การจัดการกับความท้าทายด้านระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมด้วยฮาร์ดแวร์ PLC รุ่นใหม่

ระบบอัตโนมัติที่อยู่บน Industrial Internet of Things (IIoT) ทำให้สินค้าออกสู่ตลาดได้เร็วขึ้น เพิ่มประสิทธิภาพการผลิต ปลอดภัยยิ่งขึ้น ลดต้นทุน และมีคุณภาพสูงขึ้น แต่ก็ยังคงมีอุปสรรคอยู่ โดยระบบเดิมที่อัพเกรดได้ยาก แผนกวิศวกรรมที่ไม่มีการพัฒนา ระบบปิด และการขาดความรู้เฉพาะทาง คือปัญหาบางส่วนที่ขัดขวางการปฏิวัติอุตสาหกรรม 4.0

แม้ว่าเทคโนโลยีตามมาตรฐานที่เหมาะสมจะเป็นแกนหลักของโรงงานที่เชื่อมต่อกัน แต่ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ตัวควบคุมลอจิกแบบตั้งโปรแกรมได้ (PLC) รุ่นเก่าหลายตัวมีความสามารถที่จำกัด ซึ่งทำให้เกิดความท้าทายสำหรับวิศวกรในการปรับใช้การอัพเกรดทั่วทั้งโรงงานอย่างรวดเร็ว ซึ่งจำเป็นต่อการใช้ประโยชน์จาก IIoT อย่างเต็มที่ เรื่องที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นก็คือการที่วิศวกรเสี่ยงต่อการอัพเกรดโรงงานที่มีราคาแพงด้วยเทคโนโลยีที่อาจล้าสมัยหรือไม่ได้รับการสนับสนุนเมื่อมีการเปิดตัวเทคโนโลยีใหม่

สามารถเรียนรู้ได้จากส่วนอื่นๆ ของ IoT เช่น บ้านอัจฉริยะ ซึ่งระบบเปิด แพลตฟอร์มการทำงานร่วมกัน และซอฟต์แวร์ที่เข้าถึงได้ ช่วยให้การนำโซลูชันอัจฉริยะที่สามารถใช้งานได้อนาคตไปใช้ได้ง่ายขึ้น ผู้ผลิตระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมต่างเปิดรับประสบการณ์และความรู้นี้

บทความนี้จะกล่าวถึงความท้าทายในการปรับใช้เทคโนโลยี IIoT โดยสังเขป และอธิบายว่าความก้าวหน้าในระบบเปิดและฮาร์ดแวร์ระบบอัตโนมัติในโรงงานนำเสนอโซลูชันได้อย่างไร บทความนี้จะแนะนำตัวอย่างการใช้งานฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ PLC รุ่นต่อไปจาก Phoenix Contact และแสดงให้เห็นว่าการรวบรวมข้อมูลที่ง่ายขึ้นและส่งไปยังคลาวด์เพื่อการวิเคราะห์และการตัดสินใจอัตโนมัติสามารถทำได้อย่างไร

ความสำคัญของ PLC

แกนของโรงงานคือ PLC ซึ่งเป็นอุปกรณ์ดิจิทัลที่ประดิษฐ์ขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1960 เพื่อแทนที่ระบบลอจิกรีเลย์รุ่นก่อนหน้า โดย PLC ได้รับการออกแบบมาเพื่อทำงานในสภาพแวดล้อมที่ยากลำบากโดยไม่เกิดข้อผิดพลาดเป็นเวลาหลายปี กุญแจสำคัญของความน่าเชื่อถือนี้คือการมุ่งเน้นไปที่ความเรียบง่าย ในกรณีที่มีบางอย่างล้มเหลวซึ่งเกิดขึ้นไม่บ่อยนัก PLC นั้นได้รับการออกแบบมาเพื่อแก้ไขปัญหาเพื่อให้การผลิตจำนวนมากสามารถดำเนินการต่อได้อย่างรวดเร็ว

ยูนิตประกอบด้วยโมดูลอินพุต (รับข้อมูลจากอุปกรณ์อินพุตดิจิทัลและแอนะล็อก เช่น แป้นพิมพ์ สวิตช์ รีเลย์ และเซ็นเซอร์), แหล่งจ่ายไฟ, CPU ที่ตั้งโปรแกรมได้พร้อมหน่วยความจำที่เกี่ยวข้อง และโมดูลเอาต์พุตเพื่อส่งข้อมูลไปยังอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ (รูป 1)

