作者：Steven Keeping

　　基于工业物联网 (IIoT) 的自动化有望加快上市时间、提高生产率、提高安全性、降低成本和提高质量。也就是说，仍然存在障碍。难以升级的遗留系统、过于保守的工程部门、封闭的系统以及缺乏专业知识是阻碍工业4.0革命的一些问题。

　　虽然合适的基于标准的技术为互联工厂提供了支柱，但许多传统或“主力”可编程逻辑控制器 (PLC) 硬件和软件的功能有限。这使得工程师很难快速实施工厂范围内的升级，以充分利用工业物联网。让事情变得更加复杂的是，工程师们冒着将昂贵的工厂升级基于技术的风险，而随着新技术的引入，这些技术可能会过时或不受支持。

　　可以从物联网的其他部分吸取经验教训，例如智能家居，其中开放系统、协作平台和可访问的软件使实施面向未来的智能解决方案变得更加容易。工业自动化制造商正在利用这些经验和知识。

　　本文简要讨论了部署 IIoT 技术的挑战，并解释了开放系统和工厂自动化硬件的进步如何提供解决方案。本文介绍了Phoenix Contact的下一代 PLC 硬件和软件的示例实现，并展示了它如何简化数据收集并将其发送到云端进行分析和自动决策。

　　PLC的重要性

　　工厂的支柱是 PLC，这是一种 20 世纪 60 年代末发明的数字设备，用于取代早期的继电器逻辑系统。 PLC 设计用于在恶劣的环境中工作多年而不会出现故障。这种可靠性的关键是注重简单性。在极少数情况下出现故障时，PLC 旨在排除故障并修复问题，以便快速恢复批量生产。

　　这些单元包括一个输入模块(从键盘、开关、继电器和传感器等数字和模拟输入设备接收数据)、电源、带有相关存储器的可编程 CPU 以及用于向连接设备发送信息的输出模块(图1)。

　　图 1：PLC 坚固可靠，是工厂自动化的支柱。 (图片来源：菲尼克斯电气)

　　传统 PLC 使用 IEC 61131-3 定义的五种语言之一进行编程。其中包括指令表 (IL)、符号流程图 (SFC)、梯形图 (LD)、功能块图 (FBD) 和结构化文本 (ST)。最流行的是 LD(梯形逻辑)，它使用符号来表示继电器、移位寄存器、计数器、定时器和数学运算等功能。符号根据所需的事件顺序排列。

　　PLC 制造商正在迅速适应通过实施工业以太网而取得的工厂自动化进步。工业以太网具有 IP 互操作性，是使用最广泛的有线网络选项，并拥有广泛的供应商支持。工业以太网的特点是坚固耐用的硬件和工业标准软件，是一种经过验证且成熟的工厂自动化技术(图2)。该硬件还配有工业以太网协议，包括以太网/IP、Modbus TCP 和 PROFINET。每一个都旨在确保工业自动化应用的高水平确定性。 (请参阅“使用基于工业以太网的电源和数据网络设计坚固的物联网应用”。)

　　图 2：工业以太网构成了现代工厂的通信主干。 (图片来源：菲尼克斯电气)

　　当今的许多 PLC 都提供内置以太网连接。对于具有非以太网接口的传统设备，以太网基础设施和 PLC 之间的鸿沟通过网关来弥合。 (请参阅“如何将传统工厂自动化系统不间断地连接到工业 4.0 ”。)

　　下一代 PLC

　　混合使用现代和传统系统的工厂可能会让工程师难以充分利用工业 4.0 所承诺的全部优势。然而，物联网其他部分(例如智能家居和物流行业)的经验教训表明，开放系统、协作平台和可访问的基于标准的软件可以更轻松地实施面向未来的智能解决方案。

　　从这些其他领域获得的知识鼓励 PLC 和相关系统制造商推出新一代产品，这些产品的运行方式与传统 PLC 类似，而不受传统硬件和软件的限制。菲尼克斯电气的 PLCnext 控制技术就是新一代的一个例子。

　　从软件角度来看，Phoenix Contact 1069208 PLCnext 控制器等产品代表了向开放式解决方案迈出的重大一步，该解决方案已开始主导物联网的其他领域。例如，PLCnext 与多种软件兼容，因此创新的工厂自动化应用程序可以轻松地从互联网下载并安装在 PLC 上，就像智能手机上的应用程序一样。

　　PLCnext 使用 Linux 操作系统 (OS)。它仍然可以使用 IEC 61131-3 定义的语言进行编程，但 Linux 使工程师可以轻松使用高级语言 C++、C#、Java、Python 和 Simulink 对 PLC 进行编程。这些简单易用的语言使更广泛的工程师群体可以使用现代工厂自动化。此外，PLCnext 还具有任务处理功能，使来自不同来源的程序例程能够作为传统 PLC 代码运行，高级语言程序自动变得确定性(图 3)。

　　图 3：PLCnext 具有任务处理功能，使来自不同来源的程序例程能够作为传统 PLC 代码运行。 (图片来源：菲尼克斯电气)

