Hantera utmaningar inom industriautomation med en ny generation PLC-hårdvara

Automation som bygger på Industrial Internet of Things (IIoT) utlovar snabbare tid till marknaden, förbättrad produktivitet, ökad säkerhet, lägre kostnader och högre kvalitet. Med detta sagt finns det fortfarande hinder. Äldre system som är svåra att uppgradera, alltför konservativa teknikavdelningar, slutna system och brist på specialistkunskap är några av de problem som hindrar revolutionen Industry 4.0.

Medan lämpliga standardbaserade tekniker utgör ryggraden i den uppkopplade fabriken, har äldre, hård- och mjukvara för programmerbara logiska styrenheter (PLC) som agerat arbetshästar, en begränsad kapacitet. Det gör det svårt för ingenjörer att snabbt genomföra de fabriksomfattande uppgraderingar som krävs för att utnyttja IIoT till fullo. Det hela kompliceras ytterligare av att tekniker riskerar att basera dyra fabriksuppgraderingar på teknik som kan bli föråldrad eller inte längre stöds när ny teknik introduceras.

Det går att dra lärdomar från andra delar av IoT, som t.ex. det smarta hemmet, där öppna system, samarbetsplattformar och tillgänglig programvara gör det lättare att implementera framtidssäkra intelligenta lösningar. Tillverkare av industriell automation tar till sig denna erfarenhet och kunskap.

Artikeln diskuterar kortfattat utmaningen med implementering av IIoT-teknik och förklarar hur framsteg inom öppna system och hårdvara för fabriksautomation erbjuder lösningar. Artikeln presenterar ett exempel på implementering av nästa generations PLC-hårdvara och mjukvara från Phoenix Contact och visar hur den förenklar insamling av information och skickar den till molnet för analys och automatiserat beslutsfattande.

Vikten av PLC

Fabrikens grundpelare är PLC:n, en digital enhet som uppfanns i slutet av 1960-talet för att ersätta tidigare system med relälogik. PLC:n är konstruerad för att fungera felfritt i komplicerade miljöer under många år. Nyckeln till denna tillförlitlighet är ett fokus på enkelhet. Vid de sällsynta tillfällen då något går fel är PLC:erna utformade för att felsöka och åtgärda problem så att volymproduktionen snabbt kan återupptas.

Enheterna består av en ingångsmodul (som tar emot data från digitala och analoga inmatningsenheter som t.ex. tangentbord, omkopplare, reläer och givare), en strömförsörjning, en programmerbar processor med tillhörande minne och en utgångsmodul för att skicka information till anslutna enheter (figur 1).

Figur 1: Robusta och tillförlitliga PLC:er är grundpelaren i fabriksautomation. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Vanliga PLC:er programmeras med ett av de fem språk som definieras i IEC 61131-3. Dessa inkluderar instruktionslista (IL), symboliskt flödesschema (SFC), ladderdiagram (LD), funktionsblocksdiagram (FBD) och strukturerad text (ST). Det populäraste är LD, eller ladderlogik, som använder symboler för att representera funktioner som t.ex. reläer, skiftregister, räknare, timers och matematiska operationer. Symbolerna är arrangerade enligt den önskade ordningsföljden för händelserna.

PLC-tillverkarna anpassar sig snabbt till de framsteg inom fabriksautomation som har gjorts genom implementeringen av Industrial Ethernet. Industrial Ethernet är kompatibelt med IP, det mest använda kabelanslutna alternativet och har ett omfattande leverantörsstöd. Industrial Ethernet kännetecknas av robust hård- och mjukvara enligt industristandard, och det är en beprövad och mogen teknik för fabriksautomation (figur 2). Hårdvaran kompletteras med protokoll för Industrial Ethernet, inklusive Ethernet/IP, Modbus TCP och PROFINET. Alla är konstruerade för att garantera en hög nivå av determinism för tillämpningar inom industriell automation. (Se "konstruktion av robusta IoT-tillämpningar med industriella Ethernet-baserade nätverk för ström och data".)

