IIoT a PLC: koexistence, nikoli konfrontace

Průmyslový internet věcí slibuje přepracování strojů, reorganizaci procesů a využití síly velkých dat ke zlepšení produktivity a ziskovosti. Podle některých by bylo možné smést ze stolu známé architektury a zařízení, jako jsou programovatelné logické automaty („programmable logic controller“, PLC). Alternativním názorem je, že exploze ve shromažďování dat povede k ještě většímu počtu menších zařízení, jako jsou mikro nebo nano PLC, které lze nasadit téměř kdekoli v továrně.

Velká data; nový nápad?

Průmyslový internet věcí je založen na shromažďování velkého množství dat z procesů a zařízení pro intenzivní analýzu v cloudu. Cílem je posílit reoptimalizaci a reorganizaci procesů, usilovat o zlepšení, jako je snížení odpadu a rychlejší reakce na požadavky zákazníků. Továrny čtvrté průmyslové revoluce (Průmysl 4.0) budou pravděpodobně obsahovat mnoho tisíc senzorů napříč zařízeními a pracovními oblastmi, které budou podávat zprávy o rozmanitých aspektech, jako jsou proudy a vibrace motoru, okolní teplota a vlhkost, měření a kontroly konečných produktů, sériová čísla, čísla šarží a časová razítka.

K úspěchu Průmyslu 4.0 se vyžaduje, aby byly tyto tisíce kanálů dat efektivně shromažďovány do cloudu, kde se uloží, stanoví priority, seskupí a analyzují a nakonec transformují do vylepšených pokynů, které budou komunikovány strojům, a informací k řízení inteligentních firemních rozhodnutí. Očekává se, že se významně změní konstrukce strojů, řídicích systémů a továrních komunikačních sítí, což by mohlo představovat hrozbu pro stávající zařízení, jako jsou programovatelné logické automaty (PLC), u nichž dosud v konvenční automatizaci dominovaly úlohy shromažďování dat, zpracování a řízení.

Touha shromáždit více dat za účelem zlepšení výnosu výroby a pomoci při rozhodování o firmě nepochází z Průmyslu 4.0. Podniky se již dlouho před cloudem snažily shromažďovat rostoucí množství dat ze zařízení a automatizovat výměny mezi analytickými systémy z výrobního závodu a back office. Průmyslový PC (IPC) je jedním z příkladů konceptu, který se objevil, aby umožnil automatizaci založenou na PC s výhodami bezproblémového toku dat k rozhodovacím místům a od nich v podnikové síti LAN. PLC si však zachovává několik výhod, včetně dlouhých životních cyklů a vysoké spolehlivosti, a také se vyvinul tak, aby vyhovoval potřebám trhu zvýšením kapacity zpracování, poskytováním dalších funkcí a začleněním standardů založených na PC.

Konfrontace

Rozšiřování senzorů a další činnosti shromažďování dat v továrnách příští průmyslové éry by potenciálně mohly přesáhnout možnosti současných PLC. Někteří navrhují, že data senzorů budou shromažďována přímo do cloudu pomocí odlehčeného protokolu, jako je MQTT (Telemetry Transport Queuing Transport). Hlavní výhodou dnešního výrobního prostředí bohatého na data je, že protokol MQTT dokáže vynechat velké množství neměnných dat, které může ucpávat sítě při použití konvenčních protokolů typu dotaz/odezva. Model publikování/předplatného MQTT umožňuje chytrým senzorům publikovat pouze nová data pro zařízení nakonfigurovaná k jejich příjmu. Je známým faktem, že některé důležité spotřebitelské IoT a sociální platformy využívají výhod nízkých požadavků na šířku pásma protokolu, nízké latence a nízké spotřeby energie. MQTT je vhodný pro použití v řídicích systémech a moduly MQTT by mohly poskytnout trasu pro odesílání dat IIoT přímo do cloudu. To nabízí praktický způsob zpracování dat generovaných velkým počtem senzorů rozmístěných po připojené továrně.