　　通过工业以太网硬件进行连接;控制系统运行在IP可互操作的PROFINET协议下，并使用PROFICLOUD物联网平台进行云计算支持。 PLC还支持其他开放标准协议，例如http、https、FTP、SNTP、SNMP、SMTP、SQL、MySQL和DCP。

　　该硬件基于运行速度为 1.3 GHz 的 Intel Atom 微处理器。 PLC 具有 1 GB 闪存和 2048 MB RAM。 IEC 61131 运行时系统具有 12 MB 程序存储器和 32 MB 程序数据存储。该装置最多可支持 63 个本地总线设备，需要 24 伏电源，最大电流消耗为 504 毫安 (mA)(图 4)。

　　图 4：PLCnext PLC 使用 Linux 操作系统并支持 IEC 61131-3 定义的传统语言以及更高级的语言。 (图片来源：菲尼克斯电气)

　　Phoenix Contact 的 PLCnext 系列包括 PLC 和工业自动化系统的其他关键元件，例如通信模块和管理型交换机。具体示例包括2403115通信模块和2702981托管网络地址转换 (NAT) 交换机。通信模块为 PLC 添加了额外的千兆位工业以太网接口。该模块具有独立的 MAC 地址，提供 PROFINET 支持，并包括以太网接口和逻辑之间的电气隔离。

　　该管理型交换机用于存储和转发以太网传输的信息，具有四个以太网 RJ45 端口、两个小型可插拔 (SFP) 端口和两个组合端口 (RJ45/SFP)。该交换机是 PROFINET 一致性 B 类产品。

　　改善工厂决策

　　工厂生产的优化至关重要，因为制造需要精度和可重复性。确保高精度和可重复性的关键是过程控制。在现代工厂中，工业物联网传感器和摄像头可以监控机器并测量成品组件，以发现产品中的任何微小偏差并相应地纠正流程。其他传感器会跟踪机器的健康状况，以便在磨损的机器开始出现故障之前预测维护需求。更多的传感器可以跟踪工厂的温度、湿度和空气质量。

　　PLCnext Control 的一个关键功能是，与传统 PLC 不同，它可以利用工厂数据。据 Phoenix Contact 称，只需将 PLC 连接到系统 3% 到 5% 的模拟和数字输入和输出 (I/O)，即可全面绘制制造流程，无需大量干预。

　　然后，PLCnext Control 可以连接到任何云服务，包括 Phoenix Contact 的 Proficloud.io、Amazon 的 AWS 或 Microsoft 的 Azure。因此，工厂系统可以获得强大的计算资源，以确保运营管理和维护流程尽可能高效地运行。其结果是更高的生产率、更好的产品质量和更低的成本。

　　PLCnext 入门

　　使用 PLCnext 控制器和相关单元相对简单。为了帮助启动 PLC 编程项目，菲尼克斯电气推出了1188165 PLCnext 技术入门套件。该套件包括2404267 PLCnext 控制模块 (PLC)、模块载体以及模拟或数字模块选择。

　　要使用入门套件，必须首先将 PLC 和模拟/数字模块单元连接到 24 伏直流 (VDC) 电源。接下来，在 PLC 和 PC 之间连接以太网电缆，并设置 PC 的 IP 地址。然后，将 PLC 的 IP 地址输入到 PC 上的浏览器窗口中。用户使用用户名和密码登录后，PLC 即可运行。进一步的指令由基于网络的管理系统提供。 PLC 的编程是使用PLCnext Engineer软件完成的。该软件允许工程师配置、诊断和可视化整个自动化解决方案。

　　PLCnext Engineer 支持使用 IEC 61131-3 定义的传统语言进行编程和配置。使用 C++ 和 C# 等高级语言进行编程也很简单。除了 PLCnext Engineer 之外，还可以在其他流行的集成开发环境 (IDE)(例如 Eclipse 或 Microsoft Visual Studio)中构建代码。然后可以将该软件作为库导入到 PLCnext Engineer 中，以便与任何兼容的 PLC 一起使用(图 5)。

　　图 5：PLCnext PLC 可以使用 PLCnext Engineer 的传统语言、IDE 的高级语言或基于模型的设计系统进行编程。 (图片来源：菲尼克斯电气)

　　PLCnext 技术的一个关键优势是，它允许多个开发人员独立并行地处理单个 PLC 程序，即使他们使用不同的编程语言。这使得复杂应用程序的快速开发成为可能，并允许具有传统语言技能的开发人员和具有高级语言技能的开发人员结合他们的才能。

　　结论

　　工业物联网有望改变工厂。然而，当工程师安装工业以太网时，工厂自动化的全部潜力却受到传统 PLC 的限制，这些 PLC 提供有限的连接和过时的软件。菲尼克斯电气的 PLCnext 技术基于开放系统、协作平台和可访问的软件。它可以将用传统语言编码的例程与用高级语言编写的例程结合起来，将工业自动化开放给面向未来的解决方案，从而提高生产率、提高产量、提高产品质量并降低成本。