Personalizare în masă cu procese de producție sustenabile și de înaltă calitate în fabricile de tip Industrie 4.0

Susținerea personalizării în masă cu procese de producție sustenabile și de înaltă calitate poate fi o provocare pentru proiectanții de sisteme de producție automatizate ale Industriei 4.0. Trebuie implementate și conectate o mulțime de dispozitive de detecție și control prin diverse rețele cu și fără fir, iar starea și consumul de energie ale acestora trebuie monitorizate în timp real, toate respectând, în același timp, standardele de sustenabilitate stabilite.

Pentru a se adapta la varietatea de funcții, rețele, activități de monitorizare și cerințe privind standardele, asigurând, totodată, scalabilitatea și flexibilitatea, proiectanții de sisteme de automatizare destinate Industriei 4.0 nu trebuie să pună singuri toate elementele laolaltă. Ei pot, în schimb, să încorporeze controlere integrate compacte pentru a implementa sisteme de producție flexibile cu niveluri ridicate de calitate și sustenabilitate. Aceste controlere au numeroase funcții integrate de control și de gestionare a energiei, intrări și ieșiri (IO) digitale și analogice, precum și capabilitățile de comunicații securizate necesare pentru a implementa o fabrică de tip Industrie 4.0, scalabilă, flexibilă și cu un grad ridicat de sustenabilitate.

Articolul oferă o scurtă prezentare generală a elementelor și cerințelor de automatizare a unei fabrici tipice Industriei 4.0. Apoi, prezintă o familie de controlere compacte și expandabile de la Siemens ca exemple de controlere logice programabile (PLC), care conțin interfețe de comunicații și funcții tehnologice integrate. La final, se face o analiză a ISO (International Standards Organization) 50001 și a standardelor conexe pentru gestionarea operațională a energiei, inclusiv un exemplu de implementare a managementului energetic pentru sustenabilitate.

Elemente-cheie ale unei fabrici de tip Industrie 4.0

O aplicație tipică a unei fabrici inteligente cuprinde dispozitive precum controlul temperaturii, controlul pompelor și ventilatoarelor, sisteme de benzi transportoare și mașini de împachetat care necesită o integrare flexibilă și precizie pentru a asigura o producție de înaltă calitate. În plus, consumul de energie al acestor dispozitive trebuie să fie monitorizat și analizat în permanență pentru a sprijini operațiunile eficiente și sustenabile. În plus, toate acestea trebuie să fie susținute de mai multe straturi de conectivitate cu și fără fir, de la senzori și controlere distribuite până la acționări de motoare, contoare de energie, precum și de tehnicieni și operatori de mașini în timp real.

Pentru a răspunde acestor nevoi diverse, accelerând, totodată, implementarea și reconfigurarea proceselor, maximizând timpul de funcționare și asigurând o operare eficientă, proiectanții de sisteme de automatizare au nevoie de controlere de proces dedicate cu numeroase caracteristici cheie. Aceste caracteristici includ interfețe de comunicație securizate, intrări/ieșiri digitale și analogice, precum și funcții de control integrate, cum ar fi contoare de mare viteză, dispozitive PWM (modulare în lățime a impulsurilor), ieșiri de secvență de impulsuri, controlul vitezei, poziționare, monitorizarea stării și managementul energiei. În plus, trebuie să fie disponibile interfețe de comunicații care să suporte protocoale precum comunicație serială, PROFIBUS, IO-Link, AS-Interface (Actuator Sensor Interface), MODBUS real-time unit (RTU), USI (Universal Serial Interface), TCP/IP și standarde wireless mobile.

