מענה לאתגרי אוטומציה תעשייתית עם דור חדש של חומרת PLC

אוטומציה המבוססת על האינטרנט תעשייתי של דברים (IIoT) מבטיחה זמן יציאה מהיר יותר לשוק, פרודוקטיביות משופרת, בטיחות רבה יותר, עלויות נמוכות יותר ואיכות גבוהה יותר. עם זאת, עדיין קיימים בה מכשולים. מערכות מדורות קודמים שקשה לשדרג, מחלקות הנדסה שמרניות מדי, מערכות סגורות וחוסר בידע מומחים הן חלק מהבעיות המעכבות את מהפכת ה-Industry 4.0.

בעוד שטכנולוגיות מבוססות-תקנים מתאימות מספקות את תשתית המפעל המחובר, להרבה חומרות ותוכנות של בקרי לוגיקה ניתנים-לתכנות (PLC) מדורות קודמים, או "סוסי עבודה", יש יכולות מוגבלות. דבר זה מציב אתגר למהנדסים ליישם במהירות את השדרוגים הדרושים ברחבי המפעל כדי לנצל את מלוא היתרונות של ה-IIoT. המהנדסים מסבכים עוד יותר את העניינים, בכך שהם מסתכנים בביסוס שדרוגים יקרים במפעל על טכנולוגיה שעלולה להיות מיושנת או לא נתמכת עם השקת טכנולוגיות חדשות.

ניתן להפיק לקחים מחלקים אחרים של ה-IoT, כמו הבית החכם, שבו מערכות פתוחות, פלטפורמות שיתופיות ותוכנות נגישות מקלות על מימוש פתרונות חכמים מובטחים-לעתיד. יצרני אוטומציה תעשייתית מאמצים את הניסיון והידע האלה.

מאמר זה דן בקצרה באתגר של פריסת טכנולוגיית IIoT ומסביר כיצד חידושים במערכות פתוחות וחומרת אוטומציה במפעלים מציעים פתרונות. המאמר מציג דוגמה למימוש חומרה ותוכנה של בקר PLC מהדור-הבא של Phoenix Contact‏ ומדגים כיצד הוא מפשט את איסוף הנתונים ושליחתם לענן לצורך ניתוח וקבלת החלטות אוטומטית.

חשיבות בקר ה-PLC

עמוד התווך של המפעל הוא בקר ה-PLC, התקן דיגיטלי שהומצא בסוף שנות ה-60 כדי להחליף מערכות לוגיקת ממסרים קודמות. בקרי PLC מתוכננים לעבוד בסביבות קשות ללא כשלים במשך שנים רבות. המפתח לאמינות זו הוא התמקדות בפשטות. במקרה הנדיר שמשהו אכן נכשל, בקרי ה-PLC‏ מתוכננים לאתר תקלות ולתקן בעיות כך שניתן לחדש במהירות את הייצור בכמויות.

היחידות מורכבות ממודול כניסה (המקבל נתונים מהתקני קלט דיגיטליים ואנלוגיים כגון מקלדות, מתגים, ממסרים וחיישנים), ספק כוח, מעבד הניתן לתכנות עם זיכרון נלווה ומודול יציאה לשליחת מידע להתקנים המחוברים (איור 1).

איור 1: בקרי PLC עמידים ואמינים הם עמוד השדרה של האוטומציה במפעלים. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

בקרי PLC קונבנציונליים מתוכנתים באמצעות אחת מחמש שפות המוגדרות בתקן IEC 61131-3. שפות אלה כוללות את Instruction List‏ (IL‏), Symbolic Flowchart‏ (SFC‏), Ladder Diagram‏ (LD‏), Function Block Diagram‏ (FBD) ואת Structured Text‏ (ST). הנפוצה ביותר היא LD, או לוגיקת סולמות, המשתמשת בסמלים כדי לייצג פונקציות כמו ממסרים, רגיסטרי הזזה, מונים, טיימרים ופעולות מתמטיות. הסמלים מסודרים לפי רצף האירועים הרצוי.

