ตัวควบคุมลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้: คู่มือฉบับสมบูรณ์เกี่ยวกับวิธีการทำงานของ PLC ประเภท การเขียนโปรแกรม และการเลือก

Programmable Logic Controller คืออะไร และเหตุใดอุตสาหกรรมจึงต้องพึ่งพาตัวควบคุมดังกล่าว

Programmable Logic Controller (PLC) คือคอมพิวเตอร์อุตสาหกรรมที่ทนทาน ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อตรวจสอบอินพุตจากเซ็นเซอร์และอุปกรณ์ภาคสนาม รันโปรแกรมควบคุมที่เก็บไว้ และเอาต์พุตควบคุม เช่น มอเตอร์ วาล์ว แอคชูเอเตอร์ และตัวแสดงสถานะ ในแบบเรียลไทม์ PLC แตกต่างจากคอมพิวเตอร์ใช้งานทั่วไปตรงที่ได้รับการออกแบบมาให้ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่รุนแรง ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า การสั่นสะเทือน อุณหภูมิสุดขั้ว และฝุ่น ในขณะที่ดำเนินการโปรแกรมควบคุมด้วยจังหวะเวลาที่กำหนด ซึ่งหมายความว่าตัวควบคุมจะเสร็จสิ้นรอบการสแกนในเวลาที่คาดการณ์และทำซ้ำได้ โดยไม่คำนึงถึงสภาวะของกระบวนการ การผสมผสานระหว่างการแข็งตัวของอุตสาหกรรมและการกำหนดแบบเรียลไทม์คือสิ่งที่ทำให้ PLC เป็นตัวควบคุมอัตโนมัติมาตรฐานสำหรับการผลิต อุตสาหกรรมกระบวนการ สาธารณูปโภค ระบบอัตโนมัติในอาคาร และโครงสร้างพื้นฐานทั่วโลก

PLC ได้รับการพัฒนาในช่วงปลายทศวรรษ 1960 โดยเฉพาะเพื่อแทนที่รีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่ควบคุมสายการประกอบยานยนต์ ซึ่งเป็นระบบที่มีราคาแพงในการติดตั้ง จำเป็นต้องเดินสายไฟใหม่จำนวนมากเพื่อเปลี่ยนแปลง และต้องการการบำรุงรักษาอย่างต่อเนื่องเนื่องจากหน้าสัมผัสรีเลย์สึกหรอและล้มเหลว ด้วยการแทนที่ลอจิกรีเลย์ทางกายภาพด้วยซอฟต์แวร์ที่เทียบเท่ากับโปรแกรมได้ PLC อนุญาตให้วิศวกรฝ่ายผลิตปรับเปลี่ยนพฤติกรรมของเครื่องจักรโดยการเปลี่ยนโปรแกรมแทนที่จะเดินสายไฟใหม่บนแผง ซึ่งช่วยลดเวลาและต้นทุนในการเปลี่ยนแปลงการผลิตได้อย่างมาก หกสิบปีต่อมา แนวคิดหลักยังคงไม่เปลี่ยนแปลง แต่มีความทันสมัย ตัวควบคุมลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ ได้ขยายจากการเปลี่ยนรีเลย์แบบธรรมดาไปเป็นแพลตฟอร์มอัตโนมัติที่ซับซ้อน ซึ่งรองรับการควบคุมการเคลื่อนไหวความเร็วสูง การควบคุมกระบวนการ ฟังก์ชันความปลอดภัย การรวมวิชันซิสเต็มวิชัน และการสื่อสารเครือข่ายอุตสาหกรรมผ่านสถาปัตยกรรมหลายระบบที่ซับซ้อน

PLC ทำงานอย่างไร: อธิบายรอบการสแกน

หลักการทำงานพื้นฐานของตัวควบคุมลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้คือวงจรการสแกน ซึ่งเป็นลำดับการดำเนินการซ้ำที่ PLC ดำเนินการอย่างต่อเนื่องตราบใดที่ยังอยู่ในโหมดรัน การทำความเข้าใจวงจรการสแกนถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำความเข้าใจวิธีการทำงานของ PLC โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่มีกำหนดเวลาสำคัญ ซึ่งเวลาตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงอินพุตจะเป็นตัวกำหนดว่าระบบควบคุมทำงานได้อย่างถูกต้องหรือไม่

รอบการสแกน PLC มาตรฐานประกอบด้วยสี่ขั้นตอนตามลำดับ ขั้นแรก การสแกนอินพุตจะอ่านสถานะปัจจุบันของอินพุตดิจิทัลและอนาล็อกที่เชื่อมต่อทั้งหมด เช่น เซ็นเซอร์ สวิตช์ ตัวเข้ารหัส เครื่องส่ง และคัดลอกค่าเหล่านี้ลงในรีจิสเตอร์รูปภาพอินพุตในหน่วยความจำ ประการที่สอง การสแกนโปรแกรมจะดำเนินการโปรแกรมควบคุมที่จัดเก็บไว้ในหน่วยความจำ โดยใช้ค่ารูปภาพอินพุต (ไม่ใช่การอ่านอินพุตสด) เพื่อประเมินเงื่อนไขลอจิกและกำหนดสถานะเอาต์พุตที่ต้องการ ประการที่สาม การสแกนเอาต์พุตจะเขียนค่ารูปภาพเอาต์พุตที่กำหนดโดยโปรแกรมไปยังฮาร์ดแวร์เอาท์พุตทางกายภาพ การเปิดใช้งานหรือปิดใช้งานอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ ประการที่สี่ ขั้นตอนการดูแลทำความสะอาดจะจัดการการสื่อสาร การวินิจฉัยตนเอง และการอัปเดตตัวจับเวลาและตัวนับภายในก่อนที่วงจรจะทำซ้ำ

