Enfrente os desafios da automação industrial com uma nova geração de hardware de CLP

A automação baseada na Internet Industrial das Coisas (IIoT) promete um tempo de colocação no mercado mais rápido, produtividade aprimorada, maior segurança, custos mais baixos e maior qualidade. Dito isso, ainda há obstáculos. Sistemas antigos que são difíceis de modernizar, departamentos de engenharia excessivamente conservadores, sistemas fechados e falta de conhecimento especializado são alguns dos problemas que estão impedindo a revolução da Indústria 4.0.

Embora as tecnologias adequadas baseadas em padrões forneçam a espinha dorsal da fábrica conectada, muitos hardwares e softwares de controladores lógicos programáveis (CLPs) antigos ou "burros de carga" têm recursos limitados. Isso faz com que seja um desafio para os engenheiros implementar rapidamente as modernizações necessárias em toda a fábrica para aproveitar ao máximo a IIoT. Para complicar ainda mais a situação, os engenheiros correm o risco de basear as caras modernizações de fábrica em uma tecnologia que pode ficar desatualizada ou sem suporte com a introdução de novas tecnologias.

As lições podem ser aprendidas com outras partes da IoT, como a casa inteligente, em que sistemas abertos, plataformas colaborativas e software acessível facilitam a implementação de soluções inteligentes preparadas para o futuro. Os fabricantes de automação industrial estão adotando essa experiência e esse conhecimento.

Este artigo discute brevemente o desafio de implantar a tecnologia IIoT e explica como os avanços em sistemas abertos e hardware de automação de fábrica oferecem soluções. O artigo apresenta um exemplo de implementação de hardware e software de CLP de última geração da Phoenix Contact e mostra como ele simplifica a coleta de dados e o envio para a nuvem para análise e tomada de decisão automatizada.

A importância do CLP

O pilar da fábrica é o CLP, um dispositivo digital inventado no final da década de 1960 para substituir os sistemas lógicos de relé mais antigos. Os CLPs são projetados para trabalhar em ambientes difíceis sem falhas por muitos anos. A chave para essa confiabilidade é o foco na simplicidade. No caso raro de alguma falha, os CLPs são projetados para solucionar e corrigir problemas para que a produção em volume possa ser retomada rapidamente.

As unidades são compostas por um módulo de entrada (que recebe dados de dispositivos de entrada digitais e analógicos, como teclados, interruptores, relés e sensores), uma fonte de alimentação, uma CPU programável com memória associada e um módulo de saída para enviar informações aos dispositivos conectados (Figura 1).

Figura 1: Robustos e confiáveis, os CLPs são a espinha dorsal da automação da fábrica. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Os CLPs convencionais são programados usando uma das cinco linguagens definidas pela IEC 61131-3. Entre elas estão a Lista de Instruções (IL), o Fluxograma Simbólico (SFC), o Diagrama Ladder (LD), o Diagrama de Bloco Funcional (FBD) e o Texto Estruturado (ST). A mais popular é a LD, ou lógica ladder, que usa símbolos para representar funções como relés, registradores de deslocamento, contadores, temporizadores e operações matemáticas. Os símbolos são organizados de acordo com a sequência de eventos desejada.

Os fabricantes de CLPs estão se adaptando rapidamente ao progresso na automação da fábrica que foi feito por meio da implementação da Ethernet Industrial. A Ethernet industrial é interoperável com IP, é a opção de rede cabeada mais amplamente usada e tem amplo suporte de fornecedores. A Ethernet industrial é caracterizada por hardware robusto e software de padrão industrial, além de ser uma tecnologia comprovada e madura para automação de fábrica (Figura 2). O hardware é complementado por protocolos de Ethernet industrial, incluindo Ethernet/IP, Modbus TCP e PROFINET. Cada um deles foi projetado para garantir um alto nível de determinismo para aplicações de automação industrial. (Consulte "Projetos para aplicações robustas de IoT usando redes de energia e dados baseadas em Ethernet Industrial").

Figura 2: A Ethernet industrial forma a espinhal dorsal de comunicação da fábrica moderna. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Muitos dos CLPs atuais oferecem conectividade Ethernet integrada. No caso de dispositivos antigos com interfaces não Ethernet, a divisão entre a infraestrutura Ethernet e o CLP é feita por gateways. (Consulte "Como conectar sistemas antigos de automação de fábrica à Indústria 4.0 sem interrupções").

