为工业 4.0 工厂的大规模定制、高质量和可持续运营提供支持

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

对于工业 4.0 自动化制造系统的设计人员来说，利用高质量和可持续的生产流程来支持大规模定制可能具有一定挑战性。他们需要在各种有线和无线网络上部署和连接多个传感和控制器件，并对其状态和能耗进行实时监控，同时满足既定的可持续发展标准。

要适应各种功能、网络、监控和标准要求，同时确保可扩展性和灵活性，工业 4.0 自动化系统的设计人员并不需要亲自将所有这些器件拼凑在一起。相反，他们可以采用紧凑型集成控制器，以部署高质量和可持续的灵活生产系统。这些控制器拥有众多的嵌入式控制和能源管理功能、数字和模拟输入输出 (IO)，还提供实现可扩展、灵活、高度可持续工业 4.0 工厂所必需的安全通信功能。

本文简述了典型工业 4.0 工厂的自动化元件和要求。然后作为可编程逻辑控制器 (PLC) 的实例，介绍了 [Siemens] 的一系列紧凑型可扩展[控制器]，这些控制器包含集成通信接口和技术功能。最后回顾了国际标准化组织 (ISO) 50001 标准和相关运行能源管理标准，包括一个实现可持续发展能源管理的实例。

工业 4.0 工厂的关键元件

典型的工业 4.0 工厂应用包括温度控制器、泵和风扇控制器、传送带系统和包装机等设备，它们需要灵活的集成和极高的精度，才能确保高质量的生产。而且，还需要对这些设备的能耗进行持续监测和分析，以支持高效和可持续的运行。此外，这一切都需要多层有线和无线连接的支持，从分布式传感器和控制器的连接到电机驱动器、能量计、机器技术人员和操作人员的实时连接。

为了满足这些不同需求，同时加快流程部署和重新配置，最大限度地延长正常运行时间并确保高效运行，自动化系统设计人员需要具备多项关键功能的专用流程控制器。这些功能包括安全通信接口、数字和模拟 IO，以及各种集成控制功能，例如高速计数器、脉冲宽度调制 (PWM)、脉冲序列输出、速度控制、定位、状态监测和能源管理等。此外，还需要提供通信接口来支持各种协议，例如串行通信、PROFIBUS、IO-Link、致动器传感器接口 (AS-Interface)、MODBUS 实时单元 (RTU)、通用串行接口 (USI)、TCP/IP 和移动无线标准。

工业 4.0 连接

为满足工业 4.0 的连接要求，Siemens 的 [SIMATIC S7-1200] 系列 PLC 支持传感器、致动器、电机与人机接口 (HMI) 和云端的连接。该系列采用 OPC 统一架构 (OPC UA)，这是一种用于工业自动化的机对机 (M2M) 通信协议。OPC UA 是一种独立于平台、面向服务的架构，可以简化连接。其支持在本质安全的环境中集成所有类型的设备、自动化系统和软件应用程序。它包括现场级通信 (FLC) 计划指定的、基于 OPC UA 框架的，以及在国际电工委员会 (IEC) 62541 标准中指定的现场扩展。

FLC 为设备供应商提供了一个安全可靠的独立通信平台，强调身份验证、签名和数据加密。OPC UA 不仅仅是一个 M2M 通信协议，其旨在支持工厂网络与商业网络之间的连接。Siemens 的 SIMATIC S7-1200 PLC 上的 OPC UA Data Access 提供了标准化的横向和纵向通信，并符合行业特定要求，例如机器自动化和控制组织的包装机器语言标准 (OMAC PackML)，这是一种自动化标准，可使一致的机器数据传输变得更容易；另外还有魏恩施蒂芬标准 (WS)，它定义了一种通信接口，用于机器数据的标准化传输，以便将数据传输到更高级别的 IT 系统。S7-1200 PLC 上实施的 OPC UA 的主要特性包括（图 1）：

• 能够在 PLC 与任何更高级别面向业务的软件层之间有效地添加新流程。
• 利用 Siemens OPC UA 建模编辑器，简化了行业特定配套规范的实施。
• 通过以太网网络的无线连接，提供云连接。
• DNS 名称解析，利用开放式用户通信 (OUC) 来简化寻址，包括加密。
• 提供安全发送电子邮件的一种方式，带可选附件。

可扩展的控制器

除了提供对 OPC UA 通信的集成支持之外，[6ES72141AG400XB0]（图 2）和 [6ES72151BG400XB0] 等 S7-1200 控制器还具有高度灵活性和可扩展性。前者使用 24 VDC 电源供电，具有 24 VDC 输入和输出；后者使用 120 或 230 VAC 电源供电，具有 24 VDC 输入和继电器输出。

所有 S7-1200 控制器都有集成的 IO，可进行模块化扩展，并提供多种通信选项。Siemens 全集成自动化 (TIA) 门户提供了一个简单的控制程序开发软件环境，而 SIMATIC 自动化工具可在现场用于操作和维护 SIMATIC S7-1200 控制器。其他特性包括：

• PROFINET 接口提供可扩展性和灵活性。
• 安全功能，包括全面的访问、复制和操作保护。
• 诊断功能，在 Siemens TIA 门户中、通过网络服务器、在 SIMATIC 人机界面上，以及在 SIMATIC 自动化工具中，以简单纯文本显示信息，无需另外编程。
• 某些型号提供安全功能，可同时执行标准程序和安全相关程序，最高适合 IEC 61508 和 IEC 62061 中定义的安全完整性 3 级 (SIL3)，以及 ISO 13849 中定义的性能 e 级 (PLe) 应用。

