作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

對于工業 4.0 自動化制造系統的設計人員來說，利用高質量和可持續的生產流程來支持大規模定制可能具有一定挑戰性。他們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器件，并對其狀態和能耗進行實時監控，同時滿足既定的可持續發展標準。

要適應各種功能、網絡、監控和標準要求，同時確?？蓴U展性和靈活性，工業 4.0 自動化系統的設計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，以部署高質量和可持續的靈活生產系統。這些控制器擁有眾多的嵌入式控制和能源管理功能、數字和模擬輸入輸出 (IO)，還提供實現可擴展、靈活、高度可持續工業 4.0 工廠所必需的安全通信功能。

本文簡述了典型工業 4.0 工廠的自動化元件和要求。然后作為可編程邏輯控制器 (PLC) 的實例，介紹了 [Siemens] 的一系列緊湊型可擴展[控制器]，這些控制器包含集成通信接口和技術功能。最后回顧了國際標準化組織 (ISO) 50001 標準和相關運行能源管理標準，包括一個實現可持續發展能源管理的實例。

工業 4.0 工廠的關鍵元件

典型的工業 4.0 工廠應用包括溫度控制器、泵和風扇控制器、傳送帶系統和包裝機等設備，它們需要靈活的集成和極高的精度，才能確保高質量的生產。而且，還需要對這些設備的能耗進行持續監測和分析，以支持高效和可持續的運行。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的連接到電機驅動器、能量計、機器技術人員和操作人員的實時連接。

為了滿足這些不同需求，同時加快流程部署和重新配置，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備多項關鍵功能的專用流程控制器。這些功能包括安全通信接口、數字和模擬 IO，以及各種集成控制功能，例如高速計數器、脈沖寬度調制 (PWM)、脈沖序列輸出、速度控制、定位、狀態監測和能源管理等。此外，還需要提供通信接口來支持各種協議，例如串行通信、PROFIBUS、IO-Link、致動器傳感器接口 (AS-Interface)、MODBUS 實時單元 (RTU)、通用串行接口 (USI)、TCP/IP 和移動無線標準。

工業 4.0 連接

為滿足工業 4.0 的連接要求，Siemens 的 [SIMATIC S7-1200] 系列 PLC 支持傳感器、致動器、電機與人機接口 (HMI) 和云端的連接。該系列采用 OPC 統一架構 (OPC UA)，這是一種用于工業自動化的機對機 (M2M) 通信協議。OPC UA 是一種獨立于平臺、面向服務的架構，可以簡化連接。其支持在本質安全的環境中集成所有類型的設備、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、基于 OPC UA 框架的，以及在國際電工委員會 (IEC) 62541 標準中指定的現場擴展。

FLC 為設備供應商提供了一個安全可靠的獨立通信平臺，強調身份驗證、簽名和數據加密。OPC UA 不僅僅是一個 M2M 通信協議，其旨在支持工廠網絡與商業網絡之間的連接。Siemens 的 SIMATIC S7-1200 PLC 上的 OPC UA Data Access 提供了標準化的橫向和縱向通信，并符合行業特定要求，例如機器自動化和控制組織的包裝機器語言標準 (OMAC PackML)，這是一種自動化標準，可使一致的機器數據傳輸變得更容易；另外還有魏恩施蒂芬標準 (WS)，它定義了一種通信接口，用于機器數據的標準化傳輸，以便將數據傳輸到更高級別的 IT 系統。S7-1200 PLC 上實施的 OPC UA 的主要特性包括（圖 1）：

• 能夠在 PLC 與任何更高級別面向業務的軟件層之間有效地添加新流程。
• 利用 Siemens OPC UA 建模編輯器，簡化了行業特定配套規范的實施。
• 通過以太網網絡的無線連接，提供云連接。
• DNS 名稱解析，利用開放式用戶通信 (OUC) 來簡化尋址，包括加密。
• 提供安全發送電子郵件的一種方式，帶可選附件。

可擴展的控制器

除了提供對 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，可進行模塊化擴展，并提供多種通信選項。Siemens 全集成自動化 (TIA) 門戶提供了一個簡單的控制程序開發軟件環境，而 SIMATIC 自動化工具可在現場用于操作和維護 SIMATIC S7-1200 控制器。其他特性包括：

• PROFINET 接口提供可擴展性和靈活性。
• 安全功能，包括全面的訪問、復制和操作保護。
• 診斷功能，在 Siemens TIA 門戶中、通過網絡服務器、在 SIMATIC 人機界面上，以及在 SIMATIC 自動化工具中，以簡單純文本顯示信息，無需另外編程。
• 某些型號提供安全功能，可同時執行標準程序和安全相關程序，最高適合 IEC 61508 和 IEC 62061 中定義的安全完整性 3 級 (SIL3)，以及 ISO 13849 中定義的性能 e 級 (PLe) 應用。

