Støtter massetilpasning, høy kvalitet og bærekraftig drift i fabrikker med Industri 4.0

Å støtte massetilpasning med bærekraftige produksjonsprosesser av høy kvalitet kan være utfordrende for designere av automatiserte produksjonssystemer for Industri 4.0. Flere deteksjons- (følings-) og kontrollenheter må distribueres og kobles sammen på tvers av ulike kablede og trådløse nettverk, og deres tilstand og energiforbruk må overvåkes i sanntid, samtidig som de oppfyller etablerte bærekraftsstandarder.

For å imøtekomme de mange funksjonene, nettverkene, overvåkingen og standardkravene, og samtidig sikre skalerbarhet og fleksibilitet, trenger ikke automatiseringssystemdesignere for Industri 4.0 å sette det hele sammen selv. De kan i stedet innlemme kompakte integrerte styreenheter for å implementere fleksible produksjonssystemer med høye nivåer av kvalitet og bærekraft. Disse styringene har mange innebygde styreenhet- og energihåndteringsfunksjoner, digitale og analoge innganger og utganger (IO-er) og de sikre kommunikasjonsfunksjonene som er nødvendige for å implementere en skalerbar, fleksibel og svært bærekraftig fabrikk i henhold til Industri 4.0.

Denne artikkelen gir en kort oversikt over typiske fabrikkautomatiseringselementer og -krav i henhold til Industri 4.0. Den introduserer deretter en familie av kompakte og utvidbare styringer fra Siemens som eksempler på PLS-er (programmerbare logiske styringer), som inneholder integrerte kommunikasjonsgrensesnitt og teknologifunksjoner. Den avsluttes med en gjennomgang av den internasjonale standardiseringsorganisasjonen (ISO) 50001 og relaterte standarder for operativ energistyring, inkludert et eksempel på en energistyringsimplementering for bærekraft.

Viktige elementer for en fabrikk med Industri 4.0

En typisk Industri utrustning i henhold til Industri 4.0 omfatter enheter som temperaturstyringer, pumpe- og viftekontroller, transportbåndsystemer og pakkemaskiner som krever fleksibel integrasjon og presisjon for å sikre produksjon av høy kvalitet. I tillegg må energiforbruket til disse enhetene kontinuerlig overvåkes og analyseres for å støtte effektiv og bærekraftig drift. I tillegg må alt støttes med flere lag av kablet og trådløs tilkobling, alt fra distribuerte sensorer og styreenheter til motordrivere, energimålere og maskinteknikere og operatører i sanntid.

Utviklere av automatiseringssystemer trenger dedikerte prosess-styreenheter med flere nøkkelfunksjoner for å imøtekomme disse ulike behovene samtidig som prosessdistribusjon og omkonfigurering går raskere, oppetid maksimeres og effektiv drift sikres. Slike funksjoner inkluderer sikre kommunikasjonsgrensesnitt, digitale og analoge IO-er, samt integrerte kontrollfunksjoner som høyhastighetstellere, pulsbreddemodulasjon (PWM), pulssekvensutganger, hastighetskontroll, posisjonering, tilstandsovervåking og energistyring. I tillegg må kommunikasjonsgrensesnitt være tilgjengelig som støtter protokoller som seriell kommunikasjon, PROFIBUS, IO-Link, aktuatorsensorgrensesnitt (AS-grensesnitt), MODBUS RTU-enhet (real-time unit), USI-grensesnitt (universal serial interface), TCP/IP og mobile trådløse standarder.

Industri 4.0-tilkoblingsmuligeter

For å imøtekomme Industry 4.0-tilkoblingskrav, støtter SIMATIC S7-1200-familien av PLS-er fra Siemens tilkobling av sensorer, aktuatorer og motorer til grensesnitt mellom menneske og maskin (HMI) og til skyen. Den bruker OPC Unified Architecture (OPC UA), en maskin-til-maskin (M2M) kommunikasjonsprotokoll for industriautomasjon. OPC UA har en plattformuavhengig, serviceorientert arkitektur som forenkler tilkobling. Den støtter integrasjon av alle klasser av enheter, automatiseringssystemer og programvareprogrammer i et iboende sikkert miljø. Det inkluderer feltutvidelser spesifisert av FLC-initiativet (Field Level Communication), basert på OPC UA-rammeverket og spesifisert i IEC (International Electrotechnical Commission) 62541.

FLC gir utstyrsleverandører en uavhengig plattform for sikker og pålitelig kommunikasjon som legger vekt på autentisering, signering og datakryptering. OPC UA er mer enn en M2M-kommunikasjonsprotokoll. Den er utformet for å støtte tilkoblinger mellom fabrikknettverket og bedriftsnettverket. OPC UA Data Access på Siemens SIMATIC S7-1200 PLS-er sørger for standardisert horisontal og vertikal kommunikasjon, så vel som overholdelse av bransjespesifikke krav som The Organization for Machine Automation and Control Packaging Machine Language (OMAC PackML), en automatiseringsstandard som gjør det enklere å overføre konsistente maskindata, så vel som Weihenstephan Standards (WS), som definerer et kommunikasjonsgrensesnitt for standardisert overføring av maskindata til IT-systemer på høyere nivå. Viktige funksjoner i OPC UA-implementeringer på S7-1200 PLS-er inkluderer (figur 1):

• Evnen til effektivt å legge til nye prosesser mellom PLS-er og eventuelle høyere nivå, forretningsorienterte programvarelag.
• En forenklet implementering av bransjespesifikke følgespesifikasjoner med Siemens OPC UA Modeling Editor.
• Skytilkobling via en trådløs tilkobling til et Ethernet-nettverk.
• DNS-navneløsning for forenklet adressering med åpen brukerkommunikasjon (OUC), inkludert kryptering.
• Et middel til å sende e-post sikkert, med valgfrie vedlegg.

