Ondersteuning van massamaatwerk, hoge kwaliteit en duurzame activiteiten in Industry 4.0-fabrieken

Het ondersteunen van mass customization met hoogwaardige en duurzame productieprocessen kan een uitdaging vormen voor ontwerpers van geautomatiseerde productiesystemen voor Industry 4.0. Meerdere detectie- en controleapparaten moeten worden ingezet en verbonden via verschillende bekabelde en draadloze netwerken, en hun toestand en energieverbruik moeten in realtime worden bewaakt, en dat alles volgens vastgestelde duurzaamheidsnormen.

Om tegemoet te komen aan de verschillende functies, netwerken, bewaking en standaardvereisten en tegelijkertijd schaalbaarheid en flexibiliteit te garanderen, hoeven ontwerpers van automatiseringssystemen voor Industry 4.0 niet alles zelf in elkaar te zetten. In plaats daarvan kunnen ze compacte geïntegreerde besturingen integreren om flexibele productiesystemen met een hoog kwaliteits- en duurzaamheidsniveau te implementeren. Deze controllers hebben tal van ingebouwde besturings- en energiebeheerfuncties, digitale en analoge in- en uitgangen (IO's) en de veilige communicatiemogelijkheden die nodig zijn om een schaalbare, flexibele en zeer duurzame Industry 4.0-fabriek te implementeren.

Dit artikel geeft een kort overzicht van typische Industrie 4.0 fabrieksautomatiseringselementen en -vereisten. Vervolgens wordt een familie compacte en uitbreidbare controllers van Siemens geïntroduceerd als voorbeelden van programmeerbare logische controllers (PLC's), die geïntegreerde communicatie-interfaces en technologische functies bevatten. Er wordt afgesloten met een bespreking van de International Standards Organization (ISO) 50001 en aanverwante normen voor operationeel energiebeheer, inclusief een voorbeeld van een implementatie van energiebeheer voor duurzaamheid.

Belangrijkste elementen van een Industry 4.0-fabriek

Een typische Industry 4.0-fabriekstoepassing bestaat uit apparaten zoals temperatuurregelaars, pomp- en ventilatorregelingen, transportsystemen en verpakkingsmachines die flexibele integratie en precisie vereisen om een productie van hoge kwaliteit te garanderen. Bovendien moet het energieverbruik van deze apparaten voortdurend worden gecontroleerd en geanalyseerd om efficiënte en duurzame activiteiten te ondersteunen. Bovendien moet dit alles worden ondersteund met meerdere lagen bekabelde en draadloze connectiviteit, van gedistribueerde sensors en controllers tot motoraandrijvingen, energiemeters en machinemonteurs en -operators in realtime.

Om aan deze uiteenlopende behoeften te voldoen en tegelijkertijd de inzet en herconfiguratie van processen te versnellen, de uptime te maximaliseren en een efficiënte werking te garanderen, hebben ontwerpers van automatiseringssystemen speciale procescontrollers nodig met een aantal belangrijke functies. Dergelijke functies omvatten beveiligde communicatie-interfaces, digitale en analoge IO's, evenals geïntegreerde besturingsfuncties zoals hogesnelheidstellers, pulsbreedtemodulatie (PWM), pulssequentie-uitgangen, snelheidsregeling, positionering, conditiebewaking en energiebeheer. Daarnaast moeten er communicatie-interfaces beschikbaar zijn die protocollen ondersteunen zoals seriële communicatie, PROFIBUS, IO-Link, actuatorsensorinterface (AS-Interface), MODBUS real-time unit (RTU), universele seriële interface (USI), TCP/IP en mobiele draadloze standaarden.

Industry 4.0-connectiviteit

Om te voldoen aan de Industry 4.0-connectiviteitsvereisten ondersteunt de SIMATIC S7-1200-serie PLC's van Siemens de aansluiting van sensors, actuators en motors op mens-machine interfaces (HMI's) en op de cloud. Het maakt gebruik van de OPC Unified Architecture (OPC UA), een M2M-communicatieprotocol (machine-to-machine) voor industriële automatisering. OPC UA heeft een platformonafhankelijke, servicegeoriënteerde architectuur die connectiviteit vereenvoudigt. Het ondersteunt de integratie van alle soorten apparaten, automatiseringssystemen en softwaretoepassingen in een inherent veilige omgeving. Het omvat velduitbreidingen gespecificeerd door het Field Level Communication (FLC) initiatief, gebaseerd op het OPC UA Framework en gespecificeerd in International Electrotechnical Commission (IEC) 62541.

