Abordați provocările automatizării industriale cu o nouă generație de hardware PLC

Automatizarea bazată pe Internetul industrial al lucrurilor (IIoT) promite un timp mai scurt de lansare pe piață, productivitate îmbunătățită, siguranță sporită, costuri mai mici și calitate mai bună. Acestea fiind spuse, încă există obstacole. Sistemele moștenite care sunt dificil de modernizat, departamentele de inginerie prea conservatoare, sistemele închise și lipsa cunoștințelor de specialitate sunt câteva dintre problemele care împiedică revoluția Industriei 4.0.

În timp ce tehnologiile adecvate bazate pe standarde reprezintă coloana vertebrală a fabricii conectate, multe dintre echipamentele hardware și software ale controlerelor logice programabile (PLC) vechi sau „de lucru” au capacități limitate. Acest lucru reprezintă o provocare pentru ingineri să implementeze rapid modernizările necesare la nivelul întregii fabrici pentru a profita pe deplin de IIoT. Pentru a complica și mai mult lucrurile, inginerii riscă să bazeze modernizările costisitoare ale fabricilor pe o tehnologie care ar putea deveni depășită sau care nu mai este susținută, pe măsură ce sunt introduse noi tehnologii.

Se pot învăța lecții din alte părți ale IoT, cum ar fi locuința inteligentă, unde sistemele deschise, platformele de colaborare și software-ul accesibil facilitează implementarea unor soluții inteligente și adaptate pentru viitor. Producătorii de automatizări industriale adoptă această experiență și aceste cunoștințe.

Acest articol discută pe scurt provocarea pe care o reprezintă implementarea tehnologiei IIoT și explică modul în care progresele în materie de sisteme deschise și hardware de automatizare a fabricilor oferă soluții. Articolul prezintă un exemplu de implementare a hardware-ului și software-ului PLC de ultimă generație de la Phoenix Contact și arată cum se simplifică colectarea datelor și trimiterea lor în cloud pentru analiză și luarea automată a deciziilor.

Importanța PLC-ului

Principalul pilon al fabricii este PLC-ul, un dispozitiv digital inventat la sfârșitul anilor ’60 pentru a înlocui sistemele logice cu relee disponibile anterior. PLC-urile sunt concepute pentru a funcționa în medii dificile, fără erori, timp de mulți ani. Cheia acestei fiabilități este faptul că simplitatea este un element central. În cazul rar în care ceva se defectează, PLC-urile sunt concepute pentru a depana și a remedia problemele, astfel ca producția de volum să poată fi reluată rapid.

Unitățile cuprind un modul de intrare (care primește date de la dispozitive de intrare digitale și analogice, cum ar fi tastaturi, comutatoare, relee și senzori), o sursă de alimentare, un CPU programabil cu memorie asociată și un modul de ieșire pentru a trimite informații către dispozitivele conectate (Figura 1).

Figura 1: Robuste și fiabile, PLC-urile reprezintă coloana vertebrală a automatizării fabricilor. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

PLC-urile convenționale sunt programate folosind unul dintre cele cinci limbaje definite de IEC 61131-3. Printre acestea se numără lista de instrucțiuni (IL), diagrama de flux simbolică (SFC), diagrama în scară (LD), diagrama blocurilor funcționale (FBD) și textul structurat (ST). Cea mai populară este LD, sau logica ladder, care utilizează simboluri pentru a reprezenta funcții precum relee, registre de schimbare, contoare, cronometre și operații matematice. Simbolurile sunt aranjate în funcție de succesiunea dorită a evenimentelor.

Producătorii de PLC-uri se adaptează rapid la progresul înregistrat în automatizarea fabricilor prin implementarea Ethernet-ului industrial. Ethernet industrial este interoperabil cu IP, este cea mai utilizată opțiune de rețea cu fir și beneficiază de un suport extins din partea furnizorilor. Industrial Ethernet se caracterizează prin hardware robust și software standard industrial și este o tehnologie dovedită și matură pentru automatizarea fabricilor (Figura 2). Hardware-ul este completat de protocoale Ethernet industriale, inclusiv Ethernet/IP, Modbus TCP și PROFINET. Fiecare dintre acestea este conceput pentru a asigura un nivel ridicat de determinism pentru aplicațiile de automatizare industrială. (consultați „Proiectare pentru aplicații IoT robuste utilizând rețele de date și alimentare bazate pe Ethernet industrial”.)

