Industrial Internet of Things (IIoT) lover hurtigere time-to-market, forbedret produktivitet, større sikkerhed, lavere omkostninger og højere kvalitet. Når det er sagt, er der stadig forhindringer. Ældre systemer, der er svære at opgradere, alt for konservative tekniske afdelinger, lukkede systemer og mangel på specialviden er nogle af de problemer, der bremser Industri 4.0-revolutionen.

Mens egnede standardbaserede teknologier udgør rygraden i den forbundne fabrik, har mange ældre, eller "arbejdsheste", PLC-hardware og -software begrænsede muligheder. Det gør det udfordrende for ingeniører hurtigt at implementere de opgraderinger på hele fabrikken, der er nødvendige for at få fuldt udbytte af IIoT. For at komplicere tingene yderligere risikerer ingeniører at basere dyre fabriksopgraderinger på teknologi, der kan blive forældet eller ikke understøttes, når nye teknologier introduceres.

Man kan lære af andre dele af IoT, f.eks. det intelligente hjem, hvor åbne systemer, samarbejdsplatforme og tilgængelig software gør det lettere at implementere fremtidssikrede intelligente løsninger. Producenter af industriel automatisering omfavner denne erfaring og viden.

Denne artikel diskuterer kort udfordringen ved at implementere IIoT-teknologi og forklarer, hvordan fremskridt inden for åbne systemer og fabriksautomatiseringshardware tilbyder løsninger. Artiklen introducerer et eksempel på implementering af næste generations PLC-hardware og -software fra Phoenix Contact og viser, hvordan det gør det lettere at indsamle data og sende dem til skyen til analyse og automatiseret beslutningstagning.

Betydningen af PLC'en

Grundpillen i fabrikken er PLC'en, en digital enhed, der blev opfundet i slutningen af 1960'erne for at erstatte tidligere relælogiksystemer. PLC'er er designet til at fungere i vanskelige miljøer uden fejl i mange år. Nøglen til denne pålidelighed er et fokus på enkelhed. I det sjældne tilfælde, at noget fejler, er PLC'er designet til at fejlfinde og løse problemer, så volumenproduktionen hurtigt kan genoptages.

Enhederne består af et inputmodul (der modtager data fra digitale og analoge inputenheder som tastaturer, kontakter, relæer og sensorer), en strømforsyning, en programmerbar CPU med tilhørende hukommelse og et outputmodul til at sende information til tilsluttede enheder (figur 1).

Figur 1: Robuste og pålidelige PLC'er er rygraden i fabriksautomatisering. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Konventionelle PLC'er programmeres ved hjælp af et af de fem sprog, der er defineret i IEC 61131-3. Disse omfatter instruktionsliste (IL), symbolsk flowdiagram (SFC), ladderdiagram (LD), funktionsblokdiagram (FBD) og struktureret tekst (ST). Den mest populære er LD, eller ladder-logik, som bruger symboler til at repræsentere funktioner som relæer, skifteregistre, tællere, timere og matematiske operationer. Symbolerne er arrangeret i henhold til den ønskede rækkefølge af begivenheder.

PLC-producenterne er i fuld gang med at tilpasse sig de fremskridt inden for fabriksautomatisering, der er sket med implementeringen af Industrial Ethernet. Industrielt Ethernet er IP-kompatibelt, er den mest udbredte kablet netværksmulighed og har omfattende leverandørsupport. Industrielt Ethernet er kendetegnet ved robust hardware og industriel standardsoftware, og det er en gennemprøvet og moden teknologi til fabriksautomatisering (figur 2). Hardwaren suppleres af industrielle Ethernet-protokoller, herunder Ethernet/IP, Modbus TCP og PROFINET. De er alle designet til at sikre et højt niveau af determinisme til industrielle automatiseringsapplikationer. (Se "Design til robuste IoT-applikationer ved hjælp af industrielle Ethernet-baserede strøm- og datanetværk").

Figur 2: Industrielt Ethernet udgør kommunikationsrygraden i den moderne fabrik. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Mange af nutidens PLC'er har indbygget Ethernet-forbindelse. For ældre enheder med ikke-Ethernet-interface bygges der bro mellem Ethernet-infrastrukturen og PLC'en ved hjælp af gateways. (Se "Sådan forbindes ældre fabriksautomatiseringssystemer til Industri 4.0 uden afbrydelser").

