Ipari automatizálási problémák kezelése új generációs PLC hardverrel

A dolgok ipari internetén (IIoT) alapuló automatizálás gyorsabb piacra jutást, jobb termelékenységet, nagyobb biztonságot, alacsonyabb költségeket és minőségnövekedést ígér. Ennek ellenére még mindig vannak olyan akadályok, melyek gátolják ennek teljes körű megvalósulását. A nehezen frissíthető, elavult rendszerek, a túlságosan konzervatív mérnöki hozzáállás, a zárt rendszerek és a szaktudás hiánya mind olyan problémák, amelyek hátráltatják az Ipar 4.0 igazi berobbanását.

Míg a megfelelő szabványokon alapuló technológiák képezik az egymással kommunikálni képes eszközökből felépülő gyárak gerincét, a régi „igáslovak”, a programozható logikai vezérlők (PLC-k) hardvere és szoftvere csak korlátozott lehetőségeket kínál. Ez komoly gondot jelent a mérnökök számára, amikor gyorsan kell olyan korszerűsítéseket végrehajtaniuk a gyár egészén, amelyek az IIoT teljes körű kihasználásához szükségesek. Tovább bonyolítja a helyzetet, hogy a mérnökök azt kockáztatják, hogy a gyárak drága korszerűsítését olyan technológiákra alapozzák, amelyek az újabbak megjelenésével elavulttá válhatnak vagy támogatottságuk megszűnhet.

A tanulságok levonhatók a tárgyak internetének más területeiről, például az intelligens otthonokból, ahol a nyílt rendszerek, az együttműködő platformok és a hozzáférhető szoftverek megkönnyítik a jövőbiztos intelligens megoldások megvalósítását. Az ipari automatizálás gyártói tárt karokkal fogadják az eddig megszerzett tapasztalatokat és tudást.

Ez a cikk az IIoT technológia bevezetésével járó problémákat tárgyalja röviden, majd leírja, hogy a nyílt rendszerek és a gyári automatizálási hardverek terén elért fejlődés milyen megoldásokat kínál. A cikk bemutat egy Phoenix Contact gyártmányú példát a következő generációs PLC hardverre és szoftverre, és megmutatja, hogy ez hogyan egyszerűsíti az adatgyűjtést és az adatok felhőbe küldését elemzés és automatizált döntéshozatal céljából.

A PLC fontossága

A gyárak fő támaszai a PLC-k. Ezek olyan digitális eszközök, amelyeket az 1960-as évek végén a korábbi relés logikai rendszerek felváltására találtak fel. A PLC-ket úgy tervezték, hogy évekig hiba nélkül tudjanak működni durva vagy ellenséges környezetekben. Megbízhatóságuk kulcsa egyszerűségükben rejlik. Abban a ritka esetben, ha valami mégis meghibásodna, a PLC-ket úgy tervezték, hogy a hiba feltárása és az elhárítás után a sorozatgyártás gyorsan folytatódhasson.

Egy-egy készülék tartalmaz egy bemeneti modult (amely digitális és analóg bemeneti eszközöktől, például billentyűzetektől, kapcsolóktól, reléktől és érzékelőktől fogad adatokat), egy tápegységet, egy programozható CPU-t a hozzá tartozó memóriával, valamint egy kimeneti modult, amely információkat küld a csatlakoztatott eszközöknek (1. ábra).

1. ábra: A robusztus és megbízható PLC-k alkotják az automatizált gyárak gerincét (kép: Phoenix Contact)

A hagyományos PLC-k az IEC 61131-3 szabványban meghatározott öt nyelv egyikével programozhatók. Ezek az utasításlista (IL), a szimbolikus folyamatábra (SFC), a létradiagram (LD), a funkcióblokk diagram (FBD) és a strukturált szöveg (ST) programnyelvek. A legnépszerűbb az LD vagy a létradiagram, amelynél szimbólumokat használnak a relék, léptető regiszterek, számlálók, időzítők, matematikai műveletek és más funkciók ábrázolására. Programozáskor a szimbólumokat a kívánt eseménysorrendnek megfelelően rendezik el.

A PLC-gyártók gyorsan alkalmazkodtak a gyári automatizálás terén az ipari Ethernet bevezetésével elért fejlődéshez. Az ipari Ethernet az IP-címekkel interoperábilis, és ez a legszélesebb körben használt vezetékes hálózat, széleskörű gyártói támogatással. Az ipari Ethernet jellemzői a hibatűrő, megbízható hardver és az ipari szabványos szoftver. Egy bevált és kiforrott technológia, amelyet előszeretettel alkalmaznak a gyári automatizálásban (2. ábra). A hardverhez ipari Ethernet protokollok társulnak, többek között az Ethernet/IP, a Modbus TCP és a PROFINET. Ezek mindegyikét úgy tervezték, hogy magas szintű determinisztikus működést biztosítsanak az ipari automatizálási rendszerek számára. (Bővebben a témáról itt: „Robusztus IoT-alkalmazások tervezése ipari Ethernet-alapú táp- és adathálózatok használatával”)

2. ábra: Az ipari Ethernet képezi a modern gyárak kommunikációs gerincét (kép: Phoenix Contact)

Számos mai PLC beépített Ethernet-kapcsolatot kínál, az Ethernet-interfészekkel pedig nem rendelkező régi eszközök esetében az Ethernet-infrastruktúra és a PLC közötti szakadék átjárókkal hidalható át. (Lásd: „Régebbi gyári automatizálási rendszerek csatlakoztatása Ipar 4.0-ás hálózatokhoz a termelés megszakítása nélkül”.)

