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工业 4.0 的 PLC 改造

工业物联网 (IIoT),工业 4.0 怎么叫都可以 正在迅速进入第四次工业革命。当今工业自动化的支柱,可编程逻辑控制器 (PLC),就是为这些重大变化而诞生。

该技术最初的目的是取代不灵活的继电器—想象一下,一个巨大的、50 英尺长的机柜装满了继电器和电线,它们要一起工作才能控制一台机器。任何问题或设计变更都需要先在纸上对整个系统进行计算,再关闭机器、增加继电器、移动电线、调试和启动。1968 年,通用工程师制定了“标准机器控制器”的设计标准。Bedford Associates 公司赢得了合同,并开发了他们的新 MODICON 技术。1973 年,发布 184 模型,MODICON(模块化数字控制)成为了可编程控制器的早期领导者。

早期 PLC 旨在支持三个主要因素:可编程性、实时响应性和可靠性。非常适合早期应用,但 PLC 现在已触及瓶颈,需要重新思考。定义 PLC 编程的关键标准—IEC 61131—旨在增强实时行为和可靠性,而不是我们已经习惯的软件灵活性。

PLC 被设计为对本地输入和输出作出反应的独立设备。内部控制算法对驱动逻辑电平和模拟输出的变化做出反应,转而控制外部执行器。IEC 61131 标准以实施软件配置—程序和数据—为中心来控制 PLC 的实时操作。程序和数据配置针对每个单独的 PLC 来实施。

 

PLC 网络

随着技术的发展,PLC 借助现场总线 (IEC 61158) 的使用越来越网络化,但是 IEC 61131 的核心体系结构将网络内的每个 PLC 都视为逻辑上独立的单独配置。程序由相互连接的功能块组成,每个功能块都可以用符合 IEC 认证的语言编写。任务触发这些功能,每个任务被配置成以一种设定的方式执行——在一个循环中,连续地由时钟触发或由输入触发——支持周期性行为。 

这样的体系结构的确可提供可预测的结果,故障概率很低,但在另一方面,对于需要更高灵活性的工业自动化发展,它变得越来越累赘。IIOT 要求控制系统可以在更深层面上协作。各 PLC 不仅需要相互协作,还需要与工厂内部和外部的其他系统(例如云)更紧密地合作。

 

分布式控制

现在我们倾向于更多地使用机器级的分布式控制。因此,不同于使用一个 PLC 来控制集成了机械手和多个致动器的机器的操作,实时控制通过体系结构分配给各个子系统。允许网络中每一个 PLC 相互反应——或外部生成的事件,如客户订单最后一分钟的变更——提高响应时间和整体运行效率。

网络和分布式控制对于具有 IIOT 能力的 PLC 而言非常重要,并且需要更强大的处理器。主要要求为:

  • 执行性能
  • 能够处理安全增强协议,如事务层安全 (TLS)
  • 足够的内存容量以便处理因特网协议 (IP) 堆栈

 

数字信号处理

基于 ARM 或类似体系结构的 32 位处理器为 PLC 提供核心计算能力。通过添加数字信号处理 (DSP) 指令以使用更先进的控制算法(如卡尔曼滤波),这在当今的电机驱动系统中已司空见惯。然而,转换到完全 DSP 体系结构不一定是必需的。有些处理器添加了 DSP 指令。例如,ARM Cortex-M4 将 DSP 指令添加到通用 ARM 体系结构中,或者添加高性能 DSP 到 Analog Devices 的 Blackfin 体系结构中,以通过与 MCU 体系结构关联的通用指令增加功能。

将网络的通用处理器内核与另一个处理器结合起来,这种方法越来越普遍,它使 DSP 的一些元件能够处理实时控制任务。对于更高的性能要求,这种体系结构允许一个处理器处理网络、管理、监督和高级处理任务,另一个(或其他)处理实时 I/O 以及中断处理。

 

确定性网络

一些设备添加专用网络处理硬件,从主 32 位处理器(例如 Renesas RX600)卸载分组处理任务。EtherCAT 和其他网络技术支持先进的确定性网络,这反过来又支持实时分布式控制算法。寻找支持您需要的网络技术的设备,例如 Infineon Technologies 附带内置 EtherCAT 支持的 XMC400 MCU 系列。

