PLC:ns roll inom industriell styrning och test och mätning

Programmerbara logiska styrenheter (PLC) är industriella datorer som:

• Övervakar och styr tillämpningar inom industriell automatisering
• Utför uppgifter relaterade till test- och mätåtgärder
• Hantering av processliknande funktioner (inklusive de som är relaterade till luftbehandlingssystem) omfattas inte av denna artikel.

PLC:er tar emot data från givare och inmatningsenheter, bearbetar information för att fatta logikbaserade beslut och matar ut styrinstruktioner till mekaniska och elektriska system. De är en typ av inbäddat system som kombinerar en processor och minne med enheter för in-/utgångar (I/O) - ungefär som den kabelanslutna reläbaserade logik samt PC-baserade logik som de konkurrerar med.

När det gäller fysiska mått kan PLC:er idag vara allt från en mycket enkel dator med en integrerad krets (IC) till en stor rackmonterad samling av underordnade styrenhetskomponenter i flera kapslingar. Enklare mikrokontroller-baserade PLC:er eller PLC:er som består av ett system på en krets (SoC) kan vara extremt tillförlitliga och fungera med mycket blygsam strömmatning. Däremot suddar de mest komplicerade PLC:erna ut gränsen för vad som utgör en PLC och allmänna datorer för industriell realtidsstyrning ... även om tillförlitlighet och realtidsprestanda fortfarande betonas för den förstnämnda.

PLC:er var ursprungligen avsedda att ersätta kabelansluten styrlogik baserat på reläer och trumhjulslogik. Dessa tidiga PLC:er behövde endast utföra grundläggande åtgärder genom att omvandla ingångar till utgångar. Alla maskinuppgifter som kräver PID-styrning (proportionell-integral-derivativ) lades ut på ansluten analog elektronik. Nu är PID-kontroller och ännu mer sofistikerade åtgärder en vanlig del av instruktionsuppsättningen i en PLC.

Faktum är att de funktioner som förväntas av PLC:er har mångfaldigats med tiden - så att många PLC:er idag är ganska sofistikerade och kan utföra komplicerade och anpassningsbara rutiner. Den ständigt ökande kraften och minskande storleken för halvledarkretsar (tack vare Moores lag) har möjliggjort en oöverträffad intelligens i mindre styrenheter. Denna trend fortsätter med integrerat stöd för rörelsestyrning, synsystem och kommunikationsprotokoll. I den andra änden av storleksspektrat för PLC:er, finns vissa programmerbara automatiseringsstyrenheter (PAC:er) en PLC med en dator för att ersätta PLC:er och proprietära styrsystem (använder proprietära programmeringsspråk) för vissa tillämpningar. Flera PLC:er integreras idag även i gränssnittet mellan människa och maskin (HMI).

Den industriella digitala miljö där PLC:er verkar

Industriell automatisering är idag beroende av maskinåterkoppling och driftsinformation tillsammans med komplicerade sammankopplingar mellan digitala enheter för att:

• Styra digitala enheter.
• Köra avancerade funktioner - så som de som exempelvis är relaterade till IIoT-anslutning och maskinkonfigurering.
• Möjliggöra mänskligt beslutsfattande om olika maskin- och driftsförhållanden.
• Förbättra den totala produktiviteten och arbetsstyckets kvalitet.

Sådana automatiserade installationer inkluderar olika informationssystem för att lagra, bearbeta och förmedla denna information.

System för planering av materialkrav eller resursplanering av tillverkning (MRP) tillhandahåller produktionsplanering, schemaläggning, ekonomi och lagerstyrning. I motsats till det, lagrar historiksystem tidsbaserad information från givare och instrument för grafisk visning, för att hjälpa operatörer och administrationssystem att förstå och bearbeta automatiseringstrender. Statistisk processkontroll (SPC) är en tillämpning av historik.

Gränssnitten mellan människa och maskin (HMI) är maskinens kontrollpaneler (eller moduler som trådlöst ansluter till mobila enheter) som gör det möjligt för mänskliga operatörer att se information och utfärda kommandon. HMI-funktionerna är närbesläktade med system för övervakningsstyrning och datainsamling (SCADA) som möjliggör realtidsstyrning och övervakning av interaktioner mellan automatiska maskiner med deras HMI:er och historik. Med SCADA kan en HMI styra flera maskiner ... och visa information relaterad till flera enheter.