Figur 1: OPC UA er et grunnleggende element i fabrikktilkobling i henhold til Industri 4.0. (Bildekilde: Siemens)

Skalerbare styreenheter

I tillegg til integrert støtte for OPC UA-kommunikasjon, er S7-1200-styreenheter som 6ES72141AG400XB0 (figur 2) og 6ES72151BG400XB0 svært fleksible og skalerbare. Førstnevnte opererer fra en 24-volts likestrøm (VDC) strømforsyning og har 24 VDC innganger og utganger, mens sistnevnte opererer fra en 120 eller 230 volts vekselstrøm (VAC) strømforsyning, med 24 VDC innganger og reléutganger.

Alle S7-1200-styreenheter har integrerte IO-er, kan utvides modulært og har flere kommunikasjonsalternativer. Siemens Tia-portal (Totally Integrated Automation-portal) gir et enkelt programvaremiljø for utvikling av styringssprogrammer, og SIMATIC-automatiseringsverktøyet kan brukes i felten for drift og vedlikehold av SIMATIC S7-1200-styreenheter. Ytterligere funksjoner inkluderer:

• Et PROFINET-grensesnitt som støtter skalerbarhet og fleksibilitet.
• Sikkerhetsfunksjoner som inkluderer omfattende tilgangs-, kopierings- og manipulasjonsbeskyttelse.
• Diagnostikk, med meldinger som vises i enkel, ren tekst i Siemens Tia Portal, via en nettserver, på SIMATIC HMI og i SIMATIC Automation Tool uten ekstra programmering.
• Sikkerhetsfunksjoner i enkelte modeller som kan utføre både standard og sikkerhetsrelaterte programmer for bruksområder opp til sikkerhetsintegritetsnivå 3 (SIL3) definert i IEC 61508, og IEC 62061 og ytelsesnivå e (PLe) definert i ISO 13849.

Figur 2: Siemens S7-1200-styreenhete har integrert OPC UA-kommunikasjonsstøtte. (Bildekilde: Siemens)

Integrerte teknologifunksjoner som høyhastighetstellere, PWM, pulssekvensutganger, hastighetskontroll og posisjonering gjør disse styreenhetne egnet for temperaturkontroll, pumpe- og viftekontroll, transportbåndteknologi og pakkemaskiner. De er optimalisert for sløyfekontroll, veiing, energistyring, høyhastighetstelling, radiofrekvensidentifikasjon (RFID) og tilstandsovervåking.

Fleksible kommunikasjonsalternativer

Omfattende nettverksalternativer er et kjennetegn for S7-1200 PLS-er. Kommunikasjonsprotokoller som støttes, inkluderer:

PROFINET: En åpen standard for industrielt Ethernet (IE). Det integrerte PROFINET-grensesnittet bruker TCP/IP-standarder og kan brukes til programmering eller for å kommunisere med HMI-enheter og tilleggsstyreenheter.

PROFIBUS: Dette er en feltbusstandard. Med PROFIBUS kan S7-1200-regulatorer etablere enhetlig kommunikasjon fra feltnivå til styringsnivå.

AS-grensesnitt: Dette er en feltbussstandard for aktuatorer og sensorer. Opptil 62 standardslaver med AS-grensesnitt, som motorstartere, posisjonsbrytere og moduler, kan kobles til.

I tillegg til de integrerte kommunikasjonsfunksjonene er moduler tilgjengelige som støtter tilleggsprotokoller som:

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

Oppnå massetilpasning og høy kvalitet

Deres brede spekter av funksjonalitet og kommunikasjonsfunksjoner gjør at S7-1200 PLC-er kan imøtekomme utviklingen mot massetilpasning og høy kvalitet som oppstår som en del av Industri 4.0. Selv om det er mange måter å oppnå disse målene på, viser følgende eksempel bruken av kommunikasjonsutvidelsesmoduler for trådløs mobiltilkobling, RS-485/USS/Modbus RTU-seriell tilkobling for motorkontroll og IO-Link for enklere tilkobling til sensorer og aktuatorer, i forhold til feltbusser (figur 3).

