Massaräätälöinnin, korkean laadun ja kestävän kehityksen tukeminen Teollisuus 4.0 ‑tehtaissa

Massaräätälöinnin tukeminen korkealaatuisilla ja kestävillä tuotantoprosesseilla voi olla haastavaa automatisoitujen Teollisuus 4.0 ‑tuotantojärjestelmien suunnittelijoille. Erilaisia mittaus- ja ohjauslaitteita on käytettävä erilaisten langallisten ja langattomien verkkojen kautta ja niiden tilaa ja energiankulutusta on valvottava reaaliaikaisesti, noudattaen samalla kestävän kehityksen standardeja.

Teollisuus 4.0 ‑automaatiojärjestelmien suunnittelijoiden on huomioitava kaikkien eri toimintojen, verkkojen, valvonnan ja standardien vaatimukset sekä skaalautuvuus ja joustavuus, mutta heidän ei tarvitse huolehtia kaikesta itse. Sen sijaan he voivat käyttää kompakteja integroituja kontrollereita joustavien tuotantojärjestelmien toteuttamiseen varmistaen samalla korkean laadun ja kestävän kehityksen ("kestävyyden") vaatimukset. Tällaiset kontrollerit sisältävät lukuisia sulautettuja ohjaus- ja energianhallintatoimintoja, digitaalisia ja analogisia tuloja ja lähtöjä sekä suojattuja tiedonsiirto-ominaisuuksia, joita skaalautuvan, joustavan ja korkean kestävyyden Teollisuus 4.0 ‑tehtaan toteuttaminen edellyttää.

Tässä artikkelissa kuvataan lyhyesti Teollisuus 4.0 ‑tehtaan tyypillisiä automaatioelementtejä ja -vaatimuksia. Sen jälkeen artikkelissa esitellään Siemensin kompakteja ja laajennettavia ohjaimia, jotka toimivat esimerkkeinä integroituja tiedonsiirtorajapintoja ja teknologiatoimintoja sisältävistä ohjelmoitavista logiikkaohjaimista (PLC). Artikkelin lopussa on katsaus kansainvälisen standardointijärjestön ISO:n 50001-standardiin ja muihin operatiiviseen energianhallintaan liittyviin standardeihin sekä esimerkki kestävää kehitystä tukevan energianhallinnan toteutuksesta.

Teollisuus 4.0 ‑tehtaan keskeiset elementit

Tyypillinen Teollisuus 4.0 ‑tehdassovellus koostuu sellaisista laitteista kuten lämpötilansäätimistä, pumppujen ja puhaltimien ohjaimista, kuljetinjärjestelmistä ja pakkauskoneista, joiden joustava integrointi ja tarkkuus ovat korkealaatuisen tuotannon edellytys. Lisäksi laitteiden energiankulutusta on seurattava jatkuvasti ja sitä on analysoitava tehokkaan ja kestävän toiminnan mahdollistamiseksi. Kokonaisuus sisältää myös useita päällekkäisiä langallisia ja langattomia yhteyksiä, jotka ulottuvat reaaliaikaisesti hajautetuista antureista ja kontrollereista moottoriohjaimiin, energiamittareihin sekä koneteknikoihin ja operaattoreihin.

Vastatakseen näihin moninaisiin tarpeisiin – samalla nopeuttaen prosessien käyttöönottoa ja uudelleenmääritystä, maksimoiden käytettävyysajan ja varmistaen toiminnan tehokkuuden – automaatiojärjestelmien suunnittelijat tarvitsevat prosessiohjaimia, joilla on monia oleellisia ominaisuuksia. Niitä ovat esimerkiksi suojatut tiedonsiirtorajapinnat, digitaaliset ja analogiset tulot ja lähdöt sekä integroidut ohjaustoiminnot, kuten suurnopeuslaskurit, pulssileveysmodulaatio (PWM), pulssisekvenssilähdöt, nopeudensäätö, paikannus, kunnonvalvonta ja energianhallinta. Lisäksi tarvitaan tiedonsiirtorajapintoja, jotka tukevat erilaisia protokollia: esimerkiksi sarjaliikenne, PROFIBUS, IO-Link, toimilaite–anturirajapinta (AS-rajapinta), MODBUS RTU, Universal Serial Interface (USI), TCP/IP ja mobiilitiedonsiirtostandardit.