เวลาที่ต้องใช้ในการสแกนหนึ่งรอบให้เสร็จสมบูรณ์ — เวลาสแกน — โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 1 ถึง 10 มิลลิวินาทีสำหรับแอปพลิเคชันมาตรฐานส่วนใหญ่ แม้ว่าจะเพิ่มขึ้นตามความซับซ้อนของโปรแกรมและจำนวนจุด I/O ก็ตาม สถาปัตยกรรมวงจรการสแกนหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงในสถานะอินพุตจะไม่ถูกดำเนินการจนกว่าจะถึงรอบการสแกนถัดไป ซึ่งจะแนะนำเวลาแฝงสูงสุดหนึ่งรอบการสแกนในการตอบสนองของการควบคุม สำหรับการใช้งานระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ เวลาแฝงนี้เป็นที่ยอมรับได้โดยสิ้นเชิง สำหรับการใช้งานความเร็วสูง — การควบคุมการเคลื่อนไหวของเซอร์โว การนับความถี่สูง หรือฟังก์ชันความปลอดภัยที่ต้องการการตอบสนองต่ำกว่ามิลลิวินาที — รูทีนการขัดจังหวะแบบพิเศษ ตัวประมวลผลการเคลื่อนไหวเฉพาะ หรือ PLC ความปลอดภัยที่แยกต่างหาก ถูกนำมาใช้เพื่อหลีกเลี่ยงเวลาแฝงของวงจรการสแกนมาตรฐาน

ส่วนประกอบฮาร์ดแวร์ PLC และฟังก์ชันต่างๆ

ระบบ PLC ประกอบด้วยส่วนประกอบฮาร์ดแวร์ที่แตกต่างกันหลายอย่างซึ่งรวมกันเป็นตัวควบคุมอัตโนมัติที่สมบูรณ์ การทำความเข้าใจฟังก์ชันของแต่ละส่วนประกอบจะให้ความกระจ่างถึงวิธีการระบุ ประกอบ และบำรุงรักษาระบบ PLC

หน่วยประมวลผลกลาง (CPU)

โมดูล CPU คือสมองของ PLC ประกอบด้วยโปรเซสเซอร์ที่รันโปรแกรมควบคุม หน่วยความจำที่เก็บโปรแกรมและข้อมูล และอินเทอร์เฟซการสื่อสารที่เชื่อมต่อกับเครื่องมือการเขียนโปรแกรมและระบบอัตโนมัติอื่นๆ ความสามารถของ CPU มีลักษณะเฉพาะคือความเร็วในการประมวลผล (เวลาในการสแกนต่อ 1,000 คำสั่งของแลดเดอร์ลอจิก) ความจุหน่วยความจำของโปรแกรม (โดยทั่วไปคือกิโลไบต์ถึงเมกะไบต์ขึ้นอยู่กับคลาสของ PLC) หน่วยความจำข้อมูลสำหรับจัดเก็บค่าตัวแปรและข้อมูลการประมวลผล และช่วงของโปรโตคอลการสื่อสารที่รองรับ โมดูล CPU ระดับไฮเอนด์ยังมีนาฬิกาแบบเรียลไทม์ ความสามารถในการบันทึกข้อมูล และเซิร์ฟเวอร์ OPC UA หรือ MQTT ในตัวสำหรับการเชื่อมต่อโดยตรงกับ IoT อุตสาหกรรมและระบบคลาวด์โดยไม่ต้องใช้ฮาร์ดแวร์เพิ่มเติม

โมดูลอินพุต/เอาท์พุต (I/O)

โมดูล I/O เป็นส่วนติดต่อทางกายภาพระหว่าง PLC และอุปกรณ์ภาคสนาม เช่น เซ็นเซอร์ สวิตช์ วาล์ว มอเตอร์ และเครื่องมือ ซึ่งระบบควบคุมจะตรวจสอบและสั่งการ โมดูลอินพุตดิจิทัลรับสัญญาณเปิด/ปิดจากอุปกรณ์ เช่น พรอกซิมิตี้เซนเซอร์ ปุ่มกด และลิมิตสวิตช์ โดยแปลงแรงดันไฟฟ้าระดับสนาม (โดยทั่วไปคือ 24VDC หรือ 120/240VAC) ให้เป็นสัญญาณระดับลอจิกที่ CPU สามารถอ่านได้ โมดูลเอาต์พุตดิจิตอลจะสลับพลังงานไปยังอุปกรณ์ภาคสนาม เช่น โซลินอยด์วาล์ว สตาร์ทมอเตอร์ และไฟแสดงสถานะ โมดูลอินพุตแบบอะนาล็อกแปลงสัญญาณที่แปรผันอย่างต่อเนื่อง — กระแสลูป 4-20mA, สัญญาณแรงดันไฟฟ้า 0-10V, แรงดันไฟฟ้าของเทอร์โมคัปเปิล, ค่าความต้านทาน RTD — เป็นค่าดิจิตอลที่ CPU สามารถประมวลผลได้ โมดูลเอาต์พุตแบบอะนาล็อกจะแปลงค่าดิจิทัลจาก CPU ให้เป็นสัญญาณอะนาล็อกตามสัดส่วนสำหรับการควบคุมไดรฟ์แบบปรับความเร็วได้ วาล์วตามสัดส่วน และอุปกรณ์ที่แปรผันอย่างต่อเนื่องอื่นๆ โมดูล I/O เฉพาะทางประกอบด้วยอินพุตตัวนับความเร็วสูงสำหรับการตอบสนองของตัวเข้ารหัส โมดูลการสื่อสารแบบอนุกรม และ I/O ที่กำหนดระดับความปลอดภัยสำหรับการใช้งานด้านความปลอดภัยในการใช้งาน