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

憑借高速計數器、脈沖寬度調制、脈沖序列輸出、速度控制和定位等集成技術功能，這些控制器適用于溫度控制、泵和風扇控制、傳送帶技術和包裝機。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。

靈活的通信選擇

全面的聯網選項是 S7-1200 PLC 的一大特點。支持的通信協議包括：

PROFINET：一種開放工業以太網 (IE) 標準。集成的 PROFINET 接口采用 TCP/IP 標準，可用于進行編程，或用于與人機接口設備和其他控制器進行通信。

PROFIBUS：這是一種現場總線標準。利用 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：這是一種用于致動器和傳感器的現場總線標準。最多可連接 62 個 AS 接口標準從站，如電機啟動器、位置開關和模塊。

除集成通信功能外，還提供支持其他協議的模塊，例如：

• CANopen
• Modbus RTU
• Modbus TCP
• IO-Link
• 通用分組無線服務 (GPRS)/長期演進 (LTE)
• RS-485、RS-422 和 RS-232
• 美國海軍

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，因而能夠適應工業 4.0 帶來的大規模定制和高質量發展趨勢。實現這些目標的方法有很多，以下示例顯示了使用通信擴展模塊實現無線蜂窩連接、用于電機控制的 RS-485/USS/Modbus RTU 串行連接、用于傳感器和致動器的 IO-Link 連接（相對于現場總線而言更加簡單）（圖 3）。

圖 3：S7-1200 PLC 的可擴展通由外部（左側和右側）和內部（頂部中間紅框）擴展模塊來支持。（圖片來源：Siemens）

在圖 3 中，“CM CP”是一個類似于 [6GK72427KX310XE0]的 GPRS 無線通信模塊，可用于云連接。[6ES72411CH301XB0]等 RS-485 通信板安裝在 S7-1200 PLC（“CPU”）內部，用于通過 USS/Modbus RTU 接口與電機驅動器 (SINAMICS V20) 通信。右側的“SM”包括一個 IO-Link 主站通信模塊，例如 [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。集線器可連接到其他 IO-Link 設備。

可持續能源管理

提高能源效率和可持續性依賴于智能能源管理，而智能能源管理又依賴于更精細的實時能源消耗數據。智能能源管理越來越多地從針對運行能源管理的 ISO 50001 標準著眼考慮。這是一項基礎標準，提供了一個要求框架，包括政策制定、目標和目的，旨在提高能源使用效率，以及使用數據來衡量結果。其他一些標準也可為 ISO 50001 提供支持，包括：

• ISO 50003 確保能源管理系統 (EnMS) 的效率。該標準包括審計、人員能力要求、審計持續時間和多站點采樣。
• ISO 50004 可幫助各個組織采用系統化方法，實現能源管理和能源績效的持續改進。
• ISO 50006 進一步闡述了如何滿足 ISO 50001 的要求，包括制定和維護能源績效指標 (EnPI) 和能源基線 (EnB)，以便進行持續的績效監測。

ISO 50006 中的 EnPI 和 EnB 能夠有效測量和管理能源績效，有助于優化能源效率。除了提高可持續性，更好的能源管理還能大幅節省成本。該標準定義了起點 (EnB) 和有意義的績效指標 (EnPI)，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。

Siemens 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一個能量計模塊，以便實時測量、評估和顯示能耗數據。圖 4 顯示了一種典型應用：

1. 電機代表一種典型負載，正在對其進行能耗監測。
2. 電流互感器將能耗轉化為能量計模塊的可測量數量。能量計還測量許多其他參數，例如電壓和功率因數。
3. S7-1200 控制器中的軟件對測量結果進行評估，并將能耗統計數據保存在數據日志中。其通過 SCALANCE 工業路由器使用 PROFINET IE 總線連接到 PG/PC 和 HMI。
4. 該 HMI 顯示測量值，讓操作人員能夠評估功耗峰值隨時間的變化等參數。
5. 控制器還可以標準網頁的形式將數據日志發送到 PG/PC。

圖 4：一個典型的能源監測應用，使用 S7-1200 PLC 可輕松支持該應用。（圖片來源：Siemens）

能量計模塊

在圖 4 所示的應用中，可使用 [SM 1238] 能量計模塊進行數據采集（圖 5）。該模塊可用于最高 480 VAC 的單相和三相供電系統。這些模塊可為 S7-1200 控制器提供必要的數據，以支持符合 ISO 50001、50003、50004 和 50006 的要求。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
• 工作時數
• 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：Siemens）

總結

為了簡化和加快可持續工業 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。這些解決方案支持多種安全通信選項，具有集成控制功能，提供數字和模擬 IO，并且可以擴展，以支持包括能源管理在內的眾多應用。