Podpora hromadného přizpůsobení, vysoké kvality a udržitelného provozu v továrnách s koncepcí Industry 4.0

Podpora hromadného přizpůsobení pomocí vysoce kvalitních a udržitelných výrobních procesů může být pro konstruktéry automatizovaných výrobních systémů koncepce Industry 4.0. V různých kabelových a bezdrátových sítích je třeba nasadit a propojit více snímacích a řídicích zařízení a monitorovat jejich stav a spotřebu energie reálném čase, a to při splnění zavedených standardů udržitelnosti.

Aby konstruktéři automatizačních systémů pro koncepci Industry 4.0 vyhověli různým požadavkům na funkce, sítě, monitorování a standardy a zároveň zajistili škálovatelnost a flexibilitu, nemusejí vše sestavovat sami. Namísto toho mohou začlenit kompaktní integrované řídicí jednotky pro implementaci flexibilních výrobních systémů s vysokou úrovní kvality a udržitelnosti. Tyto řídicí jednotky mají četné vestavěné funkce řízení a správy energie, digitální a analogové vstupy a výstupy (IO) a možnosti zabezpečené komunikace nezbytné k implementaci škálovatelné, flexibilní a vysoce udržitelné továrny s koncepcí Industry 4.0.

Tento článek poskytuje stručný přehled typických prvků a požadavků průmyslové automatizace s koncepcí Industry 4.0. Poté představuje skupinu kompaktních a rozšiřitelných řadičů od společnosti Siemens jako příklady programovatelných logických jednotek (PLC) obsahujících integrovaná komunikační rozhraní a technologické funkce. Na závěr je uveden přehled norem ISO 50001 a souvisejících norem pro provozní řízení spotřeby energie, včetně příkladu implementace řízení spotřeby energie pro udržitelnost.

Klíčové prvky továrny s koncepcí Industry 4.0

Typická tovární aplikace koncepce Industry 4.0 zahrnuje zařízení jako regulace teploty, ovládání čerpadel a ventilátorů, dopravníkové systémy a balicí stroje, které vyžadují flexibilní integraci a přesnost pro zajištění vysoce kvalitní výroby. Kromě toho je u těchto zařízení třeba neustále třeba sledovat a analyzovat spotřebu energie za účelem podpory efektivních a udržitelných operací. To vše navíc vyžaduje podporu několika vrstev kabelového a bezdrátového připojení od distribuovaných senzorů a řadičů po pohony motorů, měřiče spotřeby energie a strojní techniky a operátory v reálném čase.

Pro řešení těchto různorodých potřeb a zároveň urychlení nasazení a rekonfigurace procesů, maximalizace doby provozuschopnosti a zajištění efektivního provozu potřebují konstruktéři automatizačních systémů specializované řadiče procesů s několika klíčovými funkcemi. Takové funkce zahrnují zabezpečená komunikační rozhraní, digitální a analogové vstupy/výstupy, jakož i integrované řídicí funkce, jako jsou vysokorychlostní čítače, pulzně-šířkové modulátory (PWM), výstupy sekvence impulzů, regulace rychlosti, polohování, monitorování stavu a řízení spotřeby energie. Kromě toho musí být k dispozici komunikační rozhraní, která podporují protokoly jako sériovou komunikaci, PROFIBUS, IO-Link, rozhraní senzoru aktuátoru (AS-Interface), jednotku reálného času MODBUS (RTU), univerzální sériové rozhraní (USI), TCP/IP a mobilní bezdrátové standardy.

Konektivita koncepce Industry 4.0

Aby bylo možné vyhovět požadavkům na konektivitu koncepce Industry 4.0, skupina jednotek PLC SIMATIC S7-1200 od společnosti Siemens podporuje připojení senzorů, aktuátorů a motorů k rozhraním člověk-stroj (HMI) a ke cloudu. Tato skupina využívá využívá komunikační protokol OPC Unified Architecture (OPC UA) typu stroj-stroj (M2M) pro průmyslovou automatizaci. Protokol OPC UA používá architekturu orientovanou na služby nezávislou na platformě, která zjednodušuje konektivitu. Podporuje integraci všech tříd zařízení, automatizačních systémů a softwarových aplikací v přirozeně bezpečném prostředí. Protokol také zahrnuje rozšíření pole specifikovaná iniciativou Komunikace na úrovni pole (FLC) na bázi rámce OPC UA a specifikovaná v protokolu Mezinárodní elektrotechnické komise (IEC) 62541.

