การสนับสนุนการปรับแต่งจำนวนมาก คุณภาพสูง และการดำเนินงานที่ยั่งยืนในโรงงานอุตสาหกรรม 4.0

การรองรับการปรับแต่งจำนวนมากด้วยกระบวนการผลิตที่มีคุณภาพสูงและยั่งยืนอาจเป็นเรื่องที่ท้าทายสำหรับผู้ออกแบบระบบการผลิตอัตโนมัติในอุตสาหกรรม 4.0 ซึ่งจำเป็นต้องติดตั้งและเชื่อมต่ออุปกรณ์ตรวจจับและควบคุมหลายตัวผ่านเครือข่ายแบบใช้สายและไร้สายต่าง ๆ และสถานะและการใช้พลังงานของอุปกรณ์จำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบแบบเรียลไทม์ ซึ่งทั้งหมดนี้ต้องเป็นไปตามมาตรฐานความยั่งยืนที่กำหนดไว้

เพื่อรองรับความหลากหลายของฟังก์ชัน เครือข่าย การตรวจสอบ และข้อกำหนดมาตรฐาน ในขณะที่ยังมั่นใจถึงความสามารถในการปรับขนาดและความยืดหยุ่น ผู้ออกแบบระบบอัตโนมัติสำหรับอุตสาหกรรม 4.0 ไม่จำเป็นต้องปะติดปะต่อทั้งหมดด้วยตัวเอง พวกเขาสามารถรวมตัวควบคุมแบบบูรณาการที่มีขนาดกะทัดรัดเพื่อใช้ระบบการผลิตที่ยืดหยุ่นโดยมีคุณภาพและความยั่งยืนในระดับสูง โดยตัวควบคุมเหล่านี้มีฟังก์ชันการควบคุมและการจัดการพลังงานในตัวมากมาย อินพุตและเอาต์พุต (IO) แบบดิจิทัลและแอนะล็อก และความสามารถในการสื่อสารที่ปลอดภัยซึ่งจำเป็นต่อการติดตั้งโรงงานอุตสาหกรรม 4.0 ที่ปรับขนาดได้ ยืดหยุ่น และมีความยั่งยืนสูง

บทความนี้แสดงภาพรวมขององค์ประกอบและข้อกำหนดของระบบอัตโนมัติในโรงงานของอุตสาหกรรม 4.0 ทั่วไปโดยสังเขป จากนั้นจะแนะนำกลุ่มตัวควบคุมที่มีขนาดกะทัดรัดและขยายได้จาก Siemens ให้เป็นตัวอย่างของตัวควบคุมลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ (PLC) ซึ่งมีอินเทอร์เฟซการสื่อสารและฟังก์ชันเทคโนโลยีในตัว ปิดท้ายด้วยการศึกษามาตรฐานขององค์การมาตรฐานสากล (ISO) 50001 และมาตรฐานที่เกี่ยวข้องสำหรับการจัดการพลังงานในการปฏิบัติงาน รวมถึงตัวอย่างการดำเนินการจัดการพลังงานเพื่อความยั่งยืน

องค์ประกอบสำคัญของโรงงานอุตสาหกรรม 4.0

โรงงานทั่วไปของอุตสาหกรรม 4.0 ประกอบด้วยอุปกรณ์ต่างๆ เช่น การควบคุมอุณหภูมิ การควบคุมปั๊มและพัดลม ระบบสายพานลำเลียง และเครื่องจักรบรรจุภัณฑ์ที่ต้องการการผสานรวมที่ยืดหยุ่นและความแม่นยำเพื่อให้มั่นใจถึงการผลิตที่มีคุณภาพสูง นอกจากนี้ การใช้พลังงานของอุปกรณ์เหล่านี้จำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบและวิเคราะห์อย่างต่อเนื่องเพื่อสนับสนุนการทำงานที่มีประสิทธิภาพและยั่งยืน นอกจากนี้จะต้องรองรับการเชื่อมต่อแบบมีสายและไร้สายหลายชั้น ตั้งแต่เซนเซอร์และคอนโทรลเลอร์แบบกระจาย ไปจนถึงมอเตอร์ไดรฟ์ เครื่องวัดพลังงาน และช่างเทคนิคและผู้ปฏิบัติงานของเครื่องจักรแบบเรียลไทม์

