支持工業(yè)4.0工廠的大規(guī)模定制、高質(zhì)量和可持續(xù)運(yùn)營

對于工業(yè)4.0自動化制造系統(tǒng)的設(shè)計人員來說，通過高質(zhì)量和可持續(xù)的生產(chǎn)流程支持大規(guī)模定制可能具有挑戰(zhàn)性。需要在各種有線和無線網(wǎng)絡(luò)上部署和連接多個傳感和控制設(shè)備，并且需要實時監(jiān)控其狀態(tài)和能耗，同時滿足既定的可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)。

為了適應(yīng)各種功能、網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控和標(biāo)準(zhǔn)要求，同時確保可擴(kuò)展性和靈活性，工業(yè) 4.0 的自動化系統(tǒng)設(shè)計人員不必自己將它們拼湊在一起。相反，他們可以采用緊湊的集成控制器，以實現(xiàn)具有高質(zhì)量和可持續(xù)性的靈活生產(chǎn)系統(tǒng)。這些控制器具有眾多嵌入式控制和能源管理功能、數(shù)字和模擬輸入和輸出 （IO），以及實現(xiàn)可擴(kuò)展、靈活和高度可持續(xù)的工業(yè) 4.0 工廠所需的安全通信功能。

本文簡要概述了典型的工業(yè)4.0工廠自動化元素和要求。然后，介紹了西門子的一系列緊湊型可擴(kuò)展控制器，作為可編程邏輯控制器（PLC）的示例，其中包含集成的通信接口和技術(shù)功能。最后，它回顧了國際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）50001和運(yùn)營能源管理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括一個可持續(xù)發(fā)展能源管理實施的例子。

工業(yè)4.0工廠的關(guān)鍵要素

典型的工業(yè) 4.0 工廠應(yīng)用包括溫度控制、泵和風(fēng)扇控制、輸送機(jī)系統(tǒng)和包裝機(jī)等設(shè)備，這些設(shè)備需要靈活的集成和精度以確保高質(zhì)量的生產(chǎn)。此外，需要持續(xù)監(jiān)測和分析這些設(shè)備的能耗，以支持高效和可持續(xù)的運(yùn)營。此外，這一切都需要多層有線和無線連接的支持，從分布式傳感器和控制器到電機(jī)驅(qū)動器、電表以及機(jī)器技術(shù)人員和操作員的實時。

為了滿足這些不同的需求，同時加快過程部署和重新配置，最大限度地延長正常運(yùn)行時間并確保高效運(yùn)行，自動化系統(tǒng)設(shè)計人員需要具有多個關(guān)鍵功能的專用過程控制器。這些特性包括安全通信接口、數(shù)字和模擬 IO，以及集成控制功能，如高速計數(shù)器、脈寬調(diào)制 （PWM）、脈沖序列輸出、速度控制、定位、狀態(tài)監(jiān)控和能源管理。此外，還需要提供支持串行通信、PROFIBUS、IO-Link、執(zhí)行器傳感器接口（AS-Interface）、MODBUS實時單元（RTU）、通用串行接口（USI）、TCP/IP和移動無線標(biāo)準(zhǔn)等協(xié)議的通信接口。

工業(yè) 4.0 連接

為了滿足工業(yè) 4.0 的連接要求，西門子的 SIMATIC S7-1200 系列 PLC 支持將傳感器、執(zhí)行器和電機(jī)連接到人機(jī)界面 （HMI） 和云。它使用OPC統(tǒng)一架構(gòu)（OPC UA），這是一種用于工業(yè)自動化的機(jī)器對機(jī)器（M2M）通信協(xié)議。OPC UA具有獨立于平臺的面向服務(wù)的架構(gòu)，可簡化連接。它支持在固有的安全環(huán)境中集成所有類別的設(shè)備、自動化系統(tǒng)和軟件應(yīng)用程序。它包括現(xiàn)場級通信 （FLC） 計劃指定的現(xiàn)場擴(kuò)展，基于 OPC UA 框架并在國際電工委員會 （IEC） 62541 中指定。

FLC 為設(shè)備供應(yīng)商提供了一個獨立的平臺，用于安全可靠的通信，強(qiáng)調(diào)身份驗證、簽名和數(shù)據(jù)加密。OPC UA不僅僅是一種M2M通信協(xié)議;它旨在支持工廠網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)之間的連接。西門子 SIMATIC S7-1200 PLC 上的 OPC UA 數(shù)據(jù)訪問可實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的水平和垂直通信，并符合行業(yè)特定要求，例如機(jī)器自動化和控制包裝機(jī)器語言組織 （OMAC PackML），這是一種自動化標(biāo)準(zhǔn)，可以更輕松地傳輸一致的機(jī)器數(shù)據(jù)，以及 Weihenstephan 標(biāo)準(zhǔn) （WS）， 它定義了用于將機(jī)器數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化傳輸?shù)礁呒墑e的IT系統(tǒng)的通信接口。在S7-1200 PLC上實施OPC UA的主要功能包括（圖1）：

