תפקיד בקרי PLC בבקרה תעשייתית ובבדיקות ומדידות

בקרי לוגיקה ניתנים-לתכנות (PLC) הם מחשבים תעשייתיים אשר:

• מנטרים ומבקרים יישומי אוטומציה תעשייתית
• מבצעים משימות הקשורות לפעולות בדיקה ומדידה
• מבצעים פונקציות מסוג-תהליך (כולל אלה הקשורות למערכות HVAC) שהן מעבר לנושאי מאמר זה.

בקרי PLC מקבלים נתונים מחיישנים והתקני כניסה, מעבדים את הנתונים לקבלת החלטות מבוססות-לוגיקה ומוציאים הוראות בקרה למערכות מכניות או חשמליות. הם סוג של מערכת משובצת המשלבת מעבד מחשב וזיכרון עם התקני כניסה ויציאה (IO) - בדומה ללוגיקה מבוססת ממסר מחווט כמו גם לוגיקה מבוססת מחשב אישי איתם הם מתחרים.

במונחים של הצורה הפיזית, בקרי PLC כיום יכולים להיות כל דבר, החל ממחשב פשוט ביותר בעל מורפולוגיה של שבב משולב (IC), וכלה באוסף גדול מותקן בכונן של תתי-רכיבי בקר הנתונים בתוך מספר שלדות. בקרי PLC מבוססי מיקרו-בקר פשוטים יותר או אלו שבצורת מערכת-על-שבב (SoC‏) יכולים להיות אמינים ביותר ועם כניסת הספקת-כוח צנועה ביותר. לעומת זאת, בקרי ה- PLC המורכבים ביותר מטשטשים את הגבולות בין PLC לבין מחשבים לשימוש כללי עבור בקרה תעשייתית בזמן אמת ... אם כי אמינות וביצועים בזמן-אמת עדיין מתאימים יותר עבור הראשונים.

במקור, בקרי PLC נועדו להחליף ישירות את לוגיקת הבקרה המחווטת המבוססת על ממסרים ומתזמני גל זיזים. בקרי PLC מוקדמים אלה נאלצו לבצע פעולות בסיסיות על ידי הפיכת כניסות ליציאות. כל משימות המכונה המחייבות בקרה מסוג Proportional-Integrakl-Derivative‏ (PID‏) הוצאו למיקור חוץ על אלקטרוניקה אנלוגית מחוברת. כעת בקרות PID ופעולות מתוחכמות עוד יותר הן חלק סטנדרטי ממערכי הוראות PLC.

למעשה, הפונקציות הצפויות ל- PLC התרבו עם הזמן - כך שכיום, PLC רבים הם די מתוחכמים ומסוגלים לבצע רוטינות מורכבות ואדפטיביות. ההספק ההולך וגדל והגודל המתכווץ של שבבי מוליכים-למחצה (הודות לחוק Moore) אפשרו אינטליגנציה חסרת-תקדים בבקרים קטנים יותר. מגמה זו נמשכת עם תמיכה משולבת בבקרת תנועה, מערכות ראייה ופרוטוקולי תקשורת. בקצה השני של ספקטרום הגודל של ה- PLC, כמה בקרי אוטומציה ניתנים-לתכנות (PAC) משלבים PLC עם מחשב אישי להחלפת בקרי PLC ומערכות בקרה קנייניים (הפועלים עם שפות תכנות קנייניות) עבור יישומים מסוימים. כיום יותר בקרי PLC‏ גם משולבים בתוך ממשקי אדם-מכונה (HMI‏).

הסביבה הדיגיטלית התעשייתית בה פועלים בקרי PLC

אוטומציה תעשייתית מסתמכת כיום על נתוני משוב ופעולות מכונה ביחד עם חיברורים מורכבים בין התקנים דיגיטליים לצורך:

• בקרת התקנים דיגיטליים
• הפעלת יכולות מתקדמות - כגון אלה הקשורות לחיבוריות IIoT ולהגדרה מחדש של תצורת המכונה, כדוגמה
• אפשור קבלת החלטות אנושיות לגבי תנאי מכונה ופעולה שונים
• שיפור הפרודוקטיביות ואיכות החומר המעובד הכוללות

התקנות אוטומטיות כאלה כוללות מערכות מידע שונות במהותן לאחסון, עיבוד ושירות נתונים אלה.

