PLC:n rooli teollisessa ohjauksessa sekä testauksessa ja mittauksessa

Ohjelmoitavat logiikat (PLC) ovat teollisuustietokoneita, jotka:

• valvovat ja ohjaavat teollisuusautomaation sovelluksia
• suorittavat testaus- ja mittaustoimintoihin liittyviä tehtäviä
• suorittavat prosessityyppisiä toimintoja (myös LVI-järjestelmiin liittyviä), joita ei tässä artikkelissa käsitellä.

PLC vastaanottaa dataa antureilta ja tulolaitteilta, käsittelee dataa logiikkaan perustuvien päätösten tekemiseksi ja tuottaa ohjauskäskyjä mekaanisille tai sähköisille järjestelmille. Ne ovat eräänlaisia sulautettuja järjestelmiä, joissa tietokoneen prosessori ja muisti yhdistetään tulo- ja lähtölaitteisiin (IO-laitteisiin). Ne muistuttavat kiinteästi kytkettyjä relepohjaisia logiikoita ja PC-pohjaisia logiikoita ja myös kilpailevat näiden kanssa.

Fyysiseltä muodoltaan PLC voi olla nykyään mitä tahansa hyvin yksinkertaisesta mikropiirillä varustetusta tietokoneesta suureen räkkiin asennettuun ohjaimen osakomponenttien kokoelmaan, joka on sijoitettu useisiin runkoihin. Yksinkertaisempi mikrokontrolleripohjainen PLC tai SoC-järjestelmäpiiriin (System on a Chip) pohjautuva PLC voi olla erittäin luotettava ja toimia hyvin vaatimattomalla sähkövirralla. Sen sijaan monimutkaisimpi PLC hämärtää rajaa PLC:n ja yleiskäyttöisen reaaliaikaisessa teollisessa ohjauksessa käytettävän tietokoneen välillä – vaikka luotettavuus ja reaaliaikainen suorituskyky yhä korostuukin ensimmäisessä.

Alun perin PLC oli tarkoitettu korvaamaan suoraan releisiin ja rumpusekvenssereihin perustuva kiinteästi kytketty ohjauslogiikka. Nämä varhaiset PLC-piirit suorittivat vain perustoimintoja muuttamalla tulot lähdöiksi. Kaikki PID (Proportional-Integral-Derivative) -säätöä edellyttävät koneenohjaustehtävät ulkoistettiin ohjaimeen liitetylle analogiselle elektroniikalle. Nyt PID-säätö ja vieläkin kehittyneemmät toiminnot ovat normaalia osia PLC-käskykannoissa.

Itse asiassa PLC-piiriltä odotetut toiminnot ovat ajan myötä lisääntyneet, joten nykyään monet PLC:t ovat varsin kehittyneitä ja pystyvät suorittamaan monimutkaisia ja adaptiivisia rutiineja. Puolijohdesirujen jatkuvasti kasvava teho ja pienenevä koko (Mooren lain ansiosta) ovat mahdollistaneet ennennäkemättömän älykkyyden pienemmissä ohjaimissa. Tämä trendi jatkuu ja laitteisiin on integroitu tuki liikkeenohjaukselle, näköjärjestelmille ja tiedonsiirtoprotokollille. PLC-kokoluokan toisessa päässä jotkut ohjelmoitavat automaatio-ohjaimet (PAC) integroivat PLC:n tietokoneeseen korvaten PLC:t ja valmistajakohtaiset ohjausjärjestelmät (jotka toimivat valmistajakohtaisilla ohjelmointikielillä) tietyissä sovelluksissa. Yhä useammin PLC integroidaan nykyään myös ihmisen ja koneen välisiin käyttöliittymiin (HMI).

Digitaalinen teollisuusympäristö, jossa PLC-piirejä käytetään

Teollisuusautomaatio perustuu nykyään koneiden palautteeseen ja toimintatietoihin sekä digitaalisten laitteiden välisiin kompleksisiin yhteyksiin:

• digitaalisten laitteiden ohjaamiseksi
• kehittyneiden ominaisuuksien suorittamiseen – esimerkiksi IIoT-yhteyksiin ja koneen uudelleenkonfiguroitavuuteen liittyvien ominaisuuksien
• mahdollistamaan ihmisen suorittama päätöksenteko koskien erilaisia kone- ja käyttöolosuhteita
• parantamaan yleistä tuottavuutta ja työkappaleiden laatua.

