Industry 4.0 при PLC технологиите

Програмируемият логически контролер (PLC) е основна градивна единица на съвременната индустриална автоматизация. С бързото навлизане на глобалното производство в епохата на Четвъртата промишлена революция тази фундаментална технология е изправена пред множество предизвикателства. 

Програмируемият контролер продължава да изпълнява функцията на главен блок за управление на производствените машини и във високотехнологични платформи за интелигентни фабрики като Industrial Internet of Things (IIoT).

Текущо ниво на технологично развитие

PLC играе ролята на централен процесор за вземане в реално време на решения за производствените операции. Входните сензори в мрежата изпращат данни директно към контролера, а той автоматично подава съответните команди към оборудването в зависимост от моментните потребности. PLC контролерите служат и за интерфейс между оператора и машината, повишавайки сигурността на взаимодействието между тях и степента на автоматизация на системата.

PLC устройствата разполагат с локално съхранявани програми и логика, което традиционно позволява работа при липса на мрежова комуникация. Така машината продължава да изпълнява командите на контролера, като същевременно е независима от комуникационни сривове. Не на последно място, режимите на работа на PLC се основават на входните данни, които свързаните към контролера сензори изпращат към него. Впоследствие изходните сигнали могат да се настройват коректно на базата на препрограмируема логика без външни смущения. Изходните команди са базирани единствено на входните данни, следователно ситуации извън машината нямат почти никакъв ефект върху работата на контролера.

Съвременните програмируеми логически контролери стават все по-гъвкави и лесноприспособяеми. Те са способни да разчитат множество входящи потоци данни от различни източници и да бъдат програмирани с комплексна логика, която позволява прецизно изпълнение на сложни последователности. PLC контролерите могат да обработват почти едновременно хиляди входни и изходни сигнали, дори в тежки работни условия, характерни за индустриалното производство, например при екстремни температури. Контролерът може да бъде защитен чрез специален предпазен корпус с промишлен клас на безопасност. Това прави възможна експлоатацията му и в агресивни среди с висока степен на запрашаване и замърсяване. С цел да се редуцират или елиминират електрическите смущения пък се осигурява специална изолация на устройството. Това е особено важно при наличието на чувствителни сензори и процеси, които изискват прецизен мониторинг и адекватно управление.

Концепцията за интелигентна фабрика

Визията за умна фабрика от бъдещето включва интелигентни свързани сензори, които изпращат информация едновременно както към PLC, така и към облака.

Благодарение на облачните платформи става възможно събирането, съхраняването и обработката на т. нар. Big Data – гигантски обеми данни, генерирани непрекъснато от интелигентното производствено оборудване. На база осъществявания в облака анализ може да се инициира превантивна диагностика и прогнозна поддръжка на свързаното оборудване на ниво единично устройство или дори компонент. С развитието на технологиите в областта програмируемите логически контролери могат да изпращат все по-устойчива информация, която включва данни за работата на сензорите и други детайли за производствените процеси. По този начин данните от PLC във връзка със сензора и данните от други полеви устройства могат да бъдат интегрирани заедно, за да покажат цялостна картина на производствената система. Специализирани инструменти за анализ се разработват в помощ на операторите на промишлени съоръжения, за да оптимизират процесите по управление на ресурсите, делегирането на задачи, логистиката, доставките и други критични условия за обезпечаването на максимално ефективни производствени процеси.

Концепцията за Industry 4.0 поставя фокус върху бързото и динамично производство, базирано на подходящата мрежова архитектура за директна комуникация между полевите устройства и услуги. PLC контролерите са интегрална част от тази концепция, от технологични платформи като IIoT, както и от визията за интелигентна фабрика.

Сензорите, измервателните устройства, радиочестотните (RFID) чипове, програмируемите контролери, човеко-машинните интерфейси (HMI), платформите за управление на производството (MES) и за ресурсно планиране (ERP) са неизчерпаеми източници на данни с ключово значение за предприятието, както на ниво технологични, така и на ниво бизнес процеси. В конвенционалните архитектури за управление в индустриалната автоматизация заявките за данни обикновено следват дадени събития или се инициират циклично и винаги отговарят на искания “отгоре”, т.е. от ниво клиент. По-ниското ниво традиционно функционира като сървър, като от PLC могат да бъдат поискани данни например за състоянието на дадена машина или към контролера да бъдат прехвърлени нови производствени програми.

Първата стъпка към интегриране на програмируемото управление в платформи за изпълнение на производството е превръщането на електрическите сигнали от сензорите в дигитална информация. След това в самия контролер се обособява еталон за време, който добавя времеви маркер към данните. Следва изпращане на информацията към IT слоя на MES платформата посредством специални комуникационни услуги. С навлизането на концепцията за Industry 4.0 в практиката стриктното разграничаване на отделните нива и потокът на информация от горе надолу постепенно отпадат и се размиват. В една интелигентна мрежа всяко устройство или услуга може автономно да инициира комуникация с други услуги.

