Come utilizzare i PLC compatti per ottenere grandi risultati nei sistemi di energia da fonti rinnovabili, di automazione degli edifici e industriali

I progettisti di reti industriali sono sempre sotto pressione per integrare le tecnologie tradizionali dei controller a logica programmabile (PLC) e quelle dell'Internet delle cose industriale (IIoT) in spazi ristretti per supportare le alte prestazioni nei progetti di automazione e digitalizzazione più compatti.

Il controller deve essere compatto ma in grado di fare da ponte tra l'automazione tradizionale e l'IIoT, nonché di integrare le reti informatiche (IT) e quelle operative (OT). Ha bisogno di un potente processore dual core, di uno slot per schede microSD e di almeno 18 canali di I/O analogici e digitali.

Per massimizzare la flessibilità, l'I/O dovrebbe includere una porta seriale RS-485 e una porta USB-C per la connessione per la configurazione diretta. Alcune applicazioni beneficiano di una porta di comunicazione CANopen opzionale. Per supportare l'integrazione delle tecnologie OT e IT, deve disporre di due porte Ethernet in grado di supportare due indirizzi IP univoci, uno per i dispositivi a livello di campo e il secondo per la connettività SCADA o Cloud.

Per accelerare l'implementazione, deve essere incluso il supporto per l'ambiente di sviluppo integrato (IDE) CODESYS 3.5, che consente agli utenti di costruire rapidamente progetti e sistemi di automazione. Il supporto per i container Docker nell'esecuzione di applicazioni open-source può migliorare ulteriormente la flessibilità e velocizzare l'implementazione.

Questo articolo mette in evidenza le numerose funzionalità dei dispositivi Compact Controller serie 100 di WAGO. Dimostra come questi controller facilitino lo sviluppo e l'implementazione rapidi di soluzioni di automazione altamente performanti per diverse applicazioni, quali automazione degli edifici, immagazzinaggio dell'energia a batteria, microreti, macchine industriali, sistemi di energia da fonti rinnovabili e altro ancora.

I PLC Compact Controller 100 (CC100) misurano solo 55 x 108 x 90 mm (L x P x A) e stanno nel palmo di una mano. Le dimensioni compatte traggono in inganno nascondendo il grande potenziale di questi dispositivi per la digitalizzazione di un'ampia gamma di funzioni di automazione.

L'applicazione richiede fino a quattro uscite digitali e otto ingressi digitali e fino a due ingressi analogici e due uscite analogiche, un'interfaccia RS-485 per protocolli come Modbus RTU e ingressi di temperatura per sensori con resistore al platino (Pt) o nichel (Ni)? Il modello 751-9301 ne è dotato. Se l'applicazione richiede anche una connessione CANopen, i progettisti possono utilizzare il modello 751-9401 (Figura 1).

Figura 1: Il modello CC100 751-9401 ha la stessa combinazione di I/O del modello 751-9301, con l'aggiunta di un'interfaccia CANopen (angolo destro). (Immagine per gentile concessione di WAGO)

L'applicazione può beneficiare di due porte Ethernet configurabili che possono essere utilizzate come switch o per due indirizzi IP separati, supportando una connessione dedicata ai dispositivi sul campo e OT, nonché di una connessione separata ai sistemi SCADA, IT o Cloud? Inoltre, è disponibile il supporto per i protocolli Industrial Ethernet come Modbus TCP/UDP, EtherNet/IP ed EtherCAT, nonché il supporto per la connettività IIoT e cloud tramite protocolli come MQTT?

Le funzioni di cybersecurity come SSH, la crittografia SSL/TLS, un firewall e la protezione dalle trasmissioni di rete sono essenziali per proteggere la rete? Entrambi i modelli della serie CC100 hanno tutto questo e molto altro.

Oltre a queste importanti caratteristiche e capacità, i PLC CC100 offrono una porta di programmazione USB per semplificare e velocizzare la configurazione, nonché uno slot per schede microSD per gli aggiornamenti del firmware e altre funzioni. In quanto dispositivi per guida DIN (secondo DIN 43880), entrambi i modelli possono essere montati rapidamente anche su piccoli pannelli di distribuzione.