Következő generációs PLC-k

A modern és régi rendszereket vegyesen tartalmazó gyáraknál az Ipar 4.0 által ígért előnyök kihasználása nehézségekbe ütközhet. A tanulságok levonhatók a tárgyak internetének más területeiről, például az intelligens otthonokból és a logisztikai szektorokból, ahol a nyílt rendszerek, az együttműködő platformok és a hozzáférhető szabványokon alapuló szoftverek megkönnyítik a jövőbiztos intelligens megoldások megvalósítását.

Ezekből a más ágazatokból szerzett ismeretekből a PLC-k és a kapcsolódó rendszerek gyártói levonták a tanulságot, hogy olyan új generációs termékeket kell bevezetniük, amelyek működése hasonló a hagyományos PLC-kéhez, de a régi hardver és szoftver képezte korlátok nélkül. Erre az új generációra példa a Phoenix Contact PLCnext Control technológiája.

Egy olyan termék, mint a Phoenix Contact 1069208 PLCnext vezérlője szoftveres szempontból jelentős előrelépést jelent a nyílt megoldások felé, amelyek kezdik eluralni az IoT más területeit. A PLCnext készülékek például a szoftverek széles skálájával kompatibilisek, így az innovatív gyári automatizálási alkalmazások egyszerűen letölthetők az internetről és a PLC-re telepíthetők, az okostelefonos alkalmazásokhoz hasonlóan.

A PLCnext a Linux operációs rendszerre épül. Továbbra is programozható az IEC 61131-3 szabványban definiált programnyelvekkel, de a Linux könnyebbé teszi a mérnökök számára a PLC programozását a magasabb szintű nyelvek, a C++, a C#, a Java, a Python és a Simulink használatával. Ezek a viszonylag egyszerű nyelvek sokkal szélesebb mérnöki kör számára teszik elérhetővé a modern gyári automatizálást. A PLCnext feladatkezelése emellett olyan, hogy a különböző forrásokból származó programrutinok hagyományos PLC-kódként futtathatók, a magas szintű programnyelvek pedig automatikusan determinisztikusak (3. ábra).

3. ábra: A PLCnext párhuzamos feladatkezelésre képes, és lehetővé teszi a különböző nyelveken írt programrutinok hagyományos PLC-kódként történő futtatását (kép: Phoenix Contact)

A kapcsolatok létrehozása az ipari Ethernettel kompatibilis hardveren keresztül történik, míg a vezérlőrendszer az IP-címzést használó PROFINET protokoll alatt fut, és a PROFICLOUD IoT platformot használja felhőalapú számítástechnikai támogatáshoz. A PLC más nyílt szabványú protokollokat is támogat, többek között a következőket: http, https, FTP, SNTP, SNMP, SMTP, SQL, MySQL és DCP.

A hardver egy 1,3 GHz-es Intel Atom mikroprocesszor köré épül. A PLC 1 GB flashmemóriával és 2048 MB RAM-mal, míg az IEC 61131 futásidejű rendszer 12 MB programmemóriával és 32 MB memóriával rendelkezik a programadatok tárolására. A készülékhez helyi buszon keresztül legfeljebb 63 eszköz csatlakoztatható, és működéséhez 24 voltos tápfeszültséget igényel, 504 mA maximális áramfelvétellel (4. ábra).

4. ábra: A PLCnext PLC-knél a Linux operációs rendszert használják, és ezek az eszközök egyaránt támogatják az IEC 61131-3 szabványban definiált hagyományos PLC programnyelveket és a magasabb szintű nyelveket is (kép: Phoenix Contact)

A Phoenix Contact PLCnext termékcsaládja PLC-ket valamint az ipari automatizálási rendszerekhez kapcsolódó egyéb kritikus elemeket, például kommunikációs modulokat és menedzselhető switcheket (hálózati kapcsolókat) tartalmaz. Konkrét példák ezekre a 2403115 kommunikációs modulok és a 2702981 menedzselhető hálózati címfordító (NAT) switchek. A kommunikációs modul egy gigabit sebességre képes további ipari Ethernet-interfésszel bővíti a PLC-t. A modul független MAC-címmel rendelkezik, támogatja a PROFINET protokollt, és elektromos szigetelést biztosít az Ethernet-interfész és a logikai áramkörök között.

A menedzselhető switch az Ethernet-kapcsolati információk tárolására és továbbítására szolgál, és négy Ethernet RJ45 aljzattal, két SFP aljzattal és két kombinált (RJ45/SFP) aljzattal rendelkezik. A switch a PROFINET-megfelelőségi szabványok szerinti B osztályú termék.

