Teollisuusautomaation haasteisiin vastaaminen uuden sukupolven PLC-laitteistolla

Esineiden teolliseen internetiin (Industrial Internet of Things, IIoT) perustuva automaatio lupaa nopeampaa markkinoilletuontiaikaa, parempaa tuottavuutta, lisää turvallisuutta, alhaisempia kustannuksia ja korkeampaa laatua. Tähän liittyy kuitenkin vielä esteitä. Vanhat järjestelmät, joita on vaikea päivittää, liian konservatiiviset suunnitteluosastot, suljetut järjestelmät ja asiantuntijatiedon puute ovat joitakin ongelmista, jotka jarruttavat Teollisuus 4.0 -ympäristön vallankumousta.

Vaikka sopivat standardeihin perustuvat teknologiat tarjoavat verkottuneen tehtaan selkärangan, monien vanhojen tai ”työkäyttöön” tarkoitettujen ohjelmoitavien logiikkaohjaimien (PLC) laitteistoilla ja ohjelmistoilla on rajalliset kyvyt. Tämän vuoksi suunnittelijoiden on haastavaa toteuttaa nopeasti koko tehtaan laajuiset päivitykset, joita tarvitaan IIoT-teknologian täysimääräiseen hyödyntämiseen. Asioita mutkistaa entisestään se, että suunnittelijat ottavat riskin perustamalla kalliit tehdaspäivitykset teknologiaan, joka saattaa vanhentua tai jäädä ilman tukea, kun uusia teknologioita otetaan käyttöön.

Oppia voidaan ottaa IoT-teknologian muilta osa-alueilta, kuten älykodista, jossa avoimet järjestelmät, yhteistyöalustat ja helppokäyttöiset ohjelmistot helpottavat tulevaisuuden älykkäiden ratkaisujen toteuttamista. Teollisuusautomaatiovalmistajat hyödyntävät tätä kokemusta ja tietoa.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti IIoT-teknologian käyttöönoton haasteita ja selitetään, miten kehittyneet avoimet järjestelmät ja tehdasautomaatiolaitteistot tarjoavat ratkaisuja. Artikkelissa esitellään esimerkkitoteutuksena Phoenix Contactin seuraavan sukupolven PLC-laitteisto ja -ohjelmisto ja näytetään, miten se yksinkertaistaa tiedonkeruuta ja tietojen lähettämistä pilveen analysointia ja automatisoitua päätöksentekoa varten.

PLC-ohjaimen merkitys

Tehtaan tukipilari on PLC-ohjain, digitaalinen komponentti, joka keksittiin 1960-luvun lopulla korvaamaan aiemmat relelogiikkajärjestelmät. PLC-ohjaimet on suunniteltu toimimaan vaikeissa ympäristöissä ilman vikaantumista vuosien ajan. Tämän luotettavuuden avain on keskittyminen yksinkertaisuuteen. Siinä harvinaisessa tapauksessa, että jokin vikaantuu, PLC-ohjaimet on suunniteltu vikojen etsintää ja korjaamista varten, jotta sarjatuotantoa voidaan jatkaa nopeasti.

Yksiköt koostuvat tulomoduulista (joka vastaanottaa tietoja digitaalisista ja analogisista tulolaitteista, kuten näppäimistöistä, kytkimistä, releistä ja antureista), virtalähteestä, ohjelmoitavasta suorittimesta (CPU) ja siihen liittyvästä muistista sekä lähtömoduulista, jolla lähetetään tietoja liitetyille laitteille (kuva 1).

Kuva 1: Kestävät ja luotettavat PLC-ohjaimet ovat tehdasautomaation selkäranka. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Perinteiset PLC-ohjaimet ohjelmoidaan jollain viidestä standardissa IEC 61131-3 määritellystä kielestä. Ne ovat Instruction List (IL),Symbolic Flowchart (SFC), Ladder Diagram (LD), Function Block Diagram (FBD) ja Structured Text (ST). Suosituin on LD eli tikapuulogiikka, joka kuvaa symboleilla toimintoja, kuten releitä, siirtorekistereitä, laskureita, ajastimia ja matemaattisia operaatioita. Symbolit järjestetään halutun tapahtumajärjestyksen mukaisesti.

