作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

對(duì)于工業(yè) 4.0 自動(dòng)化制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，利用高質(zhì)量和可持續(xù)的生產(chǎn)流程來(lái)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)上部署和連接多個(gè)傳感和控制器件，并對(duì)其狀態(tài)和能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)滿(mǎn)足既定的可持續(xù)發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)。

要適應(yīng)各種功能、網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控和標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)確保可擴(kuò)展性和靈活性，工業(yè) 4.0 自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)可擴(kuò)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(jiǎn)述了典型工業(yè) 4.0 工廠的自動(dòng)化元件和要求。然后作為可編程邏輯控制器 (PLC) 的實(shí)例，介紹了 [Siemens] 的一系列緊湊型可擴(kuò)展[控制器]，這些控制器包含集成通信接口和技術(shù)功能。最后回顧了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 50001 標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)運(yùn)行能源管理標(biāo)準(zhǔn)，包括一個(gè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展能源管理的實(shí)例。

工業(yè) 4.0 工廠的關(guān)鍵元件

典型的工業(yè) 4.0 工廠應(yīng)用包括溫度控制器、泵和風(fēng)扇控制器、傳送帶系統(tǒng)和包裝機(jī)等設(shè)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(duì)這些設(shè)備的能耗進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)和分析，以支持高效和可持續(xù)的運(yùn)行。此外，這一切都需要多層有線和無(wú)線連接的支持，從分布式傳感器和控制器的連接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、能量計(jì)、機(jī)器技術(shù)人員和操作人員的實(shí)時(shí)連接。

為了滿(mǎn)足這些不同需求，同時(shí)加快流程部署和重新配置，最大限度地延長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間并確保高效運(yùn)行，自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要具備多項(xiàng)關(guān)鍵功能的專(zhuān)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(jì)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(cè)和能源管理等。此外，還需要提供通信接口來(lái)支持各種協(xié)議，例如串行通信、PROFIBUS、IO-Link、致動(dòng)器傳感器接口 (AS-Interface)、MODBUS 實(shí)時(shí)單元 (RTU)、通用串行接口 (USI)、TCP/IP 和移動(dòng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。

工業(yè) 4.0 連接

為滿(mǎn)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(dòng)器、電機(jī)與人機(jī)接口 (HMI) 和云端的連接。該系列采用 OPC 統(tǒng)一架構(gòu) (OPC UA)，這是一種用于工業(yè)自動(dòng)化的機(jī)對(duì)機(jī) (M2M) 通信協(xié)議。OPC UA 是一種獨(dú)立于平臺(tái)、面向服務(wù)的架構(gòu)，可以簡(jiǎn)化連接。其支持在本質(zhì)安全的環(huán)境中集成所有類(lèi)型的設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)和軟件應(yīng)用程序。它包括現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信 (FLC) 計(jì)劃指定的、基于 OPC UA 框架的，以及在國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 62541 標(biāo)準(zhǔn)中指定的現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)展。

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

• 能夠在 PLC 與任何更高級(jí)別面向業(yè)務(wù)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(jiǎn)化了行業(yè)特定配套規(guī)范的實(shí)施。
• 通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線連接，提供云連接。
• DNS 名稱(chēng)解析，利用開(kāi)放式用戶(hù)通信 (OUC) 來(lái)簡(jiǎn)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(kuò)展的控制器

除了提供對(duì) 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(kuò)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(jìn)行模塊化擴(kuò)展，并提供多種通信選項(xiàng)。Siemens 全集成自動(dòng)化 (TIA) 門(mén)戶(hù)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的控制程序開(kāi)發(fā)軟件環(huán)境，而 SIMATIC 自動(dòng)化工具可在現(xiàn)場(chǎng)用于操作和維護(hù) SIMATIC S7-1200 控制器。其他特性包括：

• PROFINET 接口提供可擴(kuò)展性和靈活性。
• 安全功能，包括全面的訪問(wèn)、復(fù)制和操作保護(hù)。
• 診斷功能，在 Siemens TIA 門(mén)戶(hù)中、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、在 SIMATIC 人機(jī)界面上，以及在 SIMATIC 自動(dòng)化工具中，以簡(jiǎn)單純文本顯示信息，無(wú)需另外編程。
• 某些型號(hào)提供安全功能，可同時(shí)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)程序和安全相關(guān)程序，最高適合 IEC 61508 和 IEC 62061 中定義的安全完整性 3 級(jí) (SIL3)，以及 ISO 13849 中定義的性能 e 級(jí) (PLe) 應(yīng)用。

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

憑借高速計(jì)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(shù)功能，這些控制器適用于溫度控制、泵和風(fēng)扇控制、傳送帶技術(shù)和包裝機(jī)。它們針對(duì)回路控制、稱(chēng)重、能源管理、高速計(jì)數(shù)、射頻識(shí)別 (RFID) 和狀態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)行了優(yōu)化。

