作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

對于工業(yè) 4.0 自動化制造系統(tǒng)的設計人員來說，利用高質(zhì)量和可持續(xù)的生產(chǎn)流程來支持大規(guī)模定制可能具有一定挑戰(zhàn)性。他們需要在各種有線和無線網(wǎng)絡上部署和連接多個傳感和控制器件，并對其狀態(tài)和能耗進行實時監(jiān)控，同時滿足既定的可持續(xù)發(fā)展標準。

要適應各種功能、網(wǎng)絡、監(jiān)控和標準要求，同時確保可擴展性和靈活性，工業(yè) 4.0 自動化系統(tǒng)的設計人員并不需要親自將所有這些器件拼湊在一起。相反，他們可以采用緊湊型集成控制器，以部署高質(zhì)量和可持續(xù)的靈活生產(chǎn)系統(tǒng)。這些控制器擁有眾多的嵌入式控制和能源管理功能、數(shù)字和模擬輸入輸出 (IO)，還提供實現(xiàn)可擴展、靈活、高度可持續(xù)工業(yè) 4.0 工廠所必需的安全通信功能。

本文簡述了典型工業(yè) 4.0 工廠的自動化元件和要求。然后作為可編程邏輯控制器 (PLC) 的實例，介紹了 [Siemens] 的一系列緊湊型可擴展[控制器]，這些控制器包含集成通信接口和技術功能。最后回顧了國際標準化組織 (ISO) 50001 標準和相關運行能源管理標準，包括一個實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展能源管理的實例。

工業(yè) 4.0 工廠的關鍵元件

典型的工業(yè) 4.0 工廠應用包括溫度控制器、泵和風扇控制器、傳送帶系統(tǒng)和包裝機等設備，它們需要靈活的集成和極高的精度，才能確保高質(zhì)量的生產(chǎn)。而且，還需要對這些設備的能耗進行持續(xù)監(jiān)測和分析，以支持高效和可持續(xù)的運行。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的連接到電機驅(qū)動器、能量計、機器技術人員和操作人員的實時連接。

為了滿足這些不同需求，同時加快流程部署和重新配置，最大限度地延長正常運行時間并確保高效運行，自動化系統(tǒng)設計人員需要具備多項關鍵功能的專用流程控制器。這些功能包括安全通信接口、數(shù)字和模擬 IO，以及各種集成控制功能，例如高速計數(shù)器、脈沖寬度調(diào)制 (PWM)、脈沖序列輸出、速度控制、定位、狀態(tài)監(jiān)測和能源管理等。此外，還需要提供通信接口來支持各種協(xié)議，例如串行通信、PROFIBUS、IO-Link、致動器傳感器接口 (AS-Interface)、MODBUS 實時單元 (RTU)、通用串行接口 (USI)、TCP/IP 和移動無線標準。

工業(yè) 4.0 連接

為滿足工業(yè) 4.0 的連接要求，Siemens 的 [SIMATIC S7-1200] 系列 PLC 支持傳感器、致動器、電機與人機接口 (HMI) 和云端的連接。該系列采用 OPC 統(tǒng)一架構 (OPC UA)，這是一種用于工業(yè)自動化的機對機 (M2M) 通信協(xié)議。OPC UA 是一種獨立于平臺、面向服務的架構，可以簡化連接。其支持在本質(zhì)安全的環(huán)境中集成所有類型的設備、自動化系統(tǒng)和軟件應用程序。它包括現(xiàn)場級通信 (FLC) 計劃指定的、基于 OPC UA 框架的，以及在國際電工委員會 (IEC) 62541 標準中指定的現(xiàn)場擴展。

FLC 為設備供應商提供了一個安全可靠的獨立通信平臺，強調(diào)身份驗證、簽名和數(shù)據(jù)加密。OPC UA 不僅僅是一個 M2M 通信協(xié)議，其旨在支持工廠網(wǎng)絡與商業(yè)網(wǎng)絡之間的連接。Siemens 的 SIMATIC S7-1200 PLC 上的 OPC UA Data Access 提供了標準化的橫向和縱向通信，并符合行業(yè)特定要求，例如機器自動化和控制組織的包裝機器語言標準 (OMAC PackML)，這是一種自動化標準，可使一致的機器數(shù)據(jù)傳輸變得更容易；另外還有魏恩施蒂芬標準 (WS)，它定義了一種通信接口，用于機器數(shù)據(jù)的標準化傳輸，以便將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁呒墑e的 IT 系統(tǒng)。S7-1200 PLC 上實施的 OPC UA 的主要特性包括（圖 1）：

