Řešení problematiky průmyslové automatizace s novou generací hardwaru automatů PLC

Automatizace založená na průmyslovém internetu věcí (IIoT) slibuje rychlejší uvedení na trh, vyšší produktivitu, vyšší bezpečnost, nižší náklady a vyšší kvalitu. To znamená, že stále existují překážky. Starší systémy s obtížným upgradem, příliš konzervativní přístupy konstrukčních oddělení, uzavřené systémy a nedostatek odborných znalostí jsou jen některé z problémů, které brzdí vývoj koncepce Industry 4.0.

Zatímco vhodné technologie založené na standardech tvoří páteř připojené továrny, mnoho staršího, nebo „tahounového“ hardwaru a softwaru programovatelných logických automatů (PLC) má omezené možnosti. Proto je pro konstruktéry náročné rychle implementovat celotovární upgrady, které jsou potřeba k plnému využití průmyslového internetu věcí (IIoT). Celou situaci dále komplikuje skutečnost, že konstruktéři riskují zakládání nákladných upgradů továren na technologiích, která by mohly se zaváděním nových zařízení zastarávat nebo ztrácet podporu.

Poučení lze získat z jiných oblastí internetu věcí (IoT), jako je chytrá domácnost, kde otevřené systémy, platformy pro spolupráci a dostupný software usnadňují implementaci inteligentních řešení, která obstojí v budoucnu. Výrobci průmyslové automatizace tyto zkušenosti a znalosti využívají.

Tento článek stručně pojednává o problematice nasazování technologií IIoT a vysvětluje, jaká řešení nabízejí pokroky v oblasti otevřených systémů a hardwaru pro automatizaci výroby. Článek představuje příklad implementace hardwaru a softwaru programovatelných logických automatů (PLC) nové generace od společnosti Phoenix Contact a ukazuje, jak tato implementace zjednodušuje shromažďování dat a jejich odesílání do cloudu za účelem analýzy a automatizovaného rozhodování.

Význam programovatelných logických automatů (PLC)

Základem výroby je programovatelný logický automat (PLC), tedy digitální zařízení vynalezené koncem 60. let 20. století, které nahradilo dřívější reléové logické systémy. Automaty PLC jsou navrženy tak, aby pracovaly v náročných prostředích bez selhání po mnoho let. Klíčem k této spolehlivosti je orientace na jednoduchost. Pro vzácné případy selhání některého zařízení jsou automaty PLC navrženy tak, aby řešily a opravovaly problémy s možností rychlého obnovení hromadné výroby.

Jednotky se skládají ze vstupního modulu (příjem dat z digitálních a analogových vstupních zařízení, jako jsou klávesnice, spínače, relé a senzory), napájecího zdroje, programovatelného procesoru CPU s přidruženou pamětí a výstupního modulu pro odesílání informací do připojených zařízení (obr. 1).

Obrázek 1: robustní a spolehlivé automaty PLC jsou páteří automatizace továren. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Konvenční automaty PLC se programují pomocí jednoho z pěti jazyků definovaných normou IEC 61131-3. Patří mezi ně seznam instrukcí (IL), symbolický vývojový diagram (SFC), kontaktní schéma (LD), schéma funkčních bloků (FBD) a strukturovaný text (ST). Nejoblíbenější je LD neboli jazyk kontaktních schémat, která používá symboly k reprezentaci funkcí, jako jsou relé, posuvné registry, čítače, časovače a matematické operace. Symboly jsou uspořádány podle požadovaného sledu událostí.

Výrobci automatů PLC se rychle přizpůsobují pokroku v automatizaci výroby, kterého bylo dosaženo díky implementaci průmyslového Ethernetu. Průmyslový Ethernet je IP interoperabilní, představuje nejrozšířenější možnost kabelové sítě a nabízí rozsáhlou podporu dodavatelů. Průmyslový Ethernet se vyznačuje odolným hardwarem a průmyslovým standardním softwarem a jedná se o osvědčenou a vyspělou technologii automatizace továren (obrázek 2). Hardware je doplněn protokoly průmyslového Ethernetu, včetně Ethernet/IP, Modbus TCP a PROFINET. Každý z nich je navržen tak, aby zajišťoval vysoký stupeň determinismu pro aplikace průmyslové automatizace. (Viz článek „Návrhy pro odolné aplikace IoT využívající výkonové a datové sítě na bázi průmyslového Ethernetu“.)

