藉助新一代 PLC 硬體因應工業自動化挑戰

自動化若以工業物聯網 (IIoT) 為基礎，即可加快產品上市、提高生產力、增強安全性、降低成本以及提高品質。話雖如此，要達到自動化還是有不少障礙。工業 4.0 革命的一些阻礙像是難以升級的舊系統、過於保守的工程部門、封閉的系統，以及缺乏專業知識等。

儘管一些基於標準的適當技術可為連線式工廠提供骨幹，但許多舊式或「重負荷」可編程邏輯控制器 (PLC) 硬體和軟體，其功能有限。這會讓工程師難以快速為整個工廠實作升級，因而無法充分利用 IIoT 的優勢。然而，更麻煩的是，工程師冒著風險採用昂貴技術進行工廠升級，但一旦引入新技術，屆時這類升級將過時或不受支援。

我們可以從 IoT 的其他部分 (例如智慧型家庭) 汲取經驗，包含開放式系統、協作平台和可存取的軟體。這些都可以使實作前瞻性智慧型解決方案更容易。工業自動化製造商正迎接這種經驗和知識。

本文簡要探討部署 IIoT 技術上的挑戰，並說明開放式系統和工廠自動化硬體的進步如何提供解決方案。另外還介紹 Phoenix Contact 新一代 PLC 硬體與軟體的實作範例，同時說明此範例如何簡化資料收集，並將其傳送至雲端，以進行分析及自動化決策。

PLC 的重要性

PLC 是工廠的中流砥柱，是 1960 年代末期發明的數位裝置，用來取代早期的繼電器邏輯系統。PLC 可在嚴苛環境中運作多年，而不會故障。簡易性是達到高可靠性的關鍵。即便發生故障，這也是極少數的情況。PLC 的設計可進行故障排除及修復問題，以便快速恢復量產。

此單元包括一個輸入模組 (從數位和類比輸入裝置接收資料，例如鍵盤、開關、繼電器、感測器)、電源供應器、含相關記憶體的可編程 CPU 以及可向連網式裝置傳送資訊的輸出模組 (圖 1)。

圖 1：PLC 可靠耐用，是工廠自動化的骨幹。(圖片來源：Phoenix Contact)

傳統 PLC 使用 IEC 61131-3 定義的五種語言之一進行程式編程。這五種語言包括指令表 (IL)、符號流程圖 (SFC)、階梯圖 (LD)、功能區塊圖 (FBD) 和結構式文件編程語言 (ST)。最常用的是階梯圖 (LD)。這種語言使用符號來表示繼電器、移位暫存器、計數器、計時器、數學運算等功能。符號乃根據所需的事件順序排列。

透過實作工業乙太網路，達成工廠自動化目標，而 PLC 製造商正快速追隨此進展。工業乙太網路具有 IP 互通性，是使用最廣泛的有線網路選項，並且擁有廣泛的供應商支援。工業乙太網路以堅固耐用的硬體和工業標準軟體著稱，是經過實證且成熟的工廠自動化技術 (圖 2)。在工業乙太網路協定 (包括乙太網路/IP、Modbus TCP 和 PROFINET) 的輔助下，此硬體如虎添翼。上述每一種網路均可確保工業自動化應用達到高度確定性。(請參閱《使用工業乙太網路架構電源和資料網路，設計耐用的物聯網應用》。)

圖 2：工業乙太網路構成現代工廠通訊骨幹。(圖片來源：Phoenix Contact)

現今許多 PLC 有內建乙太網路連線能力。對於具有非乙太網路介面的傳統裝置，乙太網路基礎設施和 PLC 之間的鴻溝，可由閘道器來橋接。(請參閱《如何在不中斷的情況下將傳統工廠自動化系統連結工業 4.0》。)

新一代 PLC

若工廠混合使用現代和傳統系統，則可能會使工程師難以充分利用工業 4.0 所允諾的全部優勢。然而，從 IoT 的其他部分 (例如智慧型家庭和物流領域) 所汲取的經驗得知，藉助開放式系統、協作平台和可存取的標準型軟體，可以更輕鬆實作前瞻性智慧型解決方案。

從其他領域獲得的知識，讓 PLC 和相關系統製造商更願意引入新一代產品。這些產品的運作方式與傳統 PLC 類似，而不會受傳統硬體和軟體的限制。Phoenix Contact 的 PLCnext Control 技術就是這新一代產品的典型範例。

從軟體的角度來看，Phoenix Contact 的 1069208 PLCnext 控制器產品，代表跨向開放式解決方案的一大步，而這類方案開始主導 IoT 其他領域的發展。例如，PLCnext 與多種軟體相容，因此可以輕鬆地從網際網路下載創新的工廠自動化應用程式，並將其安裝在 PLC 上，就像智慧型手機應用程式一樣。

PLCnext 使用 Linux 作業系統 (OS)。本產品仍可使用 IEC 61131-3 定義的語言進行編程，但 Linux 讓工程師得以輕鬆使用高階語言 C++、C#、Java、Python、Simulink，對 PLC 進行編程。這些簡單易用的語言，使更多的工程師團隊能夠採用現代工廠自動化。此外，PLCnext 還具備工作處理功能，讓不同來源的程式常式能夠作為傳統 PLC 程式碼執行，而高階語言程序會自動成為確定性語言 (圖 3)。

圖 3：PLCnext 具備工作處理功能，讓不同來源的程式常式能夠作為傳統 PLC 程式碼執行。(圖片來源：Phoenix Contact)