PLC-valmistajat mukautuvat nopeasti tehdasautomaation edistysaskeliin, jotka on otettu teollisuus-Ethernetin käyttöönoton myötä. Teollisuus-Ethernet on IP-yhteensopiva, ja se on kaikkein laajimmin käytössä oleva langallinen verkkovaihtoehto, jolla on kattava valmistajien tuki. Teollisuus-Ethernetille on ominaista kestävä laitteisto ja teollisuusstandardin mukainen ohjelmisto, ja se on hyväksi todettu ja kypsä tehdasautomaatiotekniikka (kuva 2). Laitteistoa täydentävät teollisuus-Ethernetin protokollat, kuten Ethernet/IP, Modbus TCP ja PROFINET. Jokainen niistä on suunniteltu takaamaan korkeatasoinen determinismi teollisuusautomaatiosovelluksissa. (Katso ”Suunnittele kestäviä IoT-sovelluksia käyttäen teollisuus-Ethernet-pohjaisia virta- ja data-verkkoja”.)

Kuva 2: Teollisuus-Ethernet muodostaa runkoverkon modernin tehtaan kommunikaatiolle. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Monissa nykyisissä PLC-ohjaimissa on sisäänrakennettuna Ethernet-yhteys. Vanhoissa laitteissa, joista Ethernet-rajapinnat puuttuvat, Ethernet-infrastruktuurin ja PLC-ohjaimien välinen kuilu ylitetään yhdyskäytävillä. (Katso ”Miten vanhat tehdasautomaatiojärjestelmät liitetään Teollisuus 4.0 -ympäristöön ilman seisokkeja”.)

Seuraavan sukupolven PLC-ohjaimet

Moderneja ja vanhoja järjestelmiä samanaikaisesti käyttävä tehdas voi vaikeuttaa suunnittelijoiden mahdollisuuksia hyödyntää Teollisuus 4.0 -teknologian lupaamia etuja täysimittaisesti. IoT/teknologian muilta osa-alueilta, kuten älykodista ja logistiikkasektoreilta, saadut kokemukset osoittavat kuitenkin, että avoimet järjestelmät, yhteistyöalustat ja helppokäyttöiset standardeihin perustuvat ohjelmistot helpottavat tulevaisuuden älykkäiden ratkaisujen toteuttamista.

Näiltä muilta sektoreilta saatu tietämys kannustaa PLC-ohjaimien ja niihin liittyvien järjestelmien valmistajia tuomaan markkinoille uuden sukupolven tuotteita, jotka toimivat perinteisten PLC-ohjaimien tavoin ilman vanhan laitteiston ja ohjelmiston aiheuttamia rajoituksia. Esimerkki tästä uudesta sukupolvesta on Phoenix Contactin PLCnext Control -teknologia.

Ohjelmiston näkökulmasta sellainen tuote kuten Phoenix Contactin PLCnext-ohjain 1069208 edustaa merkittävää askelta kohti avoimia ratkaisuja, jotka alkavat hallita muita IoT-käyttöalueita. PLCnext on esimerkiksi yhteensopiva monenlaisten ohjelmistojen kanssa, joten innovatiiviset tehdasautomaatiosovellukset voidaan ladata helposti internetistä ja asentaa PLC-ohjaimeen, kuten sovellukset älypuhelimeen.

PLCnext käyttää Linux-käyttöjärjestelmää (OS). Se voidaan silti ohjelmoida IEC 61131-3 -standardissa määritellyillä kielillä, mutta Linuxin ansiosta PLC-ohjaimen ohjelmointiin voidaan helposti käyttää myös korkeamman tason kieliä kuten C++, C#, Java, Python ja Simulink. Nämä helppokäyttöiset kielet tuovat modernin tehdasautomaation paljon laajemman insinööriryhmän ulottuville. Lisäksi PLCnextin ominaisuuksiin kuuluu tehtävänkäsittely, joka mahdollistaa eri lähteistä peräisin olevien ohjelmarutiinien suorittamisen vanhana PLC-koodina, jolloin korkean tason kielten ohjelmista tulee automaattisesti deterministisiä (kuva 3).