מערכות תכנון משאבי חומרים (MRP) או ייצור מספקות תכנון ייצור, קביעת לוחות זמנים, מימון ובקרת מלאי. לעומת זאת, מערכות היסטוריה מאחסנות נתוני סדרות-זמנים מחיישנים ומכשירים לצורך שרטוט גרפים שיעזרו למפעילים ולמערכות ניהול להבין ולעבד מגמות אוטומציה. בקרת תהליכים סטטיסטית (SPC) היא אפליקציית היסטוריה אחת.

ממשקי אדם-מכונה (HMI) הם פאנלי בקרת מכונה (או מודולים המתחברים אלחוטית להתקנים ניידים) המאפשרים למפעילים אנושיים לצפות בנתונים ולשלוח פקודות. קשורות באופן הדוק לפונקציות HMI הן מערכות בקרת פיקוח ואיסוף נתונים (SCADA) המאפשרות בקרה וניטור בזמן-אמת של אינטראקציות בין מכונות אוטומטיות עם ה- HMI ומערכות ההיסטוריה שלהן. באמצעות SCADA‏, ה- HMI יכול לבקר מספר מכונות ... ולהציג נתונים הקשורים למספר התקנים.

מערכות ביצוע ייצור (MES) כוללות פונקציות כגון תזמון פעולות ואיסוף נתונים. במובנים מסוימים, ניתן לראות אותן כבאות וחופפות עם MRP ו- SCADA.

מערכות תכנון משאבי הארגון (ERP‏) משלבות מערכות הקשורות לייצור כגון MRP‏ ו- MES‏ עם מערכות ניהול מחזור חיי מוצרים (PLM) ומערכות ניהול יחסי לקוחות (CRM‏). מערכות ERP עשויות להיות חבילת תוכנה מונוליתית המטפלת בכל הפונקציות הללו ... או מערכת ERP ליבה המתממשקת עם יישומים מיוחדים של מספר יצרנים. בדרך כלל, רק ההנהלה הבכירה מקיימת אינטראקציה עם ה- ERP - ורוב אנשי הצוות בארגון נתון מקיימים אינטראקציה עם אחת ממערכות הרכיבים המוזנות לתוכה.

בקרי PLC פועלים בדרך כלל ברמה אחת מתחת למערכות מידע אלה. הם שולחים ומקבלים מידע מ- ואל מכונות, מנועים וחיישנים. הם עשויים גם לתקשר עם רמת המידע שמעל, לשלוח נתונים למערכת ההיסטוריה או ל- SCADA, או לקבל כניסות בקרה מה- SCADA או HMI. בקרי PLC‏ מתוחכמים יותר יכולים גם לבצע פונקציות SCADA והיסטוריה ... ואפילו פונקציות HMI במספר גדל והולך של מקרים.

איור 1‏: בקרי PLC פועלים בדרך כלל ברמה אחת מתחת למערכות המידע של האוטומציה. (מקור התמונה: Jody Muelaner)

שימו לב שבקרי PLC מעורבים לא רק באוטומציה: הם מעורבים גם בבקרה של עמדות הבדיקה (פיתוח מוצרים) ומשימות של מדידות מעבדה.

• כמתואר לעיל, אוטומציה מדגישה בדרך כלל דיאגנוסטיקה ודורשת פעולה בזמן-אמת דטרמיניסטית מה- PLC לצורך אפקטיביות אמיתית.
• לעומת זאת, בקרי PLC‏ המשמשים במשימות מדידה שמים דגש רב יותר על ביצוע מהיר ומדויק של איסוף מדידות וצורות אחרות של קליטת נתונים.