• 能夠在 PLC 與任何更高級別面向業(yè)務的軟件層之間有效地添加新流程。
• 利用 Siemens OPC UA 建模編輯器，簡化了行業(yè)特定配套規(guī)范的實施。
• 通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡的無線連接，提供云連接。
• DNS 名稱解析，利用開放式用戶通信 (OUC) 來簡化尋址，包括加密。
• 提供安全發(fā)送電子郵件的一種方式，帶可選附件。

可擴展的控制器

除了提供對 OPC UA 通信的集成支持之外，[6ES72141AG400XB0]（圖 2）和 [6ES72151BG400XB0] 等 S7-1200 控制器還具有高度靈活性和可擴展性。前者使用 24 VDC 電源供電，具有 24 VDC 輸入和輸出；后者使用 120 或 230 VAC 電源供電，具有 24 VDC 輸入和繼電器輸出。

所有 S7-1200 控制器都有集成的 IO，可進行模塊化擴展，并提供多種通信選項。Siemens 全集成自動化 (TIA) 門戶提供了一個簡單的控制程序開發(fā)軟件環(huán)境，而 SIMATIC 自動化工具可在現(xiàn)場用于操作和維護 SIMATIC S7-1200 控制器。其他特性包括：

• PROFINET 接口提供可擴展性和靈活性。
• 安全功能，包括全面的訪問、復制和操作保護。
• 診斷功能，在 Siemens TIA 門戶中、通過網(wǎng)絡服務器、在 SIMATIC 人機界面上，以及在 SIMATIC 自動化工具中，以簡單純文本顯示信息，無需另外編程。
• 某些型號提供安全功能，可同時執(zhí)行標準程序和安全相關程序，最高適合 IEC 61508 和 IEC 62061 中定義的安全完整性 3 級 (SIL3)，以及 ISO 13849 中定義的性能 e 級 (PLe) 應用。

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

憑借高速計數(shù)器、脈沖寬度調(diào)制、脈沖序列輸出、速度控制和定位等集成技術功能，這些控制器適用于溫度控制、泵和風扇控制、傳送帶技術和包裝機。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)測進行了優(yōu)化。

靈活的通信選擇

全面的聯(lián)網(wǎng)選項是 S7-1200 PLC 的一大特點。支持的通信協(xié)議包括：

PROFINET：一種開放工業(yè)以太網(wǎng) (IE) 標準。集成的 PROFINET 接口采用 TCP/IP 標準，可用于進行編程，或用于與人機接口設備和其他控制器進行通信。

PROFIBUS：這是一種現(xiàn)場總線標準。利用 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：這是一種用于致動器和傳感器的現(xiàn)場總線標準。最多可連接 62 個 AS 接口標準從站，如電機啟動器、位置開關和模塊。

除集成通信功能外，還提供支持其他協(xié)議的模塊，例如：

• CANopen
• Modbus RTU
• Modbus TCP
• IO-Link
• 通用分組無線服務 (GPRS)/長期演進 (LTE)
• RS-485、RS-422 和 RS-232
• 美國海軍

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，因而能夠適應工業(yè) 4.0 帶來的大規(guī)模定制和高質(zhì)量發(fā)展趨勢。實現(xiàn)這些目標的方法有很多，以下示例顯示了使用通信擴展模塊實現(xiàn)無線蜂窩連接、用于電機控制的 RS-485/USS/Modbus RTU 串行連接、用于傳感器和致動器的 IO-Link 連接（相對于現(xiàn)場總線而言更加簡單）（圖 3）。