Döntéshozatal javítása a gyárban

A gyári termelés optimalizálása elengedhetetlen, mivel a gyártás pontosságot és megismételhetőséget igényel. A nagyfokú pontosság és ismételhetőség folyamatirányítással biztosítható. A modern gyárakban a gépek IIoT-érzékelőkkel és kamerákkal figyelhetők, illetve a kész alkatrészek ezekkel mérhetők, hogy a termékek közötti apró eltéréseket észlelni és ennek megfelelően a folyamatokat korrigálni lehessen. Más érzékelők figyelik és nyomon követik a gépek állapotát, hogy előre jelezzék a karbantartás szükségességét egy elhasználódott gép meghibásodása előtt. Még több érzékelő figyeli a gyáron belüli hőmérsékleteket, páratartalmat és levegőminőséget.

A PLCnext Control egyik fő jellemzője, hogy a hagyományos PLC-kkel ellentétben hozzá tud férni ezekhez a gyári adatokhoz. A Phoenix Contact szerint elegendő a PLC-t a rendszer analóg és digitális bemeneteinek és kimeneteinek (I/O-k) mindössze 3-5%-ához csatlakoztatni ahhoz, hogy az képes legyen a gyártási folyamatokat átfogóan és jelentős beavatkozás nélkül leképezni.

A PLCnext Control ezután bármilyen felhőszolgáltatáshoz csatlakozhat, beleértve a Phoenix Contact Proficloud.io-t, az Amazon AWS-t vagy a Microsoft Azure-t. Ennek eredményeképpen a gyári rendszer nagy teljesítményű számítástechnikai erőforrásokhoz jut hozzá, hogy az üzemirányítási és karbantartási folyamatok a lehető leghatékonyabban működhessenek. A végeredmény a magasabb termelékenység, a jobb termékminőség és az alacsonyabb költségek.

Kezdeti lépések a PLCnext használatakor

A PLCnext típusú vezérlőkkel és a kapcsolódó eszközökkel való munka viszonylag egyszerű. A PLC-programozási projektek elkezdésének megkönnyítésére a Phoenix Contact az 1188165 jelű PLCnext Technology Starter Kit készletét kínálja. Ez tartalmaz egy 2404267 PLCnext vezérlőmodult (PLC), egy modultartót és egy analóg vagy digitális modult.

A kezdőkészlet használatához a PLC-t és az analóg/digitális modulokat először a 24 voltos egyenáramú (VDC) tápegységhez kell csatlakoztatni. Ezután össze kell kötni a PLC-t és a PC-t egy Ethernet-kábellel, és be kell állítani a PC IP-címét. Ezután a PLC IP-címét be kell gépelni a számítógép böngészőablakába. A PLC a felhasználónévvel és jelszóval történő bejelentkezés után válik működőképessé. További utasításokat a webalapú irányítási rendszer ad. A PLC programozása a PLCnext Engineer szoftver segítségével történik. A szoftver lehetővé teszi a mérnökök számára egy teljes automatizálási megoldás konfigurálását, diagnosztizálását és vizualizálását.

A PLCnext Engineer-ben a programozás és a konfigurálás az IEC 61131-3 szabványban definiált hagyományos nyelvek használatával végezhető, de a magasabb szintű programnyelvek, például a C++ és a C# is egyszerűen használhatók. A PLCnext Engineer mellett a programkódok más népszerű integrált fejlesztőkörnyezetekben (IDE), például az Eclipse-ben vagy a Microsoft Visual Studio-ban is elkészíthetők. A szoftver ezután könyvtárként importálható a PLCnext Engineer programba, és bármely kompatibilis PLC-vel használható (5. ábra).

5. ábra: A PLCnext típusú PLC-k programozása történhet a PLCnext Engineer-ben használható hagyományos programozási nyelvekkel, különböző IDE-k magasabb szintű programnyelveivel vagy modellalapú tervezőrendszerekkel (kép: Phoenix Contact)

A PLCnext technológia egyik fő előnye, hogy több fejlesztő tud párhuzamosan és egymástól függetlenül dolgozni egyetlen PLC programon, még akkor is, ha különböző programozási nyelveket használnak. Ez lehetővé teszi az összetett alkalmazások gyors fejlesztését, valamint azt, hogy a hagyományos és a magasabb szintű programnyelveket ismerő fejlesztők képességeinek egyesítését.

Összegzés

Az IIoT a gyárak átalakulását ígéri. Ennek ellenére, habár a mérnökök már megkezdték az ipari Ethernet telepítését, a korlátozott csatlakozási képeségekkel és elavult szoftverrel rendelkező hagyományos PLC-k visszafogják a gyári automatizálásban rejlő teljes potenciál kibontakozását. A Phoenix Contact PLCnext technológiája nyílt rendszereken, együttműködő platformokon és hozzáférhető szoftvereken alapul. Ezek az eszközök a régebbi programozási nyelveken írt programoknak a magasabb szintű nyelveken írt rutinokkal való kombinálására képesek, utat nyitva az ipari automatizálási ágazaton belül a nagyobb termelékenységet, nagyobb hozamot, jobb termékminőséget és alacsonyabb költségeket biztosító, jövőbe mutató megoldások felé.