למשימות של אוטומציית מכונות, בקרי PLC‏ מסתמכים על עיבוד בזמן-אמת שבו השיהוי בין הכניסה לבין יציאת התגובה נמדד במילי-שניות. מערכת הפעלה בזמן-אמת (RTOS‏) נדרשת עבור כל הפונקציות למעט פונקציות PLC‏ הפשוטות ביותר. בעוד שבקרי PLC רבים עדיין משתמשים במערכות הפעלה קנייניות, גובר העניין במערכות הפעלה סטנדרטיות פתוחות. מקרה לדוגמה: VxWorks היא RTOS קניינית עם רישיונות רבים לשימוש בבקרה תעשייתית. היא משמשת כמה יצרני רובוטים מובילים כולל Kuka ו- ABB. או גירסת קוד-פתוח היא FreeRTOS המופצת חינמית תחת רישיון קוד פתוח MIT. FreeRTOS כוללת ספריות אינטרנט של דברים (IoT) שונות עבור מגוון רחב של יישומים אוטומטיים. קראו עוד על אפשרות זו במאמר DigiKey חיבור תכנים במהירות ובאופן מאובטח לענן באמצעות Amazon FreeRTOS.

עבור משימות של בדיקות ומדידות, בקרי PLC‏ מסתמכים על עיבוד בזמן-אמת שבו השיהוי בין מדידות התקני השטח לבין האיסוף נמדד במילי-שניות. חלפו הימים בהם לא הייתה למהנדסים ברירה אלא להשתמש בממירי ממשק ומערכות של ערוצי העברה. כיום התקנים היקפיים חכמים ומכללי I/O כוללים איסוף אותות מתקדם ופשוט באמצעות כניסות דיגיטליות ואנלוגיות.

למהנדסים של היום יש גם יותר אפשרויות המבוססות על ממשקים סטנדרטיים ותאימות בין יצרנים עבור רכיבים היכולים לשמש כרכיבי תפעוליות-בינית.

נבחן כדוגמה רכיבי I/O‏ עם פונקציונליות PLC‏ משולבת. הם תואמים להתקני HMI ניתנים-להגדרה המריצים מערכות הפעלה Windows או Linux ולהם חיבוריות Ethernet‏ - אך חסרות להם אפשרויות כיול קל או I/O‏ אנלוגי עבור התקני שטח המייצרים אותות אנלוגיים במתח נמוך. רכיבי I/O‏ כאלה עובדים גם עם PLC שהוגדרו לאיסוף נתונים מהתקני I/O מרוחקים ... וישירות מחיישנים באמצעות I/O‏ על-הלוח משלהם.

איור 2: התקני איסוף נתונים (DAQ) רבי-פונקציות T7‏ כוללים חיבוריות Ethernet‏, USB‏, Wi-Fi ו- Modbus כדי לעבוד עם מערך רחב של התקני שטח כמו גם ממשקי אדם-מכונה (HMI) ובקרי PLC‏. חיבוריות Modbus/TCP, במיוחד, מאפשרת בקרה באמצעות אפשרויות תוכנה וחומרה שונות של צד-שלישי עבור פתיחות וגמישות - שמעניקות בתורן לארכיטקטים של מערכות תעשייתיות כמו גם למהנדסי מחקר ופיתוח (מו"פ) אפשרויות שאינן תלויות-יצרן עבור איסוף הנתונים ויישומי אוטומציה. (מקור התמונה: LabJack)

כמובן, בקרי PLC‏ אינם האפשרות היחידה עבור אוטומציית מכונות או בדיקות ומדידות. ככל שהפקדים התעשייתיים הפכו מורכבים יותר, יצרנים מנסים לבדל חומרה מסוימת כבקרי אוטומציה ניתנים-לתכנות (PAC) כדי לציין יכולות משופרות ... ובמקרים רבים, מספר מעבדים על חומרה אחת. במציאות, יש גם תחכום הולך וגדל של בקרי PLC‏ - כך שאין כלל ברור ומהיר לגבי מתי חומרה מסוימת המבצעת פונקציות PLC מהווה PAC. מרבית בקרי PAC‏ משלבים היבטים של PLC ו- PC כדי לשמש כמערכות אוטומציה מורכבות עם מספר יישומים מבוססי מחשב אישי, כמו גם HMI ומערכת היסטוריה. אבחנה ברורה אחת היא שבקרי PAC‏ הם קלים יותר לשימוש עבור המפתחים, שכן לבקרי PAC‏ יש ארכיטקטורה פתוחה יותר מאשר לבקרים מסורתיים.