รูปที่ 1: PLC ที่แข็งแกร่งและเชื่อถือได้คือหัวใจสำคัญของระบบอัตโนมัติในโรงงาน (แหล่งที่มาภาพ: Phoenix Contact)

PLC ทั่วไปตั้งโปรแกรมโดยใช้หนึ่งในห้าภาษาที่กำหนดโดย IEC 61131-3 ซึ่งรวมถึงรายการคำสั่ง (IL), ผังงานสัญลักษณ์ (SFC), ไดอะแกรมแลดเดอร์ (LD), ไดอะแกรมบล็อกฟังก์ชัน (FBD) และข้อความที่มีโครงสร้าง (ST) โดยลอจิกที่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือ LD หรือลอจิกแลดเดอร์ ซึ่งใช้สัญลักษณ์เพื่อแสดงฟังก์ชันต่างๆ เช่น รีเลย์ ชิฟต์รีจิสเตอร์ ตัวนับ ตัวจับเวลา และการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ สัญลักษณ์จะถูกจัดเรียงตามลำดับที่ต้องการ

ผู้ผลิต PLC กำลังปรับตัวอย่างรวดเร็วให้เข้ากับความก้าวหน้าในระบบอัตโนมัติในโรงงานที่เกิดขึ้นผ่านการนำอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมไปใช้ โดยอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมสามารถใช้งานร่วมกันได้กับ IP เป็นตัวเลือกเครือข่ายแบบมีสายที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด และมีการสนับสนุนจากผู้จำหน่ายอย่างกว้างขวาง อีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมโดดเด่นด้วยฮาร์ดแวร์ที่ทนทานและซอฟต์แวร์มาตรฐานอุตสาหกรรม และเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับการพิสูจน์แล้วและมีความสมบูรณ์สำหรับระบบอัตโนมัติในโรงงาน (รูปที่ 2) ฮาร์ดแวร์ได้รับการเสริมด้วยโปรโตคอลอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม ซึ่งรวมถึง Ethernet/IP, Modbus TCP และ PROFINET แต่ละโปรโตคอลได้รับการออกแบบมาเพื่อให้แน่ใจว่ามีการกำหนดระดับสูงสำหรับการใช้งานระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม (อ่าน "การออกแบบสำหรับการใช้งาน IoT ที่ทนทานโดยใช้พลังงานและเครือข่ายข้อมูลบนอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม")

รูปที่ 2: อีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมเป็นแกนหลักในการสื่อสารของโรงงานสมัยใหม่ (แหล่งที่มาภาพ: Phoenix Contact)

PLC จำนวนมากในปัจจุบันมีการเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ตในตัว สำหรับอุปกรณ์รุ่นเก่าที่มีอินเธอร์เฟซที่ไม่ใช่อีเทอร์เน็ตการแบ่งระหว่างโครงสร้างพื้นฐานอีเทอร์เน็ตและ PLC จะถูกเชื่อมโยงโดยเกตเวย์ (อ่าน "วิธีเชื่อมต่อระบบอัตโนมัติในโรงงานแบบเดิมกับอุตสาหกรรม 4.0 โดยไม่หยุดชะงัก")

PLC รุ่นต่อไป

โรงงานที่ใช้การผสมผสานระหว่างระบบสมัยใหม่และระบบเดิมอาจทำให้วิศวกรสามารถใช้ประโยชน์จากผลประโยชน์เต็มที่จากอุตสาหกรรม 4.0 ได้ยาก อย่างไรก็ตาม บทเรียนจากส่วนอื่นๆ ของ IoT เช่น บ้านอัจฉริยะและภาคส่วนโลจิสติกส์ เผยให้เห็นว่าระบบเปิด แพลตฟอร์มการทำงานร่วมกัน และซอฟต์แวร์ตามมาตรฐานที่เข้าถึงได้ ทำให้การนำโซลูชันอัจฉริยะที่สามารถนำไปใช้งานในอนาคตได้ง่ายขึ้น