图 2：Siemens S7-1200 控制器集成了 OPC UA 通信支持。（图片来源：Siemens）

凭借高速计数器、脉冲宽度调制、脉冲序列输出、速度控制和定位等集成技术功能，这些控制器适用于温度控制、泵和风扇控制、传送带技术和包装机。它们针对回路控制、称重、能源管理、高速计数、射频识别 (RFID) 和状态监测进行了优化。

灵活的通信选择

全面的联网选项是 S7-1200 PLC 的一大特点。支持的通信协议包括：

PROFINET：一种开放工业以太网 (IE) 标准。集成的 PROFINET 接口采用 TCP/IP 标准，可用于进行编程，或用于与人机接口设备和其他控制器进行通信。

PROFIBUS：这是一种现场总线标准。利用 PROFIBUS，S7-1200 控制器可以建立从现场级到控制级的统一通信。

AS 接口：这是一种用于致动器和传感器的现场总线标准。最多可连接 62 个 AS 接口标准从站，如电机启动器、位置开关和模块。

除集成通信功能外，还提供支持其他协议的模块，例如：

• CANopen
• Modbus RTU
• Modbus TCP
• IO-Link
• 通用分组无线服务 (GPRS)/长期演进 (LTE)
• RS-485、RS-422 和 RS-232
• 美国海军

实现大规模定制和高质量

S7-1200 PLC 具有广泛的功能和通信能力，因而能够适应工业 4.0 带来的大规模定制和高质量发展趋势。实现这些目标的方法有很多，以下示例显示了使用通信扩展模块实现无线蜂窝连接、用于电机控制的 RS-485/USS/Modbus RTU 串行连接、用于传感器和致动器的 IO-Link 连接（相对于现场总线而言更加简单）（图 3）。

图 3：S7-1200 PLC 的可扩展通由外部（左侧和右侧）和内部（顶部中间红框）扩展模块来支持。（图片来源：Siemens）

在图 3 中，“CM CP”是一个类似于 [6GK72427KX310XE0]的 GPRS 无线通信模块，可用于云连接。[6ES72411CH301XB0]等 RS-485 通信板安装在 S7-1200 PLC（“CPU”）内部，用于通过 USS/Modbus RTU 接口与电机驱动器 (SINAMICS V20) 通信。右侧的“SM”包括一个 IO-Link 主站通信模块，例如 [6ES72784BD320XB0]。IO-Link 主站连接到左侧和中间的两个传感器，以及右侧的 IO-Link 集线器。集线器可连接到其他 IO-Link 设备。

可持续能源管理

提高能源效率和可持续性依赖于智能能源管理，而智能能源管理又依赖于更精细的实时能源消耗数据。智能能源管理越来越多地从针对运行能源管理的 ISO 50001 标准着眼考虑。这是一项基础标准，提供了一个要求框架，包括政策制定、目标和目的，旨在提高能源使用效率，以及使用数据来衡量结果。其他一些标准也可为 ISO 50001 提供支持，包括：

• ISO 50003 确保能源管理系统 (EnMS) 的效率。该标准包括审计、人员能力要求、审计持续时间和多站点采样。
• ISO 50004 可帮助各个组织采用系统化方法，实现能源管理和能源绩效的持续改进。
• ISO 50006 进一步阐述了如何满足 ISO 50001 的要求，包括制定和维护能源绩效指标 (EnPI) 和能源基线 (EnB)，以便进行持续的绩效监测。

ISO 50006 中的 EnPI 和 EnB 能够有效测量和管理能源绩效，有助于优化能源效率。除了提高可持续性，更好的能源管理还能大幅节省成本。该标准定义了起点 (EnB) 和有意义的绩效指标 (EnPI)，并确定了四种类型的指标：“绝对”和“相对能源绩效指标”，以及“统计”和“技术”模型。

Siemens 的 S7-1200 控制器可以简化这些 ISO 标准的实施，并支持高效的能源管理系统。自动化系统设计人员可以添加一个能量计模块，以便实时测量、评估和显示能耗数据。图 4 显示了一种典型应用：

1. 电机代表一种典型负载，正在对其进行能耗监测。
2. 电流互感器将能耗转化为能量计模块的可测量数量。能量计还测量许多其他参数，例如电压和功率因数。
3. S7-1200 控制器中的软件对测量结果进行评估，并将能耗统计数据保存在数据日志中。其通过 SCALANCE 工业路由器使用 PROFINET IE 总线连接到 PG/PC 和 HMI。
4. 该 HMI 显示测量值，让操作人员能够评估功耗峰值随时间的变化等参数。
5. 控制器还可以标准网页的形式将数据日志发送到 PG/PC。

图 4：一个典型的能源监测应用，使用 S7-1200 PLC 可轻松支持该应用。（图片来源：Siemens）

能量计模块

在图 4 所示的应用中，可使用 [SM 1238] 能量计模块进行数据采集（图 5）。该模块可用于最高 480 VAC 的单相和三相供电系统。这些模块可为 S7-1200 控制器提供必要的数据，以支持符合 ISO 50001、50003、50004 和 50006 的要求。它们可以记录 200 多个电气测量值和能量值，包括：

• 电流
• 电压
• 相位角
• 频率
• 功率因数
• 功耗
• 最小值和最大值
• 工作时数
• 能源/电气工作

图 5：SM 1238 是用于单相和三相电力系统的能源监控模块。（图片来源：Siemens）

总结

为了简化和加快可持续工业 4.0 工厂网络的部署，自动化系统设计人员可以使用 S7-1200 系列 PLC 和扩展模块。这些解决方案支持多种安全通信选项，具有集成控制功能，提供数字和模拟 IO，并且可以扩展，以支持包括能源管理在内的众多应用。