แหล่งจ่ายไฟ

โมดูลจ่ายไฟ PLC จะแปลงพลังงานหลักขาเข้า (โดยทั่วไปคือ 120VAC หรือ 240VAC) หรือพลังงานบัส DC ไปเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ได้รับการควบคุมซึ่งจำเป็นโดยโมดูล CPU และ I/O การเลือกแหล่งจ่ายไฟเกี่ยวข้องกับการจับคู่ความจุกระแสไฟเอาท์พุตกับปริมาณการใช้กระแสไฟทั้งหมดของโมดูลทั้งหมดในชั้นวางหรือระบบ โดยมีอัตรากำไรอย่างน้อย 20 ถึง 30% สำหรับความน่าเชื่อถือและเพื่อรองรับการขยายในอนาคต การกำหนดค่าแหล่งจ่ายไฟสำรอง — โดยที่โมดูลแหล่งจ่ายไฟสองตัวทำงานขนานกับระบบเฟลโอเวอร์อัตโนมัติ — เป็นมาตรฐานในระบบที่มีความพร้อมใช้งานสูง ซึ่งการปิดระบบโดยไม่ได้วางแผนเนื่องจากแหล่งจ่ายไฟขัดข้องจะมีค่าใช้จ่ายสูงอย่างยอมรับไม่ได้

แบ็คเพลนและชั้นวาง

ในระบบ PLC แบบโมดูลาร์ที่ติดตั้งในชั้นวาง แบ็คเพลนคือแผงวงจรที่รองรับกลไกและเชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับ CPU, แหล่งจ่ายไฟ และโมดูล I/O แบ็คเพลนจะบรรทุกบัสข้อมูลภายใน การจ่ายพลังงาน และในบางระบบจะมีสัญญาณการซิงโครไนซ์แบบเรียลไทม์ซึ่งจำเป็นสำหรับการทำงานหลายโมดูลที่มีการประสานงานกัน ขนาดแร็ค — ระบุโดยจำนวนสล็อตโมดูล — กำหนดจำนวนโมดูล I/O ที่สามารถติดตั้งได้ในแร็คเดียว และสำหรับระบบที่ต้องการ I/O มากกว่าที่แร็คเดียวสามารถรองรับได้ แร็คหลายตัวจะเชื่อมต่อกันผ่านสายเคเบิลขยายหรือ I/O ระยะไกลผ่านเครือข่ายอุตสาหกรรม

ประเภทของ PLC: ระบบขนาดกะทัดรัด แบบโมดูลาร์ และระบบแบบแร็ค

PLC ผลิตขึ้นในหลายรูปแบบที่เหมาะกับความต้องการด้านขนาดและความซับซ้อนที่แตกต่างกัน การเลือกฟอร์มแฟคเตอร์ PLC ที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานเกี่ยวข้องกับการจับคู่ความจุ I/O ความสามารถในการขยาย และความสามารถในการประมวลผลของคอนโทรลเลอร์ ให้ตรงกับข้อกำหนดในปัจจุบันและที่คาดการณ์ไว้ในอนาคตของเครื่องหรือกระบวนการที่ถูกควบคุม

หมวดหมู่ PLC ขนาดกะทัดรัดกลายเป็นพื้นที่การเติบโตที่สำคัญที่สุดในตลาด PLC โดยได้รับแรงหนุนจากผลิตภัณฑ์คลาส ซีเมนส์ S7-1200 และ Allen-Bradley Micro820 ที่นำเสนอความสามารถที่ก่อนหน้านี้เกี่ยวข้องกับระบบโมดูลาร์ขนาดเต็มเท่านั้น รวมถึงการควบคุมการเคลื่อนไหว การควบคุมกระบวนการ PID และการสื่อสารทางอุตสาหกรรมที่ใช้อีเทอร์เน็ต ในรูปแบบขนาดเล็กที่เหมาะสำหรับการติดตั้งแผงโดยไม่มีชั้นวางเฉพาะ สำหรับโครงการระบบอัตโนมัติของเครื่องจักรใหม่ที่มีจำนวน I/O ต่ำกว่า 200 จุด ปัจจุบัน PLC แบบโมดูลาร์ขนาดกะทัดรัดเป็นจุดเริ่มต้นเริ่มต้นสำหรับวิศวกรระบบอัตโนมัติส่วนใหญ่ แทนที่จะเป็นระบบแบบแร็คขนาดใหญ่ซึ่งจำเป็นเมื่อทศวรรษที่แล้ว

ภาษาการเขียนโปรแกรม PLC ภายใต้ IEC 61131-3

การเขียนโปรแกรม PLC ได้รับมาตรฐานภายใต้ IEC 61131-3 ซึ่งกำหนดภาษาการเขียนโปรแกรมห้าภาษาที่สภาพแวดล้อมการพัฒนา PLC ที่เป็นไปตามข้อกำหนดต้องรองรับ ภาษาที่แตกต่างกันเหมาะกับตรรกะการควบคุมประเภทต่างๆ และภูมิหลังทางวิศวกรรมที่แตกต่างกัน และเครื่องมือการเขียนโปรแกรม PLC ที่ทันสมัยที่สุดก็อนุญาตให้ใช้หลายภาษาภายในโปรเจ็กต์เดียวได้ ช่วยให้วิศวกรสามารถเลือกภาษาที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแต่ละส่วนของโปรแกรมได้

แผนภาพบันได (LD)

