Håndtere utfordringer relatert til industriautomatisering, med en ny generasjon PLS-maskinvare

Automatisering basert på det industrielle tingenes Internett (IIoT – Industrial Internet of Things) lover å få ferdige produkter raskere ut på markedet, forbedret produktivitet, økt sikkerhet, lavere kostnader og høyere kvalitet. Det er imidlertid fortsatt noen utfordringer. Eldre systemer som er vanskelige å oppgradere, altfor konservative produktutviklingsavdelinger, lukkede systemer og mangel på spesialkunnskap, er noen av problemene som holder tilbake Industri 4.0-revolusjonen.

Selv om egnede standardbaserte teknologier utgjør ryggraden i tilkoblede fabrikker, har mange eldre (legacy) programmerbare PLS-maskinvarer og -programvarer, ansett som «arbeidsgamper», begrensede muligheter. Dette gjør det utfordrende for teknikere å raskt implementere de fabrikkomfattende oppgraderingene som trengs for å dra full nytte av IIoT. For å gjøre ting enda mer kompliserte, risikerer teknikere å basere dyre fabrikkoppgraderinger på teknologi som kan bli utdatert eller som ikke støttes etter hvert som ny teknologi introduseres.

Vi kan lære av andre deler av IoT, for eksempel det smarte hjemmet, der åpne systemer, samarbeidsplattformer og tilgjengelig programvare gjør det enklere å implementere fremtidssikre intelligente løsninger. Produsenter av industriautomatisering omfavner denne erfaringen og kunnskapen.

Denne artikkelen tar kort for seg utfordringen med å implementere IIoT-teknologi, og forklarer hvordan fremskritt innen åpne systemer og maskinvare for fabrikkautomatisering tilbyr løsninger. Artikkelen introduserer et eksempel på implementering av neste-generasjons PLS-maskinvare og -programvare fra Phoenix Contact, og viser hvordan dette kan forenkle innsamling av data og sende disse dataene til skyen for analyse og automatisert beslutningstaking.

PLS-ens betydning

Grunnpilaren i fabrikken er PLS-en, en digital enhet som ble oppfunnet på slutten av 1960-tallet for å erstatte tidligere relélogiske systemer. PLS-er er utviklet for å fungere i vanskelige miljøer over mange år, uten å svikte. Nøkkelen til denne påliteligheten, er fokuset på enkelhet. I sjeldne tilfeller hvor en PLS svikter, er den utviklet for å feilsøke og fikse problemer slik at volumproduksjonen kan gjenopptas raskt.

Enhetene omfatter en inngangsmodul (som mottar data fra digitale og analoge inngangsenheter som tastaturer, svitsjer, reléer og sensorer), en strømforsyning, en programmerbar CPU med tilknyttet minne og en utgangsmodul for å sende informasjon til tilkoblede enheter (figur 1).

Figur 1: Robuste og pålitelige PLS-er er ryggraden i fabrikkautomatisering. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Konvensjonelle PLS-er er programmert ved å bruke ett av fem språk definert av IEC 61131-3. Disse inkluderer instruksjonsliste (IL – instruction list), symbolsk flytskjema (SFC – symbolic flowchart), stigediagram (LD – ladder diagram), funksjonsblokkskjema (FBD – function block diagram) og strukturert tekst (ST – structured text). Den mest populære er LD, eller stigediagram, som bruker symboler til å representere funksjoner som reléer, skiftregistre, tellere, timere og matematiske handlinger. Symbolene er sortert i henhold til ønsket hendelsessekvens.

PLS-produsenter tilpasser seg raskt til fremdriften innen fabrikkautomatisering som har blitt gjort gjennom implementeringen av industrielt Ethernet. Industrielt Ethernet er IP-kompatibelt, er det mest brukte alternativet for kablede nettverk og har utvidet leverandørstøtte. Industrielt Ethernet er preget av robust maskinvare og industriell standardprogramvare, og det er en velprøvd og moden teknologi for fabrikkautomatisering (figur 2). Maskinvaren suppleres av protokoller for industrielt Ethernet, deriblant Ethernet/IP, Modbus TCP og Profinet. Hver av disse er utviklet for å sikre et høyt nivå av determinisme for bruksområder innen industriautomatisering. (Se «Utvikling av robuste IoT-konstruksjoner som bruker strøm- og datanettverk basert på industrielt Ethernet».)

