A tömeges testreszabás, a magas minőség és a fenntartható működés támogatása Ipar 4.0-ás gyárakban

A tömeges testreszabás támogatása úgy, hogy közben a magas minőség és a fenntartható gyártási folyamatok is megmaradjanak kihívások elé állíthatja az Ipar 4.0-ás automatizált gyártórendszerek tervezőit. Több érzékelő és vezérlő eszközt kell telepíteni, azokat különböző vezetékes és vezeték nélküli hálózatokon keresztül összekapcsolni továbbá az állapotukat és energiafogyasztásukat valós időben nyomon követni, és mindezt a fenntarthatósági szabványok betartásával.

Különböző funkciókat kell megvalósítani, hálózatokat kell kiépíteni, a felügyeleti és szabványkövetelményeknek megfelelni, valamint skálázhatóságot és rugalmasságot biztosítani. A jó hír viszont az, hogy a tervezőknek nem kell mindent maguknak összeállítaniuk, hanem ehelyett használhatnak kompakt integrált vezérlőket is, melyekkel rugalmas, magas szintű minőséget és fenntarthatóságot biztosító termelési rendszereket tudnak kiépíteni. Ezek a vezérlők számos beágyazott vezérlési és energiafogyasztás-szabályozási funkcióval, digitális és analóg bemenetekkel és kimenetekkel (IO) rendelkeznek, valamint azokkal a biztonságos kommunikációs képességekkel, amelyek a skálázható, rugalmas és a magas szintű fenntarthatóság jegyében működő Ipar 4.0-ás gyárak kiépítéséhez kellenek.

Ez a cikk röviden áttekinti a tipikus Ipar 4.0-ás gyárak automatizálási elemeit és követelményeit, majd ezután az integrált kommunikációs interfészekkel és technológiai funkciókkal rendelkező programozható logikai vezérlők (PLC-k) példájaként bemutat egy kompakt és bővíthető vezérlőcsaládot a Siemens-től. A Nemzetközi Szabványügyi Szervezet (ISO) 50001-es, és az üzemeltetési energiagazdálkodásra vonatkozó kapcsolódó szabványok áttekintésével majd egy megvalósított fenntarthatósági energiagazdálkodási példával zárul.

Az Ipar 4.0-ás gyárak legfontosabb elemei

Egy tipikus Ipar 4.0-ás gyári rendszer különböző eszközökből, például hőmérséklet-szabályozókból, szivattyú- és ventilátorvezérlőkből, szállítórendszerekből és csomagológépekből áll, amelyek rugalmas integrációt és pontosságot igényelnek a minőségi termelés biztosításához. Ezen eszközök energiafogyasztását folyamatosan nyomon kell követni és elemezni ahhoz, hogy a gyár általános működése hatékony és fenntartható legyen. Emellett mindezekhez különböző szintű vezetékes és vezeték nélküli kapcsolatokat kell kiépíteni, az elosztott érzékelőktől és vezérlőelemektől kezdve a motorhajtások, az energiafogyasztás-mérők, valamint a valós idejű vezérlést folytató géptechnikusok és kezelők számára.

Ezen különböző igények kielégítéséhez, a folyamatok telepíthetőségének és az átkonfigurálhatóság felgyorsításához, az üzemidő maximalizálásához és a hatékony működés biztosításához az automatizálási rendszerek tervezőinek több kulcsfontosságú tulajdonsággal és funkcióval rendelkező, dedikált folyamatvezérlőkre van szükségük. Ilyen tulajdonságok többek között a biztonsági kommunikációs interfészek, a digitális és analóg IO-k, a nagysebességű számlálók, az impulzussorozat kimenetek, valamint az integrált vezérlési funkciók, mint például az impulzusszélesség-moduláció (PWM), a fordulatszám-szabályozás, a pozícionálás, az állapotfigyelés és az energiafogyasztás-szabályozás. Ezenkívül különböző protokollokat, például a soros kommunikációt, a PROFIBUS-t, az IO-Link-et, az AS-Interface-t, a MODBUS RTU-t, az univerzális soros interfészt, a TCP/IP-t és a mobil vezeték nélküli szabványokat támogató kommunikációs interfészeknek is rendelkezésre kell állniuk.

