Nimic nu seamănă cu PLC-urile pe care le cunoșteați – Activarea IIoT cu PLC-uri moderne

8 FEBRUARIE 2022

Controlerele logice programabile (PLC) au jucat timp de mulți ani un rol important în controlul proceselor. Ușor de utilizat, fiabile și robuste, PLC-urile au devenit familiare în fabrici, controlând o mare varietate de mașini și procese. În mod tradițional, sistemele de comunicație ale PLC-urilor erau locale, permițând conexiuni între PLC-urile din aceeași clădire. Acum, odată cu apariția Industriei 4.0 și a Internetului industrial al lucrurilor (IIoT), se dezvoltă o nouă generație de PLC-uri care pot comunica date prin cloud.

Aceste PLC-uri sunt mai inteligente și au capabilități de comunicație mult mai bune decât sistemele anterioare − unele au capabilități de inteligență artificială (AI), iar multe dintre ele valorifică în mod curent avantajele oferite de Ethernet. Articolul analizează dezvoltarea PLC-urilor și modul în care acestea sunt programate. Apoi examinează noile capabilități care fac din familiarul PLC o parte esențială a sistemelor avansate de control și de comunicație de mâine, care interconectează datele din fabrică până în sala de consiliu, îmbunătățind cunoștințele despre procesele de producție.

Pe măsură ce dispozitivele electronice deveneau tot mai accesibile, era evident că aceste componente versatile și cu acțiune rapidă vor fi folosite pentru a controla mașinile din fabrici și alte instalații. La început, automatizarea se realiza prin adoptarea unei abordări cablate. Aceasta era asigurată de dispozitive de bază, precum relee, alături de temporizatoare cu came și secvențiatoare cu tambur, care sunt componente electromecanice pentru controlul automat al unei secvențe de evenimente.

În cazul unui temporizator cu came, un motor electric acționează un arbore pe care se află o serie de came. Pe măsură ce motorul se rotește la o viteză fixă, un reductor este utilizat pentru a roti arborele cu came la o viteză lentă corespunzătoare, iar fiecare camă acționează un comutator asociat la momente diferite. Prin aranjarea camelor și a switch-urilor, se pot stabili secvențe complexe de evenimente de comutare, permițând pornirea și oprirea unor echipamente precum motoare și supape. Secvențiatoarele cu tambur au reprezentat o altă componentă populară de automatizare. Aceste dispozitive reprogramabile de sincronizare electromecanică utilizează o serie de butoane pe un tambur rotativ. Pe măsură ce tamburul se rotește, butoanele activează switch-uri electrice în secvențe repetitive.

Deși această abordare cablată a permis o automatizare destul de eficientă, ea era însoțită de câteva probleme potențiale. Înțelegerea funcționării unui sistem cablat era mai dificilă, deoarece trebuia să se urmărească fiecare cablu în parte pentru a determina echipamentul pe care îl conecta. O altă provocare majoră era fiabilitatea − o singură defecțiune, precum un releu deteriorat sau un cablu rupt, ar fi provocat defectarea întregului sistem, ceea ce ar fi dus la multe ore de depanare pentru a repune sistemul în funcțiune.

Apariția PLC-ului

În anii 1960, companiile din domeniul auto din Statele Unite au dezvoltat conceptul de controler logic programabil (PLC). Modicon 084 a fost primul PLC dezvoltat de Dick Morley pentru General Motors în 1964.

În esență, un PLC este un computer industrial bazat pe semiconductori (solid state computer) care monitorizează intrările și ieșirile. Pe baza acestora, PLC-ul ia decizii logice pentru procesele automate sau pentru mașini. O configurație obișnuită a unui PLC va include un CPU, intrări analogice, ieșiri analogice și ieșiri de curent continuu. Unitatea centrală de procesare este, de obicei, un microprocesor pe 16- sau 32-biți care acționează pe post de creier al PLC-ului. Acesta instruiește PLC-ul să efectueze sarcini, inclusiv să execute instrucțiuni de control, să comunice cu alte dispozitive, să efectueze operații logice și aritmetice și să efectueze diagnosticări interne.

Ca și în cazul altor tipuri de dispozitive de calcul, PLC-urile au memorie permanentă de tip ROM (Read Only Memory) pentru a stoca sistemul de operare și memorie cu acces aleatoriu (Random Access Memory − RAM) pentru a stoca informații de stare pentru dispozitivele de intrare și ieșire, precum și date pentru timere și numărătoare. PLC-urile citesc semnale provenite de la diferiți senzori și dispozitive de intrare, inclusiv tastaturi, switch-uri sau senzori. Aceste intrări pot fi în format digital sau analogic. De asemenea, ele pot primi semnale de intrare de la sisteme “inteligente”, precum roboți sau de la sisteme vizuale. În mod obișnuit, unitatea centrală de procesare trece printr-o serie de etape pentru a accesa și procesa informațiile: începe scanarea; efectuează verificări interne; “citește” intrările; execută logica programului; și actualizează ieșirile. Programul se repetă apoi cu ieșirile actualizate. Dispozitivele de ieșire pot include motoare și supape electromagnetice.