工業乙太網路硬體可提供連線能力；控制系統則是以 IP 可互通 PROFINET 協定執行，並使用 PROFICLOUD IoT 平台支援雲端運算。PLC 還支援其他開放標準協定，如 http、https、FTP、SNTP、SNMP、SMTP、SQL、MySQL、DCP。

此硬體採用執行頻率為 1.3 GHz 的 Intel Atom 微處理器。PLC 具有 1 GB 的快閃記憶體和 2048 MB 的 RAM。IEC 61131 執行階段系統具有 12 MB 的程式記憶體和 32 MB 的程式資料儲存空間。此單元可支援多達 63 個本機匯流排元件，且需要 24 V 電源，最大電流消耗量為 504 mA (圖 4)。

圖 4：PLCnext PLC 使用 Linux 作業系統，並支援 IEC 61131-3 定義的傳統語言以及高階語言。(圖片來源：Phoenix Contact)

Phoenix Contact 的 PLCnext 系列包括 PLC 和工業自動化系統的其他關鍵元件，例如通訊模組和網管型交換器。其中的特定範例產品為 2403115 通訊模組和 2702981 網管型網路位址轉譯 (NAT) 交換器。通訊模組為 PLC 額外增加一個可支援 Gigabit 的工業乙太網路介面。此模組具有獨立的 MAC 位址，可提供 PROFINET 支援，且包括乙太網路介面與邏輯之間的電氣隔離功能。

網管型交換器用於儲存並轉送乙太網路傳輸的資訊，且具有四個乙太網路 RJ45 連接埠、兩個小型插入式 (SFP) 連接埠，和兩個組合式連接埠 (RJ45/SFP)。此交換器是 PROFINET 合規 Class B 產品。

改善工廠的決策過程

製造需要確保精密性和結果重現性，因此需重視工廠生產最佳化。確保高精密性和結果重現性的關鍵在於製程控制。在現代工廠中，IIoT 感測器和攝影機可以監測機器並測量元件成品，藉此發現產品中的任何微小偏異，並對應修正製程。其他感測器可以追蹤機器的健康狀況，以便在老舊的機器開始故障前，就能預測維護需求。還有更多的感測器可以追蹤工廠的溫度、濕度、空氣品質。

與傳統 PLC 不同，PLCnext Control 的主要特點之一是可以運用這些工廠資料。Phoenix Contact 表示，只需將 PLC 連接到 3% 至 5% 的系統類比和數位輸入和輸出 (I/O)，就足以全面對應至製造流程，而無需大量介入。

然後，PLCnext Control 可以連接到任何雲端服務，包括 Phoenix Contact 的 Proficloud.io、Amazon 的 AWS 或 Microsoft 的 Azure。工廠系統可以藉此存取強大的運算資源，以確保作業管理和維護流程能盡可能以高效率執行。如此便能達到更高的生產率、更佳的產品品質，以及更低的成本。

PLCnext 使用入門

使用 PLCnext 控制器和相關單元相對簡單。Phoenix Contact 推出的 1188165 PLCnext 技術入門套件，可協助啟動 PLC 程式編程專案。此套件包括一個 2404267 PLCnext 控制模組 (PLC)、一個模組載板以及選配的類比或數位模組。

使用入門套件，首先必須將 PLC 和類比／數位模組單元接上 24 VDC 電源。接著在 PLC 和 PC 之間連接乙太網路纜線，並設定 PC 的 IP 位址。然後將 PLC 的 IP 位址輸入 PC 上瀏覽器的視窗中。使用者以其使用者名稱和密碼登入後，PLC 將開始運作。由 Web 式管理系統提供進一步說明。使用 PLCnext Engineer 軟體完成 PLC 的程式編程。本軟體能讓工程師設定、診斷整個自動化解決方案，並將其視覺化。

PLCnext Engineer 可以使用 IEC 61131-3 定義的傳統語言進行編程和設定。若使用 C++ 和 C# 等高階語言，程式編程將更輕鬆。除了 PLCnext Engineer，還可以將程式碼內建於其他常用的整合式開發環境 (IDE) 中，其中包括 Eclipse 或 Microsoft Visual Studio。然後，軟體可以作為程式庫匯入 PLCnext Engineer 中，以便與任何相容的 PLC 配合使用 (圖 5)。

圖 5：PLCnext PLC 可以使用 PLCnext Engineer 的傳統語言、IDE 的高階語言或模型式設計系統來進行編程。(圖片來源：Phoenix Contact)

PLCnext 技術的主要優勢之一在於可允許數位開發人員在單一 PLC 程式上獨立且同步工作，即使使用的程式語言不同，也沒有問題。有了這項優勢，便可以快速完成複雜應用程式的開發，同時還允許具備傳統語言技能以及高階語言技能的開發人員，能夠攜手合作，貢獻一己之力。

結論

IIoT 有望改變工廠。然而，工程師在安裝工業乙太網路時，傳統 PLC 會妨礙工廠自動化發揮全部潛力，因為這類 PLC 提供的連線能力有限，而且軟體已然過時。Phoenix Contact 的 PLCnext 技術乃是以開放式系統、協作平台和可存取的軟體作為基礎。此技術可將以傳統語言編程的常式與以高階語言編程的常式相互結合，使未來的解決方案得以利用工業自動化的好處，進而提高生產力、良率和產品品質，以及降低成本。