Relever les défis de l'automatisation industrielle avec une nouvelle génération de matériel PLC

L'automatisation fondée sur l'Internet industriel des objets (IIoT) offre la promesse d'une mise sur le marché plus rapide, d'une productivité améliorée, d'une sécurité accrue, de coûts réduits et d'une qualité supérieure. Pourtant, des obstacles subsistent. Les systèmes existants difficiles à mettre à niveau, les services d'ingénierie trop conservateurs, les systèmes fermés et le manque de connaissances spécialisées sont quelques-uns des problèmes qui freinent la révolution de l'Industrie 4.0.

Même si des technologies adaptées basées sur des normes constituent l'épine dorsale de l'usine connectée, de nombreux matériels et logiciels d'automates programmables (PLC) existants ont des capacités limitées. Il est donc difficile pour les ingénieurs de mettre en œuvre rapidement les mises à niveau nécessaires à l'échelle de l'usine pour tirer pleinement parti de l'IIoT. Pour compliquer encore davantage les choses, les ingénieurs risquent de baser les mises à niveau coûteuses des usines sur une technologie qui pourrait devenir obsolète ou non prise en charge avec l'introduction de nouvelles technologies.

Des leçons peuvent être tirées d'autres aspects de l'IoT, comme la maison intelligente, où les systèmes ouverts, les plateformes collaboratives et les logiciels accessibles facilitent la mise en œuvre de solutions intelligentes évolutives. Les fabricants d'automatisation industrielle tirent parti de cette expérience et de ces connaissances.

Cet article aborde brièvement les défis liés au déploiement de la technologie IIoT et explique comment les avancées en matière de systèmes ouverts et de matériel d'automatisation industrielle offrent des solutions. L'article présente un exemple d'implémentation de matériels et logiciels PLC nouvelle génération de Phoenix Contact et montre comment cette mise en œuvre simplifie la collecte de données et leur transfert vers le cloud pour analyse et prise de décision automatisée.

L'importance des PLC

Le pilier de l'usine est le PLC, un dispositif numérique inventé à la fin des années 1960 pour remplacer les anciens systèmes logiques à relais. Les PLC sont conçus pour fonctionner sans problème en environnements difficiles pendant de nombreuses années. La clé de cette fiabilité est l'accent mis sur la simplicité. Dans l'éventualité rare d'une défaillance, les PLC sont conçus pour résoudre les problèmes afin que la production en volume puisse reprendre rapidement.

Les unités comprennent un module d'entrée (recevant des données de périphériques d'entrée numériques et analogiques tels que des claviers, des commutateurs, des relais et des capteurs), une alimentation, un processeur programmable avec mémoire associée et un module de sortie pour envoyer des informations aux dispositifs connectés (Figure 1).

Figure 1 : Robustes et fiables, les PLC constituent l'épine dorsale de l'automatisation industrielle. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Les PLC conventionnels sont programmés à l'aide de l'un des cinq langages définis par la norme CEI 61131-3 : Instruction List (IL), Symbolic Flowchart (SFC), Ladder Diagram (LD), Function Block Diagram (FBD) et Structured Text (ST). Le plus populaire est le langage ladder LD, qui utilise des symboles pour représenter des fonctions telles que des relais, des registres à décalage, des compteurs, des temporisateurs et des opérations mathématiques. Les symboles sont disposés selon la séquence d'événements souhaitée.

Les fabricants de PLC s'adaptent rapidement aux avancées de l'automatisation industrielle réalisées grâce à la mise en œuvre d'Industrial Ethernet. L'Industrial Ethernet est interopérable sur IP, constitue l'option de réseau filaire la plus largement utilisée et bénéficie d'un support étendu de la part des fournisseurs. L'Industrial Ethernet se caractérise par un matériel robuste et des logiciels conformes aux normes industrielles. Il s'agit d'une technologie éprouvée et mature pour l'automatisation industrielle (Figure 2). Le matériel est complété par des protocoles Industrial Ethernet, notamment Ethernet/IP, Modbus TCP et PROFINET. Chacun d'eux est conçu pour garantir un haut niveau de déterminisme pour les applications d'automatisation industrielle. (Voir Concevoir des applications IoT renforcées avec des réseaux d'alimentation et de données basés sur Industrial Ethernet.)

