工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和PLC：共存而非對(duì)立

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)旨在重新設(shè)計(jì)機(jī)器，重組流程，并利用大數(shù)據(jù)力量來(lái)提升生產(chǎn)率和盈利能力。有些人認(rèn)為，我們熟悉的架構(gòu)和器件可能會(huì)被淘汰，例如可編程邏輯控制器 (PLC)。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，數(shù)據(jù)收集的爆炸式增長(zhǎng)將促使我們使用數(shù)量更多、體積更小的器件，例如可以部署在工廠任何地方的微型或 nano PLC。

大數(shù)據(jù)；新概念？

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是收集大量的流程和設(shè)備數(shù)據(jù)，并在云中進(jìn)入深度分析。目標(biāo)是增強(qiáng)流程的再優(yōu)化和重組，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)，例如減少浪費(fèi)和更快地響應(yīng)客戶需求。第四次工業(yè)革命（工業(yè) 4.0）工廠將在整個(gè)設(shè)備和工作區(qū)部署成千上萬(wàn)的傳感器，用于報(bào)告各類數(shù)據(jù)，例如電機(jī)電流和振動(dòng)、周邊溫度和濕度、最終產(chǎn)品測(cè)試和檢測(cè)結(jié)果、序列號(hào)、批次號(hào)和時(shí)間戳。

工業(yè) 4.0 的成功需要通過(guò)成千上萬(wàn)的數(shù)據(jù)通道高效地將數(shù)據(jù)收集到云中，進(jìn)行存儲(chǔ)、優(yōu)先級(jí)排序、分組和分析，最終轉(zhuǎn)換為傳遞到機(jī)器的改進(jìn)指令和驅(qū)動(dòng)智能業(yè)務(wù)決策的信息。迄今為止，在傳統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域，諸如可編程邏輯控制器 (PLC) 之前類現(xiàn)有器件主導(dǎo)著數(shù)據(jù)的收集、處理和控制，但機(jī)器、控制系統(tǒng)、工廠通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)將發(fā)生重大變化，這可能會(huì)對(duì)這些現(xiàn)有器件構(gòu)成威脅。

用戶希望收集更多數(shù)據(jù)，來(lái)提高制造產(chǎn)出率以及協(xié)助業(yè)務(wù)決策，這種愿望在工業(yè) 4.0 之前便已存在。遠(yuǎn)在云技術(shù)問(wèn)世之前，企業(yè)就希望從設(shè)備收集更多數(shù)據(jù)，在工廠車(chē)間與后臺(tái)分析系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)交換。工業(yè) PC (IPC) 就是旨在實(shí)現(xiàn)“基于 PC 的自動(dòng)化”而涌現(xiàn)出來(lái)的概念之一，其優(yōu)點(diǎn)在于支持決策者在企業(yè)局域網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。但是，PLC 仍然保留著長(zhǎng)生命周期和高可靠性等幾大優(yōu)點(diǎn)，它還在不斷演進(jìn)，通過(guò)增加處理能力、提供額外功能和采用基于 PC 的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)滿足市場(chǎng)需求。

對(duì)立

在下一個(gè)工業(yè)時(shí)代的工廠中，隨著傳感器和其他數(shù)據(jù)收集活動(dòng)的迅猛增長(zhǎng)，現(xiàn)有 PLC 的功能可能無(wú)法滿足需求。有人建議使用輕量級(jí)協(xié)議，例如 MQTT（消息排隊(duì)遙測(cè)傳輸），將傳感器數(shù)據(jù)直接收集到云。在當(dāng)今存在大量數(shù)據(jù)的制造環(huán)境中，這種做法的主要優(yōu)點(diǎn)在于 MQTT 能夠繞過(guò)大量不會(huì)發(fā)生更改的數(shù)據(jù)，而在使用傳統(tǒng)的輪詢/響應(yīng)協(xié)議時(shí)，大量的此類數(shù)據(jù)可能會(huì)阻塞網(wǎng)絡(luò)。使用 MQTT 協(xié)議的發(fā)布/訂閱模式，智能傳感器僅向已配置用來(lái)接收數(shù)據(jù)的設(shè)備發(fā)布新數(shù)據(jù)。已知一些重要的消費(fèi)類物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和社交平臺(tái)正在利用該協(xié)議的低帶寬需求、低延遲和低功耗優(yōu)勢(shì)。MQTT 非常適合在控制系統(tǒng)中使用，MQTT 模塊能夠提供一條將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)直接發(fā)送至云的路線。這是一種切實(shí)可行的數(shù)據(jù)處理方式，能夠處理分布在整個(gè)互聯(lián)工廠中的大量傳感器生成的數(shù)據(jù)。

