Støtte til massetilpasning, høj kvalitet og bæredygtig drift i Industri 4.0-fabrikker

At understøtte massetilpasning med bæredygtige produktionsprocesser af høj kvalitet kan være en udfordring for designere af automatiserede produktionssystemer til Industri 4.0. Flere sensor- og kontrolenheder skal implementeres og forbindes på tværs af forskellige kablede og trådløse netværk, og deres tilstand og energiforbrug skal overvåges i realtid, alt imens de opfylder etablerede bæredygtighedsstandarder.

For at imødekomme de mange forskellige krav til funktioner, netværk, overvågning og standarder og samtidig sikre skalerbarhed og fleksibilitet behøver designere af automationssystemer til Industri 4.0 ikke at stykke det hele sammen selv. De kan i stedet inkorporere kompakte integrerede controllere til at implementere fleksible produktionssystemer med høje niveauer af kvalitet og bæredygtighed. Disse controllere har adskillige indlejrede kontrol- og energistyringsfunktioner, digitale og analoge indgange og udgange (IO'er) og de sikre kommunikationsfunktioner, der er nødvendige for at implementere en skalerbar, fleksibel og meget bæredygtig Industri 4.0-fabrik.

Denne artikel giver et kort overblik over typiske industri 4.0-fabriksautomatiseringselementer og -krav. Derefter introduceres en familie af kompakte og udvidelige controllere fra Siemens som eksempler på programmerbare logiske controllere (PLC'er), der indeholder integrerede kommunikationsinterface og teknologifunktioner. Den afsluttes med en gennemgang af International Standards Organization (ISO) 50001 og relaterede standarder for operationel energistyring, herunder et eksempel på en implementering af energistyring for bæredygtighed.

Nøgleelementer i en Industri 4.0-fabrik

En typisk Industri 4.0-fabriksapplikation omfatter enheder som temperaturstyring, pumpe- og ventilatorstyring, transportbåndssystemer og pakkemaskiner, der kræver fleksibel integration og præcision for at sikre produktion af høj kvalitet. Desuden skal disse enheders energiforbrug løbende overvåges og analyseres for at understøtte en effektiv og bæredygtig drift. Derudover skal det hele understøttes med flere lag af kablede og trådløse forbindelser, lige fra distribuerede sensorer og controllere til motordrev, energimålere og maskinteknikere og operatører i realtid.

For at imødekomme disse forskellige behov og samtidig fremskynde implementering og rekonfigurering af processer, maksimere oppetid og sikre effektiv drift, har designere af automatiseringssystemer brug for dedikerede procescontrollere med flere nøglefunktioner. Disse funktioner omfatter sikre kommunikationsinterfar, digitale og analoge IO'er samt integrerede kontrolfunktioner som højhastighedstællere, pulsbreddemodulation (PWM), pulssekvensudgange, hastighedskontrol, positionering, tilstandsovervågning og energistyring. Derudover skal der være kommunikationsinterfacer til rådighed, som understøtter protokoller som seriel kommunikation, PROFIBUS, IO-Link, aktuator sensor interface (AS-Interface), MODBUS real-time unit (RTU), universal seriel interface (USI), TCP/IP og mobile trådløse standarder.

Industri 4.0-forbindelse

For at imødekomme Industri 4.0-forbindelseskravene understøtter SIMATIC S7-1200-familien af PLC'er fra Siemens forbindelsen af sensorer, aktuatorer og motorer til menneske-maskine-interfacer (HMI'er) og til skyen. Den bruger OPC Unified Architecture (OPC UA), en M2M-kommunikationsprotokol (maskine-til-maskine) til industriel automatisering. OPC UA har en platformsuafhængig, serviceorienteret arkitektur, der forenkler tilslutningsmulighederne. Den understøtter integrationen af alle typer enheder, automatiseringssystemer og softwareapplikationer i et iboende sikkert miljø. Det omfatter feltudvidelser, der er specificeret af FLC-initiativet (Field Level Communication), baseret på OPC UA Framework og specificeret i International Electrotechnical Commission (IEC) 62541.

FLC giver udstyrsleverandører en uafhængig platform til sikker og pålidelig kommunikation, der lægger vægt på autentifikation, signering og datakryptering. OPC UA er mere end en M2M-kommunikationsprotokol; den er designet til at understøtte forbindelser mellem fabriksnetværk og forretningsnetværk. OPC UA Data Access på Siemens' SIMATIC S7-1200 PLC'er giver mulighed for standardiseret horisontal og vertikal kommunikation samt overholdelse af branchespecifikke krav såsom The Organization for Machine Automation and Control Packaging Machine Language (OMAC PackML), en automatiseringsstandard, der gør det lettere at overføre konsistente maskindata, samt Weihenstephan Standards (WS), der definerer et kommunikationsinterface til standardiseret transmission af maskindata til IT-systemer på højere niveau. De vigtigste funktioner i OPC UA-implementeringer på S7-1200 PLC'er omfatter (Figur 1):

• Evnen til effektivt at tilføje nye processer mellem PLC'er og forretningsorienterede softwarelag på et højere niveau.
• En forenklet implementering af branchespecifikke specifikationer med Siemens OPC UA Modeling Editor.
• Cloud-forbindelse via en trådløs forbindelse til et Ethernet-netværk.
• DNS-navneopløsning til forenklet adressering med åben brugerkommunikation (OUC), herunder kryptering.
• En metode til at sende e-mails sikkert med valgfrie vedhæftede filer.