Teollisuus 4.0 ‑verkkoyhteydet

Teollisuus 4.0 ‑verkkoyhteysvaatimusten täyttämiseksi Siemensin SIMATIC S7-1200 ‑tuoteperheen PLC:t tukevat antureiden, toimilaitteiden ja moottoreiden liittämistä käyttöliittymiin (HMI) ja pilvipalveluihin. Se käyttää laitteiden välistä (M2M) OPC Unified Architecture (OPC UA) ‑tiedonsiirtoprotokollaa teollisen automaation toteuttamiseen. OPC UA käyttää alustasta riippumatonta palvelulähtöistä arkkitehtuuria, joka yksinkertaistaa verkkoyhteyksiä. Se tukee kaikkien laiteluokkien, automaatiojärjestelmien ja ohjelmistosovellusten integrointia luonnostaan turvalliseen ympäristöön. Se sisältää Field Level Communication (FLC) ‑aloitteessa määritellyt kenttälaajennukset, jotka perustuvat OPC UA ‑kehykseen ja jotka on määritelty IEC:n (International Electrotechnical Commission) standardissa 62541.

FLC tarjoaa laitetoimittajille riippumattoman, suojattuun ja luotettavaan tiedonsiirtoon suunnatun alustan, jossa korostuvat todennus, allekirjoitus ja tietojen salaus. OPC UA on enemmän kuin vain M2M-tiedonsiirtoprotokolla; se on suunniteltu tukemaan tehdasverkon ja yritysverkkojen välisiä yhteyksiä. Siemensin SIMATIC S7-1200 ‑logiikkaohjaimissa OPC UA Data Access mahdollistaa standardoidun horisontaalisen ja vertikaalisen tiedonsiirron sekä alan vaatimusten noudattamisen. Niihin kuuluvat esimerkiksi OMAC (The Organization for Machine Automation and Control) PackML (Packaging Machine Language), automaatiostandardi, joka helpottaa yhdenmukaisten konetietojen siirtoa, sekä Weihenstephan Standards (WS), joissa määritellään tiedonsiirtorajapinta konetietojen siirtämiseksi standardoidusti korkeamman tason IT-järjestelmiin. OPC UA ‑toteutusten keskeisiä ominaisuuksia S7-1200-logiikkaohjaimissa ovat seuraavat (kuva 1):

• mahdollisuus lisätä uusia prosesseja tehokkaasti logiikkaohjainten ja minkä tahansa korkeamman tason yrityslähtöisten ohjelmistokerrosten välille
• toimialakohtaisten teknisten määritysten yksinkertaistettu käyttöönotto Siemens OPC UA Modeling Editorilla
• pilviyhteys langattoman yhteyden kautta Ethernet-verkkoon
• DNS-nimenselvitys yksinkertaistettuun osoitteistukseen OUC (Open User Communication) ‑standardin mukaisesti, salaus mukaan lukien
• keino lähettää sähköpostiviestejä turvallisesti, haluttaessa liitteiden kanssa.

Kuva 1: OPC UA on Teollisuus 4.0 ‑tehtaan verkkoyhteyksien peruselementti. (Kuvan lähde: Siemens)

Skaalautuvat kontrollerit

Integroidun OPC UA ‑tiedonsiirron lisäksi S7-1200-kontrollerit, kuten 6ES72141AG400XB0 (kuva 2) ja 6ES72151BG400XB0, ovat erittäin joustavia ja skaalautuvia. Näistä ensimmäinen toimii 24 VDC:n virtalähteellä ja tarjoaa 24 VDC:n tulot ja lähdöt, kun taas jälkimmäinen toimii 120 tai 230 voltin vaihtovirralla (VAC) ja siinä on 24 VDC:n tulot ja relelähdöt.

