作者：Steven Keeping

　　基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的自動(dòng)化有望加快上市時(shí)間、提高生產(chǎn)率、提高安全性、降低成本和提高質(zhì)量。也就是說，仍然存在障礙。難以升級(jí)的遺留系統(tǒng)、過于保守的工程部門、封閉的系統(tǒng)以及缺乏專業(yè)知識(shí)是阻礙工業(yè)4.0革命的一些問題。

　　雖然合適的基于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)為互聯(lián)工廠提供了支柱，但許多傳統(tǒng)或“主力”可編程邏輯控制器 (PLC) 硬件和軟件的功能有限。這使得工程師很難快速實(shí)施工廠范圍內(nèi)的升級(jí)，以充分利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。讓事情變得更加復(fù)雜的是，工程師們冒著將昂貴的工廠升級(jí)基于技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，而隨著新技術(shù)的引入，這些技術(shù)可能會(huì)過時(shí)或不受支持。

　　可以從物聯(lián)網(wǎng)的其他部分吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，例如智能家居，其中開放系統(tǒng)、協(xié)作平臺(tái)和可訪問的軟件使實(shí)施面向未來的智能解決方案變得更加容易。工業(yè)自動(dòng)化制造商正在利用這些經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。

　　本文簡(jiǎn)要討論了部署 IIoT 技術(shù)的挑戰(zhàn)，并解釋了開放系統(tǒng)和工廠自動(dòng)化硬件的進(jìn)步如何提供解決方案。本文介紹了Phoenix Contact的下一代 PLC 硬件和軟件的示例實(shí)現(xiàn)，并展示了它如何簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)收集并將其發(fā)送到云端進(jìn)行分析和自動(dòng)決策。

　　PLC的重要性

　　工廠的支柱是 PLC，這是一種 20 世紀(jì) 60 年代末發(fā)明的數(shù)字設(shè)備，用于取代早期的繼電器邏輯系統(tǒng)。 PLC 設(shè)計(jì)用于在惡劣的環(huán)境中工作多年而不會(huì)出現(xiàn)故障。這種可靠性的關(guān)鍵是注重簡(jiǎn)單性。在極少數(shù)情況下出現(xiàn)故障時(shí)，PLC 旨在排除故障并修復(fù)問題，以便快速恢復(fù)批量生產(chǎn)。

　　這些單元包括一個(gè)輸入模塊(從鍵盤、開關(guān)、繼電器和傳感器等數(shù)字和模擬輸入設(shè)備接收數(shù)據(jù))、電源、帶有相關(guān)存儲(chǔ)器的可編程 CPU 以及用于向連接設(shè)備發(fā)送信息的輸出模塊(圖1)。

　　圖 1：PLC 堅(jiān)固可靠，是工廠自動(dòng)化的支柱。 (圖片來源：菲尼克斯電氣)

　　傳統(tǒng) PLC 使用 IEC 61131-3 定義的五種語(yǔ)言之一進(jìn)行編程。其中包括指令表 (IL)、符號(hào)流程圖 (SFC)、梯形圖 (LD)、功能塊圖 (FBD) 和結(jié)構(gòu)化文本 (ST)。最流行的是 LD(梯形邏輯)，它使用符號(hào)來表示繼電器、移位寄存器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器和數(shù)學(xué)運(yùn)算等功能。符號(hào)根據(jù)所需的事件順序排列。

　　PLC 制造商正在迅速適應(yīng)通過實(shí)施工業(yè)以太網(wǎng)而取得的工廠自動(dòng)化進(jìn)步。工業(yè)以太網(wǎng)具有 IP 互操作性，是使用最廣泛的有線網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)，并擁有廣泛的供應(yīng)商支持。工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)是堅(jiān)固耐用的硬件和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件，是一種經(jīng)過驗(yàn)證且成熟的工廠自動(dòng)化技術(shù)(圖2)。該硬件還配有工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，包括以太網(wǎng)/IP、Modbus TCP 和 PROFINET。每一個(gè)都旨在確保工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的高水平確定性。 (請(qǐng)參閱“使用基于工業(yè)以太網(wǎng)的電源和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)堅(jiān)固的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用”。)

　　圖 2：工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成了現(xiàn)代工廠的通信主干。 (圖片來源：菲尼克斯電氣)

　　當(dāng)今的許多 PLC 都提供內(nèi)置以太網(wǎng)連接。對(duì)于具有非以太網(wǎng)接口的傳統(tǒng)設(shè)備，以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和 PLC 之間的鴻溝通過網(wǎng)關(guān)來彌合。 (請(qǐng)參閱“如何將傳統(tǒng)工廠自動(dòng)化系統(tǒng)不間斷地連接到工業(yè) 4.0 ”。)