Figur 1: OPC UA er et grundlæggende element i Industri 4.0 fabriksforbindelser. (Billedkilde: Siemens)

Skalerbare controllere

Ud over den integrerede understøttelse af OPC UA-kommunikation er S7-1200-controllere som 6ES72141AG400XB0 (figur 2) og 6ES72151BG400XB0 meget fleksible og skalerbare. Førstnævnte fungerer fra en 24 volt jævnstrøm (VDC) strømforsyning og har 24 VDC indgange og udgange, mens sidstnævnte fungerer fra en 120 eller 230 volt vekselstrøm (VAC) strømforsyning, med 24 VDC indgange og relæudgange.

Alle S7-1200-controllere har integrerede IO'er, kan udvides modulært og har flere kommunikationsmuligheder. Siemens Totally Integrated Automation (TIA)-portalen giver et enkelt softwaremiljø til udvikling af kontrolprogrammer, og SIMATIC-automatiseringsværktøjet kan bruges i marken til drift og vedligeholdelse af SIMATIC S7-1200-controllere. Yderligere funktioner omfatter:

• Et PROFINET-interface, der understøtter skalerbarhed og fleksibilitet.
• Sikkerhedsfunktioner, der inkluderer omfattende beskyttelse mod adgang, kopiering og manipulation.
• Diagnostik med meddelelser, der vises i enkel, almindelig tekst i Siemens TIA Portal, via en webserver, på SIMATIC HMI og i SIMATIC Automation Tool uden yderligere programmering.
• Sikkerhedsfunktioner i visse modeller, der kan udføre både standard- og sikkerhedsrelaterede programmer til applikationer op til Safety Integrity Level 3 (SIL3) defineret i IEC 61508, og IEC 62061 og Performance Level e (PLe) defineret i ISO 13849.

Figur 2: Siemens S7-1200-controllere har integreret OPC UA kommunikationssupport. (Billedkilde: Siemens)

Integrerede teknologifunktioner som højhastighedstællere, PWM, pulssekvensudgange, hastighedsstyring og positionering gør disse controllere velegnede til temperaturstyring, pumpe- og ventilatorstyring, transportteknologi og pakkemaskiner. De er optimeret til loop-kontrol, vejning, energistyring, højhastighedstælling, radiofrekvensidentifikation (RFID) og tilstandsovervågning.

Fleksible kommunikationsmuligheder

Omfattende netværksmuligheder er et kendetegn ved S7-1200 PLC'er. Understøttede kommunikationsprotokoller omfatter:

PROFINET: En åben Industrial Ethernet (IE)-standard. Det integrerede PROFINET-interface bruger TCP/IP-standarder og kan bruges til programmering eller til at kommunikere med HMI-enheder og ekstra controllere.

PROFIBUS: Dette er en fieldbus-standard. Med PROFIBUS kan S7-1200-controllere etablere ensartet kommunikation fra feltniveau til kontrolniveau.

AS-interface: Dette er en fieldbus-standard til aktuatorer og sensorer. Der kan tilsluttes op til 62 AS-Interface standard slaver, såsom motorstartere, positionsafbrydere og moduler.

Ud over de integrerede kommunikationsfunktioner findes der moduler, der understøtter yderligere protokoller som f.eks:

• CANopen
• Modbus RTU
• Modbus TCP
• IO-link
• General Packet Radio Service (GPRS)/Long Term Evolution (LTE)
• RS-485, RS-422 og RS-232
• USS

Opnåelse af massetilpasning og høj kvalitet

Deres brede vifte af funktioner og kommunikationsmuligheder gør det muligt for S7-1200 PLC'erne at imødekomme den udvikling mod massetilpasning og høj kvalitet, der finder sted som en del af Industri 4.0. Der er mange måder at nå disse mål på, men det følgende eksempel viser brugen af kommunikationsudvidelsesmoduler til trådløs mobilforbindelse, RS-485/USS/Modbus RTU seriel forbindelse til motorstyring og IO-Link til enklere forbindelse til sensorer og aktuatorer i forhold til feltbusser (figur 3).