Ipar 4.0 és csatlakoztathatóság

Az Ipar 4.0 csatlakoztatási követelményeinek kielégítéséhez a Siemens SIMATIC S7-1200 PLC-családja érzékelők, működtető elemek és motorok ember-gép interfészekhez (HMI) való csatlakoztatására és felhőkapcsolat biztosítására használható. Ezt egy ipari automatizálási gép-gép közötti (M2M) kommunikációs protokoll, az OPC UA (OPC Unified Architecture) segítségével valósítja meg. Az OPC UA a csatlakoztathatóságot egyszerűsítő platformfüggetlen és szolgáltatásorientált architektúrával rendelkezik. Segítségével minden fajta eszköz, automatizálási rendszer és alkalmazási szoftver integrálható egyetlen eredendően biztonságos környezeten belül. Tartalmazza a Field Level Communication (FLC) szabvány által meghatározott, az OPC UA keretrendszerén alapuló és a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC) 62541 szabványában meghatározott terepi kiterjesztéseket.

Az FLC egy független platformot biztosít a berendezésgyártók számára a biztonságos és megbízható kommunikációhoz, a hitelesítésre, az aláírásokra és az adattitkosításra helyezve a hangsúlyt. Az OPC UA több csupán egy hétköznapi M2M kommunikációs protokollnál: ezt a protokollt kifejezetten a gyári és az üzleti hálózatok közötti kapcsolatok támogatására tervezték. A Siemens SIMATIC S7-1200 PLC-kben lévő OPC UA Data Access adathozzáférési funkció szabványosított horizontális és vertikális kommunikációt biztosít, valamint megfelel több iparág-specifikus követelménynek, mint például a The Organization for Machine Automation and Control Packaging Machine Language (OMAC PackML) automatizálási szabványnak, amely megkönnyíti a gépi adatok konzisztens továbbítását, valamint a Weihenstephan Standards (WS) szabványoknak, amelyek kommunikációs interfészt határoznak meg a gépi adatok szabványosított továbbítására a magasabb szintű IT-rendszerek felé. Az S7-1200 PLC-kbe épített OPC UA implementációnak főbb jellemzői a következők (1. ábra):

• A PLC-k és bármely magasabb szintű, üzletorientált szoftverrétegek hatékony bővítése új folyamatokkal.
• Iparágspecifikus kísérő specifikációk egyszerűsített megvalósítása a Siemens OPC UA Modeling Editor szoftverével.
• Felhőcsatlakozás vezeték nélküli kapcsolaton keresztül Ethernet-hálózathoz.
• DNS névfeloldás az egyszerűsített címzéshez nyílt felhasználói kommunikációval (OUC), beleértve a titkosítást is.
• Lehetőség e-mailek biztonságos küldésére, opcionálisan csatolható mellékletekkel.

1. ábra: Az OPC UA az egyik alappillére az Ipar 4.0-ás gyárakon belüli összekapcsolhatóságnak (kép: Siemens)

Skálázható vezérlők

Az OPC UA szerinti kommunikáció integrált támogatása mellett az S7-1200 vezérlők, mint például a 6ES72141AG400XB0 (2. ábra) és a 6ES72151BG400XB0 rendkívül rugalmasak és skálázhatók. Az előbbi 24 voltos egyenáramú (VDC) tápegységről működik, és 24 VDC-s bemenetekkel és kimenetekkel rendelkezik, míg az utóbbi 120 vagy 230 voltos váltakozó áramú (VAC) tápegységről működik, 24 VDC-s bemenetekkel és relé kimenetekkel.

Az S7-1200 vezérlők mindegyike integrált IO-kkal rendelkezik, modulárisan bővíthetők, és számos kommunikációs lehetőséget biztosítanak. A Siemens Totally Integrated Automation (TIA) portálja egyszerű szoftverkörnyezetet biztosít a vezérlőprogramok fejlesztéséhez, a SIMATIC pedig egy terepi használatra alkalmas automatizálási szoftver a SIMATIC S7-1200 vezérlők működtetéséhez és karbantartásához. További jellemzők többek között a következők:

• Skálázhatóságot és rugalmasságot támogató PROFINET-interfész.
• Hozzáférés-, másolás- és manipuláció-elleni védelmet biztosító átfogó biztonsági funkciók.
• Egyszerű szöveges diagnosztikai üzenetek megjelenítése, web szerveren keresztül a Siemens TIA portálján, valamint a SIMATIC HMI-n és a SIMATIC Automation Tool-ban, külön programozás szükségessége nélkül.
• Egyes típusok biztonsági funkciókkal rendelkeznek, standard és biztonsági programok végrehajtására az IEC 61508 és az IEC 62061 szabványban meghatározott 3. biztonságjósági szintnek (SIL3), valamint az ISO 13849 szabványban meghatározott „e” fokozatú termékjósági szintnek (PLe) megfelelő alkalmazási esetekhez.

