כיצד להשתמש בבקרי PLC‏ קומפקטיים כדי להשיג תוצאות מעולות באנרגיה ירוקה, אוטומציה בבניינים ומערכות תעשייתיות

מתכנני רשתות תעשייתיות נמצאים תחת לחץ לשלב בקרי לוגיקה ניתנים-לתכנות (PLC) מסורתיים וטכנולוגיות אינטרנט של דברים תעשייתי (IIoT) במקומות צפופים כדי לתמוך בביצועים עיליים בפרויקטים קטנים יותר של אוטומציה ודיגיטליזציה.

הבקר חייב להיות קומפקטי אך עדיין להיות מסוגל לגשר בין אוטומציה מסורתית ל-IIoT ולשלב רשתות טכנולוגיית מידע (IT) וטכנולוגיית פעולה (OT). הוא זקוק למעבד רב-עוצמה עם שתי ליבות, חריץ לכרטיס microSD ולפחות 18 ערוצי I/O אנלוגיים ודיגיטליים.

כדי למקסם את הגמישות, ה-I/O צריך לכלול נקודת-חיבור טורית RS-485 ונקודת-חיבור USB-C לעבור חיבור ישיר להגדרת התצורה. חלק מהיישומים נהנים מנקודת-חיבור תקשורת CANopen אופציונלית. כדי לתמוך בשילוב בין OT ל-IT, עליו להיות בעל שני נקודות-חיבור Ethernet היכולות לתמוך בשתי כתובות IP ייחודיות, אחת עבור התקנים ברמת השטח והשנייה עבור חיבוריות SCADA או ענן.

כדי לזרז את הפריסה, יש לכלול תמיכה בסביבת הפיתוח המשולבת (IDE‏) CODESYS 3.5‏, המאפשרת למשתמשים לבנות פרויקטים ומערכות אוטומציה במהירות. תמיכה בקונטיינרים Docker‏ בהפעלת יישומי קוד פתוח יכולה לשפר עוד יותר את הגמישות ולהאיץ את הפריסה.

מאמר זה מציג את היכולות הרבות של הבקר הקומפקטי סדרה 100‏ של WAGO‏. הוא מדגים כיצד בקרים אלה מאפשרים פיתוח ופריסה מהירים של פתרונות אוטומציה בעלי יכולות גבוהות עבור יישומים שונים, כולל אוטומציה בבניינים, אחסון אנרגיה בסוללות, מיקרו-רשתות חשמל, מכונות תעשייתיות, מערכות אנרגיה ירוקה ועוד.

בקרי PLC‏ קומפקטיים 100‏ (CC100‏ הם בממדים של 55 מ"מ (אורך) x‏ 108 מ"מ (רוחב) x‏ 90 מ"מ (גובה) בלבד, כגודל של כף-יד. הממדים הזעירים מדגישים משמעותית את הפוטנציאל רב-העוצמה שלהם עבור דיגיטליזציה של מגוון רחב של פונקציות אוטומציה.

האם היישום דורש עד ארבע יציאות דיגיטליות, שמונה כניסות דיגיטליות, ועד שתי כניסות אנלוגיות ושתי יציאות אנלוגיות, ממשק RS-485 עבור פרוטוקולים כגון Modbus RTU, וכניסות טמפרטורה עבור חיישני התנגדות פלטינה (Pt) או ניקל (Ni)? לדגם 751-9301‏ יש אותם. אם היישום זקוק גם לחיבור CANopen, המתכננים יכולים להשתמש בדגם 751-9401‏ (איור 1).

איור 1: לדגם CC100‏ 751-9401 יש את אותו שילוב של כניסות/יציאות כמו לדגם 751-9301, ובנוסף ממשק CANopen (בפינה הימנית). (מקור התמונה: WAGO)

האם היישום יכול ליהנות משתי יציאות Ethernet ניתנות-להגדרה שניתן להשתמש בהן כמתג או עבור שתי כתובות IP נפרדות, התומכות בחיבור ייעודי להתקני שטח ו-OT, כמו גם חיבור נפרד למערכות SCADA, IT או ענן? בנוסף, האם יש תמיכה בפרוטוקולי Ethernet תעשייתי כמו Modbus TCP/UDP, EtherNet/IP ו-EtherCAT, ותמיכה בחיבוריות IIoT וענן באמצעות פרוטוקולים כמו MQTT?

האם קיימים מאפייני אבטחת סייבר כגון SSH, הצפנת SSL/TLS‏, Firewall‏ והגנה מפני שידור רשת שהיא חיונית עבור אבטחת הרשת? לשני הדגמים של סדרת CC100 יש את כל זה, ואף יותר.

בנוסף לתכונות ויכולות חשובות אלו, בקרי CC100 מציעים נקודת-חיבור תכנות USB כדי לפשט ולהאיץ את הגדרת התצורה, כמו גם חריץ כרטיס Micro SD עבור עדכוני קושחה ופונקציות אחרות. כהתקנים עבור מסילות DIN (לפי DIN 43880‏), ניתן להרכיב את שני הדגמים במהירות גם על לוחות חלוקה קטנים.