Den næste generation af PLC'er

En fabrik, der bruger en blanding af moderne og ældre systemer, kan gøre det svært for ingeniørerne at udnytte alle de fordele, som Industri 4.0 lover. Erfaringer fra andre dele af IoT, såsom smart home- og logistiksektoren, afslører dog, at åbne systemer, samarbejdsplatforme og tilgængelig standardbaseret software gør det lettere at implementere fremtidssikrede intelligente løsninger.

Viden fra disse andre sektorer opmuntrer producenter af PLC'er og tilknyttede systemer til at introducere en ny generation af produkter, der fungerer som traditionelle PLC'er uden at være begrænset af ældre hardware og software. Et eksempel på denne nye generation er Phoenix Contacts PLCnext Control-teknologi.

Fra et softwareperspektiv repræsenterer et produkt som Phoenix Contact 1069208 PLCnext-controlleren et betydeligt skridt i retning af de åbne løsninger, der begynder at dominere andre områder af IoT. For eksempel er PLCnext kompatibel med en bred vifte af software, så innovative apps til fabriksautomatisering nemt kan downloades fra internettet og installeres på PLC'en, ligesom apps på en smartphone.

PLCnext bruger Linux-operativsystemet (OS). Den kan stadig programmeres ved hjælp af de sprog, der er defineret i IEC 61131-3, men Linux gør det nemt for ingeniører at programmere PLC'en ved hjælp af højniveausprogene C++, C#, Java, Python og Simulink. Disse brugervenlige sprog gør moderne fabriksautomatisering tilgængelig for en meget bredere gruppe af ingeniører. Derudover har PLCnext en opgavehåndtering, der gør det muligt at køre programrutiner fra forskellige kilder som ældre PLC-kode, hvor programmer i højniveausprog automatisk bliver deterministiske (figur 3).

Figur 3: PLCnext har opgavehåndtering, der gør det muligt at køre programrutiner fra forskellige kilder som ældre PLC-kode. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Tilslutningen sker via Industrial Ethernet-hardware; styresystemet kører under den IP-interoperable PROFINET-protokol og bruger PROFICLOUD IoT-platformen til cloud computing-support. PLC'en understøtter også andre åbne standardprotokoller som http, https, FTP, SNTP, SNMP, SMTP, SQL, MySQL og DCP.

Hardwaren er baseret på en Intel Atom-mikroprocessor, der kører på 1,3 gigahertz (GHz). PLC'en har 1 gigabyte (Gbyte) flashhukommelse og 2048 megabyte (Mbytes) RAM. IEC 61131 runtime-systemet har 12 Mbyte programhukommelse og 32 Mbyte programdatalager. Enheden kan understøtte op til 63 lokale bussenheder og kræver en 24 volt-forsyning med et maksimalt strømtræk på 504 milliampere (mA) (figur 4).

Figur 4: PLCnext PLC'er bruger Linux-operativsystemet og understøtter ældre sprog, der er defineret i IEC 61131-3, plus sprog på højere niveau. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Phoenix Contacts PLCnext-serie omfatter PLC'er og andre kritiske elementer i et industrielt automatiseringssystem, såsom kommunikationsmoduler og styrede kontakter. Specifikke eksempler er kommunikationsmodulet 2403115 og den administrerede NAT-kontakt (Network Address Translation) 2702981. Kommunikationsmodulet tilføjer et ekstra gigabit-kompatibelt Industrial Ethernet-interface til PLC'en. Modulet har en uafhængig MAC-adresse, understøtter PROFINET og har elektrisk isolation mellem Ethernet-grænsefladen og logikken.

Den administrerede kontakt bruges til at lagre og videresende Ethernet-transporteret information og har fire Ethernet RJ45-porte, to SFP-porte (lille formfaktor tilslutningsbare) og to kombinationsporte (RJ45/SFP). Kontakten er et PROFINET Conformance klasse-B produkt.

