PLC'ens rolle inden for industriel kontrol, test og måling

Programmerbare logiske controllere (PLC'er) er industrielle computere, der:

• Overvåger og styre industrielle automatiseringsapplikationer
• Udfører opgaver relateret til test- og måleoperationer
• Udfører typer af funktioner (inklusive dem, der er relateret til HVAC-systemer) der er uden for denne artikels anvendelsesområde.

PLC'er modtager data fra sensorer og inputenheder, behandler dataene for at træffe logisk baserede beslutninger og laver output-kontrolinstruktioner til mekaniske eller elektriske systemer. De er en type indlejret system, der kombinerer computerprocessor og hukommelse med input-output (IO)-enheder - ligesom den hard-wired relæbaserede logik såvel som PC-baseret logik, som de konkurrerer med.

Med hensyn til fysisk form kan PLC'er i dag være alt fra en meget simpel computer med en integreret chip (IC) morfologi til en stor rack-monteret samling af controller-underkomponenter, der er anbragt i flere chassis. Enklere mikrokontroller-baserede PLC'er eller dem, der tager form af SoC (System on Chip)-PLC'er, kan være ekstremt pålidelige og fungere med en meget beskeden strømindgang. I modsætning hertil udvisker de mest komplekse PLC'er grænserne mellem hvad der udgør en PLC og almindelige computere til realtids industriel kontrol, selvom pålidelighed og realtidsydelse stadig fremhæves for førstnævnte.

Oprindeligt var PLC'er beregnet til direkte at erstatte hard-wired kontrollogik baseret på relæer og banale sekvenser. Disse tidlige PLC'er skulle kun udføre grundlæggende operationer ved at omdanne input til output. Enhver maskineopgaver, der kræver proportional-integreret-derivat (PID) kontrol, blev outsourcet til tilsluttet analog elektronik. Nu er PID-kontroller og endnu mere sofistikerede operationer en standard del af PLC-instruktionssæt.

Faktisk er de forventede funktioner til PLC'er spredt over tid - så mange PLC'er er i dag ret sofistikerede og i stand til at udføre komplicerede og adaptive rutiner. Den stadigt stigende styrke og krympende størrelse af halvlederchips (takket være Moores lov) har muliggjort hidtil uset intelligens fra mindre controllere. Denne tendens fortsætter med integreret understøttelse af bevægelseskontrol, vision-systemer og kommunikationsprotokoller. I den anden ende af PLC-størrelsesspektret integrerer nogle programmerbare automatiseringscontrollere (PAC'er) en PLC med en PC til erstatning af PLC'er og proprietære kontrolsystemer (køre fra proprietære programmeringssprog) til bestemte applikationer. Flere PLC'er i dag integreres også i grænseflader mellem mennesker og mennesker (HMI'er).

Det industrielle digitale miljø, hvor PLC'er fungerer

Industriel automatisering er i dag afhængig af maskinfeedback og driftsdata sammen med komplekse sammenkoblinger mellem digitale enheder til:

• At styre digitale enheder.
• At køre avancerede funktioner - f.eks. Dem, der er relateret til IIoT-forbindelse og maskinkonfiguration, f.eks.
• At aktivere menneskelig beslutningstagning om forskellige maskin- og driftsforhold.
• At forbedre den samlede produktivitet og kvalitet.

Sådanne automatiserede installationer inkluderer forskellige informationssystemer til at gemme, behandle og betjene data.

Materialekrav planlægning eller fremstilling ressourceplanlægning (MRP) systemer giver produktionsplanlægning, planlægning, finansiering og lagerstyring. I modsætning hertil gemmer historiksystemer tidsseriedata fra sensorer og instrumenter til grafisk plotning for at hjælpe operatører og ledelsessystemer med at forstå og behandle automatiseringstendenser. Statistisk proceskontrol (SPC) er en historik-applikation.

Menneskelige maskingrænseflader (HMI'er) er maskinkontrolpaneler (eller moduler, der trådløst opretter forbindelse til mobile enheder), der lader menneskelige operatører se data og udstede kommandoer. Tæt knyttet til HMI-funktioner er tilsynskontrol og dataindsamling (SCADA) systemer, der muliggør realtidskontrol og overvågning af interaktioner mellem automatiserede maskiner med deres HMI'er og historik. Ved hjælp af SCADA kan en HMI styre flere maskiner og vise data relateret til flere enheder.