FLC biedt leveranciers van apparatuur een onafhankelijk platform voor veilige en betrouwbare communicatie met de nadruk op verificatie, ondertekening en gegevensversleuteling. OPC UA is meer dan een M2M-communicatieprotocol; het is ontworpen om verbindingen tussen het fabrieksnetwerk en bedrijfsnetwerken te ondersteunen. OPC UA Data Access op de SIMATIC S7-1200 PLC's van Siemens biedt gestandaardiseerde horizontale en verticale communicatie en voldoet aan industriespecifieke vereisten zoals de Organization for Machine Automation and Control Packaging Machine Language (OMAC PackML), een automatiseringsstandaard die het eenvoudiger maakt om consistente machinedata over te dragen, en de Weihenstephan Standards (WS), die een communicatie-interface definiëren voor de gestandaardiseerde overdracht van machinedata naar IT-systemen op een hoger niveau. De belangrijkste kenmerken van OPC UA implementaties op S7-1200 PLC's zijn (Afbeelding 1):

• De mogelijkheid om op efficiënte wijze nieuwe processen toe te voegen tussen PLC's en softwarelagen van een hoger niveau die bedrijfsgericht zijn.
• Een vereenvoudigde implementatie van industriespecifieke begeleidingsspecificaties met Siemens OPC UA Modeling Editor.
• Cloudconnectiviteit via een draadloze verbinding met een Ethernet-netwerk.
• DNS-naamresolutie voor vereenvoudigde adressering met open gebruikerscommunicatie (OUC), inclusief encryptie.
• Een manier om veilig e-mails te versturen, met optionele bijlagen.

Afbeelding 1: OPC UA is een fundamenteel element van Industry 4.0 fabrieksconnectiviteit. (Bron afbeelding: Siemens)

Schaalbare controllers

Naast geïntegreerde ondersteuning voor OPC UA-communicatie zijn S7-1200-controllers zoals de 6ES72141AG400XB0 (Afbeelding 2) en de 6ES72151BG400XB0 zeer flexibel en schaalbaar. De eerste werkt op een voeding van 24 volt gelijkstroom (VDC) en heeft ingangen en uitgangen van 24 VDC, terwijl de tweede werkt op een voeding van 120 of 230 volt wisselstroom (VAC), met ingangen en relaisuitgangen van 24 VDC.

Alle S7-1200-controllers hebben geïntegreerde IO's, zijn modulair uitbreidbaar en hebben verschillende communicatiemogelijkheden. De Siemens Totally Integrated Automation (TIA) portal biedt een eenvoudige softwareomgeving voor het ontwikkelen van besturingsprogramma's, en de SIMATIC automatiseringstool kan in het veld worden gebruikt voor het bedienen en onderhouden van SIMATIC S7-1200-controllers. Extra functies zijn onder andere:

• Een PROFINET-interface om schaalbaarheid en flexibiliteit te ondersteunen.
• Beveiligingsfuncties die uitgebreide toegangs-, kopieer- en manipulatiebeveiliging omvatten.
• Diagnose, met berichten weergegeven in eenvoudige, platte tekst in de Siemens TIA Portal, via een webserver, op de SIMATIC HMI en in de SIMATIC Automation Tool zonder extra programmering.
• Veiligheidsfuncties in bepaalde modellen die zowel standaard als veiligheidsgerelateerde programma's kunnen uitvoeren voor toepassingen tot Safety Integrity Level 3 (SIL3) gedefinieerd in IEC 61508 en IEC 62061 en Performance Level e (PLe) gedefinieerd in ISO 13849.

