PLS-ens rolle i industriell styring og testing og måling

Programmerbare logiske styringer (PLS) er industrielle datamaskiner som kan gjøre følgende:

• Overvåke og styre installasjoner med industriell automatisering
• Utføre oppgaver knyttet til test- og måleoperasjoner
• Utføre prosessrelaterte funksjoner (inkludert de som er relatert til VVS-systemer) som ikke er en del av innholdet i denne artikkelen.

PLS-er mottar data fra sensorer og inngangsenheter, behandler dataene for å ta logiske beslutninger og sender ut styringsinstruksjoner til mekaniske eller elektriske systemer. De er en type integrert system som kombinerer datamaskinprosessor og minne med inn- og utgangsenheter (IO-enheter) – omtrent som den kabeltilkoblede relébaserte logikken og PC-baserte logikken som de konkurrerer med.

Når det gjelder fysisk form, kan PLS-er i dag være alt fra en svært enkel datamaskin som har en IC-morfologi til en stor rackmontert samling av styringsunderkomponenter som er plassert i flere chassiser. Enklere mikrokontrollerbaserte PLS-er eller PLS-er som er av typen SoC (System on a Chip) kan være ekstremt pålitelige og fungere med veldig beskjeden inngangseffekt. Til sammenligning slører de mest komplekse PLS-ene grensene mellom det som utgjør en PLS og generelle datamaskiner for industriell sanntidsstyring … selv om pålitelighet og ytelse i sanntid fremdeles blir vektlagt for førstnevnte.

Opprinnelig var PLS-er ment å erstatte direkte kablet styringslogikk basert på reléer og trommesequencere (drum sequencers). Disse tidlige PLS-ene måtte bare utføre grunnleggende operasjoner ved å transformere innganger til utganger. For alle maskinoppgaver som krevde PID (proportional-integral-derivative), ble styring outsourcet til tilknyttet analog elektronikk. Nå er PID-styringer og enda mer sofistikert drift en del av PLS-instruksjonssett som standard.

Funksjonene som forventes av PLS-er har faktisk blitt mer utbredt over tid – så mange PLS-er i dag er ganske sofistikerte og i stand til å utføre kompliserte og adaptive rutiner. Den stadig økende kraften og reduserte størrelsen til halvlederbrikker (takket være Moores lov) har muliggjort uovertruffen intelligens fra mindre styringer. Denne trenden fortsetter med integrert støtte for bevegelsesstyring, synssystemer og kommunikasjonsprotokoller. I den andre enden av PLS-størrelsesspekteret integrerer noen programmerbare automatiseringsstyringer (PAC – programmable automation controllers) en PLS med en PC for å erstatte PLS-er og proprietære styringssystemer (som kjører med proprietære programmeringsspråk) for visse bruksområder. Flere PLS-er i dag blir også integrert i grensesnitt mellom maskiner og mennesker (HMI – human-machine interfaces).

De industrielle digitale omgivelsene som PLS-er opererer i

Industriell automatisering er i dag avhengig av maskinfeedback og driftsdata, sammen med komplekse forbindelser mellom digitale enheter, for å gjøre følgende:

• Styre digitale enheter.
• Kjøre avanserte funksjoner – for eksempel de som er relatert til IIoT-konnektivitet og maskinrekonfigurerbarhet.
• Aktivere menneskelig beslutningstaking om ulike maskin- og driftsforhold.
• Forbedre den generelle produktiviteten og kvaliteten til arbeidsstykket.

Slike automatiserte installasjoner inkluderer ulike informasjonssystemer for lagring, behandling og betjening av disse dataene.

Systemer for planlegging av materialkrav eller produksjonsressurser (MRP – material requirements planning eller manufacturing resource planning) tilbyr produksjonsplanlegging, tidsplanlegging, finans og lagerstyring. Til sammenligning lagrer historikersystemer (historian systems) tidsseriedata fra sensorer og instrumenter for grafisk plotting som kan hjelpe operatører og styringssystemer med å forstå og behandle automatiseringstrender. Statistisk prosesstyring (SPC – statistical process control) er ett historikerprogram.

Grensesnitt mellom mennesker og maskiner (HMI) er maskinstyringspaneler (eller moduler som kobles trådløst til mobile enheter) som gir menneskelige operatører muligheten til å vise data og utstede kommandoer. Tilsynsstyring og datainnhenting (SCADA – supervisory control and data acquisition), som er nært beslektet med HMI-funksjoner, er systemer som muliggjør styring og overvåking av samspillet mellom automatiserte maskiner og tilknyttede HMI-er og historikere i sanntid. Ved å bruke SCADA, kan en HMI styre flere maskiner … og vise data relatert til flere enheter.