เพื่อตอบสนองความต้องการที่หลากหลายเหล่านี้พร้อมเร่งการปรับใช้กระบวนการและการกำหนดค่าใหม่ เพิ่มเวลาทำงานสูงสุด และรับประกันการทำงานที่มีประสิทธิภาพ ผู้ออกแบบระบบอัตโนมัติจำเป็นต้องมีตัวควบคุมกระบวนการโดยเฉพาะพร้อมคุณสมบัติหลักหลายประการ โดยคุณสมบัติดังกล่าวรวมถึงอินเทอร์เฟซการสื่อสารที่ปลอดภัย, IO แบบดิจิตอลและแอนะล็อก ตลอดจนฟังก์ชันการควบคุมแบบบูรณาการ เช่น ตัวนับความเร็วสูง การมอดูเลตตามความกว้างพัลส์ (PWM) เอาต์พุตลำดับพัลส์ การควบคุมความเร็ว การกำหนดตำแหน่ง การตรวจสอบสภาพ และการจัดการพลังงาน นอกจากนี้ จำเป็นต้องมีอินเทอร์เฟซการสื่อสารที่สนับสนุนโปรโตคอล เช่น การสื่อสารแบบอนุกรม, PROFIBUS, IO-Link, อินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์แอคชูเอเตอร์ (AS-Interface), หน่วยเรียลไทม์ (RTU) MODBUS, อินเทอร์เฟซอนุกรมสากล (USI), TCP/IP และมาตรฐานไร้สายเคลื่อนที่

การเชื่อมต่ออุตสาหกรรม 4.0

เพื่อตอบสนองความต้องการการเชื่อมต่อของอุตสาหกรรม 4.0 มี PLC ตระกูล SIMATIC S7-1200 จาก Siemens ที่รองรับการเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ แอคชูเอเตอร์ และมอเตอร์เข้ากับส่วนต่อประสานระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร (HMI) และระบบคลาวด์ โดยใช้ OPC Unified Architecture (OPC UA) ซึ่งเป็นโปรโตคอลการสื่อสารระหว่างเครื่องจักรกับเครื่องจักร (M2M) สำหรับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม ซึ่ง OPC UA มีแพลตฟอร์มที่ไม่ขึ้นกับสถาปัตยกรรมที่มุ่งเน้นบริการซึ่งทำให้การเชื่อมต่อง่ายขึ้น รองรับการรวมอุปกรณ์ทุกประเภท ระบบอัตโนมัติ และแอปพลิเคชันซอฟต์แวร์ในสภาพแวดล้อมที่ปลอดภัย รวมถึงส่วนขยายของฟิลด์ที่กำหนดโดยโครงการ Field Level Communication (FLC) ตามกรอบ OPC UA และระบุไว้ใน International Electrotechnical Commission (IEC) 62541

FLC ให้ด้วยแพลตฟอร์มอิสระสำหรับการสื่อสารที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้ให้กับซัพพลายเออร์อุปกรณ์ ซึ่งเน้นการรับรองความถูกต้อง การลงนาม และการเข้ารหัสข้อมูล โดย OPC UA เป็นมากกว่าโปรโตคอลการสื่อสาร M2M ที่ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับการเชื่อมต่อระหว่างเครือข่ายโรงงานและเครือข่ายธุรกิจ ซึ่งการเข้าถึงข้อมูล OPC UA บน PLC ของ SIMATIC S7-1200 ของ Siemens ให้การสื่อสารแนวนอนและแนวตั้งที่เป็นมาตรฐาน ตลอดจนการปฏิบัติตามข้อกำหนดเฉพาะอุตสาหกรรม เช่น Organization for Machine Automation and Control Packaging Machine Language (OMAC PackML) ซึ่งเป็นมาตรฐานระบบอัตโนมัติที่ ทำให้การถ่ายโอนข้อมูลเครื่องจักรที่สอดคล้องกันทำได้ง่ายขึ้น เช่นเดียวกับมาตรฐาน Weihenstephan Standards (WS) ซึ่งกำหนดอินเทอร์เฟซการสื่อสารสำหรับการส่งข้อมูลเครื่องจักรที่เป็นมาตรฐานไปยังระบบไอทีระดับที่สูงขึ้น โดยคุณสมบัติหลักของการใช้งาน OPC UA บน S7-1200 PLC ได้แก่ (รูปที่ 1):