ความรู้ที่ได้รับจากภาคส่วนอื่นๆ เหล่านี้สนับสนุนให้ผู้ผลิต PLC และระบบที่เกี่ยวข้องแนะนำผลิตภัณฑ์รุ่นใหม่ที่ทำงานเหมือนกับ PLC แบบดั้งเดิม โดยไม่ถูกจำกัดด้วยข้อจำกัดของฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์แบบเดิม ตัวอย่างของรุ่นใหม่นี้คือเทคโนโลยี PLCnext Control ของ Phoenix Contact

จากมุมมองของซอฟต์แวร์ ผลิตภัณฑ์เช่น ตัวควบคุม PLCnext Phoenix Contact 1069208 แสดงให้เห็นถึงการเคลื่อนไหวครั้งสำคัญสู่โซลูชันแบบเปิดซึ่งเริ่มครอบงำส่วนอื่นๆ ของ IoT ตัวอย่างเช่น PLCnext เข้ากันได้กับซอฟต์แวร์ที่หลากหลาย ดังนั้นแอประบบอัตโนมัติในโรงงานที่เป็นนวัตกรรมจึงสามารถดาวน์โหลดได้อย่างง่ายดายจากอินเทอร์เน็ต และติดตั้งบน PLC เช่น แอปบนสมาร์ทโฟน

PLCnext ใช้ระบบปฏิบัติการ Linux (OS) ยังสามารถตั้งโปรแกรมได้โดยใช้ภาษาที่กำหนดภายใต้ IEC 61131-3 แต่ Linux ช่วยให้วิศวกรสามารถตั้งโปรแกรม PLC โดยใช้ภาษาระดับสูงกว่า C++, C#, Java, Python และ Simulink ได้อย่างง่ายดาย ภาษาที่ใช้งานง่ายเหล่านี้ทำให้กลุ่มวิศวกรในโรงงานจำนวนมากสามารถเข้าถึงระบบอัตโนมัติในโรงงานสมัยใหม่ได้ นอกจากนี้ PLCnext ยังมีคุณลักษณะการจัดการงานที่เปิดใช้งานรูทีนของโปรแกรมจากแหล่งต่างๆ เพื่อทำงานเป็นโค้ด PLC แบบเดิม โดยที่โปรแกรมภาษาระดับสูงจะถูกกำหนดโดยอัตโนมัติ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: PLCnext มีคุณลักษณะการจัดการงานที่เปิดใช้งานรูทีนของโปรแกรมจากแหล่งต่างๆ เพื่อทำงานเป็นโค้ด PLC แบบเดิม (แหล่งที่มาภาพ: Phoenix Contact)

การเชื่อมต่อทำได้ผ่านฮาร์ดแวร์อีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม ระบบควบคุมทำงานภายใต้โปรโตคอล PROFINET ที่ทำงานร่วมกันได้กับ IP และใช้แพลตฟอร์ม PROFICLOUD IoT สำหรับการสนับสนุนการประมวลผลแบบคลาวด์ PLC ยังรองรับโปรโตคอลมาตรฐานเปิดอื่นๆ เช่น http, https, FTP, SNTP, SNMP, SMTP, SQL, MySQL และ DCP

ฮาร์ดแวร์นี้ใช้ไมโครโปรเซสเซอร์ Intel Atom ที่ทำงานที่ความเร็ว 1.3 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) PLC มีหน่วยความจำแฟลช 1 กิกะไบต์ (Gbyte) และ RAM 2048 เมกะไบต์ (Mbytes) ระบบรันไทม์ IEC 61131 มีหน่วยความจำโปรแกรม 12 Mbytes และที่เก็บข้อมูลโปรแกรม 32 Mbytes ยูนิตสามารถรองรับอุปกรณ์บัสภายในได้สูงสุด 63 ตัว และต้องใช้แหล่งจ่ายไฟ 24 โวลต์ โดยมีกระแสสูงสุดที่ดึงได้ 504 มิลลิแอมป์ (mA) (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: PLCnext PLC ใช้ระบบปฏิบัติการ Linux และรองรับภาษาเดิมที่กำหนดภายใต้ IEC 61131-3 รวมถึงภาษาระดับที่สูงขึ้น (แหล่งที่มาภาพ: Phoenix Contact)

