Rola sterowników PLC w przemysłowym sterowaniu oraz testach i pomiarach

Programowane sterowniki logiczne (PLC) to komputery przemysłowe, które:

• monitorują automatykę przemysłową i sterują nią,
• wykonują zadania związane z czynnościami testowymi i pomiarowymi,
• realizują funkcje związane z przetwarzaniem (w tym związane z instalacjami klimatyzacji i wentylacji) wykraczające poza zakres tego artykułu.

Sterowniki PLC odbierają dane z czujników i urządzeń wejściowych, przetwarzają je w celu podejmowania decyzji opartych na logice oraz wysyłają instrukcje sterujące do układów mechanicznych lub elektrycznych. Sterownik PLC jest rodzajem systemu wbudowanego, który łączy procesor komputerowy i pamięć z urządzeniami wejścia-wyjścia (IO) - podobnie jak logika oparta na przekaźnikach przewodowych, a także logika oparta na komputerach PC, z którymi konkuruje.

Jeśli chodzi o formę fizyczną, dzisiejsze sterowniki PLC mogą przybierać różne formy, od bardzo prostego komputera w postaci zintegrowanego układu scalonego (IC), po duży zbiór podzespołów kontrolera montowanych w stelażu i umieszczonych w wielu obudowach. Prostsze sterowniki PLC oparte na mikrokontrolerach lub w postaci układów SoC mogą być wyjątkowo niezawodne i działać przy bardzo umiarkowanym poborze mocy. Natomiast najbardziej złożone sterowniki PLC zacierają granice między tym, co znamy jako sterownik PLC, a komputerem ogólnego przeznaczenia do sterowania przemysłowego w czasie rzeczywistym. Chociaż w przypadku tych pierwszych nadal kładzie się nacisk na niezawodność i wydajność w czasie rzeczywistym.

Pierwotnie sterowniki PLC miały bezpośrednio zastąpić przewodową logikę sterowania opartą na przekaźnikach i sekwencerach bębnowych. Te wczesne sterowniki PLC musiały wykonywać tylko podstawowe operacje, przekształcając dane wejściowe w wyjściowe. Wszelkie zadania maszyny wymagające operacji proporcjonalno-całkująco-różniczkujących (PID) były zlecane na zewnątrz do dołączonej elektroniki analogowej. Teraz sterowanie PID, a nawet bardziej wyrafinowane operacje są standardową częścią zestawów instrukcji sterowników PLC.

W rzeczywistości wraz z upływem czasu od sterowników PLC oczekuje się coraz więcej funkcji - dzięki temu obecnie wiele sterowników PLC jest dość wyrafinowanych i zdolnych do wykonywania skomplikowanych i adaptacyjnych procedur. Stale rosnąca moc i kurczące się rozmiary mikroukładów półprzewodnikowych (dzięki prawu Moore'a) zapewniły mniejszym sterownikom bezprecedensową inteligencję. Ten trend jest kontynuowany dzięki zintegrowanej obsłudze sterowania ruchem, systemów wizyjnych i protokołów komunikacyjnych. Na drugim końcu spektrum rozmiarów sterowników PLC znajdują się programowane sterowniki automatyki (PAC) łączące w sobie sterownik PLC z komputerem PC, zastępując w niektórych zastosowaniach sterowniki PLC i zastrzeżone systemy sterowania (pracujące na zastrzeżonych językach programowania). Obecnie coraz więcej sterowników PLC wyposaża się w interfejsy typu człowiek-maszyna (HMI).

Przemysłowe środowisko cyfrowe, w którym działają sterowniki PLC

Współczesna automatyka przemysłowa opiera się na informacjach zwrotnych z maszyn i danych operacyjnych oraz złożonych połączeniach między urządzeniami cyfrowymi pozwalających na:

• sterowanie urządzeniami cyfrowymi;
• uruchamianie zaawansowanych funkcji - np. takich, które wiążą się z łącznością w przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT) i możliwościami w zakresie przezbrajania maszyny;
• podejmowanie przez ludzi decyzji dotyczących różnych maszyn i warunków pracy;
• poprawę ogólnej produktywności i jakości wykonywanych przedmiotów.

Takie zautomatyzowane instalacje obejmują różne systemy informacyjne do przechowywania, przetwarzania i obsługi tych danych.