תכנות והספקת-כוח

כדי להשלים התקנה בסיסית, בקרים אלו דורשים תכנות והספקת-כוח. שוב, סדרת CC100 מספקת ביצועים ואפשרויות מעולים. ניתן לתכנת אותו באמצעות CODESYS 3.5 באחת או יותר משפות IEC 61131-3 כגון דיאגרמת סולם (LD), דיאגרמת בלוקי פונקציות (FBD), תרשים פונקציות סדרתי (SFC), טקסט מובנה (ST) ורשימת פקודות (IL), או עם אפשרויות כמו Node-RED‏, ++C‏ ו-Python‏.

סדרת CC100 תומכת בקונטיינרים Docker, מה שמאפשר הרצת יישומים נוספים והרחבת הפונקציונליות שלהם. שרת האינטרנט המובנה מאפשר יצירת ויזואליזציות HTML5, המאפשרים תפעול ותחזוקה קלים.

בקרי PLC‏ אלו יכולים להיות מאופשרים עם באמצעות פרוטוקולים מבוססי תוכנת-שירות, כולל DNP3, המשמשים בתשתיות חשמל ומים עבור ניטור ובקרה של ציוד מרוחק במערכות SCADA. IEC61850‏ ו-IEC60870‏ משמשים בתחנות-משנה חשמליות, אוטומציה של מיקרו-רשתות ומערכות אנרגיה מתחדשת ואחסון. בנוסף, הם תומכים בתקשורת BACnet עבור יישומי אוטומציה בבניינים.

ספק הכוח 787-2850‏ של WAGO מספק _DC‏V‏ 24‏ A‏ 1.25‏ והוא מקור הספקת-הכוח האידיאלי עבור בקרי PLC‏ סדרת CC100, מכיוון שהוא תוכנן גם להתאים עבור התקנות קומפקטיות (איור 2). הוא כולל מתח יציאה מבודד חשמלית העומד בדרישות מתח אקסטרה-נמוך לבטיחות‏ (SELV) ומתח אקסטרה-נמוך להגנה (PELV) לפי UL 61010-2-201‏/EN 61010-2-201‏, עם MTBF‏ מרשים של מעל 2.5 מיליון שעות ב-C‏°‏40‏+ (לפי EN/IEC 61709‏).

איור 2: ספק כוח 787-2850 זה מתאים היטב לצרכים של בקרי PLC‏ CC100. (מקור התמונה: WAGO)

אפשרויות נרחבות

מערכות ה-I/O המשולבות של סדרת CC100 מעניקות בסיס איתן, לא מגבלה, עבור מימוש פתרונות אוטומציה. ניתן להרחיב את קיבולת ה-I/O‏ באמצעות שילובים של מודולי I/O‏ סדרה 750 (קיימים מעל 500‏ כאלו) ומצמדי (Couplers‏) I/O‏.

לדוגמה, ניתן להשתמש במודול I/O‏ ‎750-1506‏ כדי להוסיף שמונה כניסות דיגיטליות ושמונה יציאות דיגיטליות לבקרי PLC‏ CC100‏ בסיסיים. ניתן להוסיף מגוון מצמדי 750 כדי לספק את חיבוריות Fieldbus‏ הנדרשת. המצמד מתחבר ל-CC100 באמצעות כבל Ethernet ומשמש כגשר, המקשר את ה-CC100 לאפיקי Fieldbus‏ שונים..

לדוגמה, ה-750-348 הוא מצמד Fieldbus‏ CANopen המשמש להרחבת קיבולת ה-I/O של ה-CC100 על ידי חיבור מערכת I/O סדרת 750 המודולרית לרשת CANopen (איור 3). המצמד 750-362 תומך בחיבור לרשת Modbus. מצמדים אחרים זמינים עבור EtherNet/IP או EtherCAT כמאסטר.

איור 3: ה-750-348 הוא מצמד Fieldbus‏ CANopen. (מקור התמונה: WAGO)

לאחר חיבור המצמד, קל להשתמש בתוכנת CODESYS 3.5 כדי לתכנת את ה-PLC. לאחר מכן, הבקר יתקשר עם מודולי ה-I/O‏ דרך המצמד כדי לנהל את כל נקודות ה-I/O‏ המצמדים השונים מזהים אוטומטית את כל ה-I/O‏ המחוברים.

לדוגמה, ה-750-362 הוא מצמד Fieldbus‏ Modbus TCP/UDP של הדור הרביעי. הוא מתרגם אותות ממודולי I/O‏ מחוברים (דיגיטליים, אנלוגיים וכו') כך שהם יכולים לתקשר דרך רשת Modbus TCP/UDP. הוא כולל שתי נקודות-חיבור Ethernet‏ Mbit/s‏ 100‏10‏ לתמיכה בטופולוגיית Daisy-Chain‏, יחד עם מתג DIP משולב להגדרת כתובת ה-IP ושרת אינטרנט משולב עבור הגדרת תצורה וניהול.