Programmazione e alimentazione

Per completare un'installazione di base, questi PLC richiedono programmazione e alimentazione. Anche in questo caso, la serie CC100 offre grandi prestazioni e possibilità. Il dispositivo può essere programmato utilizzando CODESYS 3.5 in uno o più dei linguaggi IEC 61131-3 come Ladder Diagram (LD), Function Block Diagram (FBD), Sequential Function Chart (SFC), Structured Text (ST) e Instruction List (IL), o con opzioni quali Node-RED, C++ e Python.

La serie CC100 supporta i container Docker, consentendo l'esecuzione di applicazioni aggiuntive e ampliandone le funzionalità. Il server web integrato consente la creazione di visualizzazioni HTML5, semplificando il funzionamento e la manutenzione.

Questi PLC possono essere abilitati con protocolli basati sulle utility, come DNP3, utilizzato nelle aziende elettriche e idriche per il monitoraggio e il controllo delle apparecchiature remote nei sistemi SCADA. Gli standard IEC61850 e IEC60870 sono comunemente utilizzati nelle sottostazioni elettriche, nell'automazione delle microreti e nei sistemi di energia rinnovabile e di immagazzinaggio dell'energia. Inoltre, supportano le comunicazioni BACnet per le applicazioni di automazione degli edifici.

L'alimentatore 787-2850 di WAGO fornisce 1,25 A a 24 V_c.c. ed è la fonte di alimentazione ideale per i PLC della serie CC100, poiché è stato progettato per adattarsi a installazioni compatte (Figura 2). È dotato di una tensione di uscita elettricamente isolata che soddisfa i requisiti in materia di bassissima tensione di sicurezza (SELV) e di bassissima tensione di protezione (PELV) secondo EN 61010-2-201/UL 61010-2-201, e di un MTBF impressionante di oltre 2,5 milioni di ore a +40 °C (secondo EN/IEC 61709).

Figura 2: L'alimentatore 787-2850 si adatta perfettamente alle esigenze dei PLC CC100. (Immagine per gentile concessione di WAGO)

Possibilità di espansione

Gli I/O integrati nella serie CC100 costituiscono una solida base, e non un limite, per l'implementazione di soluzioni di automazione. La capacità di I/O può essere ampliata utilizzando combinazioni di moduli I/O della serie 750 (ne sono disponibili oltre 500) e accoppiatori I/O.

Ad esempio, il modulo I/O 750-1506 può essere utilizzato per aggiungere otto ingressi e otto uscite digitali ai PLC CC100 di base. È possibile aggiungere vari accoppiatori 750 per apportare la connettività fieldbus richiesta. L'accoppiatore si collega al dispositivo CC100 tramite un cavo Ethernet e funge da ponte, collegando CC100 a vari bus di campo.

Ad esempio, il modello 750-348 è un accoppiatore fieldbus CANopen utilizzato per espandere la capacità di I/O di CC100 interfacciando il sistema di I/O modulare serie 750 di WAGO con una rete CANopen (Figura 3). L'accoppiatore 750-362 supporta il collegamento con una rete Modbus. Sono disponibili altri accoppiatori per EtherNet/IP o EtherCAT come master.

Figura 3: Il modello 750-348 è un accoppiatore fieldbus CANopen. (Immagine per gentile concessione di WAGO)

Una volta collegato l'accoppiatore, è semplice utilizzare il software CODESYS 3.5 per programmare il PLC. Il controller comunicherà quindi con i moduli I/O tramite l'accoppiatore per gestire tutti i punti di I/O. I vari accoppiatori rilevano automaticamente tutti gli I/O collegati.

Ad esempio, il modello 750-362 è un accoppiatore fieldbus Modbus TCP/UDP di quarta generazione. Traduce i segnali dei moduli I/O collegati (digitali, analogici, ecc.) in modo che possano comunicare su una rete Modbus TCP/UDP. Dispone di due porte Ethernet 10/100 Mbit/s per supportare una topologia a margherita, oltre a un interruttore DIP integrato per l'impostazione dell'indirizzo IP e a un server web integrato per la configurazione e la gestione.