Do planowania produkcji, ustalania harmonogramów, kontroli finansów i zapasów służą systemy planowania zapotrzebowania materiałowego lub planowania zasobów produkcyjnych (MRP). Natomiast do przechowywania danych serii czasowych z czujników i przyrządów do tworzenia wykresów graficznych służą systemy historyczne. Mają one pomóc operatorom i systemom zarządzania w zrozumieniu i przetwarzaniu trendów automatyki. Przykładowym systemem historycznym jest system statystycznego sterowania procesami (SPC).

Interfejsy człowiek-maszyna (HMI) to panele sterowania maszynami (lub moduły komunikujące się bezprzewodowo z urządzeniami mobilnymi), które umożliwiają operatorom przeglądanie danych i wydawanie poleceń. Ściśle związane z funkcjami interfejsu człowiek-maszyna są systemy kontroli nadzorczej i akwizycji danych (SCADA), które umożliwiają sterowanie w czasie rzeczywistym i monitorowanie interakcji między zautomatyzowanymi maszynami a ich interfejsami typu człowiek-maszyna i systemami historycznymi. Przy zastosowaniu systemu SCADA z poziomu interfejsu człowiek-maszyna można sterować wieloma maszynami i wyświetlać z nich dane.

Systemy realizacji produkcji (MES) realizują funkcje, takie jak planowanie operacji i gromadzenie danych. Można w pewnym sensie mówić o nich, że mieszczą się gdzieś pomiędzy systemami MRP i SCADA oraz posiadają z nimi cechy wspólne.

Za integrację związanych z produkcją systemów MRP, MES, systemów zarządzania cyklem życia produktu (PLM) oraz systemów informacyjnych CRM odpowiadają systemy planowania zasobów przedsiębiorstwa (ERP). Systemy ERP mogą być monolitycznymi pakietami oprogramowania, które obsługują wszystkie te funkcje lub podstawowymi systemami ERP, które łączą się z wyspecjalizowanymi aplikacjami wielu dostawców. Do systemu ERP dostęp ma zwykle tylko kierownictwo najwyższego szczebla - a większość personelu w danej organizacji natomiast pracuje na jednym z podsystemów, z których system ERP pozyskuje dane.

Sterowniki PLC zwykle działają na poziomie niższym od tych systemów informatycznych. Wysyłają informacje do maszyn, silników i czujników oraz odbierają je z nich. Mogą również wchodzić w interakcje z wyższym poziomem informacyjnym, wysyłając dane do systemu historycznego lub SCADA lub odbierając sygnały sterujące z systemu SCADA czy interfejsu człowiek-maszyna. Bardziej zaawansowane sterowniki PLC mogą również wykonywać funkcje systemów SCADA i historycznych, a nawet coraz częściej funkcje interfejsu człowiek-maszyna.

Ilustracja 1: sterowniki PLC zwykle działają na poziomie niższym od systemów informatycznych automatyki. (Zdjęcie źródłowe: Jody Muelaner)

Należy pamiętać, że sterowniki PLC nie są zaangażowane tylko w automatykę: są również wykorzystywane do sterowania na stanowiskach testowych (rozwój produktu) i laboratoryjnych zadań pomiarowych.

• Jak opisano powyżej, w automatyce zasadniczo kładzie się nacisk na diagnostykę i wymaga się deterministycznej pracy sterownika PLC w czasie rzeczywistym w celu uzyskania rzeczywistej skuteczności.
• Z kolei sterowniki PLC wykorzystywane w zadaniach pomiarowych bardziej skupiają się na szybkim i precyzyjnym wykonywaniu pomiarów oraz innych formach akwizycji danych.