Conectivitate Industrie 4.0

Pentru a răspunde cerințelor de conectivitate Industrie 4.0, familia de PLC-uri SIMATIC S7-1200 de la Siemens suportă conectarea senzorilor, actuatoarelor și motoarelor la interfețele om-mașină (HMI) și la cloud. Aceasta utilizează Arhitectura Unificată OPC (OPC UA), un protocol de comunicație M2M (machine-to-machine) pentru automatizări industriale. OPC UA este un standard independent de producător, neutru din punct de vedere al platformei, cu o arhitectură axată pe servicii care facilitează conectivitatea. Susține integrarea tuturor claselor de dispozitive, sisteme de automatizare și aplicații software într-un mediu intrinsec sigur. Acesta include extensii de câmp specificate de inițiativa Field Level Communication (FLC), bazată pe framework-ul OPC UA și specificată în IEC (International Electrotechnical Commission) 62541.

Figura 1: OPC UA este un element fundamental al conectivității fabricilor de tip Industrie 4.0. (Sursa imaginii: Siemens)

FLC oferă furnizorilor de echipamente o platformă independentă pentru comunicații sigure și fiabile care pune accentul pe autentificare, semnare și criptare a datelor. OPC UA este mai mult decât un protocol de comunicații M2M; a fost proiectat pentru a sprijini conexiunile dintre rețeaua fabricii și rețelele de afaceri. OPC UA Data Access prin intermediul PLC-urilor SIMATIC S7-1200 de la Siemens asigură comunicații standardizate pe orizontală și verticală, precum și conformitatea cu cerințele specifice industriei, cum ar fi OMAC PackML (The Organization for Machine Automation and Control Packaging Machine Language), un standard de automatizare care facilitează transferul de date consistente ale mașinilor, precum și standardele WS (Weihenstephan Standards), care definesc o interfață de comunicație pentru transmiterea standardizată a datelor mașinilor către sisteme IT de nivel superior. Caracteristicile cheie ale implementărilor OPC UA pe PLC-urile S7-1200 includ (Figura 1):

Abilitatea de a adăuga eficient noi procese între PLC-uri și orice straturi software de nivel superior, orientate spre activități de business.
O implementare simplificată a specificațiilor însoțitoare specifice industriei cu ajutorul Siemens OPC UA Modeling Editor.
Conectivitate la cloud prin intermediul unei conexiuni wireless la o rețea Ethernet.
Rezoluție de nume DNS pentru o adresare simplificată cu OUC (Open User Communication), inclusiv criptare.
Un mijloc de a trimite e-mailuri în siguranță, conținând atașamente opționale.

Controlere scalabile

Pe lângă suportul integrat pentru comunicație OPC UA, controlerele S7-1200, precum 6ES72141AG400XB0 (Figura 2) și 6ES72151BG400XB0 sunt deosebit de flexibile și scalabile. Primul operează folosind o sursă de alimentare de curent continuu (VDC) de 24-volți și are intrări și ieșiri de 24VDC, în timp ce al doilea operează folosind o sursă de alimentare de curent alternativ (VAC) de 120 sau 230 de volți, cu intrări de 24VDC și ieșiri pe releu.

Toate controlerele S7-1200 au IO integrate, sunt expandabile modular și au mai multe opțiuni de comunicații. Portalul Siemens Totally Integrated Automation (TIA) oferă un mediu software simplu pentru dezvoltarea de programe de control, iar instrumentul de automatizare SIMATIC poate fi utilizat pe teren pentru operarea și întreținerea controlerelor SIMATIC S7-1200. Caracteristicile suplimentare includ:

O interfață PROFINET pentru a susține scalabilitatea și flexibilitatea.
Caracteristici de securitate care includ o protecție cuprinzătoare împotriva accesului, copierii și manipulării.
Diagnosticare, cu mesaje afișate sub formă de text simplu în Siemens TIA Portal, prin intermediul unui server web, pe SIMATIC HMI și în SIMATIC Automation Tool, fără programare suplimentară.
Funcții de siguranță pentru anumite modele care pot executa atât programe standard, cât și programe legate de siguranță pentru aplicații până la SIL3 (Safety Integrity Level 3) definit în IEC 61508, și IEC 62061 și PLe (Performance Level e) definit în ISO 13849.