กลุ่มผลิตภัณฑ์ PLC ถัดไปของ Phoenix Contact ประกอบด้วย PLC และองค์ประกอบที่สำคัญอื่นๆ ของระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม เช่น โมดูลการสื่อสารและสวิตช์ที่ได้รับการจัดการ ตัวอย่างที่เฉพาะเจาะจงคือโมดูลการสื่อสาร 2403115 และสวิตช์แปลงที่อยู่เครือข่าย (NAT) ที่มีการจัดการ 2702981 โมดูลการสื่อสารเพิ่มอินเทอร์เฟซอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมที่รองรับกิกะบิตพิเศษให้กับ PLC โมดูลนี้มีที่อยู่ MAC อิสระ รองรับ PROFINET และมีการแยกทางไฟฟ้าระหว่างอินเทอร์เฟซอีเทอร์เน็ตและลอจิก

สวิตช์ที่ได้รับการจัดการใช้สำหรับจัดเก็บและส่งต่อข้อมูลที่ขนส่งผ่านอีเทอร์เน็ต และมีพอร์ต Ethernet RJ45 สี่พอร์ต, พอร์ต Small Form-Factor Pluggable (SFP) สองพอร์ต และพอร์ตรวมสองพอร์ต (RJ45/SFP) โดยสวิตช์เป็นผลิตภัณฑ์ PROFINET Conformance Class B

การปรับปรุงการตัดสินใจในโรงงาน

การเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตในโรงงานถือเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากการผลิตต้องการความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำ กุญแจสำคัญในการรับรองความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำในระดับสูงคือการควบคุมกระบวนการ ในโรงงานที่ทันสมัย เซ็นเซอร์และกล้อง IIoT สามารถตรวจสอบเครื่องจักรและวัดส่วนประกอบที่เสร็จแล้ว เพื่อรับการเบี่ยงเบนเล็กน้อยในผลิตภัณฑ์และแก้ไขกระบวนการตามนั้น เซ็นเซอร์อื่นๆ จะคอยติดตามความสมบูรณ์ของเครื่องจักรเพื่อคาดการณ์ข้อกำหนดในการบำรุงรักษาก่อนที่เครื่องจักรที่สึกหรอจะเริ่มทำงานล้มเหลว เซ็นเซอร์อีกมากมายที่คอยติดตามอุณหภูมิ ความชื้น และคุณภาพอากาศของโรงงาน

คุณลักษณะสำคัญของ PLCnext Control คือ แตกต่างจาก PLC ทั่วไปตรงที่สามารถเข้าถึงข้อมูลโรงงานได้ จากข้อมูลของ Phoenix Contact การเชื่อมต่อ PLC เข้ากับอินพุตและเอาท์พุต (I/O) แบบแอนะล็อกและดิจิทัลเพียง 3% ถึง 5% ก็เพียงพอแล้ว เพื่อให้สามารถสร้างแผนผังกระบวนการผลิตได้อย่างครอบคลุมและไม่มีการแทรกแซงที่สำคัญ

PLCnext Control จะสามารถเชื่อมต่อกับบริการคลาวด์ใดๆ ได้ รวมถึง Proficloud.io ของ Phoenix Contact, AWS ของ Amazon หรือ Azure ของ Microsoft เป็นผลให้ระบบโรงงานสามารถเข้าถึงทรัพยากรคอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพเพื่อให้แน่ใจว่ากระบวนการจัดการการดำเนินงานและการบำรุงรักษาดำเนินไปอย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุด ผลลัพธ์ที่ได้คือผลผลิตที่สูงขึ้น คุณภาพผลิตภัณฑ์ที่ดีขึ้น และต้นทุนที่ลดลง

เริ่มต้นใช้งาน PLCnext

การทำงานกับคอนโทรลเลอร์ PLCnext และยูนิตที่เกี่ยวข้องนั้นค่อนข้างตรงไปตรงมา เพื่อช่วยในการเริ่มต้นโครงการการเขียนโปรแกรม PLC Phoenix Contact ได้แนะนำชุดเริ่มต้นเทคโนโลยี PLCnext 1188165 ในชุดประกอบด้วย 2404267 โมดูลควบคุม PLCnext (PLC) ตัวพาโมดูล และตัวเลือกโมดูลแอนะล็อกหรือดิจิทัล

