利用新一代 PLC 硬件应对工业自动化挑战

作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美编辑

建立在工业物联网 (IIoT) 基础上的自动化有望加快产品上市速度、提高生产率、增强安全性、降低成本和提高质量。尽管如此，但仍然存在诸多障碍。难以升级的旧系统、过于保守的工程部门、封闭的系统以及专业知识的匮乏，都是阻碍工业 4.0 革命的问题。

虽然基于标准的适用技术为互联工厂提供了支柱，但许多传统或“主力”可编程逻辑控制器 (PLC) 硬件和软件的功能有限。这给工程师带来了挑战，使他们很难在整个工厂范围内快速实施所需的升级，以充分利用 IIoT 的优势。更复杂的是，工程师可能会冒险投入大量资金来升级工厂技术，而随着新技术的引入，这些技术可能会过时或不受支持。

我们可以从物联网的其他应用中吸取经验教训，例如在智能家居应用中，利用开放系统、协作平台和可访问软件，更轻松地实施面向未来的智能解决方案。工业自动化制造商正在积极运用这些经验和知识。

本文简要讨论了部署 IIoT 技术所面临的挑战，并介绍了开放系统和工厂自动化硬件的进步如何提供解决方案。文中介绍了 [Phoenix Contact] 下一代 PLC 硬件和软件的实施示例，并展示了它如何简化数据收集工作，并将数据发送到云端进行分析和做出自动化决策。

PLC 的重要性

工厂的核心是 PLC，这是 20 世纪 60 年代末发明的一种数字器件，用于取代早期的继电器逻辑系统。PLC 可在恶劣环境下工作多年而不会出现故障。这种可靠性的关键在于注重简单性。在发生故障的罕见情况下，PLC 可以排除故障并解决问题，从而迅速恢复批量生产。

这些设备包括输入模块（接收来自键盘、开关、继电器和传感器等数字和模拟输入器件的数据）、电源、带关联存储器的可编程 CPU 以及向相连器件发送信息的输出模块（图 1）。

图 1：稳定可靠的 PLC 是工厂自动化的支柱。（图片来源：Phoenix Contact）

传统 PLC 使用 IEC 61131-3 规定的五种语言之一进行编程。这五种语言包括指令表 (IL)、符号化流程图 (SFC)、梯形图 (LD)、功能区块图 (FBD) 和结构化文本 (ST)。最常用的是 LD，也称为梯形逻辑，它使用符号来表示继电器、移位寄存器、计数器、定时器和数学运算等功能。符号按照所需的事件顺序排列。

PLC 制造商正在迅速适应通过实施工业以太网在工厂自动化方面取得的进步。工业以太网具有 IP 互操作性，是应用最广泛的有线网络方案，得到了供应商的广泛支持。工业以太网的特点是硬件坚固耐用，软件符合工业标准，这使之成为一项成熟的工厂自动化技术（图 2）。以太网/IP、Modbus TCP 和 PROFINET 等工业太网协议则是硬件的辅助。每个协议都旨在确保工业自动化应用的高确定性。（请参阅“[ 使用基于工业以太网的电源和数据网络设计坚固耐用的物联网应用 ]”。）

今天的许多 PLC 都内置以太网连接功能。对于采用非以太网接口的传统设备，以太网基础设施与 PLC 之间的鸿沟由网关弥合。（请参阅“[ 如何在不停工的情况下将传统工厂自动化系统与工业 4.0 相连接 ]”。）

新一代 PLC

如果工厂混合使用现代系统和传统系统，工程师就很难充分利用工业 4.0 带来的全部好处。不过，我们可以从物联网的其他应用中吸取经验教训，例如在智能家居和物流行业中，利用开放系统、协作平台和基于标准的可访问软件，更轻松地实施面向未来的智能解决方案。

从这些其他行业获得的知识促使 PLC 和相关系统的制造商推出新一代产品，这些产品可以像传统 PLC 一样运行，而不受传统硬件和软件的限制。Phoenix Contact 的 PLCnext Control 技术就是新一代产品的典范。

从软件的角度来看，像 Phoenix Contact [1069208]PLCnext 控制器这样的产品代表了向开放解决方案迈出的重要一步，而此类解决方案正开始主导物联网的其他领域。例如，PLCnext 与各种软件兼容，因此可从互联网上轻松下载创新的工厂自动化应用程序并安装到 PLC 上，就像智能手机上的应用程序一样。

PLCnext 使用 Linux 操作系统 (OS)。该控制器仍可使用 IEC 61131-3 规定的语言进行编程，但借助 Linux，工程师可轻松使用 C++、C#、Java、Python 和 Simulink 等高级语言对 PLC 进行编程。这些简单易用的语言使更多工程师能够使用现代工厂自动化技术。此外，PLCnext 还具有任务处理功能，可将不同来源的程序例程作为传统 PLC 代码运行，并使高级语言程序自动成为确定性程序（图 3）。

