Industriële automatiseringsuitdagingen aanpakken met een nieuwe generatie PLC-hardware

Automatisering op basis van het Industrial Internet of Things (IIoT) belooft een snellere time-to-market, een hogere productiviteit, meer veiligheid, lagere kosten en een hogere kwaliteit. Dat gezegd hebbende, zijn er nog steeds obstakels. Verouderde systemen die moeilijk te upgraden zijn, te conservatieve engineeringafdelingen, gesloten systemen en een gebrek aan specialistische kennis zijn enkele van de problemen die de Industry 4.0-revolutie tegenhouden.

Hoewel geschikte, op standaarden gebaseerde technologieën de ruggengraat vormen van de verbonden fabriek, hebben veel oudere hardware en software van programmeerbare logische controllers (PLC's) beperkte mogelijkheden. Dit maakt het voor ingenieurs een uitdaging om snel de fabrieksbrede upgrades te implementeren die nodig zijn om het IIoT ten volle te benutten. Wat de zaken nog ingewikkelder maakt, is dat technici het risico lopen om dure fabrieksupgrades te baseren op technologie die verouderd kan raken of niet meer wordt ondersteund wanneer er nieuwe technologieën worden geïntroduceerd.

Er kan lering worden getrokken uit andere delen van het IoT, zoals het slimme huis, waar open systemen, samenwerkingsplatforms en toegankelijke software het gemakkelijker maken om toekomstbestendige intelligente oplossingen te implementeren. Fabrikanten van industriële automatisering omarmen deze ervaring en kennis.

Dit artikel bespreekt kort de uitdaging van het inzetten van IIoT-technologie en legt uit hoe de vooruitgang in open systemen en hardware voor fabrieksautomatisering oplossingen biedt. Het artikel introduceert een voorbeeldimplementatie van PLC-hardware en -software van de volgende generatie van Phoenix Contact en laat zien hoe het verzamelen van gegevens en het verzenden ervan naar de cloud voor analyse en geautomatiseerde besluitvorming wordt vereenvoudigd.

Het belang van de PLC

De steunpilaar van de fabriek is de PLC, een digitaal apparaat dat eind jaren 60 werd uitgevonden om eerdere relaislogicasystemen te vervangen. PLC's zijn ontworpen om jarenlang probleemloos te werken in moeilijke omgevingen. De sleutel tot deze betrouwbaarheid is een focus op eenvoud. In het zeldzame geval dat er toch iets uitvalt, zijn PLC's ontworpen om problemen op te lossen en te verhelpen, zodat de volumeproductie snel kan worden hervat.

De apparaten bestaan uit een invoermodule (die gegevens ontvangt van digitale en analoge invoerapparaten zoals toetsenborden, schakelaars, relais en sensors), een voeding, een programmeerbare CPU met bijbehorend geheugen en een uitvoermodule om informatie naar aangesloten apparaten te sturen (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Robuuste en betrouwbare PLC's vormen de ruggengraat van de fabrieksautomatisering. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Conventionele PLC's worden geprogrammeerd met een van de vijf talen die zijn gedefinieerd door IEC 61131-3. Deze omvatten Instruction List (IL), Symbolic Flowchart (SFC), Ladder Diagram (LD), Function Block Diagram (FBD), and Structured Text (ST). De populairste is LD, of ladderlogica, die symbolen gebruikt om functies als relais, schuifregisters, tellers, timers en wiskundige bewerkingen weer te geven. De symbolen worden gerangschikt volgens de gewenste volgorde van gebeurtenissen.

PLC-fabrikanten passen zich snel aan aan de vooruitgang in fabrieksautomatisering die is geboekt door de implementatie van Industrial Ethernet. Industrieel Ethernet is IP-interoperabel, is de meest gebruikte bekabelde netwerkoptie en heeft uitgebreide ondersteuning van leveranciers. Industrieel Ethernet wordt gekenmerkt door robuuste hardware en industriële standaardsoftware en is een bewezen en volwassen technologie voor fabrieksautomatisering (afbeelding 2). De hardware wordt aangevuld met industriële ethernetprotocollen, waaronder Ethernet/IP, Modbus TCP en PROFINET. Ze zijn allemaal ontworpen om een hoge mate van determinisme te garanderen voor industriële automatiseringstoepassingen. (Zie "Design for Rugged IoT Applications Using Industrial Ethernet-Based Power and Data Networks").