A próxima geração de CLPs

Uma fábrica que usa uma combinação de sistemas modernos e antigos pode dificultar que os engenheiros aproveitem todos os benefícios prometidos pela Indústria 4.0. No entanto, as lições de outras partes da IoT, como os setores de casa inteligente e logística, revelam que sistemas abertos, plataformas colaborativas e software acessível baseado em padrões facilitam a implementação de soluções inteligentes preparadas para o futuro.

O conhecimento adquirido nesses outros setores incentiva os fabricantes de CLPs e sistemas associados a introduzir uma nova geração de produtos que operam como os CLPs tradicionais, sem serem restringidos pelas limitações de hardware e software antigos. Um exemplo dessa nova geração é a tecnologia de controle PLCnext da Phoenix Contact.

Do ponto de vista do software, um produto como o controlador Phoenix Contact 1069208 PLCnext representa um avanço significativo em direção às soluções abertas que estão começando a dominar outras áreas da IoT. Por exemplo, o PLCnext é compatível com uma ampla gama de softwares, de modo que aplicativos inovadores de automação de fábrica podem ser facilmente baixados da Internet e instalados no CLP, como aplicativos em um smartphone.

O PLCnext usa o sistema operacional (SO) Linux. Ele ainda pode ser programado usando as linguagens definidas na IEC 61131-3, mas o Linux facilita para os engenheiros programarem o CLP usando as linguagens de nível superior C++, C#, Java, Python e Simulink. Essas linguagens simples de usar tornam a automação de fábrica moderna acessível a um grupo muito maior de engenheiros. Além disso, o PLCnext apresenta um tratamento de tarefas que permite que as rotinas de programas de diferentes fontes sejam executadas como código antigo do CLP, com programas de linguagem de alto nível tornando-se automaticamente determinísticos (Figura 3).

Figura 3: O PLCnext apresenta um tratamento de tarefas que permite que as rotinas de programas de diferentes fontes sejam executadas como código antigo do CLP. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

A conectividade é feita por meio de hardware Ethernet industrial; o sistema de controle é executado sob o protocolo PROFINET interoperável com IP e usa a plataforma PROFICLOUD IoT para suporte à computação em nuvem. O CLP também é compatível com outros protocolos de padrão aberto, como http, https, FTP, SNTP, SNMP, SMTP, SQL, MySQL e DCP.

O hardware é baseado em um microprocessador Intel Atom que funciona a 1,3 gigahertz (GHz). O CLP possui 1 gigabyte (Gbyte) de memória flash e 2048 megabytes (Mbytes) de RAM. O sistema de tempo de execução IEC 61131 tem 12 Mbytes de memória de programa e 32 Mbytes de armazenamento de dados de programa. A unidade pode suportar até 63 dispositivos de barramento local e requer uma alimentação de 24 volts com um consumo máximo de corrente de 504 miliamperes (mA) (Figura 4).

Figura 4: Os CLPs PLCnext usam o sistema operacional Linux e suportam linguagens antigas definidas pela IEC 61131-3, além de linguagens de nível superior. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

A linha PLCnext da Phoenix Contact inclui CLPs e outros elementos críticos de um sistema de automação industrial, como módulos de comunicação e switches gerenciados. Exemplos específicos são o módulo de comunicações 2403115 e o switch gerenciado de tradução de endereços da rede (NAT) 2702981. O módulo de comunicações adiciona uma interface Ethernet industrial extra com capacidade de gigabit ao CLP. O módulo tem um endereço MAC independente, oferece suporte a PROFINET e inclui isolação elétrica entre a interface Ethernet e a lógica.

O switch gerenciado é usado para armazenar e encaminhar informações transportadas por Ethernet e possui quatro portas Ethernet RJ45, duas portas plugáveis de fator de forma pequeno (SFP) e duas portas combinadas (RJ45/SFP). O switch é um produto de conformidade PROFINET classe B.