Нови комуникационни сценарии

Комуникационните и приложни сценарии, дефинирани от Industry 4.0 и IoT, могат да бъдат условно подразделени в две групи концепции за архитектура. От една страна са услугите в контекста на автоматизацията, например т. нар. детерминирани програмируеми логически контролери с функции за управление, а от друга – услугите в IT контекст. В резултат са възможни три основни комуникационни модела - B2B, B2M и M2M комуникация.
При първия сценарий (B2B, business-to-business) са налице два бизнес процеса, които комуникират помежду си, например ERP и MES платформа. Обменът на данни между човеко-машинния интерфейс и MES платформата например, между сензора и облака или между два отделни модула на MES системата може да отнеме от няколко милисекунди до няколко минути.

При B2M (business-to-machine) комуникацията даден бизнес процес в реално време комуникира с производствен процес в реално време. Пример за това е бизнес приложение, което обменя информация с машина. Времето, необходимо за осъществяване на комуникацията, например между HMI и PLC или между MES и PLC, отново може да варира от няколко милисекунди до няколко минути.

Концепцията за M2M (machine-to-machine) комуникация обхваща два производствени процеса в контекста на автоматизацията, които обменят данни помежду си в реално време. Такъв пример е контролер за роботизирана система, който изпраща информация за управлението в хоризонтално направление към ръчен контролер за робот. Обменът протича в детерминиран цикъл в реално време в диапазона от няколко микросекунди до няколко милисекунди. Друг пример са два контролера, които обменят помежду си информация хоризонтално – бързо (в реално време), циклично и независимо от Fieldbus мрежите. Тук детерминизмът изпълнява ролята на качество на услугата (QoS), като са налице и съответните изисквания към комуникационния процес. Те са дефинирани от гарантираната продължителност на процеса, например при време на реакция от 100 ms.

Терминът M2M вече е доста популярен в сферата на мобилните радиокомуникации. Там M2M означава осъществяване на интерфейсна връзка между устройства посредством мобилна комуникация с дадени IT процеси. В този контекст е разпространено мнението, че M2M е налице, когато в приложението се използва SIM карта.

С промяната на стандартите IoT и Industry 4.0 комуникацията вече не поставя фокус само върху данните в чист вид и универсалната оперативна съвместимост на комуникационните системи. Тя се съсредоточава върху процеса на обмен на информационни модели и т. нар. семантична съвместимост. Ключови фактори за този процес са интегритетът на пренос и сигурността на достъп до индивидуална информация или услуги. Всички тези принципи се обединяват в унифицираната OPC архитектура - OPC Unified Architecture (OPC UA). Това е протокол за комуникация от машина до машина за индустриална автоматизация, разработен от фондация OPC.

Благодарение на стандартизираното консолидиране на данни, тяхната структура и функция (метадата), OPC UA е особено подходящ стандарт за разпределени интелигентни приложения между отделни машини без нужда от централизирано управление или по-висше ниво на интелект. OPC UA компонентите са скалиеруеми и вече достъпни на ниво сензор.

PLC в ориентираната към услуги архитектура (SOA)

Industry 4.0 и IoT са концепции, които изискват висока степен на мрежова свързаност и комуникация между устройства и услуги. Те се отличават с необходимостта големи обеми данни да бъдат изпращани от ниво сензор към ниво IT система. Кореспондиращите протоколи и стандарти за PC-базирано управление правят Industry 4.0 и IoT идеални решения за обмен на информация с подобен мащаб. Друг фундаментален фактор, допринасящ за приложимостта на новите комуникационни платформи, е т. нар. ориентирана към услуги архитектура (SOA) и ролята на програмируемия логически контролер в нея. Достъпът до PLC през уеб услуга всъщност не е нова технология. Тогава възниква въпросът каква е същността на иновацията в SOA-базираните PLC продукти и каква добавена стойност осигуряват.

Понастоящем обменът на данни между ниво MES системи и програмируемите контролери обикновено се случва в рамките на доста времеемък процес. MES платформата изпраща даден обем информация към контролера, който обявява готовност да я получи. След като данните са получени, контролерът потвърждава самия трансфер. При SOA-базираните PLC системи изпращането на информация към контролера може да се осъществи в единичен комуникационен акт – стойностите на информацията вече не се трансферират в рамките на множество трансакции, а се приемат като единна услуга с входни и изходни параметри. С други думи, OPC UA архитектурата дава достъп до отдалечения RPC (remote procedure call) протокол в самия програмиран функционален блок на контролера. Това значително съкращава комуникационните сесии между PLC и MES системата и позволява по-висока производителност вследствие на по-интензивния обмен на данни. В допълнение, тази конфигурация драстично намалява инженерните разходи за комуникационна връзка между производственото и управленското ниво на мрежата.