Afbeelding 2: Siemens S7-1200-controllers hebben geïntegreerde OPC UA communicatieondersteuning. (Bron afbeelding: Siemens)

Geïntegreerde technologiefuncties zoals hogesnelheidstellers, PWM, pulssequentie-uitgangen, snelheidsregeling en positionering maken deze regelaars geschikt voor temperatuurregeling, pomp- en ventilatorregeling, transportbandtechnologie en verpakkingsmachines. Ze zijn geoptimaliseerd voor lusregeling, wegen, energiebeheer, tellen met hoge snelheid, radiofrequentie-identificatie (RFID) en conditiebewaking.

Flexibele communicatieopties

Uitgebreide netwerkopties zijn een kenmerk van S7-1200 PLC's. Ondersteunde communicatieprotocollen zijn onder andere:

PROFINET: Een open industrieel Ethernet-norm (IE). De geïntegreerde PROFINET-interface maakt gebruik van TCP/IP-normen en kan worden gebruikt voor programmering of om te communiceren met HMI-apparaten en aanvullende controllers.

PROFIBUS: Dit is een veldbusnorm. Met PROFIBUS kunnen S7-1200-controllers uniforme communicatie tot stand brengen van het veldniveau naar het besturingsniveau.

AS-interface: Dit is een veldbusnorm voor actuators en sensors. Er kunnen maximaal 62 AS-Interface standaardslaves worden aangesloten, zoals motorstarters, positieschakelaars en modules.

Naast de geïntegreerde communicatiemogelijkheden zijn er modules beschikbaar die extra protocollen ondersteunen, zoals:

• CANopen
• Modbus RTU
• Modbus TCP
• IO-Link
• Algemene pakketradiodienst (GPRS)/Lange termijn evolutie (LTE)
• RS-485, RS-422 en RS-232
• USS

Massaaanpassing en hoge kwaliteit bereiken

Dankzij hun uitgebreide functionaliteit en communicatiemogelijkheden kunnen de S7-1200 PLC's inspelen op het streven naar massale aanpassing en hoge kwaliteit dat deel uitmaakt van Industry 4.0. Hoewel er talloze manieren zijn om deze doelen te bereiken, toont het volgende voorbeeld het gebruik van communicatie-uitbreidingsmodules voor draadloze cellulaire connectiviteit, RS-485/USS/Modbus RTU seriële connectiviteit voor motorbesturing en IO-Link voor eenvoudigere connectiviteit met sensors en actuators, ten opzichte van veldbussen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Uitbreidbare communicatie voor S7-1200 PLC's wordt ondersteund door een combinatie van externe (links en rechts) en interne (rood kader middenboven) uitbreidingsmodules. (Bron afbeelding: Siemens)

In afbeelding 3 is de "CM CP" een draadloze GPRS-communicatiemodule zoals de 6GK72427KX310XE0 die kan worden gebruikt voor cloudconnectiviteit. Een RS-485-communicatiebord zoals de 6ES72411CH301XB0 bevindt zich in een S7-1200 PLC ("CPU") en wordt gebruikt om te communiceren met een motoraandrijving (de SINAMICs V20) via de USS/Modbus RTU-interface. De "SM" aan de rechterkant is een IO-Link-master-communicatiemodule zoals de 6ES72784BD320XB0. De IO-Link-master is verbonden met twee sensors links en in het midden, en met een IO-Link-hub rechts. De hub kan verbinding maken met extra IO-Link-apparaten.

Duurzaam energiebeheer

Verbeterde energie-efficiëntie en duurzaamheid zijn afhankelijk van slim energiebeheer, dat op zijn beurt afhankelijk is van meer gedetailleerde en realtime gegevens over energieverbruik. Het begint steeds meer met het overwegen van ISO 50001-normen voor operationeel energiebeheer. Dit is een basisnorm die een raamwerk van vereisten biedt, waaronder de ontwikkeling van beleid, doelen en doelstellingen voor efficiënter energiegebruik en het gebruik van gegevens om de resultaten te meten. ISO 50001 wordt ondersteund door aanvullende normen, waaronder:

• ISO 50003 garandeert de effectiviteit van energiebeheersystemen (EnMS). Het omvat audits, competentievereisten voor personeel en de duur van audits en multi-site sampling.
• ISO 50004 helpt organisaties een systematische aanpak te hanteren voor het bereiken van voortdurende verbetering in energiebeheer en energieprestaties.
• ISO 50006 gaat dieper in op het voldoen aan de vereisten van ISO 50001, waaronder de ontwikkeling en het onderhoud van energieprestatie-indicatoren (EnPI's) en energiebasislijnen (EnB's) voor voortdurende prestatiebewaking.