　　下一代 PLC

　　混合使用現(xiàn)代和傳統(tǒng)系統(tǒng)的工廠可能會(huì)讓工程師難以充分利用工業(yè) 4.0 所承諾的全部?jī)?yōu)勢(shì)。然而，物聯(lián)網(wǎng)其他部分(例如智能家居和物流行業(yè))的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)表明，開放系統(tǒng)、協(xié)作平臺(tái)和可訪問的基于標(biāo)準(zhǔn)的軟件可以更輕松地實(shí)施面向未來的智能解決方案。

　　從這些其他領(lǐng)域獲得的知識(shí)鼓勵(lì) PLC 和相關(guān)系統(tǒng)制造商推出新一代產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的運(yùn)行方式與傳統(tǒng) PLC 類似，而不受傳統(tǒng)硬件和軟件的限制。菲尼克斯電氣的 PLCnext 控制技術(shù)就是新一代的一個(gè)例子。

　　從軟件角度來看，Phoenix Contact 1069208 PLCnext 控制器等產(chǎn)品代表了向開放式解決方案邁出的重大一步，該解決方案已開始主導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)的其他領(lǐng)域。例如，PLCnext 與多種軟件兼容，因此創(chuàng)新的工廠自動(dòng)化應(yīng)用程序可以輕松地從互聯(lián)網(wǎng)下載并安裝在 PLC 上，就像智能手機(jī)上的應(yīng)用程序一樣。

　　PLCnext 使用 Linux 操作系統(tǒng) (OS)。它仍然可以使用 IEC 61131-3 定義的語(yǔ)言進(jìn)行編程，但 Linux 使工程師可以輕松使用高級(jí)語(yǔ)言 C++、C#、Java、Python 和 Simulink 對(duì) PLC 進(jìn)行編程。這些簡(jiǎn)單易用的語(yǔ)言使更廣泛的工程師群體可以使用現(xiàn)代工廠自動(dòng)化。此外，PLCnext 還具有任務(wù)處理功能，使來自不同來源的程序例程能夠作為傳統(tǒng) PLC 代碼運(yùn)行，高級(jí)語(yǔ)言程序自動(dòng)變得確定性(圖 3)。

　　圖 3：PLCnext 具有任務(wù)處理功能，使來自不同來源的程序例程能夠作為傳統(tǒng) PLC 代碼運(yùn)行。 (圖片來源：菲尼克斯電氣)

　　通過工業(yè)以太網(wǎng)硬件進(jìn)行連接;控制系統(tǒng)運(yùn)行在IP可互操作的PROFINET協(xié)議下，并使用PROFICLOUD物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行云計(jì)算支持。 PLC還支持其他開放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，例如http、https、FTP、SNTP、SNMP、SMTP、SQL、MySQL和DCP。

　　該硬件基于運(yùn)行速度為 1.3 GHz 的 Intel Atom 微處理器。 PLC 具有 1 GB 閃存和 2048 MB RAM。 IEC 61131 運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)具有 12 MB 程序存儲(chǔ)器和 32 MB 程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。該裝置最多可支持 63 個(gè)本地總線設(shè)備，需要 24 伏電源，最大電流消耗為 504 毫安 (mA)(圖 4)。

　　圖 4：PLCnext PLC 使用 Linux 操作系統(tǒng)并支持 IEC 61131-3 定義的傳統(tǒng)語(yǔ)言以及更高級(jí)的語(yǔ)言。 (圖片來源：菲尼克斯電氣)

　　Phoenix Contact 的 PLCnext 系列包括 PLC 和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的其他關(guān)鍵元件，例如通信模塊和管理型交換機(jī)。具體示例包括2403115通信模塊和2702981托管網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換 (NAT) 交換機(jī)。通信模塊為 PLC 添加了額外的千兆位工業(yè)以太網(wǎng)接口。該模塊具有獨(dú)立的 MAC 地址，提供 PROFINET 支持，并包括以太網(wǎng)接口和邏輯之間的電氣隔離。

　　該管理型交換機(jī)用于存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)傳輸?shù)男畔?，具有四個(gè)以太網(wǎng) RJ45 端口、兩個(gè)小型可插拔 (SFP) 端口和兩個(gè)組合端口 (RJ45/SFP)。該交換機(jī)是 PROFINET 一致性 B 類產(chǎn)品。