יצרני בקרי PLC מסתגלים במהירות להתקדמות באוטומציה במפעלים המתבצעת באמצעות מימוש של Ethernet תעשייתי. טכנולוגיית Ethernet תעשייתי היא בעלת יכולת תפעוליות-בינית IP, היא אפשרות הרשת הקווית בשימוש הנרחב ביותר, ויש לה תמיכה נרחבת אצל ספקים. טכנולוגיית Ethernet תעשייתי מאופיינת בחומרה עמידה ובתוכנה בתקן תעשייתי, והיא טכנולוגיה מוכחת ובשלה לאוטומציה במפעלים (איור 2). משלימים את החומרה פרוטוקולי Ethernet תעשייתי הכוללים את Ethernet/IP‏, Modbus TCP ו-PROFINET. כל אחד מהם מתוכנן להבטיח רמה גבוהה של דטרמיניזם עבור יישומי אוטומציה תעשייתית. (ראו "תכנון עבור יישומי IoT חסונים באמצעות רשתות הספקת-כוח ונתונים מבוססות Ethernet תעשייתי".)

איור 2: Ethernet תעשייתי מהווה את עמוד השדרה של התקשורת במפעל המודרני. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

רבים מבקרי ה-PLC של ימינו מציעים חיבוריות Ethernet מובנית. עבור התקנים מהדורות הקודמים הכוללים ממשקים שאינם Ethernet, הפער בין תשתית ה-Ethernet וה-PLC מגושר על ידי שערים (Gateways‏). (ראו "כיצד לחבר מערכות אוטומציה של מפעל מדורות קודמים ל-Industry 4.0 ללא הפרעה".)

הדור הבא של בקרי PLC

מפעל שמשתמש בתמהיל של מערכות מודרניות ומדורות קודמים יכול להקשות על המהנדסים למנף את מלוא היתרונות המובטחים על ידי Industry 4.0. עם זאת, הלקחים מחלקים אחרים של ה-IoT, כמו מגזרי הבית החכם והלוגיסטיקה, מגלים כי מערכות פתוחות, פלטפורמות שיתופיות ותוכנות נגישות מבוססות-תקנים מקלות על מימוש פתרונות חכמים בעלי עתיד מובטח.

הידע שנצבר ממגזרים אחרים אלה מעודד יצרני בקרי PLC ומערכות נלוות להשיק דור חדש של מוצרים הפועלים כמו בקרי PLC מסורתיים ללא אילוצי המגבלות של החומרה והתוכנה מהדורות הקודמים. דוגמה לדור חדש זה היא טכנולוגיית PLCnext Control‏ של Phoenix Contact.

מנקודת המבט של התוכנה, מוצר כמו בקר ה-PLCnext‏ 1069208 של Phoenix Contact מייצג צעד משמעותי לקראת הפתרונות הפתוחים המתחילים להיות דומיננטיים באזורים אחרים של ה-IoT. לדוגמה, ה-PLCnext תואם למגוון רחב של תוכנות, כך שניתן להוריד בקלות אפליקציות אוטומציית מפעלים חדשניות מהאינטרנט ולהתקין אותן בבקר ה-PLC, כמו אפליקציות בסמארטפון.

ה-PLCnext משתמש במערכת ההפעלה (OS‏) Linux. עדיין ניתן לתכנת אותו באמצעות השפות המוגדרות בתקן IEC 61131-3, אך Linux מקלה על המהנדסים לתכנת את ה-PLC באמצעות השפות הגבוהות יותר C++‎‏, C#‎‏, Java‏, Python ו-Simulink. שפות פשוטות לשימוש אלו הופכות את האוטומציה המודרנית במפעלים לנגישה לקבוצה רחבה הרבה יותר של מהנדסים. בנוסף, PLCnext כולל טיפול במשימות המאפשר לרוטינות של תוכניות ממקורות שונים לרוץ כקוד PLC מדור קודם, כאשר תוכניות בשפות גבוהות הופכות אוטומטית לדטרמיניסטיות (איור 3).

