De rol van PLC's in industriële besturing en test- en meettechniek

Programmeerbare logische controllers (PLC's) zijn industriële computers die:

• Bewaken en regelen van industriële automatiseringstoepassingen
• Uitvoeren van taken in verband met test- en meetwerkzaamheden
• Procesgerichte functies (waaronder die met betrekking tot HVAC-systemen) uitvoeren die buiten het bestek van dit artikel vallen.

PLC's ontvangen gegevens van sensors en invoerapparaten, verwerken de gegevens om op logica gebaseerde beslissingen te nemen, en voeren besturingsinstructies uit naar mechanische of elektrische systemen. Het is een soort ingebed systeem dat computerprocessor en geheugen combineert met input-output (IO) apparatuur, net als de hardwired relais- en PC-gebaseerde logica waarmee zij concurreren.

In termen van fysieke vorm kunnen PLC's tegenwoordig van alles zijn, van een zeer eenvoudige computer met een geïntegreerde chipmorfologie (IC) tot een grote verzameling in een rek gemonteerde controllersubcomponenten die in meerdere chassis zijn ondergebracht. Eenvoudiger PLC's op microcontrollerbasis of PLC's in de vorm van een systeem op een chip (SoC) kunnen uiterst betrouwbaar zijn en werken met een zeer bescheiden stroomtoevoer. De meest complexe PLC's vervagen daarentegen de grenzen tussen wat een PLC is en computers voor algemeen gebruik voor real-time industriële besturing, hoewel betrouwbaarheid en real-time prestaties nog steeds de nadruk leggen op de eerstgenoemde.

Oorspronkelijk waren PLC's bedoeld om de hard-wired besturingslogica op basis van relais en drumsequencers rechtstreeks te vervangen. Deze vroege PLC's hoefden alleen basisbewerkingen uit te voeren door inputs om te zetten in outputs. Alle machinetaken waarvoor een proportional-integral-derivative (PID) regeling nodig was, werden uitbesteed aan aangekoppelde analoge elektronica. Nu maken PID-regelingen en nog meer geavanceerde bewerkingen standaard deel uit van PLC-instructiesets.

In feite zijn de functies die van PLC's worden verwacht in de loop der tijd steeds verder uitgebreid, zodat veel PLC's tegenwoordig behoorlijk geavanceerd zijn en in staat om ingewikkelde en adaptieve routines uit te voeren. Het steeds grotere vermogen en de steeds kleinere afmetingen van halfgeleiderchips (dankzij de wet van Moore) hebben een ongekende intelligentie van kleinere controllers mogelijk gemaakt. Deze trend zet zich voort met geïntegreerde ondersteuning van motion control, vision-systemen en communicatieprotocollen. Aan het andere uiteinde van het spectrum van PLC-formaten zijn er programmeerbare automatiseringscontrollers (Programmable Automation Controllers - PAC's) waarin een PLC met een PC is geïntegreerd om voor bepaalde toepassingen PLC's en bedrijfseigen besturingssystemen (die werken met bedrijfseigen programmeertalen) te vervangen. Meer PLC's worden tegenwoordig ook geïntegreerd in human-machine interfaces (HMI's).

De industriële digitale omgeving waarin PLC's werken

Industriële automatisering steunt vandaag op feedback van machines en operationele gegevens samen met complexe interconnecties tussen digitale toestellen om:

• Bedien digitale apparaten.
• Voer geavanceerde mogelijkheden uit, zoals die met betrekking tot IIoT-connectiviteit en herconfigureerbaarheid van machines.
• Menselijke besluitvorming over diverse machine- en bedrijfsomstandigheden mogelijk maken.
• Verbetering van de totale productiviteit en de kwaliteit van het werkstuk.

Dergelijke geautomatiseerde installaties omvatten ongelijksoortige informatiesystemen om deze gegevens op te slaan, te verwerken en te verstrekken.

Systemen voorplanning van de materiaalbehoeften of manufacturing resource planning (MRP) zorgen voor productieplanning, planning, financiën en voorraadcontrole. Historische systemen daarentegen slaan tijdreeksgegevens van sensors en instrumenten op voor grafische weergave, zodat operators en beheersystemen automatiseringstrends kunnen begrijpen en verwerken. Statistical process control (SPC) is één van de historische toepassingen.

Human machine interfaces (HMIs) zijn bedieningspanelen van machines (of modules die draadloos verbinding maken met mobiele apparatuur) waarmee menselijke operators gegevens kunnen bekijken en opdrachten kunnen geven. Nauw verbonden met HMI-functies zijn SCADA-systemen (SCADA = Supervisory Control and Data acquisition) die real-time controle en toezicht mogelijk maken op de interacties tussen geautomatiseerde machines en hun HMI's en historici. Met SCADA kan een HMI meerdere machines besturen en gegevens weergeven met betrekking tot meerdere apparaten.