Figur 2: Industrielt Ethernet danner kommunikasjonsryggraden i moderne fabrikker. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Mange av dagens PLS-er tilbyr integrert Ethernet-tilkobling. For eldre enheter med ikke-Ethernet-grensesnitt, er skillet mellom Ethernet-infrastrukturen og PLS-en sammenkoblet (bridged) med gatewayer. (Se «Slik kobler du eldre fabrikkautomatiseringssystemer til Industri 4.0 uten avbrudd».)

Neste generasjons PLS-er

En fabrikk som bruker en blanding av moderne og eldre systemer, kan gjøre det vanskelig for teknikere å dra full nytte av fordelene som Industri 4.0 tilbyr. Erfaringer fra andre deler av IoT, for eksempel smarthus- og logistikksektoren, viser imidlertid at åpne systemer, samarbeidsplattformer og tilgjengelig standardbasert programvare gjør det enklere å implementere fremtidssikre intelligente løsninger.

Kunnskapen fra disse andre sektorene oppfordrer produsenter av PLS-er og tilknyttede systemer til å introdusere en ny generasjon av produkter som fungerer som tradisjonelle PLS-er, men som ikke er hindret av begrensningene til eldre maskinvare og programvare. Et eksempel på denne nye generasjonen, er Phoenix Contact sin PLCnext Control-teknologi.

Fra et programvareperspektiv representerer et produkt som Phoenix Contacts 1069208 PLCnext-styring et betydelig skritt mot de åpne løsningene som begynner å dominere andre områder av IoT. For eksempel er PLCnext kompatibel med et bredt utvalg av programvare, slik at innovative apper for fabrikkautomatisering enkelt kan lastes ned fra Internett og installeres på PLS-en, på samme måte som apper på en smarttelefon.

PLCnext bruker operativsystemet Linux (OS). Det kan fortsatt programmeres ved hjelp av språkene som er definert i IEC 61131-3, men Linux gjør det enkelt for teknikere å programmere PLS-en ved hjelp av språkene på høyere nivå, slik som C++, C#, Java, Python og Simulink. Disse brukervennlige språkene gjør moderne fabrikkautomasjon tilgjengelig for en mye bredere gruppe av teknikere. I tillegg har PLCnext oppgavehåndtering som gjør det mulig for programrutiner fra forskjellige kilder å kjøre som eldre PLS-kode, med språkprogrammer på høyt nivå som automatisk blir deterministiske (figur 3).

Figur 3: PLCnext har oppgavehåndtering som gjør det mulig å kjøre programrutiner fra forskjellige kilder som eldre PLS-kode. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Konnektivitet skjer via industriell Ethernet-maskinvare. Styringssystemet kjører under den IP-driftskompatible PROFINET-protokollen og bruker PROFICLOUD IoT-plattformen for skybasert databehandling. PLS-en støtter også andre åpne standardprotokoller som http, https, FTP, SNTP, SNMP, SMTP, SQL, MySQL og DCP.

Maskinvaren er basert på en Intel Atom-mikroprosessor som kjører 1,3 gigahertz (GHz). PLS-en har 1 gigabyte (GB) flashminne og 2048 megabyte (MB) RAM. Kjøretidssystemet (runtime system) IEC 61131 har 12 MB programminne og 32 MB programdatalagring. Enheten kan støtte opptil 63 lokale bussenheter og krever strømforsyning på 24 volt med et maksimalt strømforbruk på 504 milliampere (mA) (figur 4).

Figur 4: PLCnext PLS-er bruker operativsystemet Linux og støtter eldre språk som er definert i IEC 61131-3, i tillegg til språk på høyere nivå. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Phoenix Contact sin PLCnext-serie inkluderer PLS-er og andre kritiske elementer i et industrielt automatiseringssystem, for eksempel kommunikasjonsmoduler og administrerte svitsjer (managed switches). Spesifikke eksempler omfatter kommunikasjonsmodulen 2403115 og den administrerte NAT-svitsjen (NAT – network address translation) 2702981. Kommunikasjonsmodulen legger til et ekstra gigabit-kompatibelt industrielt Ethernet-grensesnitt til PLS-en. Modulen har en uavhengig MAC-adresse, tilbyr PROFINET-støtte og inkluderer elektrisk isolasjon mellom Ethernet-grensesnittet og logikken.

Den administrerte svitsjen brukes til lagring og videresending (forwarding) av Ethernet-transportert informasjon, og den har fire Ethernet RJ45-porter, to SFP-porter (SFP – small form-factor pluggable) og to kombinasjonsporter (RJ45/SFP). Svitsjen er et produkt som er i PROFINET-samsvarsklasse B.

