תמיכה בהתאמה מיוחדת המונית, איכות גבוהה ותפעול בר קיימא במפעלי Industry 4.0
באדיבות ‎DigiKey's North American Editors
2023-07-27
תמיכה בהתאמה מיוחדת המונית עם תהליכי ייצור איכותיים וברי קיימא יכולה להיות מאתגרת עבור מתכננים של מערכות ייצור אוטומטיות Industry 4.0. יש לפרוס ולחבר התקני חישה ובקרה מרובים לאורך רשתות חוטיות ואלחוטיות שונות, ויש לנטר את מצבם וצריכת האנרגיה שלהם בזמן-אמת, הכל תוך עמידה בתקני קיימות שנקבעו.
כדי לאמץ את מגוון הפונקציות, רשתות, ניטור ודרישות התקנים, תוך כדי גם הבטחת מדרגיות וגמישות, מתכנני מערכת אוטומציה עבור Industry 4.0 אינם חייבים לתפור את הכל יחד בעצמם. במקום זה הם יכולים לשלב בקרים משולבים קומפקטיים למימוש מערכות ייצור גמישות עם רמות גבוהות של איכות וקיימות. לבקרים אלה יש פונקציות ניהול אנרגיה ובקרה משובצות רבות, כניסות ויציאות (IOs) דיגיטליות ואנלוגיות, ואת יכולות התקשורת המאובטחת הדרושות כדי לממש מפעל Industry 4.0 ניתן למדרוג, גמיש ובר-קיימה במידה רבה.
מאמר זה מספק סקירה קצרה של אלמנטים ודרישות של אוטומציית מפעל Industry 4.0 טיפוסי. אחר כך הוא מציג משפחה של בקרים קומפקטיים וניתנים להרחבה מבית Siemens כדוגמאות לבקרים לוגיים ניתנים-לתכנות (PLCs), שמכילות ממשקי תקשורת משולבים ופונקציות טכנולוגיה. המאמר מסיים עם סקירה של ה-International Standards Organization (ISO) 50001 ותקנים קשורים עבור ניהול אנרגיה תפעולית, כולל דוגמה למימוש ניהול אנרגיה עבור קיימות.
אלמנטים עיקריים של מפעל Industry 4.0
יישום מפעל Industry 4.0 אופייני כולל התקנים כמו בקרת טמפרטורה, בקרת משאבות ומאווררים, מערכות מסוע ומכונות אריזה הדורשים אינטגרציה גמישה ודיוק כדי להבטיח ייצור באיכות גבוהה. נוסף לכך, יש לנטר ולנתח ברציפות את צריכת האנרגיה של התקנים אלה כדי לתמוך בתפעול יעיל ובר-קיימא. נוסף לכך, כל זה חייב להיתמך בזמן-אמת על ידי שכבות מרובות של קישוריות חוטית ואלחוטית, החל מחיישנים ובקרים מבוזרים ועד דוחפי מנוע, מדי אנרגיה וטכנאי ומפעילי מכונות.
כדי לענות על צרכים מגוונים אלה תוך כדי זירוז פריסת תהליך והגדרת-תצורה מחדש, מקסום זמן פעולה תקינה והבטחת עבודה יעילה, מתכנני מערכת אוטומציה זקוקים לבקרי תהליך ייעודיים עם מספר מאפייני מפתח. מאפיינים אלה כוללים ממשקי תקשורת מאובטחת, יציאות וכניסות (IOs) דיגיטליות ואנלוגיות, כמו גם פונקציות בקרה משולבות כמו מוני מהירות-גבוהה, אפנון רוחב פולס (PWM), יציאות רצף פולסים, בקרת מהירות, מיקום, ניטור מצב וניהול אנרגיה. נוסף לכך, חייבים להיות זמינים ממשקי תקשורת התומכים בפרוטוקולים כמו תקשורת טורית, PROFIBUS, IO-Link, ממשק חיישן מפעיל (Actuator) (AS-Interface), יחידת זמן-אמת (RTU) MODBUS, ממשק טורי אוניברסלי (USI), TCP/IP ותקנים אלחוטיים ניידים.