Manufacturing execution systems (MES's) omvatten functies zoals het plannen van operaties en het verzamelen van gegevens. In sommige opzichten kan het worden gezien als tussen en overlappend met MRP en SCADA.

Enterprise resource planning (ERP) systemen integreren productiegerelateerde MRP-, MES-, product lifecycle management (PLM)- en CRM-informatiesystemen. ERP-systemen kunnen monolithische softwaresuites zijn die al deze functies afhandelen of een kern ERP-systeem dat interfaces heeft met gespecialiseerde toepassingen van meerdere verkopers. Gewoonlijk heeft alleen het topmanagement interactie met het ERP en het meeste personeel in een bepaalde organisatie heeft interactie met een van de deelsystemen die het ERP voeden.

PLC's werken gewoonlijk op een lager niveau dan deze informatiesystemen. Zij zenden en ontvangen informatie van en naar machines, motors en sensors. Zij kunnen ook in wisselwerking staan met het informatieniveau erboven, gegevens verzenden naar de historicus of de SCADA, of besturingsinputs ontvangen van de SCADA of de HMI. Meer geavanceerde PLC's kunnen ook SCADA- en historiefuncties uitvoeren en in een toenemend aantal gevallen zelfs HMI-functies.

Afbeelding 1: PLC's werken gewoonlijk op een lager niveau dan de informatiesystemen van de automatisering. (Bron afbeelding: Jody Muelaner)

PLC's zijn niet alleen betrokken bij automatisering: zij worden ook gebruikt voor de besturing van testbank- (productontwikkeling) en laboratorium-meettaken.

• Zoals hierboven beschreven, legt automatisering over het algemeen de nadruk op diagnostiek en vereist zij een deterministische real-time werking van de PLC om werkelijk doeltreffend te zijn.
• Bij PLC's die voor meettaken worden gebruikt, ligt de nadruk daarentegen meer op het snel en nauwkeurig uitvoeren van het verzamelen van metingen en andere vormen van gegevensverwerving.

Voor machineautomatiseringstaken vertrouwen PLC's op real-time verwerking waarbij de vertraging tussen een input en de responsoutput wordt gemeten in milliseconden. Een real-time operating system (RTOS) is vereist voor alle PLC-functies, behalve de eenvoudigste. Hoewel veel PLC's nog steeds gebruik maken van bedrijfseigen besturingssystemen, is er steeds meer belangstelling voor open standaard besturingssystemen. Een goed voorbeeld: VxWorks is een gepatenteerd RTOS dat op grote schaal wordt gelicentieerd voor gebruik in industriële besturing. Het wordt gebruikt door verschillende toonaangevende robotfabrikanten, waaronder Kuka en ABB. Of een open-source variant is FreeRTOS, vrij verspreid onder een MIT open-source licentie. FreeRTOS bevat verschillende internet of things (IoT) bibliotheken voor een breed scala aan geautomatiseerde toepassingen. Lees meer over deze optie in het DigiKey artikel Ontwerpen snel en veilig aansluiten op de cloud met Amazon FreeRTOS.

Voor test- en meettaken vertrouwen PLC's op real-time verwerking, waarbij de vertraging tussen de metingen van het veldapparaat en de verzameling ervan in milliseconden wordt gemeten. Voorbij zijn de dagen dat ingenieurs geen andere keuze hadden dan gebruik te maken van interface-convertors en -systemen van transferkanalen. Nu hebben slimme perifere apparaten en I/O-assemblages geavanceerde en vereenvoudigde signaalverzameling via digitale en analoge ingangen.

De ingenieurs van vandaag hebben ook meer mogelijkheden op basis van gestandaardiseerde interfaces en fabrikantoverschrijdende compatibiliteit van componenten die als interoperabele onderdelen kunnen dienen.

Denk maar aan I/O-componenten met geïntegreerde PLC-functionaliteit. Deze zijn compatibel met configureerbare HMI's met besturingssystemen onder Windows of Linux en met Ethernet-connectiviteit, maar missen eenvoudige herkalibratieopties of analoge I/O voor veldapparatuur die analoge signalen met lage spanning genereert. Dergelijke I/O-componenten werken ook met PLC's die zijn ingesteld om gegevens te verzamelen van externe I/O-apparaten en rechtstreeks van sensors via hun eigen on-board I/O.