Na potrzeby zadań związanych z automatyzacją maszyn sterowniki PLC bazują na przetwarzaniu w czasie rzeczywistym, w przypadku którego opóźnienie między wejściem a wyjściem odpowiedzi liczy się w milisekundach. Wszystkie funkcje sterowników PLC, oprócz tych najprostszych, wymagają systemu operacyjnego czasu rzeczywistego (RTOS). Chociaż wiele sterowników PLC nadal korzysta z zastrzeżonych systemów operacyjnych, rośnie zainteresowanie otwartymi systemami operacyjnymi. Dobry przykład: VxWorks to zastrzeżony system operacyjny czasu rzeczywistego, na który udziela się wielu licencji do użytku w sterowaniu przemysłowym. Jest używany przez kilku wiodących producentów robotów, w tym Kuka i ABB. Natomiast wariantem otwartoźródłowym jest bezpłatnie dystrybuowany system FreeRTOS, oparty na licencji MIT typu open source. System FreeRTOS zawiera różne biblioteki Internetu rzeczy (IoT) do szerokiej gamy zastosowań automatyki. Więcej informacji na temat tej opcji zawiera artykuł DigiKey „Szybkie i bezpieczne łączenie projektów z chmurą za pomocą Amazon FreeRTOS”.

Na potrzeby zadań testowych i pomiarowych sterowniki PLC opierają się na przetwarzaniu w czasie rzeczywistym, w którym opóźnienie między pomiarami z urządzenia obiektowego a ich gromadzeniem liczy się w milisekundach. Dawno minęły czasy, kiedy inżynierowie nie mieli innego wyjścia, jak tylko zastosować konwertery interfejsów i systemy kanałów transferowych. Teraz inteligentne urządzenia peryferyjne i zespoły wejścia-wyjścia łatwiej i w bardziej zaawansowany sposób odbierają sygnały za pośrednictwem wejść cyfrowych i analogowych.

Dzisiejsi inżynierowie mają również więcej opcji opartych na znormalizowanych interfejsach i kompatybilności komponentów różnych producentów, które mogą służyć jako komponenty współpracujące.

Wystarczy rozważyć komponenty wejścia-wyjścia ze zintegrowaną funkcją sterownika PLC. Są one kompatybilne z konfigurowanymi interfejsami typu człowiek-maszyna z systemami operacyjnymi Windows lub Linux i mają łączność Ethernet - ale brakuje im łatwych opcji ponownej kalibracji lub analogowych wejść-wyjść dla urządzeń obiektowych, które generują niskonapięciowe sygnały analogowe. Takie komponenty wejścia-wyjścia współpracują również ze sterownikami PLC skonfigurowanymi do zbierania danych ze zdalnych urządzeń wejścia-wyjścia oraz bezpośrednio z czujników poprzez własne wbudowane wejścia i wyjścia.

Ilustracja 2: wielofunkcyjne urządzenia do akwizycji danych T7 (DAQ) posiadają łączność Ethernet, USB, Wi-Fi i Modbus, co pozwala im na współpracę z szeroką gamą urządzeń obiektowych, a także przemysłowych interfejsów typu człowiek maszyna i sterowników PLC. Łączność Modbus/TCP w szczególności zapewnia możliwość sterowania za pośrednictwem różnych rozwiązań programowych i sprzętowych innych firm w celu zapewnienia otwartości i elastyczności - co z kolei daje architektom systemów przemysłowych, a także inżynierom zajmującym się badaniami i rozwojem (R&D) możliwość dokonywania wyborów w zakresie gromadzenia danych i automatyzacji niezależnie od dostawców. (Źródło ilustracji: LabJack)

Oczywiście sterowniki PLC nie są jedyną opcją automatyzacji maszyn czy testowania i pomiarów. Ponieważ wszystkie przemysłowe systemy sterowania stały się bardziej złożone, niektórzy dostawcy zaczęli rozróżniać określone urządzenia jako programowane sterowniki automatyki (PAC), aby sygnalizować zwiększone możliwości, a w wielu przypadkach zastosowanie wielu procesorów w jednym urządzeniu. W rzeczywistości sterowniki PLC również odnotowały olbrzymi postęp - więc nie ma sztywnej reguły określającej kiedy urządzenie, które pełni funkcję sterownika PLC jest jednocześnie sterownikiem PAC. Większość sterowników PAC łączy w sobie funkcje sterownika PLC i komputera PC, służąc jako złożony system automatyki z wieloma aplikacjami komputerowymi, a także interfejsem typu człowiek-maszyna i systemem historycznym. Jedną z wyraźnych różnic jest to, że sterowniki PAC są łatwiejsze do stosowania dla deweloperów, ponieważ mają one bardziej otwartą architekturę niż tradycyjne systemy sterowania.

