Programowalne sterowniki logiczne (PLC) są bardzo zróżnicowaną grupą urządzeń stosowanych w automatyce, wykorzystujących sygnały przekazywane w systemie binarnym (0/1). Dzięki odpowiednim algorytmom włączają i wyłączają pojedyncze moduły wykonawcze maszyn przemysłowych za pośrednictwem impulsów elektrycznych. Sercem nowoczesnych sterowników PLC jest ich jednostka centralna (procesor CPU) pobierająca dane z pamięci urządzenia, następnie przetwarzająca je i na koniec wykonująca polecenia zakodowane w algorytmie programu. Moduły wejścia – głównie cyfrowe – odbierają sygnały z czujników i sond w postaci kodu binarnego i nawet jeśli dany sterownik wyposażony jest również w wejścia analogowe (np. ciągły pomiar ciśnienia), to zmierzone wartości przekazywane są po drodze w postaci sygnałów analogowych do przetworników, z których finalnie wychodzą już w postaci cyfrowej.

Do sterowania urządzeniami wykonawczymi, takimi jak styczniki, zawory elektryczne i dziesiątki innych, służą moduły wyjściowe sterowników PLC (cyfrowe i analogowe). Za zasilanie odpowiadają moduły stanowiące integralną część sterownika lub też osobny komponent tej architektury. Zasilają one sterownik prądem zmiennym lub stałym. Nieodzownym modułem jest ten odpowiadający za komunikację sterownika z komputerem i innymi urządzeniami, w tym coraz częściej innymi sterownikami. Niezbędna jest też oczywiście pamięć, w której przechowywany jest program i w której wydzielona jest tzw. pamięć nieulotna (EPROM, EEPROM).

Z uwagi na budowę sterowniki PLC dzieli się na kompaktowe (jednomodułowe), wielomodułowe w wersjach małych, średnich lub dużych (te ostatnie miewają po kilkaset wejść i wyjść) oraz rozproszone, które stanowią swoistą sieć złożoną ze sterownika centralnego i rozproszonych modułów.

Komunikacja sieciowa

Przemysł 4.0 to koncepcja przemysłu przyszłości, która wraz z ideą tzw. internetu rzeczy (IoT) jest już stopniowo wdrażana. Opiera się na bardzo wydajnej komunikacji sieciowej (w dużej mierze bezprzewodowej) pomiędzy maszynami i urządzeniami, usługami i systemem sterowania oraz IT. Chodzi tu więc o czujniki, sondy i przyrządy pomiarowe, systemy RFID, panele operatorskie HMI, sterowniki PLC, jak też oprogramowanie ERP i systemy monitoringu produkcji (systemy MES). W przeciwieństwie do tradycyjnej architektury w Przemyśle 4.0 wszystkie wymienione składniki muszą komunikować się wzajemnie ze sobą (komunikacja machine2machine).

Ta nowoczesna koncepcja zakłada istnienie rozproszonej sieci inteligentnych i autonomicznych komponentów całej struktury, urządzeń, procesów i usług (chmury), w której komunikacja nie jest inicjowana tylko na najwyższym poziomie systemu, podczas gdy poziomy niższe mają wyłącznie funkcję wykonawczą. Tu komunikacja może być nawiązana niezależnie na każdym poziomie – z dowolnym innym urządzeniem, procesem lub usługą – w czasie rzeczywistym. Wymiana informacji następuje zarówno w poziomie, jak i w pionie, zarówno bezpośrednio, jak i pośrednio.

Sterowniki i maszyny dla Przemysłu 4.0

Sterowniki najnowszych generacji, projektowane do zastosowań w maszynach przemysłowych pracujących w środowiskach przemysłowego internetu rzeczy (IIoT), to urządzenia obudowane oprogramowaniem narzędziowym, serwisami cloudingowymi i rozwiązaniami programistycznymi. Wszystko to ma umożliwić stworzenie aplikacji wykorzystujących otwarte standardy automatyzacji i komunikacji. Dzisiejsze aplikacje oparte na sterownikach PLC nie tylko nadzorują procesy produkcyjne i nimi sterują, ale też muszą komunikować się z wieloma zewnętrznymi systemami, w tym biznesowymi, które wywodzą się z technologii typowych dla branży IT, a nie automatyki. Dlatego właśnie jednym z najważniejszych wyzwań, jakie przed sterownikami PLC postawił Przemysł 4.0, jest skuteczne i elastyczne połączenie tych dwóch domen: automatyki przemysłowej oraz IT.

Dziś dostępne są już na rynku sterowniki PLC – a raczej platformy zbudowane na bazie specjalnie zaprojektowanych sterowników – które wychodzą naprzeciw założeniom Przemysłu 4.0. Tacy producenci jak Beckhoff Automation czy Phoenix Contact niedawno wprowadzili rozwiązania, które łączy wiele wspólnych cech. Ich platformy zawierają sterowniki PLC przeznaczone do wymagających warunków przemysłowych, zdolne do pracy w temperaturach od ok. -25ºC do nawet 65ºC i sprawnie pracujące przy dość mocnych zakłóceniach elektromagnetycznych. Obsługują one bardzo wiele protokołów i technologii komunikacyjnych, takich jak m.in. FTP, http, https, SNTP, SMTP, SQL, MySQL, DCP, MQTT, DNP3, Profinet, Modbus, CANopen, OPC UA. Do ich programowania służą specjalnie napisane programy, które po zainstalowaniu same rozpoznają sterowniki. Wyposażone są one np. w dwurdzeniowe procesory ARM Cortex, pamięć SDRAM 512 MB, 8 MB pamięci programu i 16 MB pamięci danych; działają na otwartym Linuksie wspierającym wykonywanie zadań – co bardzo istotne – w czasie rzeczywistym.

Ogromną zaletą nowych sterowników PLC dla maszyn w dobie Przemysłu 4.0 jest to, że oprócz wielordzeniowych procesorów przeznaczonych do obsługi programów napisanych stricte dla sterowników PLC urządzenia te mogą posiadać dodatkowe procesory przeznaczone do zadań z domeny bezpieczeństwa funkcjonalnego maszyn i instalacji. Dzięki temu w ramach jednej aplikacji wykonywane mogą być dwa niezależne programy: standardowy sterujący i dodatkowy związany wyłącznie z układami bezpieczeństwa.

Długa lista wyzwań

Nowoczesne sterowniki PLC dla maszyn projektowanych w dobie Przemysłu 4.0 to zagadnienie bardzo szerokie. Wśród wartych uwagi aspektów można wskazać m.in.: synchronizację danych i zachowanie czasu rzeczywistego, programowanie przy użyciu dowolnego narzędzia programistycznego, różnorodność technik i protokołów komunikacji, bezpieczeństwo danych i aplikacji, usługi chmury, diagnostykę i konfigurację komponentów systemu. Dobierając sterowniki PLC do maszyn przemysłowych, należy pamiętać o kluczowych założeniach: muszą one połączyć świat IT i świat automatyki przemysłowej, działać elastycznie w czasie rzeczywistym i inteligentnie komunikować się na wszelkie sposoby ze wszystkimi komponentami systemu – zarówno maszynami, jak i programami.

-------------------

Artykuł powstał na podstawie materiałów publikowanych m.in. przez: Phoenix Contact, Beckhoff Automation, Bosh Rexroth, Nord Napędy, Siemens, Astor Robotics Center, Delta Electronics, Eaton i Relpol