利用新一代 PLC 硬件應對工業自動化挑戰

作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

建立在工業物聯網 (IIoT) 基礎上的自動化有望加快產品上市速度、提高生產率、增強安全性、降低成本和提高質量。盡管如此，但仍然存在諸多障礙。難以升級的舊系統、過于保守的工程部門、封閉的系統以及專業知識的匱乏，都是阻礙工業 4.0 革命的問題。

雖然基于標準的適用技術為互聯工廠提供了支柱，但許多傳統或“主力”可編程邏輯控制器 (PLC) 硬件和軟件的功能有限。這給工程師帶來了挑戰，使他們很難在整個工廠范圍內快速實施所需的升級，以充分利用 IIoT 的優勢。更復雜的是，工程師可能會冒險投入大量資金來升級工廠技術，而隨著新技術的引入，這些技術可能會過時或不受支持。

我們可以從物聯網的其他應用中吸取經驗教訓，例如在智能家居應用中，利用開放系統、協作平臺和可訪問軟件，更輕松地實施面向未來的智能解決方案。工業自動化制造商正在積極運用這些經驗和知識。

本文簡要討論了部署 IIoT 技術所面臨的挑戰，并介紹了開放系統和工廠自動化硬件的進步如何提供解決方案。文中介紹了 [Phoenix Contact] 下一代 PLC 硬件和軟件的實施示例，并展示了它如何簡化數據收集工作，并將數據發送到云端進行分析和做出自動化決策。

PLC 的重要性

工廠的核心是 PLC，這是 20 世紀 60 年代末發明的一種數字器件，用于取代早期的繼電器邏輯系統。PLC 可在惡劣環境下工作多年而不會出現故障。這種可靠性的關鍵在于注重簡單性。在發生故障的罕見情況下，PLC 可以排除故障并解決問題，從而迅速恢復批量生產。

這些設備包括輸入模塊（接收來自鍵盤、開關、繼電器和傳感器等數字和模擬輸入器件的數據）、電源、帶關聯存儲器的可編程 CPU 以及向相連器件發送信息的輸出模塊（圖 1）。

圖 1：穩定可靠的 PLC 是工廠自動化的支柱。（圖片來源：Phoenix Contact）

傳統 PLC 使用 IEC 61131-3 規定的五種語言之一進行編程。這五種語言包括指令表 (IL)、符號化流程圖 (SFC)、梯形圖 (LD)、功能區塊圖 (FBD) 和結構化文本 (ST)。最常用的是 LD，也稱為梯形邏輯，它使用符號來表示繼電器、移位寄存器、計數器、定時器和數學運算等功能。符號按照所需的事件順序排列。

PLC 制造商正在迅速適應通過實施工業以太網在工廠自動化方面取得的進步。工業以太網具有 IP 互操作性，是應用最廣泛的有線網絡方案，得到了供應商的廣泛支持。工業以太網的特點是硬件堅固耐用，軟件符合工業標準，這使之成為一項成熟的工廠自動化技術（圖 2）。以太網/IP、Modbus TCP 和 PROFINET 等工業太網協議則是硬件的輔助。每個協議都旨在確保工業自動化應用的高確定性。（請參閱“[ 使用基于工業以太網的電源和數據網絡設計堅固耐用的物聯網應用 ]”。）

今天的許多 PLC 都內置以太網連接功能。對于采用非以太網接口的傳統設備，以太網基礎設施與 PLC 之間的鴻溝由網關彌合。（請參閱“[ 如何在不停工的情況下將傳統工廠自動化系統與工業 4.0 相連接 ]”。）

新一代 PLC

如果工廠混合使用現代系統和傳統系統，工程師就很難充分利用工業 4.0 帶來的全部好處。不過，我們可以從物聯網的其他應用中吸取經驗教訓，例如在智能家居和物流行業中，利用開放系統、協作平臺和基于標準的可訪問軟件，更輕松地實施面向未來的智能解決方案。

從這些其他行業獲得的知識促使 PLC 和相關系統的制造商推出新一代產品，這些產品可以像傳統 PLC 一樣運行，而不受傳統硬件和軟件的限制。Phoenix Contact 的 PLCnext Control 技術就是新一代產品的典范。

從軟件的角度來看，像 Phoenix Contact [1069208]PLCnext 控制器這樣的產品代表了向開放解決方案邁出的重要一步，而此類解決方案正開始主導物聯網的其他領域。例如，PLCnext 與各種軟件兼容，因此可從互聯網上輕松下載創新的工廠自動化應用程序并安裝到 PLC 上，就像智能手機上的應用程序一樣。

PLCnext 使用 Linux 操作系統 (OS)。該控制器仍可使用 IEC 61131-3 規定的語言進行編程，但借助 Linux，工程師可輕松使用 C++、C#、Java、Python 和 Simulink 等高級語言對 PLC 進行編程。這些簡單易用的語言使更多工程師能夠使用現代工廠自動化技術。此外，PLCnext 還具有任務處理功能，可將不同來源的程序例程作為傳統 PLC 代碼運行，并使高級語言程序自動成為確定性程序（圖 3）。

