利用新一代 PLC 硬件應(yīng)對(duì)工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)

作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

建立在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 基礎(chǔ)上的自動(dòng)化有望加快產(chǎn)品上市速度、提高生產(chǎn)率、增強(qiáng)安全性、降低成本和提高質(zhì)量。盡管如此，但仍然存在諸多障礙。難以升級(jí)的舊系統(tǒng)、過(guò)于保守的工程部門(mén)、封閉的系統(tǒng)以及專業(yè)知識(shí)的匱乏，都是阻礙工業(yè) 4.0 革命的問(wèn)題。

雖然基于標(biāo)準(zhǔn)的適用技術(shù)為互聯(lián)工廠提供了支柱，但許多傳統(tǒng)或“主力”可編程邏輯控制器 (PLC) 硬件和軟件的功能有限。這給工程師帶來(lái)了挑戰(zhàn)，使他們很難在整個(gè)工廠范圍內(nèi)快速實(shí)施所需的升級(jí)，以充分利用 IIoT 的優(yōu)勢(shì)。更復(fù)雜的是，工程師可能會(huì)冒險(xiǎn)投入大量資金來(lái)升級(jí)工廠技術(shù)，而隨著新技術(shù)的引入，這些技術(shù)可能會(huì)過(guò)時(shí)或不受支持。

我們可以從物聯(lián)網(wǎng)的其他應(yīng)用中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，例如在智能家居應(yīng)用中，利用開(kāi)放系統(tǒng)、協(xié)作平臺(tái)和可訪問(wèn)軟件，更輕松地實(shí)施面向未來(lái)的智能解決方案。工業(yè)自動(dòng)化制造商正在積極運(yùn)用這些經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。

本文簡(jiǎn)要討論了部署 IIoT 技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)，并介紹了開(kāi)放系統(tǒng)和工廠自動(dòng)化硬件的進(jìn)步如何提供解決方案。文中介紹了 [Phoenix Contact] 下一代 PLC 硬件和軟件的實(shí)施示例，并展示了它如何簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)收集工作，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進(jìn)行分析和做出自動(dòng)化決策。

PLC 的重要性

工廠的核心是 PLC，這是 20 世紀(jì) 60 年代末發(fā)明的一種數(shù)字器件，用于取代早期的繼電器邏輯系統(tǒng)。PLC 可在惡劣環(huán)境下工作多年而不會(huì)出現(xiàn)故障。這種可靠性的關(guān)鍵在于注重簡(jiǎn)單性。在發(fā)生故障的罕見(jiàn)情況下，PLC 可以排除故障并解決問(wèn)題，從而迅速恢復(fù)批量生產(chǎn)。

這些設(shè)備包括輸入模塊（接收來(lái)自鍵盤(pán)、開(kāi)關(guān)、繼電器和傳感器等數(shù)字和模擬輸入器件的數(shù)據(jù)）、電源、帶關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)器的可編程 CPU 以及向相連器件發(fā)送信息的輸出模塊（圖 1）。

圖 1：穩(wěn)定可靠的 PLC 是工廠自動(dòng)化的支柱。（圖片來(lái)源：Phoenix Contact）

傳統(tǒng) PLC 使用 IEC 61131-3 規(guī)定的五種語(yǔ)言之一進(jìn)行編程。這五種語(yǔ)言包括指令表 (IL)、符號(hào)化流程圖 (SFC)、梯形圖 (LD)、功能區(qū)塊圖 (FBD) 和結(jié)構(gòu)化文本 (ST)。最常用的是 LD，也稱為梯形邏輯，它使用符號(hào)來(lái)表示繼電器、移位寄存器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器和數(shù)學(xué)運(yùn)算等功能。符號(hào)按照所需的事件順序排列。

PLC 制造商正在迅速適應(yīng)通過(guò)實(shí)施工業(yè)以太網(wǎng)在工廠自動(dòng)化方面取得的進(jìn)步。工業(yè)以太網(wǎng)具有 IP 互操作性，是應(yīng)用最廣泛的有線網(wǎng)絡(luò)方案，得到了供應(yīng)商的廣泛支持。工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)是硬件堅(jiān)固耐用，軟件符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這使之成為一項(xiàng)成熟的工廠自動(dòng)化技術(shù)（圖 2）。以太網(wǎng)/IP、Modbus TCP 和 PROFINET 等工業(yè)太網(wǎng)協(xié)議則是硬件的輔助。每個(gè)協(xié)議都旨在確保工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的高確定性。（請(qǐng)參閱“[ 使用基于工業(yè)以太網(wǎng)的電源和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)堅(jiān)固耐用的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用 ]”。）