Figura 2: Controlerele Siemens S7-1200 au suport integrat pentru comunicații OPC UA. (Sursa imaginii: Siemens)

Funcțiile tehnologice integrate, cum ar fi contoarele de mare viteză, dispozitivele PWM, ieșirile de secvență de impulsuri, controlul vitezei și poziționarea, fac ca aceste controlere să fie potrivite pentru controlul temperaturii, controlul pompelor și ventilatoarelor, tehnologia de benzi transportoare și mașinile de împachetat. Acestea sunt optimizate pentru control în buclă, cântărire, managementul energiei, numărare la viteză mare, identificare prin radiofrecvență (RFID) și monitorizare a stării.

Opțiuni flexible pentru comunicație

Opțiunile cuprinzătoare de conectare în rețea sunt o caracteristică a PLC-urilor S7-1200. Protocoalele de comunicații acceptate includ:

PROFINET: Un standard deschis Industrial Ethernet (IE). Interfața PROFINET integrată utilizează standardele TCP/IP și poate fi utilizată pentru programare sau pentru a comunica cu dispozitive HMI și controlere suplimentare.

PROFIBUS: Acesta este un standard fieldbus. Cu PROFIBUS, controlerele S7-1200 pot stabili o comunicare uniformă de la nivelul de câmp la nivelul de control.

AS-Interface: Acesta este un standard fieldbus pentru actuatoare și senzori. Pot fi conectate până la 62 de dispozitive slave standard AS-Interface, cum ar fi demaroare de motor, comutatoare de poziție și module.

În plus față de capabilitățile de comunicații integrate, sunt disponibile module care acceptă protocoale suplimentare, cum ar fi:

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

Obținerea personalizării în masă și a unei calități înalte

Gama lor largă de funcționalități și capabilități de comunicație permite PLC-urilor S7-1200 să se adapteze la tendința de personalizare în masă și de înaltă calitate care are loc ca parte a Industriei 4.0. Deși există numeroase modalități de a atinge aceste obiective, exemplul următor evidențiază utilizarea modulelor de extindere a comunicațiilor pentru conectivitate celulară wireless, conectivitate serială RS-485/USS/Modbus RTU pentru controlul motoarelor și IO-Link pentru conectivitate mai simplă la senzori și actuatoare, în raport cu magistralele de câmp (Figura 3).

Figura 3: Comunicațiile expandabile pentru PLC-urile S7-1200 sunt susținute de o combinație de module de expansiune externe (stânga și dreapta) și interne (caseta roșie din centru sus). (Sursa imaginii: Siemens)

În figura 3, “CM CP” este un modul de comunicație wireless GPRS, cum ar fi 6GK72427KX310XE0 care poate fi utilizat pentru conectivitatea la cloud. O placă de comunicație RS-485, precum 6ES72411CH301XB0 se află în interiorul unui PLC S7-1200 (“CPU”) și este utilizată pentru a comunica cu o unitate de comandă a motorului (SINAMICs V20) prin intermediul interfeței USS/Modbus RTU. “SM” din dreapta conține un modul de comunicație IO-Link master, precum 6ES72784BD320XB0. IO-Link master este conectat la doi senzori în stânga și în centru, precum și la un hub IO-Link în dreapta. Hub-ul se poate conecta la dispozitive IO-Link suplimentare.

Gestionarea sustenabilă a energiei

Îmbunătățirea eficienței energetice și a sustenabilității se bazează pe gestionarea inteligentă a energiei, care la rândul ei se bazează pe date mai granulare și în timp real privind consumul de energie. Aceasta începe din ce în ce mai mult cu luarea în considerare a standardelor ISO 50001 pentru managementul operațional al energiei. Este vorba despre un standard fundamental care oferă un cadru de cerințe, inclusiv dezvoltarea de politici, ținte și obiective pentru o utilizare mai eficientă a energiei și utilizarea datelor pentru a măsura rezultatele. ISO 50001 este susținut de standarde suplimentare, printre care se numără:

ISO 50003 asigură eficacitatea sistemelor de gestionare a energiei (EnMS). Aceasta cuprinde auditul, cerințele de competență a personalului, precum și durata auditurilor și eșantionarea multi-site.
ISO 50004 ajută organizațiile să adopte o abordare sistematică în vederea realizării unei îmbunătățiri continue a managementului energetic și a performanței energetice.
ISO 50006 extinde modul de îndeplinire a cerințelor ISO 50001, inclusiv dezvoltarea și menținerea indicatorilor de performanță energetică (EnPI) și a bazelor de referință energetice (EnB) pentru monitorizarea continuă a performanței.

