Sterowniki programowalne w zastosowaniach Przemysłu 4.0

Potrzeba opracowania urządzenia, które zastąpi drogie układy przekaźnikowe w szafach sterowniczych i pozwoli na łatwe modyfikacje logiki sterowania – w zależności od wymagań, jakie stawia przemysł – sprawiła, że w 1968 r. inżynierowie z General Motors rozpoczęli prace nad projektem pierwszego programowalnego sterownika PLC.

W tym samym czasie prężnie pracowały także cztery inne firmy: Digital Equipment Corporation, International Instruments, Bedford Associates oraz Struthers-Dunn Systems Division. W 1969 r. świat ujrzał pierwszy w historii programowalny sterownik – Modicon 084, a ojcem tego sukcesu okrzyknięto głównego projektanta Richarda Morley’a, założyciela firmy Modicon (Modular Digital Control). Ciekawostką jest, że sterownik miał tylko 4 kB pamięci, a ważył prawie 50 kg, co dziś jest trudne do wyobrażenia. Niespełna 10 lat później już spopularyzowane sterowniki, głównie w przemyśle samochodowym, zaczęły być wspierane przez rozproszone moduły I/O. W latach 90. sterowniki programowalne opanowały już większość gałęzi przemysłu, a z każdym kolejnym rokiem poszerzał się zakres możliwości ich zastosowania.

Sterowniki programowalne można podzielić według wielu kryteriów. Jednym z nich jest typ konstrukcji. W tym zakresie wyróżniamy sterowniki bez obudowy, kompaktowe, kompaktowe rozbudowywalne, modułowe oraz zintegrowane z panelem operatorskim [1]. Podział ten kształtował się przez lata dzięki pomysłowości wielu producentów, tak aby klienci mogli dostosować sterownik do typu aplikacji oraz warunków, w jakich ma pracować.

Czym jest Przemysł 4.0?

Aby dobrze zrozumieć, w którym momencie pojawiły się w przemyśle sterowniki programowalne, warto cofnąć się o kilkadziesiąt lat i zobaczyć, jakie wynalazki okazywały się wtedy najbardziej przełomowe. Pierwszym z nich był oczywiście silnik parowy, którego wynalezienie zapoczątkowało pierwszą rewolucję przemysłową w 1780 r. 
Wraz z silnikami parowymi zaczęto stosować mechaniczne krzywki. Niespełna 100 lat później silniki parowe zostały wyparte przez elektryfikację, a w fabrykach zaczęły pojawiać się pierwsze w pełni funkcjonalne linie produkcyjne. Dynamiczny rozwój przemysłu podczas tych dwóch etapów historii doprowadził do trzeciej rewolucji przemysłowej, która rozpoczęła się wraz z powstaniem pierwszego sterownika PLC. Nastąpił gwałtowny wzrost zapotrzebowania na automatyzację linii produkcyjnych oraz maszyn. Dziś często mówi się o czwartej rewolucji przemysłowej, czyli Przemyśle 4.0. Przy tak szybkim postępie technologicznym trudno jednoznacznie określić, co było przełomowym odkryciem i filarem powstania idei przemysłu czwartej generacji, natomiast został on zdominowany przez pojęcia z zakresu integracji systemów, sieci i Internetu.

Czwarta rewolucja dla sterowników PLC

Z uwagi na to, jak bardzo rozwinięty i konkurencyjny jest dziś przemysł, detale mogą stanowić o sukcesie przedsiębiorstwa i zapewniać producentom przewagę nad konkurencją. Sprawia to, że jesteśmy zasypywani przez dostawców technologiami jutra, poczynając od sensorów i aktuatorów, a kończąc na warstwie gromadzenia i analizy danych produkcyjnych. Liczba czujników stosowanych do monitorowania maszyn i linii produkcyjnych pozwala na wdrażanie predykcyjnej diagnostyki i inteligentnego monitoringu, dzięki czemu łatwiej jest eliminować awarie i niepotrzebne przestoje, co znacząco przekłada się na wyższą efektywność produkcji. Często to właśnie PLC, jako centrala sterująca i monitorująca, odpowiada za zaawansowaną diagnostykę. W dobie Przemysłu 4.0, gdzie sterownik staje się częścią sieci IIoT, do analizy danych wymagana jest możliwość integracji z rozwiązaniami chmurowymi i nie tylko. Zgromadzone dane mają wspomagać pełną automatyzację procesów również na poziomie zarządzania produkcją i przedsiębiorstwem, stąd kolejne wyzwania, czyli bezpośrednie włączanie sterowników PLC do systemów MES (systemy zarządzania produkcją) oraz ERP (systemy planowania zasobów przedsiębiorstwa).