Tällaisiin automatisoituihin laitteistoihin kuuluu erilaisia tietojärjestelmiä, jotka tallentavat, käsittelevät ja palvelevat näitä tietoja.

Materiaalitarpeiden suunnittelu- tai valmistusresurssien suunnittelujärjestelmät (MRP) mahdollistavat tuotannon suunnittelun, aikataulutuksen, rahoituksen ja varastonhallinnan. Historiatietojärjestelmät sen sijaan tallentavat antureiden ja laitteiden aikasarjatietoja graafista kuvausta varten, jotta käyttäjät ja hallintajärjestelmät voivat ymmärtää ja käsitellä automaation trendejä. Tilastollinen prosessinohjaus (SPC) on yksi historiasovellus.

Ihmisen ja koneen väliset käyttöliittymät (HMI) ovat koneen ohjauspaneeleita (tai moduuleja, jotka ovat langattomasti yhteydessä mobiililaitteisiin), joiden avulla käyttäjä voi tarkastella tietoja ja antaa komentoja. HMI-toimintoihin liittyvät läheisesti SCADA-järjestelmät (valvonta-, ohjaus- ja tiedonkeruujärjestelmät), jotka mahdollistavat automaattisten koneiden sekä niiden HMI-käyttöliittymien ja historiatietojen vuorovaikutuksen reaaliaikaisen ohjauksen ja monitoroinnin. SCADA:n avulla HMI voi ohjata useita koneita – ja näyttää useisiin laitteisiin liittyviä tietoja.

Tuotannon toteutusjärjestelmiin (MES) kuuluu sellaisia funktioita kuten toimintojen aikataulutus ja tiedonkeruu. Sen voidaan katsoa olevan tavallaan MRP:n ja SCADA:n välissä ja päällekkäin niiden kanssa.

Toiminnanohjausjärjestelmät (ERP) integroivat valmistukseen liittyvät MRP-, MES-, PLM (tuotteen elinkaaren hallinta)- ja CRM-tietojärjestelmät. ERP-järjestelmät voivat olla monoliittisia ohjelmistokokonaisuuksia, jotka hoitavat kaikki nämä toiminnot – tai ERP-ydinjärjestelmä, joka on yhteydessä useiden eri toimittajien erikoissovelluksiin. Tyypillisesti vain ylin johto käyttää ERP-järjestelmää. Suurin osa tietyn organisaation henkilöstöstä käyttää vain jotain osajärjestelmää, joka syöttää tietoja ERP-järjestelmään.

PLC toimii yleensä näitä tietojärjestelmiä alemmalla tasolla. Ne vaihtavat tietoja koneiden, moottorien ja antureiden kanssa. Niillä voi myös olla vuorovaikutusta ylemmän tietotason kanssa ja ne voivat lähettää tietoja historiaan tai SCADA:lle sekä saada ohjauskäskyjä SCADA:lta tai HMI:ltä. Sofistikoituneempi PLC voi suorittaa myös SCADA- ja historiatoimintoja – ja yhä useammissa tapauksissa jopa HMI-toimintoja.

Kuva 1: PLC toimii yleensä näitä automaatiotietojärjestelmiä alemmalla tasolla. (Kuvan lähde: Jody Muelaner)

Huomaa, että PLC ei ole mukana pelkästään automaatiossa: sitä käytetään myös testipenkkien (tuotekehitys) ja laboratorion mittaustehtävien ohjaamiseen.

• Kuten edellä on kuvattu, automaatiossa korostetaan yleensä diagnostiikkaa, ja sen todellinen tehokkuus edellyttää PLC-piiriltä determinististä reaaliaikaista toimintaa.
• Sen sijaan mittaustehtävissä käytettävä PLC painottaa enemmän mittausten keruuta ja muun tiedonkeruun nopeaa ja tarkkaa suorittamista.