אך אפשרות נוספת כיום היא בקרי PLC‏ מודולריים. אלה מורכבים ממודולים המבצעים פונקציות שונות. כל בקרי PLC‏ חייבים לכלול מודול CPU הכולל את המעבד והזיכרון עבור מערכת ההפעלה והתוכנית. יתכן ויהיה מודול הספקת-כוח נפרד ומודולי כניסה/יציאה (I/O‏) נוספים. בקר PLC עשוי לכלול מודולי I/O‏ הן דיגיטליים והן אנלוגיים. ייתכן שיהיה צורך במודול אחר עבור תקשורת רשת.

ה- PLC עשוי להיות או משולב - עם כל המודולים במארז יחיד - או מודולרי. בקרי PLC‏ משולבים הם קומפקטיים יותר אך בקרי PLC‏ מודולריים הם ורסאטיליים יותר, ומאפשרים לרוב לחבר בקלות מספר מודולים זה לזה על ידי תקיעה ישירה אחד לתוך השני או על ידי שימוש בכונן או אפיק משותפים. כתובות המודולים הן בהתאם למיקומם באפיק. למרות שהיבט התמיכה הפיזי של הכונן עשוי להתאים לתקן כמו DIN, אפיק הנתונים הוא לרוב קנייני של יצרן ה- PLC.

תפקיד ה- PLC ב- IoT

ככל שהעניין ב- Industry 4.0‏ (המכונה גם IIoT) גדל, משתמשים תעשייתיים מצפים יותר ויותר לקבל את האפשרות לחבר את הבקרים התעשייתיים שלהם לרשתות החברה באמצעות פרוטוקולי אינטרנט. המשמעות היא תקשורת באמצעות פרוטוקול בקרת שידור (TCP) ופרוטוקול אינטרנט (IP) או פשוט TCP/IP. עם זאת, מגמת ה- IIoT אינה רק שימוש בפרוטוקולי אינטרנט ... אלא גם על למידת מכונה וביג דאטה. ככל שבקרי PLC‏ הופכים יותר רבי-עוצמה (ויותר פקדים מתקדמים הופכים פונקציות PLC למאפיין שלהם), ישנן יותר פונקציות מארח כגון מערכות ראייה. חיבוריות אינטרנט מאפשרת גם למהנדסים (באמצעות מערכות PLC) למנף אלגוריתמים מבוססי-ענן לצורך עיבוד מערכי נתונים גדולים ביותר - המכונים גם ביג דאטה - עבור למידת מכונה.

ביישומים מעשיים, Ethernet‏ עבור טכנולוגיית בקרת אוטומציה (EtherCAT) מצטיינת בפונקציונליות IIoT PLC כזו. זהו פרוטוקול תקשורת המבוסס על Ethernet‏ המתאים ליישומי בקרה בזמן-אמת עם זמני מחזור של פחות מ- msec‏ 0.1 - טכנולוגיית ה- Ethernet‏ התעשייתית המהירה ביותר עם יכולת סינכרון בדיוק של ננו-שנייה. יתרון חשוב נוסף הוא הגמישות של טופולוגיית הרשת EtherCAT שעובדת ללא רכזות ומתגי רשת. ניתן פשוט לשרשר ביחד בתצורת טבעת, קו, כוכב או עץ. PROFINET הוא תקן מתחרה המציע יכולות דומות.

סיכום

המגמה הנוכחית לכיוון של איסוף נתונים ובקרה תעשייתית משוכללים יותר ויותר תימשך. המשמעות היא ש- PLC עבור אוטומציה תעשייתית ובדיקות ומדידות יהיו דומים יותר ויותר לבקרי PAC‏ ... וישתלבו עם SCADA ומערכות היסטוריה. פרוטוקולי אינטרנט וסטנדרטים פתוחים כמו EtherCAT גם הם חווים אימוץ יציב של תקשורת PLC. חיבוריות כזו תדרבן שימוש רב יותר בטכנולוגיות של Industry 4.0‏ כגון ניתוח ביג דאטה ולמידת מכונה, הנעזרים בחלקם על ידי היכולת לפרוש כוח עיבוד וזיכרון נדרשים ל:

• מיחשוב מבוסס-ענן
• התקני קצה עם יכולת עיבוד נתונים

בנוסף למגמות אלה, ייוותר הצורך בבקרי PLC מסורתיים יותר לביצוע בדיקות ומדידות פשוטות יחסית כמו גם פונקציות בקרה עם אמינות ויעילות אנרגטית מקסימליות.