Unterstützung von Massenanpassung, hoher Qualität und nachhaltigem Betrieb in Industrie-4.0-Fabriken

Die Unterstützung der Massenanpassung mit qualitativ hochwertigen und nachhaltigen Produktionsprozessen kann für Entwickler von automatisierten Fertigungssystemen für die Industrie 4.0 eine Herausforderung darstellen. Viele Mess- und Steuergeräte müssen über verschiedene drahtgebundene und drahtlose Netze miteinander verbunden werden, und ihr Zustand und Energieverbrauch müssen in Echtzeit überwacht werden, während gleichzeitig etablierte Nachhaltigkeitsstandards eingehalten werden.

Um der Vielfalt an Funktionen, Netzwerken, Überwachungs- und Standardanforderungen gerecht zu werden und gleichzeitig Skalierbarkeit und Flexibilität zu gewährleisten, müssen Entwickler von Automatisierungssystemen für Industrie 4.0 nicht alles selbst zusammensetzen. Stattdessen können sie kompakte integrierte Steuerungen einsetzen, um flexible Produktionssysteme mit einem hohen Maß an Qualität und Nachhaltigkeit zu realisieren. Diese Steuerungen verfügen über zahlreiche eingebettete Steuerungs- und Energiemanagementfunktionen, digitale und analoge Ein- und Ausgänge (IOs) sowie die sicheren Kommunikationsfunktionen, die für die Implementierung einer skalierbaren, flexiblen und äußerst nachhaltigen Industrie-4.0-Fabrik erforderlich sind.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über typische Elemente und Anforderungen der Industrie-4.0-Fabrikautomation. Anschließend wird eine Familie von kompakten und erweiterbaren Steuerungen von Siemens als Beispiel für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) vorgestellt, die integrierte Kommunikationsschnittstellen und Technologiefunktionen enthalten. Abschließend wird ein Überblick über die International Standards Organization (ISO) 50001 und verwandte Normen für das betriebliche Energiemanagement gegeben, einschließlich eines Beispiels für die Umsetzung eines Energiemanagements für Nachhaltigkeit.

Schlüsselelemente einer Fabrik für Industrie 4.0

Eine typische Fabrikanwendung für Industrie 4.0 umfasst Geräte wie Temperaturregler, Pumpen- und Lüftersteuerungen, Fördersysteme und Verpackungsmaschinen, die eine flexible Integration und Präzision erfordern, um eine hochwertige Produktion zu gewährleisten. Zudem muss der Energieverbrauch dieser Geräte kontinuierlich überwacht und analysiert werden, um einen effizienten und nachhaltigen Betrieb zu unterstützen. Darüber hinaus muss das Ganze durch mehrere Ebenen der drahtgebundenen und drahtlosen Vernetzung unterstützt werden, die von verteilten Sensoren und Steuerungen bis hin zu Motorantrieben, Energiezählern und Maschinentechnikern und -bedienern in Echtzeit reichen.

Um diesen unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden und gleichzeitig den Einsatz und die Neukonfiguration von Prozessen zu beschleunigen, die Betriebszeit zu maximieren und einen effizienten Betrieb zu gewährleisten, benötigen die Entwickler von Automatisierungssystemen spezielle Prozesssteuerungen mit mehreren wichtigen Funktionen. Dazu gehören sichere Kommunikationsschnittstellen, digitale und analoge IOs sowie integrierte Steuerungsfunktionen wie Hochgeschwindigkeitszähler, Pulsweitenmodulation (PWM), Impulsfolgeausgänge, Drehzahlregelung, Positionierung, Zustandsüberwachung und Energiemanagement. Darüber hinaus müssen Kommunikationsschnittstellen zur Verfügung stehen, die Protokolle wie serielle Kommunikation, PROFIBUS, IO-Link, Aktuator-Sensor-Interface (AS-Interface), MODBUS-Echtzeiteinheit (RTU), universelle serielle Schnittstelle (USI), TCP/IP und mobile Funkstandards unterstützen.