Концепцията за SOA-PLC се отличава не само с поддръжка на уеб услуга, гарантираща сигурност през VPN мрежа. Тя включва възможности за обектно-ориентирана комуникация на данни, достъпна за информация в реално време и в хронологичен план, както за различни аларми и услуги на базата на международния IEC стандарт. Тук се включват кореспондиращите метаданни, свързани с изискуемата степен на сигурност за съответното ниво на данни и услуги.

Днес функцията за интеграция между сървър и клиент в OPC UA архитектура, заложена в програмируемите контролери, позволява изграждането на интелигентни мрежи и в същото време гарантира висока степен на сигурност с права на достъп до мрежовите слоеве на услугите.

С оглед настъпването на Четвъртата промишлена революция и непрекъснатото нарастване във важността на процеса по обмен на информационни модели, OPC UA се превръща в ключов за индустриалната автоматизация протокол и основен стандарт за обмен на данни в Industry 4.0 и IoT приложения. Това е единствената стандартизирана от IEC и DKE (немската комисия по електрически, електронни и информационни технологии) SOA архитектура. Така в съвременните умни фабрики е осъществима безопасната хоризонтална и вертикална интеграция от сензорите към IT системите.

Мрежови възможности и разпределено управление

С развитието на технологиите през годините и въвеждането на Fieldbus (IEC 61158) протокола програмируемите логически контролери стават все по-свързани.

Базовата архитектура на IEC 61131 – стандарта за PLC, приема всеки контролер в мрежата като логически независимо устройство с индивидуална конфигурация.

Традиционно програмите се състоят от взаимосвързани функционални блокове, всеки от които може да бъде написан на даден стандартен IEC език. Работните задачи задействат тези функции, а всяка задача се конфигурира за изпълнение по предварително определен начин – в цикъл, непрекъснато, задействана от часовник или входящ сигнал. Така поведението на производствената система, дефинирано от програмируемия контролер, е периодично.

Една такава архитектура осигурява предсказуеми резултати с нисък риск от грешка, но се оказва доста тромава в условия на работа с по-модерни средства за индустриална автоматизация, които изискват много по-голяма гъвкавост. IIoT платформите например налагат използването на контролни системи, които мога да кооперират много по-задълбочено. Отделните PLC контролери се нуждаят от възможности не просто да функционират в близко сътрудничество помежду си, но и с останалите системи във фабриката, а също и да могат да осъществяват външна комуникация към облачна платформа например.

Друга особеност на интелигентните фабрики е все по-масовото прилагане на решения за разпределено управление на ниво машина. Така вместо да се използва единичен PLC за управление на дадена машина с множество изпълнителни механизми и роботизирани манипулатори, функциите за управление в реално време се разпределят от архитектурата към индивидуалните подсистеми. Възможността всеки контролер в мрежата да комуникира с останалите и да отразява външно генерирани събития, например промени в клиентските поръчки, подобрява времената на отговор и цялостната оперативна ефективност.

Мрежовата свързаност и разпределеният контрол са от ключово значение за IIoT-базираните PLC контролери, като сега са необходими и много по-мощни процесори. Важни изисквания са висока производителност при изпълнението на задачи, възможност за работа с протоколи за сигурност на ниво трансакция на данни като TLS (Transaction-Layer Security), както и достатъчно памет за обезпечаване на IP (internet-protocol) комуникация.

Миниатюризация и защита

В допълнение към водещата тенденция към разпределено управление е и тази към миниатюризация на PLC контролерите, която обаче е необходимо да се случва постепенно, смятат експертите. В идните години се очаква входно-изходните връзки да продължат да се конфигурират като конвенционални винтови клеми.

Способността за конфигуриране на I/O връзки също е жизненоважна. Днес е възможно да се изгради една PLC платка, поддържаща общи аналогови и цифрови конфигурации на входно/изходните портове, но има по-голям смисъл да се използва модулна I/O архитектура – например дъщерни платки, монтирани директно върху дънната платка на PLC.

Времената на престой могат да бъдат значително съкратени чрез осигуряване на поддръжка на т. нар. “hot-plug” смени на I/O модулите. Това позволява на PLC контролера да ограничи задачите в работен режим, като същевременно запази функциите за управление на останалите подсистеми по време на смяната.

Високоскоростните интерфейси като USB позволяват бързо конфигуриране и лесно периферно разширение на PLC системите. Не всички комерсиални конектори обаче са подходящи за индустриални приложения. Ето защо за тази цел се използват специализирани модели със съответната защита за промишлени среди, например с уплътнения клас IP67.

Важен елемент от защитата на съвременните програмируеми контролери в Industry 4.0 платформи е захранването. С редуцирането на размерите на PLC системите, те разчитат основно на конвекция за охлаждане, а не на обемни вентилатори. Ефективност от порядъка на 90% може да бъде постигната с помощта на високоинтегрирани DC/DC конвертори. Многофазният работен режим позволява висока ефективност в широк диапазон от условия на натоварване. Това от своя страна позволява на PLC контролера да подава високи изходни токове, когато това е необходимо за работата с машини, както и лесно да преминава в енергоспестяващ тих режим.