Jeszcze inną opcją są dziś modułowe sterowniki PLC. Składają się z modułów pełniących różne funkcje. Wszystkie sterowniki PLC muszą zawierać moduł procesorowy, który zawiera procesor i pamięć systemu operacyjnego i programu. Mogą mieć także oddzielny moduł zasilający i dodatkowe moduły wejść-wyjść (I/O). Sterownik PLC może zawierać zarówno cyfrowe, jak i analogowe moduły wejścia-wyjścia. Do komunikacji sieciowej może być wymagany inny moduł.

Sterownik PLC może być zintegrowany ze wszystkimi modułami w jednej obudowie lub mieć budowę modułową. Zintegrowane sterowniki PLC są bardziej kompaktowe, ale te modułowe są bardziej wszechstronne, zazwyczaj pozwalają na łatwe łączenie wielu modułów ze sobą albo przez bezpośrednie podłączenie ich do siebie, albo przez użycie wspólnego stelaża jako magistrali. Moduły są adresowane zgodnie z ich położeniem w magistrali. Chociaż fizyczny aspekt obsługi stelaża może być zgodny z normą, taką jak DIN, magistrala danych jest zazwyczaj zastrzeżonym produktem producenta PLC.

Rola sterowników PLC w Internecie rzeczy (IoT)

Wraz ze wzrostem zainteresowania przemysłem 4.0 (zwanym również przemysłowym Internetem rzeczy), użytkownicy przemysłowi coraz częściej oczekują możliwości podłączenia swoich kontrolerów przemysłowych do sieci firmowych za pomocą protokołów internetowych. Oznacza to komunikację przy użyciu protokołu kontroli transmisji (TCP) i protokołu internetowego (IP) czy też po prostu TCP/IP. Jednak trend przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) to nie tylko używanie protokołów internetowych - to także uczenie maszynowe i big data. W miarę jak sterowniki PLC stają się coraz bardziej wydajne (a w bardziej zaawansowanych systemach sterowania sterownik PLC jest tylko jedną z funkcji), coraz więcej z nich zyskuje funkcje, takie jak systemy wizyjne. Łączność z Internetem umożliwia również inżynierom (za pośrednictwem systemowych sterowników PLC) wykorzystanie algorytmów opartych na chmurze w celu przetwarzania bardzo dużych zbiorów danych - zwanych również big data - do uczenia maszynowego.

W praktycznych zastosowaniach, jeśli chodzi o przytoczone funkcje sterownika PLC w przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT) wyróżnia się technologia EtherCAT (Ethernet w automatyce sterowniczej). Jest to protokół komunikacyjny oparty na sieci Ethernet, odpowiedni do sterowania w czasie rzeczywistym z czasami cykli poniżej 0,1ms - najszybsza przemysłowa technologia Ethernet z możliwością synchronizacji z dokładnością do nanosekund. Kolejną ważną zaletą sieci EtherCAT jest elastyczność jej topologii, w której nie ma koncentratorów ani przełączników sieciowych. Urządzenia można po prostu łączyć ze sobą w układzie pierścieniowym, liniowym, gwiazdy lub drzewa. Konkurencyjnym standardem jest PROFINET oferujący podobne możliwości.

Podsumowanie

Obecny trend w kierunku coraz bardziej zaawansowanego gromadzenia danych i sterowania w przemyśle będzie kontynuowany. Oznacza to, że sterowniki PLC do automatyzacji w przemyśle oraz testów i pomiarów będą coraz bardziej przypominać sterowniki PAC i będzie można je integrować z systemami SCADA i historycznymi. Protokoły internetowe i otwarte standardy, takie jak EtherCAT, również są coraz częściej obecne w komunikacji PLC. Taka łączność z kolei zintensyfikuje wykorzystanie technologii przemysłu 4.0, takich jak analiza big data i uczenie maszynowe, co będzie częściowo łatwiejsze dzięki możliwości dystrybucji wymaganej mocy obliczeniowej i pamięci do:

• przetwarzania w chmurze;
• urządzeń brzegowych zdolnych do przetwarzania danych.

Oprócz tych trendów pozostanie potrzeba, aby bardziej tradycyjne sterowniki PLC wykonywały stosunkowo proste testy i pomiary, a także realizowały funkcje sterownicze z maksymalną niezawodnością i sprawnością energetyczną.