Koneautomaatiotehtävissä PLC luottavat reaaliaikaiseen prosessointiin, jossa tulon ja vastelähdön välinen viive mitataan millisekunneissa. Kaikissa muissa paitsi kaikkein yksinkertaisimmissa PLC-toiminnoissa tarvitaan reaaliaikainen käyttöjärjestelmä (RTOS). Vaikka monissa PLC-laitteissa käytetäänkin edelleen valmistajakohtaisia käyttöjärjestelmiä, kiinnostus avoimen standardin käyttöjärjestelmiä kohtaan on lisääntymässä. Esimerkkitapaus: VxWorks on valmistajakohtainen RTOS, joka on laajalti lisensoitu käytettäväksi teollisuuden ohjauksessa. Sitä käyttävät useat johtavat robottivalmistajat, kuten Kuka ja ABB. Vaihtoehtoinen avoimen lähdekoodin versio on FreeRTOS, jota jaetaan vapaasti MIT-lisenssillä. FreeRTOS sisältää erilaisia esineiden internetin (IoT) kirjastoja monenlaisia automatisoituja sovelluksia varten. Lue lisää tästä vaihtoehdosta Digi-Keyn artikkelista Connect Designs Quickly and Securely to the Cloud Using Amazon FreeRTOS.

Testaus- ja mittaustehtävissä PLC käyttää reaaliaikaista prosessointia, jossa kenttälaitteen mittausten ja niiden keruun välinen viive mitataan millisekunneissa. Menneet ovat ne ajat, jolloin insinööreillä ei ollut muuta vaihtoehtoa kuin käyttää rajapintamuuntimia ja siirtokanavajärjestelmiä. Nyt älykkäät oheislaitteet ja I/O-kokoonpanot tarjoavat edistyksellisen ja yksinkertaistetun signaalin lukemisen digitaalisten ja analogisten tulojen kautta.

Nykypäivän insinööreillä on myös enemmän vaihtoehtoja, jotka perustuvat standardoituihin rajapintoihin ja valmistajien väliseen komponenttien yhteensopivuuteen.

Ajatellaanpa vaikka I/O-komponentteja, jotka tarjoavat integroituja PLC-toimintoja. Ne ovat yhteensopivia konfiguroitavien Windows- tai Linux-käyttöjärjestelmiä käyttävien ja Ethernet-yhteydellä varustettujen HMI-laitteiden kanssa, mutta niistä puuttuvat helpot uudelleenkalibrointimahdollisuudet ja analogiset I/O:t kenttälaitteille, jotka tuottavat pienjännitteisiä analogisia signaaleja. Tällaiset I/O-komponentit toimivat myös sellaisten PLC-piirien kanssa, jotka on asetettu keräämään tietoja I/O-etälaitteista – ja suoraan antureista niiden omien I/O-linjojen kautta.

Kuva 2: Monitoimisissa T7-tiedonkeruulaitteissa (DAQ) on Ethernet-, USB-, wifi- ja Modbus-liitännät, jotka toimivat monenlaisten kenttälaitteiden sekä teollisten HMI- ja PLC-laitteiden kanssa. Erityisesti Modbus/TCP-yhteys mahdollistaa ohjattavuuden useiden kolmansien osapuolten ohjelmisto- ja laitteistovaihtoehtojen kautta. Tämä lisää avoimuutta ja joustavuutta sekä antaa teollisuusjärjestelmien arkkitehdeille sekä tutkimus- ja kehitysinsinööreille (T&K-insinöörit) toimittajaneutraaleja vaihtoehtoja tiedonkeruu- ja automaatiosovelluksia varten. (Kuvan lähde: LabJack)

PLC-piirit eivät tietenkään ole ainoa vaihtoehto koneautomaatiossa tai testauksessa ja mittauksessa. Koska kaikki teollinen ohjaus on monimutkaistunut, jotkin toimittajat ovat alkaneet nimetä tiettyjä laitteistoja nimellä ohjelmoitava automaatio-ohjain (PAC). Tämä viittaa parannettuihin ominaisuuksiin ja monissa tapauksissa yhdessä ja samassa laitteessa on useita prosessoreita. Todellisuudessa myös PLC-piirit ovat sofistikoituneet, joten ei ole olemassa mitään tiukkaa sääntöä siitä, milloin jokin PLC-toimintoja suorittava laitteisto olisi PAC. Useimpiin PAC-järjestelmiin on integroitu PLC- ja PC-ominaisuuksia ja niitä käytetään kompleksisissa automaatiojärjestelmissä, joissa on useita PC-pohjaisia sovelluksia ja jotka tarjoavat HMI-käyttöliittymän ja historian. Yksi selkeä ero on se, että kehittäjien on helpompi käyttää PAC-järjestelmiä, sillä PAC-järjestelmien arkkitehtuuri on avoimempi kuin perinteisten ohjausten.