Afbeelding 2: Industrieel Ethernet vormt de communicatieruggengraat van de moderne fabriek. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Veel van de huidige PLC's bieden ingebouwde Ethernet-connectiviteit. Voor oudere apparaten met niet-ethernet interfaces wordt de kloof tussen de Ethernet-infrastructuur en de PLC overbrugd door gateways. (Zie "How to Connect Legacy Factory Automation Systems to Industry 4.0 without Disruption").

De volgende generatie PLC's

Een fabriek die een mix van moderne en oudere systemen gebruikt, kan het voor ingenieurs moeilijk maken om alle voordelen te benutten die Industry 4.0 belooft. Lessen uit andere delen van het IoT, zoals de smart home en logistieke sectoren, laten echter zien dat open systemen, samenwerkingsplatforms en toegankelijke, op standaarden gebaseerde software het gemakkelijker maken om toekomstbestendige intelligente oplossingen te implementeren.

De kennis die is opgedaan in deze andere sectoren stimuleert fabrikanten van PLC's en aanverwante systemen om een nieuwe generatie producten te introduceren die werken als traditionele PLC's zonder te worden beperkt door de beperkingen van oudere hardware en software. Een voorbeeld van deze nieuwe generatie is de PLCnext-besturingstechnologie van Phoenix Contact.

Vanuit softwareperspectief betekent een product als de Phoenix Contact 1069208 PLCnext-controller een belangrijke stap in de richting van de open oplossingen die andere gebieden van het IoT beginnen te domineren. PLCnext is bijvoorbeeld compatibel met een breed scala aan software, zodat innovatieve apps voor fabrieksautomatisering eenvoudig kunnen worden gedownload van internet en geïnstalleerd op de PLC, net als apps op een smartphone.

PLCnext gebruikt het Linux-besturingssysteem (OS). De PLC kan nog steeds worden geprogrammeerd met de talen die zijn gedefinieerd onder IEC 61131-3, maar Linux maakt het eenvoudig voor engineers om de PLC te programmeren met de hogere talen C++, C#, Java, Python en Simulink. Deze eenvoudig te gebruiken talen maken moderne fabrieksautomatisering toegankelijk voor een veel bredere groep ingenieurs. Daarnaast beschikt PLCnext over taakverwerking waardoor programmaroutines uit verschillende bronnen kunnen worden uitgevoerd als oudere PLC-code, waarbij programma's in een hogere taal automatisch deterministisch worden (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: PLCnext beschikt over taakverwerking waardoor programmaroutines uit verschillende bronnen kunnen worden uitgevoerd als oudere PLC-code. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

De connectiviteit verloopt via Industrial Ethernet-hardware; het besturingssysteem werkt onder het IP-interoperabele PROFINET-protocol en maakt gebruik van het PROFICLOUD IoT-platform voor ondersteuning van cloudcomputing. De PLC ondersteunt ook andere open-standaard protocollen zoals http, https, FTP, SNTP, SNMP, SMTP, SQL, MySQL en DCP.

De hardware is gebaseerd op een Intel Atom microprocessor die draait op 1,3 gigahertz (GHz). De PLC heeft 1 gigabyte (Gbyte) flashgeheugen en 2048 megabytes (Mbytes) RAM. Het IEC 61131-runtimesysteem heeft 12 Mbytes aan programmageheugen en 32 Mbytes aan programmagegevensopslag. De unit kan tot 63 lokale busapparaten ondersteunen en heeft een 24 volt voeding nodig met een maximale stroomopname van 504 milliampère (mA) (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: PLCnext PLC's maken gebruik van het Linux-besturingssysteem en ondersteunen legacy-talen die zijn gedefinieerd onder IEC 61131-3, plus talen op een hoger niveau. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Het PLCnext-assortiment van Phoenix Contact omvat PLC's en andere essentiële elementen van een industrieel automatiseringssysteem, zoals communicatiemodules en beheerde switches. Specifieke voorbeelden zijn de 2403115 communicatiemodule en de 2702981 beheerde netwerkadresomzetting (NAT) switch. De communicatiemodule voegt een extra gigabitgeschikte Industrial Ethernet-interface toe aan de PLC. De module heeft een onafhankelijk MAC-adres, biedt PROFINET-ondersteuning en is voorzien van elektrische isolatie tussen de Ethernet-interface en de logica.

De beheerde switch wordt gebruikt voor het opslaan en doorsturen van Ethernet getransporteerde informatie en heeft vier Ethernet RJ45-poorten, twee SFP-poorten (Small Form Factor Pluggable) en twee combinatiepoorten (RJ45/SFP). De switch is een PROFINET-conformiteitsklasse B-product.