Kaikissa S7-1200-kontrollereissa on integroidut tulot ja lähdöt, ne ovat laajennettavissa modulaarisesti ja ne tarjoavat useita tiedonsiirtovaihtoehtoja. Siemensin Totally Integrated Automation (TIA) ‑portaali tarjoaa yksinkertaisen ohjelmistoympäristön kontrolleriohjelmien kehittämiseen, ja SIMATIC-automaatiotyökalua voidaan käyttää kentällä SIMATIC S7-1200 ‑kontrollerien käyttöön ja ylläpitoon. Muita ominaisuuksia:

• PROFINET-rajapinta, joka tukee skaalautuvuutta ja joustavuutta
• suojausominaisuudet, jotka sisältävät kattavan käyttö-, kopiointi- ja peukalointisuojauksen
• diagnostiikka, jonka viestit näytetään yksinkertaisessa tekstimuodossa Siemensin TIA-portaalissa, verkkopalvelimen kautta, SIMATIC HMI ‑käyttöliittymässä sekä SIMATIC-automaatiotyökalussa ilman erillistä ohjelmointia
• turvaominaisuudet eräissä malleissa, joilla voidaan suorittaa sekä tavallisia että turvaluokiteltuja ohjelmia aina IEC 61508- ja IEC 62061 -standardien mukaiseen SIL3 (Safety Integrity Level 3) ‑turvallisuustasoon sekä ISO 13849 -standardin mukaiseen PLe (Performance Level e) ‑suorituskykytasoon asti.

Kuva 2: Siemens S7-1200 ‑kontrollereissa on integroitu tuki OPC UA ‑tiedonsiirrolle. (Kuvan lähde: Siemens)

Kontrollereihin integroitujen teknologiatoimintojen (suurnopeuslaskurit, pulssileveysmodulaatio, pulssisekvenssilähdöt, nopeudensäätö ja paikannus) ansiosta ne soveltuvat mm. lämpötilansäätöön, pumppujen ja puhaltimien ohjaukseen, kuljetintekniikkaan sekä pakkauskoneisiin. Ne on optimoitu silmukkaohjaukseen, punnitukseen, energianhallintaan, nopeaan laskemiseen, radiotaajuustunnistukseen (RFID) sekä kunnonvalvontaan.

Joustavat tiedonsiirtovaihtoehdot

Kattavat verkkoyhteydet ovat S7-1200-logiikkaohjainten tunnusmerkki. Se tukee mm. seuraavia tiedonsiirtoprotokollia:

PROFINET: Avoin teollisen Ethernetin (IE) standardi. Integroitu PROFINET-rajapinta käyttää TCP/IP-standardeja, ja sitä voidaan käyttää ohjelmointiin tai tiedonsiirtoon HMI-laitteiden ja muiden kontrollerien kanssa.

PROFIBUS: Tämä on kenttäväylästandardi. PROFIBUS-väylän avulla S7-1200-kontrollerit voivat toteuttaa yhtenäisen tiedonsiirron kenttätasolta ohjaustasolle.

AS-rajapinta: Tämä on toimilaitteita ja antureita koskeva kenttäväylästandardi. Siihen voidaan yhdistää jopa 62 AS-rajapintastandardia käyttävää ohjattavaa laitetta, kuten moottorien käynnistimiä, asentokytkimiä ja moduuleja.

