IIoT e PLC: coesistenza, non scontro

L'Internet delle cose industriale promette di riprogettare i macchinari, riorganizzare i processi e sfruttare la potenza dei big data per migliorare la produttività e la redditività. Secondo alcuni, architetture e dispositivi oggi comuni come i controller a logica programmabile (PLC) potrebbero svanire. Una visione alternativa è che l'esplosione nella raccolta dei dati guiderà una tendenza verso un numero ancora maggiore di dispositivi più piccoli come micro o nano PLC che possono essere distribuiti quasi ovunque nella fabbrica.

Big data, una nuova idea?

L'Internet delle cose industriale si basa sulla raccolta di grandi quantità di dati da processi e apparecchiature per un'analisi intensiva nel cloud. L'obiettivo è quello di potenziare la riottimizzazione e la riorganizzazione dei processi, perseguendo miglioramenti come la riduzione degli sprechi e la risposta più rapida alle richieste dei clienti. Le fabbriche della quarta rivoluzione industriale (Impresa 4.0) conterranno probabilmente molte migliaia di sensori in tutta l'attrezzatura e le aree di lavoro, segnalando aspetti diversi come le correnti e le vibrazioni dei motori, la temperatura e l'umidità dell'ambiente, le misurazioni per i test e le ispezioni del prodotto finale, i numeri di serie, i numeri di lotto e gli indicatori di data e ora.

Il successo dell'Impresa 4.0 richiede che queste migliaia di canali di dati siano raccolti in modo efficiente nel cloud per essere memorizzati, classificati in base alla priorità, raggruppati e analizzati e infine trasformati in istruzioni migliorate da comunicare alle macchine e in informazioni per guidare decisioni aziendali intelligenti. Si prevede che il design dei macchinari, dei sistemi di controllo e delle reti di comunicazione di fabbrica cambierà significativamente, il che potrebbe rappresentare una minaccia per i dispositivi esistenti come i controller a logica programmabile (PLC) che finora hanno dominato la raccolta dei dati, l'elaborazione e i compiti di controllo nell'automazione convenzionale.

Il desiderio di raccogliere più dati per migliorare il rendimento della produzione e assistere nel processo decisionale non è nato con l'Impresa 4.0. Le imprese hanno cercato di raccogliere quantità crescenti di dati dalle apparecchiature e di automatizzare gli scambi tra i sistemi analitici di fabbrica e di back office da molto prima del cloud. Il PC industriale (IPC) è un esempio di un concetto emerso per consentire l'automazione basata su PC con i vantaggi di un flusso di dati senza soluzione di continuità da e verso i responsabili delle decisioni sulla LAN aziendale. Il PLC, tuttavia, mantiene diversi vantaggi tra cui lunghi cicli di vita e alta affidabilità e si è evoluto per soddisfare le esigenze del mercato aumentando la capacità di elaborazione, fornendo funzionalità supplementari e incorporando standard basati su PC.

Scontro

La proliferazione di sensori e altre attività di raccolta dati nelle fabbriche della prossima epoca industriale potrebbe sopraffare le capacità dei PLC attuali. Alcuni suggeriscono che i dati dei sensori saranno raccolti direttamente nel cloud utilizzando un protocollo "light" di telemetria di trasporto messaggi detto MQTT. Un grande vantaggio per l'attuale ambiente di produzione ricco di dati è che MQTT può tralasciare grandi quantità di dati immutabili, che possono intasare le reti quando si usano i protocolli convenzionali domanda/risposta. Il modello pubblica/sottoscrivi di MQTT permette ai sensori intelligenti di pubblicare solo i nuovi dati per i dispositivi configurati per la loro ricezione. Alcune importanti piattaforme IoT e di social consumer sono note per sfruttare le basse richieste di larghezza di banda del protocollo, bassa latenza e basso consumo energetico. MQTT è adatto all'uso nei sistemi di controllo e i moduli MQTT potrebbero fornire un percorso per inviare i dati IIoT direttamente al cloud. Questo è un mezzo comodo per gestire i dati generati da un gran numero di sensori distribuiti nella fabbrica connessa.