Koexistence

Alternativně by konvenční centralizovaný PLC mohl být nahrazen několika menšími PLC umístěnými blíže senzorům, které monitorují, a mechanismům, které ovládají. Na scéně se objevují mikro nebo nano PLC určené ke komunikaci jako součást IIoT, aby splnily tento typ role a poskytovaly I/O kanály v malém prostoru s modulárními možnostmi rozšíření.

Společnost Crouzet využívá tuto příležitost díky své řadě em4 nano PLC, jako je například model em4 Ethernet. Toto zařízení em4 měří 124,6 × 90 mm a poskytuje výběr analogových a digitálních IO a reléových výstupů. K dispozici jsou také digitální a analogové rozšiřující I/O moduly, které poskytují velkým nebo malým instalacím flexibilitu. Lze jej naprogramovat nebo ladit odkudkoli v místní síti a lze jej připojit k internetu na vyžádání bez dalších modulů (obrázek 1). Jako pohodlný způsob shromažďování dat ze senzorů může em4 odesílat jednoduché naplánované protokoly dat e-mailem nebo přes FTP či odesílat e-mailová upozornění pod kontrolou aplikačního programu. Tento PLC může komunikovat s až šestnácti dalšími zařízeními v síti a automaticky detekovat až osm připojených jednotek em4. Černobílý displej 18 × 4 a klávesnice se 6 tlačítky poskytují možnost správy PLC přímo z předního panelu.

Obrázek 1: Nano PLC em4 Ethernet se snadno připojuje k dalšímu zařízení v síti LAN nebo na internetu.

Společnost Panasonic má prostorově efektivní ultrakompaktní PLC vhodný pro distribuované monitorování a řízení nebo pro miniaturizaci zařízení. Řada FP0R je 90 mm vysoká a 25 mm široká a poskytuje I/O včetně pulzních výstupů, které umožňují víceosé ovládání motoru. Lze přidat až tři rozšiřující moduly. Vestavěný FeRAM poskytuje automatické zálohování dat bez baterií, což umožňuje vypnutí zařízení bez ztráty dat. PLC může sdílet informace až se šestnácti podobnými zařízeními prostřednictvím PLC-Link připojeného k ethernetové síti prostřednictvím modulu FP Web Server 2. Mezi další funkce pro ovládání motoru patří čítače a výstupy PWM. Připojitelné moduly CC_LINK a IO/LINK využívající oblíbené protokoly poskytují mimořádnou flexibilitu při monitorování sítí a senzorů. PLC em4 společnosti Crouzet a FPOR společnosti Panasonic se programují pomocí standardního programovacího softwaru výrobce.

Společnost Maxim Integrated se s platformou Micro PLC rozhodla poskytovat větší výkon v mnohem menším objemu než tradiční PLC (obrázek 2). Digitální a analogové IO moduly Micro PLC, jako např. 0–10voltový analogový výstupní modul MAXREFDES60, se vejdou do prostoru o velikosti platební karty. Tento formát umožňuje vývojářům dosáhnout konektivity srovnatelné se standardním PLC na přibližně 10 % prostoru při polovičním výkonu. K dispozici jsou další moduly Micro PLC, včetně 4kanálového analogového vstupního modulu, 8kanálového digitálního vstupního a výstupního modulu a komunikační karty RS-485. Všechny obsahují zdrojový kód C a testovací data, která pomáhají urychlit implementaci kompaktních PLC příští generace připravených pro Průmysl 4.0.

Obrázek 2: Micro PLC společnosti Maxim Integrated je kompaktní modulární platforma, která uživateli umožňuje vybrat si z řady I/O desek velikosti platební karty.

Závěr

PLC se v historii průmyslové automatizace vyvíjejí tak, aby poskytovaly spolehlivé a robustní prostředky pro monitorování a řízení procesů a zařízení. Konstruktéři průmyslového vybavení a továren nadále široce využívají PLC díky přizpůsobení požadavkům trhu a vznikajícím standardům konektivity a komunikace. Nejnovější mikro- a nanoformáty by měly PLC v IIoT a v samém jádru Průmyslu 4.0 zajistit jejich pozici.