靈活的通信選擇

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

PROFINET：一種開(kāi)放工業(yè)以太網(wǎng) (IE) 標(biāo)準(zhǔn)。集成的 PROFINET 接口采用 TCP/IP 標(biāo)準(zhǔn)，可用于進(jìn)行編程，或用于與人機(jī)接口設(shè)備和其他控制器進(jìn)行通信。

PROFIBUS：這是一種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。利用 PROFIBUS，S7-1200 控制器可以建立從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到控制級(jí)的統(tǒng)一通信。

AS 接口：這是一種用于致動(dòng)器和傳感器的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。最多可連接 62 個(gè) AS 接口標(biāo)準(zhǔn)從站，如電機(jī)啟動(dòng)器、位置開(kāi)關(guān)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(wú)線服務(wù) (GPRS)/長(zhǎng)期演進(jìn) (LTE)
• RS-485、RS-422 和 RS-232
• 美國(guó)海軍

實(shí)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(yīng)工業(yè) 4.0 帶來(lái)的大規(guī)模定制和高質(zhì)量發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的方法有很多，以下示例顯示了使用通信擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線蜂窩連接、用于電機(jī)控制的 RS-485/USS/Modbus RTU 串行連接、用于傳感器和致動(dòng)器的 IO-Link 連接（相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線而言更加簡(jiǎn)單）（圖 3）。

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

在圖 3 中，“CM CP”是一個(gè)類(lèi)似于 [6GK72427KX310XE0]的 GPRS 無(wú)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(guò) USS/Modbus RTU 接口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 (SINAMICS V20) 通信。右側(cè)的“SM”包括一個(gè) 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(gè)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(shè)備。

可持續(xù)能源管理

提高能源效率和可持續(xù)性依賴(lài)于智能能源管理，而智能能源管理又依賴(lài)于更精細(xì)的實(shí)時(shí)能源消耗數(shù)據(jù)。智能能源管理越來(lái)越多地從針對(duì)運(yùn)行能源管理的 ISO 50001 標(biāo)準(zhǔn)著眼考慮。這是一項(xiàng)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，提供了一個(gè)要求框架，包括政策制定、目標(biāo)和目的，旨在提高能源使用效率，以及使用數(shù)據(jù)來(lái)衡量結(jié)果。其他一些標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)包括審計(jì)、人員能力要求、審計(jì)持續(xù)時(shí)間和多站點(diǎn)采樣。
• ISO 50004 可幫助各個(gè)組織采用系統(tǒng)化方法，實(shí)現(xiàn)能源管理和能源績(jī)效的持續(xù)改進(jìn)。
• ISO 50006 進(jìn)一步闡述了如何滿(mǎn)足 ISO 50001 的要求，包括制定和維護(hù)能源績(jī)效指標(biāo) (EnPI) 和能源基線 (EnB)，以便進(jìn)行持續(xù)的績(jī)效監(jiān)測(cè)。

ISO 50006 中的 EnPI 和 EnB 能夠有效測(cè)量和管理能源績(jī)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(biāo)準(zhǔn)定義了起點(diǎn) (EnB) 和有意義的績(jī)效指標(biāo) (EnPI)，并確定了四種類(lèi)型的指標(biāo)：“絕對(duì)”和“相對(duì)能源績(jī)效指標(biāo)”，以及“統(tǒng)計(jì)”和“技術(shù)”模型。

Siemens 的 S7-1200 控制器可以簡(jiǎn)化這些 ISO 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，并支持高效的能源管理系統(tǒng)。自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以添加一個(gè)能量計(jì)模塊，以便實(shí)時(shí)測(cè)量、評(píng)估和顯示能耗數(shù)據(jù)。圖 4 顯示了一種典型應(yīng)用：

1. 電機(jī)代表一種典型負(fù)載，正在對(duì)其進(jìn)行能耗監(jiān)測(cè)。
2. 電流互感器將能耗轉(zhuǎn)化為能量計(jì)模塊的可測(cè)量數(shù)量。能量計(jì)還測(cè)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(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，并將能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)日志中。其通過(guò) 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(cè)量值，讓操作人員能夠評(píng)估功耗峰值隨時(shí)間的變化等參數(shù)。
5. 控制器還可以標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)頁(yè)的形式將數(shù)據(jù)日志發(fā)送到 PG/PC。

圖 4：一個(gè)典型的能源監(jiān)測(cè)應(yīng)用，使用 S7-1200 PLC 可輕松支持該應(yīng)用。（圖片來(lái)源：Siemens）

能量計(jì)模塊

在圖 4 所示的應(yīng)用中，可使用 [SM 1238] 能量計(jì)模塊進(jìn)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(gè)電氣測(cè)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(shí)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(lái)源：Siemens）

總結(jié)

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