Stöd för massanpassning, hög kvalitet och hållbar verksamhet i fabriker enligt Industry 4.0

Att stödja massanpassning med högkvalitativa och hållbara produktionsprocesser kan vara en utmaning för konstruktörer av automatiserade tillverkningssystem enligt Industry 4.0. Flertalet enheter för avkänning och styrning måste installeras och anslutas med olika kabelanslutna och trådlösa nätverk. Deras tillstånd och energiförbrukning måste övervakas i realtid samtidigt som etablerade hållbarhetsstandarder måste uppfyllas.

För att kunna tillgodose olika typer av krav på funktioner, nätverk, övervakning och standarder, och samtidigt säkerställa skalbarhet och flexibilitet, behöver konstruktörer av automationssystem enligt Industry 4.0 inte pussla ihop allt själva. De kan istället använda kompakta integrerade styrenheter för att implementera flexibla produktionssystem med höga kvalitets- och hållbarhetsnivåer. Dessa styrenheter har många inbyggda funktioner för styrning- och energihantering, digitala och analoga in- och utgångar samt den funktionalitet som krävs för säker kommunikation för att implementera en skalbar, flexibel och mycket hållbar fabrik enligt Industry 4.0.

Artikeln ger en kort översikt över typiska delar och krav för en fabriksautomation med Industry 4.0. Därefter presenteras en serie av kompakta och utbyggbarastyrenheter från Siemens som exempel på programmerbara logikstyrenheter (PLC) som innehåller integrerade kommunikationsgränssnitt och teknisk funktionalitet. Den avslutas med en genomgång av ISO 50001 och tillhörande standarder för effektiv energihantering, inklusive ett exempel på implementering av energihantering för hållbarhet.

Viktiga faktorer i en fabrik med Industry 4.0

En typisk fabrikstillämpning enligt Industry 4.0 omfattar enheter med temperaturstyrningar, pump- och fläktstyrningar, transportbandssystem samt förpackningsmaskiner som kräver flexibel integration och precision för att säkerställa en produktion av hög kvalitet. Energiförbrukningen för dessa enheter måste dessutom övervakas och analyseras kontinuerligt för att stödja en effektiv och hållbar drift. Utöver detta måste alltsammans stödjas med flera lager av anslutningar, kabelanslutna och trådlösa, från distribuerade givare och styrenheter för drivning av motorer och energimätare till maskintekniker och operatörer i realtid.

För att tillgodose dessa olika behov och samtidigt påskynda driftsättning och omkonfigurering av processer, maximera drifttiden och säkerställa en effektiv drift, måste konstruktörer av automationssystem ha dedikerade processtyrenheter med flera viktiga funktioner. Sådana funktioner inkluderar säkra kommunikationsgränssnitt, digitala och analoga in- och utgångar samt integrerade styrfunktioner som höghastighetsräknare, pulsbreddsmodulering (PWM), pulssekvensutgångar, hastighetsstyrning, positionering, statusövervakning och energihantering. Kommunikationsgränsnitt måste utöver detta ha möjlighet att stödja protokoll som t.ex seriell kommunikation, PROFIBUS, IO-Link, AS-Interface, MODBUS RTU, USI, TCP/IP samt trådlösa standarder för mobila enheter.

Anslutningsmöjligheter enligt Industry 4.0

För att tillgodose kraven på anslutningsmöjligheter enligt Industry 4.0 stödjer serien SIMATIC S7-1200med programmerbara logikstyrenheter från Siemens, anslutningar av givare, ställdon och motorer till HMI (människa-maskin-gränssnitt) och till molnet. Den använder OPC UA, ett kommunikationsprotokoll med M2M för industriautomation. OPC UA har en plattformsoberoende, tjänsteorienterad arkitektur som förenklar anslutningsmöjligheterna. Den stödjer integration av alla typer av enheter, automationssystem och mjukvarutillämpningar i en miljö med inbyggd säkerhet. Den innehåller fälttillägg som preciserats av FLC-initiativet (Field Level Communication) baserat på ramverket OPC UA och som specificerats i IEC 62541.

FLC ger utrustningsleverantörer en oberoende plattform för säker och tillförlitlig kommunikation med tonvikt på autentisering, signering och datakryptering. OPC UA är mer än ett kommunikationsprotokoll med M2M; det är utformat för att stödja anslutningar mellan fabriks- och affärsnätverk. Dataåtkomst via OPC UA på den programmerbara logikstyrenheten SIMATIC S7-1200 från Siemens tillhandahåller standardiserad horisontell och vertikal kommunikation samt överensstämmelse med branschspecifika krav som t.ex. OMAC PackML (The Organization for Machine Automation and Control Packaging Machine Language), en automationsstandard som gör det lättare att överföra konsekvent maskindata, och WS (Weihenstephan Standards), som definierar ett kommunikationsgränssnitt för standardiserad överföring av maskindata till IT-system på högre nivå. Viktiga funktioner för implementeringar med OPC UA på de programmerbara logikstyrenheterna S7-1200 inkluderar (figur 1):

• Förmågan att effektivt lägga till nya processer mellan programmerbara logikstyrenheter och alla verksamhetsorienterade mjukvarulager på högre nivåer.
• Förenklad implementering av tillhörande branschspecifikationer med OPC UA Modeling Editor från Siemens.
• Molnanslutning via en trådlös anslutning till ett Ethernet-nätverk.
• DNS-namnuppslagning för förenklad adressering med OUC inklusive kryptering.
• Ett säkert sätt att skicka e-post, med valfria bilagor.