Kuva 3: PLCnext tarjoaa tehtävänkäsittelyn, joka mahdollistaa eri lähteistä peräisin olevien ohjelmarutiinien suorittamisen vanhana PLC-koodina. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Yhteys on toteutettu teollisuus-Ethernet-laitteiston kautta. Ohjausjärjestelmä toimii IP-yhteensopivan PROFINET-protokollan mukaisesti ja käyttää pilvilaskennan tukena PROFICLOUD IoT -alustaa. PLC-ohjain tukee myös muita avoimen standardin mukaisia protokollia, kuten http, https, FTP, SNTP, SNMP, SMTP, SQL, MySQL ja DCP.

Laitteisto perustuu Intel Atom -mikroprosessoriin, joka toimii 1,3 gigahertsin (GHz) nopeudella. PLC-ohjain sisältää 1 gigatavun (Gt) flash-muistia ja 2048 megatavua (Mt) RAM-muistia. IEC 61131 -ajoaikajärjestelmä tarjoaa 12 megatavua ohjelmamuistia ja 32 megatavua ohjelmadatan tallennusta varten. Yksikkö voi tukea jopa 63 paikallista väyläkomponenttia. Se vaatii 24 voltin jännitteensyötön, ja sen korkein virrankulutus on 504 milliampeeria (mA) (kuva 4).

Kuva 4: PLCnext PLC-ohjaimet käyttävät Linux-käyttöjärjestelmää ja tukevat IEC 61131-3 -standardissa määriteltyjä vanhoja kieliä sekä korkeamman tason kieliä. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Phoenix Contactin PLCnext-valikoimaan kuuluu PLC-ohjaimia ja muita teollisuusautomaatiojärjestelmän kriittisiä elementtejä, kuten viestintämoduuleja ja hallittavia kytkimiä. Konkreettisia esimerkkejä ovat viestintämoduuli 2403115 ja hallittava verkko-osoitteen muunnoskytkin (NAT) 2702981. Viestintämoduuli lisää PLC-ohjaimeen ylimääräisen gigabittikykyisen teollisuus-Ethernet-rajapinnan. Moduulilla on itsenäinen MAC-osoite, se tarjoaa PROFINET-tuen ja sisältää sähköisen erotuksen Ethernet-rajapinnan ja logiikan välillä.

Hallittavaa kytkintä käytetään Ethernet-informaation tallentamiseen ja välittämiseen. Siihen kuuluu neljä Ethernet RJ45 -porttia, kaksi SFP (Small Form Factor Pluggable) -porttia ja kaksi yhdistelmäporttia (RJ45/SFP). Kytkin on PROFINET Conformance Class B -tuote.

Päätöksenteon parantaminen tehtaassa

Tehdastuotannon optimointi on tärkeää, koska valmistus vaatii tarkkuutta ja toistettavuutta. Avain korkean tarkkuuden ja toistettavuuden varmistamiseen on prosessinohjaus. Modernissa tehtaassa IIoT-anturit ja -kamerat voivat valvoa koneita ja mitata valmiita komponentteja, jotta pienetkin tuotepoikkeamat voidaan tunnistaa ja prosessia voidaan korjata vastaavasti. Muut anturit seuraavat koneiden kuntoa, jotta huoltotarpeet voidaan ennakoida ennen kuluneen koneen vikaantumista. Tehtaan lämpötilan, kosteuden ja ilmanlaadun valvontaan käytetään vielä enemmän antureita.

PLCnext-ohjaimen avainominaisuus on se, että se voi hyödyntää näitä tehdastietoja, toisin kuin perinteiset PLC-ohjaimet. Phoenix Contactin mukaan riittää, että PLC-ohjain kytketään vain 3–5 prosenttiin järjestelmän analogisista ja digitaalisista tuloista ja lähdöistä (I/O), jotta se pystyisi kartoittamaan tuotantoprosessit kattavasti ja ilman merkittäviä väliintuloja.