Ladder Diagram เป็นภาษาการเขียนโปรแกรม PLC ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอเมริกาเหนือและในสภาพแวดล้อมการผลิตแบบแยกส่วน การแสดงกราฟิกเลียนแบบไดอะแกรมลอจิกรีเลย์ที่ PLC ได้รับการออกแบบมาเพื่อแทนที่ โดยขั้นแนวนอนของลอจิกจะเชื่อมต่อรางส่งกำลังด้านซ้ายและขวา โดยมีสัญลักษณ์หน้าสัมผัสแบบปกติเปิดและปิดตามปกติซึ่งแสดงถึงสภาวะอินพุต และสัญลักษณ์คอยล์ที่แสดงถึงคำสั่งเอาต์พุต ลอจิกแลดเดอร์ใช้งานง่ายสำหรับวิศวกรไฟฟ้าที่คุ้นเคยกับไดอะแกรมวงจรรีเลย์ และอ่านและแก้ไขปัญหาออนไลน์ได้ง่าย (เมื่อ PLC อยู่ในโหมดการทำงาน องค์ประกอบที่ทำงานอยู่จะถูกเน้นในซอฟต์แวร์การเขียนโปรแกรม ทำให้สามารถตรวจสอบสภาพข้อบกพร่องด้วยสายตา) ข้อจำกัดของ Ladder Diagram คือ จะกลายเป็นเรื่องยุ่งยากสำหรับการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อน การจัดการข้อมูล และการเขียนโปรแกรมตามลำดับที่แสดงออกมาอย่างเป็นธรรมชาติมากขึ้นในภาษาที่เป็นข้อความ

แผนภาพบล็อกฟังก์ชัน (FBD)

แผนภาพบล็อกฟังก์ชันแสดงถึงตรรกะการควบคุมเป็นบล็อกกราฟิกที่เชื่อมต่อถึงกัน แต่ละบล็อกจะห่อหุ้มฟังก์ชันเฉพาะ (เกตและตัวควบคุม PID ตัวนับ ตัวจับเวลา บล็อกฟังก์ชันมอเตอร์) พร้อมการเชื่อมต่ออินพุตและเอาต์พุตที่แสดงเป็นสายไฟระหว่างบล็อก FBD เป็นภาษาที่โดดเด่นในการใช้งานการควบคุมกระบวนการ โดยจะจับคู่อย่างเป็นธรรมชาติกับการแสดงแผนภาพท่อและเครื่องมือวัด (P&ID) ที่วิศวกรกระบวนการคุ้นเคย และการห่อหุ้มฟังก์ชันที่ซับซ้อน (ลูป PID การควบคุมวาล์ว การป้องกันมอเตอร์) ในบล็อกฟังก์ชันที่ใช้ซ้ำได้มาตรฐานช่วยลดความพยายามในการเขียนโปรแกรมอย่างมากในการใช้งานในโรงงานในกระบวนการผลิต แพลตฟอร์ม PLC ที่มุ่งเน้นกระบวนการและความปลอดภัยส่วนใหญ่มีคลังฟังก์ชันบล็อกที่สอดคล้องกับมาตรฐาน IEC 61511 มากมายสำหรับฟังก์ชันการควบคุมกระบวนการและความปลอดภัยทั่วไป

ข้อความที่มีโครงสร้าง (ST)

ข้อความที่มีโครงสร้างเป็นภาษาข้อความระดับสูงทางวากยสัมพันธ์ที่คล้ายคลึงกับ Pascal หรือ C รองรับคำสั่งแบบมีเงื่อนไข ลูป นิพจน์ทางคณิตศาสตร์ การจัดการสตริง และโครงสร้างข้อมูลที่ซับซ้อนซึ่งยุ่งยากหรือเป็นไปไม่ได้ในภาษากราฟิก ST ถูกใช้มากขึ้นโดยวิศวกรระบบอัตโนมัติที่มีพื้นฐานการพัฒนาซอฟต์แวร์ และเป็นภาษาที่ต้องการสำหรับการประมวลผลข้อมูลที่ซับซ้อน การจัดการสูตรอาหาร การจัดการการสื่อสาร และแอปพลิเคชันใดๆ ที่ต้องการตรรกะอัลกอริทึมที่ซับซ้อน ซึ่งภาษากราฟิกไม่สามารถแสดงได้อย่างมีประสิทธิภาพ คำจำกัดความของ Structured Text ของมาตรฐาน IEC 61131-3 ทำให้สามารถพกพาได้อย่างแท้จริงระหว่างแพลตฟอร์ม PLC ที่แตกต่างกัน - โค้ดที่เขียนด้วย ST สำหรับ PLC ของแบรนด์หนึ่งสามารถปรับให้เข้ากับแพลตฟอร์มของแบรนด์อื่นได้โดยมีการแก้ไขเล็กน้อย ซึ่งแตกต่างจากโค้ด Ladder Diagram ซึ่งมีแนวโน้มที่จะใช้คำแนะนำและแบบแผนเฉพาะของผู้ผลิต

แผนภูมิฟังก์ชันตามลำดับ (SFC)

แผนภูมิฟังก์ชันตามลำดับแสดงถึงโปรแกรมควบคุมเป็นผังงานของขั้นตอนและการเปลี่ยนผ่าน แต่ละขั้นตอนประกอบด้วยการดำเนินการ (โปรแกรมใน LD, FBD หรือ ST) และการเปลี่ยนแต่ละครั้งจะกำหนดเงื่อนไขที่ต้องทำให้สำเร็จเพื่อให้โปรแกรมก้าวไปสู่ขั้นตอนถัดไป SFC เป็นภาษาธรรมชาติสำหรับการใช้งานในการเรียงลำดับ เช่น รอบเครื่องซักผ้า ลำดับกระบวนการเป็นชุด การประกอบแบบหลายขั้นตอน และการใช้งานใดๆ ที่เครื่องจักรต้องดำเนินการตามชุดที่กำหนดไว้ตามลำดับ การเขียนโปรแกรมกระบวนการตามลำดับที่ซับซ้อนใน Ladder Diagram จะสร้างโปรแกรมขนาดใหญ่และยากต่อการปฏิบัติตาม ลำดับเดียวกันที่แสดงใน SFC สามารถอ่านได้ทันทีเป็นผังกระบวนการ และแก้ไขข้อบกพร่องและแก้ไขได้ง่ายกว่ามาก