圖 3：S7-1200 PLC 的可擴展通由外部（左側(cè)和右側(cè)）和內(nèi)部（頂部中間紅框）擴展模塊來支持。（圖片來源：Siemens）

在圖 3 中，“CM CP”是一個類似于 [6GK72427KX310XE0]的 GPRS 無線通信模塊，可用于云連接。[6ES72411CH301XB0]等 RS-485 通信板安裝在 S7-1200 PLC（“CPU”）內(nèi)部，用于通過 USS/Modbus RTU 接口與電機驅(qū)動器 (SINAMICS V20) 通信。右側(cè)的“SM”包括一個 IO-Link 主站通信模塊，例如 [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。集線器可連接到其他 IO-Link 設備。

可持續(xù)能源管理

提高能源效率和可持續(xù)性依賴于智能能源管理，而智能能源管理又依賴于更精細的實時能源消耗數(shù)據(jù)。智能能源管理越來越多地從針對運行能源管理的 ISO 50001 標準著眼考慮。這是一項基礎標準，提供了一個要求框架，包括政策制定、目標和目的，旨在提高能源使用效率，以及使用數(shù)據(jù)來衡量結(jié)果。其他一些標準也可為 ISO 50001 提供支持，包括：

• ISO 50003 確保能源管理系統(tǒng) (EnMS) 的效率。該標準包括審計、人員能力要求、審計持續(xù)時間和多站點采樣。
• ISO 50004 可幫助各個組織采用系統(tǒng)化方法，實現(xiàn)能源管理和能源績效的持續(xù)改進。
• ISO 50006 進一步闡述了如何滿足 ISO 50001 的要求，包括制定和維護能源績效指標 (EnPI) 和能源基線 (EnB)，以便進行持續(xù)的績效監(jiān)測。

ISO 50006 中的 EnPI 和 EnB 能夠有效測量和管理能源績效，有助于優(yōu)化能源效率。除了提高可持續(xù)性，更好的能源管理還能大幅節(jié)省成本。該標準定義了起點 (EnB) 和有意義的績效指標 (EnPI)，并確定了四種類型的指標：“絕對”和“相對能源績效指標”，以及“統(tǒng)計”和“技術”模型。

Siemens 的 S7-1200 控制器可以簡化這些 ISO 標準的實施，并支持高效的能源管理系統(tǒng)。自動化系統(tǒng)設計人員可以添加一個能量計模塊，以便實時測量、評估和顯示能耗數(shù)據(jù)。圖 4 顯示了一種典型應用：

1. 電機代表一種典型負載，正在對其進行能耗監(jiān)測。
2. 電流互感器將能耗轉(zhuǎn)化為能量計模塊的可測量數(shù)量。能量計還測量許多其他參數(shù)，例如電壓和功率因數(shù)。
3. S7-1200 控制器中的軟件對測量結(jié)果進行評估，并將能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)日志中。其通過 SCALANCE 工業(yè)路由器使用 PROFINET IE 總線連接到 PG/PC 和 HMI。
4. 該 HMI 顯示測量值，讓操作人員能夠評估功耗峰值隨時間的變化等參數(shù)。
5. 控制器還可以標準網(wǎng)頁的形式將數(shù)據(jù)日志發(fā)送到 PG/PC。

圖 4：一個典型的能源監(jiān)測應用，使用 S7-1200 PLC 可輕松支持該應用。（圖片來源：Siemens）

能量計模塊

在圖 4 所示的應用中，可使用 [SM 1238] 能量計模塊進行數(shù)據(jù)采集（圖 5）。該模塊可用于最高 480 VAC 的單相和三相供電系統(tǒng)。這些模塊可為 S7-1200 控制器提供必要的數(shù)據(jù)，以支持符合 ISO 50001、50003、50004 和 50006 的要求。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
• 工作時數(shù)
• 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：Siemens）

總結(jié)

為了簡化和加快可持續(xù)工業(yè) 4.0 工廠網(wǎng)絡的部署，自動化系統(tǒng)設計人員可以使用 S7-1200 系列 PLC 和擴展模塊。這些解決方案支持多種安全通信選項，具有集成控制功能，提供數(shù)字和模擬 IO，并且可以擴展，以支持包括能源管理在內(nèi)的眾多應用。