Vielä yhtenä vaihtoehtona ovat nykyään modulaariset PLC-piirit. Ne koostuvat moduuleista, jotka suorittavat eri toimintoja. Kaikissa PLC-laitteissa on oltava CPU-moduuli, joka sisältää prosessorin ja muistin käyttöjärjestelmää ja ohjelmaa varten. Laitteessa voi olla erillinen virtalähdemoduuli ja ylimääräisiä tulo/lähtömoduuleja (I/O). PLC voi sisältää sekä digitaalisia että analogisia I/O-moduuleja. Myös verkkoyhteyttä varten saatetaan tarvita moduuli.

PLC voi olla joko integroitu – jolloin kaikki moduulit ovat yhdessä kotelossa – tai modulaarinen. Integroidut PLC:t ovat pienikokoisempia, mutta modulaariset PLC:t ovat monipuolisempia, sillä ne mahdollistavat yleensä useiden moduulien helpon yhdistämisen toisiinsa joko kytkemällä ne suoraan toisiinsa tai käyttämällä väylänä yhteistä räkkiä. Moduulien osoitteena käytetään niiden sijaintia väylässä. Vaikka räkki voikin fyysisesti noudattaa esimerkiksi DIN-standardia, dataväylä on yleensä PLC-valmistajakohtainen.

PLC-piirien rooli esineiden internetissä

Kiinnostuksen kasvaessa teollisuus 4.0 -aloitetta (jota kutsutaan myös nimellä IIoT) kohtaan teollisuuskäyttäjät haluavat kasvamassa määrin liittää teollisuusohjaimet yritysverkkoihin internet-protokollien avulla. Tämä tarkoittaa TCP-protokollan (Transmission Control Protocol) ja IP-protokollan (Internet Protocol) tai yksinkertaisesti TCP/IP:n käyttöä yhteyksissä. IIoT-trendissä ei kuitenkaan ole kyse vain internetprotokollien käytöstä, vaan myös koneoppimisesta ja big datasta. Kun PLC-piirien tehokkuus kasvaa (ja kehittyneempien ohjaustoimintojen ominaisuudet sisältävät PLC-toimintoja), yhä useammat isäntälaitteet käyttävät näköjärjestelmiä. Internet-yhteyden ansiosta insinöörit voivat myös (järjestelmän PLC-piirin kautta) hyödyntää pilvipohjaisia algoritmeja erittäin suurten tietokokonaisuuksien (kutsutaan myös nimellä big data) käsittelyssä koneoppimista varten.

Käytännön sovelluksissa EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) soveltuu erinomaisesti tällaisiin IIoT PLC -toimintoihin. Kyseessä on Ethernetiin perustuva tiedonsiirtoprotokolla, joka sopii reaaliaikaisiin ohjaussovelluksiin, joiden sykliaika on alle 0,1 millisekuntia. Tämä on nopein teollinen Ethernet-tekniikka ja se pystyy tarjoamaan synkronoinnin nanosekunnin tarkkuudella. Toinen tärkeä etu on EtherCAT-verkkotopologian joustavuus, sillä se toimii ilman verkkokeskittimiä ja -kytkimiä. Laitteet voidaan yksinkertaisesti ketjuttaa toisiinsa rengas-, rivi-, tähti- tai puukokoonpanoksi. PROFINET on kilpaileva standardi, joka tarjoaa samanlaisia ominaisuuksia.

Yhteenveto

Nykyinen trendi kohti yhä kehittyneempää tiedonkeruuta ja teollista ohjausta jatkuu. Tämä merkitsee sitä, että teollisuusautomaatioon sekä testaukseen ja mittaukseen tarkoitetut PLC-piirit lähestyvät yhä enemmän PAC-järjestelmiä ja ne integroituvat SCADA- ja historiatietojärjestelmiin. Myös Internet-protokollat ja avoimet standardit, kuten EtherCAT, yleistyvät jatkuvasti PLC-yhteyksissä. Tällaiset yhteydet puolestaan edistävät teollisuus 4.0 -tekniikoiden, kuten big data -analytiikan ja koneoppimisen, laajempaa käyttöä. Tätä helpottaa osaltaan kyky jakaa tarvittavaa laskentatehoa ja muistia:

• pilvilaskentaan
• tietojenkäsittelyyn kykeneviin reunalaitteisiin.

Näiden trendien lisäksi tarvitaan edelleen perinteisempiä PLC-piirejä, jotka suorittavat suhteellisen yksinkertaisia testaus- ja mittaus- sekä ohjaustoimintoja mahdollisimman luotettavasti ja energiatehokkaasti.