Figura 2: Ethernet-ul industrial constituie coloana vertebrală de comunicare a fabricii moderne. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Multe dintre PLC-urile actuale oferă conectivitate Ethernet integrată. În cazul dispozitivelor vechi care dispun de interfețe non-Ethernet, diferența dintre infrastructura Ethernet și PLC este acoperită de gateway-uri. (consultați „Cum să conectați sistemele vechi de automatizare a fabricilor la Industria 4.0 fără întreruperi”.)

Următoarea generație de PLC-uri

O fabrică care utilizează un amestec de sisteme moderne și vechi poate face dificilă pentru ingineri valorificarea tuturor beneficiilor promise de Industria 4.0. Cu toate acestea, lecțiile învățate din alte părți ale IoT, cum ar fi sectorul locuințelor inteligente și cel al logisticii, arată că sistemele deschise, platformele de colaborare și software-ul accesibil bazat pe standarde facilitează punerea în aplicare a unor soluții inteligente adaptate pentru viitor.

Cunoștințele dobândite în aceste alte sectoare încurajează producătorii de PLC-uri și de sisteme asociate să introducă o nouă generație de produse care să funcționeze ca și PLC-urile tradiționale, fără a fi constrânse de limitările hardware-ului și software-ului vechi. Un exemplu al acestei noi generații este tehnologia PLCnext Control de la Phoenix Contact.

Din punctul de vedere al software-ului, un produs precum controlerul PLCnext 1069208 de la Phoenix Contact reprezintă o evoluție semnificativă către soluțiile deschise care încep să domine alte domenii ale IoT. De exemplu, PLCnext este compatibil cu o gamă largă de software, astfel încât aplicațiile inovatoare de automatizare a fabricilor pot fi descărcate cu ușurință de pe internet și instalate pe PLC, la fel ca aplicațiile de pe un smartphone.

PLCnext utilizează sistemul de operare (OS) Linux. Acesta poate fi programat în continuare folosind limbajele definite în conformitate cu IEC 61131-3, dar Linux facilitează programarea PLC-ului de către ingineri cu ajutorul limbajelor de nivel superior C++, C#, Java, Python și Simulink. Aceste limbaje ușor de utilizat fac ca automatizarea modernă a fabricilor să fie accesibilă unei cohorte mult mai mari de ingineri. În plus, PLCnext dispune de funcții de gestionare a sarcinilor care permit rularea rutinelor de program din diferite surse ca și cod PLC moștenit, programele în limbaj de nivel înalt devenind automat deterministe (Figura 3).

Figura 3: PLCnext dispune de funcții de gestionare a sarcinilor care permit rularea rutinelor de program din diferite surse ca și cod PLC moștenit. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Conectivitatea se realizează prin intermediul hardware-ului Industrial Ethernet; sistemul de control rulează sub protocolul PROFINET interoperabil IP și utilizează platforma PROFICLOUD IoT pentru suportul de cloud computing. PLC acceptă și alte protocoale standard deschise, cum ar fi http, https, FTP, SNTP, SNMP, SMTP, SQL, MySQL și DCP.

Hardware-ul se bazează pe un microprocesor Intel Atom care funcționează la 1,3 gigahertzi (GHz). PLC-ul dispune de 1 gigaoctet (Gbyte) de memorie flash și 2048 megaocteți (Mbytes) de memorie RAM. Sistemul de execuție IEC 61131 are 12 Mbytes de memorie de program și 32 Mbytes de stocare a datelor de program. Unitatea poate suporta până la 63 de dispozitive de magistrală locală și necesită o sursă de alimentare de 24 de volți cu o absorbție maximă de curent de 504 miliamperi (mA) (Figura 4).

Figura 4: PLC-urile PLCnext utilizează sistemul de operare Linux și acceptă limbaje tradiționale definite în conformitate cu IEC 61131-3, precum și limbaje de nivel superior. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Gama PLCnext de la Phoenix Contact include PLC-uri și alte elemente critice ale unui sistem de automatizare industrială, cum ar fi modulele de comunicații și comutatoarele gestionate. Exemple specifice sunt modulul de comunicații 2403115 și comutatorul gestionat de traducere a adreselor de rețea (NAT) 2702981. Modulul de comunicații adaugă o interfață Ethernet industrial cu capacitate gigabit suplimentară la PLC. Modulul are o adresă MAC independentă, oferă suport PROFINET și include o izolare electrică între interfața Ethernet și logică.

Comutatorul gestionat este utilizat pentru stocarea și transmiterea informațiilor transportate prin Ethernet și dispune de patru porturi Ethernet RJ45, două porturi cu factor de formă de conectare mic (SFP) și două porturi combinate (RJ45/SFP). Comutatorul este un produs din clasa de conformitate PROFINET B.