能夠在 PLC 和任何更高級別的、面向業(yè)務(wù)的軟件層之間有效地添加新流程。

使用西門子 OPC UA 建模編輯器簡化行業(yè)特定配套規(guī)范的實施。

通過無線連接到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的云連接。

DNS 名稱解析，用于通過開放用戶通信 （OUC） 簡化尋址，包括加密。

一種使用可選附件安全發(fā)送電子郵件的方法。

可擴(kuò)展的控制器

除了集成對OPC UA通信的支持外，7ES1200AG6XB72141（圖400）和0ES2BG6XB72151等S400-0控制器還具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性。前者由 24 伏直流 （VDC） 電源供電，具有 24 VDC 輸入和輸出，而后者由 120 或 230 伏交流電 （VAC） 電源供電，具有 24 VDC 輸入和繼電器輸出。

所有 S7-1200 控制器都具有集成 IO，可模塊化擴(kuò)展，并具有多種通信選項。西門子全集成自動化 （TIA） 門戶為開發(fā)控制程序提供了簡單的軟件環(huán)境，SIMATIC 自動化工具可用于現(xiàn)場操作和維護(hù) SIMATIC S7-1200 控制器。其他功能包括：

支持可擴(kuò)展性和靈活性的PROFINET接口。

安全功能，包括全面的訪問、復(fù)制和操作保護(hù)。

診斷，消息以簡單的純文本形式顯示在西門子 TIA 博途、通過 Web 服務(wù)器、SIMATIC HMI 和 SIMATIC 自動化工具中，無需額外編程。

某些型號中的安全功能，可以執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和安全相關(guān)程序，適用于IEC 3中定義的安全完整性等級3（SIL61508）和ISO 62061中定義的IEC 13849和性能等級e（PLe）的應(yīng)用。

圖 2：西門子 S7-1200 控制器集成了 OPC UA 通信支持。（圖片來源：西門子）

高速計數(shù)器、PWM、脈沖序列輸出、速度控制和定位等集成技術(shù)功能使這些控制器適用于溫度控制、泵和風(fēng)扇控制、輸送機(jī)技術(shù)和包裝機(jī)。它們針對回路控制、稱重、能源管理、高速計數(shù)、射頻識別 （RFID） 和狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行了優(yōu)化。

靈活的通信選項

全面的網(wǎng)絡(luò)選項是 S7-1200 PLC 的標(biāo)志。 支持的通信協(xié)議包括：

PROFINET：一種開放的工業(yè)以太網(wǎng)（IE）標(biāo)準(zhǔn)。集成的PROFINET接口使用TCP / IP標(biāo)準(zhǔn)，可用于編程或與HMI設(shè)備和其他控制器通信。

PROFIBUS：這是一個現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。借助 PROFIBUS，S7-1200 控制器可以建立從現(xiàn)場級到控制級的統(tǒng)一通信。

AS接口：這是執(zhí)行器和傳感器的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。最多可連接 62 個 AS-Interface 標(biāo)準(zhǔn)從站，如電機(jī)起動器、位置開關(guān)和模塊。

除了集成通信功能外，還提供支持其他協(xié)議的模塊，例如：

卡諾

Modbus RTU

Modbus TCP

IO-Link

通用分組無線業(yè)務(wù) （GPRS）/長期演進(jìn) （LTE）

RS-485、RS-422 和 RS-232

TS2

實現(xiàn)大規(guī)模定制和高質(zhì)量

S7-1200 PLC 具有廣泛的功能和通信能力，能夠適應(yīng)工業(yè) 4.0 中大規(guī)模定制和高質(zhì)量的驅(qū)動力。雖然有許多方法可以實現(xiàn)這些目標(biāo)，但以下示例顯示了使用通信擴(kuò)展模塊進(jìn)行無線蜂窩連接，RS-485/USS/Modbus RTU 串行連接用于電機(jī)控制，以及 IO-Link 用于更簡單地連接到傳感器和執(zhí)行器（圖 3）。

圖 3：外部（左側(cè)和右側(cè)）和內(nèi)部（紅色框頂部中心）擴(kuò)展模塊的組合支持S7-1200 PLC 的可擴(kuò)展通信。（圖片來源：西門子）