איור 3: PLCnext כולל טיפול במשימות המאפשר לרוטינות של תוכניות ממקורות שונים לפעול כקוד PLC מדור קודם. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

החיבוריות היא באמצעות חומרת Ethernet תעשייתי; מערכת הבקרה פועלת לפי פרוטוקול PROFINET בעל יכולת פעולה-בינית IP ומשתמשת בפלטפורמת PROFICLOUD IoT לתמיכה במחשוב ענן. בקר ה-PLC תומך גם בפרוטוקולים אחרים בתקן-פתוח כגון http‏, https‏, FTP‏, SNTP‏, SNMP‏, SMTP‏, SQL‏, MySQL ו-DCP.

החומרה מבוססת על מיקרו-מעבד Atom‏ של Intel הפועל במהירות 1.3 גיגה-הרץ (GHz). ה-PLC כולל 1 גיגה-בייט (Gbyte) של זיכרון Flash ו-2048 מגה-בייט (Mbytes) של זיכרון RAM. למערכת זמן הריצה של IEC 61131 יש ‎12 Mbytes של זיכרון לתוכניות ו-‎32 Mbytes של אחסון נתוני תוכניות. היחידה יכולה לתמוך עד ב-63 התקני אפיק מקומיים ודורשת הספקת-כוח של 24 וולט עם צריכת זרם מקסימלית של 504 מיליאמפר (mA) (איור 4).

איור 4: בקרי PLC‏ PLCnext משתמשים במערכת ההפעלה Linux ותומכים בשפות מדור קודם המוגדרות בתקן IEC 61131-3, בתוספת שפות ברמה גבוהה יותר. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

מגוון בקרי PLCnext של Phoenix Contact כולל בקרי PLC ואלמנטים חיוניים אחרים של מערכת אוטומציה תעשייתית, כגון מודולי תקשורת ומתגים מנוהלים. דוגמאות ספציפיות הן מודול התקשורת 2403115 ומתג תרגום כתובות רשת (NAT) מנוהלות 2702981. מודול התקשורת מוסיף ל-PLC ממשק Ethernet תעשייתי נוסף בעל יכולת גיגה-ביט. למודול יש כתובת MAC עצמאית, הוא מציע תמיכה ב-PROFINET וכולל בידוד חשמלי בין ממשק ה-Ethernet והלוגיקה.

המתג המנוהל משמש לאחסון וקידום של מידע המועבר באמצעות Ethernet ומצויד בארבע נקודות-חיבור RJ45 ל-Ethernet, שתי נקודות-חיבור מקמ"ש נתקע זעיר (SFP) ושתי נקודות-חיבור משולבות (RJ45/SFP). המתג הוא מוצר Class B תואם PROFINET.

שיפור קבלת ההחלטות במפעל

אופטימיזציה של הייצור במפעל היא חיונית מכיוון שהייצור דורש דיוק ועקביות בתוצאות. המפתח להבטחת רמות גבוהות של דיוק ועקביות בתוצאות הוא בקרת תהליכים. במפעל המודרני, חיישנים ומצלמות של IIoT יכולים לנטר מכונות ולמדוד רכיבים מוגמרים כדי לקלוט סטיות קלות במוצר ולתקן את התהליך בהתאם. חיישנים אחרים עוקבים אחר תקינות המכונות כדי לחזות דרישות תחזוקה לפני שמכונה שחוקה מתחילה להתקלקל. חיישנים נוספים עוקבים אחר הטמפרטורה, הלחות ואיכות האוויר במפעל.

אחת התכונות העיקריות של טכנולוגיית ה-PLCnext Control היא שבניגוד לבקרי PLC מסורתיים, היא יכולה לנצל את נתוני המפעל הללו. לדברי Phoenix Contact, מספיק לחבר את ה-PLC ל-3% עד 5% בלבד מהכניסות והיציאות (I/Os) האנלוגיות והדיגיטליות של המערכת כדי שהוא יוכל למפות את תהליכי הייצור באופן מקיף וללא התערבות משמעותית.