De EnPI's en EnB's in ISO 50006 maken effectieve meting en beheer van energieprestaties mogelijk, wat kan helpen om de energie-efficiëntie te optimaliseren. Naast verbeteringen in duurzaamheid leidt beter energiebeheer tot aanzienlijke kostenbesparingen. De norm definieert het uitgangspunt (EnB's) en zinvolle prestatiemaatstaven (EnPI's) en onderscheidt vier soorten indicators: "absolute" en "relatieve" energieprestatie-indicators, samen met "statistische" en "technische" modellen.

De S7-1200-controllers van Siemens kunnen de implementatie van deze ISO-normen vereenvoudigen en zeer effectieve energiebeheersystemen ondersteunen. Ontwerpers van automatiseringssystemen kunnen een energiemetermodule toevoegen om het meten, evalueren en weergeven van energieverbruiksgegevens in realtime mogelijk te maken. Afbeelding 4 illustreert een typische toepassing:

1. De motor vertegenwoordigt een typische belasting die wordt gecontroleerd op energieverbruik.
2. De stroomtransformator zet het energieverbruik om in een meetbare hoeveelheid voor de energiemetermodule. De meter meet ook tal van andere parameters zoals spanning en arbeidsfactor.
3. Software in de S7-1200-controller evalueert de metingen en slaat statistieken over het energieverbruik op in een datalogboek. Het is verbonden met de PG/PC en HMI via een SCALANCE industriële router met behulp van PROFINET IE-bussen.
4. De HMI geeft de gemeten waarden weer en stelt operators in staat om parameters zoals stroomverbruikspieken in de loop van de tijd te evalueren.
5. De controller kan het gegevenslogboek ook naar de PG/PC sturen in de vorm van normen voor webpagina's.

Afbeelding 4: Afgebeeld is een typische energiebewakingstoepassing die eenvoudig kan worden ondersteund met een S7-1200 PLC. (Bron afbeelding: Siemens)

Module energiemeter

In een toepassing zoals in Afbeelding 4 kan een SM 1238-energiemetermodule worden gebruikt voor gegevensverwerving (Afbeelding 5). Hij kan worden gebruikt in één- en driefasige voedingssystemen tot 480 VAC. Deze modules kunnen S7-1200-controllers voorzien van de gegevens die nodig zijn om te voldoen aan de vereisten van ISO 50001, 50003, 50004 en 50006. Ze kunnen meer dan 200 elektrische metingen en energiewaarden registreren, waaronder:

• Stromen
• Spanningen
• Fasehoeken
• Frequenties
• Vermogensfactoren
• Stroomverbruik
• Minimum- en maximumwaarden
• Bedrijfsuren
• Energie/elektrisch werk

Afbeelding 5: De SM 1238 is een energiemonitoringsmodule voor mono- en driefasenstroomsystemen. (Bron afbeelding: Siemens)

Conclusie

Om de implementatie van duurzame Industry 4.0-fabrieksnetwerken te vereenvoudigen en te versnellen, kunnen ontwerpers van automatiseringssystemen gebruikmaken van de S7-1200-serie PLC's en uitbreidingsmodules. Deze oplossingen ondersteunen een breed scala aan veilige communicatieopties, hebben geïntegreerde besturingsfuncties en digitale en analoge IO's, en zijn uitbreidbaar om een breed scala aan toepassingen te ondersteunen, waaronder energiebeheer.

Aanbevolen lectuur

1. Hoe u Smart Factory-actuators productiever kunt maken met IO-Link
2. Hoe Traceability 4.0-oplossingen gebruiken voor verbeterde productveiligheid, naleving en tracering
3. PLC's programmeren: Een technische samenvatting met voorbeelden van Siemens