Forbedring af beslutningstagningen på fabrikken

Optimering af fabrikkens produktion er afgørende, fordi produktionen kræver præcision og gentagelsesnøjagtighed. Nøglen til at sikre et højt niveau af præcision og repeterbarhed er proceskontrol. I den moderne fabrik kan IIoT-sensorer og kameraer overvåge maskiner og måle færdige komponenter for at opfange eventuelle mindre afvigelser i produktet og korrigere processen i overensstemmelse hermed. Andre sensorer holder styr på maskinernes tilstand for at forudsige vedligeholdelsesbehovet, før en slidt maskine begynder at svigte. Endnu flere sensorer holder styr på fabrikkens temperatur, luftfugtighed og luftkvalitet.

En vigtig egenskab ved PLCnext Control er, at den i modsætning til traditionelle PLC'er kan udnytte disse fabriksdata. Ifølge Phoenix Contact er det tilstrækkeligt at forbinde PLC'en til blot 3-5 % af systemets analoge og digitale indgange og udgange (I/O'er), for at den kan kortlægge fremstillingsprocesserne helt og uden væsentlig indgriben.

PLCnext Control kan derefter oprette forbindelse til enhver cloud-tjeneste, herunder Phoenix Contacts Proficloud.io, Amazons AWS eller Microsofts Azure. Som et resultat får fabrikssystemet adgang til kraftfulde computerressourcer for at sikre, at drifts- og vedligeholdelsesprocesserne kører så effektivt som muligt. Resultatet er højere produktivitet, bedre produktkvalitet og lavere omkostninger.

Kom godt i gang med PLCnext

Det er relativt ligetil at arbejde med PLCnext-controllere og relaterede enheder. For at hjælpe med at starte et PLC-programmeringsprojekt har Phoenix Contact introduceret 1188165 PLCnext Technology starterkit. Sættet består af et 2404267 PLCnext-styringsmodul (PLC), en modulholder og et valg af analoge eller digitale moduler.

For at bruge startkittet skal PLC'en og de analoge/digitale modulenheder først tilsluttes 24 volt DC (VDC)-forsyningen. Derefter tilsluttes et Ethernet-kabel mellem PLC'en og pc'en, og pc'ens IP-adresse indstilles. Derefter indtastes PLC'ens IP-adresse i et browservindue på pc'en. PLC'en bliver operationel, når brugerne logger ind med deres brugernavn og adgangskode. Yderligere instruktioner leveres fra det webbaserede administrationssystem. Programmering af PLC'en sker ved hjælp af PLCnext Engineer-softwaren. Softwaren gør det muligt for en ingeniør at konfigurere, diagnosticere og visualisere en hel automatiseringsløsning.

PLCnext Engineer gør det muligt at programmere og konfigurere ved hjælp af de ældre sprog, der er defineret i IEC 61131-3. Det er også nemt at programmere i højniveausprog som C++ og C#. Ud over PLCnext Engineer kan koden bygges i andre populære IDE'er (Integrated Development Environments) som Eclipse eller Microsoft Visual Studio. Softwaren kan derefter importeres til PLCnext Engineer som et bibliotek til brug med enhver kompatibel PLC (figur 5).

Figur 5: PLCnext PLC'er kan programmeres ved hjælp af ældre sprog fra PLCnext Engineer, højere niveau sprog fra IDE'er eller fra modelbaserede designsystemer. (Billedkilde: Phoenix Contact)

En vigtig fordel ved PLCnext-teknologien er, at den gør det muligt for flere udviklere at arbejde uafhængigt og parallelt på et enkelt PLC-program, selv om de bruger forskellige programmeringssprog. Det muliggør hurtig udvikling af komplekse applikationer og giver udviklere med færdigheder i ældre sprog og dem med færdigheder i sprog på højere niveauer mulighed for at kombinere deres talenter.

Konklusion

IIoT har mulighed for at forandre fabrikken. Men mens ingeniører installerer Industrial Ethernet, bliver det fulde potentiale i fabriksautomatisering holdt tilbage af traditionelle PLC'er, der tilbyder begrænsede tilslutningsmuligheder og forældet software. PLCnext-teknologien fra Phoenix Contact er baseret på åbne systemer, samarbejdsplatforme og tilgængelig software. Det kan kombinere rutiner kodet i ældre sprog med dem, der er skrevet i højniveausprog, for at åbne industriel automatisering til fremtidssikrede løsninger med øget produktivitet, højere udbytte, bedre produktkvalitet og lavere omkostninger.