หากต้องการใช้ชุดสตาร์ทเตอร์ จะต้องเชื่อมต่อยูนิต PLC และโมดูลแอนะล็อก/ดิจิทัลเข้ากับแหล่งจ่ายไฟ 24 โวลต์ DC (VDC) ก่อน ถัดไป เชื่อมต่อสายอีเทอร์เน็ตระหว่าง PLC และ PC และตั้งค่าที่อยู่ IP ของ PC จากนั้น ที่อยู่ IP ของ PLC จะพิมพ์ลงในหน้าต่างเบราว์เซอร์บนพีซี PLC สามารถทำงานได้หลังจากที่ผู้ใช้เข้าสู่ระบบด้วยชื่อผู้ใช้และรหัสผ่าน คำแนะนำเพิ่มเติมได้มาจากระบบการจัดการบนเว็บ การเขียนโปรแกรม PLC ทำได้โดยใช้ซอฟต์แวร์ PLCnext Engineer ซอฟต์แวร์นี้ช่วยให้วิศวกรกำหนดค่า วินิจฉัย และแสดงภาพโซลูชันระบบอัตโนมัติทั้งหมดได้

PLCnext Engineer ช่วยให้สามารถตั้งโปรแกรมและกำหนดค่าโดยใช้ภาษาเดิมที่กำหนดไว้ภายใต้ IEC 61131-3 นอกจากนี้ยังง่ายต่อการเขียนโปรแกรมในภาษาระดับสูง เช่น C++ และ C# นอกจาก PLCnext Engineer แล้ว โค้ดยังสามารถสร้างขึ้นใน Integrated Development Environments (IDE) ยอดนิยมอื่นๆ เช่น Eclipse หรือ Microsoft Visual Studio จากนั้นซอฟต์แวร์ดังกล่าวก็สามารถนำเข้าไปยัง PLCnext Engineer เพื่อเป็นไลบรารีสำหรับใช้กับ PLC ที่รองรับได้ (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: PLCnext PLC สามารถตั้งโปรแกรมได้โดยใช้ภาษาดั้งเดิมจาก PLCnext Engineer, ภาษาระดับสูงจาก IDE หรือจากระบบการออกแบบตามแบบจำลอง (แหล่งที่มาภาพ: Phoenix Contact)

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของเทคโนโลยี PLCnext คือช่วยให้นักพัฒนาหลายคนทำงานได้อย่างอิสระและขนานกันในโปรแกรม PLC เดียว แม้ว่าพวกเขาจะใช้ภาษาการเขียนโปรแกรมต่างกันก็ตาม ช่วยให้สามารถพัฒนาแอปพลิเคชันที่ซับซ้อนได้อย่างรวดเร็ว และช่วยให้นักพัฒนาที่มีทักษะภาษาดั้งเดิมและผู้ที่มีทักษะภาษาระดับสูงสามารถรวมความสามารถได้

สรุป

IIoT สามารถเปลี่ยนแปลงโรงงานได้ อย่างไรก็ตาม ในขณะที่วิศวกรกำลังติดตั้งอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม ศักยภาพของระบบอัตโนมัติในโรงงานอย่างเต็มรูปแบบกลับถูกจำกัดไว้โดย PLC แบบดั้งเดิมที่มีการเชื่อมต่อที่จำกัดและซอฟต์แวร์ที่ล้าสมัย โดยเทคโนโลยี PLCnext จาก Phoenix Contact เป็นระบบเปิด แพลตฟอร์มการทำงานร่วมกัน และซอฟต์แวร์ที่สามารถเข้าถึงได้ สามารถรวมการรวมรูทีนที่เข้ารหัสด้วยภาษาดั้งเดิมกับภาษาที่เขียนด้วยภาษาระดับสูงกว่าเพื่อเปิดระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมให้เป็นโซลูชันที่รองรับอนาคตด้วยประสิทธิภาพการผลิตที่เพิ่มขึ้น ผลผลิตที่สูงขึ้น คุณภาพผลิตภัณฑ์ที่ดีขึ้น และต้นทุนที่ลดลง