קישוריות Industry 4.0
כדי לספק מענה לדרישות הקישוריות של Industry 4.0, משפחת ה-SIMATIC S7-1200 של בקרי PLC מבית Siemens תומכת בחיבור של חיישנים, מפעילים (Actuators) ומנועים לממשקי אדם-מכונה (HMIs) ולענן. היא משתמשת ב-OPC Unified Architecture (OPC UA), פרוטוקול תקשורת מכונה-למכונה (M2M) עבור אוטומציה תעשייתית. ל-OPC UA יש ארכיטקטורה מוכוונת שירות, חוצה-פלטפורמות, המפשטת קישוריות. הוא תומך בשילוב של כל קטגוריות ההתקנים, מערכות האוטומציה ויישומי התוכנה בסביבה בטוחה אינהרנטית. הוא כולל הרחבות שדה המצוינות על ידי יוזמת ה-Field Level Communication (FLC), מבוססות על מסגרת העבודה OPC UA ומצוינות ב-International Electrotechnical Commission (IEC) 62541.
ה-FLC מספקת לספקי ציוד פלטפורמה עצמאית עבור תקשורת מאובטחת ואמינה המדגישה וידוא, חתימה והצפנת נתונים. ה-OPC UA הוא יותר מפרוטוקול תקשורת M2M; הוא מתוכנן לתמוך בקישורים בין רשת המפעל ורשתות עסקיות. OPC UA Data Access על בקרי PLC SIMATIC S7-1200 של Siemens מספק תקשורת אופקית ואנכית, כמו גם תאימות עם דרישות מיוחדות-לתעשיה כגון ה-Organization for Machine Automation and Control Packaging Machine Language (OMAC PackML), תקן אוטומציה המקל על העברת נתוני מכונה עקביים, כמו גם את ה-Weihenstephan Standards (WS), המגדירים ממשק תקשורת עבור שידור סטנדרטי של נתוני מכונה אל מערכות IT ברמה גבוהה יותר. מאפייני מפתח של מימושי OPC UA על בקרי S7-1200 PLC כוללים (איור 1):
- היכולת להוסיף ביעילות תהליכים חדשים בין בקרי PLC ושכבות תוכנה כלשהן מוכוונות עסק, ברמה גבוהה יותר.
- מימוש מפושט של מפרטים נלווים ספציפיים לתעשייה עם Siemens OPC UA Modeling Editor.
- קישוריות ענן באמצעות חיבור אלחוטי לרשת Ethernet.
- רזולוציית שם DNS עבור פניה מפושטת עם תקשורת משתמש פתוחה (OUC), כולל הצפנה.
- אמצעי למשלוח דוא"ל באופן מאובטח, עם צרופות אפשריות.
איור 1: OPC UA הוא אלמנט בסיסי של קישוריות מפעל Industry 4.0. (מקור תמונה: Siemens)
בקרים ניתנים למדרוג
בנוסף לתמיכה משולבת בתקשורת OPC UA, בקרי S7-1200 כמו ה-6ES72141AG400XB0 (איור 2) וה-6ES72151BG400XB0 הם גמישים ביותר וניתנים למדרוג. הסוג הראשון עובד מספק-כוח זרם ישר (VDC) של 24 וולט ויש לו כניסות ויציאות של VDC 24, בעוד הסוג השני עובד מספק-כוח זרם חילופין (VAC) של 120 או 230 וולט, עם כניסות של VDC 24 ויציאות ממסר.
לכל בקרי S7-1200 יש כניסות ויציאות (IOs) משולבות, ניתנים להרחבה מודולרית ויש להם מספר אפשרויות תקשורת. פורטל ה-Siemens Totally Integrated Automation (TIA) מספק סביבת תוכנה פשוטה עבור פיתוח תוכניות בקרה, וכלי האוטומציה SIMATIC ניתן לשימוש בשדה עבור הפעלת ואחזקת בקרי SIMATIC S7-1200. מאפיינים נוספים כוללים:
- ממשק PROFINET כדי לתמוך במדרגיות וגמישות.
- מאפייני אבטחה הכוללים הגנה מקיפה מפני גישה, העתקה ומניפולציה.
- דיאגנוסטיקה, עם הודעות מוצגות בטקסט רגיל, פשוט, בפורטל ה-Siemens TIA, באמצעות שרת אינטרנטי, על ה-SIMATIC HMI, וב-SIMATIC Automation Tool ללא תכנות נוסף.
- מאפייני בטיחות בדגמים מסוימים היכולים לבצע תוכניות סטנדרטיות כמו גם תוכניות המתיחסות לבטיחות עבור יישומים המוגדרים עד Safety Integrity Level 3 (SIL3) ב-IEC 61508 ו-IEC 62061, ו-Performance Level e (PLe) המוגדר ב-ISO 13849.