System til produktionsudførelse (MES'er) inkluderer funktioner såsom driftsplanlægning og dataindsamling. På nogle måder kan det ses som at komme mellem og overlapper med MRP og SCADA.

ERP (Enterprise Resource Planning) systemer integrerer produktionsrelateret MRP, MES, PLM (Product Lifecycle Management) og CRM-informationssystemer. ERP-systemer kan være monolitiske softwarepakker, der håndterer alle disse funktioner eller et kerne-ERP-system, der har grænseflader med specialapplikationer fra flere leverandører. Typisk er det kun topledelsen, der interagerer med ERP - og de fleste medarbejdere i en given organisation interagerer med et af komponentsystemerne, der leverer det.

PLC'er fungerer typisk på et niveau under disse informationssystemer. De sender og modtager information til og fra maskiner, motorer og sensorer. De kan også interagere med informationsniveauet ovenfor, sende data til historik eller SCADA eller modtage kontrolindgange fra SCADA eller HMI. Mere sofistikerede PLC'er kan også udføre SCADA- og historikfunktioner, og endda HMI-funktioner i et stigende antal tilfælde.

Figur 1: PLC'er fungerer typisk på et niveau under informationssystemerne til automatisering. (Billedkilde:Jody Muelaner)

Bemærk, at PLC'er ikke kun er involveret i automatisering: De benyttes også til at kontrollere testbench (produktudvikling) og laboratorie-måleopgaver.

• Som beskrevet ovenfor lægger automatisering generelt vægt på diagnostik og kræver deterministisk realtidsdrift fra en PLC, for reel effektivitet.
• I modsætning hertil lægger PLC'er, der anvendes i måleopgaver, mere vægt på hurtig og præcis udførelse af måleindsamling og andre former for dataindsamling.

Til maskinautomatiserings opgaver, er PLC'er afhængige af realtidsbehandling, hvor forsinkelsen mellem en input og responsoutputtet måles i millisekunder. Et realtidsoperativsystem (RTOS) er påkrævet til alle PLC-funktioner, bortset fra de mest enkle. Mens mange PLC'er stadig bruger proprietære operativsystemer, er der stigende interesse for åbne standardoperativsystemer. Eksempel: VxWorks er et proprietært RTOS, der er bredt licenseret til brug i industriel kontrol. Det bruges af flere førende robotproducenter inklusive Kuka og ABB. Eller som en open source-variation distribueres FreeRTOS frit under en MIT open source-licens. FreeRTOS inkluderer forskellige Internet of Things (IoT) biblioteker til en bred vifte af automatiserede applikationer. Læs mere om denne mulighed i DigiKey-artiklen Forbind design hurtigt og sikkert til cloud'en ved hjælp af Amazon FreeRTOS.

Til test og måling opgaver, er PLC'er afhængige af realtidsbehandling, hvor forsinkelsen mellem måling af feltenheder og dennes dataopsamling måles i millisekunder. Borte er de dage, hvor ingeniører ikke havde andet valg end at anvende interfacekonvertere og systemer til overføringskanaler. Nu har smarte perifere enheder og I/O-enheder avanceret og forenklet signalopsamling via digitale og analoge indgange.

Dagens ingeniører har også flere muligheder baseret på standardiserede grænseflader og kompatibilitet på tværs af producenter af komponenter, der kan fungere som interoperable komponenter.

Overvej bare I/O-komponenter med integreret PLC-funktionalitet. Disse er kompatible med konfigurerbare HMI'er, der kører Windows- eller Linux-operativsystemer og har Ethernet-forbindelse - men mangler nemme instillinger til genkalibrering eller analog I/O til feltenheder, der genererer analoge signaler med lav spænding. Sådanne I/O-komponenter fungerer også med PLC'er, der er indstillet til at indsamle data fra eksterne I/O-enheder, og direkte fra sensorer via deres egen indbyggede I/O.