Bild 2: Industrial Ethernet utgör grundpelaren för kommunikation i den moderna fabriken. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Många av dagens PLC:er har inbyggd Ethernet-anslutning. För äldre enheter utan gränssnitt för Ethernet överbryggas klyftan mellan infrastrukturen för Ethernet och PLC:n av gateways. (Se "Hur man ansluter äldre system för fabriksautomation till Industry 4.0 utan störningar").

Nästa generation PLC:er

En fabrik som använder en blandning av moderna och äldre system kan göra det svårt för ingenjörer att dra full nytta av de fördelar som Industry 4.0 utlovar. Erfarenheter från andra delar av IoT, som smarta hem och logistiksektorn, visar dock att öppna system, samarbetsplattformar och tillgänglig standardbaserad programvara gör det lättare att implementera framtidssäkra intelligenta lösningar.

Kunskaperna från dessa andra sektorer uppmuntrar tillverkare av PLC:er och tillhörande system att introducera en ny generation produkter som fungerar som traditionella PLC:er utan att begränsas av äldre hård- och mjukvara. Ett exempel på denna nya generation är tekniken PLCnext Control från Phoenix Contact.

Ur ett mjukvaruperspektiv utgör en produkt som PLCnext-styrenheten 1069208 från Phoenix Contact ett betydande steg mot de öppna lösningar som börjar dominera andra områden inom IoT. PLCnext är exempelvis kompatibelt med ett stort utbud av programvara, så innovativa appar för fabriksautomation kan enkelt laddas ner från Internet och installeras på PLC:n, på samma sätt som appar på en smartphone.

PLCnext använder operativsystemet Linux. Den kan fortfarande programmeras med de språk som definieras i IEC 61131-3, men Linux gör det enkelt för ingenjörer att programmera PLC:n med högnivåspråken C++, C#, Java, Python och Simulink. Dessa lättanvända språk gör modern fabriksautomation tillgänglig för en mycket större grupp ingenjörer. PLCnext har dessutom en uppgiftshantering som gör att programrutiner från olika källor kan köras som äldre PLC-kod, där program i högnivåspråk automatiskt blir deterministiska (figur 3).

Figur 3: PLCnext har en uppgiftshantering som medför att programrutiner från olika källor kan köras som äldre PLC-kod. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Anslutningen sker via hårdvara för Industriellt Ethernet, styrsystemet körs under det IP-kompatibla protokollet PROFINET och använder IoT-plattformen PROFICLOUD för molnberäkningsstöd. PLC:n har även stöd för andra öppna standardprotokoll som t.ex. http, https, FTP, SNTP, SNMP, SMTP, SQL, MySQL och DCP.

Hårdvaran är baserad på mikroprocessorn Intel Atom som körs med 1,3 GHz. PLC:n har 1 Gbyte flash-minne och 2048 Mbyte RAM-minne. Det körbara systemet IEC 61131 har 12 Mbyte minne för program och 32 Mbyte för lagring av programinformation. Enheten har stöd för upp till 63 lokala bussenheter och kräver en matning på 24 V med en maximal strömförbrukning på 504 mA (figur 4).

Bild 4: PLC:er med PLCnext använder operativsystemet Linux och har stöd för äldre språk som definieras enligt IEC 61131-3, samt högnivåspråk. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Sortimentet PLCnext från Phoenix Contact omfattar PLC:er och andra viktiga delar i ett industriellt automationssystem, som t.ex. kommunikationsmoduler och administrerade switchar. Specifika exempel är kommunikationsmodulen 2403115 och den administrerade NAT-switchen (Network Address Translation) 2702981. Kommunikationsmodulen lägger till ett extra Gigabit-kompatibelt gränssnitt för Industrial Ethernet i PLC:n. Modulen har en egen MAC-adress, stöd för PROFINET och elektrisk isolering mellan Ethernet-gränssnittet och logiken.

Den administrerade switchen används för att lagra och vidarebefordra information som transporteras via Ethernet, och har fyra RJ45-portar för Ethernet, två SFP-portar (Small Form Factor Pluggable) och två kombinationsportar (RJ45/SFP). Switchen är en produkt som uppfyller PROFINET Conformance Class B.