Programare ușoară

PLC-urile au avantaje față de sistemele mecanice, deoarece sunt mai robuste și capabile să supraviețuiască condițiilor dure întâlnite în multe medii industriale, inclusiv căldură și frig intens, praf și niveluri extreme de umiditate. Un alt avantaj major al PLC-urilor este acela că sunt mult mai ușor de programat decât un computer de uz general. IEC 61131 este un standard internațional deschis, care definește cele cinci limbaje principale utilizate pentru programarea PLC-urilor, printre care: Ladder Diagram (LD), Sequential Function Charts (SFC), Function Block Diagram (FBD), Structured Text (ST) și Instruction List (IL). Totuși, în cea de-a treia ediție a acestui standard, limbajul IL a fost eliminat.

Ladder Diagram este bazat pe logica de relee, care utiliza dispozitive fizice, precum switch-uri și relee mecanice, pentru a controla procesele. Acum, diagrama Ladder înlocuiește aceste dispozitive cu o logică internă. Deși este bine organizată și ușor de urmărit și editat, principalul dezavantaj al acesteia este legat de numărul limitat de funcții disponibile.

Bazate în mare măsură pe diagramele de flux, diagramele SFC (Sequential Function Charts) utilizează etape și tranziții pentru a atinge rezultatele dorite. Etapele găzduiesc acțiunile − cu decizia de a executa acțiunea bazată pe sincronizare − pe o fază a procesului sau pe o stare fizică a unor echipamente. Tranzițiile sunt instrucțiuni de trecere de la o etapă la alta pe baza unor condiții adevărate sau false.

Fiind un limbaj grafic, FBC (Function Block Diagram) se bazează pe o funcție între intrări și ieșiri conectate la blocuri prin linii de conexiune. Blocurile sunt plasate pe foi care sunt scanate de către PLC. Fiind o metodă vizuală, poate fi mai ușoară pentru unii utilizatori și poate funcționa bine cu comenzile de mișcare, deși poate deveni dezorganizată, deoarece blocurile pot fi plasate oriunde pe foaie.

Structured Text (ST) este un limbaj de nivel înalt precum Basic, Pascal și “C”. Este un instrument foarte puternic, care poate executa sarcini complexe folosind algoritmi și funcții matematice, precum și sarcini repetitive. Bun la calcule matematice complexe, poate fi dificil de depanat sau de editat online.

Instruction List (IL) este un limbaj bazat pe text, similar limbajului Assembly, care utilizează coduri precum LD (Load), “AND” și “OR”. Adecvat pentru aplicații care necesită coduri compacte și critice din punct de vedere al timpului, dezavantajele sale sunt lipsa de structurare și dificultatea de a trata erorile.

Interfețe pentru detecție și control

De obicei, PLC-urile au interfețe de nivel scăzut pentru detecție și control, inclusiv intrări de tensiune digitală și analogică și ieșiri pentru comanda releelor. Acestea permit conectarea senzorilor standard la PLC și controlul electric al sistemelor prin intermediul ieșirilor de releu. PLC-urile au, de asemenea, capabilități de comunicație mai complexe, permițând construirea de sisteme folosind mai multe PLC-uri. În mod tradițional, PLC-urile utilizează interfețe consacrate de mult timp, cum ar fi RS-232, RS-485 și RS-422 pentru a se conecta la senzori și protocoale precum Modbus în vederea conectării la alte controlere din sistem. Modbus, un protocol de comunicații de date dezvoltat inițial de Modicon pentru a fi utilizat în cadrul propriilor sale PLC-uri, a devenit un standard industrial și reprezintă în prezent o metodă obișnuită de conectare a dispozitivelor electronice industriale. Dezvoltate cu aproape 60 de ani în urmă, aceste protocoale permit o interoperabilitate ușoară, dar limitează performanța sistemului.

PLC-ul a fost proiectat inițial pentru a funcționa în interiorul unei fabrici. Sistemele de comunicații erau locale, permițând conexiuni între PLC-urile din aceeași clădire, în timp ce sistemele moderne de Internet industrial al lucrurilor (IIoT) impun utilizarea cloud-ului. Prin urmare, PLC-ul trebuia să evolueze pentru a susține IIoT și cerințele Industriei 4.0.

În prezent, PLC-urile oferă în continuare aceeași modalitate simplă de a controla sistemele complexe de fabricație și automatizare, dar oferă o gamă mult mai largă de caracteristici și capabilități, punând la dispoziție o gamă largă de interfețe de comunicații și un suport îmbunătățit pentru IIoT bazat pe cloud. Aceste funcții au făcut din PLC-uri o parte și mai puternică a arsenalului inginerului de automatizare.