โปรโตคอลการสื่อสารทางอุตสาหกรรมที่รองรับโดย Modern PLC

ตัวควบคุมลอจิกแบบตั้งโปรแกรมได้สมัยใหม่นั้นเป็นอุปกรณ์เครือข่ายพอๆ กับที่เป็นตัวควบคุมอัตโนมัติ ความสามารถในการสื่อสารของ PLC เป็นตัวกำหนดว่าจะรวมเข้ากับอุปกรณ์อัตโนมัติ ระบบการควบคุมดูแล ฐานข้อมูลองค์กร และแพลตฟอร์มคลาวด์อื่นๆ ได้อย่างไร ซึ่งเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมพัฒนาไปสู่สถาปัตยกรรมอุตสาหกรรม 4.0 ที่เชื่อมต่อกัน

• อีเธอร์เน็ต/ไอพี: โปรโตคอลอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมที่โดดเด่นในระบบนิเวศ Allen-Bradley / Rockwell Automation และได้รับการสนับสนุนอย่างกว้างขวางโดย I/O ไดรฟ์ และเครื่องมือของบริษัทอื่น EtherNet/IP ใช้โครงสร้างพื้นฐาน TCP/IP และ UDP มาตรฐาน ช่วยให้ PLC สามารถแชร์เครือข่ายอีเธอร์เน็ตทางกายภาพเดียวกันกับระบบสำนักงาน ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพทางอุตสาหกรรมที่กำหนดได้ผ่านการจัดการการรับส่งข้อมูล เป็นเกณฑ์วิธีทางเลือกสำหรับระบบอัตโนมัติการผลิตขนาดใหญ่ในอเมริกาเหนือ
• กำไร: โปรโตคอลอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมที่พัฒนาและส่งเสริมโดย Siemens และองค์กร PROFIBUS และ PROFINET International (PI) PROFINET เป็นแกนหลักการสื่อสารมาตรฐานสำหรับระบบ PLC ของ Siemens S7 และได้รับการสนับสนุนอย่างกว้างขวางในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมของยุโรป PROFINET IRT (Isochronous Real Time) ให้รอบเวลาต่ำกว่ามิลลิวินาทีสำหรับแอปพลิเคชันควบคุมการเคลื่อนไหวที่ต้องการการซิงโครไนซ์ที่แน่นหนาระหว่างหลายแกน
• Modbus TCP/RTU: โปรโตคอลการสื่อสารทางอุตสาหกรรมที่เก่าแก่และได้รับการสนับสนุนในระดับสากลมากที่สุด มีอยู่ใน PLC เครื่องมือ และอุปกรณ์ภาคสนามแทบทุกเครื่องในตลาด Modbus นั้นเรียบง่าย มีการจัดทำเอกสารอย่างดี และไม่มีค่าลิขสิทธิ์ ทำให้เป็นตัวเลือกเริ่มต้นสำหรับการรวมเครื่องมือของบุคคลที่สามและอุปกรณ์รุ่นเก่าเข้ากับระบบ PLC สมัยใหม่ ข้อจำกัด — ไม่มีคุณสมบัติการรักษาความปลอดภัยแบบเนทีฟ ความสามารถในการวินิจฉัยที่จำกัด และสถาปัตยกรรมมาสเตอร์สเลฟที่จำกัดการกำหนดค่าแบบมัลติมาสเตอร์ นำไปสู่การแทนที่โดย EtherNet/IP และ PROFINET ในระบบอัตโนมัติใหม่ แต่ความพร้อมใช้งานสากลทำให้มั่นใจได้ว่าจะยังคงใช้งานมานานหลายทศวรรษ
• OPC UA (สถาปัตยกรรมแบบรวม): มาตรฐานสมัยใหม่สำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลที่ปลอดภัยและไม่ขึ้นกับแพลตฟอร์มระหว่างระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและระบบระดับสูงกว่า รวมถึง SCADA, MES, ERP และแพลตฟอร์มคลาวด์ OPC UA มอบโมเดลข้อมูลที่เป็นมาตรฐาน การรักษาความปลอดภัยในตัว (การรับรองความถูกต้อง การอนุญาต และการเข้ารหัส) และความสามารถในการแสดงโครงสร้างข้อมูลที่ซับซ้อนและความสัมพันธ์ แทนที่จะเป็นเพียงค่ารีจิสเตอร์ดิบ การนำ OPC UA มาใช้เป็นอินเทอร์เฟซการสื่อสารสำหรับสถาปัตยกรรม Industry 4.0 และ IIoT ทำให้ความสามารถของเซิร์ฟเวอร์ OPC UA แบบเนทีฟใน PLC CPU เป็นคุณสมบัติมาตรฐานของแพลตฟอร์มอัตโนมัติระดับไฮเอนด์
• IO-ลิงค์: มาตรฐานการสื่อสารแบบอนุกรมแบบจุดต่อจุดสำหรับการเชื่อมต่อเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์อัจฉริยะกับระบบ PLC I/O ให้การสื่อสารดิจิทัลแบบสองทิศทางที่ช่วยให้สามารถแลกเปลี่ยนการตั้งค่าพารามิเตอร์ การวินิจฉัย และข้อมูลการระบุระหว่างอุปกรณ์ภาคสนามและ PLC นอกเหนือจากค่ากระบวนการหลัก IO-Link กำลังแทนที่การเชื่อมต่อ 4-20mA และ I/O แบบดิจิทัลอย่างรวดเร็วสำหรับการติดตั้งเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์ใหม่ เนื่องจากความสามารถในการวินิจฉัยและการกำหนดพารามิเตอร์เพิ่มเติมที่มอบให้จะช่วยลดเวลาการทดสอบการทำงาน และปรับปรุงความสามารถในการบำรุงรักษาแบบคาดการณ์ได้อย่างมาก