圖 3：PLCnext 具有任務處理功能，可將不同來源的程序例程作為傳統 PLC 代碼運行。（圖片來源：Phoenix Contact）

連接性通過工業以太網硬件實現；控制系統在具有 IP 互操作性的 PROFINET 協議下運行，并使用 PROFICLOUD 物聯網平臺提供云計算支持。該 PLC 還支持其他開放標準協議，如 http、https、FTP、SNTP、SNMP、SMTP、SQL、MySQL 和 DCP。

硬件基于運行頻率為 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 運行時系統具有 12 MB 程序存儲器和 32 MB 程序數據存儲空間。該設備最多可支持 63 個本地總線器件，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，支持 IEC 61131-3 規定的傳統語言和更高級的語言。（圖片來源：Phoenix Contact）

Phoenix Contact 的 PLCnext 系列包括 PLC 和工業自動化系統的其他關鍵元件，例如通信模塊和管理型交換機。具體示例包括 [2403115]通信模塊和 [2702981] 管理型網絡地址轉換 (NAT) 交換機。通信模塊為 PLC 增添了一個額外的千兆工業以太網接口。該模塊具有獨立的 MAC 地址，支持 PROFINET，可在以太網接口與邏輯之間實現電氣隔離。

管理型交換機用于存儲和轉發以太網傳輸的信息，具有四個以太網 RJ45 端口、兩個小型可插拔 (SFP) 端口和兩個組合端口 (RJ45/SFP)。該交換機符合 PROFINET B 類標準。

提高工廠的決策能力

優化工廠生產至關重要，因為制造業要求精度和可重復性。確保高精度和可重復性的關鍵在于過程控制。在現代工廠中，物聯網傳感器和攝像頭可以監視機器并測量成品元器件，從而發現產品中的任何細微偏差，并相應地糾正過程。而有些傳感器則可跟蹤記錄機器的健康狀況，在磨損的機器出現故障之前預測維護需求。還有些傳感器可跟蹤記錄工廠的溫度、濕度和空氣質量。

與傳統 PLC 不同，PLCnext Control 的一個主要特點是其可以利用這些工廠數據。根據 Phoenix Contact 的說法，只需將 PLC 連接到 3% 至 5% 的系統模擬和數字輸入輸出 (I/O)，就足以使 PLC 全面映射制造過程，而無需大量干預。

然后，PLCnext Control 可以連接到任何云服務，包括 Phoenix Contact 的 Proficloud.io、Amazon 的 AWS 和 Microsoft 的 Azure。因此，工廠系統可以使用強大的計算資源，確保運營管理和維護過程盡可能高效地運行，從而提高生產率，改進產品質量并降低成本。

PLCnext 入門

使用 PLCnext 控制器和相關設備相對簡單。為了協助啟動 PLC 編程項目，Phoenix Contact 推出了 [1188165] PLCnext 技術入門套件。該套件包括 [2404267]PLCnext 控制模塊 (PLC)、模塊托架，以及模擬或數字模塊選項。

要使用該入門套件，必須先將 PLC 和模擬/數字模塊設備連接到 24 VDC 電源。接著，在 PLC 與 PC 之間連接以太網電纜，并設置 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 即可運行?；?Web 的管理系統會提供進一步說明。PLC 的編程使用 [PLCnext Engineer]軟件完成。通過該軟件，工程師可對整個自動化解決方案進行配置、診斷和可視化。

PLCnext Engineer 支持使用 IEC 61131-3 規定的傳統語言進行編程和配置。使用 C++ 和 C# 等高級語言進行編程也很簡單。除 PLCnext Engineer 外，還可在 Eclipse 或 Microsoft Visual Studio 等其他熱門的集成開發環境 (IDE) 中構建代碼。隨后即可將該軟件作為庫導入 PLCnext Engineer，以與任何兼容的 PLC 配合使用（圖 5）。

[]圖 5：PLCnext PLC 可在 PLCnext Engineer 中使用傳統語言、在 IDE 中使用高級語言或在基于模型的設計系統中進行編程。（圖片來源：Phoenix Contact）

PLCnext 技術的一個主要優勢是，可讓多名開發人員在一個 PLC 程序上獨立并行工作，即使他們使用不同的編程語言。這樣就能快速開發復雜的應用程序，并使掌握傳統語言技能和高級語言技能的開發人員都可各展所長。

總結

IIoT 有望改變工廠。然而，盡管工程師安裝了工業以太網，傳統 PLC 有限的連接性和過時的軟件也會阻礙工廠自動化充分發揮潛能。Phoenix Contact 的 PLCnext 技術基于開放系統、協作平臺和可訪問軟件。該技術可將使用傳統語言編碼的例程與使用高級語言編寫的例程相結合，為工業自動化提供面向未來的解決方案，從而提高生產率、增加產量、改進產品質量并降低成本。