לאחר מכן, ה-PLCnext Control יכול להתחבר לכל שירות ענן, כולל Proficloud.io של Phoenix Contact‏, AWS של Amazon או Azure של Microsoft. כתוצאה מכך, מערכת המפעל מקבלת גישה למשאבי מחשוב רבי-עוצמה כדי להבטיח שתהליכי ניהול התפעול והתחזוקה יתנהלו בצורה יעילה ככל האפשר. התוצאה היא פרודוקטיביות גבוהה יותר, איכות מוצר טובה יותר ועלויות נמוכות יותר.

צעדים ראשונים עם PLCnext

העבודה עם בקרי PLCnext והיחידות הקשורות אליהם היא פשוטה יחסית. כדי לסייע בהתחלת פרויקט לתכנות PLC‏, Phoenix Contact השיקה את ערכת האתחול (Starter Kit) של טכנולוגיית PLCnext‏ 1188165. הערכה כוללת מודול בקרת PLCnext‏ (PLC‏) 2404267, נשא מודולים ומבחר של מודולים אנלוגיים או דיגיטליים.

כדי להשתמש בערכת האתחול, יש לחבר תחילה את יחידות מודולי ה-PLC ואת המודולים האנלוגיים/דיגיטליים להספקת-כוח 24 וולט DC‏ (VDC). לאחר מכן, יש לחבר כבל Ethernet בין ה-PLC למחשב ולהגדיר את כתובת ה-IP של המחשב. ואז, מקלידים את כתובת ה-IP של ה-PLC בחלון הדפדפן במחשב. ה-PLC הופך לפעיל לאחר שהמשתמשים מתחברים עם שם המשתמש והסיסמה שלהם. הנחיות נוספות מסופקות ממערכת הניהול מבוססת האינטרנט. תכנות ה-PLC מתבצע באמצעות תוכנת PLCnext Engineer. התוכנה מאפשרת למהנדס להגדיר, לאבחן ולהציג פתרון אוטומציה שלם.

תוכנת PLCnext Engineer מאפשרת תכנות והגדרת תצורה באמצעות השפות מהדורות הקודמים המוגדרות בתקן IEC 61131-3. היא גם פשוטה לתכנות בשפות ברמה גבוהה יותר כמו C++‎ ו-C#‎. בנוסף לתוכנת PLCnext Engineer, ניתן לבנות קוד בסביבות פיתוח משולבות (IDE) נפוצות אחרות כגון Eclipse או Microsoft Visual Studio. לאחר מכן ניתן לייבא את התוכנה אל PLCnext Engineer כספרייה לשימוש עם כל PLC תואם (איור 5).

איור 5: ניתן לתכנת בקרי PLC‏ מסוג PLCnext באמצעות שפות מהדורות הקודמים ב-PLCnext Engineer, שפות ברמה גבוהה יותר בסביבות IDE, או במערכות תכנון מבוססות-מודלים. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

היתרון העיקרי של טכנולוגיית PLCnext הוא בכך שהיא מאפשרת למספר מפתחים לעבוד באופן עצמאי ובמקביל על תוכנית PLC אחת, אפילו אם הם משתמשים בשפות תכנות שונות. דבר זה מאפשר פיתוח מהיר של יישומים מורכבים ומאפשר למפתחים בעלי כישורים בשפות מהדורות הקודמים ולבעלי כישורים בשפות ברמה גבוהה יותר לשלב את כישרונותיהם.

סיכום

האינטרנט התעשייתי (IIoT) מבטיח לשנות את המפעל. עם זאת, בעוד שהמהנדסים מתקינים Ethernet תעשייתי, מלוא הפוטנציאל של האוטומציה במפעלים מתעכב בגלל בקרי PLC מסורתיים המציעים חיבוריות מוגבלת ותוכנה מיושנת. טכנולוגיית PLCnext של Phoenix Contact מבוססת על מערכות פתוחות, פלטפורמות שיתופיות ותוכנות נגישות. היא יכולה לשלב רוטינות המקודדות בשפות מהדורות הקודמים עם אלה שנכתבו בשפות ברמה גבוהה יותר כדי לפתוח את האוטומציה התעשייתית לפתרונות מובטחים-לעתיד עם פרודוקטיביות משופרת, תפוקות גבוהות יותר, איכות מוצר טובה יותר ועלויות נמוכות יותר.