Pokonywanie wyzwań automatyki przemysłowej dzięki nowej generacji sprzętowej programowalnych sterowników logicznych (PLC)

Automatyka oparta na Przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT) obiecuje szybszy czas wprowadzenia produktów na rynek, lepszą produktywność, większe bezpieczeństwo, niższe koszty i wyższą jakość. Mimo to nadal istnieją przeszkody. Starsze systemy, które trudno zmodernizować, zbyt konserwatywne działy inżynieryjne, zamknięte systemy i brak specjalistycznej wiedzy to tylko niektóre z problemów, które powstrzymują rewolucję Przemysłu 4.0.

Odpowiednie technologie oparte na standardach stanowią szkielet fabryk połączonych, jednak sprzętu i oprogramowania programowalnych sterowników logicznych (PLC) starszego typu, często nazywanych „końmi pociągowymi”, ma ograniczone funkcje. Sprawia to, że inżynierom trudno jest szybko wdrożyć aktualizacje niezbędne do pełnego wykorzystania przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) w całej fabryce. Co jeszcze bardziej komplikuje sprawę, inżynierowie ryzykują oparcie kosztownych modernizacji zakładów na technologii, która może stać się przestarzała lub przestanie być obsługiwana w miarę wprowadzania nowych rozwiązań.

Można wyciągać wnioski z innych obszarów Internetu rzeczy (IoT), takich jak domy inteligentne, gdzie otwarte systemy, platformy współpracy i dostępne oprogramowanie ułatwiają wdrażanie inteligentnych rozwiązań przygotowanych na zmiany w przyszłości. Producenci automatyki przemysłowej chętnie wykorzystują te doświadczenie i wiedzę.

W tym artykule pokrótce omówiono wyzwania związane z wdrażaniem technologii przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) i wyjaśniono, w jaki sposób postępy w systemach otwartych i sprzęcie automatyki przemysłowej oferują rozwiązania. Artykuł przedstawia przykładową implementację sprzętu i oprogramowania sterowników PLC nowej generacji firmy Phoenix Contact i pokazuje, w jaki sposób upraszcza ona zbieranie danych oraz wysyłanie ich do chmury w celu analizy i zautomatyzowanego podejmowania decyzji.

Znaczenie programowalnych sterowników logicznych (PLC)

Podstawą działania fabryki są sterowniki PLC - urządzenia cyfrowe wynalezione pod koniec lat 60. w celu zastąpienia wcześniejszych systemów z przekaźnikami logicznymi. Sterowniki PLC zostały zaprojektowane z myślą o bezawaryjnej pracy w trudnych warunkach przez wiele lat. Kluczem do tej niezawodności jest skupienie się na prostocie. Sterowniki PLC są zaprojektowane w taki sposób, by rzadkich przypadkach, gdy coś zawiedzie, umożliwić rozwiązywanie problemów i naprawianie usterek, dzięki czemu produkcja seryjna może zostać szybko wznowiona.

Urządzenia składają się z modułu wejściowego (odbierającego dane z cyfrowych i analogowych urządzeń wejściowych, takich jak klawiatury, przełączniki, przekaźniki i czujniki), zasilacza, programowalnego procesora z powiązaną pamięcią oraz modułu wyjściowego do wysyłania informacji do połączonych urządzeń (ilustracja 1).

Ilustracja 1: wytrzymałe i niezawodne sterowniki PLC stanowią podstawę automatyki przemysłowej. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Konwencjonalne sterowniki PLC są programowane przy użyciu jednego z pięciu języków zdefiniowanych w normie IEC 61131-3. Należą do nich lista instrukcji (IL), symboliczny schemat blokowy (SFC), schemat drabinkowy (LD), schemat blokowy funkcji (FBD) i tekst strukturalny (ST). Najpopularniejszym z nich jest LD, czyli logika drabinkowa, która wykorzystuje symbole do reprezentowania funkcji takich jak przekaźniki, rejestry przesuwne, liczniki, układy czasowe i operacje matematyczne. Symbole są ułożone zgodnie z żądaną sekwencją zdarzeń.