Figur 3: Udvidelig kommunikation til S7-1200 PLC'er understøttes af en kombination af eksterne (venstre og højre) og interne (rød boks øverst i midten) udvidelsesmoduler. (Billedkilde: Siemens)

I figur 3 er "CM CP" et trådløst GPRS-kommunikationsmodul som 6GK72427KX310XE0, der kan bruges til cloud-forbindelse. Et RS-485-kommunikationskort som 6ES72411CH301XB0 sidder i en S7-1200 PLC ("CPU") og bruges til at kommunikere med et motordrev (SINAMICs V20) via USS/Modbus RTU-interfacet. "SM" til højre omfatter et IO-Link-masterkommunikationsmodul som 6ES72784BD320XB0. IO-Link-masteren er forbundet til to sensorer til venstre og i midten, samt til en IO-Link-hub til højre. Hub'en kan tilsluttes yderligere IO-Link-enheder.

Bæredygtig energistyring

Forbedret energieffektivitet og bæredygtighed er afhængig af intelligent energistyring, som igen er afhængig af mere detaljerede data om energiforbruget i realtid. Det begynder i stigende grad med overvejelser om ISO 50001-standarder for operationel energistyring. Dette er en grundlæggende standard, der giver en ramme af krav, herunder udvikling af politikker, mål og målsætninger for mere effektiv energianvendelse og brug af data til at måle resultaterne. ISO 50001 understøttes af yderligere standarder, herunder:

• ISO 50003 sikrer effektiviteten af energiledelsessystemer (EnMS). Det omfatter revision, krav til personalekompetencer og varigheden af revisioner og sampling på flere steder.
• ISO 50004 hjælper organisationer med at tage en systematisk tilgang til at opnå løbende forbedringer i energiledelse og energimæssig ydeevne.
• ISO 50006 uddyber, hvordan man opfylder ISO 50001-kravene, herunder udvikling og vedligeholdelse af indikatorer for energimæssig ydeevne (EnPI'er) og energibasislinjer (EnB'er) til løbende overvågning af ydeevnen.

EnPI'erne og EnB'erne i ISO 50006 muliggør effektiv måling og styring af energimæssig ydeevne, hvilket kan bidrage til at optimere energieffektiviteten. Ud over forbedringer i bæredygtighed fører bedre energistyring til betydelige omkostningsbesparelser. Standarden definerer udgangspunktet (EnBs) og meningsfulde præstationsmålinger (EnPIs), og den identificerer fire typer indikatorer; "absolutte" og "relative energipræstationsindikatorer" sammen med "statistiske" og "tekniske" modeller.

Siemens' S7-1200-controllere kan forenkle implementeringen af disse ISO-standarder og understøtte meget effektive energistyringssystemer. Designere af automatiseringssystemer kan tilføje et energimålermodul for at muliggøre måling, evaluering og visning af energiforbrugsdata i realtid. Figur 4 illustrerer en typisk anvendelse:

1. Motoren repræsenterer en typisk belastning, der overvåges for energiforbrug.
2. Strømtransformeren omdanner energiforbruget til en målbar størrelse for energimålermodulet. Måleren måler også mange andre parametre som spænding og effektfaktor.
3. Software i S7-1200-controlleren evaluerer målingerne og gemmer statistik over energiforbruget i en datalog. Den er forbundet til PG/PC og HMI via en SCALANCE industriel router ved hjælp af PROFINET IE-busser.
4. HMI'en viser de målte værdier og gør det muligt for operatørerne at evaluere parametre som f.eks. toppe i strømforbruget over tid.
5. Controlleren kan også sende dataloggen til PG/PC'en i form af standardwebsider.

Figur 4: Her ses en typisk energiovervågningsapplikation, som nemt kan understøttes med en S7-1200 PLC. (Billedkilde: Siemens)

Energimåler-modul

I en applikation som den, der er vist i figur 4, kan et SM 1238-energimålermodul bruges til dataopsamling (figur 5). Den kan bruges i enkelt- og trefasede forsyningssystemer op til 480 VAC. Disse moduler kan forsyne S7-1200-controllere med de data, der er nødvendige for at overholde kravene i ISO 50001, 50003, 50004 og 50006. De kan registrere over 200 elektriske målinger og energiværdier, herunder:

• Strøm
• Spænding
• Fasevinkler
• Frekvenser
• Strømfaktorer
• Strømforbrug
• Minimums- og maksimumsværdier
• Driftstimer
• Energi/elektrisk arbejde

Figur 5: SM 1238 er et energiovervågningsmodul til enkelt- og trefasede strømsystemer. (Billedkilde: Siemens)

Konklusion

For at forenkle og fremskynde implementeringen af bæredygtige Industri 4.0-fabriksnetværk kan designere af automatiseringssystemer bruge S7-1200-familien af PLC'er og udvidelsesmoduler. Disse løsninger understøtter en bred vifte af sikre kommunikationsmuligheder, har integrerede kontrolfunktioner og digitale og analoge IO'er og kan udvides til at understøtte en bred vifte af applikationer, herunder energistyring.

Anbefalet læsning

1. Sådan gør du smart-fabrik aktuatorer mere produktive ved hjælp af IO-Link
2. Sådan bruger du Traceability 4.0-løsninger til at forbedre produktsikkerhed, overholdelse og sporing
3. Programmering af PLC'er: Et teknisk resumé med Siemens-eksempler