Tillverkningssystem (MES) inkluderar funktioner som driftschemaläggning och datainsamling. På ett visst sätt kan det anses ligga mellan och överlappa MRP och SCADA.

System för Företagsresursplanering (ERP) integrerar tillverkningsrelaterad MRP, MES, produkters livscykelhantering (PLM) och CRM-informationssystem. ERP-system kan vara monolitiska programvarusviter som hanterar alla dessa funktioner ... eller ett centralt ERP-system som gränssnitt mellan specialprogram från flera leverantörer. Vanligtvis interagerar endast ledningsgruppen med ERP-system - och den största delen av personalen i en viss organisation interagerar med något av de delsystem som förser det med information.

PLC:er arbetar vanligtvis på en nivå under dessa informationssystem. De skickar och tar emot information till och från maskiner, motorer och givare. De kan även interagera med informationsnivån ovanför, skicka information till historiken eller SCADA-system, och ta emot styringångar från ett SCADA eller HMI. Mer sofistikerade PLC:er kan även utföra SCADA- och historikfunktioner ... och till och med HMI-funktioner i ett ökande antal fall.

Figur 1: PLC:er arbetar normalt på en nivå under informationssystemen för automation. (Bildkälla:Jody Muelaner )

Observera att PLC:er inte bara är inblandade i automatisering: De används också för att kontrollera testbänkar (produktutveckling) och uppgifter vid laboratoriemätning.

• Som beskrivits ovan betonar automatisering vanligtvis diagnostik och kräver deterministisk realtidsdrift från PLC:n för verklig effektivitet.
• Däremot lägger PLC:er som används för mätuppgifter mer tonvikt på att utföra mätinsamlingen och andra former av datainsamling snabbt och exakt.

Förmaskinautomationsuppgifter, är PLC:er beroende av realtidsbehandling där fördröjningen mellan en ingång och svarsutgången mäts i millisekunder. Ett realtidsoperativsystem (RTOS) krävs för alla utom de enklaste PLC-funktionerna. Medan många PLC:er fortfarande använder egna operativsystem, finns det ett ökande intresse för öppna standardoperativsystem. Exempelfall: VxWorks är ett proprietärt RTOS som är allmänt licensierat för användning inom industriell styrning. Det används av flera ledande robottillverkare inklusive Kuka och ABB. Eller en variant med öppen källkod är FreeRTOS som distribueras fritt under en MIT-licens för öppen källkod. FreeRTOS innehåller olika bibliotek för Internet of Things (IoT) och har ett brett utbud av automatiseradetillämpningar . Läs mer om detta alternativ i DigiKey-artikelnAnsluta konstruktioner snabbt och säkert till molnet med Amazon FreeRTOS .

För testning- och mätningsuppgifter är PLC:er beroende av realtidsbehandling där fördröjningen mellan fältenhetens mätning och dess insamling mäts i millisekunder. Borta är de dagar då ingenjörer inte hade något annat val än att använda gränssnittsomvandlare och system med överföringskanaler. Nu har smarta kringutrustningsenheter och I/O-enheter gått framåt och förenklat signalinsamlingen via digitala och analoga ingångar.

Dagens konstruktörer har även fler alternativ baserat på standardiserade gränssnitt och kompatibilitet mellan olika tillverkare av komponenter som kan fungera som interoperabla komponenter.

Tänk bara på I/O-komponenter med integrerad PLC-funktionalitet. Dessa är kompatibla med konfigurerbara HMI-enheter som kör operativsystemen Windows eller Linux och har Ethernet-anslutning - men saknar enkla alternativ för omkalibrering eller analog I/O för fältenheter som genererar analoga signaler med låg spänning. Sådana I/O-komponenter fungerar även med PLC:er som är inställda för att samla in information från fjärr-I/O-enheter ... och direkt från givare via sin egen inbyggda I/O.

