Affrontare le sfide dell'automazione industriale con una nuova generazione di hardware PLC

L'automazione basata sull'Internet delle cose industriale (IIoT) promette tempi di commercializzazione più rapidi, maggiore produttività, maggiore sicurezza, costi più bassi e qualità superiore. Detto questo, rimangono degli ostacoli. Sistemi obsoleti difficili da aggiornare, uffici tecnici troppo ancorati al passato, sistemi chiusi e mancanza di conoscenze specialistiche sono alcuni dei problemi che frenano la rivoluzione dell'Impresa 4.0.

Sebbene le tecnologie basate su standard adeguati siano la spina dorsale della fabbrica connessa, l'hardware e il software di molti controller a logica programmabile (PLC) legacy hanno capacità limitate. Ciò rende difficile per gli ingegneri implementare rapidamente a livello di fabbrica gli aggiornamenti necessari per trarre il massimo vantaggio dall'IIoT. A complicare ulteriormente le cose, gli ingegneri rischiano di basare i costosi aggiornamenti di fabbrica su una tecnologia che potrebbe diventare obsoleta o non supportata dall'introduzione di nuove tecnologie.

Le lezioni possono derivare da altre applicazioni IoT, come la domotica, dove i sistemi aperti, le piattaforme collaborative e il software accessibile facilitano l'implementazione di soluzioni intelligenti a prova di futuro. I produttori di automazione industriale stanno facendo tesoro di queste esperienze e conoscenze.

Questo articolo illustra brevemente la sfida dell'implementazione della tecnologia IIoT e spiega come i progressi in fatto di sistemi aperti e hardware per l'automazione di fabbrica offrano soluzioni. L'articolo presenta un esempio di implementazione hardware e software PLC di nuova generazione di Phoenix Contact e mostra come semplifica la raccolta dei dati e il loro invio al cloud per l'analisi e il processo decisionale automatizzato.

L'importanza del PLC

Il pilastro della fabbrica è il PLC, un dispositivo digitale inventato alla fine degli anni '60 per sostituire i precedenti sistemi logici a relè. I PLC sono stati progettati per funzionare in ambienti difficili senza alcun problema per molti anni. La chiave di questa affidabilità è l'attenzione alla semplicità. Nel raro caso in cui si verifichi un guasto, i PLC sono progettati per risolvere i problemi in modo che la produzione in serie possa riprendere rapidamente.

Le unità comprendono un modulo di ingresso (che riceve dati da dispositivi di ingresso digitali e analogici come tastiere, interruttori, relè e sensori), un alimentatore, una CPU programmabile con memoria associata e un modulo di uscita per inviare le informazioni ai dispositivi collegati (Figura 1).

Figura 1: Robusti e affidabili, i PLC sono la spina dorsale dell'automazione industriale. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

I PLC convenzionali sono programmati in uno dei cinque linguaggi definiti dalla norma IEC 61131-3. Questi includono l'elenco di istruzioni (IL), lo schema di flusso simbolico (SFC), lo schema a scala (LD), il diagramma a blocchi funzionali (FBD) e il testo strutturato (ST). Il più diffuso è la logica LD, o logica ladder, che utilizza simboli per rappresentare funzioni come relè, registri a scorrimento, contatori, timer e operazioni matematiche. I simboli sono disposti secondo la sequenza di eventi desiderata.

I produttori di PLC si stanno rapidamente adattando ai progressi dell'automazione di fabbrica ottenuti grazie all'implementazione dell'Industrial Ethernet, ovvero un IP interoperabile, l'opzione di rete cablata più diffusa che gode di un ampio supporto da parte dei fornitori. L'Industrial Ethernet è caratterizzata da hardware robusto e software standard del settore ed è una tecnologia collaudata e matura per l'automazione di fabbrica (Figura 2). L'hardware è completato da protocolli Industrial Ethernet, tra cui Ethernet/IP, Modbus TCP e PROFINET. Ognuno è progettato per garantire un alto livello di determinismo delle applicazioni di automazione industriale. (Vedere "Progettazione di applicazioni IoT rinforzate con reti di alimentazione e dati basate su Industrial Ethernet".)

Figura 2: Industrial Ethernet costituisce la spina dorsale di comunicazione della fabbrica moderna. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Molti degli attuali PLC offrono connettività Ethernet integrata. Per i dispositivi legacy con interfacce non Ethernet, il divario tra l'infrastruttura Ethernet e il PLC è colmato dai gateway. (Vedere "Come connettere i sistemi di automazione di fabbrica legacy all'Impresa 4.0 senza interruzioni".)