Wirtualne PLC

Przy krótkiej historii sterowników PLC nie bez powodu wspomniano o podziale sterowników ze względu na cechy konstrukcji. Wysokie wymagania stawiane w ramach Przemysłu 4.0 oraz to, jak bardzo świat IT przenika się dziś ze światem automatyki, sprawiają, że sterownik programowalny często nie jest dobierany tylko i wyłącznie pod kątem typu oraz wielkości aplikacji, ale również mocy obliczeniowej i możliwości realizowania zadań, które wykraczają poza obszar samego sterowania czy komunikacji z systemami nadrzędnymi. Gdy zajdzie taka potrzeba, warto rozważyć sterownik wirtualny, czyli tzw. soft PLC. Jest to sterownik w postaci aplikacji, którą można zainstalować na niemal dowolnym komputerze przemysłowym. Dzięki temu pomijana jest warstwa fizyczna klasycznego sterownika i można korzystać z PLC na urządzeniu, które realizuje jednocześnie inne zadania, niekoniecznie związane ze sterowaniem. Jest to dość świeże podejście, biorąc pod uwagę to, od ilu lat sterowniki programowalne są dostępne na rynku. Jednak wielu producentów – szczególnie w branży maszynowej – podchodzi sceptycznie do tego rozwiązania.

Jak przekonać producentów, że wirtualny PLC w dobie cyfryzacji to dobre rozwiązanie? Główną jego zaletą jest elastyczność i skalowalność, gdyż standardowe sterowniki programowalne mają swoje ograniczenia z uwagi na ich budowę oraz moc obliczeniową. Sterowniki w formie aplikacji są znacznie łatwiej rekonfigurowalne w zakresie zmian w procesach produkcyjnych, szczególnie gdy mamy do czynienia z produkcją małoseryjną, gdzie zmiany te zachodzą dosyć często.

Sterowniki wirtualne są zazwyczaj łatwo integrowalne z urządzeniami brzegowymi, co umożliwia całkowite oddzielenie warstwy sprzętowej i programowej, a sam sterownik może być zarządzany jako jedna z wielu aplikacji w systemie automatyki. Gdy mowa o warstwie sprzętowej, nie sposób pominąć wynikającej z tego zalety, jaką jest redukcja kosztów względem klasycznych rozwiązań. Ma to także przełożenie na późniejsze szkolenia z zakresu programowania, np. dla działów utrzymania ruchu na potrzeby wprowadzania modyfikacji do kodu czy przyszłych modernizacji. Zazwyczaj w cenie jednego sterownika danego producenta można uzyskać dostęp do sterowników wirtualnych od kilku dostawców PLC. Często stają się one elementem z dostępem do infrastruktury IT przedsiębiorstw, stąd też łatwiej o zdalny dostęp do nich czy monitoring.

IIoT w nowoczesnych sterownikach programowalnych

Na przestrzeni lat sterowniki programowalne korzystały głównie ze sprawdzonych w przemyśle interfejsów i protokołów, co pozwalało na komunikację z wszelkiego rodzaju aktuatorami, sensorami czy innymi sterownikami. W dużej części są to rozwiązania, które opracowano nawet 50 lat temu i mimo swojej niezawodności mogą stanowić dziś ograniczenie, szczególnie przy bardziej złożonych systemach automatyki.