Figure 2 : L'Industrial Ethernet constitue l'épine dorsale des communications de l'usine moderne. (Source de l'image : Phoenix Contact)

De nombreux PLC actuels offrent une connectivité Ethernet intégrée. Pour les dispositifs existants dotés d'interfaces non-Ethernet, le fossé entre l'infrastructure Ethernet et le PLC est comblé par des passerelles. (Voir Comment connecter les systèmes d'automatisation d'usine existants et l'Industrie 4.0 sans interruption.)

La prochaine génération de PLC

Dans une usine qui utilise un mélange de systèmes modernes et anciens, il peut être difficile pour les ingénieurs de tirer parti de tous les avantages promis par l'Industrie 4.0. Cependant, les enseignements tirés d'autres domaines de l'IoT, tels que les secteurs de la maison intelligente et de la logistique, révèlent que les systèmes ouverts, les plateformes collaboratives et les logiciels accessibles basés sur des normes facilitent la mise en œuvre de solutions intelligentes à l'épreuve du temps.

Les connaissances acquises dans ces autres secteurs encouragent les fabricants de PLC et de systèmes associés à introduire une nouvelle génération de produits fonctionnant comme les PLC traditionnels sans être limités par les contraintes du matériel et des logiciels hérités. Un exemple de cette nouvelle génération est la technologie PLCnext Control de Phoenix Contact.

D'un point de vue logiciel, un produit tel que le contrôleur PLCnext 1069208 de Phoenix Contact représente une avancée significative vers les solutions ouvertes qui commencent à dominer d'autres domaines de l'IoT. Par exemple, PLCnext est compatible avec une large gamme de logiciels, de sorte que des applications d'automatisation industrielle innovantes peuvent être facilement téléchargées depuis Internet et installées sur le PLC, de la même manière que des applications sur un smartphone.

PLCnext utilise le système d'exploitation (OS) Linux. Il peut toujours être programmé à l'aide des langages définis dans la norme CEI 61131-3, mais Linux permet aux ingénieurs de programmer facilement le PLC à l'aide des langages de plus haut niveau C++, C#, Java, Python et Simulink. Ces langages simples à utiliser rendent l'automatisation industrielle moderne accessible à un plus grand nombre d'ingénieurs. De plus, PLCnext offre une gestion des tâches qui permet aux routines de programme provenant de différentes sources de s'exécuter en tant que code PLC hérité, les programmes en langage de haut niveau devenant automatiquement déterministes (Figure 3).

Figure 3 : PLCnext offre une gestion des tâches qui permet aux routines de programme provenant de différentes sources de s'exécuter en tant que code PLC hérité. (Source de l'image : Phoenix Contact)

La connectivité s'effectue via le matériel Industrial Ethernet ; le système de contrôle fonctionne sous le protocole PROFINET interopérable IP et utilise la plateforme IoT PROFICLOUD pour la prise en charge du cloud computing. Le PLC prend également en charge d'autres protocoles à norme ouverte comme http, https, FTP, SNTP, SNMP, SMTP, SQL, MySQL et DCP.

Le matériel est basé sur un microprocesseur Intel Atom cadencé à 1,3 gigahertz (GHz). Le PLC est doté de 1 gigaoctet (Go) de mémoire Flash et de 2048 mégaoctets (Mo) de RAM. Le système d'exécution CEI 61131 dispose de 12 Mo de mémoire de programme et de 32 Mo de stockage de données de programme. L'unité peut prendre en charge jusqu'à 63 périphériques de bus locaux et requiert une alimentation de 24 volts (V) avec une consommation de courant maximum de 504 milliampères (mA) (Figure 4).

Figure 4 : Les PLC PLCnext utilisent le système d'exploitation Linux et prennent en charge les langages hérités définis dans le cadre de la norme CEI 61131-3, ainsi que des langages de plus haut niveau. (Source de l'image : Phoenix Contact)

La gamme PLCnext de Phoenix Contact inclut des PLC et d'autres éléments essentiels d'un système d'automatisation industrielle, tels que des modules de communication et des commutateurs administrés. Le module de communication 2403115 et le commutateur de traduction d'adresse réseau (NAT) administré 2702981 sont des exemples spécifiques. Le module de communication ajoute une interface Industrial Ethernet compatible Gigabit supplémentaire au PLC. Le module possède une adresse MAC indépendante, offre une prise en charge PROFINET et inclut un isolement électrique entre l'interface Ethernet et la logique.

Le commutateur administré est utilisé pour stocker et transférer les informations transportées par Ethernet et comprend quatre ports Ethernet RJ45, deux ports SFP (Small Form-factor Pluggable) et deux ports combinés (RJ45/SFP). Le commutateur est un produit PROFINET à classe de conformité B.