2. ábra: A Siemens S7-1200 vezérlői integráltan támogatják az OPC UA szerinti kommunikációt (kép: Siemens)

Az integrált technológiai funkcióknak és tulajdonságoknak, mint például a nagysebességű számlálóknak, a PWM-nek, az impulzussorozat-kimeneteknek, a fordulatszám-szabályozásnak és a pozicionálásnak köszönhetően ezek a vezérlők hőmérséklet-szabályozásra, szivattyú- és ventilátorszabályozásra valamint szállítószalagoknál és csomagológépeknél használhatók. Vezérlési körös szabályozásra, mérésre, energiagazdálkodásra, nagy sebességű számlálásra, rádiófrekvenciás azonosításra (RFID) és állapotfigyelésre optimalizálták őket.

Rugalmas kommunikációs lehetőségek

Az S7-1200 PLC-k védjegyének számít az átfogó hálózatba kapcsolási képességek. A támogatott kommunikációs protokollok a következők:

PROFINET: Nyílt ipari Ethernet (IE) szabvány. Az integrált PROFINET interfész TCP/IP szabványokat használ, és programozásra, illetve HMI eszközökkel és további vezérlőkkel való kommunikációra használható.

PROFIBUS: Terepi busz szabvány. A PROFIBUS segítségével az S7-1200 vezérlők egységes kommunikációs csatornák létrehozására képesek a terepi szinttől a vezérlési szintig.

AS-Interface: Terepi busz szabvány a működtetők és érzékelők számára. Akár 62 szabványos AS-Interface szolga, például motorindítók, helyzetkapcsolók és modulok összekapcsolására.

Az integrált kommunikációs képességek mellett további protokollokat támogató különböző modulok is rendelkezésre állnak, például:

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

Tömeges testreszabás magas minőséggel

Az S7-1200 PLC-k széles körű funkcionalitása és kommunikációs képességei lehetővé teszik, hogy az Ipar 4.0 részeként megfeleljenek a tömeges testreszabás és a magas minőség felé tartó törekvéseknek. Bár e célok számos különböző módon elérhetők, a következő példa a vezeték nélküli mobilhálózati kommunikációs bővítőmodulok, a motorvezérlésre használható RS-485/USS/Modbus RTU típusú soros kapcsolat, valamint az IO-Link használatát mutatja be az érzékelők és működtetőelemek a terepi buszokhoz képest egyszerűbb csatlakoztatásához (3. ábra).

3. ábra: Az S7-1200 PLC-k kommunikációs képességei külső (balról és jobbról) és belső (piros doboz középen felül) bővítőmodulok segítségével kiterjeszthetők (kép: Siemens)

A 3. ábrán a „CM CP” egy GPRS vezeték nélküli kommunikációs modul (például a 6GK72427KX310XE0), amely felhőhöz való csatlakozásra használható. Egy RS-485 szabványos kommunikációs kártya (például a 6ES72411CH301XB0) az S7-1200 PLC („CPU”) belsejében található, és az USS/Modbus RTU interfészen keresztül tud kommunikálni a motorhajtással (a SINAMICs V20-szal). A jobbról lévő „SM” egy IO-Link mester kommunikációs modul (például a 6ES72784BD320XB0). Az IO-Link mester a balról és középen lévő két érzékelőhöz, valamint a jobb oldalon lévő IO-Link hubhoz van csatlakoztatva. A hub további IO-Link eszközökhöz képes csatlakozni.

Fenntartható energiagazdálkodás

Az energiahatékonyság és fenntarthatóság javítása az intelligens energiagazdálkodáson alapul, amely viszont a részletesebb és valós idejű energiafogyasztási adatokra támaszkodik. Ez elsősorban az üzemeltetési energiagazdálkodásra vonatkozó ISO 50001 szabványoknak való megfeleléssel kezdődik, amely a követelmények keretét adó alapszabvány-készlet. Többek között tartalmazza a hatékonyabb energiafelhasználásra vonatkozó politikák, célok és célkitűzések kidolgozását, valamint az eredmények mérésére szolgáló adatok használatának módját. Az ISO 50001 szabványhoz további kiegészítő szabványok tartoznak, többek között a következők:

• Az ISO 50003 rendelkezik az energiagazdálkodási rendszerek (EnMS) hatékonyságáról. Meghatározza az auditálást, a személyzet alkalmassági követelményeit, az auditok időtartamát és a több helyszínen történő mintavételt.
• Az ISO 50004 szisztematikus módszereket nyújt a szervezeteknek az energiagazdálkodás és az energiateljesítmény folyamatos javítására.
• Az ISO 50006 részletesebben tárgyalja az ISO 50001 követelményeinek teljesítését, beleértve az energiateljesítmény mutatók (EnPI) és az energetikai alapértékek (EnB) kidolgozását és naprakészen tartását a folyamatos teljesítmény-ellenőrzéshez.