ผู้ผลิต PLC รายใหญ่และระบบนิเวศของพวกเขา

ตลาด PLC ถูกครอบงำโดยบริษัทระบบอัตโนมัติขนาดใหญ่จำนวนไม่มาก ซึ่งแต่ละบริษัทนำเสนอระบบนิเวศที่สมบูรณ์ของฮาร์ดแวร์ PLC, ซอฟต์แวร์การเขียนโปรแกรม, โมดูล I/O, ไดรฟ์, แผง HMI และโครงสร้างพื้นฐานการสื่อสารที่ออกแบบมาเพื่อทำงานร่วมกันได้อย่างราบรื่น การเลือก PLC จากผู้ผลิตรายใดรายหนึ่งโดยทั่วไปหมายถึงการมุ่งมั่นต่อระบบนิเวศของผู้ผลิตรายนั้นสำหรับระบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบ ซึ่งมีผลกระทบที่สำคัญต่อการบูรณาการ อะไหล่ การฝึกอบรม และการสนับสนุนระยะยาว

PLC กับ DCS กับ SCADA: ทำความเข้าใจความแตกต่าง

PLC มักถูกพูดถึงควบคู่ไปกับระบบควบคุมแบบกระจาย (DCS) และระบบการควบคุมดูแลและการได้มาซึ่งข้อมูล (SCADA) และขอบเขตระหว่างหมวดหมู่เหล่านี้ก็พร่ามัวอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทคโนโลยีพัฒนาขึ้น การทำความเข้าใจความแตกต่าง - และจุดที่มาบรรจบกัน - เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการระบุสถาปัตยกรรมอัตโนมัติที่ถูกต้องสำหรับแอปพลิเคชันที่กำหนด

ระบบควบคุมแบบกระจายคือสถาปัตยกรรมระบบอัตโนมัติซึ่งมีการกระจายฟังก์ชันการควบคุมไปยังตัวควบคุมหลายตัวที่ใช้งานใกล้กับกระบวนการที่ถูกควบคุม โดยทั้งหมดนี้เชื่อมต่อกับระบบการควบคุมดูแลแบบรวมศูนย์ผ่านเครือข่ายโรงงานที่มีความน่าเชื่อถือสูง ระบบ DCS ได้รับการพัฒนาสำหรับการใช้งานในกระบวนการต่อเนื่องขนาดใหญ่ เช่น น้ำมันและก๊าซ ปิโตรเคมี การผลิตไฟฟ้า การผลิตยา ซึ่งต้องใช้ลูปควบคุมแบบอะนาล็อกนับพัน ลอจิกการเชื่อมต่อที่ซับซ้อน และการจัดการสัญญาณเตือนที่ครอบคลุมทั่วทั้งโรงงานขนาดใหญ่ ระบบ DCS จัดลำดับความสำคัญของความพร้อมใช้งานสูง (ตัวควบคุมสำรอง, I/O, กำลังไฟ และเครือข่ายเป็นมาตรฐาน) ความสามารถด้านประวัติข้อมูลกระบวนการที่ครอบคลุม และจอแสดงผลสถานีผู้ควบคุมแบบรวม ความแตกต่างระหว่างระบบ PLC แบบโมดูลาร์ระดับไฮเอนด์สมัยใหม่และ DCS ระดับเริ่มต้นในปัจจุบันมีเพียงเล็กน้อยในแง่ของฟังก์ชันการทำงาน โดยความแตกต่างหลักๆ อยู่ที่สภาพแวดล้อมของซอฟต์แวร์ การมุ่งเน้นแอปพลิเคชันของผู้จำหน่าย และโมเดลเชิงพาณิชย์

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) หมายถึงชั้นการควบคุมดูแลโดยเฉพาะ ซึ่งเป็นระบบซอฟต์แวร์ที่รวบรวมข้อมูลจาก PLC และตัวควบคุมภาคสนามอื่นๆ นำเสนอข้อมูลกระบวนการแก่ผู้ปฏิบัติงานผ่านจอแสดงผล HMI แบบกราฟิก บันทึกข้อมูลประวัติ และอาจส่งคำสั่ง setpoint กลับไปยังตัวควบคุม SCADA ไม่ใช่สิ่งทดแทน PLC แต่เป็นเลเยอร์ที่อยู่เหนือ PLC ที่ให้การควบคุมดูแลโดยมนุษย์และการจัดการข้อมูล สถาปัตยกรรมระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมโดยทั่วไปจะรวม PLC ที่ระดับเครื่องจักรหรือการควบคุมกระบวนการ เครือข่ายอุตสาหกรรมที่ส่งข้อมูลระหว่าง PLC และระบบการควบคุมดูแล และระบบ SCADA หรือ MES ที่ให้อินเทอร์เฟซผู้ปฏิบัติงาน ข้อมูลประวัติ และการบูรณาการกับระบบธุรกิจ

ปัจจัยสำคัญในการประเมินเมื่อเลือก PLC สำหรับแอปพลิเคชันใหม่

การเลือกตัวควบคุมลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ที่เหมาะสมสำหรับเครื่องจักรใหม่หรือแอปพลิเคชันควบคุมกระบวนการนั้นเกี่ยวข้องกับการประเมินปัจจัยทางเทคนิคและเชิงพาณิชย์หลายประการ ซึ่งร่วมกันกำหนดว่าระบบจะตอบสนองความต้องการด้านการทำงาน ส่งมอบตามกำหนดเวลา และรองรับได้ตลอดอายุการใช้งานหรือไม่ กรอบการทำงานต่อไปนี้ครอบคลุมเกณฑ์การประเมินที่สำคัญที่สุด