MES-systemer (MES – manufacturing execution systems) omfatter funksjoner som driftsplanlegging og datainnsamling. De kan, i noen tilfeller, sees på som å komme mellom og overlappe med MRP og SCADA.

Systemer for virksomhetsressursplanlegging (ERP– enterprise resource planning) integrerer produksjonsrelaterte systemer for MRP, MES, administrasjon for produktlivssyklus (PLM – product lifecycle management) og CRM-informasjon. ERP-systemer kan være monolitiske programvarepakker som håndterer alle disse funksjonene … eller et kjerne-ERP-system som lar seg kombinere med spesialiserte konstruksjoner fra flere leverandører. Vanligvis er det bare den øverste ledelsen som samhandler med ERP-en – og mesteparten av personellet i en gitt organisasjon samhandler med ett av komponentsystemene som mates inn i den.

PLS-er opererer vanligvis på et nivå som ligger under disse informasjonssystemene. De sender og mottar informasjon til og fra maskiner, motorer og sensorer. De kan også samhandle med informasjonsnivået ovenfor, sende data til historikeren eller SCADA-en, eller motta styringsinndata fra SCADA-en eller HMI-en. Mer sofistikerte PLS-er kan også utføre SCADA- og historikerfunksjoner … og til og med HMI-funksjoner i et økende antall tilfeller.

Figur 1: PLS-er fungerer vanligvis på et nivå under informasjonssystemene for automatisering. (Bildekilde: Jody Muelaner)

Vær oppmerksom på at PLS-er ikke bare er involvert i automatisering: De anvendes også for styring av testbenk- (produktutvikling) og laboratoriemålingsoppgaver.

• Som beskrevet ovenfor, legger automatisering generelt vekt på diagnostikk og krever deterministisk sanntidsdrift fra PLS-en for å oppnå reell effektivitet.
• Til sammenligning legger PLS-er som brukes i måleoppgaver mer vekt på rask og nøyaktig utføring av måleinnsamling og andre typer datainnsamling.

For maskinautomatiseringsoppgaver er PLS-er avhengige av sanntidsbehandling, der forsinkelsen mellom en inngang og responsutgangen måles i millisekunder. Et sanntidsoperativsystem (RTOS – real-time operating system) kreves for alle de enkleste PLS-funksjonene. Selv om mange PLS-er fremdeles bruker proprietære operativsystemer, er det en økende interesse for åpne standardoperativsystemer. Eksempel på dette: VxWorks er et proprietært RTOS som er bredt lisensiert for bruk innen industriell styring. Det brukes av flere ledende robotprodusenter, deriblant Kuka og ABB. En variant med åpen kildekode er FreeRTOS, som er fritt distribuert under en åpen lisenskildekode fra MIT. FreeRTOS omfatter ulike tingenes Internett (IoT)-biblioteker for et bredt spekter av automatiserte installasjoner. Les mer om dette alternativet i DigiKey-artikkelen Koble konstruksjoner enkelt og sikkert til skyen ved å bruke Amazon FreeRTOS (Connect Designs Quickly and Securely to the Cloud Using Amazon FreeRTOS).

For oppgaver relatert til testing og måling , er PLS-er avhengige av sanntidsbehandling, der forsinkelsen mellom en inngang og responsutgangen måles i millisekunder. Tiden da ingeniører ikke hadde noe annet valg enn å bruke grensesnittomformere og systemer med overføringskanaler, er over. Nå har smarte periferi- og I/O-enheter avansert og forenklet signalinnsamling via digitale og analoge innganger.

Dagens teknikere har også flere alternativer basert på standardiserte grensesnitt og komponenter med kompatibilitet på tvers av produsenter, som kan fungere som driftskompatible komponenter.

Bare se på I/O-komponenter med integrert PLS-funksjonalitet. Disse er kompatible med konfigurerbare HMI-er som kjører Windows- eller Linux-operativsystemer og har Ethernet-tilkobling – men mangler enkle alternativer for rekalibrering eller analog I/O for feltenheter som genererer analoge signaler med lav spenning. Slike I/O-komponenter fungerer også med PLS-er som er konfigurert til å samle inn data fra eksterne I/O-enheter … og direkte fra sensorer via deres egen integrerte I/O.