La prossima generazione di PLC

In una fabbrica che utilizza un mix di sistemi moderni e preesistenti può essere difficile per gli ingegneri sfruttare appieno i vantaggi promessi dall'Impresa 4.0. Tuttavia, gli insegnamenti tratti da altri settori dell'IoT, come quello della domotica e della logistica, rivelano che i sistemi aperti, le piattaforme collaborative e il software accessibile basato su standard facilitano l'implementazione di soluzioni intelligenti a prova di futuro.

Le conoscenze acquisite in questi altri settori incoraggiano i produttori di PLC e sistemi associati a introdurre una nuova generazione di prodotti che funzionano come i PLC tradizionali senza essere vincolati dalle limitazioni di hardware e software tradizionali. Un esempio di questa nuova generazione è la tecnologia PLCnext Control di Phoenix Contact.

Dal punto di vista software, un prodotto come il controller PLCnext 1069208 di Phoenix Contact rappresenta un passo significativo verso le soluzioni aperte che stanno iniziando a dominare altre aree dell'IoT. Ad esempio, PLCnext è compatibile con un'ampia gamma di software, per cui le applicazioni innovative per l'automazione di fabbrica possono essere facilmente scaricate da Internet e installate sul PLC, come le applicazioni su uno smartphone.

PLCnext utilizza il sistema operativo (OS) Linux. È ancora possibile programmare il PLC utilizzando i linguaggi definiti dalla norma IEC 61131-3, ma Linux consente agli ingegneri di programmare facilmente il PLC utilizzando i linguaggi di livello superiore come C++, C#, Java, Python e Simulink. Questi linguaggi semplici rendono la moderna automazione di fabbrica accessibile a un gruppo molto più ampio di ingegneri. Inoltre, PLCnext dispone di una gestione delle attività che consente di eseguire routine programmatiche provenienti da fonti diverse come codice PLC legacy, con programmi in linguaggio di alto livello che diventano automaticamente deterministici (Figura 3).

Figura 3: PLCnext dispone della gestione delle attività che consente di eseguire routine programmatiche provenienti da fonti diverse come codice PLC legacy. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

La connettività avviene tramite hardware Industrial Ethernet; il sistema di controllo funziona con il protocollo PROFINET interoperabile con IP e utilizza la piattaforma IoT PROFICLOUD per il supporto al cloud computing. Il PLC supporta anche altri protocolli standard aperti come http, https, FTP, SNTP, SNMP, SMTP, SQL, MySQL e DCP.

L'hardware è basato su un microprocessore Intel Atom a 1,3 GHz. Il PLC dispone di 1 GB di memoria flash e 2048 MB di RAM. Il sistema di runtime IEC 61131 dispone di 12 MB di memoria di programma e 32 MB di memoria dati di programma. L'unità può supportare fino a 63 dispositivi bus locali e richiede un'alimentazione a 24 V con un assorbimento massimo di corrente di 504 mA (Figura 4).

Figura 4: I PLC PLCnext utilizzano il sistema operativo Linux e supportano i linguaggi legacy definiti dalla norma IEC 61131-3, oltre a linguaggi di livello superiore. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

La gamma PLCnext di Phoenix Contact comprende PLC e altri elementi critici di un sistema di automazione industriale, come moduli di comunicazione e switch gestiti. Esempi specifici sono il modulo di comunicazione 2403115 e lo switch NAT (Network Address Translation) gestito 2702981. Il modulo di comunicazione aggiunge al PLC un'ulteriore interfaccia Industrial Ethernet con capacità gigabit. Il modulo ha un indirizzo MAC indipendente, offre il supporto PROFINET e include l'isolamento elettrico tra l'interfaccia Ethernet e la logica.

Lo switch gestito è utilizzato per memorizzare e inoltrare le informazioni trasportate via Ethernet e dispone di quattro porte Ethernet RJ45, due porte SFP (Small Form-factor Pluggable) e due porte combinate (RJ45/SFP). Lo switch è un prodotto di di conformità PROFINET classe B.