Producenci sterowników PLC szybko dostosowują się do postępu w automatyce przemysłowej, który dokonał się dzięki wdrożeniu przemysłowej sieci Ethernet. Przemysłowa sieć Ethernet współpracuje z protokołem IP, jest najczęściej używaną opcją sieci przewodowych i ma szerokie wsparcie dostawców. Przemysłowa sieć Ethernet charakteryzuje się wytrzymałym sprzętem i standardowym oprogramowaniem przemysłowym. Jest sprawdzoną i dojrzałą technologią dla automatyki przemysłowej (ilustracja 2). Uzupełnieniem sprzętu są przemysłowe protokoły Ethernet, w tym Ethernet/IP, Modbus TCP i PROFINET. Każdy z nich został zaprojektowany w celu zapewnienia wysokiego poziomu determinizmu w zastosowaniach automatyki przemysłowej. (Więcej informacji: „Projektowanie wytrzymałych zastosowań Internetu rzeczy (IoT) z użyciem przemysłowych sieci Ethernet do przesyłu danych i zasilania”.)

Ilustracja 2: przemysłowa sieć Ethernet stanowi szkielet komunikacyjny nowoczesnej fabryki. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Wiele współczesnych sterowników PLC oferuje wbudowaną łączność Ethernet. W przypadku starszych urządzeń wyposażonych w interfejsy inne niż Ethernet, miejsce między infrastrukturą Ethernet a sterownikiem PLC zajmują bramy. (Więcej informacji: „Łączenie starszych systemów automatyki przemysłowej z Przemysłem 4.0 bez zakłóceń działania”.)

Nowa generacja sterowników PLC

Fabryka, która wykorzystuje mieszankę nowoczesnych i starszych systemów, może utrudniać inżynierom wykorzystanie pełnych korzyści obiecanych przez Przemysł 4.0. Jednak wnioski z innych obszarów Internetu rzeczy (IoT), takich jak domy inteligentne i sektory logistyczne, pokazują, że otwarte systemy, platformy oparte na współpracy i dostępne oprogramowanie oparte na standardach ułatwia wdrażanie przyszłościowych inteligentnych rozwiązań.

Wiedza pozyskana z innych sektorów zachęca producentów sterowników PLC i powiązanych z nimi systemów do wprowadzenia nowej generacji produktów, które działają jak tradycyjne sterowniki PLC, jednak nie posiadają ograniczeń charakterystycznych dla sprzętu i oprogramowania starszego typu. Przykładem tej nowej generacji jest technologia PLCnext Control firmy Phoenix Contact.

Z perspektywy oprogramowania, przykładowy kontroler Phoenix Contact 1069208 PLCnext stanowi znaczący krok w kierunku otwartych rozwiązań, które zaczynają dominować w innych obszarach Internetu rzeczy (IoT). Kontroler PLCnext jest przykładowo kompatybilny z szeroką gamą oprogramowania, dzięki czemu innowacyjne aplikacje do automatyki przemysłowej można łatwo pobrać z Internetu i zainstalować w sterowniku PLC, podobnie jak aplikacje na smartfonie.

Urządzenie PLCnext wykorzystuje system operacyjny Linux. Nadal można go programować przy użyciu języków zdefiniowanych w normie IEC 61131-3, ale Linux ułatwia inżynierom programowanie sterownika PLC przy użyciu języków wyższego poziomu, np. C++, C#, Java, Python i Simulink. Te proste w użyciu języki sprawiają, że nowoczesna automatyka przemysłowa jest dostępna dla znacznie szerszej grupy inżynierów. Ponadto, PLCnext posiada funkcje obsługi zadań, które umożliwiają uruchamianie procedur programowych z różnych źródeł jako kodu sterownika PLC starszego typu, przy czym programy w języku wysokiego poziomu automatycznie stają się deterministyczne (ilustracja 3).