Figur 2: T7-multifunktion enheder til dataindsamling (DAQ'er) omfatter Ethernet-, USB-, wifi- og Modbus-forbindelse til at arbejde med en lang række feltenheder samt industrielle HMI'er og PLC'er. Især Modbus/TCP-forbindelse giver kontrollerbarhed via forskellige tredjepartssoftware- og hardwaremuligheder for åbenhed og fleksibilitet - hvilket igen giver industrielle systemarkitekter såvel som forsknings- og udviklingsingeniører (R&D) leverandørneutrale valg til deres dataindsamling og automatiseringsapplikationer. (Billedkilde: LabJack)

Selvfølgelig er PLC'er ikke den eneste mulighed for maskinautomatisering eller test og måling. Da alle industrielle kontroller er blevet mere komplekse, er nogle leverandører kommet til at differentiere bestemt hardware som programmerbare automatiseringscontrollere (PAC'er) for at betegne forbedrede muligheder, og i mange tilfælde flere processorer på et enkelt hardware. I virkeligheden har PLC'er også set stigende sofistikering - så der er ingen hård og hurtig regel om, hvornår noget hardware, der udfører PLC-funktioner, udgør en PAC. De fleste PAC'er integrerer PLC- og PC-aspekter for at fungere som komplekse automatiseringssystemer med flere PC-baserede applikationer samt en HMI og historik. En klar differentiering er, at PAC'er er lettere for udviklere at anvende, da PAC'er har en mere åben arkitektur end traditionelle kontroller.

Endnu en anden mulighed i dag er modulære PLC'er. Disse består af moduler, der udfører forskellige funktioner. Alle PLC'er skal indeholde et CPU-modul, der inkluderer processoren og hukommelsen til operativsystemet, samt programmet. Der kan være et separat strømforsyningsmodul og yderligere input/output (I/O) moduler. En PLC kan omfatte både digitale og analoge I/O-moduler. Et andet modul kan være nødvendigt til netværkskommunikation.

PLC'en kan enten være integreret - med alle moduler i en enkelt kabinet - eller modulær. Integrerede PLC'er er mere kompakte, men modulære PLC'er er mere alsidige, hvilket typisk tillader, at flere moduler let kan forbindes sammen enten ved at sætte dem direkte i hinanden eller ved at bruge et fælles rack som en bus. Moduler adresseres i henhold til deres position på bussen. Selvom rackets fysiske supportaspekt kan være i overensstemmelse med en standard som DIN, er databussen typisk proprietær for PLC-producenten.

PLC'ens rolle i IoT

Da interessen for Industry 4.0 (også kaldet IIoT) vokser, forventer industrielle brugere i stigende grad at have mulighed for at forbinde deres industrielle controllere til virksomhedsnetværk ved hjælp af internetprotokoller. Dette betyder kommunikation ved hjælp af Transmission Control Protocol (TCP) og Internet Protocol (IP), kaldet TCP/IP. Imidlertid handler IIoT-tendensen ikke kun om at bruge internetprotokoller, men handler også om maskinindlæring og big data. Efterhånden som PLC'er bliver mere kraftfulde (og mere avancerede kontroller har PLC-funktioner), er der flere hostfunktioner, såsom vision-systemer. Internetforbindelse giver også ingeniører (via system-PLC'er) mulighed for at udnytte cloud-baserede algoritmer til behandling af ekstremt store datasæt (også kaldet big data) til maskinindlæring.

I praktiske anvendelser udmærker Ethernet til Control Automation Technology (EtherCAT) sig for sådan IIoT PLC-funktionalitet. Dette er en kommunikationsprotokol baseret på Ethernet, der er egnet til realtidsstyringsapplikationer med cyklustider på mindre end 0,1 msek - den hurtigste industrielle Ethernet-teknologi med evnen til at synkronisere med nanosekundens nøjagtighed. En anden vigtig fordel er fleksibiliteten i EtherCAT-netværkstopologien, der fungerer uden netværkhubs og -afbrydere. Enheder kan simpelthen kæde sammen i en ring-, linje-, stjerne- eller trækonfiguration. PROFINET er en konkurrerende standard, der tilbyder lignende muligheder.

Konklusion

Den nuværende tendens mod stadig mere sofistikeret dataindsamling og industriel kontrol vil fortsætte. Det betyder, at PLC'er til industriel automatisering og test og måling i stigende grad vil ligne PAC'er og integreres med SCADA og historik. Internetprotokoller og åbne standarder som EtherCAT ser også en konstant vedtagelse af PLC-kommunikation. En sådan forbindelse vil til gengæld anspore til større brug af Industry 4.0-teknologier såsom big data-analyse og maskinindlæring, hvilket delvist lettes af evnen til at distribuere den krævede processorkraft og hukommelse til:

• Cloud-baseret computing
• Edge-enheder, der er i stand til databehandling

Ud over disse tendenser vil der fortsat være behov for mere traditionelle PLC'er til at udføre relativt enkle test og målinger samt kontrolfunktioner med maksimal pålidelighed og energieffektivitet.