Iniciativa FLC poskytuje dodavatelům zařízení nezávislou platformu pro bezpečnou a spolehlivou komunikaci, která klade důraz na ověřování, podepisování a šifrování dat. OPC UA je více než komunikační protokol M2M; je navržen tak, aby podporoval spojení mezi továrními a obchodními sítěmi. Přístup k datům protokolu OPC UA pomocí jednotky PLC SIMATIC S7-1200 od společnosti Siemens zajišťuje standardizovanou horizontální a vertikální komunikaci, jakož i shodu s průmyslovými požadavky, například se strojním jazykem PackML organizace Organization for Machine Automation and Control Packaging (OMAC), který usnadňuje přenos konzistentních strojních dat, jakož i se standardy Weihenstephan (WS) definujícími komunikační rozhraní pro standardizovaný přenos strojních dat do IT systémů vyšší úrovně. Klíčové vlastnosti implementace protokolu OPC UA na jednotce PLC S7-1200 zahrnují (obrázek 1):

• Schopnost efektivně přidávat nové procesy mezi jednotky PLC a jakékoli obchodně orientované softwarové vrstvy vyšší úrovně.
• Zjednodušená implementace průvodních průmyslových specifikací pomocí modelovacího editoru Siemens OPC UA.
• Cloudová konektivita prostřednictvím bezdrátového připojení k síti Ethernet.
• Překlad DNS názvů pro zjednodušené adresování s otevřenou uživatelskou komunikací (OUC) včetně šifrování.
• Prostředek na bezpečné odesílání e-mailů s volitelnými přílohami.

Obrázek 1: protokol OPC UA je základním prvkem průmyslové konektivity koncepce Industry 4.0. (Zdroj obrázku: Siemens)

Škálovatelné řadiče

Řadiče S7-1200, například model 6ES72141AG400XB0 (obrázek 2) a 6ES72151BG400XB0 se kromě integrované podpory komunikace pomocí protokolu OPC UA vyznačují vysokou flexibilitou a škálovatelností. První z nich je napájen z 24V stejnosměrného zdroje (VDC), používá vstupy a výstup 24 V DC, zatímco druhý je napájen ze 120V nebo 230V střídavého zdroje a používá vstupy 24 V DC a reléové výstupy.

Všechny řadiče S7-1200 používají integrované obvody, jsou modulárně rozšiřitelné a nabízejí několik možností komunikace. Portál Siemens Totally Integrated Automation (TIA) poskytuje jednoduché softwarové prostředí pro vývoj řídicích programů. Automatizační nástroj SIMATIC lze využívat v terénu pro provoz a údržbu řadičů SIMATIC S7-1200. Další funkce zahrnují:

• Rozhraní PROFINET na podporu škálovatelnosti a flexibility.
• Bezpečnostní funkce zahrnující komplexní ochranu přístupu, kopírování a manipulaci.
• Diagnostiku s použitím zpráv zobrazených pomocí jednoduchého, prostého textu na portále Siemens TIA, prostřednictvím webového serveru, na rozhraní člověk-stroj (MHI) SIMATIC a v automatizačním nástroji SIMATIC bez dalšího programování.
• Bezpečnostní funkce v určitých modelech, které mohou provádět standardní i bezpečnostní programy pro aplikace až do úrovně integrity bezpečnosti 3 (SIL3) definované v normách IEC 61508 a IEC 62061 a úrovních výkonnosti e (PLe) definovaných v normách ISO 13849.