Vernetzung für Industrie 4.0

Um den Vernetzungsanforderungen von Industrie 4.0 gerecht zu werden, unterstützt die SPS-Familie SIMATIC S7-1200 von Siemens die Anbindung von Sensoren, Aktoren und Motoren an Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) und an die Cloud. Sie verwendet die OPC Unified Architecture (OPC UA), ein Maschine-zu-Maschine(M2M)-Kommunikationsprotokoll für die industrielle Automatisierung. OPC UA hat eine plattformunabhängige, serviceorientierte Architektur, die die Vernetzung vereinfacht. Sie unterstützt die Integration aller Arten von Geräten, Automatisierungssystemen und Softwareanwendungen in einer inhärent sicheren Umgebung. Sie enthält Felderweiterungen, die von der FLC-Initiative (Field Level Communication) spezifiziert wurden, die auf dem OPC UA Framework basiert und in der International Electrotechnical Commission (IEC) 62541 spezifiziert ist.

FLC bietet Geräteanbietern eine unabhängige Plattform für eine sichere und zuverlässige Kommunikation, bei der Authentifizierung, Signierung und Datenverschlüsselung im Vordergrund stehen. OPC UA ist mehr als ein M2M-Kommunikationsprotokoll; es wurde entwickelt, um Verbindungen zwischen dem Fabriknetzwerk und Unternehmensnetzwerken zu unterstützen. OPC UA Data Access auf den SIMATIC-SPSen S7-1200 von Siemens ermöglicht eine standardisierte horizontale und vertikale Kommunikation sowie die Einhaltung branchenspezifischer Anforderungen wie der OMAC PackML (Organization for Machine Automation and Control Packaging Machine Language), einem Automatisierungsstandard, der die Übertragung konsistenter Maschinendaten erleichtert, sowie des Weihenstephaner Standards (WS), der eine Kommunikationsschnittstelle für die standardisierte Übertragung von Maschinendaten an übergeordnete IT-Systeme definiert. Zu den wichtigsten Merkmalen der OPC-UA-Implementierungen auf S7-1200-SPSen gehören (Abbildung 1):

• Die Fähigkeit, effizient neue Prozesse zwischen SPSen und allen übergeordneten, geschäftsorientierten Softwareschichten hinzuzufügen.
• Eine vereinfachte Implementierung von branchenspezifischen Begleitspezifikationen mit dem Siemens OPC UA Modeling Editor.
• Cloud-Vernetzung über eine drahtlose Verbindung zu einem Ethernet-Netzwerk.
• DNS-Namensauflösung für vereinfachte Adressierung mit offener Benutzerkommunikation (OUC), einschließlich Verschlüsselung.
• Ein Mittel zum sicheren Versand von E-Mails mit optionalen Anhängen.

Abbildung 1: OPC UA ist ein grundlegendes Element der Industrie-4.0-Fabrikvernetzung. (Bildquelle: Siemens)

Skalierbare Steuerungen

Neben der integrierten Unterstützung für die OPC-UA-Kommunikation sind S7-1200-Steuerungen wie die 6ES72141AG400XB0 (Bild 2) und die 6ES72151BG400XB0 äußerst flexibel und skalierbar. Erstere wird mit einer 24-Volt-Gleichstromversorgung (VDC) betrieben und verfügt über 24-VDC-Eingänge und -Ausgänge, während letztere mit einer 120- oder 230-Volt-Wechselstromversorgung (VAC) betrieben wird und über 24-VDC-Eingänge und Relaisausgänge verfügt.

Alle S7-1200-Steuerungen haben integrierte IOs, sind modular erweiterbar und verfügen über verschiedene Kommunikationsmöglichkeiten. Das TIA-Portal (Totally Integrated Automation) von Siemens bietet eine einfache Softwareumgebung für die Entwicklung von Steuerungsprogrammen, und das SIMATIC Automation Tool kann im Feld für die Bedienung und Wartung der SIMATIC-Steuerungen S7-1200 eingesetzt werden. Zusätzliche Funktionen:

• Eine PROFINET-Schnittstelle zur Unterstützung von Skalierbarkeit und Flexibilität.
• Sicherheitsfunktionen mit umfassendem Zugriffs-, Kopier- und Manipulationsschutz.
• Diagnose mit Anzeige der Meldungen in einfachem Klartext im Siemens TIA Portal, über einen Webserver, auf der SIMATIC HMI und im SIMATIC Automation Tool ohne zusätzliche Programmierung.
• Sicherheitsfunktionen in bestimmten Modellen, die sowohl Standard- als auch sicherheitsrelevante Programme für Anwendungen bis zum Safety Integrity Level 3 (SIL3) gemäß IEC 61508 und IEC 62061 sowie Performance Level e (PLe) gemäß ISO 13849 ausführen können.