共存

另一方面，傳統(tǒng)的集中式 PLC 可以被多個(gè)小型 PLC 取代，這些小型 PLC 放置在距離它們要監(jiān)控的傳感器和要控制的機(jī)構(gòu)更近的位置。完成此類任務(wù)的微型或 nano PLC 正不斷出現(xiàn)，它們?cè)O(shè)計(jì)成作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一部分來(lái)進(jìn)行通信，能夠以小型封裝提供 I/O 通道并具有模塊化擴(kuò)展選擇。

Crouzet 正是因應(yīng)這一機(jī)會(huì)而推出其 em4 系列 nano PLC（如 em4 Ethernet）。em4 的尺寸為 124.6 x 90 mm，提供模擬和數(shù)字 IO 以及繼電器輸出選擇。它們還提供數(shù)字和模擬 I/O 擴(kuò)展模塊，能夠靈活地適應(yīng)大型或小型安裝需要。該系列產(chǎn)品可從本地網(wǎng)絡(luò)上的任何位置進(jìn)行編程或調(diào)試，還可按需求連接到互聯(lián)網(wǎng)，而無(wú)需其他模塊（圖 1）。作為從傳感器收集數(shù)據(jù)的一種便利方式，em4 可通過(guò)電子郵件或 FTP 發(fā)送簡(jiǎn)單的定時(shí)數(shù)據(jù)日志，或在應(yīng)用的控制下發(fā)送電子郵件報(bào)警。它可與網(wǎng)絡(luò)上最多 16 個(gè)其他設(shè)備通信，自動(dòng)檢測(cè)最多 8 個(gè)互連 em4 裝置。18 x 4 黑白顯示屏和 6 按鈕鍵盤(pán)提供了從前面板直接管理 PLC 的選擇。

圖 1：em4 Ethernet nano PLC 可以輕松連接到局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上的其他設(shè)備。

Panasonic 推出了一款高空間利用率的超緊湊型 PLC，適合用于分布式監(jiān)視和控制，或者實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化。FP0R 系列高 90 mm，寬 25 mm，提供 I/O，包括實(shí)現(xiàn)多軸電機(jī)控制的脈沖輸出。可以添加最多 3 個(gè)擴(kuò)展模塊。內(nèi)置 FeRAM 提供自動(dòng)化無(wú)電池?cái)?shù)據(jù)備份，讓設(shè)備能夠在斷電時(shí)不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。該 PLC 能夠通過(guò)連接到以太網(wǎng)的 PLC-Link 與最多 16 個(gè)類似器件共享信息，而 PLC-Link 又通過(guò) FP Web Server 2 模塊與以太網(wǎng)連接。其他電機(jī)控制功能包括計(jì)數(shù)器和 PWM 輸出?？墒褂贸Ｒ?jiàn)協(xié)議進(jìn)行連接的 CC_LINK 和 IO/LINK 模塊為聯(lián)網(wǎng)和傳感器監(jiān)視帶來(lái)了額外靈活性。Crouzet em4 和 Panasonic FPOR 使用制造商的標(biāo)準(zhǔn)編程軟件進(jìn)行編程。

Maxim Integrated 也擁有一個(gè)微型 PLC 平臺(tái)，在比傳統(tǒng) PLC 更小的空間中實(shí)現(xiàn)了更高的性能（圖 2）。像 MAXREFDES60 0 - 10 伏特模擬輸出模塊這樣的微型 PLC 數(shù)字和模擬 IO 模塊，可以放置到信用卡大小的空間中。由于此類產(chǎn)品外形小巧，因此開(kāi)發(fā)人員能夠在僅為標(biāo)準(zhǔn) PLC 的 10% 的空間內(nèi)，以一半的功耗，提供相同的連接。另外還有一些其他可用的微型 PLC 模塊，包括 4 通道模擬輸入模塊、8 通道數(shù)字輸入和輸出模塊和 RS-485 通信卡。所有這些模塊都帶有 C 示例源代碼和測(cè)試數(shù)據(jù)，以幫助加快實(shí)現(xiàn)針對(duì)工業(yè) 4.0 的下一代緊湊型 PLC。

圖 2：Maxim Integrated Micro PLC 是一款緊湊型模塊化平臺(tái)，為用戶提供了一系列信用卡大小的 I/O 板選擇。

總結(jié)

在工業(yè)自動(dòng)化的整個(gè)發(fā)展歷程中，PLC 一直在不斷演進(jìn)，為流程和設(shè)備的監(jiān)視與控制提供了可靠而穩(wěn)健的方式。通過(guò)對(duì)市場(chǎng)需求及新型連接和通信標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)，PLC 在工業(yè)設(shè)備和工廠設(shè)計(jì)人員中得到了廣泛運(yùn)用。最新的微型和 nano PLC 將會(huì)鞏固 PLC 在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域和作為工業(yè) 4.0 核心的地位。