Obrázek 2: průmyslový Ethernet je komunikační páteří moderní výroby. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Mnoho dnešních automatů PLC nabízí vestavěnou ethernetovou konektivitu. U starších zařízení s jinými než ethernetovými rozhraními je předěl mezi ethernetovou infrastrukturou a automaty PLC přemostěn branami. (Viz článek „Jak propojit starší systémy tovární automatizace s koncepcí Industry 4.0 bez přerušení“.)

Příští generace programovatelných logických automatů (PLC)

Výroba, která používá kombinaci moderních a starších systémů, může konstruktérům ztížit využití všech výhod, které slibuje koncepce Industry 4.0. Poučení z jiných oblastí internetu věcí (IoT), jako je inteligentní domácnost a logistika, však odhalují, že otevřené systémy, platformy pro spolupráci a dostupný software založený na standardech usnadňují implementaci inteligentních řešení pro budoucnost.

Znalosti získané z těchto dalších sektorů motivují výrobce automatů PLC a souvisejících systémů, aby přicházeli s novými generacemi produktů pracujících jako tradiční automaty PLC, které však nejsou svázány omezeními staršího hardwaru a softwaru. Příkladem této nové generace je technologie PLCnext Control společnosti Phoenix Contact.

Produkt, jakým je automat PLCnext 1069208 od společnosti Phoenix Contact, představuje z hlediska softwaru významný posun směrem k otevřeným řešením, která začínají dominovat v dalších oblastech IoT. Automat PLCnext je například kompatibilní se širokou škálou softwaru, takže inovativní aplikace pro automatizaci výroby lze snadno stáhnout z internetu a nainstalovat do automatu PLC podobně, jako aplikace pro chytrý telefon.

Programovatelný logický automat PLCnext využívá operační systém (OS) Linux. Ačkoli lze automat stále programovat pomocí jazyků definovaných v normě IEC 61131-3, systém Linux konstruktérům usnadňuje programování automatů PLC v jazycích vyšší úrovně, tedy C++, C#, Java, Python a Simulink. Tyto snadno použitelné jazyky zpřístupňují moderní automatizaci výroby mnohem širší skupině inženýrů. Automat PLCnext nabízí zpracování úloh, které umožňuje spouštění programových rutin z různých zdrojů v režimu staršího kódu PLC, přičemž programy v jazyce na vysoké úrovni se automaticky stávají deterministickými (obrázek 3).

Obrázek 3: technologie PLCnext nabízí zpracování úloh umožňující chod programových rutin z různých zdrojů v režimu staršího kódu PLC. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Konektivita je realizována prostřednictvím hardwaru průmyslového Ethernetu; řídicí systém běží pod IP interoperabilním protokolem PROFINET a využívá platformu PROFICLOUD IoT pro podporu cloud computingu. Automat PLC také podporuje další protokoly s otevřeným standardem, jako jsou http, https, FTP, SNTP, SNMP, SMTP, SQL, MySQL a DCP.

Hardware je založen na mikroprocesoru Intel Atom běžícím na frekvenci 1,3 GHz. Automat PLC obsahuje 1 GB flash paměti a 2048 megabajtů (Mbyte) paměti RAM. Runtime systém IEC 61131 obsahuje 12 MB programové paměti a úložiště programových dat o velikosti 32 MB. Jednotka schopná podporovat až 63 zařízení na místní sběrnici vyžaduje napájení 24 V s maximálním odběrem proudu 504 mA (obrázek 4).

Obrázek 4: automaty PLCnext PLC používají operační systém Linux a podporují starší jazyky definované normou IEC 61131-3 společně s jazyky vyšší úrovně. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Produkty řady PLCnext od společnosti Phoenix Contact zahrnují automaty PLC a další kritické prvky systému průmyslové automatizace, jako jsou komunikační moduly a řízené přepínače. Konkrétními příklady jsou komunikační modul 2403115 a řízený přepínač překladu síťových adres (NAT) 2702981. Komunikační modul rozšiřuje automat PLC o přídavné gigabitové rozhraní průmyslového Ethernetu. Modul používá nezávislou MAC adresu, nabízí podporu protokolu PROFINET a zahrnuje elektrickou izolaci mezi rozhraním Ethernet a logikou.

Řízený přepínač, který se používá k ukládání a předávání informací přenášených přes síť Ethernet, obsahuje čtyři porty Ethernet RJ45, dva zásuvné porty a malým tvarovým faktorem (SFP) a dva kombinované porty (RJ45/SFP). Spínač je produkt ve shodě s protokolem PROFINET Class B.