Forbedre beslutningstaking i fabrikken

Optimalisering av fabrikkproduksjon er svært viktig fordi den krever presisjon og repeterbarhet. Nøkkelen til å sikre høy presisjon og repeterbarhet, er prosesstyring. I den moderne fabrikken kan IIoT-sensorer og -kameraer overvåke maskiner og måle ferdige komponenter for å fange opp mindre avvik i produktet og korrigere prosessen i henhold til dette. Andre sensorer holder oversikt over helsen til maskiner for å forutsi vedlikeholdsbehov før en slitt maskin begynner å svikte. Enda flere sensorer holder styr på fabrikkens temperatur, fuktighet og luftkvalitet.

En av de viktigste funksjonene til PLCnext Control er at den, i motsetning til tradisjonelle PLS-er, kan benytte seg av disse fabrikkdataene. Ifølge Phoenix Contact er det tilstrekkelig å koble PLS-en til bare 3–5 % av systemets analoge og digitale innganger og utganger (I/O-er) for at den skal kunne kartlegge produksjonsprosessene fullstendig og uten vesentlige inngrep.

PLCnext Control kan deretter koble til en hvilken som helst skytjeneste, for eksempel Phoenix Contacts Proficloud.io, Amazons AWS eller Microsofts Azure. Som et resultat får fabrikksystemet tilgang til kraftige databehandlingsressurser for å sikre at driftsstyring og vedlikeholdsprosesser kjører så effektivt som mulig. Resultatet er høyere produktivitet, bedre produktkvalitet og lavere kostnader.

Komme i gang med PLCnext

Det er relativt enkelt å arbeide med PLCnext-styringer og relaterte enheter. For å hjelpe kunder komme i gang med et PLS-programmeringsprosjekt, har Phoenix Contact introdusert 1188165 PLCnext Technology Starter Kit (teknologistartpakke). Settet består av en 2404267 PLCnext-styringsmodul (PLS), en modulbærer og et utvalg av analoge eller digitale moduler.

For å bruke startpakken må PLS-en og de analoge/digitale modulenhetene først kobles til den 24-volts likestrømsforsyningen (VDC). Deretter kobles en Ethernet-kabel mellom PLS-en og datamaskinen, og datamaskinens IP-adresse angis. Deretter skrives IP-adressen til PLS-en inn i et nettleservindu på datamaskinen. PLS-en blir operativ etter at brukerne logger inn med brukernavnet og passordet sitt. Det nettbaserte administrasjonssystemet kommer med flere administrasjonsinstruksjoner. Programmering av PLS-en gjøres ved hjelp av PLCnext Engineer-programvaren. Programvaren gjør det mulig for en tekniker å konfigurere, diagnostisere og visualisere en hel automatiseringsløsning.

PLCnext Engineer muliggjør programmering og konfigurasjon ved å bruke de eldre språkene som er definert i IEC 61131-3. Det er også enkelt å programmere i språk på høyere nivå, for eksempel C++ og C#. I tillegg til PLCnext Engineer, kan kode bygges inn i andre populære integrerte utviklingsmiljøer (IDE – Integrated Development Environment) som Eclipse eller Microsoft Visual Studio. Programvaren kan deretter importeres til PLCnext Engineer som et bibliotek, slik at det kan brukes med en hvilken som helst kompatibel PLS (figur 5).

Figur 5: PLCnext PLS-er kan programmeres ved å bruke eldre språk fra PLCnext Engineer, språk på høyere nivå fra IDE-er eller fra modellbaserte designsystemer. (Bildekilde: Phoenix Contact)

En viktig fordel med PLCnext-teknologien er at den gjør det mulig for flere utviklere å arbeide uavhengig og parallelt på ett enkelt PLS-program, selv om de bruker forskjellige programmeringsspråk. Dette muliggjør rask utvikling av komplekse applikasjoner, og det gjør det mulig for utviklere med kunnskap i eldre språk og utviklere med kunnskap i høyere språk, å kombinere talentene sine.

Konklusjon

IIoT lover å forvandle fabrikken. Men, selv om teknikere installerer industrielt Ethernet, holdes det fulle potensialet til fabrikkautomatisering tilbake av tradisjonelle PLS-er som tilbyr begrenset konnektivitet og datert programvare. PLCnext-teknologien fra Phoenix Contact er basert på åpne systemer, samarbeidsplattformer og tilgjengelig programvare. Den kan kombinere rutiner kodet i eldre språk med de som er skrevet i språk på høyere nivå, for å åpne industriautomatisering opp for fremtidssikre løsninger med forbedret produktivitet, høyere avkastning, bedre produktkvalitet og lavere kostnader.