Activarea IIoT cu ajutorul gateway-urilor

Există numeroși producători de top care dezvoltă PLC-uri puternice capabile să asigure astfel de funcții și avantaje. Unul dintre aceștia este Omron, care oferă o gamă de PLC-uri create pentru a fi accesate prin intermediul unui gateway sau altor dispozitive. Este o abordare obișnuită pentru a permite PLC-urilor să susțină IIoT. Un gateway PLC, denumit și convertor de protocol, este o entitate de rețea, care poate conecta sisteme foarte diferite. Una dintre principalele sale utilizări este aceea de punte între două controlere PLC de mărci diferite. Acestea sunt atractive datorită ușurinței de programare și a necesității minime de întreținere. Gateway-urile protejează PLC-ul acționând ca punct de intrare și ieșire pentru date, deoarece tot traficul care circulă prin rețele trebuie să treacă prin gateway. Făcând parte, din ce în ce mai mult, din rețele mai mari, PLC-urile moderne suportă, de asemenea, interfețe de comunicații precum Ethernet. De exemplu, CJ2M de la Omron oferă un port Ethernet/IP cu o distanță de transmisie de 100 m și o viteză de transmisie de 100 Mbps.

De asemenea, Omron a dezvoltat versiuni mai puternice ale PLC-ului, denumite controlere pentru automatizarea utilajelor. Seria NX1 de controlere modulare pentru utilaje oferă funcționalități în materie de secvență logică, mișcare și informații. NX1 unește lumea tehnologiei de fabricație cu cea a tehnologiei informației, reducând la minimum ingineria și întreținerea. Suportând până la 64 de noduri EtherCAT, suportă, de asemenea, topologia EtherCAT Ring pentru a menține comunicațiile și controlul în cazul ruperii unui cablu sau al defectării unui dispozitiv.

Conectivitate directă la cloud

Siemens, cea mai mare companie de producție industrială din Europa, s-a concentrat pe implementarea de gateway-uri pentru a activa IIoT. De exemplu, uaGate SI este un gateway compact care oferă o conectivitate facilă și sigură a datelor, fără a fi nevoie de un PC. Acesta integrează date de la mai multe PLC-uri Siemens, inclusiv SIMATIC s7-300, S7-400, S7-1200 și S7-1500, permițând accesul la date prin intermediul unui software de management de nivel superior, cum ar fi ERP sau SCADA.

Aceste sisteme permit ca PLC-urile Siemens să fie integrate cu sistemele sale de control bazate pe cloud, cum ar fi SIMATIC PCS neo, un sistem de control al proceselor axat integral pe web, care permite operatorilor să își controleze instalațiile de la distanță, de pe orice dispozitiv. SIMATIC PCS neo utilizează același portofoliu de aplicații și hardware ca și sistemul consacrat al companiei, de control al proceselor − SIMATIC PCS 7.

Alte companii oferă PLC-uri create pentru a funcționa la marginea sistemului (edge), cu servere web încorporate, care pot fi utilizate pentru a accesa PLC-ul de la distanță. Controlerul logic Modicon M221 de la Schneider Electric, de exemplu, poate fi asociat cu un modem și un router pentru sincronizarea între utilajele îndepărtate, precum și pentru întreținere, control și monitorizare prin internet.

Aceste produse sunt gândite pentru a funcționa cu platforma EcoStruxure de la Schneider Electric. Proiectată ca o arhitectură și o platformă interoperabilă, deschisă, ‘plug-and-play’, compatibilă cu IoT, EcoStruxure conectează totul într-o întreprindere, de la atelier până la sala de consiliu, colectând date critice la toate nivelurile, de la senzori până la cloud. Cu EcoStruxure, întreprinderile pot analiza datele pe care le primesc pentru a descoperi informații semnificative, asigurându-se că pot acționa în baza informațiilor în timp real și a logicii operaționale. În consecință, soluția este ideală pentru aplicații în locuințe, clădiri, centre de date, infrastructură și industrii.

Concluzie

În prezent, apare o nouă generație de PLC-uri mai inteligente și cu capabilități de comunicație mult mai bune decât cele ale sistemelor anterioare. Prin combinarea tendințelor, precum introducerea inteligenței artificiale, cu dezvoltarea de PLC-uri care se conectează direct la cloud, implementarea de sisteme de control bazate pe IIoT și Industrie 4.0 va fi mai ușoară. Distribuitorii experimentați cu servicii de înaltă calitate, precum Farnell, pot oferi asistență tehnică pentru a-i ajuta pe ingineri să identifice produsele care se potrivesc cel mai bine aplicațiilor lor.

Autor: Simon Meadmore, Global Head of IP&E, Farnell

Farnell  | ro.farnell.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre