對于工業4.0自動化制造系統的設計人員來說，通過高質量和可持續的生產流程支持大規模定制可能具有挑戰性。需要在各種有線和無線網絡上部署和連接多個傳感和控制設備，并且需要實時監控其狀態和能耗，同時滿足既定的可持續性標準。

為了適應各種功能、網絡、監控和標準要求，同時確保可擴展性和靈活性，工業 4.0 的自動化系統設計人員不必自己將它們拼湊在一起。相反，他們可以采用緊湊的集成控制器，以實現具有高質量和可持續性的靈活生產系統。這些控制器具有眾多嵌入式控制和能源管理功能、數字和模擬輸入和輸出 （IO），以及實現可擴展、靈活和高度可持續的工業 4.0 工廠所需的安全通信功能。

本文簡要概述了典型的工業4.0工廠自動化元素和要求。然后，介紹了西門子的一系列緊湊型可擴展控制器，作為可編程邏輯控制器（PLC）的示例，其中包含集成的通信接口和技術功能。最后，它回顧了國際標準組織（ISO）50001和運營能源管理的相關標準，包括一個可持續發展能源管理實施的例子。

工業4.0工廠的關鍵要素

典型的工業 4.0 工廠應用包括溫度控制、泵和風扇控制、輸送機系統和包裝機等設備，這些設備需要靈活的集成和精度以確保高質量的生產。此外，需要持續監測和分析這些設備的能耗，以支持高效和可持續的運營。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到電機驅動器、電表以及機器技術人員和操作員的實時。

為了滿足這些不同的需求，同時加快過程部署和重新配置，最大限度地延長正常運行時間并確保高效運行，自動化系統設計人員需要具有多個關鍵功能的專用過程控制器。這些特性包括安全通信接口、數字和模擬 IO，以及集成控制功能，如高速計數器、脈寬調制 （PWM）、脈沖序列輸出、速度控制、定位、狀態監控和能源管理。此外，還需要提供支持串行通信、PROFIBUS、IO-Link、執行器傳感器接口（AS-Interface）、MODBUS實時單元（RTU）、通用串行接口（USI）、TCP/IP和移動無線標準等協議的通信接口。

工業 4.0 連接

為了滿足工業 4.0 的連接要求，西門子的 SIMATIC S7-1200 系列 PLC 支持將傳感器、執行器和電機連接到人機界面 （HMI） 和云。它使用OPC統一架構（OPC UA），這是一種用于工業自動化的機器對機器（M2M）通信協議。OPC UA具有獨立于平臺的面向服務的架構，可簡化連接。它支持在固有的安全環境中集成所有類別的設備、自動化系統和軟件應用程序。它包括現場級通信 （FLC） 計劃指定的現場擴展，基于 OPC UA 框架并在國際電工委員會 （IEC） 62541 中指定。

FLC 為設備供應商提供了一個獨立的平臺，用于安全可靠的通信，強調身份驗證、簽名和數據加密。OPC UA不僅僅是一種M2M通信協議;它旨在支持工廠網絡和業務網絡之間的連接。西門子 SIMATIC S7-1200 PLC 上的 OPC UA 數據訪問可實現標準化的水平和垂直通信，并符合行業特定要求，例如機器自動化和控制包裝機器語言組織 （OMAC PackML），這是一種自動化標準，可以更輕松地傳輸一致的機器數據，以及 Weihenstephan 標準 （WS）， 它定義了用于將機器數據標準化傳輸到更高級別的IT系統的通信接口。在S7-1200 PLC上實施OPC UA的主要功能包括（圖1）：

能夠在 PLC 和任何更高級別的、面向業務的軟件層之間有效地添加新流程。

使用西門子 OPC UA 建模編輯器簡化行業特定配套規范的實施。

通過無線連接到以太網網絡的云連接。

DNS 名稱解析，用于通過開放用戶通信 （OUC） 簡化尋址，包括加密。

一種使用可選附件安全發送電子郵件的方法。

可擴展的控制器

除了集成對OPC UA通信的支持外，7ES1200AG6XB72141（圖400）和0ES2BG6XB72151等S400-0控制器還具有高度的靈活性和可擴展性。前者由 24 伏直流 （VDC） 電源供電，具有 24 VDC 輸入和輸出，而后者由 120 或 230 伏交流電 （VAC） 電源供電，具有 24 VDC 輸入和繼電器輸出。

所有 S7-1200 控制器都具有集成 IO，可模塊化擴展，并具有多種通信選項。西門子全集成自動化 （TIA） 門戶為開發控制程序提供了簡單的軟件環境，SIMATIC 自動化工具可用于現場操作和維護 SIMATIC S7-1200 控制器。其他功能包括：

支持可擴展性和靈活性的PROFINET接口。

安全功能，包括全面的訪問、復制和操作保護。

診斷，消息以簡單的純文本形式顯示在西門子 TIA 博途、通過 Web 服務器、SIMATIC HMI 和 SIMATIC 自動化工具中，無需額外編程。

某些型號中的安全功能，可以執行標準和安全相關程序，適用于IEC 3中定義的安全完整性等級3（SIL61508）和ISO 62061中定義的IEC 13849和性能等級e（PLe）的應用。

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

高速計數器、PWM、脈沖序列輸出、速度控制和定位等集成技術功能使這些控制器適用于溫度控制、泵和風扇控制、輸送機技術和包裝機。它們針對回路控制、稱重、能源管理、高速計數、射頻識別 （RFID） 和狀態監測進行了優化。

靈活的通信選項

全面的網絡選項是 S7-1200 PLC 的標志。 支持的通信協議包括：

PROFINET：一種開放的工業以太網（IE）標準。集成的PROFINET接口使用TCP / IP標準，可用于編程或與HMI設備和其他控制器通信。

PROFIBUS：這是一個現場總線標準。借助 PROFIBUS，S7-1200 控制器可以建立從現場級到控制級的統一通信。

AS接口：這是執行器和傳感器的現場總線標準。最多可連接 62 個 AS-Interface 標準從站，如電機起動器、位置開關和模塊。

除了集成通信功能外，還提供支持其他協議的模塊，例如：

卡諾

Modbus RTU

Modbus TCP

IO-Link

通用分組無線業務 （GPRS）/長期演進 （LTE）

RS-485、RS-422 和 RS-232

TS2

實現大規模定制和高質量

S7-1200 PLC 具有廣泛的功能和通信能力，能夠適應工業 4.0 中大規模定制和高質量的驅動力。雖然有許多方法可以實現這些目標，但以下示例顯示了使用通信擴展模塊進行無線蜂窩連接，RS-485/USS/Modbus RTU 串行連接用于電機控制，以及 IO-Link 用于更簡單地連接到傳感器和執行器（圖 3）。

圖 3：外部（左側和右側）和內部（紅色框頂部中心）擴展模塊的組合支持S7-1200 PLC 的可擴展通信。（圖片來源：西門子）

在圖3中，“CM CP”是一個GPRS無線通信模塊，如6GK72427KX310XE0，可用于云連接。像485ES6CH72411XB301這樣的RS-0通信板位于S7-1200 PLC（“CPU”）內，用于通過USS/Modbus RTU接口與電機驅動器（SINAMIC V20）通信。右側的“SM”包含一個 IO-Link 主通信模塊，如 6ES72784BD320XB0。IO-Link 主站連接到左側和中間的兩個傳感器，以及右側的 IO-Link 集線器。集線器可以連接到其他 IO-Link 設備。

可持續能源管理

能源效率和可持續性的提高依賴于智能能源管理，而智能能源管理又依賴于更精細和實時的能源消耗數據。它越來越多地從考慮ISO 50001運營能源管理標準開始。這是一個基礎標準，提供了一個需求框架，包括制定政策、目標和目標，以提高能源使用效率，以及使用數據來衡量結果。ISO 50001 受其他標準支持，包括：

ISO 50003 確保能源管理系統 （EnMS） 的有效性。它包括審核、人員能力要求以及審核和多站點抽樣的持續時間。

ISO 50004 幫助組織采取系統的方法來實現能源管理和能源績效的持續改進。

ISO 50006擴展了如何滿足ISO 50001要求，包括制定和維護能源績效指標（EnPI）和能源基線（EnB），以進行持續的績效監控。

ISO 50006 中的 EnPI 和 EnB 能夠有效測量和管理能源績效，從而有助于優化能源效率。除了提高可持續性外，更好的能源管理還可以節省大量成本。該標準定義了起點（EnBs）和有意義的績效指標（EnPIs），并確定了四種類型的指標;“絕對”和“相對能源績效指標”，以及“統計”和“技術”模型。

西門子的 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。自動化系統設計人員可以添加電能表模塊，以實現能耗數據的實時測量、評估和顯示。圖 4 說明了一個典型應用：

電機代表被監控能耗的典型負載。

電流互感器將能耗轉換為電能表模塊的可測量量。該儀表還測量許多其他參數，如電壓和功率因數。

S7-1200控制器中的軟件評估測量結果，并將能耗統計數據保存在數據日志中。它使用PROFINET IE總線通過SCALANCE工業路由器連接到PG / PC和HMI。

HMI顯示測量值，使操作員能夠評估功耗峰值等參數。

控制器還可以將數據日志以標準網頁的形式發送到PG / PC上。

圖 4：所示為典型的能源監控應用，可通過 S7-1200 PLC 輕松支持（圖片來源：西門子）

電能表模塊

在圖 4 所示的應用中，可以使用 SM 1238 電能表模塊進行數據采集（圖 5）。它可用于高達 480 VAC 的單相和三相電源系統。這些模塊可以為 S7-1200 控制器提供所需的數據，以支持符合 ISO 50001、50003、50004 和 50006 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

功耗

最小值和最大值

營業時間

能源/電氣工作

圖 5：SM 1238 是用于單相和三相電力系統的能源監控模塊。（圖片來源：西門子）

結論

為了簡化和加速可持續工業 4.0 工廠網絡的部署，自動化系統設計人員可以使用 S7-1200 系列 PLC 和擴展模塊。這些解決方案支持廣泛的安全通信選項，具有集成控制功能以及數字和模擬IO，并且可擴展以支持包括能源管理在內的各種應用。

審核編輯 黃宇