Figur 2:T7 multifunktionella datainsamlingsenheter (DAQ:ar) inkluderar Ethernet-, USB-, WiFi- och Modbus-anslutningar för att fungera med ett brett utbud av fältenheter samt industriella HMI:er och PLC:er. Modbus/TCP-anslutning ger i synnerhet styrbarhet via olika program- och hårdvarualternativ från tredje part för öppenhet och flexibilitet - vilket i sin tur ger arkitekter för industrisystem såväl som forsknings- och utvecklingsingenjörer (FoU) leverantörsneutrala val för sina datainsamlings- och automatiseringstillämpningar. (Bildkälla: LabJack)

Naturligtvis är PLC:er inte det enda alternativet för maskinautomation eller test och mätning. Eftersom alla industriella styrenheter har blivit mer komplicerade har vissa leverantörer kommit att differentiera viss hårdvara som programmerbara automatiseringsstyrenheter (PAC:er) för att framhäva utökad funktionalitet ... och i många fall, flera processorer på en enda hårdvara. I själva verket har PLC:er också sett en ökad sofistikering - så det finns ingen enkel tumregel för när någon hårdvara som kör PLC-funktioner utgör en PAC. De flesta PAC:er integrerar PLC- och PC-aspekter för att fungera som komplicerade automatiseringssystem med flera PC-baserade tillämpningar samt ett gränssnitt mellan människa och maskin samt historik. En tydlig differentiering är att PAC:er är lättare för utvecklare att använda, eftersom PAC:er har en mer öppen arkitektur än traditionella styrenheter.

Ett annat alternativ idag är modulära PLC:er. Dessa består av moduler som utför olika funktioner. Alla PLC:er måste ha en CPU-modul som inkluderar processor och minne för operativsystemet och programmet. Det kan finnas en separat strömförsörjningsmodul och ytterligare moduler för in-/utgångar (I/O). En PLC kan inkludera både moduler för både digitala och analoga in-/utgångar. Ytterligare en modul kan behövas för nätverkskommunikation.

PLC:n kan antingen vara integrerad - med alla moduler i en enda kapsling - eller modulär. Integrerade PLC:er är mer kompakta men modulära PLC:er är mer mångsidiga, vilket gör att flera moduler enkelt kan kopplas ihop, antingen genom att anslutas direkt till varandra eller genom att använda ett gemensamt rack som buss. Moduler adresseras enligt deras position på bussen. Även om rackets fysiska stödaspekt kan överensstämma med en standard som DIN, så är databussen för det mesta proprietär för PLC-tillverkaren.

PLC:ns roll inom IoT

När intresset för Industry 4.0 (även kallat IIoT) växer, förväntar sig industriella användare i allt högre grad möjligheten att ansluta sina industriella styrenheter till företagsnätverk med internetprotokoll. Detta innebär kommunikation med hjälp av TCP (Transmission Control Protocol) och IP (Internet Protocol) eller helt enkelt bara TCP/IP. IIoT-trenden handlar dock inte bara om att använda internetprotokoll ... den handlar även om maskininlärning och stora data . När PLC:er blir allt mer kraftfulla (och mer avancerade styrenheter har PLC-funktioner som en funktion), har desto fler värdfunktioner såsom synsystem. Internetanslutning gör det också möjligt för konstruktörer (via systemets PLC:er) att nyttja molnbaserade algoritmer för bearbetning av extremt stora datauppsättningar - även kallat stora data - för maskininlärning.

I praktiska tillämpningar utmärker Ethernet för Control Automation Technology (EtherCAT) sig för sådan PLC-funktionalitet med IIoT. Det är ett kommunikationsprotokoll baserat på Ethernet som är lämpligt för realtidstillämpningar med cykeltider på mindre än 0,1 ms - den snabbaste industriella Ethernet-tekniken med möjlighet att synkronisera med en nanosekunds noggrannhet. En annan viktig fördel är flexibiliteten i nätverkstopologin EtherCAT som fungerar utan nätverkshubbar eller switchar. Enheterna kan enkelt kopplas samman i en ring, i serie, i en stjärna eller i en trädkonfiguration. PROFINET är en konkurrerande standard som erbjuder liknande funktioner.

Slutsats

Den nuvarande trenden mot allt mer sofistikerad datainsamling och industriell styrning kommer att fortsätta. Det betyder att PLC:er för industriell automatisering och test och mätning kommer att likna PAC:er ... och integreras med SCADA och historiksystem. Internetprotokoll och öppna standarder som EtherCAT används också konstant för PLC-kommunikation. Sådan anslutning kommer i sin tur att främja en ökad användning av teknik för Industry 4.0 såsom analys av stora data och maskininlärning, vilket delvis underlättas av förmågan att distribuera erforderlig processorkraft och minne till:

• Molnbaserad databehandling
• Edge-enheter som kan bearbeta data

Utöver dessa trender kommer det fortfarande att finnas ett behov av mer traditionella PLC:er för att utföra relativt enkla tester och mätningar samt styrfunktioner med maximal tillförlitlighet och energieffektivitet.