图 3：PLCnext 具有任务处理功能，可将不同来源的程序例程作为传统 PLC 代码运行。（图片来源：Phoenix Contact）

连接性通过工业以太网硬件实现；控制系统在具有 IP 互操作性的 PROFINET 协议下运行，并使用 PROFICLOUD 物联网平台提供云计算支持。该 PLC 还支持其他开放标准协议，如 http、https、FTP、SNTP、SNMP、SMTP、SQL、MySQL 和 DCP。

硬件基于运行频率为 1.3 GHz 的 Intel Atom 微处理器。这款 PLC 配备 1 GB 闪存和 2048 MB RAM。IEC 61131 运行时系统具有 12 MB 程序存储器和 32 MB 程序数据存储空间。该设备最多可支持 63 个本地总线器件，需要 24 V 电源，最大电流消耗为 504 mA（图 4）。

图 4：PLCnext PLC 使用 Linux 操作系统，支持 IEC 61131-3 规定的传统语言和更高级的语言。（图片来源：Phoenix Contact）

Phoenix Contact 的 PLCnext 系列包括 PLC 和工业自动化系统的其他关键元件，例如通信模块和管理型交换机。具体示例包括 [2403115]通信模块和 [2702981] 管理型网络地址转换 (NAT) 交换机。通信模块为 PLC 增添了一个额外的千兆工业以太网接口。该模块具有独立的 MAC 地址，支持 PROFINET，可在以太网接口与逻辑之间实现电气隔离。

管理型交换机用于存储和转发以太网传输的信息，具有四个以太网 RJ45 端口、两个小型可插拔 (SFP) 端口和两个组合端口 (RJ45/SFP)。该交换机符合 PROFINET B 类标准。

提高工厂的决策能力

优化工厂生产至关重要，因为制造业要求精度和可重复性。确保高精度和可重复性的关键在于过程控制。在现代工厂中，物联网传感器和摄像头可以监视机器并测量成品元器件，从而发现产品中的任何细微偏差，并相应地纠正过程。而有些传感器则可跟踪记录机器的健康状况，在磨损的机器出现故障之前预测维护需求。还有些传感器可跟踪记录工厂的温度、湿度和空气质量。

与传统 PLC 不同，PLCnext Control 的一个主要特点是其可以利用这些工厂数据。根据 Phoenix Contact 的说法，只需将 PLC 连接到 3% 至 5% 的系统模拟和数字输入输出 (I/O)，就足以使 PLC 全面映射制造过程，而无需大量干预。

然后，PLCnext Control 可以连接到任何云服务，包括 Phoenix Contact 的 Proficloud.io、Amazon 的 AWS 和 Microsoft 的 Azure。因此，工厂系统可以使用强大的计算资源，确保运营管理和维护过程尽可能高效地运行，从而提高生产率，改进产品质量并降低成本。

PLCnext 入门

使用 PLCnext 控制器和相关设备相对简单。为了协助启动 PLC 编程项目，Phoenix Contact 推出了 [1188165] PLCnext 技术入门套件。该套件包括 [2404267]PLCnext 控制模块 (PLC)、模块托架，以及模拟或数字模块选项。

要使用该入门套件，必须先将 PLC 和模拟/数字模块设备连接到 24 VDC 电源。接着，在 PLC 与 PC 之间连接以太网电缆，并设置 PLC 的 IP 地址。然后，在 PC 的浏览器窗口中输入 PLC 的 IP 地址。用户使用用户名和密码登录后，PLC 即可运行。基于 Web 的管理系统会提供进一步说明。PLC 的编程使用 [PLCnext Engineer]软件完成。通过该软件，工程师可对整个自动化解决方案进行配置、诊断和可视化。

PLCnext Engineer 支持使用 IEC 61131-3 规定的传统语言进行编程和配置。使用 C++ 和 C# 等高级语言进行编程也很简单。除 PLCnext Engineer 外，还可在 Eclipse 或 Microsoft Visual Studio 等其他热门的集成开发环境 (IDE) 中构建代码。随后即可将该软件作为库导入 PLCnext Engineer，以与任何兼容的 PLC 配合使用（图 5）。

[]图 5：PLCnext PLC 可在 PLCnext Engineer 中使用传统语言、在 IDE 中使用高级语言或在基于模型的设计系统中进行编程。（图片来源：Phoenix Contact）

PLCnext 技术的一个主要优势是，可让多名开发人员在一个 PLC 程序上独立并行工作，即使他们使用不同的编程语言。这样就能快速开发复杂的应用程序，并使掌握传统语言技能和高级语言技能的开发人员都可各展所长。

总结

IIoT 有望改变工厂。然而，尽管工程师安装了工业以太网，传统 PLC 有限的连接性和过时的软件也会阻碍工厂自动化充分发挥潜能。Phoenix Contact 的 PLCnext 技术基于开放系统、协作平台和可访问软件。该技术可将使用传统语言编码的例程与使用高级语言编写的例程相结合，为工业自动化提供面向未来的解决方案，从而提高生产率、增加产量、改进产品质量并降低成本。