Améliorer la prise de décision en usine

L'optimisation de la production en usine est essentielle car la fabrication exige précision et répétabilité. La clé pour garantir de hauts niveaux de précision et de répétabilité est le contrôle des processus. Dans une usine moderne, les caméras et les capteurs IIoT peuvent surveiller les machines et mesurer les composants finis pour détecter tout écart mineur dans le produit et corriger le processus en conséquence. D'autres capteurs surveillent l'état des machines pour prévoir les besoins de maintenance avant qu'une machine usée ne tombe en panne. De plus nombreux capteurs surveillent la température, l'humidité et la qualité de l'air de l'usine.

Une caractéristique clé de PLCnext Control est que, contrairement aux PLC traditionnels, il peut exploiter ces données d'usine. Selon Phoenix Contact, il suffit de connecter le PLC à seulement 3 à 5 % des entrées et sorties (E/S) analogiques et numériques du système pour qu'il puisse cartographier les processus de fabrication de manière exhaustive et sans intervention significative.

PLCnext Control peut ensuite se connecter à n'importe quel service cloud, y compris Proficloud.io de Phoenix Contact, AWS d'Amazon ou Azure de Microsoft. En conséquence, le système de l'usine a accès à de puissantes ressources de calcul pour garantir que les processus de gestion des opérations et de maintenance fonctionnent aussi efficacement que possible. Il en résulte une productivité accrue, une meilleure qualité de produit et des coûts réduits.

Premiers pas avec PLCnext

Travailler avec les contrôleurs PLCnext et les unités associées est relativement simple. Pour vous aider à démarrer un projet de programmation PLC, Phoenix Contact propose le kit de démarrage PLCnext 1188165. Le kit comprend un module de contrôle (PLC) PLCnext 2404267, un support de module et un choix de modules analogiques ou numériques.

Pour utiliser le kit de démarrage, le PLC et les modules analogiques/numériques doivent d'abord être connectés à l'alimentation de 24 volts CC (VCC). Ensuite, un câble Ethernet est connecté entre le PLC et le PC, et l'adresse IP du PC est définie. Puis l'adresse IP du PLC est entrée dans une fenêtre de navigateur sur le PC. Le PLC devient opérationnel une fois que les utilisateurs se sont connectés avec leur nom d'utilisateur et leur mot de passe. Des instructions supplémentaires sont fournies par le système de gestion basé Web. La programmation du PLC se fait à l'aide du logiciel PLCnext Engineer. Le logiciel permet à un ingénieur de configurer, diagnostiquer et visualiser une solution d'automatisation complète.

PLCnext Engineer permet la programmation et la configuration à l'aide des langages hérités définis dans la norme CEI 61131-3. Il est également simple de programmer dans des langages de plus haut niveau tels que C++ et C#. En plus de PLCnext Engineer, le code peut être créé dans d'autres environnements de développement intégrés (IDE) populaires tels qu'Eclipse ou Microsoft Visual Studio. Le logiciel peut ensuite être importé dans PLCnext Engineer sous forme de bibliothèque à utiliser avec n'importe quel PLC compatible (Figure 5).

Figure 5 : Les PLC PLCnext peuvent être programmés à l'aide des langages hérités de PLCnext Engineer, des langages de plus haut niveau des IDE ou des systèmes de conception basés sur des modèles. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Un avantage clé de la technologie PLCnext est qu'elle permet à plusieurs développeurs de travailler indépendamment et en parallèle sur un seul programme PLC, même s'ils utilisent des langages de programmation différents. Cela permet de développer rapidement des applications complexes, et de combiner les talents des développeurs qui maîtrisent les langages hérités et des développeurs qui maîtrisent les langages de plus haut niveau.

Conclusion

L'IIoT offre la promesse de transformer l'usine. Cependant, alors que les ingénieurs déploient l'Industrial Ethernet, le plein potentiel de l'automatisation industrielle est freiné par les PLC traditionnels qui offrent une connectivité limitée et des logiciels obsolètes. La technologie PLCnext de Phoenix Contact repose sur des systèmes ouverts, des plateformes collaboratives et des logiciels accessibles. Elle peut combiner des routines codées dans des langages hérités avec des routines développées dans des langages de plus haut niveau pour ouvrir l'automatisation industrielle à des solutions évolutives avec une productivité améliorée, des rendements plus élevés, une meilleure qualité de produit et des coûts réduits.