EnPI și EnB din ISO 50006 permit măsurarea și gestionarea eficientă a performanței energetice, ceea ce poate contribui la optimizarea eficienței energetice. Pe lângă îmbunătățirile în materie de sustenabilitate, un management mai bun al energiei duce la economii semnificative de costuri. Standardul definește punctul de plecare (EnBs) și indicatorii de performanță semnificativi (EnPI) și identifică patru tipuri de indicatori; “indicatori de performanță energetică absoluți” și “indicatori de performanță energetică relativi”, împreună cu modele “statistice” și “tehnice”.

Figura 4: O aplicație tipică de monitorizare a energiei care poate fi ușor de realizat cu un PLC S7-1200. (Sursa imaginii: Siemens)

Controlerele S7-1200 de la Siemens pot simplifica implementarea acestor standarde ISO și pot susține sisteme de management energetic foarte eficiente. Proiectanții de sisteme de automatizare pot adăuga un modul de contorizare a energiei pentru a permite măsurarea, evaluarea și afișarea în timp real a datelor privind consumul de energie. Figura 4 ilustrează o aplicație tipică:

Motorul reprezintă o sarcină tipică care este monitorizată pentru consumul de energie.
Transformatorul de curent transformă consumul de energie într-o cantitate măsurabilă pentru modulul de măsurare a energiei. Contorul măsoară, de asemenea, numeroși alți parametri, cum ar fi tensiunea și factorul de putere.
Software-ul din controlerul S7-1200 evaluează măsurătorile și salvează statisticile privind consumul de energie într-un jurnal de date. Acesta este conectat la PG/PC și la HMI prin intermediul unui router industrial SCALANCE folosind magistralele PROFINET IE.
HMI afișează valorile măsurate și permite operatorilor să evalueze parametrii, cum ar fi vârfurile de consum de energie în timp.
Controlerul poate, de asemenea, să trimită jurnalul de date pe PG/PC sub forma unor pagini web standard.

Figura 5: SM 1238 este un modul de monitorizare a energiei pentru sisteme de alimentare monofazate și trifazate. (Sursa imaginii: Siemens)

Modul de măsurare a energiei

Într-o aplicație precum cea prezentată în figura 4, se poate utiliza contorul de energie SM 1238 pentru achiziția de date (Figura 5). Acesta poate fi utilizat în sisteme de alimentare monofazate și trifazate de până la 480VAC. Modulele respective pot furniza controlerelor S7-1200 datele necesare pentru a susține conformitatea cu cerințele ISO 50001, 50003, 50004 și 50006. Ele pot înregistra peste 200 de măsurători electrice și valori energetice, inclusiv:

Curenți
Tensiuni
Unghiuri de fază
Frecvențe
Factori de putere
Consumul de energie
Valori minime și maxime
Ore de funcționare
Energie/lucrul electric

Concluzie

Pentru a simplifica și a accelera implementarea rețelelor de fabrici sustenabile de tip Industrie 4.0, proiectanții de sisteme de automatizare pot utiliza familia S7-1200 de PLC-uri și module de expansiune. Aceste soluții suportă o gamă largă de opțiuni de comunicații securizate, au funcții de control integrate și IO-uri digitale și analogice și pot fi extinse pentru a susține o gamă largă de aplicații, inclusiv managementul energiei.

Lectură recomandată

Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie. Înainte de DigiKey, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria.

DigiKey | https://www.digikey.ro