今天的許多 PLC 都內(nèi)置以太網(wǎng)連接功能。對(duì)于采用非以太網(wǎng)接口的傳統(tǒng)設(shè)備，以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施與 PLC 之間的鴻溝由網(wǎng)關(guān)彌合。（請(qǐng)參閱“[ 如何在不停工的情況下將傳統(tǒng)工廠自動(dòng)化系統(tǒng)與工業(yè) 4.0 相連接 ]”。）

新一代 PLC

如果工廠混合使用現(xiàn)代系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)，工程師就很難充分利用工業(yè) 4.0 帶來(lái)的全部好處。不過(guò)，我們可以從物聯(lián)網(wǎng)的其他應(yīng)用中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，例如在智能家居和物流行業(yè)中，利用開(kāi)放系統(tǒng)、協(xié)作平臺(tái)和基于標(biāo)準(zhǔn)的可訪問(wèn)軟件，更輕松地實(shí)施面向未來(lái)的智能解決方案。

從這些其他行業(yè)獲得的知識(shí)促使 PLC 和相關(guān)系統(tǒng)的制造商推出新一代產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可以像傳統(tǒng) PLC 一樣運(yùn)行，而不受傳統(tǒng)硬件和軟件的限制。Phoenix Contact 的 PLCnext Control 技術(shù)就是新一代產(chǎn)品的典范。

從軟件的角度來(lái)看，像 Phoenix Contact [1069208]PLCnext 控制器這樣的產(chǎn)品代表了向開(kāi)放解決方案邁出的重要一步，而此類解決方案正開(kāi)始主導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)的其他領(lǐng)域。例如，PLCnext 與各種軟件兼容，因此可從互聯(lián)網(wǎng)上輕松下載創(chuàng)新的工廠自動(dòng)化應(yīng)用程序并安裝到 PLC 上，就像智能手機(jī)上的應(yīng)用程序一樣。

PLCnext 使用 Linux 操作系統(tǒng) (OS)。該控制器仍可使用 IEC 61131-3 規(guī)定的語(yǔ)言進(jìn)行編程，但借助 Linux，工程師可輕松使用 C++、C#、Java、Python 和 Simulink 等高級(jí)語(yǔ)言對(duì) PLC 進(jìn)行編程。這些簡(jiǎn)單易用的語(yǔ)言使更多工程師能夠使用現(xiàn)代工廠自動(dòng)化技術(shù)。此外，PLCnext 還具有任務(wù)處理功能，可將不同來(lái)源的程序例程作為傳統(tǒng) PLC 代碼運(yùn)行，并使高級(jí)語(yǔ)言程序自動(dòng)成為確定性程序（圖 3）。

圖 3：PLCnext 具有任務(wù)處理功能，可將不同來(lái)源的程序例程作為傳統(tǒng) PLC 代碼運(yùn)行。（圖片來(lái)源：Phoenix Contact）

連接性通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)硬件實(shí)現(xiàn)；控制系統(tǒng)在具有 IP 互操作性的 PROFINET 協(xié)議下運(yùn)行，并使用 PROFICLOUD 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供云計(jì)算支持。該 PLC 還支持其他開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如 http、https、FTP、SNTP、SNMP、SMTP、SQL、MySQL 和 DCP。

硬件基于運(yùn)行頻率為 1.3 GHz 的 Intel Atom 微處理器。這款 PLC 配備 1 GB 閃存和 2048 MB RAM。IEC 61131 運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)具有 12 MB 程序存儲(chǔ)器和 32 MB 程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。該設(shè)備最多可支持 63 個(gè)本地總線器件，需要 24 V 電源，最大電流消耗為 504 mA（圖 4）。

圖 4：PLCnext PLC 使用 Linux 操作系統(tǒng)，支持 IEC 61131-3 規(guī)定的傳統(tǒng)語(yǔ)言和更高級(jí)的語(yǔ)言。（圖片來(lái)源：Phoenix Contact）

Phoenix Contact 的 PLCnext 系列包括 PLC 和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的其他關(guān)鍵元件，例如通信模塊和管理型交換機(jī)。具體示例包括 [2403115]通信模塊和 [2702981] 管理型網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換 (NAT) 交換機(jī)。通信模塊為 PLC 增添了一個(gè)額外的千兆工業(yè)以太網(wǎng)接口。該模塊具有獨(dú)立的 MAC 地址，支持 PROFINET，可在以太網(wǎng)接口與邏輯之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離。

管理型交換機(jī)用于存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)傳輸?shù)男畔ⅲ哂兴膫€(gè)以太網(wǎng) RJ45 端口、兩個(gè)小型可插拔 (SFP) 端口和兩個(gè)組合端口 (RJ45/SFP)。該交換機(jī)符合 PROFINET B 類標(biāo)準(zhǔn)。