Afbeelding 2: T7 multifunctionele data-acquisitie-apparaten (DAQ's) zijn voorzien van Ethernet-, USB-, wifi- en Modbus-connectiviteit om te kunnen werken met een breed scala aan veldapparatuur en industriële HMI's en PLC's. Met name de Modbus/TCP-connectiviteit biedt de mogelijkheid van besturing via diverse software- en hardware-opties van derden voor openheid en flexibiliteit, waardoor architecten van industriële systemen en technici op het gebied van onderzoek en ontwikkeling (O&O) een fabrikant-neutrale keuze hebben voor hun toepassingen op het gebied van gegevensverzameling en automatisering. (Bron afbeelding: LabJack)

PLC's zijn natuurlijk niet de enige optie voor machineautomatisering of test- en meettechniek. Aangezien alle industriële besturingen complexer zijn geworden, zijn sommige leveranciers bepaalde hardware gaan aanduiden als programmeerbare automatiseringscontrollers (PAC's) om aan te geven dat de mogelijkheden zijn uitgebreid en in veel gevallen met meerdere processors op één stuk hardware. In werkelijkheid zijn PLC's ook steeds geavanceerder geworden. Er is dus geen vaste regel over wanneer bepaalde hardware die PLC-functies uitvoert een PAC is. De meeste PAC's integreren PLC- en PC-aspecten om te dienen als complexe automatiseringssystemen met meerdere PC-gebaseerde toepassingen, alsmede een HMI en historicus. Een duidelijk verschil is dat PAC's gemakkelijker door ontwikkelaars kunnen worden toegepast, aangezien PAC's een meer open architectuur hebben dan traditionele controles.

Nog een andere optie zijn tegenwoordig modulaire PLC's. Deze bestaan uit modules die verschillende functies vervullen. Alle PLC's moeten een CPU-module bevatten die de processor en het geheugen voor het besturingssysteem en het programma bevat. Er kunnen een aparte voedingsmodule en extra input/outputmodules (I/O) zijn. Een PLC kan zowel digitale als analoge I/O-modules bevatten. Een andere module kan nodig zijn voor netwerkcommunicatie.

De PLC kan geïntegreerd zijn met alle modules in één behuizing of modulair. Geïntegreerde PLC's zijn compacter, maar modulaire PLC's zijn veelzijdiger. Doorgaans kunnen meerdere modules gemakkelijk op elkaar worden aangesloten, hetzij door ze rechtstreeks op elkaar aan te sluiten, hetzij door een gemeenschappelijk rek als bus te gebruiken. Modules worden geadresseerd volgens hun positie op de bus. Hoewel de fysieke ondersteuning van het rek kan voldoen aan een norm zoals DIN, is de databus gewoonlijk eigendom van de PLC-fabrikant.

De rol van PLC's in het IoT

Naarmate de belangstelling voor Industrie 4.0 (ook wel IIoT genoemd) toeneemt, verwachten industriële gebruikers steeds vaker de mogelijkheid te hebben om hun industriële controllers via internetprotocollen met bedrijfsnetwerken te verbinden. Dit betekent communicatie via het Transmission Control Protocol (TCP) en het Internet Protocol (IP) of kortweg TCP/IP. De IIoT-trend gaat echter niet alleen over het gebruik van internetprotocollen. Het gaat ook over machine learning en big data. Naarmate PLC's krachtiger worden (en meer geavanceerde besturingen PLC-functies tot een functie maken), komen er meer hostfuncties zoals vision-systemen. Dankzij internetconnectiviteit kunnen ingenieurs (via systeem-PLC's) ook gebruikmaken van cloudgebaseerde algoritmen voor de verwerking van extreem grote datasets, ook wel big data genoemd, voor machinaal leren.

In praktische toepassingen blinkt Ethernet for Control Automation Technology (EtherCAT) uit voor dergelijke IIoT PLC-functionaliteit. Dit is een op Ethernet gebaseerd communicatieprotocol dat geschikt is voor real-time besturingstoepassingen met cyclustijden van minder dan 0,1 msec, de snelste industriële Ethernet-technologie met de mogelijkheid tot synchronisatie met nanoseconde-nauwkeurigheid. Een ander belangrijk voordeel is de flexibiliteit van de EtherCAT-netwerktopologie, die zonder netwerkhubs en -switches werkt. Apparaten kunnen eenvoudigweg aan elkaar worden gekoppeld in een ring-, lijn-, ster- of boomconfiguratie. PROFINET is een concurrerende standaard met soortgelijke mogelijkheden.

Conclusie

De huidige trend naar steeds geavanceerdere gegevensverzameling en industriële controle zal zich voortzetten. Dat betekent dat PLC's voor industriële automatisering en test- en meetapparatuur steeds meer op PAC's zullen gaan lijken en integreren met SCADA en historici. Internetprotocollen en open standaarden, zoals EtherCAT, worden ook steeds meer toegepast voor PLC-communicatie. Dergelijke connectiviteit zal op haar beurt een groter gebruik van Industrie 4.0-technologieën stimuleren, zoals big data-analyse en machinaal leren, deels vergemakkelijkt door de mogelijkheid om de vereiste verwerkingskracht en het vereiste geheugen te distribueren naar:

• Cloud-based computing
• Randapparatuur die gegevens kan verwerken

Naast deze trends zal er behoefte blijven bestaan aan meer traditionele PLC's voor het uitvoeren van relatief eenvoudige test- en meet- en besturingsfuncties met een maximale betrouwbaarheid en energie-efficiëntie.