Îmbunătățirea procesului de luare a deciziilor în fabrică

Optimizarea producției în fabrică este esențială, deoarece producția necesită precizie și repetabilitate. Cheia pentru asigurarea unor niveluri ridicate de precizie și repetabilitate este controlul procesului. În fabrica modernă, senzorii și camerele IIoT pot monitoriza utilajele și pot măsura componentele finite pentru a detecta orice deviație minoră a produsului și pentru a corecta procesul în consecință. Alți senzori monitorizează starea de funcționare a utilajelor pentru a prevedea cerințele de întreținere înainte ca un utilaj uzat să înceapă să cedeze. Chiar și mai mulți senzori monitorizează temperatura, umiditatea și calitatea aerului din fabrică.

O caracteristică cheie a PLCnext Control este că, spre deosebire de PLC-urile tradiționale, acesta poate accesa aceste date din fabrică. Potrivit Phoenix Contact, este suficient să conectați PLC-ul la doar 3% până la 5% din intrările și ieșirile analogice și digitale (I/O) ale sistemului pentru ca acesta să poată cartografia procesele de fabricație în mod cuprinzător și fără intervenții semnificative.

PLCnext Control se poate conecta apoi la orice serviciu cloud, inclusiv Proficloud.io de la Phoenix Contact, AWS de la Amazon sau Azure de la Microsoft. Ca urmare, sistemul fabricii are acces la resurse informatice puternice pentru a se asigura că procesele de gestionare a operațiunilor și de întreținere se desfășoară cât mai eficient posibil. Rezultatul este o productivitate mai mare, o calitate mai bună a produselor și costuri mai mici.

Noțiuni de bază privind PLCnext

Lucrul cu controlerele PLCnext și unitățile aferente este relativ simplu. Pentru a ajuta la începerea unui proiect de programare PLC, Phoenix Contact a introdus kitul de pornire 1188165 PLCnext Technology Starter Kit. Kitul cuprinde un modul de control PLCnext 2404267 (PLC), un suport de module și o gamă de module analogice sau digitale.

Pentru a utiliza kitul de pornire, PLC-ul și unitățile de module analogice/digitale trebuie mai întâi conectate la sursa de alimentare de 24 de volți c.c. (V c.c.). În continuare, se conectează un cablu Ethernet între PLC și PC și se setează adresa IP a PC-ului. Apoi, adresa IP a PLC-ului este tastată într-o fereastră de browser de pe PC. PLC-ul devine operațional după ce utilizatorii se conectează cu numele de utilizator și parola lor. Instrucțiuni suplimentare sunt furnizate de sistemul de gestionare bazat pe web. Programarea PLC-ului se face cu ajutorul software-ului PLCnext Engineer. Software-ul permite unui inginer să configureze, să diagnosticheze și să vizualizeze o întreagă soluție de automatizare.

PLCnext Engineer permite programarea și configurarea utilizând limbajele tradiționale definite în conformitate cu IEC 61131-3. De asemenea, este simplu de programat în limbaje de nivel superior, cum ar fi C++ și C#. În plus față de PLCnext Engineer, codul poate fi construit în alte medii de dezvoltare integrate (IDE) populare, cum ar fi Eclipse sau Microsoft Visual Studio. Software-ul poate fi apoi importat în PLCnext Engineer ca o bibliotecă pentru a fi utilizat cu orice PLC compatibil (Figura 5).

Figura 5: PLC-urile PLCnext pot fi programate folosind limbaje moștenite de la PLCnext Engineer, limbaje de nivel superior din IDE-uri sau din sisteme de proiectare bazate pe modele. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Un avantaj cheie al tehnologiei PLCnext este acela că permite mai multor dezvoltatori să lucreze independent și în paralel la un singur program PLC, chiar dacă aceștia folosesc limbaje de programare diferite. Acest lucru permite dezvoltarea rapidă a aplicațiilor complexe și permite dezvoltatorilor cu abilități în limbajul tradițional și celor cu abilități în limbaje de nivel superior să își combine talentele.

Concluzie

IIoT promite să transforme fabricile. Cu toate acestea, în timp ce inginerii instalează Industrial Ethernet, întregul potențial al automatizării fabricilor este împiedicat de PLC-urile tradiționale, care oferă o conectivitate limitată și un software învechit. Tehnologia PLCnext de la Phoenix Contact se bazează pe sisteme deschise, platforme de colaborare și software accesibil. Acesta poate combina rutinele codificate în limbaje vechi cu cele scrise în limbaje de nivel superior pentru a deschide automatizarea industrială către soluții de viitor cu productivitate sporită, randamente mai mari, o calitate mai bună a produselor și costuri mai mici.