作者：Steven Keeping

　　基于工業物聯網 (IIoT) 的自動化有望加快上市時間、提高生產率、提高安全性、降低成本和提高質量。也就是說，仍然存在障礙。難以升級的遺留系統、過于保守的工程部門、封閉的系統以及缺乏專業知識是阻礙工業4.0革命的一些問題。

　　雖然合適的基于標準的技術為互聯工廠提供了支柱，但許多傳統或“主力”可編程邏輯控制器 (PLC) 硬件和軟件的功能有限。這使得工程師很難快速實施工廠范圍內的升級，以充分利用工業物聯網。讓事情變得更加復雜的是，工程師們冒著將昂貴的工廠升級基于技術的風險，而隨著新技術的引入，這些技術可能會過時或不受支持。

　　可以從物聯網的其他部分吸取經驗教訓，例如智能家居，其中開放系統、協作平臺和可訪問的軟件使實施面向未來的智能解決方案變得更加容易。工業自動化制造商正在利用這些經驗和知識。

　　本文簡要討論了部署 IIoT 技術的挑戰，并解釋了開放系統和工廠自動化硬件的進步如何提供解決方案。本文介紹了Phoenix Contact的下一代 PLC 硬件和軟件的示例實現，并展示了它如何簡化數據收集并將其發送到云端進行分析和自動決策。

　　PLC的重要性

　　工廠的支柱是 PLC，這是一種 20 世紀 60 年代末發明的數字設備，用于取代早期的繼電器邏輯系統。 PLC 設計用于在惡劣的環境中工作多年而不會出現故障。這種可靠性的關鍵是注重簡單性。在極少數情況下出現故障時，PLC 旨在排除故障并修復問題，以便快速恢復批量生產。

　　這些單元包括一個輸入模塊(從鍵盤、開關、繼電器和傳感器等數字和模擬輸入設備接收數據)、電源、帶有相關存儲器的可編程 CPU 以及用于向連接設備發送信息的輸出模塊(圖1)。

　　圖 1：PLC 堅固可靠，是工廠自動化的支柱。 (圖片來源：菲尼克斯電氣)

　　傳統 PLC 使用 IEC 61131-3 定義的五種語言之一進行編程。其中包括指令表 (IL)、符號流程圖 (SFC)、梯形圖 (LD)、功能塊圖 (FBD) 和結構化文本 (ST)。最流行的是 LD(梯形邏輯)，它使用符號來表示繼電器、移位寄存器、計數器、定時器和數學運算等功能。符號根據所需的事件順序排列。

　　PLC 制造商正在迅速適應通過實施工業以太網而取得的工廠自動化進步。工業以太網具有 IP 互操作性，是使用最廣泛的有線網絡選項，并擁有廣泛的供應商支持。工業以太網的特點是堅固耐用的硬件和工業標準軟件，是一種經過驗證且成熟的工廠自動化技術(圖2)。該硬件還配有工業以太網協議，包括以太網/IP、Modbus TCP 和 PROFINET。每一個都旨在確保工業自動化應用的高水平確定性。 (請參閱“使用基于工業以太網的電源和數據網絡設計堅固的物聯網應用”。)

　　圖 2：工業以太網構成了現代工廠的通信主干。 (圖片來源：菲尼克斯電氣)

　　當今的許多 PLC 都提供內置以太網連接。對于具有非以太網接口的傳統設備，以太網基礎設施和 PLC 之間的鴻溝通過網關來彌合。 (請參閱“如何將傳統工廠自動化系統不間斷地連接到工業 4.0 ”。)

　　下一代 PLC

　　混合使用現代和傳統系統的工廠可能會讓工程師難以充分利用工業 4.0 所承諾的全部優勢。然而，物聯網其他部分(例如智能家居和物流行業)的經驗教訓表明，開放系統、協作平臺和可訪問的基于標準的軟件可以更輕松地實施面向未來的智能解決方案。

　　從這些其他領域獲得的知識鼓勵 PLC 和相關系統制造商推出新一代產品，這些產品的運行方式與傳統 PLC 類似，而不受傳統硬件和軟件的限制。菲尼克斯電氣的 PLCnext 控制技術就是新一代的一個例子。

　　從軟件角度來看，Phoenix Contact 1069208 PLCnext 控制器等產品代表了向開放式解決方案邁出的重大一步，該解決方案已開始主導物聯網的其他領域。例如，PLCnext 與多種軟件兼容，因此創新的工廠自動化應用程序可以輕松地從互聯網下載并安裝在 PLC 上，就像智能手機上的應用程序一樣。

　　PLCnext 使用 Linux 操作系統 (OS)。它仍然可以使用 IEC 61131-3 定義的語言進行編程，但 Linux 使工程師可以輕松使用高級語言 C++、C#、Java、Python 和 Simulink 對 PLC 進行編程。這些簡單易用的語言使更廣泛的工程師群體可以使用現代工廠自動化。此外，PLCnext 還具有任務處理功能，使來自不同來源的程序例程能夠作為傳統 PLC 代碼運行，高級語言程序自動變得確定性(圖 3)。

　　圖 3：PLCnext 具有任務處理功能，使來自不同來源的程序例程能夠作為傳統 PLC 代碼運行。 (圖片來源：菲尼克斯電氣)