Zlepšení rozhodování ve výrobě

Vzhledem k tomu, že výroba vyžaduje přesnost a opakovatelnost, je optimalizace tovární výroby je nutností. Klíčem k zajištění vysoké úrovně přesnosti a opakovatelnosti je řízení procesu. V moderní výrobě mohou senzory a kamery IIoT monitorovat stroje a měřit hotové součásti, zachycovat tak jakékoli drobné odchylky v produktu a podle toho opravovat proces. Jiné senzory sledují stav strojů a předpovídají požadavky na jeho údržbu dříve, než opotřebovaný stroj začne selhávat. Ještě více senzorů sleduje tovární teplotu, vlhkost a kvalitu vzduchu.

Klíčovou vlastností programovatelných automatů PLCnext Control je skutečnost, že na rozdíl od tradičních automatů PLC jsou schopné se na tato výrobní data napojit. Podle společnosti Phoenix Contact stačí k automatu PLC připojit pouze 3 až 5 % analogových a digitálních systémových vstupů a výstupů (I/O), aby bylo možné komplexně a bez výrazných zásahů mapovat výrobní procesy.

Automat PLCnext Control se pak může připojit k jakékoli cloudové službě, včetně Proficloud.io od společnosti Phoenix Contact, AWS od společnosti Amazon nebo Azure od společnosti Microsoftu. Tovární systém pak díky získání přístupu k výkonným výpočetním prostředkům zajišťuje co nejefektivnější chod procesů řízení provozu a údržby. Výsledkem je vyšší produktivita, lepší kvalita produktů a nižší náklady.

Začínáme s automatem PLCnext

Práce s automaty PLCnext a souvisejícími jednotkami je poměrně jednoduchá. Jako pomoc při zahájení projektu programování automatů PLC zavedla společnost Phoenix Contact startovací sadu technologie PLCnext 1188165. Sada obsahuje programovatelný logický automat PLCnext (PLC) 2404267, nosič modulu a výběr analogových nebo digitálních modulů.

Používání startovací sady vyžaduje, aby jednotky automatu PLC a analogového/digitálního modulu byly nejprve připojeny k napájecímu napětí 24 V DC (VDC). Dále se provede propojení automatu PLC s počítačem pomocí ethernetového kabelu a nastaví se IP adresa počítače. Poté se do okna prohlížeče v počítači zadá IP adresa automatu PLC. Automat PLC bude uveden do provozu po přihlášení uživatelů jménem a heslem. Další pokyny jsou uvedeny ve webovém systému správy. Programování automatu PLC se provádí pomocí softwaru PLCnext Engineer. Software umožňuje technikovi konfigurovat, diagnostikovat a vizualizovat celé řešení automatizace.

Platforma PLCnext Engineer umožňuje programování a konfiguraci pomocí starších jazyků definovaných v normě IEC 61131-3. Je také snadné programovat v jazycích vyšší úrovně, jako jsou C++ a C#. Kromě platformy PLCnext Engineer lze kód zabudovat také v dalších populárních integrovaných vývojových prostředích (IDE), jako je Eclipse nebo Microsoft Visual Studio. Software lze poté importovat do platformy PLCnext Engineer jako knihovnu pro použití s jakýmkoli kompatibilním automatem PLC (obrázek 5).

Obrázek 5: logické automaty PLCnext PLC lze programovat pomocí starších jazyků z platformy PLCnext Engineer, jazyků vyšší úrovně z rozhraní IDE nebo z modelově orientovaných návrhových systémů. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Zásadní výhodou technologie PLCnext je umožnění nezávislé a současné práce několika vývojářů na jediném programu automatu PLC i tehdy, pokud používají různé programovací jazyky. Toto řešení umožňuje rychlý vývoj složitých aplikací a dovoluje spojit talenty vývojářů se znalostmi starších programovacích jazyků a těch, kteří ovládají programovací jazyky na vyšší úrovni.

Závěr

Průmyslový internet věcí (IIoT) slibuje transformaci výroby. Ačkoli konstruktéři instalují průmyslový Ethernet, úplný potenciál automatizace továren je brzděn tradičními automaty PLC nabízejícími omezenou konektivitu a zastaralý software. Technologie PLCnext od společnosti Phoenix Contact je založena na otevřených systémech, platformách pro spolupráci a dostupném softwaru. Tato technologie může kombinovat rutiny kódované ve starších jazycích s rutinami napsanými v jazycích vyšší úrovně a otevřít tak průmyslovou automatizaci řešením připraveným na budoucnost se zvýšenou produktivitou, vyššími výnosy, lepší kvalitou produktů a nižšími náklady.