　　改善工廠決策

　　工廠生產(chǎn)的優(yōu)化至關(guān)重要，因?yàn)橹圃煨枰群涂芍貜?fù)性。確保高精度和可重復(fù)性的關(guān)鍵是過程控制。在現(xiàn)代工廠中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器和攝像頭可以監(jiān)控機(jī)器并測(cè)量成品組件，以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中的任何微小偏差并相應(yīng)地糾正流程。其他傳感器會(huì)跟蹤機(jī)器的健康狀況，以便在磨損的機(jī)器開始出現(xiàn)故障之前預(yù)測(cè)維護(hù)需求。更多的傳感器可以跟蹤工廠的溫度、濕度和空氣質(zhì)量。

　　PLCnext Control 的一個(gè)關(guān)鍵功能是，與傳統(tǒng) PLC 不同，它可以利用工廠數(shù)據(jù)。據(jù) Phoenix Contact 稱，只需將 PLC 連接到系統(tǒng) 3% 到 5% 的模擬和數(shù)字輸入和輸出 (I/O)，即可全面繪制制造流程，無需大量干預(yù)。

　　然后，PLCnext Control 可以連接到任何云服務(wù)，包括 Phoenix Contact 的 Proficloud.io、Amazon 的 AWS 或 Microsoft 的 Azure。因此，工廠系統(tǒng)可以獲得強(qiáng)大的計(jì)算資源，以確保運(yùn)營(yíng)管理和維護(hù)流程盡可能高效地運(yùn)行。其結(jié)果是更高的生產(chǎn)率、更好的產(chǎn)品質(zhì)量和更低的成本。

　　PLCnext 入門

　　使用 PLCnext 控制器和相關(guān)單元相對(duì)簡(jiǎn)單。為了幫助啟動(dòng) PLC 編程項(xiàng)目，菲尼克斯電氣推出了1188165 PLCnext 技術(shù)入門套件。該套件包括2404267 PLCnext 控制模塊 (PLC)、模塊載體以及模擬或數(shù)字模塊選擇。

　　要使用入門套件，必須首先將 PLC 和模擬/數(shù)字模塊單元連接到 24 伏直流 (VDC) 電源。接下來，在 PLC 和 PC 之間連接以太網(wǎng)電纜，并設(shè)置 PC 的 IP 地址。然后，將 PLC 的 IP 地址輸入到 PC 上的瀏覽器窗口中。用戶使用用戶名和密碼登錄后，PLC 即可運(yùn)行。進(jìn)一步的指令由基于網(wǎng)絡(luò)的管理系統(tǒng)提供。 PLC 的編程是使用PLCnext Engineer軟件完成的。該軟件允許工程師配置、診斷和可視化整個(gè)自動(dòng)化解決方案。

　　PLCnext Engineer 支持使用 IEC 61131-3 定義的傳統(tǒng)語(yǔ)言進(jìn)行編程和配置。使用 C++ 和 C# 等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程也很簡(jiǎn)單。除了 PLCnext Engineer 之外，還可以在其他流行的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)(例如 Eclipse 或 Microsoft Visual Studio)中構(gòu)建代碼。然后可以將該軟件作為庫(kù)導(dǎo)入到 PLCnext Engineer 中，以便與任何兼容的 PLC 一起使用(圖 5)。

　　圖 5：PLCnext PLC 可以使用 PLCnext Engineer 的傳統(tǒng)語(yǔ)言、IDE 的高級(jí)語(yǔ)言或基于模型的設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行編程。 (圖片來源：菲尼克斯電氣)

　　PLCnext 技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，它允許多個(gè)開發(fā)人員獨(dú)立并行地處理單個(gè) PLC 程序，即使他們使用不同的編程語(yǔ)言。這使得復(fù)雜應(yīng)用程序的快速開發(fā)成為可能，并允許具有傳統(tǒng)語(yǔ)言技能的開發(fā)人員和具有高級(jí)語(yǔ)言技能的開發(fā)人員結(jié)合他們的才能。

　　結(jié)論

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)有望改變工廠。然而，當(dāng)工程師安裝工業(yè)以太網(wǎng)時(shí)，工廠自動(dòng)化的全部潛力卻受到傳統(tǒng) PLC 的限制，這些 PLC 提供有限的連接和過時(shí)的軟件。菲尼克斯電氣的 PLCnext 技術(shù)基于開放系統(tǒng)、協(xié)作平臺(tái)和可訪問的軟件。它可以將用傳統(tǒng)語(yǔ)言編碼的例程與用高級(jí)語(yǔ)言編寫的例程結(jié)合起來，將工業(yè)自動(dòng)化開放給面向未來的解決方案，從而提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量并降低成本。