　　通過工業以太網硬件進行連接;控制系統運行在IP可互操作的PROFINET協議下，并使用PROFICLOUD物聯網平臺進行云計算支持。 PLC還支持其他開放標準協議，例如http、https、FTP、SNTP、SNMP、SMTP、SQL、MySQL和DCP。

　　該硬件基于運行速度為 1.3 GHz 的 Intel Atom 微處理器。 PLC 具有 1 GB 閃存和 2048 MB RAM。 IEC 61131 運行時系統具有 12 MB 程序存儲器和 32 MB 程序數據存儲。該裝置最多可支持 63 個本地總線設備，需要 24 伏電源，最大電流消耗為 504 毫安 (mA)(圖 4)。

　　圖 4：PLCnext PLC 使用 Linux 操作系統并支持 IEC 61131-3 定義的傳統語言以及更高級的語言。 (圖片來源：菲尼克斯電氣)

　　Phoenix Contact 的 PLCnext 系列包括 PLC 和工業自動化系統的其他關鍵元件，例如通信模塊和管理型交換機。具體示例包括2403115通信模塊和2702981托管網絡地址轉換 (NAT) 交換機。通信模塊為 PLC 添加了額外的千兆位工業以太網接口。該模塊具有獨立的 MAC 地址，提供 PROFINET 支持，并包括以太網接口和邏輯之間的電氣隔離。

　　該管理型交換機用于存儲和轉發以太網傳輸的信息，具有四個以太網 RJ45 端口、兩個小型可插拔 (SFP) 端口和兩個組合端口 (RJ45/SFP)。該交換機是 PROFINET 一致性 B 類產品。

　　改善工廠決策

　　工廠生產的優化至關重要，因為制造需要精度和可重復性。確保高精度和可重復性的關鍵是過程控制。在現代工廠中，工業物聯網傳感器和攝像頭可以監控機器并測量成品組件，以發現產品中的任何微小偏差并相應地糾正流程。其他傳感器會跟蹤機器的健康狀況，以便在磨損的機器開始出現故障之前預測維護需求。更多的傳感器可以跟蹤工廠的溫度、濕度和空氣質量。

　　PLCnext Control 的一個關鍵功能是，與傳統 PLC 不同，它可以利用工廠數據。據 Phoenix Contact 稱，只需將 PLC 連接到系統 3% 到 5% 的模擬和數字輸入和輸出 (I/O)，即可全面繪制制造流程，無需大量干預。

　　然后，PLCnext Control 可以連接到任何云服務，包括 Phoenix Contact 的 Proficloud.io、Amazon 的 AWS 或 Microsoft 的 Azure。因此，工廠系統可以獲得強大的計算資源，以確保運營管理和維護流程盡可能高效地運行。其結果是更高的生產率、更好的產品質量和更低的成本。

　　PLCnext 入門

　　使用 PLCnext 控制器和相關單元相對簡單。為了幫助啟動 PLC 編程項目，菲尼克斯電氣推出了1188165 PLCnext 技術入門套件。該套件包括2404267 PLCnext 控制模塊 (PLC)、模塊載體以及模擬或數字模塊選擇。

　　要使用入門套件，必須首先將 PLC 和模擬/數字模塊單元連接到 24 伏直流 (VDC) 電源。接下來，在 PLC 和 PC 之間連接以太網電纜，并設置 PC 的 IP 地址。然后，將 PLC 的 IP 地址輸入到 PC 上的瀏覽器窗口中。用戶使用用戶名和密碼登錄后，PLC 即可運行。進一步的指令由基于網絡的管理系統提供。 PLC 的編程是使用PLCnext Engineer軟件完成的。該軟件允許工程師配置、診斷和可視化整個自動化解決方案。

　　PLCnext Engineer 支持使用 IEC 61131-3 定義的傳統語言進行編程和配置。使用 C++ 和 C# 等高級語言進行編程也很簡單。除了 PLCnext Engineer 之外，還可以在其他流行的集成開發環境 (IDE)(例如 Eclipse 或 Microsoft Visual Studio)中構建代碼。然后可以將該軟件作為庫導入到 PLCnext Engineer 中，以便與任何兼容的 PLC 一起使用(圖 5)。

　　圖 5：PLCnext PLC 可以使用 PLCnext Engineer 的傳統語言、IDE 的高級語言或基于模型的設計系統進行編程。 (圖片來源：菲尼克斯電氣)

　　PLCnext 技術的一個關鍵優勢是，它允許多個開發人員獨立并行地處理單個 PLC 程序，即使他們使用不同的編程語言。這使得復雜應用程序的快速開發成為可能，并允許具有傳統語言技能的開發人員和具有高級語言技能的開發人員結合他們的才能。

　　結論

　　工業物聯網有望改變工廠。然而，當工程師安裝工業以太網時，工廠自動化的全部潛力卻受到傳統 PLC 的限制，這些 PLC 提供有限的連接和過時的軟件。菲尼克斯電氣的 PLCnext 技術基于開放系統、協作平臺和可訪問的軟件。它可以將用傳統語言編碼的例程與用高級語言編寫的例程結合起來，將工業自動化開放給面向未來的解決方案，從而提高生產率、提高產量、提高產品質量并降低成本。