PLCnext-ohjain voi sitten muodostaa yhteyden mihin tahansa pilvipalveluun, esimerkkeinä Phoenix Contactin Proficloud.io, Amazonin AWS tai Microsoftin Azure. Näin tehdasjärjestelmä saa käyttöönsä tehokkaat laskentaresurssit, joilla varmistetaan, että operatiiviset hallinnointi- ja kunnossapitoprosessit toimivat mahdollisimman tehokkaasti. Tämä tarkoittaa korkeampaa tuottavuutta, tuotteiden parempaa laatua ja alhaisempia kustannuksia.

PLCnextin käyttöönotto

Työskentely PLCnext-ohjaimilla ja niihin liittyvillä yksiköillä on suhteellisen yksinkertaista. Phoenix Contact on tuonut markkinoille PLCnext-teknologian aloitussarjan 1188165 helpottamaan PLC-ohjelmointiprojektin käynnistämistä. Sarja sisältää PLCnext-ohjainmoduulin (PLC) 2404267, moduuliperuslevyn sekä valittavia analogisia ja digitaalisia moduuleja.

Aloitussarjan käyttämiseksi PLC-ohjainmoduuli ja analogiset/digitaaliset moduuliyksiköt on ensin kytkettävä 24 voltin DC (VDC) -virtalähteeseen. Seuraavaksi PLC-ohjainmoduulin ja PC-tietokoneen välille kytketään Ethernet-kaapeli ja asetetaan PC-tietokoneen IP-osoite. Sitten PLC-ohjainmoduulin IP-osoite kirjoitetaan PC-tietokoneen selainikkunaan. PLC-ohjain on käyttövalmis, kun käyttäjät ovat kirjautuneet sisään käyttäjätunnuksella ja salasanalla. Verkkopohjainen hallintajärjestelmä tarjoaa lisäohjeita. PLC ohjelmoidaan PLCnext Engineer -ohjelmistolla. Suunnittelija voi konfiguroida, diagnosoida ja visualisoida koko automaatioratkaisun tämän ohjelmiston avulla.

PLCnext Engineer -ohjelmisto mahdollistaa ohjelmoinnin ja konfiguroinnin IEC 61131-3 -standardissa määritellyillä vanhoilla kielillä. Se on myös helppo ohjelmoida korkeamman tason kielillä, kuten C++ ja C#. PLCnext Engineerin lisäksi koodi voidaan kääntää myös muissa suosituissa integroiduissa kehitysympäristöissä (IDE), kuten Eclipse tai Microsoft Visual Studio. Ohjelmisto voidaan sitten tuoda PLCnext Engineeriin käytettäväksi kirjastona minkä tahansa yhteensopivan PLC-ohjaimen kanssa (kuva 5).

Kuva 5: PLCnext PLC -ohjainmoduulit voidaan ohjelmoida PLCnext Engineerin vanhoilla kielillä, IDE-ohjelmien korkeamman tason kielillä tai mallipohjaisilla suunnittelujärjestelmillä. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Yksi PLCnext-teknologian tarjoama keskeinen etu on se, että sen avulla monta kehittäjää voi työskennellä itsenäisesti ja rinnakkain yhden PLC-ohjelman parissa, vaikka he käyttäisivätkin eri ohjelmointikieliä. Tämä mahdollistaa kompleksisten sovellusten nopean kehittämisen. Samalla vanhoja kieliä osaavat kehittäjät ja korkeamman tason kieliä osaavat kehittäjät voivat yhdistää kykynsä.

Yhteenveto

IIoT lupaa muuttaa tehtaan. Vaikka suunnittelijat asentavat teollisuus-Ethernetin, perinteiset PLC-ohjaimet jarruttavat teollisuusautomaation täyden potentiaalin hyödyntämistä, sillä niiden yhdistettävyys on rajallinen ja ohjelmisto vanhentunut. Phoenix Contactin PLCnext-teknologia perustuu avoimiin järjestelmiin, yhteistyöalustoihin ja helppokäyttöisiin ohjelmistoihin. Se voi yhdistää vanhoilla kielillä koodatut rutiinit korkeamman tason kielillä kirjoitettuihin rutiineihin, jolloin teollisuusautomaatio avautuu tulevaisuuden ratkaisuille, jotka parantavat tuottavuutta ja tulosta, nostavat tuotteiden laatua ja laskevat kustannuksia.