Obrázek 2: řadiče Siemens S7-1200 používají integrovanou podporu komunikace pomocí protokolu OPC UA. (Zdroj obrázku: Siemens)

Díky integrovaným technologickým funkcím, jako jsou vysokorychlostní čítače, PWM, pulzní sekvenční výstupy, regulace rychlosti a polohování, jsou tyto řadiče vhodné pro řízení teploty, řízení čerpadel a ventilátorů, dopravníkové technologie a balicí stroje. Jsou optimalizovány pro řízení smyčky, vážení, řízení spotřeby energie, vysokorychlostní čítání, radiofrekvenční identifikaci (RFID) a monitorování stavu.

Flexibilní možnosti komunikace

Rozsáhlé síťové možnosti jsou charakteristickým znakem jednotek PLC S7-1200. Podporované komunikační protokoly zahrnují:

PROFINET: otevřený standard průmyslového Ethernetu (IE). Integrované rozhraní PROFINET využívá standardy TCP/IP a lze je používat k programování nebo ke komunikaci se zařízeními HMI a přídavnými řídicími jednotkami.

PROFIBUS: standard systému fieldbus. Pomocí systému PROFIBUS mohou řídicí jednotky S7-1200 navázat jednotnou komunikaci od úrovně pole až po úroveň řízení.

Rozhraní AS: standard systému fieldbus pro aktuátory a senzory. Přes rozhraní AS lze připojit až 62 standardních podřízených jednotek, jako jsou startéry motorů, polohové spínače a moduly.

Kromě integrovaných komunikačních možností jsou k dispozici moduly, které podporují další protokoly, jako například:

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

Dosažení hromadného přizpůsobení a vysoké kvality

Jejich široká škála funkcí a komunikačních možností umožňuje PLC S7-1200 přizpůsobit se úsilí o hromadné přizpůsobení a vysokou kvalitu, ke které dochází v rámci koncepce Industry 4.0. Ačkoli existuje mnoho způsobů, jak těchto cílů dosáhnout, následující příklad ukazuje použití komunikačních rozšiřujících modulů pro bezdrátové mobilní připojení, sériové připojení s protokolem RS-485/USS/Modbus RTU pro řízení motoru a rozhraní IO-Link pro jednodušší připojení k senzorům a akčním členům, vzhledem k provozním sběrnicím (obrázek 3).

Obrázek 3: rozšiřitelná komunikace pro jednotky PLC S7-1200 je podporována prostřednictvím kombinací externích (levý a pravý) a interních (červený box nahoře uprostřed) rozšiřujících modulů. (Zdroj obrázku: Siemens)

Zkratka „CM CP“ na obrázku 3 označuje modul bezdrátové komunikace GPRS, například 6GK72427KX310XE0, který lze využívat pro cloudové připojení. Komunikační karta RS-485, například 6ES72411CH301XB0, je umístěna uvnitř jednotky S7-1200 PLC („CPU“) a používá se ke komunikaci s pohonem motoru (SINAMIC V20) přes rozhraní USS/Modbus RTU. Blok „SM“ vpravo obsahuje komunikační modul IO-Link master, například 6ES72784BD320XB0. Modul IO-Link master je připojen ke dvěma senzorům vlevo a uprostřed, jakož i k rozbočovači IO-Link vpravo. Hub lze připojit k dalším zařízením IO-Link.

Udržitelné řízení spotřeby energie

Zlepšená energetická účinnost a udržitelnost spoléhají na inteligentní řízení spotřeby energie, které se následně opírá o podrobnější údaje o spotřebě energie v reálném čase. Stále více se začínají zohledňovat normy ISO 50001 o provozním řízení spotřeby energie. Jedná se o základní standard, který poskytuje rámec požadavků, včetně vývoje zásad, cílů a záměrů pro efektivnější využívání energie a využití dat k měření výsledků. Norma ISO 50001 je podporována dalšími standardy, včetně:

• Norma ISO 50003 zajišťuje účinnost systémů řízení spotřeby energie (EnMS). Zahrnuje audity, požadavky na způsobilost personálu a dobu trvání auditů a vzorkování na více místech.
• Norma ISO 50004 pomáhá organizacím zaujmout systematický přístup k dosahování trvalé zlepšování řízení spotřeby energie a energetické náročnosti.
• Norma ISO 50006 rozšiřuje způsob naplnění požadavků normy ISO 50001, včetně vývoje a údržby ukazatelů energetické náročnosti (EnPI) a energetických výchozích hodnot (EnB) pro průběžné monitorování výkonu.