与采用传统 PLC 体系结构相比,采用冗余内核可以提供更大的容错能力。例如,Infineon 的多核 AURIX MCU 系列部署 3 个处理器内核,允许 2 个同步运行。结果之间的差异可检测执行中的随机错误,并且一旦检测到,会立即检查和复现,或者在产品损坏或安全受损之前,停止系统以进行技术检查。

因为它们不再孤立工作,并且通常通过网络连接到云,所以 PLC 功能的安全对于弹性操作必不可少。在允许 PLC 加入分布式控制系统之前必须先进行身份验证,而 PLC 又需要对网络本身进行身份验证。影响操作的事务需要进行加密和身份验证,以防止黑客拦截、甚至修改。将硬件信任根嵌入到核心 PLC 硬件是一个重要要求,或者位于核心 MCU 中,或者使用专门的密码处理器和安全存储设备提供。基本上,必须确保引导映像没有被破坏,连接到 PLC 的所有设备都正常工作,启动流程才能顺利完成。

Cypress Semiconductor 的 PSoC 6 兼具集成安全性和双核嵌入式处理。ARM Cortex-M4 形式的高级处理与能够快速响应 I/O 事件的 M0+ 相结合。凭借可信的执行环境,它可以阻止黑客访问敏感固件,确保访问本地数据存储的安全。

 

小型化

分布式控制趋势就是持续小型化趋势。这必须是平衡的,以便安装和安装后维护。至少对于中期,大多数情况下,I/O 连接预计将继续是传统的螺钉接线端子块。配置 I/O 连接的能力也至关重要。可以建立一个支持普通模拟和数字 I/O 端口配置的单一 PLC 板,但是继续使用模块化 I/O 体系结构更有意义,该结构使用子板插入背板或直接安装到 PLC 主板上。

可以通过提供对热插拔或热插拔切换的支持来减少停机时间,允许 PLC 在正常工作期间暂停,同时在切换其中一个 I/O 卡期间保持对其他子系统的控制。如果需要这种功能,连接器设计需要提供容易匹配的高引脚密度子板和保留方案,使 I/O 卡不会意外分离。

 

隔离

热插拔接口设备应用于防止在切换过程中损坏电子设备。此外,需要在子板上进行隔离,当系统在运行时,提供对过电流和过电压(工业环境中经常存在的威胁)的额外保护。传统上,已使用光耦合器提供隔离,然而,基于变压器或类似高压电屏障的更新型技术可用于信号调节电子器件和外部 I/O 之间的紧凑隔离,而且 PLC 核心内部的逻辑功能和 ADC 更为精细。光电耦合器的紧凑可靠的替代品包括 Analog Devices 的 iCouTube 技术和 Silicon Labs 的 Si8xxx 系列数字隔离器。

USB 等高速接口支持 PLC 配置和外设扩展,然而,商业连接器设计可能无法承受工业环境的严酷状况。专门的连接器可以用来提供坚固性和附加功能,用于苛刻的工业环境,如 IP67 密封件。示例包括坚固的工业连接器 IX 系列—用于连接到以太网基础设施——通过 HARTING 或 Amphenol 的 MUSBR 工业级 USB-C 连接器。

最后一点也非常重要,我们必须考虑电源本身。随着我们不断减少尺寸,当今许多先进的 PLC 必须依靠对流而不是使用笨重的风扇来冷却。高集成度直流-直流转换器现在可以实现超过 90% 的效率。多相操作意味着支持各种负载条件下的高效性。这反过来又使 PLC 可以在需要时驱动高输出电流以运行机器,这也意味着它可以轻松进入节能静态模式。

总而言之,使用这些技术、子系统和组件可以轻松对 PLC 体系结构进行必要的改变,为工业自动化带来更高的坚固性、弹性和成本效益,以适应当今的工业物联网。

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DesignSpark Community Manager and all-around geek girl.

29 Mar 2017, 13:52