איור 2: בקרי Siemens S7-1200 הם בעלי תמיכת תקשורת OPC UA. (מקור תמונה: Siemens)
פונקציות טכנולוגיה משולבות כגון מוני מהירות-גבוהה, PWM, יציאות רצף פולסים, בקרת מהירות ומיקום הופכות בקרים אלה למתאימים עבור בקרת טמפרטורה, בקרת משאבה ומאוורר, טכנולוגיית מסוע ומכונות אריזה. הן ממוטבות עבור בקרת חוג, שקילה, ניהול אנרגיה, ספירה במהירות גבוהה, זיהוי תדר רדיו (RFID) וניטור מצב.
אפשרויות תקשורת גמישות
אפשרויות רישות מקיפות הן סממנים מובהקים של בקרי S7-1200 PLC. פרוטוקולים נתמכים של תקשורת כוללים:
PROFINET: תקן Industrial Ethernet (IE) פתוח. ממשק ה-PROFINET המשולב משתמש בתקני TCP/IP וניתן לשימוש עבור תכנות או לתקשר עם התקני HMI ובקרים נוספים.
PROFIBUS: זהו תקן Fieldbus. עם PROFIBUS, בקרי S7-1200 יכולים ליצור תקשורת אחידה מרמת השדה לרמת הבקרה.
AS-Interface: זהו תקן Fieldbus עבור מפעילים (Actuators) וחיישנים. ניתן לחבר עד 62 התקנים נשלטים (Slaves) סטנדרטיים AS-Interface, כגון מתנעי מנוע, מתגי מיקום ומודולים.
בנוסף ליכולות התקשורת המשולבות, קיימים מודולים התומכים בפרוטוקולים נוספים כגון:
- CANopen
- Modbus RTU
- Modbus TCP
- IO-Link
- General Packet Radio Service (GPRS)/Long Term Evolution (LTE)
- RS-485, RS-422 ו-RS-232
- USS
השגת התאמה מיוחדת המונית ואיכות גבוהה
המגוון הרחב של פונקציונליות ויכולות תקשורת שלהם מאפשר לבקרי ה-S7-1200 PLC להכיל את החתירה להתאמה מיוחדת המונית ואיכות גבוהה המתרחשת כחלק מ-Industry 4.0. בעוד שישנן דרכים רבות להשיג יעדים אלה, הדוגמה הבאה מראה את השימוש במודולים של הרחבת תקשורת עבור קישוריות סלולרית אלחוטית, חיבוריות טורית עבור בקרת מנוע RS-485/USS/Modbus RTU, ו-IO-Link עבור חיבוריות פשוטה יותר אל חיישנים ומפעילים (Actuators), ביחס לאפיקי שדה (איור 3).
איור 3: תקשורת ניתנת להרחבה עבור בקרי S7-1200 PLC נתמכת על ידי צרוף של מודולי הרחבה חיצוניים (שמאל וימין) ופנימיים (קופסה אדומה, למעלה מרכז). (מקור תמונה: Siemens)
באיור 3, ה-“CM CP” הוא מודול תקשורת אלחוטית GPRS כמו ה-6GK72427KX310XE0 הניתן לשימוש עבור קישוריות ענן. לוח תקשורת RS-485 כמו ה-6ES72411CH301XB0 שוכן בתוך S7-1200 PLC (“CPU”) ומשמש לתקשר עם דוחף מנוע (ה-SINAMICs V20) דרך ממשק ה-USS/Modbus RTU. ה-“SM” בצד ימין כולל מודול תקשורת IO-Link Master כמו ה-6ES72784BD320XB0. ה-IO-Link Master מחובר לשני חיישנים בצד שמאל ומרכז, כמו גם לרכזת IO-Link בצד ימין. הרכזת יכולה להתחבר להתקני IO-Link נוספים.
ניהול אנרגיה ברת-קיימא
יעילות אנרגטית משופרת וקיימות מסתמכות על אנרגיה חכמה, שבתורה מסתמכת על נתוני צריכת אנרגיה פרטניים יותר ובזמן-אמת. זה מתחיל יותר ויותר עם השיקול של תקני ISO 50001 עבור ניהול אנרגיה אופרטיבי. זהו תקו בסיסי המספק מסגרת דרישות, כולל פיתוח מדיניות, יעדים ומטרות עבור שימוש יעיל יותר באנרגיה, והשימוש בנתונים כדי למדוד את התוצאות. ISO 50001 נתמך על ידי תקנים נוספים, כולל:
- ISO 50003 מבטיח את האפקטיביות של מערכות ניהול אנרגיה (EnMS). הוא כולל ביקורת, דרישות מיומנות כוח אדם, ומשך הביקורות ודגימת אתרים מרובים.
- ISO 50004 מסייע לארגונים לנקוט בגישה שיטתית ביחס להשגת שיפור מתמיד בניהול אנרגיה וביצועי אנרגיה.