提高工廠的決策能力

優(yōu)化工廠生產(chǎn)至關(guān)重要，因?yàn)橹圃鞓I(yè)要求精度和可重復(fù)性。確保高精度和可重復(fù)性的關(guān)鍵在于過(guò)程控制。在現(xiàn)代工廠中，物聯(lián)網(wǎng)傳感器和攝像頭可以監(jiān)視機(jī)器并測(cè)量成品元器件，從而發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中的任何細(xì)微偏差，并相應(yīng)地糾正過(guò)程。而有些傳感器則可跟蹤記錄機(jī)器的健康狀況，在磨損的機(jī)器出現(xiàn)故障之前預(yù)測(cè)維護(hù)需求。還有些傳感器可跟蹤記錄工廠的溫度、濕度和空氣質(zhì)量。

與傳統(tǒng) PLC 不同，PLCnext Control 的一個(gè)主要特點(diǎn)是其可以利用這些工廠數(shù)據(jù)。根據(jù) Phoenix Contact 的說(shuō)法，只需將 PLC 連接到 3% 至 5% 的系統(tǒng)模擬和數(shù)字輸入輸出 (I/O)，就足以使 PLC 全面映射制造過(guò)程，而無(wú)需大量干預(yù)。

然后，PLCnext Control 可以連接到任何云服務(wù)，包括 Phoenix Contact 的 Proficloud.io、Amazon 的 AWS 和 Microsoft 的 Azure。因此，工廠系統(tǒng)可以使用強(qiáng)大的計(jì)算資源，確保運(yùn)營(yíng)管理和維護(hù)過(guò)程盡可能高效地運(yùn)行，從而提高生產(chǎn)率，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量并降低成本。

PLCnext 入門(mén)

使用 PLCnext 控制器和相關(guān)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單。為了協(xié)助啟動(dòng) PLC 編程項(xiàng)目，Phoenix Contact 推出了 [1188165] PLCnext 技術(shù)入門(mén)套件。該套件包括 [2404267]PLCnext 控制模塊 (PLC)、模塊托架，以及模擬或數(shù)字模塊選項(xiàng)。

要使用該入門(mén)套件，必須先將 PLC 和模擬/數(shù)字模塊設(shè)備連接到 24 VDC 電源。接著，在 PLC 與 PC 之間連接以太網(wǎng)電纜，并設(shè)置 PLC 的 IP 地址。然后，在 PC 的瀏覽器窗口中輸入 PLC 的 IP 地址。用戶使用用戶名和密碼登錄后，PLC 即可運(yùn)行。基于 Web 的管理系統(tǒng)會(huì)提供進(jìn)一步說(shuō)明。PLC 的編程使用 [PLCnext Engineer]軟件完成。通過(guò)該軟件，工程師可對(duì)整個(gè)自動(dòng)化解決方案進(jìn)行配置、診斷和可視化。

PLCnext Engineer 支持使用 IEC 61131-3 規(guī)定的傳統(tǒng)語(yǔ)言進(jìn)行編程和配置。使用 C++ 和 C# 等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程也很簡(jiǎn)單。除 PLCnext Engineer 外，還可在 Eclipse 或 Microsoft Visual Studio 等其他熱門(mén)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE) 中構(gòu)建代碼。隨后即可將該軟件作為庫(kù)導(dǎo)入 PLCnext Engineer，以與任何兼容的 PLC 配合使用（圖 5）。

[]圖 5：PLCnext PLC 可在 PLCnext Engineer 中使用傳統(tǒng)語(yǔ)言、在 IDE 中使用高級(jí)語(yǔ)言或在基于模型的設(shè)計(jì)系統(tǒng)中進(jìn)行編程。（圖片來(lái)源：Phoenix Contact）

PLCnext 技術(shù)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是，可讓多名開(kāi)發(fā)人員在一個(gè) PLC 程序上獨(dú)立并行工作，即使他們使用不同的編程語(yǔ)言。這樣就能快速開(kāi)發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序，并使掌握傳統(tǒng)語(yǔ)言技能和高級(jí)語(yǔ)言技能的開(kāi)發(fā)人員都可各展所長(zhǎng)。

總結(jié)

IIoT 有望改變工廠。然而，盡管工程師安裝了工業(yè)以太網(wǎng)，傳統(tǒng) PLC 有限的連接性和過(guò)時(shí)的軟件也會(huì)阻礙工廠自動(dòng)化充分發(fā)揮潛能。Phoenix Contact 的 PLCnext 技術(shù)基于開(kāi)放系統(tǒng)、協(xié)作平臺(tái)和可訪問(wèn)軟件。該技術(shù)可將使用傳統(tǒng)語(yǔ)言編碼的例程與使用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的例程相結(jié)合，為工業(yè)自動(dòng)化提供面向未來(lái)的解決方案，從而提高生產(chǎn)率、增加產(chǎn)量、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量并降低成本。