Figur 3: Utvidbar kommunikasjon for S7-1200 PLS-er støttes av en kombinasjon av eksterne (venstre og høyre) og interne (rød boks øverst i midten) utvidelsesmoduler. (Bildekilde: Siemens)

I figur 3 er «CM CP» en GPRS trådløs kommunikasjonsmodul som 6GK72427KX310XE0 som kan brukes til skytilkobling. Et RS-485-kommunikasjonskort som 6ES72411CH301XB0 ligger inne i en S7-1200 PLS («CPU») og brukes til å kommunisere med en motordrift (SINAMICs V20) gjennom USS/Modbus RTU-grensesnittet. «SM» til høyre omfatter en IO-Link masterkommunikasjonsmodul som 6ES72784BD320XB0. IO-Link-masteren er koblet til to sensorer på venstre og senter, samt til et IO-Link-nav på høyre side. Hubben kan kobles til flere IO-Link-enheter.

Bærekraftig energistyring

Forbedret energieffektivitet og bærekraft er avhengig av smart energistyring, som igjen er avhengig av data om energiforbruk som både er detaljerte og i sanntid. Det begynner i økende grad med vurdering av ISO 50001-standarder for driftsenergistyring. Dette er en grunnleggende standard som gir et rammeverk av krav, inkludert utvikling av retningslinjer, mål og mål for mer effektiv energibruk, og bruk av data for å måle resultatene. ISO 50001 støttes av flere standarder, inkludert:

• ISO 50003 sikrer effektiviteten til energistyringssystemer (EnMS). Den omfatter revisjon, krav til personalkompetanse og varigheten av revisjoner og prøvetaking på flere steder.
• ISO 50004 hjelper organisasjoner med å ta en systematisk tilnærming til å oppnå kontinuerlig forbedring i energistyring og energiytelse.
• ISO 50006 utvider hvordan man oppfyller ISO 50001-kravene, inkludert utvikling og vedlikehold av energiytelsesindikatorer (EnPI) og energibasislinjer (EnB) for kontinuerlig ytelsesovervåking.

EnPI-er og EnB-er i ISO 50006 muliggjør effektiv måling og styring av energiytelse, noe som kan bidra til å optimalisere energieffektiviteten (energibesparende). I tillegg til forbedringer i bærekraft, fører bedre energistyring til betydelige kostnadsbesparelser. Standarden definerer utgangspunktet (EnBs) og meningsfulle ytelsesmålinger (EnPIer), og den identifiserer fire typer indikatorer; «absolutte» og «relative energiytelsesindikatorer», sammen med «statistiske» og «tekniske» modeller.

Siemens' S7-1200-styreenheter kan forenkle implementeringen av disse ISO-standardene og støtte svært effektive energistyringssystemer. Automatiseringssystemdesignere kan legge til en energimålermodul for å muliggjøre måling, evaluering og visning av energiforbruksdata i sanntid. Figur 4 illustrerer et typisk bruksområde:

1. Motoren representerer en typisk last som overvåkes for energiforbruk.
2. Strømtransformatoren transformerer energiforbruket til en målbar mengde for energimålermodulen. Måleren måler også mange andre parametere som spenning og effektfaktor (PF).
3. Programvare i S7-1200-styreenheten evaluerer målingene og lagrer statistikk over energiforbruket i en datalogg. Den er koblet til PG/PC og HMI gjennom en Scalance INDUSTRIELL ruter ved hjelp av PROFINET IE-busser.
4. HMI viser de målte verdiene og gjør det mulig for operatører å evaluere parametere som topper på strømforbruket over tid.
5. Styreenheten kan også sende dataloggen til PG/PC i form av standard nettsider.

Figur 4: Vist er et typisk energiovervåkingsprogram som lett kan støttes med en S7-1200 PLS. (Bildekilde: Siemens)

Energimålermodul

I et program som det som vises i figur 4, kan en SM 1238 energimålermodul brukes til datainnsamling (figur 5). Den kan brukes i én- og trefasede forsyningssystemer med opptil 480 V vekselstrøm. Disse modulene kan gi S7-1200-styreenhetene de dataene som er nødvendige for å støtte samsvar med kravene i ISO 50001, 50003, 50004 og 50006. De kan registrere over 200 elektriske målinger og energiverdier, deriblant:

• Strømmer
• Spenning
• Fasevinkler
• Frekvenser
• Effektfaktorer
• Strømforbruk
• Minimums- og maksimumsverdier
• Driftstimer
• Energi/elektrisk arbeid

Figur 5: SM 1238 er en energiovervåkingsmodul for én- og trefasede strømsystemer. (Bildekilde: Siemens)

Konklusjon

For å forenkle og akselerere implementeringen av bærekraftige fabrikknettverk i henhold til Industri 4.0 kan automatiseringssystemdesignere bruke S7-1200-familien av PLS-er og utvidelsesmoduler. Disse løsningene støtter et bredt spekter av sikre kommunikasjonsalternativer, har integrerte kontrollfunksjoner og digitale og analoge IO-er, og kan utvides til å støtte et bredt spekter av utrustninger, deriblant energistyring.

Anbefalt lesing

1. Slik gjør du smarte fabrikkaktuatorer mer produktive ved hjelp av IO-Link
2. Slik bruker du Sporbarhet 4.0-løsninger for forbedret produktsikkerhet, samsvar og sporing
3. Programmering av PLS-er: Et teknisk sammendrag med Siemens-eksempler