Ukazatele EnPI a EnB v normě ISO 50006 umožňují efektivní měření a řízení energetické náročnosti, což pomáhá optimalizovat energetickou účinnost. Lepší hospodaření s energií vede kromě zlepšení udržitelnosti také k významným úsporám nákladů. Norma definuje výchozí bod (EnB), významné metriky výkonu (EnPI) a identifikuje čtyři typy indikátorů: „absolutní“ a „relativní ukazatele energetické náročnosti“ společně se „statistickými“ a „technickými“ modely.

Řadiče Siemens S7-1200 mohou implementaci těchto norem ISO zjednodušit a podporovat vysoce efektivní systémy řízení energie. Konstruktéři automatizačních systémů mohou přidat modul měřiče spotřeby energie, který umožní měření, vyhodnocování a zobrazování údajů o spotřebě energie v reálném čase. Obrázek 4 znázorňuje typickou aplikaci:

1. Motor představuje typickou zátěž monitorovanou z hlediska spotřeby energie.
2. Proudový transformátor převádí spotřebu energie na měřitelnou veličinu pro modul elektroměru. Měřič také měří řadu dalších parametrů, jako je napětí a účiník.
3. Software v řadiči S7-1200 vyhodnocuje měření a ukládá statistiky o spotřebě energie do datového protokolu. Řadič je připojen k rozhraní PG/PC a HMI přes průmyslový router SCALANCE pomocí sběrnic PROFINET IE.
4. Rozhraní HMI zobrazuje naměřené hodnoty a umožňuje operátorům vyhodnocovat parametry, jako jsou špičky spotřeby energie v průběhu času.
5. Řadič může také odeslat datový protokol do rozhraní PG/PC v podobě standardních webových stránek.

Obrázek 4: na obrázku je znázorněna typická aplikace monitorování spotřeby energie, kterou lze snadno podporovat pomocí jednotky PLC S7-1200. (Zdroj obrázku: Siemens)

Modul elektroměru

V aplikaci, která je znázorněná na obrázku 4, lze modul elektroměru SM 1238 používat pro sběr dat (obrázek 5). Lze jej používat v jednofázových a třífázových napájecích systémech do 480 VAC. Tyto moduly mohou poskytnout řídicím systémům S7-1200 data potřebná k podpoře souladu s požadavky norem ISO 50001, 50003, 50004 a 50006. Mohou zaznamenat více než 200 naměřených elektrických a energetických hodnot, včetně:

• Proudů
• Napětí
• Fázových úhlů
• Frekvence
• Účiníků
• Spotřeby energie
• Minimálních a maximálních hodnot
• Provozní doby
• Energetické/elektrické práce

Obrázek 5: SM 1238 je modul na monitorování energie pro jednofázové a třífázové napájecí systémy. (Zdroj obrázku: Siemens)

Závěr

Pro zjednodušení a urychlení zavádění udržitelných továrních sítí s koncepcí Industry 4.0 mohou konstruktéři automatizačních systémů používat jednotky PLC a rozšiřující moduly skupiny S7-1200. Tato řešení podporují širokou škálu možností bezpečné komunikace, používají integrované řídicí funkce, digitální a analogové vstupy/výstupy a lze je rozšířit o podporu široké škály aplikací, včetně řízení spotřeby energie.

Doporučeno k přečtení

1. Jak zvýšit produktivitu aktuátorů Smart Factory pomocí rozhraní IO-Link
2. Jak používat řešení Traceability 4.0 pro lepší bezpečnost produktů, shodu s normami a sledování
3. Programování jednotek PLC: Technické shrnutí s příklady Siemens