- ISO 50006 מרחיב על כיצד לעמוד בדרישות ISO 50001, כולל הפיתוח והתחזוקה של אינדיקטורים לביצועי אנרגיה (EnPIs) וקווי בסיס של אנרגיה (EnBs) עבור ניטור ביצועים מתמשך.
ה-EnPIs ו-EnBs ב-ISO 50006 מאפשרים את המדידה והניהול האפקטיביים של ביצועי אנרגיה, שיכולים לעזור למטב יעילות אנרגטית. בנוסף לשיפורים בקיימות, ניהול אנרגיה טוב יותר מוביל לחיסכון משמעותי בעלות. התקן מגדיר את נקודת ההתחלה (EnBs) ומדדי ביצועים משמעותיים (EnPIs), והוא מזהה ארבעה סוגי אינדיקטורים; “אינדיקטורים יחסיים של ביצועי אנרגיה" ו"מוחלטים”, יחד עם דגמים “סטטיסטיים” ו“טכניים”.
בקרי S7-1200 של Siemens יכולים לפשט את המימוש של תקני ISO אלה ולתמוך במערכות ניהול אנרגיה אפקטיביות ביותר. מתכנני מערכת אוטומציה יכולים להוסיף מודול מד אנרגיה כדי לאפשר מדידה, הערכה ותצוגה של נתוני צריכת אנרגיה בזמן-אמת. איור 4 מציג יישום אופייני:
- המנוע מייצג עומס אופייני המנוטר עבור צריכת אנרגיה.
- שנאי הזרם הופך את צריכת האנרגיה לכמות ניתנת למדידה עבור מודול מד האנרגיה. מד האנרגיה מודד גם מספר פרמטרים אחרים כמו מתח וגורם הספק.
- תוכנה בבקר ה-S7-1200 מעריכה את המדידות ושומרת סטטיסטיקה על צריכת האנרגיה ביומן נתונים. יומן הנתונים מחובר ל-PG/PC ו-HMI דרך נתב תעשייתי SCALANCE המשתמש באפיקי PROFINET IE.
- ה-HMI מציג את הערכים הנמדדים ומאפשר למפעילים להעריך פרמטרים כגון שיאי צריכת הספק לאורך זמן.
- הבקר יכול גם לשלוח את יומן הנתונים אל ה-PG/PC בצורה של דפי אינטרנט סטנדרטיים.
איור 4: מוצג יישום ניטור אנרגיה אופייני היכול להיות נתמך בקלות עם בקר S7-1200 PLC. (מקור תמונה: Siemens)
מודול מד אנרגיה
ביישום כמו זה המוצג באיור 4, ניתן להשתמש במודול מד אנרגיה SM 1238 עבור איסוף נתונים (איור 5). ניתן להשתמש בו במערכות המוזנות על ידי אספקה חד ותלת-פאזית עד 480 VAC. מודולים אלה יכולים לספק בקרי S7-1200 עם הנתונים הדרושים כדי לתמוך בתאימות לדרישות ISO 50001, 50003, 50004 ו-50006. הם יכולים להקליט יותר מ-200 מדידות חשמליות וערכי אנרגיה, כולל:
- זרמים
- מתחים
- זוויות פאזה
- תדרים
- גורמי הספק
- צריכת הספק
- ערכים מינימליים ומקסימליים
- שעות עבודה
- אנרגיה/עבודה חשמלית
איור 5: ה-SM 1238 הוא מודול ניטור אנרגיה עבור מערכות הספק חד ותלת-פאזיות. (מקור תמונה: Siemens)
סיכום
כדי לפשט ולהאיץ את הפריסה של רשתות מפעל Industry 4.0 ברות-קיימא, מתכנני מערכת אוטומציה יכולים להשתמש במשפחת ה-S7-1200 של בקרי PLC ומודולי הרחבה. פתרונות אלה תומכים במגוון רחב של אפשרויות תקשורת מאובטחת, הם בעלי פונקציות בקרה ויציאות וכניסות (IOs) דיגיטליות ואנלוגיות משולבות, וניתנים להרחבה כדי לתמוך במערך רחב של יישומים, כולל ניהול אנרגיה.
קריאה מומלצת

מיאון אחריות: דעות, אמונות ונקודות מבט המובעות על ידי מחברים שונים ו/או משתתפי פורום באתר אינטרנט זה לא בהכרח משקפות את הדעות, האמונות ונקודות המבט של חברת DigiKey או את המדיניות הרשמית של חברת DigiKey.