Migliorare il processo decisionale in fabbrica

L'ottimizzazione della produzione in fabbrica è essenziale perché la produzione richiede precisione e ripetibilità. La chiave per garantire alti livelli di precisione e ripetibilità è il controllo del processo. Nella fabbrica moderna, i sensori e le telecamere IIoT possono monitorare le macchine e misurare i componenti finiti per rilevare eventuali piccole deviazioni nel prodotto e correggere il processo di conseguenza. Altri sensori tengono traccia dello stato di salute delle macchine per prevedere i requisiti di manutenzione prima che una macchina usurata inizi a guastarsi. Un numero ancora maggiore di sensori tiene traccia della temperatura, dell'umidità e della qualità dell'aria della fabbrica.

Una caratteristica fondamentale di PLCnext Control è che, a differenza dei PLC tradizionali, può attingere a questi dati di fabbrica. Secondo Phoenix Contact, è sufficiente collegare il PLC ad appena il 3-5% degli ingressi e delle uscite analogiche e digitali (I/O) del sistema perché sia in grado di mappare i processi produttivi in modo completo e senza interventi significativi.

PLCnext Control può quindi collegarsi a qualsiasi servizio cloud, tra cui Proficloud.io di Phoenix Contact, AWS di Amazon o Azure di Microsoft. Di conseguenza, il sistema di fabbrica ha accesso a potenti risorse informatiche per garantire che i processi di gestione operativa e di manutenzione si svolgano nel modo più efficiente possibile. Il risultato è una maggiore produttività, una migliore qualità dei prodotti e una riduzione dei costi.

Primi passi con PLCnext

Lavorare con i controller PLCnext e le relative unità è relativamente semplice. Per agevolare l'avvio di un progetto di programmazione PLC, Phoenix Contact ha introdotto lo starter kit 1188165 con tecnologia PLCnext. Il kit comprende un modulo di controllo (PLC) PLCnext 2404267, un supporto per moduli e una scelta di moduli analogici o digitali.

Per utilizzare lo starter kit, il PLC e le unità del modulo analogico/digitale devono prima essere collegati all'alimentazione a 24 V c.c. Successivamente, si collega un cavo Ethernet tra il PLC e il PC e si imposta l'indirizzo IP del PC. Quindi, l'indirizzo IP del PLC viene digitato in una finestra del browser sul PC. Il PLC diventa operativo dopo che gli utenti hanno effettuato l'accesso il proprio nome utente e la propria password. Ulteriori istruzioni vengono fornite dal sistema di gestione basato sul web. La programmazione del PLC avviene tramite il software PLCnext Engineer. Il software consente ai tecnici di configurare, diagnosticare e visualizzare un'intera soluzione di automazione.

PLCnext Engineer consente di programmare e configurare utilizzando i linguaggi legacy definiti dalla norma IEC 61131-3. È anche semplice da programmare in linguaggi di livello superiore come C++ e C#. Oltre a PLCnext Engineer, il codice può essere costruito in altri ambienti di sviluppo integrato (IDE) molto diffusi, come Eclipse o Microsoft Visual Studio. Il software può quindi essere importato in PLCnext Engineer come libreria da utilizzare con qualsiasi PLC compatibile (Figura 5).

Figura 5: i PLC PLCnext possono essere programmati utilizzando i linguaggi legacy di PLCnext Engineer, i linguaggi di livello superiore degli IDE o i sistemi di progettazione basati su modelli. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Un vantaggio fondamentale della tecnologia PLCnext è che consente a più sviluppatori di lavorare in modo indipendente e parallelo su un singolo programma PLC, anche se utilizzano linguaggi di programmazione diversi. Ciò consente di sviluppare rapidamente applicazioni complesse e di combinare il talento di sviluppatori con competenze in linguaggi tradizionali e di sviluppatori con competenze in linguaggi di livello superiore.

Conclusione

L'IIoT promette di trasformare la fabbrica. Tuttavia, mentre i tecnici installano l'Industrial Ethernet, il pieno potenziale dell'automazione di fabbrica è frenato dai PLC tradizionali che offrono una connettività limitata e un software datato. La tecnologia PLCnext di Phoenix Contact si basa su sistemi aperti, piattaforme collaborative e software accessibile. È in grado di combinare le routine codificate nei linguaggi tradizionali con quelle scritte in linguaggi di livello superiore per aprire l'automazione industriale a soluzioni a prova di futuro con una maggiore produttività, rese più elevate, una migliore qualità del prodotto e costi più bassi.