支持工业4.0工厂的大规模定制、高质量和可持续运营

对于工业4.0自动化制造系统的设计人员来说，通过高质量和可持续的生产流程支持大规模定制可能具有挑战性。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设备，并且需要实时监控其状态和能耗，同时满足既定的可持续性标准。

为了适应各种功能、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 的自动化系统设计人员不必自己将它们拼凑在一起。相反，他们可以采用紧凑的集成控制器，以实现具有高质量和可持续性的灵活生产系统。这些控制器具有众多嵌入式控制和能源管理功能、数字和模拟输入和输出 （IO），以及实现可扩展、灵活和高度可持续的工业 4.0 工厂所需的安全通信功能。

本文简要概述了典型的工业4.0工厂自动化元素和要求。然后，介绍了西门子的一系列紧凑型可扩展控制器，作为可编程逻辑控制器（PLC）的示例，其中包含集成的通信接口和技术功能。最后，它回顾了国际标准组织（ISO）50001和运营能源管理的相关标准，包括一个可持续发展能源管理实施的例子。

工业4.0工厂的关键要素

典型的工业 4.0 工厂应用包括温度控制、泵和风扇控制、输送机系统和包装机等设备，这些设备需要灵活的集成和精度以确保高质量的生产。此外，需要持续监测和分析这些设备的能耗，以支持高效和可持续的运营。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到电机驱动器、电表以及机器技术人员和操作员的实时。

为了满足这些不同的需求，同时加快过程部署和重新配置，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有多个关键功能的专用过程控制器。这些特性包括安全通信接口、数字和模拟 IO，以及集成控制功能，如高速计数器、脉宽调制 （PWM）、脉冲序列输出、速度控制、定位、状态监控和能源管理。此外，还需要提供支持串行通信、PROFIBUS、IO-Link、执行器传感器接口（AS-Interface）、MODBUS实时单元（RTU）、通用串行接口（USI）、TCP/IP和移动无线标准等协议的通信接口。

工业 4.0 连接

为了满足工业 4.0 的连接要求，西门子的 SIMATIC S7-1200 系列 PLC 支持将传感器、执行器和电机连接到人机界面 （HMI） 和云。它使用OPC统一架构（OPC UA），这是一种用于工业自动化的机器对机器（M2M）通信协议。OPC UA具有独立于平台的面向服务的架构，可简化连接。它支持在固有的安全环境中集成所有类别的设备、自动化系统和软件应用程序。它包括现场级通信 （FLC） 计划指定的现场扩展，基于 OPC UA 框架并在国际电工委员会 （IEC） 62541 中指定。

FLC 为设备供应商提供了一个独立的平台，用于安全可靠的通信，强调身份验证、签名和数据加密。OPC UA不仅仅是一种M2M通信协议;它旨在支持工厂网络和业务网络之间的连接。西门子 SIMATIC S7-1200 PLC 上的 OPC UA 数据访问可实现标准化的水平和垂直通信，并符合行业特定要求，例如机器自动化和控制包装机器语言组织 （OMAC PackML），这是一种自动化标准，可以更轻松地传输一致的机器数据，以及 Weihenstephan 标准 （WS）， 它定义了用于将机器数据标准化传输到更高级别的IT系统的通信接口。在S7-1200 PLC上实施OPC UA的主要功能包括（图1）：

能够在 PLC 和任何更高级别的、面向业务的软件层之间有效地添加新流程。

使用西门子 OPC UA 建模编辑器简化行业特定配套规范的实施。

通过无线连接到以太网网络的云连接。

DNS 名称解析，用于通过开放用户通信 （OUC） 简化寻址，包括加密。

一种使用可选附件安全发送电子邮件的方法。

可扩展的控制器

除了集成对OPC UA通信的支持外，7ES1200AG6XB72141（图400）和0ES2BG6XB72151等S400-0控制器还具有高度的灵活性和可扩展性。前者由 24 伏直流 （VDC） 电源供电，具有 24 VDC 输入和输出，而后者由 120 或 230 伏交流电 （VAC） 电源供电，具有 24 VDC 输入和继电器输出。

所有 S7-1200 控制器都具有集成 IO，可模块化扩展，并具有多种通信选项。西门子全集成自动化 （TIA） 门户为开发控制程序提供了简单的软件环境，SIMATIC 自动化工具可用于现场操作和维护 SIMATIC S7-1200 控制器。其他功能包括：