Aprimoramento da tomada de decisões na fábrica

A otimização da produção da fábrica é essencial porque a fabricação exige precisão e repetibilidade. A chave para garantir altos níveis de precisão e repetibilidade é o controle do processo. Na fábrica moderna, os sensores e as câmeras da IIoT podem monitorar as máquinas e medir os componentes acabados para detectar pequenos desvios no produto e corrigir o processo adequadamente. Outros sensores monitoram a integridade das máquinas para prever os requisitos de manutenção antes que uma máquina desgastada comece a falhar. Ainda mais sensores monitoram a temperatura, a umidade e a qualidade do ar da fábrica.

Um recurso importante do PLCnext Control é que, diferentemente dos CLPs tradicionais, ele pode acessar esses dados de fábrica. De acordo com a Phoenix Contact, basta conectar o CLP a apenas 3% a 5% das entradas e saídas (E/S) analógicas e digitais do sistema para que ele seja capaz de mapear os processos de fabricação de forma abrangente e sem intervenção significativa.

O PLCnext Control pode então se conectar a qualquer serviço de nuvem, incluindo o Proficloud.io da Phoenix Contact, o AWS da Amazon ou o Azure da Microsoft. Como resultado, o sistema da fábrica obtém acesso a poderosos recursos de computação para garantir que os processos de gerenciamento de operações e manutenção sejam executados da forma mais eficiente possível. O resultado é maior produtividade, melhor qualidade do produto e custos mais baixos.

Primeiros passos com o PLCnext

Trabalhar com controladores PLCnext e unidades relacionadas é relativamente simples. Para auxiliar no início de um projeto de programação de CLP, a Phoenix Contact lançou o kit de iniciante da tecnologia PLCnext 1188165. O kit inclui um módulo de controle PLCnext (CLP) 2404267, um suporte de módulo e uma opção de módulos analógicos ou digitais.

Para usar o kit de iniciante, as unidades do CLP e do módulo analógico/digital devem primeiro ser conectadas à fonte de alimentação de 24 volts CC (VCC). Em seguida, um cabo Ethernet é conectado entre o CLP e o PC e o endereço IP do PC é definido. Em seguida, o endereço IP do CLP é digitado em uma janela do navegador no PC. O CLP se torna operacional depois que os usuários inciarem a sessão com nome de usuário e senha. Outras instruções são fornecidas pelo sistema de gerenciamento baseado na Web. A programação do CLP é feita usando o software PLCnext Engineer. O software permite que um engenheiro configure, diagnostique e visualize toda uma solução de automação.

O PLCnext Engineer permite a programação e a configuração usando as linguagens antigas definidas pela IEC 61131-3. Também é simples de programar em linguagens de nível superior, como C++ e C#. Além do PLCnext Engineer, o código pode ser criado em outros ambientes de desenvolvimento integrado (IDEs) populares, como o Eclipse ou o Microsoft Visual Studio. O software pode então ser importado para o PLCnext Engineer como uma biblioteca para uso com qualquer CLP compatível (Figura 5).

Figura 5: Os CLPs PLCnext podem ser programados usando linguagens antigas do PLCnext Engineer, linguagens de nível superior de IDEs ou de sistemas de projeto baseados em modelos. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

Uma das principais vantagens da tecnologia PLCnext é que ela permite que vários desenvolvedores trabalhem de forma independente e em paralelo em um único programa CLP, mesmo que estejam usando linguagens de programação diferentes. Isso possibilita o desenvolvimento rápido de aplicações complexas e permite que os desenvolvedores com habilidades em linguagens antigas e aqueles com habilidades em linguagens de alto nível combinem seus talentos.

Conclusão

A IIoT promete transformar a fábrica. No entanto, enquanto os engenheiros estão instalando a Ethernet Industrial, o potencial total da automação da fábrica está sendo retido pelos CLPs tradicionais que oferecem conectividade limitada e software ultrapassado. A tecnologia PLCnext da Phoenix Contact é baseada em sistemas abertos, plataformas colaborativas e software acessível. Ela pode combinar rotinas codificadas em linguagens antigas com aquelas escritas em linguagens de nível superior para abrir a automação industrial a soluções preparadas para o futuro com produtividade aprimorada, maior rendimento, melhor qualidade do produto e custos mais baixos.