Zadania sterowników PLC skupiały się głównie w obrębie linii produkcyjnej bądź maszyny, często w zamkniętych, lokalnych podsieciach bez dostępu do Internetu. Obecnie, gdy mamy do czynienia z rozwiązaniami chmurowymi i nowymi trendami w obrębie IIoT, zakres zadań sterowników programowalnych znacznie się poszerzył. W jaki sposób producenci osprzętu radzą sobie z tymi wymaganiami? Jednym ze sposobów, aby wyjść naprzeciw oczekiwaniom Przemysłu 4.0 jest zacieśnienie współpracy na linii PLC – bramki/urządzenia brzegowe. Rozbudowa sterownika programowalnego o obsługę funkcji związanych z Przemysłowym Internetem Rzeczy, takimi jak konwersja protokołów, pozwala na łatwe łączenie ze sobą różnorodnych systemów i standardów. Przykładem takiego połączenia jest np. komunikacja dwóch sterowników PLC od różnych dostawców, które do komunikacji wykorzystują dwa odmienne protokoły. Bramka może być również punktem styku sterownika z zewnętrzną siecią, chroniąc przy tym sam sterownik przed niepożądanymi działaniami. Może to działać także w drugą stronę – bramka nie musi być tylko i wyłącznie pośrednikiem do przekazywania danych, ale także zapewnić dostęp do sterownika PLC z warstwy wyższej, czyli systemu ERP, MES czy SCADA. U większości producentów nie potrzeba zewnętrznego urządzenia, aby wystawić web serwer prosto z PLC [2].

Sterowniki z algorytmami sztucznej inteligencji

Sterowniki programowalne nowej generacji pozwalają nie tylko na łatwiejszą integrację z rozwiązaniami chmurowymi, ale są też znacznie bardziej „inteligentne”. Bazując na trendach w obszarze sztucznej inteligencji, producenci wprowadzają na rynek sterowniki oferujące funkcje, które wspierają proces analizy i obróbki danych w celu ich efektywnego wykorzystania. Algorytmy sztucznej inteligencji umożliwiają wykrycie anomalii w pracy maszyny bez ingerencji programisty w kod, wykorzystując do tego dane pomiarowe. Maszyny dosłownie uczą się podczas każdej kolejnej roboczogodziny, a dodatkowa baza danych na pokładzie takiego PLC umożliwia akwizycję danych zsynchronizowanych z cyklem pracy CPU, w celu poszerzania predykcyjnych funkcjonalności i nie tylko. Zebrane dane mogą także zoptymalizować parametry procesowe, w tym takie, jak redukcja zużycia energii, podniesienie efektywności procesu czy minimalizacja odpadów poprodukcyjnych.

Bezpieczeństwo sterownika w sieci

Jednym z najistotniejszych aspektów transformacji technologicznej 4.0 jest bezpieczeństwo. Dynamiczny rozwój aplikacji opartych na Internecie i technologiach bezprzewodowych powoduje, że znacznie wzrasta ryzyko naruszenia bezpieczeństwa przetwarzanych danych, aplikacji czy całych systemów. Liczba incydentów w zakresie cyberbezpieczeństwa w przemyśle z roku na rok wzrasta. Dlatego tak ważne jest, aby sterowniki programowalne spełniały normy i zalecenia w kontekście cyberbezpieczeństwa w systemach przemysłowych. Poza kwestiami związanymi z bezpieczeństwem cyfrowym istotne jest także bezpieczeństwo funkcjonalne. Na rynku są dostępne sterowniki programowalne, które oprócz aplikacji sterującej realizują też funkcjonalność na układzie bezpieczeństwa, a dzieje się to za sprawą wielordzeniowych, w pełni redundantnych procesorów.

Podsumowanie

Funkcjonalność programowalnych sterowników logicznych od zawsze skupiona była przede wszystkim w obrębie sterowania procesami. W erze czwartej rewolucji przemysłowej PLC muszą realizować znacznie więcej zadań. Wzorce otwartych środowisk i standardów ze świata IT z każdym rokiem przenikają do świata automatyki przemysłowej, otwierając producentów na kooperację. Przemysł 4.0 z pewnością ma pozytywny wpływ na ewolucję sterowników, a podane przykłady pokazują, że producenci nie stoją w miejscu i dozbrajają swój sprzęt w coraz to nowsze narzędzia do automatyzacji i cyfryzacji.

A4Bee

Bibliografia:

1. Sterowniki Programowalne, Marcin Pawlak, Politechnika Wrocławska

2. Przemysłowy Internet Rzeczy w nowoczesnych sterownikach PLC, Simon Meadmore, mikrokontroler.pl 

źródło: Automatyka 4/2024