支持可扩展性和灵活性的PROFINET接口。

安全功能，包括全面的访问、复制和操作保护。

诊断，消息以简单的纯文本形式显示在西门子 TIA 博途、通过 Web 服务器、SIMATIC HMI 和 SIMATIC 自动化工具中，无需额外编程。

某些型号中的安全功能，可以执行标准和安全相关程序，适用于IEC 3中定义的安全完整性等级3（SIL61508）和ISO 62061中定义的IEC 13849和性能等级e（PLe）的应用。

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

高速计数器、PWM、脉冲序列输出、速度控制和定位等集成技术功能使这些控制器适用于温度控制、泵和风扇控制、输送机技术和包装机。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。

灵活的通信选项

全面的网络选项是 S7-1200 PLC 的标志。 支持的通信协议包括：

PROFINET：一种开放的工业以太网（IE）标准。集成的PROFINET接口使用TCP / IP标准，可用于编程或与HMI设备和其他控制器通信。

PROFIBUS：这是一个现场总线标准。借助 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：这是执行器和传感器的现场总线标准。最多可连接 62 个 AS-Interface 标准从站，如电机起动器、位置开关和模块。

除了集成通信功能外，还提供支持其他协议的模块，例如：

卡诺

Modbus RTU

Modbus TCP

IO-Link

通用分组无线业务 （GPRS）/长期演进 （LTE）

RS-485、RS-422 和 RS-232

TS2

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，能够适应工业 4.0 中大规模定制和高质量的驱动力。虽然有许多方法可以实现这些目标，但以下示例显示了使用通信扩展模块进行无线蜂窝连接，RS-485/USS/Modbus RTU 串行连接用于电机控制，以及 IO-Link 用于更简单地连接到传感器和执行器（图 3）。

图 3：外部（左侧和右侧）和内部（红色框顶部中心）扩展模块的组合支持S7-1200 PLC 的可扩展通信。（图片来源：西门子）

在图3中，“CM CP”是一个GPRS无线通信模块，如6GK72427KX310XE0，可用于云连接。像485ES6CH72411XB301这样的RS-0通信板位于S7-1200 PLC（“CPU”）内，用于通过USS/Modbus RTU接口与电机驱动器（SINAMIC V20）通信。右侧的“SM”包含一个 IO-Link 主通信模块，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。集线器可以连接到其他 IO-Link 设备。

可持续能源管理

能源效率和可持续性的提高依赖于智能能源管理，而智能能源管理又依赖于更精细和实时的能源消耗数据。它越来越多地从考虑ISO 50001运营能源管理标准开始。这是一个基础标准，提供了一个需求框架，包括制定政策、目标和目标，以提高能源使用效率，以及使用数据来衡量结果。ISO 50001 受其他标准支持，包括：

ISO 50003 确保能源管理系统 （EnMS） 的有效性。它包括审核、人员能力要求以及审核和多站点抽样的持续时间。

ISO 50004 帮助组织采取系统的方法来实现能源管理和能源绩效的持续改进。

ISO 50006扩展了如何满足ISO 50001要求，包括制定和维护能源绩效指标（EnPI）和能源基线（EnB），以进行持续的绩效监控。

ISO 50006 中的 EnPI 和 EnB 能够有效测量和管理能源绩效，从而有助于优化能源效率。除了提高可持续性外，更好的能源管理还可以节省大量成本。该标准定义了起点（EnBs）和有意义的绩效指标（EnPIs），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。

西门子的 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电能表模块，以实现能耗数据的实时测量、评估和显示。图 4 说明了一个典型应用：

电机代表被监控能耗的典型负载。

电流互感器将能耗转换为电能表模块的可测量量。该仪表还测量许多其他参数，如电压和功率因数。

S7-1200控制器中的软件评估测量结果，并将能耗统计数据保存在数据日志中。它使用PROFINET IE总线通过SCALANCE工业路由器连接到PG / PC和HMI。

HMI显示测量值，使操作员能够评估功耗峰值等参数。

控制器还可以将数据日志以标准网页的形式发送到PG / PC上。

图 4：所示为典型的能源监控应用，可通过 S7-1200 PLC 轻松支持（图片来源：西门子）

电能表模块

在图 4 所示的应用中，可以使用 SM 1238 电能表模块进行数据采集（图 5）。它可用于高达 480 VAC 的单相和三相电源系统。这些模块可以为 S7-1200 控制器提供所需的数据，以支持符合 ISO 50001、50003、50004 和 50006 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

营业时间

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：西门子）

结论

为了简化和加速可持续工业 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。这些解决方案支持广泛的安全通信选项，具有集成控制功能以及数字和模拟IO，并且可扩展以支持包括能源管理在内的各种应用。

审核编辑 黄宇