Abbildung 2: Die Siemens-Steuerungen S7-1200 bieten eine integrierte OPC-UA-Kommunikationsunterstützung. (Bildquelle: Siemens)

Mit integrierten Technologien wie schnellen Zählern, Pulsweitenmodulation, Impulsfolgeausgängen, Drehzahlregelung und Positionierung eignen sich die SIMATIC-Steuerungen S7-1200 für die Temperaturregelung, Pumpen- und Lüftersteuerung, Fördertechnik und sogar Verpackungsmaschinen. Sie sind optimiert für Regelkreise, Wiegen, Energiemanagement, Hochgeschwindigkeitszählung, Radiofrequenz-Identifikation (RFID) und Zustandsüberwachung.

Flexible Kommunikationsmöglichkeiten

Umfassende Vernetzungsmöglichkeiten sind ein Markenzeichen der SPSen S7-1200. Zu den unterstützten Kommunikationsprotokollen gehören:

PROFINET: Ein offener Industrial-Ethernet(IE)-Standard. Die integrierte PROFINET-Schnittstelle nutzt TCP/IP-Standards und kann zur Programmierung oder zur Kommunikation mit HMI-Geräten und weiteren Steuerungen verwendet werden.

PROFIBUS: Dies ist ein Feldbusstandard. Mit PROFIBUS können S7-1200-Steuerungen eine einheitliche Kommunikation von der Feldebene bis zur Leitebene aufbauen.

AS-Interface: Dies ist ein Feldbusstandard für Aktuatoren und Sensoren. Es können bis zu 62 AS-Interface-Standard-Slaves, wie Motorstarter, Positionsschalter und Module angeschlossen werden.

Zusätzlich zu den integrierten Kommunikationsfunktionen sind Module erhältlich, die zusätzliche Protokolle unterstützen, wie z. B.:

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

Massenanpassung und hohe Qualität

Mit ihrer breiten Palette an Funktionen und Kommunikationsfähigkeiten können die S7-1200-SPSen dem Streben nach Massenanpassung und hoher Qualität gerecht werden, das im Rahmen von Industrie 4.0 auftritt. Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, diese Ziele zu erreichen. Das folgende Beispiel zeigt den Einsatz von Kommunikationserweiterungsmodulen für drahtlose Mobilfunkverbindungen, serielle Verbindungen über RS-485/USS/Modbus RTU für die Motorsteuerung und IO-Link für einfachere Verbindungen zu Sensoren und Aktoren im Vergleich zu Feldbussen (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die erweiterbare Kommunikation für S7-1200-SPSen wird durch eine Kombination aus externen (links und rechts) und internen (roter Kasten oben in der Mitte) Erweiterungsmodulen unterstützt. (Bildquelle: Siemens)

In Abbildung 3 ist der „CM CP“ ein drahtloses GPRS-Kommunikationsmodul wie das 6GK72427KX310XE0, das für die Cloud-Vernetzung verwendet werden kann. Eine RS-485-Kommunikationskarte wie die 6ES72411CH301XB0 befindet sich in einer S7-1200-SPS („CPU“) und wird zur Kommunikation mit einem Motorantrieb (SINAMICs V20) über die USS/Modbus-RTU-Schnittstelle verwendet. Das „SM“ auf der rechten Seite umfasst ein IO-Link-Master-Kommunikationsmodul wie das 6ES72784BD320XB0. Der IO-Link-Master ist mit zwei Sensoren links und in der Mitte sowie mit einem IO-Link-Hub auf der rechten Seite verbunden. Der Hub kann mit weiteren IO-Link-Geräten verbunden werden.

Nachhaltiges Energiemanagement

Verbesserte Energieeffizienz und Nachhaltigkeit beruhen auf einem intelligenten Energiemanagement, das wiederum auf detaillierteren Energieverbrauchsdaten in Echtzeit beruht. Sie beginnt zunehmend mit der Berücksichtigung der ISO-50001-Normen für das betriebliche Energiemanagement. Es handelt sich um eine grundlegende Norm, die einen Rahmen von Anforderungen vorgibt, einschließlich der Entwicklung von Strategien, Zielen und Vorgaben für eine effizientere Energienutzung und der Verwendung von Daten zur Messung der Ergebnisse. Die ISO 50001 wird durch weitere Normen unterstützt, darunter:

• Die ISO 50003 gewährleistet die Wirksamkeit von Energiemanagementsystemen (EnMS). Sie umfasst Audits, Anforderungen an die Kompetenz des Personals sowie die Dauer von Audits und Stichproben an mehreren Standorten.
• Die ISO 50004 hilft Organisationen, einen systematischen Ansatz zur kontinuierlichen Verbesserung des Energiemanagements und der Energieleistung zu verfolgen.
• Die ISO 50006 erläutert, wie die Anforderungen der ISO 50001 zu erfüllen sind, einschließlich der Entwicklung und Pflege von Energieleistungsindikatoren (EnPIs) und Energie-Baselines (EnBs) zur laufenden Leistungsüberwachung.