Az ISO 50006 szabványban szereplő EnPI-kkel és EnB-kkel az energiafelhasználási teljesítmény hatékonyan mérhető és menedzselhető, ami segíthet az energiahatékonyság optimalizálásában. A fenntarthatóság javulásán túl az energiagazdálkodás javítása jelentős költségmegtakarításokkal is jár. A szabvány meghatározza a kiindulópontot (EnB-k), az értékelhető teljesítménymutatókat (EnPI-k) valamint a következő négyféle mutatótípust: „abszolút” és „relatív energiateljesítmény-mutatók”, valamint „statisztikai” és „technikai” modellek.

A Siemens S7-1200-as vezérlőivel az ezen ISO-szabványoknak való megfelelés leegyszerűsíthető, és segítségükkel rendkívül hatékony energiagazdálkodási rendszerek építhetők. Az automatizálási rendszerek tervezői egy energiafogyasztásmérő modult is beépíthetnek, amely lehetővé teszi az energiafogyasztási adatok valós idejű mérését, kiértékelését és megjelenítését. A 4. ábrán egy tipikus alkalmazási eset látható:

1. Tipikus terhelés egy motor, amelynek energiafogyasztását általában figyelemmel kísérik.
2. Az áramváltó az energiafogyasztást az energiamérő modul számára mérhető mennyiséggé alakítja át. A mérőműszer számos más paramétert is mér, például a feszültséget és a teljesítménytényezőt.
3. Az S7-1200 vezérlőben lévő szoftver kiértékeli a méréseket, és egy adatnaplóban tárolja az energiafogyasztási statisztikát. Ez egy SCALANCE ipari routeren keresztül csatlakozik a PG/PC-hez és a HMI-hez a PROFINET IE buszok segítségével.
4. A HMI megjeleníti a mért értékeket, és lehetővé teszi a kezelők számára különböző paraméterek kiértékelését, például az energiafogyasztási csúcsértékek időbeli alakulását.
5. A vezérlő az adatnaplót szabványos weboldalak formájában is elküldheti a PG/PC-re.

4. ábra: A képen egy S7-1200 PLC-vel könnyen megvalósítható tipikus energiafelügyeleti rendszer látható (kép: Siemens)

Energiafogyasztás mérő modul

A 4. ábrán bemutatott rendszerben az adatgyűjtés megvalósítható egy SM 1238 energiamérő modul segítségével (5. ábra). Az eszköz egy- és háromfázisú tápellátási rendszerekben használható 480 V váltakozó feszültségig. Ezek a modulok képesek az S7-1200 vezérlők számára biztosítani az ISO 50001, 50003, 50004 és 50006 követelményeinek való megfeleléshez szükséges adatokat. Több mint 200 elektromos jellemző mérésére és energiaérték rögzítésére képesek, melyek többek között a következők:

• Áramerősségek
• Feszültségek
• Fázisszögek
• Frekvenciák
• Teljesítménytényezők
• Energiafogyasztás
• Minimális és maximális értékek
• Üzemórák száma
• Elektromos munka

5. ábra: Az SM 1238 egy energiafelügyeleti modul egy- és háromfázisú áramellátó rendszerekhez (kép: Siemens)

Összegzés

Az Ipar 4.0-ás fenntartható gyárak hálózatainak kiépítésének egyszerűsítéséhez és felgyorsításához az automatizálási rendszerek tervezői az S7-1200 PLC-családhoz és azok bővítőmoduljaihoz fordulhatnak. Ezek a megoldások széleskörű biztonsági kommunikációs lehetőségeket támogatnak, integrált vezérlési funkciókkal és digitális és analóg IO-kkal rendelkeznek, és különféle módokon bővíthetők az alkalmazási esetek széles körének támogatására, beleértve az energiagazdálkodást is.

Ajánlott olvasnivaló

1. Intelligens gyárakban működő aktuátorok termelékenységének növelése az IO-Link használatával
2. Nyomonkövethetőség 4.0 használata a termékbiztonság és a megfelelőség javításához valamint az alkatrészek jobb nyomon követéséhez
3. PLC-k programozása: műszaki összefoglaló a Siemenstől vett példákkal