Gestione semplice e potente della rete

CC100 è compatibile con il software Web-Based Management (WBM) di WAGO, che fornisce un'interfaccia utente per la configurazione, l'utilizzo e la manutenzione tramite browser web utilizzando il server web integrato di CC100 e una connessione Ethernet.

Gli utenti possono sviluppare ed eseguire visualizzazioni HTML5 e gestire l'accesso sicuro grazie a funzioni quali un firewall integrato, la crittografia Transport Layer Security (TLS) e le funzionalità di Virtual Private Network (VPN), per la protezione dagli attacchi informatici.

Le visualizzazioni HTML5 sono ospitate sul PLC CC100 e possono essere visualizzate in remoto sulla maggior parte dei browser web. Le informazioni di base, come lo stato del controller e gli stati del sistema, della rete e degli I/O, possono essere visualizzate localmente sul controller mediante le stringhe di LED integrate.

WBM può anche supportare la gestione dei dati di rete facilitando il trasferimento dei dati a soluzioni cloud o utilizzando protocolli come MQTT per distribuire i dati ad altri sistemi. La configurazione della connessione al cloud stesso (come l'URL del provider di servizi cloud, i certificati di sicurezza e i dettagli di autenticazione) può essere impostata tramite l'interfaccia WBM del controller.

Connessioni al cloud

Grazie alla connettività cloud, il dispositivo CC100 può fungere da gateway per le applicazioni IIoT. Il parametro di comunicazione viene configurato nel WBM e i dati da scambiare tra il cloud e il controller vengono configurati utilizzando la libreria WAGOAppCloud per CODESYS, che può gestire attività come i dettagli di configurazione.

CC100 può accedere a Internet mediante l'interfaccia Ethernet integrata e inviare i dati al cloud. Gli utenti possono specificare il servizio cloud da utilizzare; le opzioni disponibili sono Microsoft Azure, Amazon Web Services e IBM Cloud (Figura 4).

Figura 4: I PLC CC100 possono raggiungere il cloud utilizzando il protocollo MQTT e una connessione Ethernet. (Immagine per gentile concessione di WAGO)

Sono disponibili blocchi di funzioni e librerie in grado di astrarre i complessi processi di comunicazione (come la creazione di una connessione sicura, la formattazione dei dati in formato JavaScript Object Notation, o JSON, e la gestione del trasferimento di dati) in un codice semplice e riutilizzabile che può essere richiamato da un programma IEC standard.

L'applicazione IEC consente inoltre agli utenti di selezionare quali variabili di controllo (es. le letture dei sensori o lo stato della macchina) devono essere inviate al cloud. Gli utenti possono controllare il flusso dei dati e decidere quando e come inviarli; ad esempio, possono optare per trasmissioni guidate dagli eventi oppure per trasmissioni periodiche. L'applicazione può anche implementare la pre-elaborazione dei dati sul dispositivo CC100, riducendo così la larghezza di banda richiesta per la connettività cloud.

Conclusione

Le dimensioni compatte dei controller CC100 di WAGO nascondono la loro capacità di supportare grandi prestazioni in progetti di automazione e digitalizzazione compatti per una serie di applicazioni, quali l'automazione degli edifici, l'energia da fonti rinnovabili, le microreti, le utenze elettriche e idriche e i sistemi industriali. L'espandibilità di questi PLC, inoltre, consente loro di crescere e adattarsi al mutare delle esigenze. Le loro capacità di gestione della rete e di connettività cloud forniscono un forte supporto per l'integrazione dei sistemi IT e OT.

Letture consigliate:

1. Come utilizzare i sistemi di immagazzinaggio dell'energia per ottimizzare l'affidabilità e la sostenibilità dei data center
2. Ottimizzare la gestione dei cavi per garantire sicurezza ed efficienza degli impianti fotovoltaici su scala industriale
3. Le microreti e i DER possono massimizzare la sostenibilità e la resilienza delle strutture industriali e commerciali
4. I nuovi PLC aiutano ad accelerare l'implementazione di processi di automazione complessi e critici
5. Come connettere rapidamente i nodi IoT ai cloud Amazon AWS e Microsoft Azure