Ilustracja 3: urządzenie PLCnext oferuje obsługę zadań, która umożliwia uruchamianie procedur programowych z różnych źródeł jako kodu PLC starszego typu. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Łączność odbywa się za pośrednictwem sprzętu przemysłowej sieci Ethernet. System sterowania działa w oparciu o protokół PROFINET kompatybilny z protokołem IP i wykorzystuje platformę obliczeniową PROFICLOUD IoT do przetwarzania w chmurze. Programowalny sterownik logiczny (PLC) obsługuje również inne protokoły o otwartym standardzie, takie jak http, https, FTP, SNTP, SNMP, SMTP, SQL, MySQL i DCP.

Sprzęt bazuje na mikroprocesorze Intel Atom pracującym z częstotliwością 1,3GHz. Sterownik PLC posiada 1GB pamięci flash i 2048MB pamięci RAM. Środowisko uruchomieniowe IEC 61131 zawiera 12MB pamięci na programy i 32MB pamięci na składowanie danych programu. Urządzenie może obsługiwać maksymalnie 63 urządzenia magistrali lokalnej i wymaga zasilania 24V z maksymalnym poborem prądu 504mA (ilustracja 4).

Ilustracja 4: sterowniki PLCnext wykorzystują system operacyjny Linux i obsługują języki starszego typu zdefiniowane w normie IEC 61131-3, a także języki wyższego poziomu. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Oferta PLCnext firmy Phoenix Contact obejmuje sterowniki PLC i inne krytyczne elementy systemu automatyki przemysłowej, takie jak moduły komunikacji i przełączniki zarządzane. Konkretnym przykładem może być moduł komunikacyjny 2403115 i zarządzany przełącznik translacji adresów sieciowych (NAT) 2702981. Moduł komunikacyjny dodaje do sterownika PLC dodatkowy interfejs przemysłowej sieci Ethernet o gigabitowej przepustowości. Moduł posiada niezależny adres MAC, oferuje obsługę PROFINET oraz zapewnia izolację elektryczną pomiędzy interfejsem Ethernet i układem logicznym.

Przełącznik zarządzany służy do przechowywania i przekazywania informacji transportowanych przez sieć Ethernet i jest wyposażony w cztery porty Ethernet RJ45, dwa porty SFP (Small Form-Factor Pluggable) i dwa porty kombinowane (RJ45/SFP). Przełącznik jest produktem zgodnym z klasą B PROFINET.

Lepsze podejmowanie decyzji w fabryce

Optymalizacja pracy fabryk jest niezbędna, ponieważ produkcja wymaga precyzji i powtarzalności. Kluczem do zapewnienia wysokiego poziomu precyzji i powtarzalności jest sterowanie procesami. W nowoczesnej fabryce, czujniki przemysłowe i kamery IIoT mogą monitorować maszyny oraz mierzyć gotowe komponenty, aby wychwycić wszelkie drobne odchylenia w produkcie i odpowiednio skorygować proces. Inne czujniki śledzą stan maszyn, aby przewidzieć wymagania konserwacyjne, zanim wyeksploatowana maszyna zacznie szwankować. Jeszcze inne czujniki śledzą temperaturę, wilgotność i jakość powietrza w zakładzie.

W przeciwieństwie do tradycyjnych sterowników PLC, kluczową cechą technologii PLCnext Control jest możliwość korzystania z wspomnianych wyżej danych o zakładzie. Według firmy Phoenix Contact, wystarczy podłączyć sterownik PLC do zaledwie 3% - 5% analogowych i cyfrowych wejść i wyjść (I/O) systemu, aby był on w stanie mapować procesy produkcyjne kompleksowo i bez poważnej ingerencji.