De besluitvorming in de fabriek verbeteren

Optimalisatie van de fabrieksproductie is essentieel omdat productie precisie en herhaalbaarheid vereist. De sleutel tot het garanderen van hoge niveaus van precisie en herhaalbaarheid is procesbeheersing. In de moderne fabriek kunnen IIoT-sensors en -camera's machines bewaken en afgewerkte componenten meten om kleine afwijkingen in het product op te sporen en het proces dienovereenkomstig te corrigeren. Andere sensors houden de gezondheid van machines bij om onderhoudsvereisten te voorspellen voordat een versleten machine het begeeft. Nog meer sensors houden de temperatuur, vochtigheid en luchtkwaliteit van de fabriek bij.

Een belangrijk kenmerk van PLCnext Control is dat het, in tegenstelling tot traditionele PLC's, deze fabrieksgegevens kan gebruiken. Volgens Phoenix Contact is het voldoende om de PLC aan te sluiten op slechts 3% tot 5% van de analoge en digitale in- en uitgangen (I/O's) van het systeem om de productieprocessen uitgebreid en zonder noemenswaardige interventie in kaart te kunnen brengen.

PLCnext Control kan vervolgens verbinding maken met elke cloudservice, waaronder Proficloud.io van Phoenix Contact, AWS van Amazon of Azure van Microsoft. Hierdoor krijgt het fabriekssysteem toegang tot krachtige computerbronnen om ervoor te zorgen dat de processen voor operationeel beheer en onderhoud zo efficiënt mogelijk verlopen. Het resultaat is een hogere productiviteit, een betere productkwaliteit en lagere kosten.

Aan de slag met PLCnext

Werken met PLCnext-controllers en verwante units is relatief eenvoudig. Om te helpen bij het opstarten van een PLC-programmeerproject heeft Phoenix Contact de 1188165 PLCnext Technology Starter Kit geïntroduceerd. De kit bestaat uit een 2404267 PLCnext-besturingsmodule (PLC), een moduledrager en een keuze uit analoge of digitale modules.

Om de starterkit te gebruiken, moeten de PLC en analoge/digitale module-eenheden eerst worden aangesloten op de 24 volt DC (VDC) voeding. Vervolgens wordt een ethernetkabel aangesloten tussen de PLC en de pc en wordt het IP-adres van de pc ingesteld. Vervolgens wordt het IP-adres van de PLC ingevoerd in een browservenster op de pc. De PLC wordt operationeel nadat gebruikers inloggen met hun gebruikersnaam en wachtwoord. Verdere instructies worden gegeven via het webgebaseerde beheersysteem. De PLC wordt geprogrammeerd met de PLCnext Engineer-software. Met de software kan een ingenieur een volledige automatiseringsoplossing configureren, diagnosticeren en visualiseren.

PLCnext Engineer maakt programmering en configuratie mogelijk met behulp van de legacy-talen die zijn gedefinieerd onder IEC 61131-3. Het is ook eenvoudig te programmeren in talen van een hoger niveau, zoals C++ en C#. Naast PLCnext Engineer kan code worden gebouwd in andere populaire Integrated Development Environments (IDE's) zoals Eclipse of Microsoft Visual Studio. De software kan vervolgens in PLCnext Engineer worden geïmporteerd als een bibliotheek voor gebruik met elke compatibele PLC (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: PLCnext PLC's kunnen worden geprogrammeerd met behulp van legacy-talen van PLCnext Engineer, talen op hoger niveau van IDE's of van modelgebaseerde ontwerpsystemen. (Afbeelding: Phoenix Contact)

Een belangrijk voordeel van PLCnext-technologie is dat meerdere ontwikkelaars onafhankelijk en parallel aan één PLC-programma kunnen werken, zelfs als ze verschillende programmeertalen gebruiken. Hierdoor kunnen complexe applicaties snel worden ontwikkeld en kunnen ontwikkelaars met kennis van oudere talen en ontwikkelaars met kennis van hogere talen hun talenten combineren.

Conclusie

Het IIoT belooft de fabriek te transformeren. Maar terwijl technici industrieel Ethernet installeren, wordt het volledige potentieel van fabrieksautomatisering tegengehouden door traditionele PLC's met beperkte connectiviteit en verouderde software. PLCnext-technologie van Phoenix Contact is gebaseerd op open systemen, samenwerkingsplatforms en toegankelijke software. Het kan routines die zijn gecodeerd in oudere talen combineren met routines die zijn geschreven in talen van een hoger niveau om de industriële automatisering open te stellen voor toekomstbestendige oplossingen met verbeterde productiviteit, hogere opbrengsten, betere productkwaliteit en lagere kosten.