Bild 1: OPC UA är en väsentlig del av fabrikens anslutningsmöjligheter enligt Industry 4.0. (Bildkälla: Siemens)

Skalbara styrenheter

Förutom integrerat stöd för OPC UA-kommunikation är S7-1200-styrenheter som 6ES72141AG400XB0 (figur 2) och 6ES72151BG400XB0 mycket flexibla och skalbara. Den förstnämnda drivs av en strömförsörjning på 24 VDC och har in- och utgångar på 24 VDC, medan den sistnämnda drivs av en strömförsörjning på 120 eller 230 VAC, med ingångar och reläutgångar på 24 VDC.

Alla S7-1200-styrenheter har integrerade in- och utgångar, är modulärt utbyggbara och har flera kommunikationsalternativ. TIA-portalen (Totally Integrated Automation) från Siemens tillhandahåller en enkel mjukvarumiljö för utveckling av styrprogram samt att automationsverktyget i SIMATIC kan användas på fältet för drift och underhåll av styrenheten SIMATIC S7-1200. Ytterligare funktioner inkluderar:

• Ett gränssnitt med PROFINET för att stödja skalbarhet och flexibilitet.
• Säkerhetsfunktioner som inkluderar omfattande skydd mot åtkomst, kopiering och manipulation.
• Diagnostik med meddelanden som visas i enkel klartext i TIA-portalen från Siemens, via en webbserver, på SIMATIC HMI och i automationsverktyget i SIMATIC utan någon ytterligare programmering.
• Säkerhetsfunktioner i vissa modeller som kan utföra både standard- och säkerhetsrelaterade program för tillämpningar upp till SIL3 (Safety Integrity Level 3) enligt IEC 61508 och IEC 62061 samt PLe (Performance Level e) enligt ISO 13849.

Figur 2: Styrenheten S7-1200 från Siemens har integrerat stöd för kommunikation via OPC UA. (Bildkälla: Siemens)

Integrerade tekniska funktioner som höghastighetsräknare, pulsbreddsmodulering, pulssekvensutgångar, hastighetsstyrning och positionering gör dessa styrenheter lämpliga för temperaturstyrning, pump- och fläktstyrning, transportbandsteknik och förpackningsmaskiner. De är optimerade för slingstyrning, vägning, energihantering, höghastighetsräkning, radiofrekvensidentifiering (RFID) och statusövervakning.

Flexibla kommunikationsalternativ

Omfattande nätverksalternativ är ett kännetecken för de programmerbara logikstyrenheterna S7-1200. Kommunikationsprotokoll som stöds är:

PROFINET: En öppen standard för IE (Industrial Ethernet). Det integrerade gränssnittet PROFINET använder TCP/IP-standarder och kan användas för programmering eller för att kommunicera med HMI-enheter och ytterligare styrenheter.

PROFIBUS: Detta är en standardiserad fältbuss. Med PROFIBUS kan styrenheterna S7-1200 upprätta enhetlig kommunikation från fält- till styrnivå.

AS-Interface: Detta är en standardiserad fältbuss för ställdon och givare. Upp till 62 standardslavar med AS-Interface, som t.ex. motorstartare, lägesbrytare och moduler, kan anslutas.

Utöver den integrerade funktionaliteten för kommunikation finns moduler som stödjer ytterligare protokoll som t.ex:

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

Åstadkomma massanpassning och hög kvalitet

De många funktionerna och kommunikationsmöjligheterna gör att den programmerbara logikstyrenheten S7-1200 kan hantera utvecklingen mot massanpassning och hög kvalitet som sker som en del av Industry 4.0. Det finns många tillvägagångssätt för att uppnå dessa mål och följande exempel visar användningen av utökningsmoduler för kommunikation med trådlös mobilanslutning, serieanslutning med RS-485/USS/Modbus RTU för motorstyrning och IO-Link för enklare anslutning till givare och ställdon jämfört med fältbussar (figur 3).

Figur 3: Utbyggbar kommunikation för den programmerbara logikstyrenheten S7-1200 stöds av en kombination av externa (vänster och höger) och interna (röd låda överst i mitten) utökningsmoduler. (Bildkälla: Siemens)

I figur 3 är "CM CP" en trådlös kommunikationsmodul med GPRS som t.ex. 6GK72427KX310XE0 som kan användas för anslutning till molnet. Ett kommunikationskort med RS-485 som t.ex. 6ES72411CH301XB0 sitter i den programmerbara logikstyrenheten S7-1200 ("CPU") och används för att kommunicera med en motorstyrning (SINAMIC:s V20) via gränssnittet USS/Modbus RTU. "SM" till höger består av en masterkommunikationsmodul för IO-Link som t.ex. 6ES72784BD320XB0. Masterenheten för IO-Link är ansluten till två givare, till vänster och i mitten, samt till en hubb för IO-Link till höger. Hubben kan anslutas till ytterligare enheter för IO-Link.