Integroitujen tiedonsiirto-ominaisuuksien lisäksi saatavilla on moduuleja, jotka tukevat esimerkiksi seuraavia protokollia:

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

Massaräätälöinnin toteuttaminen ja korkean laadun saavuttaminen

Monipuolisten toimintojensa ja tiedonsiirto-ominaisuuksiensa ansiosta S7-1200-logiikkaohjaimet mahdollistavat kehityksen kohti massaräätälöintiä ja korkeaa laatua, jotka ovat osa Teollisuus 4.0 ‑aloitetta. Vaikka nämä tavoitteet voidaan saavuttaa useilla eri tavoilla, seuraavassa esimerkissä esitetään, miten käyttää tiedonsiirtolaajennusmoduuleita matkapuhelinverkkoon yhdistämiseen, RS-485/USS/Modbus RTU ‑sarjaliitäntöjä moottoriohjaukseen ja IO-Linkiä anturien ja toimilaitteiden liittämiseen yksinkertaisemmalla tavalla kuin kenttäväylässä (kuva 3).

Kuva 3: S7-1200-logiikkaohjaimen laajennettavia tiedonsiirtoyhteyksiä tuetaan ulkoisilla (vasemmalla ja oikealla) ja sisäisillä (punainen ruutu ylhäällä keskellä) laajennusmoduuleilla. (Kuvan lähde: Siemens)

Kuvassa 3 ”CM CP” on langaton GPRS-tiedonsiirtomoduuli, kuten 6GK72427KX310XE0, jolla voidaan toteuttaa pilvipalveluyhteys. RS-485-tiedonsiirtokortti, kuten 6ES72411CH301XB0, sijaitsee S7-1200-logiikkaohjaimen (keskusyksikkö, ”CPU”) sisällä, ja sen avulla viestitään moottoriohjaimen (SINAMICs V20) kanssa USS/Modbus RTU ‑rajapinnan kautta. Oikealla oleva ”SM” koostuu IO-Link-päätiedonsiirtomoduulista, joka voi olla esimerkiksi 6ES72784BD320XB0. IO-Link-päälaite on kytketty kahteen anturiin, jotka sijaitsevat vasemmalla ja keskellä, sekä oikealla olevaan IO-Link-keskittimeen. Keskittimeen voidaan kytkeä lisää IO-Link-laitteita.

Kestävää energianhallintaa

Parempi energiatehokkuus ja vastuullisuus perustuvat älykkääseen energianhallintaan, joka puolestaan nojaa tarkkoihin reaaliaikaisiin energiankulutustietoihin. Yhä useammin lähtökohdaksi otetaan operatiivista energianhallintaa koskevat ISO 50001 ‑standardit. Tämä perusstandardi tarjoaa kehyksen, jonka vaatimuksiin kuuluu menettelytapojen ja tavoitteiden kehittäminen energiankäytön tehostamiseksi sekä tulosten mittaaminen dataa käyttämällä. ISO 50001 ‑standardia tuetaan esimerkiksi seuraavilla standardeilla:

• ISO 50003 varmistaa energianhallintajärjestelmien (EnMS) tehokkuuden. Se käsittää auditoinnin, henkilöstön pätevyysvaatimukset sekä auditointien keston ja useiden toimipaikkojen huomioimisen otoksessa.
• ISO 50004 auttaa organisaatioita omaksumaan järjestelmällisen lähestymistavan energianhallinnan ja energiatehokkuuden jatkuvaan parantamiseen.
• ISO 50006 laajentaa ISO 50001 ‑standardin vaatimusten täyttämistä, ja siihen kuuluu energiatehokkuusindikaattoreiden (EnPI) ja energian lähtötasojen (EnB) kehittäminen ja ylläpito osana jatkuvaa suorituskyvyn seurantaa.

ISO 50006 ‑standardin EnPI- ja EnB-toiminnot mahdollistavat energiatehokkuuden tehokkaan mittauksen ja hallinnan, mikä voi tukea energiatehokkuuden optimointia. Kestävän kehityksen lisäksi paremmalla energianhallinnalla saavutetaan myös merkittäviä kustannussäästöjä. Standardi määrittelee lähtökohdan (ENB) ja merkitykselliset suorituskykymittarit (EnPI), ja siinä tunnistetaan neljä mittarityyppiä: ”absoluuttiset” ja ”suhteelliset energiatehokkuuden indikaattorit” sekä ”tilastolliset” ja ”tekniset” mallit.