Coesistenza

In alternativa, il PLC centralizzato convenzionale potrebbe essere sostituito da più PLC più piccoli posti più vicino ai sensori che monitorano e ai meccanismi che controllano. Stanno emergendo micro o nano PLC progettati per comunicare come parte dell'IIoT per soddisfare questo scopo, fornendo canali I/O in un ingombro compatto con opzioni di espansione modulare.

Crouzet risponde a questa opportunità con la famiglia di nano PLC em4, come em4 Ethernet. em4 misura 124,6 x 90 mm e fornisce una selezione di I/O analogici e digitali e uscite a relè. Sono disponibili anche moduli di espansione I/O digitali e analogici, che danno la flessibilità necessaria per soddisfare installazioni grandi o piccole. Il modulo può essere programmato o controllato da qualsiasi punto della rete locale e può essere collegato a Internet su richiesta senza moduli aggiuntivi (Figura 1). Come mezzo pratico per raccogliere i dati dai sensori, em4 può inviare semplici registri di dati programmati via e-mail o FTP o inviare avvisi via e-mail sotto il controllo del programma applicativo. Può comunicare con un massimo di sedici altri dispositivi in rete e rilevare automaticamente fino a otto unità em4 connesse. Un display monocromatico 18 x 4 e una tastiera a 6 pulsanti consentono di gestire il PLC direttamente dal pannello frontale.

Figura 1: Il nano PLC em4 Ethernet si connette facilmente ad altre apparecchiature sulla LAN o su Internet.

Panasonic offre un PLC ultracompatto e salvaspazio adatto al monitoraggio e al controllo distribuito o alla miniaturizzazione delle apparecchiature. La serie FP0R è alta 90 mm e larga 25 mm e fornisce I/O comprese uscite a impulsi che permettono il controllo multiasse del motore. È possibile aggiungere fino a tre moduli di espansione. La FeRAM incorporata assicura il backup automatico dei dati senza batteria, permettendo all'apparecchiatura di essere spenta senza il rischio di perdere i dati. Il PLC può condividere le informazioni con un massimo di sedici dispositivi simili tramite un PLC-Link collegato a una rete Ethernet tramite un modulo FP Web Server 2. Altre caratteristiche per il controllo del motore includono contatori e uscite PWM. I moduli CC_LINK e IO/LINK collegabili che utilizzano i protocolli più diffusi offrono una flessibilità aggiuntiva per il collegamento in rete e il monitoraggio dei sensori. I moduli em4 di Crouzet e FPOR di Panasonic sono programmati utilizzando il software di programmazione standard del produttore.

Con la piattaforma Micro PLC (Figura 2), Maxim Integrated ha voluto fornire maggiori prestazioni in un volume molto più ridotto rispetto al PLC tradizionale. I moduli I/O digitali e analogici del micro PLC, come il modulo a uscita analogica 0 ~ 10 V MAXREFDES60, si inseriscono in uno spazio pari alle dimensioni di una carta di credito. Questo fattore di forma permette agli sviluppatori di ottenere una connettività paragonabile a quella di un PLC standard in circa il 10% dello spazio e a metà della potenza. Sono disponibili altri moduli micro PLC, tra cui un modulo di ingresso analogico a 4 canali, moduli di ingresso e uscita digitale a 8 canali e una scheda di comunicazione RS-485. Tutti sono forniti con codice sorgente C di esempio e dati di test per aiutare ad accelerare l'implementazione di PLC compatti di prossima generazione pronti per Impresa 4.0.

Figura 2: Il micro PLC di Maxim Integrated è una piattaforma modulare compatta che offre la scelta tra una gamma di schede I/O di dimensioni pari a una carta di credito.

Conclusione

I PLC si sono evoluti nel corso della storia dell'automazione industriale fino a diventare un mezzo affidabile e robusto di monitoraggio e controllo dei processi e delle apparecchiature. Adattandosi alle richieste del mercato e agli standard emergenti di connettività e comunicazione, il PLC continua ad essere ampiamente utilizzato dai progettisti di apparecchiature industriali e fabbriche. I più recenti fattori di forma micro e nano dovrebbero consolidare la posizione dei PLC nell'IIoT e al centro dell'Impresa 4.0.