• จำนวนและประเภท I/O: ระบุอินพุตและเอาต์พุตทั้งหมดที่จำเป็น — อินพุตดิจิทัล เอาต์พุตดิจิทัล อินพุตอะนาล็อก เอาต์พุตอะนาล็อก อินพุตตัวนับความเร็วสูง เอาท์พุตพัลส์เทรนสำหรับสเต็ปเปอร์มอเตอร์ และเพิ่มส่วนเผื่อความจุสำรอง 20 ถึง 25% สำหรับการแก้ไขและเพิ่มเติมในอนาคต ตรวจสอบให้แน่ใจว่าช่วงโมดูล I/O สำหรับตระกูล PLC ที่เลือกมีประเภทเฉพาะและช่วงแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์ภาคสนามของคุณ ไม่ใช่ทุกแพลตฟอร์ม PLC ที่เสนอตัวแปร I/O ทุกรูปแบบ และการปรับอุปกรณ์ภาคสนามที่ไม่ได้มาตรฐานให้อยู่ในช่วง I/O ที่จำกัดจะเพิ่มต้นทุนและความซับซ้อน
• ข้อกำหนดประสิทธิภาพการประมวลผล: ตรวจสอบว่าแอปพลิเคชันต้องการตรรกะในการเปลี่ยนรีเลย์มาตรฐานหรือไม่ (PLC สมัยใหม่ใดๆ ก็เพียงพอแล้ว), การควบคุมกระบวนการ PID (PLC แบบโมดูลาร์ขนาดกะทัดรัดส่วนใหญ่รองรับสิ่งนี้เป็นมาตรฐาน), การควบคุมการเคลื่อนไหว (ต้องใช้ PLC ที่มีความสามารถในการควบคุมการเคลื่อนไหวในตัวหรือตัวควบคุมการเคลื่อนไหวแยกต่างหาก) หรือฟังก์ชันด้านความปลอดภัย (ต้องใช้ PLC ความปลอดภัยระดับ SIL หรือโมดูลฟังก์ชันความปลอดภัย) จับคู่ข้อกำหนดเวลาในการสแกนของ CPU กับการตอบสนองการควบคุมที่ต้องการเร็วที่สุดในแอปพลิเคชัน — สำหรับการควบคุมการเคลื่อนไหวหรือการนับแอปพลิเคชันความเร็วสูง เวลาสแกนมาตรฐาน 5 ถึง 10 มิลลิวินาทีอาจไม่เพียงพอ
• ข้อกำหนดด้านการสื่อสาร: ระบุโปรโตคอลที่จำเป็นในการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์อื่นๆ ทั้งหมดในระบบ เช่น ไดรฟ์ แผง HMI เครื่องมือ ระบบวิชันซิสเต็ม หุ่นยนต์ และระบบกำกับดูแล ยืนยันว่า PLC สามารถทำหน้าที่เป็นหลัก ทาส หรือเพียร์ที่ต้องการในแต่ละความสัมพันธ์ในการสื่อสาร หากจำเป็นต้องมีการเชื่อมต่อ OPC UA กับระบบ SCADA หรือ MES ให้ตรวจสอบว่าสิ่งนี้มีอยู่ใน CPU หรือต้องใช้โมดูลการสื่อสารเพิ่มเติม
• ข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมและการติดตั้ง: ตรวจสอบช่วงอุณหภูมิการทำงาน, ระดับ IP (การป้องกันทางเข้า) ของโมดูล CPU และ I/O, พิกัดการสั่นสะเทือนและการกระแทก และใบรับรองเฉพาะใดๆ ที่จำเป็นสำหรับสภาพแวดล้อมการติดตั้ง — ATEX หรือ IECEx สำหรับบรรยากาศที่ระเบิดได้, การรับรองทางทะเลสำหรับการติดตั้งนอกชายฝั่งหรือบนเรือ หรือการรับรองอุตสาหกรรมเฉพาะสำหรับการประยุกต์ใช้กับอาหารและเครื่องดื่มหรือยา
• ซอฟต์แวร์การเขียนโปรแกรมและความพร้อมใช้งานของการฝึกอบรม: ประเมินความง่ายในการใช้งานสภาพแวดล้อมการเขียนโปรแกรม คุณภาพของเอกสารประกอบ และความพร้อมของการฝึกอบรมสำหรับทีมการเขียนโปรแกรมและการบำรุงรักษาที่จะทำงานร่วมกับระบบ แพลตฟอร์ม PLC ที่ทรงพลังซึ่งทีมวิศวกรไม่สามารถตั้งโปรแกรมได้อย่างมีประสิทธิภาพจะให้ผลลัพธ์ที่แย่กว่าระบบที่ระบุอย่างเรียบง่ายซึ่งทีมรู้จักดี หากโครงการเกี่ยวข้องกับแพลตฟอร์มที่ไม่คุ้นเคย ให้คำนึงถึงการฝึกอบรมและเวลาในการเรียนรู้ตามความเป็นจริงในกำหนดการของโครงการ
• การสนับสนุนระยะยาวและวงจรชีวิตผลิตภัณฑ์: ตรวจสอบวงจรชีวิตผลิตภัณฑ์ที่ระบุไว้ของผู้ผลิตสำหรับตระกูล PLC ที่เฉพาะเจาะจง — มีการรับประกันความพร้อมจำหน่ายและการสนับสนุนอะไหล่เป็นเวลากี่ปี PLC บางตระกูลถูกยกเลิกโดยมีเส้นทางการเปลี่ยนแปลงที่จำกัด ปล่อยให้ระบบที่ติดตั้งไม่มีฮาร์ดแวร์ที่ล้าสมัย ต้องการแพลตฟอร์มจากผู้ผลิตที่แสดงให้เห็นถึงความมุ่งมั่นในการสนับสนุนระยะยาวและเส้นทางการโยกย้ายที่ชัดเจนเมื่อจำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงผลิตภัณฑ์ในที่สุด ตรวจสอบว่า CPU และโมดูล I/O ที่เลือกเป็นรายการที่ใช้งานจริงหรือผลิตภัณฑ์รุ่นเก่าที่ใกล้หมดอายุ