在圖3中，“CM CP”是一個GPRS無線通信模塊，如6GK72427KX310XE0，可用于云連接。像485ES6CH72411XB301這樣的RS-0通信板位于S7-1200 PLC（“CPU”）內(nèi)，用于通過USS/Modbus RTU接口與電機(jī)驅(qū)動器（SINAMIC V20）通信。右側(cè)的“SM”包含一個 IO-Link 主通信模塊，如 6ES72784BD320XB0。IO-Link 主站連接到左側(cè)和中間的兩個傳感器，以及右側(cè)的 IO-Link 集線器。集線器可以連接到其他 IO-Link 設(shè)備。

可持續(xù)能源管理

能源效率和可持續(xù)性的提高依賴于智能能源管理，而智能能源管理又依賴于更精細(xì)和實時的能源消耗數(shù)據(jù)。它越來越多地從考慮ISO 50001運(yùn)營能源管理標(biāo)準(zhǔn)開始。這是一個基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，提供了一個需求框架，包括制定政策、目標(biāo)和目標(biāo)，以提高能源使用效率，以及使用數(shù)據(jù)來衡量結(jié)果。ISO 50001 受其他標(biāo)準(zhǔn)支持，包括：

ISO 50003 確保能源管理系統(tǒng) （EnMS） 的有效性。它包括審核、人員能力要求以及審核和多站點抽樣的持續(xù)時間。

ISO 50004 幫助組織采取系統(tǒng)的方法來實現(xiàn)能源管理和能源績效的持續(xù)改進(jìn)。

ISO 50006擴(kuò)展了如何滿足ISO 50001要求，包括制定和維護(hù)能源績效指標(biāo)（EnPI）和能源基線（EnB），以進(jìn)行持續(xù)的績效監(jiān)控。

ISO 50006 中的 EnPI 和 EnB 能夠有效測量和管理能源績效，從而有助于優(yōu)化能源效率。除了提高可持續(xù)性外，更好的能源管理還可以節(jié)省大量成本。該標(biāo)準(zhǔn)定義了起點（EnBs）和有意義的績效指標(biāo)（EnPIs），并確定了四種類型的指標(biāo);“絕對”和“相對能源績效指標(biāo)”，以及“統(tǒng)計”和“技術(shù)”模型。

西門子的 S7-1200 控制器可以簡化這些 ISO 標(biāo)準(zhǔn)的實施，并支持高效的能源管理系統(tǒng)。自動化系統(tǒng)設(shè)計人員可以添加電能表模塊，以實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的實時測量、評估和顯示。圖 4 說明了一個典型應(yīng)用：

電機(jī)代表被監(jiān)控能耗的典型負(fù)載。

電流互感器將能耗轉(zhuǎn)換為電能表模塊的可測量量。該儀表還測量許多其他參數(shù)，如電壓和功率因數(shù)。

S7-1200控制器中的軟件評估測量結(jié)果，并將能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)日志中。它使用PROFINET IE總線通過SCALANCE工業(yè)路由器連接到PG / PC和HMI。

HMI顯示測量值，使操作員能夠評估功耗峰值等參數(shù)。

控制器還可以將數(shù)據(jù)日志以標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)頁的形式發(fā)送到PG / PC上。

圖 4：所示為典型的能源監(jiān)控應(yīng)用，可通過 S7-1200 PLC 輕松支持（圖片來源：西門子）

電能表模塊

在圖 4 所示的應(yīng)用中，可以使用 SM 1238 電能表模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（圖 5）。它可用于高達(dá) 480 VAC 的單相和三相電源系統(tǒng)。這些模塊可以為 S7-1200 控制器提供所需的數(shù)據(jù)，以支持符合 ISO 50001、50003、50004 和 50006 要求。它們可以記錄 200 多個電氣測量值和能量值，包括：

電流

電壓

相位角

頻率

功率因數(shù)

功耗

最小值和最大值

營業(yè)時間

能源/電氣工作

圖 5：SM 1238 是用于單相和三相電力系統(tǒng)的能源監(jiān)控模塊。（圖片來源：西門子）

結(jié)論

為了簡化和加速可持續(xù)工業(yè) 4.0 工廠網(wǎng)絡(luò)的部署，自動化系統(tǒng)設(shè)計人員可以使用 S7-1200 系列 PLC 和擴(kuò)展模塊。這些解決方案支持廣泛的安全通信選項，具有集成控制功能以及數(shù)字和模擬IO，并且可擴(kuò)展以支持包括能源管理在內(nèi)的各種應(yīng)用。

審核編輯 黃宇