Die EnPIs und EnBs in ISO 50006 ermöglichen eine effektive Messung und Verwaltung der Energieleistung, was zur Optimierung der Energieeffizienz beitragen kann. Neben der Verbesserung der Nachhaltigkeit führt ein besseres Energiemanagement auch zu erheblichen Kosteneinsparungen. Die Norm definiert den Ausgangspunkt (EnBs) und aussagekräftige Leistungskennzahlen (EnPIs) und unterscheidet vier Arten von Indikatoren: „absolute“ und „relative Energieleistungskennzahlen“ sowie „statistische“ und „technische“ Modelle.

Die S7-1200-Steuerungen von Siemens können die Umsetzung dieser ISO-Normen vereinfachen und hocheffektive Energiemanagementsysteme unterstützen. Entwickler von Automatisierungssystemen können ein Energiemessmodul hinzufügen, um die Messung, Auswertung und Anzeige von Energieverbrauchsdaten in Echtzeit zu ermöglichen. Abbildung 4 veranschaulicht eine typische Anwendung.

1. Der Motor stellt eine typische Last dar, die hinsichtlich des Energieverbrauchs überwacht wird.
2. Der Stromwandler wandelt den Energieverbrauch in eine messbare Größe für das Energiemessmodul um. Das Messgerät misst auch zahlreiche andere Parameter wie Spannung und Leistungsfaktor.
3. Eine Software in der S7-1200 Steuerung wertet die Messungen aus und speichert Statistiken über den Energieverbrauch in einem Datenprotokoll. Die Verbindung zum PG/PC und zur HMI erfolgt über einen SCALANCE Industrial Router unter Verwendung von PROFINET-IE-Bussen.
4. Das HMI zeigt die Messwerte an und ermöglicht es dem Bediener, Parameter wie z. B. Stromverbrauchsspitzen im Zeitverlauf zu bewerten.
5. Die Steuerung kann das Datenprotokoll auch in Form von Standard-Webseiten an das PG/PC senden.

Abbildung 4: Die Abbildung zeigt eine typische Energieüberwachungsanwendung, die leicht mit einer S7-1200-SPS unterstützt werden kann. (Bildquelle: Siemens)

Energiezähler-Modul

In einer Anwendung wie der in Abbildung 4 gezeigten kann ein Energiemessmodul SM 1238 zur Datenerfassung verwendet werden (Abbildung 5). Es kann in ein- und dreiphasigen Netzen bis zu 480 VAC eingesetzt werden. Diese Module können S7-1200-Steuerungen mit den Daten versorgen, die für die Einhaltung der Anforderungen von ISO 50001, 50003, 50004 und 50006 erforderlich sind. Sie können über 200 elektrische Messwerte und Energiewerte aufzeichnen, darunter:

• Ströme
• Spannungen
• Phasenwinkel
• Frequenzen
• Leistungsfaktoren
• Stromverbrauch
• Minimum- und Maximumwerte
• Betriebsstunden
• Energie/elektrische Arbeit

Abbildung 5: Das SM 1238 ist ein Energieüberwachungsmodul für ein- und dreiphasige Stromnetze. (Bildquelle: Siemens)

Fazit

Um den Aufbau nachhaltiger Fabriknetzwerke für Industrie 4.0 zu vereinfachen und zu beschleunigen, können Entwickler von Automatisierungssystemen die SPS-Familie S7-1200 und Erweiterungsmodule einsetzen. Diese Lösungen unterstützen eine Vielzahl von sicheren Kommunikationsoptionen, verfügen über integrierte Steuerfunktionen sowie digitale und analoge IOs und sind erweiterbar, um eine breite Palette von Anwendungen, einschließlich Energiemanagement, zu unterstützen.

Empfohlene Lektüre

1. Steigerung der Produktivität von intelligenten Stellantrieben in der Fabrik mit IO-Link
2. Einsatz von Traceability 4.0 für verbesserte Produktsicherheit, Richtlinientreue und Rückverfolgung
3. Programmierung von SPSen: Eine technische Zusammenfassung mit Siemens-Beispielen