การบำรุงรักษา PLC การแก้ไขปัญหา และการจัดการวงจรชีวิต

ระบบ PLC ในการทำงานอย่างต่อเนื่องจำเป็นต้องมีการบำรุงรักษาเชิงรุกและการจัดการวงจรชีวิตเพื่อรักษาความน่าเชื่อถือและหลีกเลี่ยงการหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผน แนวทางปฏิบัติต่อไปนี้เป็นมาตรฐานในการดำเนินงานด้านวิศวกรรมระบบอัตโนมัติที่ดำเนินการอย่างดี

• การสำรองข้อมูลโปรแกรมและการควบคุมเวอร์ชัน: รักษาการสำรองข้อมูลปัจจุบันที่ตรวจสอบแล้วของโปรแกรม PLC และไฟล์การกำหนดค่าทั้งหมดไว้ในพื้นที่เก็บข้อมูลที่ปลอดภัยและควบคุมเวอร์ชัน PLC ที่สูญเสียโปรแกรมเนื่องจากแบตเตอรี่ขัดข้อง CPU ขัดข้อง หรือเขียนทับโดยไม่ได้ตั้งใจ อาจทำให้สายการผลิตหยุดทำงานโดยสิ้นเชิงจนกว่าโปรแกรมจะได้รับการกู้คืน ทดสอบขั้นตอนการกู้คืนจากการสำรองข้อมูลอย่างน้อยปีเพื่อยืนยันว่าการสำรองข้อมูลเสร็จสมบูรณ์และกระบวนการกู้คืนทำงานได้อย่างถูกต้อง
• การบำรุงรักษาแบตเตอรี่: PLC CPU ส่วนใหญ่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมเพื่อรักษาหน่วยความจำโปรแกรมและค่านาฬิกาแบบเรียลไทม์ในระหว่างที่ไฟฟ้าดับ โดยทั่วไปอายุการใช้งานแบตเตอรี่คือสามถึงห้าปี และ CPU ส่วนใหญ่จะส่งสัญญาณเตือนแบตเตอรี่เหลือน้อยก่อนที่จะเกิดความล้มเหลว เปลี่ยนแบตเตอรี่ตามกำหนดเวลา — ทุกปีในการใช้งานที่สำคัญ — แทนที่จะรอการแจ้งเตือนแบตเตอรี่เหลือน้อย ซึ่งทำให้มีอัตราไม่เพียงพอสำหรับการหยุดทำงานเป็นเวลานานโดยไม่ได้วางแผนไว้
• อัพเดตเฟิร์มแวร์: ผู้ผลิต PLC จะเผยแพร่การอัปเดตเฟิร์มแวร์เป็นประจำซึ่งแก้ไขจุดอ่อนด้านความปลอดภัย แก้ไขจุดบกพร่อง และเพิ่มคุณสมบัติต่างๆ สร้างกระบวนการประเมินและปรับใช้การอัปเดตเฟิร์มแวร์ ไม่ใช่ทุกการอัปเดตที่ควรใช้ทันทีในระบบที่ใช้งานจริง แต่การเพิกเฉยต่อการอัปเดตทั้งหมดจะสร้างความเสี่ยงด้านความปลอดภัยและอาจทำให้จุดบกพร่องที่ทราบไม่ได้รับการแก้ไข ทดสอบการอัปเดตเฟิร์มแวร์บนระบบที่ไม่ใช่การผลิตก่อนที่จะนำไปใช้กับ PLC ที่ใช้งานจริง
• การจัดการอะไหล่: รักษาสินค้าคงคลังอะไหล่ให้เหมาะสมกับความสำคัญของกระบวนการควบคุม อย่างน้อยที่สุด ให้เตรียมอะไหล่ไว้หนึ่งชิ้นสำหรับโมดูล CPU แต่ละตัวและประเภทโมดูล I/O ที่ใช้บ่อยที่สุด สำหรับการใช้งานที่สำคัญซึ่งมีต้นทุนการหยุดทำงานสูงมาก ให้เก็บชั้นวางหรือระบบสำรองที่สมบูรณ์ไว้ในสถานะพร้อมใช้งาน แนวทางที่ถูกต้องในการจัดหาอะไหล่คือการกำหนดระยะเวลาหยุดทำงานสูงสุดที่ยอมรับได้สำหรับระบบและดำเนินการย้อนกลับเพื่อกำหนดสินค้าคงคลังที่จำเป็นเพื่อให้บรรลุเป้าหมายดังกล่าว
• การรักษาความปลอดภัยทางไซเบอร์ที่แข็งแกร่งขึ้น: ระบบ PLC ที่เชื่อมต่อกับเครือข่ายโรงงานและอื่นๆ ตกเป็นเป้าหมายของการโจมตีทางไซเบอร์มากขึ้น เหตุการณ์ Stuxnet แสดงให้เห็นว่าแม้แต่ระบบควบคุมอุตสาหกรรมที่แยกออกมาก็สามารถถูกโจมตีได้ การรักษาความปลอดภัยทางไซเบอร์ขั้นพื้นฐานสำหรับระบบ PLC รวมถึงการแบ่งส่วนเครือข่าย (การแยกเครือข่ายควบคุมออกจากเครือข่ายไอทีขององค์กรด้านหลังโซนปลอดทหาร) การปิดใช้งานพอร์ตการสื่อสารและบริการที่ไม่ได้ใช้บน CPU PLC การใช้การควบคุมการเข้าถึงของผู้ใช้และนโยบายรหัสผ่านในซอฟต์แวร์การเขียนโปรแกรม และการตรวจสอบการรับส่งข้อมูลเครือข่ายเพื่อหาความผิดปกติโดยใช้ระบบตรวจจับการบุกรุกทางอุตสาหกรรม