Siemensin S7-1200-kontrollerit voivat yksinkertaistaa näiden ISO-standardien toteutusta ja tukea huipputehokkaita energianhallintajärjestelmiä. Automaatiojärjestelmien suunnittelijat voivat lisätä järjestelmään energiamittarimoduulin, joka mahdollistaa energiankulutustietojen mittaamisen, arvioinnin ja näyttämisen reaaliaikaisesti. Kuvassa 4 on esitetty tyypillinen käyttökohde:

1. Moottori edustaa tyypillistä kuormaa, jonka energiankulutusta valvotaan.
2. Virtamuuntaja muuntaa energiankulutuksen energiamittausmoduulilla mitattavaan muotoon. Lisäksi mittari mittaa monia muita parametreja, kuten jännitettä ja tehokerrointa.
3. S7-1200-kontrollerin ohjelmisto arvioi mittaustulokset ja tallentaa energiankulutuksen tilastotiedot datalokiin. Se on yhdistetty PG/PC- ja HMI-toimintoihin SCALANCE-teollisuusreitittimen ja PROFINET IE ‑väylien kautta.
4. HMI näyttää mitatut arvot, ja sen avulla operaattorit voivat arvioida erilaisia parametreja, kuten virrankulutushuippuja ajan mittaan.
5. Lisäksi kontrolleri voi lähettää datalokin PG/PC-toimintoon tavallisten verkkosivujen muodossa.

Kuva 4: Kuvassa on tyypillinen energianseurantatoteutus, joka on helppo toteuttaa S7-1200-logiikkaohjaimella. (Kuvan lähde: Siemens)

Energiamittausmoduuli

Kuvan 4 mukaisessa toteutuksessa tiedonkeruuseen voidaan käyttää SM 1238 ‑energiamittausmoduulia (kuva 5). Sitä voidaan käyttää yksi- ja kolmivaihesyöttöjärjestelmissä enimmäisjännitteellä 480 VAC. Näiden moduulien avulla S7-1200-kontrollerit saavat tarvittavat tiedot ISO 50001-, 50003-, 50004- ja 50006-standardien vaatimusten noudattamiseksi. Niillä voidaan tallentaa yli 200 sähkömittausta ja energia-arvoa, kuten seuraavat:

• virrat
• jännitteet
• vaihekulmat
• taajuudet
• tehokertoimet
• virrankulutus
• minimi- ja maksimiarvot
• käyttötunnit
• energia-/sähköteho

Kuva 5: SM 1238 on yksi- ja kolmivaihesähköjärjestelmiin tarkoitettu energianseurantamoduuli. (Kuvan lähde: Siemens)

Yhteenveto

Automaatiojärjestelmien suunnittelijat voivat käyttää S7-1200-tuoteperheen ohjelmoitavia logiikkaohjaimia ja laajennusmoduuleja helpottaakseen ja nopeuttaakseen kestävien Teollisuus 4.0 ‑tehdasverkkojen toteutusta. Ratkaisut tukevat laajaa valikoimaa suojatun tiedonsiirron vaihtoehtoja, niissä on integroidut ohjaustoiminnot sekä digitaaliset ja analogiset tulot ja lähdöt. Lisäksi niitä voidaan laajentaa tukemaan monenlaisia käyttösovelluksia, kuten energianhallintaa.

Suositeltavaa luettavaa

1. Miten parantaa älytoimilaitteiden tuottavuutta tehtaissa IO-Linkin avulla
2. Jäljitettävyys 4.0 ‑ratkaisujen käyttäminen tuoteturvallisuuden, vaatimustenmukaisuuden ja seurannan parantamiseen
3. PLC-ohjainten ohjelmointi: Tekninen yhteenveto Siemensin esimerkkien avulla