Förbättrat beslutsfattande i fabriken

Optimering av fabriksproduktionen är avgörande eftersom tillverkningen kräver precision och repeterbarhet. Nyckeln till att garantera höga nivåer av precision och repeterbarhet är processtyrning. I den moderna fabriken kan IIoT-givare och kameror övervaka maskiner och mäta färdiga komponenter för att fånga upp eventuella mindre avvikelser i produkten och korrigera processen därefter. Andra givare håller reda på maskinernas status för att förutse underhållsbehov innan en sliten maskin börjar gå sönder. Ännu fler givare håller reda på fabrikens temperatur, luftfuktighet och luftkvalitet.

En viktig egenskap i PLCnext Control är att den, till skillnad från traditionella PLC:er, kan använda denna information från fabriken. Enligt Phoenix Contact räcker det med att ansluta PLC:n till bara 3-5 % av systemets analoga och digitala in- och utgångar (I/O) för att den ska kunna göra en fullständig kartläggning av tillverkningsprocesserna, och utan större ingrepp.

PLCnext Control kan sedan anslutas till valfri molntjänst, inklusive Proficloud.io från Phoenix Contact, AWS från Amazon eller Microsofts Azure. Detta medför att fabrikens system får tillgång till kraftfulla datorresurser för att garantera att processerna för driftledning och underhåll fungerar så effektivt som möjligt. Resultatet är högre produktivitet, bättre produktkvalitet och lägre kostnader.

Komma igång med PLCnext

Att arbeta med PLCnext-styrenheter och tillhörande enheter är relativt okomplicerat. För att göra det lättare att komma igång med ett PLC-programmeringsprojekt har Phoenix Contact lanserat startsatsen 1188165 PLCnext Technology Satsen består av PLCnext-styrmodulen 2404267, en modulhållare och ett urval av analoga eller digitala moduler.

För att kunna använda startpaketet måste PLC:n och de analoga/digitala modulerna först anslutas till 24 V DC. Därefter ansluts en Ethernet-kabel mellan PLC:n och PC:n, och PC:ns IP-adress ställs in. Sedan matas PLC:ns IP-adress in i ett webbläsarfönster på datorn. PLC:n blir operativ när användarna loggar in med sitt användarnamn och lösenord. Ytterligare instruktioner tillhandahålls av det webbaserade hanteringssystemet. Programmeringen av PLC:n utförs med hjälp av programvaran PLCnext Engineer. Programmet gör det möjligt för en tekniker att konfigurera, diagnostisera och visualisera en hel automationslösning.

PLCnext Engineer möjliggör programmering och konfiguration med hjälp av de äldre språk som definieras i IEC 61131-3. Det är även enkelt att programmera i högnivåspråk som t.ex. C++ och C#. Förutom PLCnext Engineer kan kod skapas i andra populära integrerade utvecklingsmiljöer (IDE), som t.ex. Eclipse eller Microsoft Visual Studio. Programmet kan sedan importeras till PLCnext Engineer som ett bibliotek för användning med alla kompatibla PLC:er (figur 5).

Figur 5: PLCnext PLC kan programmeras med äldre språk från PLCnext Engineer, högre språk från integrerade utvecklingsmijöer eller från modellbaserade designsystem. (Bildkälla: Phoenix Contact)

En viktig fördel med tekniken PLCnext är att den gör det möjligt för flera utvecklare att arbeta oberoende och parallellt med ett enda PLC-program, även om de använder olika programmeringsspråk. Detta möjliggör snabb utveckling av komplicerade tillämpningar och gör det möjligt för utvecklare med kunskaper i äldre språk och de med kunskaper i högnivåspråk att kombinera sina talanger.

Sammanfattning

IIoT kommer att förändra fabriken. Men samtidigt som tekniker installerar Industrial Ethernet begränsas fabriksautomationens fulla potential av traditionella PLC:er med begränsade anslutningsmöjligheter och föråldrad programvara. Tekniken PLCnext från Phoenix Contact bygger på öppna system, samarbetsplattformar och tillgänglig programvara. Den kan kombinera rutiner som är kodade i äldre språk med sådana som är skrivna i högnivåspråk för att öppna upp industriautomation för framtidssäkrade lösningar med ökad produktivitet, högre avkastning och bättre produktkvalitet till lägre kostnader.