Figur 2: T7 multifunksjonelle datainnsamlingsenheter (DAQ) omfatter Ethernet-, USB-, WIFI- og Modbus-konnektivitet for å fungere med et bredt utvalg av feltenheter, samt industrielle HMI-er og PLS-er. Modbus/TCP-konnektivitet gir særegen styrbarhet via ulike tredjeparts programvare- og maskinvarealternativer for åpenhet og fleksibilitet – noe som igjen gir industrielle systemarkitekter og forsknings- og utviklingsteknikere leverandørnøytrale alternativer for sine datainnsamlings- og automatiseringsinstallasjoner. (Bildekilde: LabJack)

Selvfølgelig er ikke PLS-er det eneste alternativet for maskinautomatisering eller testing og måling. Siden alle industrielle styringer har blitt mer komplekse, har noen leverandører valgt å differensiere bestemt maskinvare som programmerbare automatiseringsstyringer (PAC – programmable automation controllers) for å betegne forbedrede funksjoner … og i mange tilfeller flere prosessorer på én enkelt maskinvaredel. I virkeligheten har PLS-er også sett økende sofistikering – så det er ingen harde regler som fastsetter når en viss maskinvare som utfører PLS-funksjoner utgjør en PAC. De fleste PAC-er integrerer PLS- og PC-aspekter for å fungere som komplekse automatiseringssystemer med flere PC-baserte konstruksjoner i tillegg til en HMI og historiker. En klar forskjell er at PAC-er er enklere for utviklere å bruke, ettersom PAC-er har en mer åpen arkitektur sammenlignet med tradisjonelle styringer.

Enda et alternativ i dag er modulære PLS-er. Disse omfatter moduler som utfører forskjellige funksjoner. Alle PLS-er må inneholde en CPU-modul som inkluderer prosessoren og minnet for operativsystemet og programmet. Det kan være en separat strømforsyningsmodul og ekstra inngangs-/utgangsmoduler (I/O-moduler). En PLS kan omfatte både digitale og analoge I/O-moduler. Det kan hende en annen modul er nødvendig for nettverkskommunikasjon.

PLS-en kan enten være integrert – med alle moduler i ett kabinett – eller modulær. Integrerte PLS-er er mer kompakte, men modulære PLS-er er mer allsidige, noe som vanligvis gjør at flere moduler enkelt kan kobles sammen, enten ved å plugges direkte til hverandre eller ved å bruke en rack som buss. Moduler adresseres i henhold til posisjonen deres på bussen. Selv om rackens fysiske støtteaspekt kan være i samsvar med en standard, for eksempel DIN, er PLS-produsentens databuss vanligvis proprietær.

PLS-ens rolle i IoT

Etter hvert som interessen for Industri 4.0 (også kalt IIoT) vokser, forventer industrielle brukere i økende grad å ha muligheten til å koble de industrielle styringene sine til selskapets nettverk ved hjelp av Internett-protokoller. Dette betyr kommunikasjon via TCP (Transmission Control Protocol) og IP (Internet Protocol), eller ganske enkelt TCP/IP. IIoT-trenden handler imidlertid ikke bare om å bruke Internett-protokoller … den handler også om maskinlæring og «big data». Etter hvert som PLS-er blir kraftigere (og mer avanserte styringer har PLS-funksjoner som en funksjon), får de flere vertsfunksjoner som synssystemer. Internett-konnektivitet gjør det også mulig for teknikere (via system-PLS-er) å utnytte skybaserte algoritmer for behandling av ekstremt store datasett – også kalt «big data» – for maskinlæring.

For praktiske bruksområder utmerker EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) seg for slik IIoT PLS-funksjonalitet. Dette er en kommunikasjonsprotokoll basert på Ethernet som er egnet for installasjoner med sanntidsstyring som har syklustider på mindre enn 0,1 ms – den raskeste industrielle Ethernet-teknologien som har evnen til å synkronisere med nøyaktighet ned til nanosekunder. En annen viktig fordel er fleksibiliteten til EtherCAT-nettverkstopologien som fungerer uten nettverkshubber og -svitsjer. Enheter kan ganske enkelt kjede seg sammen i en ring-, linje-, stjerne- eller spenntrekonfigurasjon. PROFINET er en konkurrerende standard som tilbyr lignende muligheter.

Konklusjon

Den nåværende trenden som går mot stadig mer avansert datainnsamling og industriell styring, vil fortsette. Dette betyr at PLS-er for industriell automatisering og testing og måling i økende grad vil ligne PAC-er … og integreres med SCADA og historikere. Internett-protokoller og åpne standarder som EtherCAT ser også jevn innføring for PLS-kommunikasjon. Slik konnektivitet vil igjen tilskynde økt bruk av Industri 4.0-teknologier som «big data»-analyse og maskinlæring, delvis lagt til rette av muligheten til å distribuere nødvendig behandlingskraft og minne til:

• Skybasert databehandling
• Kantenheter som er i stand til å utføre databehandling

I tillegg til disse trendene, vil det fortsatt være behov for mer tradisjonelle PLS-er som kan utføre relativt enkle tester og målinger, samt styringsfunksjoner med maksimal pålitelighet og energieffektivitet.