Technologia PLCnext Control może następnie połączyć się z dowolną usługą w chmurze, w tym Proficloud.io firmy Phoenix Contact, Amazon Web Services (AWS) lub Microsoft Azure. Dzięki temu system zakładowy zyskuje dostęp do potężnych zasobów obliczeniowych, aby procesy zarządzania produkcją i konserwacją przebiegały tak sprawnie, jak to tylko możliwe. Wynikiem jest wyższa produktywność, lepsza jakość produktów i niższe koszty.

Pierwsze kroki z technologią PLCnext

Praca z kontrolerami PLCnext i powiązanymi urządzeniami jest stosunkowo prosta. Aby pomóc w rozpoczęciu projektu programowania sterowników PLC, firma Phoenix Contact wprowadziła na rynek zestaw startowy 1188165 PLCnext Technology Starter Kit. Zestaw składa się z modułu sterującego 2404267 PLCnext (PLC), nośnika modułu oraz szeregu modułów analogowych i cyfrowych.

Aby korzystać z zestawu startowego, należy najpierw podłączyć sterownik PLC i moduły analogowo-cyfrowe do zasilania 24V prądu stałego. Następnie pomiędzy sterownikiem PLC a komputerem PC podłączany jest kabel Ethernet i ustawiany jest adres IP komputera. Następnie w oknie przeglądarki na komputerze wpisywany jest adres IP sterownika PLC. Programowalny sterownik logiczny (PLC) zaczyna działać po zalogowaniu się użytkowników przy użyciu nazwy użytkownika i hasła. Dalsze instrukcje są dostarczane z systemu zarządzania opartego na sieci Web. Programowanie sterownika PLC odbywa się za pomocą oprogramowania PLCnext Engineer. Wspomniane oprogramowanie pozwala inżynierowi konfigurować, diagnozować i wizualizować całą automatykę.

Narzędzie PLCnext Engineer umożliwia programowanie i konfigurowanie przy użyciu języków starszego typu, zdefiniowanych w normie IEC 61131-3. Istnieje również możliwość łatwego programowania w językach wyższego poziomu, takich jak C++ i C#. Oprócz narzędzia PLCnext Engineer, kod może być tworzony w innych popularnych zintegrowanych środowiskach deweloperskich (IDE), takich jak Eclipse lub Microsoft Visual Studio. Oprogramowanie można następnie zaimportować do narzędzia PLCnext Engineer jako bibliotekę, celem użycia z dowolnym kompatybilnym sterownikiem PLC (ilustracja 5).

Ilustracja 5: sterowniki PLCnext mogą być programowane przy użyciu języków starszego typu za pomocą narzędzia PLCnext Engineer, przy użyciu języków wyższego poziomu ze zintegrowanych środowisk deweloperskich (IDE) lub za pomocą systemów projektowania opartych na modelach. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Kluczową zaletą technologii PLCnext jest to, że pozwala ona wielu deweloperom na niezależną i równoległą pracę nad jednym sterownikiem programowalnym (PLC), nawet jeśli używają oni różnych języków programowania. Umożliwia to szybkie tworzenie złożonych aplikacji i pozwala połączyć siły deweloperom dysponującym znajomością języków starszego typu i deweloperom, którzy posługują się językami wyższego poziomu.

Podsumowanie

Przemysłowy Internet rzeczy (IIoT) obiecuje transformację fabryk. Jednak podczas gdy inżynierowie instalują przemysłową sieć Ethernet, pełny potencjał automatyki przemysłowej jest powstrzymywany przez tradycyjne sterowniki PLC, które oferują ograniczoną łączność i przestarzałe oprogramowanie. Technologia PLCnext firmy Phoenix Contact opiera się na otwartych systemach, platformach współpracy i dostępnym oprogramowaniu. Może łączyć procedury zakodowane w językach starszego typu z procedurami napisanymi w językach wyższego poziomu, aby otworzyć automatykę przemysłową na przyszłościowe rozwiązania o zwiększonej produktywności, wyższej wydajności, lepszej jakości produktu i niższych kosztach.