Hållbar energihantering

Förbättrad energieffektivitet och hållbarhet är beroende av smart energihantering som i sin tur är beroende av mer data från energiförbrukningen, både detaljerad och i realtid. Det börjar allt oftare med att man tar hänsyn till standarden ISO 50001 för effektiv energihantering. Detta är en grundläggande standard som tillhandahåller ett ramverk med krav, inklusive utveckling av policyer, mål och syften för mer effektiv energianvändning samt användning av data för att mäta resultaten. ISO 50001 stöds av ytterligare standarder, inklusive:

• ISO 50003 som säkerställer effektiviteten i energihanteringssystem (EnMS). Den omfattar revision, krav på personalens kompetens, varaktighet för revisioner och stickprover på flera platser.
• ISO 50004 hjälper organisationer att ta ett systematiskt grepp för att uppnå ständig förbättring av energihantering och energiprestanda.
• ISO 50006 beskriver hur man uppfyller kraven i ISO 50001, inklusive utveckling och underhåll av EnPI (nyckeltal för energiprestanda) och EnB (baslinjer för energi) för löpande uppföljning av prestanda.

EnPI och EnB i ISO 50006 möjliggör effektiv mätning och hantering av energiprestanda vilket kan bidra till att optimera energieffektiviteten. Förutom hållbarhetsförbättringar leder bättre energihantering till betydande kostnadsbesparingar. Standarden definierar baslinjen (EnB) och meningsfulla prestandamått (EnPI) och identifierar fyra typer av nyckeltal; "absoluta" och "relativa nyckeltal för energiprestanda", tillsammans med "statistiska" och "tekniska" modeller.

Styrenheten S7-1200 från Siemens kan förenkla implementeringen av dessa ISO-standarder och stödja mycket effektiva energihanteringssystem. Konstruktörer av automationssystem kan lägga till en modul för energimätning för att möjliggöra mätning och utvärdering samt visning av energiförbrukning i realtid. Figur 4 visar en typisk tillämpning:

1. Motorn representerar en typisk belastning som övervakas med avseende på energiförbrukning.
2. Transformatorn omvandlar energiförbrukningen till en mätbar storhet för energimätaren. Mätaren mäter också många andra parametrar som t.ex. spänning och effektfaktor.
3. Mjukvaran i styrenheten S7-1200 utvärderar mätningarna och sparar statistik över energiförbrukningen i en datalogg. Den är ansluten till PG/PC och HMI med PROFINET IE-bussar via en SCALANCE-industrirouter.
4. HMI visar uppmätta värden och gör det möjligt för operatören att utvärdera parametrar som t.ex. strömförbrukningstoppar över tid.
5. Styrenheten kan även skicka dataloggen till PG/PC i form av vanliga webbsidor.

Figur 4: Här visas en typisk energiövervakningstillämpning som enkelt kan stödjas med den programmerbara logikstyrenheten S7-1200. (Bildkälla: Siemens)

Modul för energimätning

Energimätningsmodulen SM 1238 kan användas för datainsamling (figur 5) i en tillämpning så som den som visas i figur 4. Den kan användas i matningssystem med en eller tre faser på upp till 480 VAC. Modulerna kan förse styrenheterna S7-1200 med den data som behövs för att uppfylla kraven i ISO 50001, 50003, 50004 och 50006. De kan registrera över 200 elektriska mätningar och energivärden, som t.ex:

• Strömmar
• Spänningar
• Fasvinklar
• Frekvenser
• Strömfaktorer
• Strömförbrukning
• Minsta och högsta värde
• Drifttimmar
• Energi/elektriskt arbete

Bild 5: SM 1238 är en energimätningsmodul för elsystem med en eller tre faser. (Bildkälla: Siemens)

Sammanfattning

För att förenkla och påskynda utbyggnaden av hållbara fabriksnätverk enligt Industry 4.0 kan konstruktörer av automationssystem använda S7-1200-serien med programmerbara logikstyrenheter och utökningsmoduler. Lösningarna stödjer ett brett utbud av säkra kommunikationsalternativ, har integrerad styrfunktionalitet, digitala och analoga in- och utgångar samt är utbyggbar för att stödja en mängd tillämpningar, inklusive energihantering.

Rekommenderad läsning

1. Hur man gör smarta ställdon för fabriker mer produktiva med IO-Link
2. Hur man använder lösningar enligt Traceability 4.0 för förbättrad produktsäkerhet, överensstämmelse och spårning
3. Programmering av PLC:er: En teknisk sammanfattning med exempel från Siemens