ניהול רשת פשוט ורב-עוצמה

ה-CC100 תואם לתוכנת הניהול מבוססת-האינטרנט (WBM) של WAGO המספקת ממשק משתמש עבור הגדרת תצורה, תפעול ותחזוקה דרך דפדפן אינטרנט באמצעות שרת האינטרנט המובנה של ה-CC100 וחיבור Ethernet.

המשתמשים יכולים לפתח ולהפעיל ויזואליזציות HTML5 ולנהל גישה מאובטחת בעזרת מאפיינים כגון Firewall‏ משולב, הצפנת Transport Layer Security‏ (TLS) ויכולות רשת פרטית וירטואלית (VPN), כדי להגן מפני מתקפות סייבר.

הוויזואליזציות HTML5 מתארחות ב-CC100 וניתן לצפות בהן מרחוק ממרבית דפדפני האינטרנט. ניתן לצפות במידע בסיסי, כגון סטטוס הבקר, המערכת, הרשת וה-I/O‏ באופן מקומי על הבקר באמצעות מערכי LED משולבים.

WBM יכול גם לתמוך בניהול נתוני רשת על ידי הקלת העברת נתונים לפתרונות ענן או שימוש בפרוטוקולים כמו MQTT כדי להפיץ נתונים למערכות אחרות. ניתן להגדיר את התצורה עבור חיבור הענן עצמו (כגון כתובת ה-URL של ספק הענן, אישורי אבטחה ופרטי אימות) דרך ממשק ה-WBM של הבקר.

חיבורי ענן

עם חיבוריות ענן, ה-CC100 יכול לשמש כשער עבור יישומי IIoT. פרמטר התקשורת מוגדר ב-WBM, והנתונים שיש להחליף בין הענן לבקר מוגדרים באמצעות ספריית WAGOAppCloud‏ עבור CODESYS, היכול לטפל במשימות כגון פרטי התצורה.

ה-CC100 יכול לגשת לאינטרנט דרך ממשק Ethernet מובנה ולשלוח את הנתונים לענן. המשתמשים יכולים לציין את שירות הענן לשימוש, כאשר האפשרויות הזמינות הן Microsoft Azure, Amazon Web Services ו-IBM Cloud (איור 4).

איור 4: בקרי PLC‏ CC100 יכולים להגיע לענן באמצעות פרוטוקול MQTT וחיבור Ethernet. (מקור התמונה: WAGO)

קיימים בלוקי פונקציות וספריות הממחישות את תהליכי התקשורת המורכבים (כגון יצירת חיבור מאובטח, פירמוט נתונים ל-JavaScript Object Notation‏ (JSON‏) וניהול העברת נתונים) לקוד פשוט הניתן לשימוש חוזר שניתן לקרוא לו מתוך תוכנית IEC סטנדרטית.

אפליקציית IEC מאפשרת למשתמשים גם לבחור אילו משתני בקרה, כמו קריאות חיישנים או סטטוס מכונה, יש לשלוח לענן. המשתמשים יכולים לבקר את זרימת הנתונים ולהחליט מתי וכיצד הנתונים נשלחים, לדוגמה, שידורים מונעי-אירועים לעומת שידורים מחזוריים. היישום יכול גם לממש קדם-עיבוד של נתונים ב-CC100, ובכך להפחית את רוחב הפס הנדרש עבור חיבוריות ענן.

סיכום

גודלם הזעיר של בקרי CC100 של WAGO מסתיר את יכולתם לתמוך בביצועים מעולים בפרויקטים קטנים יותר של אוטומציה ודיגיטליזציה עבור מגוון של יישומים, כולל אוטומציה בבניינים, אנרגיה ירוקה, מיקרו-רשתות, תשתיות חשמל ומים ומערכות תעשייתיות. יכולת ההרחבה שלהם גם מאפשרת להם לגדול ולהסתגל ככל שהדרישות משתנות. יכולות ניהול הרשת וחיבוריות הענן שלהם מספקות תמיכה חזקה עבור שילוב מערכות IT ו-OT.

קריאה מומלצת:

1. שימוש במערכות אחסון אנרגיה למיטוב אמינות וקיימות של מרכזי נתונים
2. אופטימיזציה של ניהול כבלים להבטחת בטיחות ויעילות במערכות PV‏ בסדר-גודל של תשתית רשת החשמל
3. כיצד מיקרו-רשתות ו-DER יכולים למקסם קיימות ויכולת התאוששות במתקנים תעשייתיים ומסחריים
4. בקרי PLC‏ חדשים עוזרים להאיץ את פיתוח תהליכי אוטומציה מורכבים וקריטיים
5. כיצד לחבר במהירות צמתי IoT לענן Amazon AWS ולענן Microsoft Azure