• ความสามารถในการเพิ่มกระบวนการใหม่ระหว่าง PLC และเลเยอร์ซอฟต์แวร์เชิงธุรกิจในระดับที่สูงขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ
• การใช้งานข้อกำหนดร่วมเฉพาะอุตสาหกรรมที่ง่ายขึ้นด้วย Siemens OPC UA Modeling Editor
• การเชื่อมต่อคลาวด์ผ่านการเชื่อมต่อไร้สายกับเครือข่ายอีเทอร์เน็ต
• การจำแนกชื่อ DNS สำหรับการระบุที่อยู่อย่างง่ายด้วยการสื่อสารแบบเปิด (OUC) รวมถึงการเข้ารหัส
• วิธีการส่งอีเมลอย่างปลอดภัยพร้อมไฟล์แนบเพิ่มเติม

รูปที่ 1: OPC UA เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของการเชื่อมต่อโรงงานอุตสาหกรรม 4.0 (แหล่งที่มาภาพ: Siemens)

ตัวควบคุมที่ปรับขนาดได้

นอกเหนือจากการรองรับแบบบูรณาการสำหรับการสื่อสาร OPC UA แล้ว คอนโทรลเลอร์ S7-1200 เช่น 6ES72141AG400XB0 (รูปที่ 2) และ 6ES72151BG400XB0 มีความยืดหยุ่นสูงและสามารถปรับขนาดได้ รุ่นแรกทำงานจากแหล่งจ่ายไฟกระแสตรง (VDC) 24 โวลต์ และมีอินพุตและเอาต์พุต 24 VDC ในขณะที่รุ่นหลังทำงานจากแหล่งจ่ายไฟกระแสสลับ (VAC) 120 หรือ 230 โวลต์ โดยมีอินพุตและเอาต์พุตรีเลย์ 24 VDC

คอนโทรลเลอร์ S7-1200 ทั้งหมดมี IO ในตัว สามารถขยายแบบแยกส่วนได้ และมีตัวเลือกการสื่อสารที่หลากหลาย โดยพอร์ทัล Siemens Totally Integrated Automation (TIA) จัดเตรียมสภาพแวดล้อมซอฟต์แวร์ที่เรียบง่ายสำหรับการพัฒนาโปรแกรมควบคุม และเครื่องมือการทำงานอัตโนมัติของ SIMATIC สามารถใช้ในภาคสนามเพื่อควบคุมและบำรุงรักษาตัวควบคุม SIMATIC S7-1200 คุณสมบัติเพิ่มเติม ได้แก่ :

• อินเทอร์เฟซ PROFINET เพื่อรองรับการปรับขยายและความยืดหยุ่น
• คุณลักษณะด้านความปลอดภัยที่มีการป้องกันการเข้าถึง การคัดลอก และการปรับเปลี่ยนอย่างครอบคลุม
• การวินิจฉัยพร้อมข้อความที่แสดงเป็นข้อความธรรมดาอย่างง่ายใน Siemens TIA Portal ผ่านเว็บเซิร์ฟเวอร์ บน SIMATIC HMI และใน SIMATIC Automation Tool โดยไม่ต้องตั้งโปรแกรมเพิ่มเติม
• คุณลักษณะด้านความปลอดภัยในบางรุ่นที่สามารถดำเนินการได้ทั้งโปรแกรมมาตรฐานและโปรแกรมที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยสำหรับการใช้งานที่มีความปลอดภัยสูงสุดระดับ 3 (SIL3) ที่กำหนดไว้ใน IEC 61508 และ IEC 62061 และระดับประสิทธิภาพ e (PLe) ที่กำหนดไว้ใน ISO 13849

รูปที่ 2: คอนโทรลเลอร์ Siemens S7-1200 ได้รวมการสนับสนุนการสื่อสาร OPC UA (แหล่งที่มาภาพ: Siemens)

ฟังก์ชันเทคโนโลยีแบบบูรณาการ เช่น ตัวนับความเร็วสูง, PWM, เอาต์พุตลำดับพัลส์, การควบคุมความเร็ว และการวางตำแหน่ง ทำให้ตัวควบคุมเหล่านี้เหมาะสำหรับการควบคุมอุณหภูมิ การควบคุมปั๊มและพัดลม เทคโนโลยีสายพานลำเลียง และเครื่องจักรบรรจุภัณฑ์ เหมาะสำหรับการควบคุมแบบวนซ้ำ, การชั่งน้ำหนัก, การจัดการพลังงาน, การนับความเร็วสูง, การระบุเอกลักษณ์ด้วยคลื่นวิทยุ (RFID) และการตรวจสอบสภาพ

ตัวเลือกการสื่อสารที่ยืดหยุ่น

ตัวเลือกเครือข่ายที่ครอบคลุมเป็นจุดเด่นของ S7-1200 PLC โปรโตคอลการสื่อสารที่รองรับ ได้แก่ :

PROFINET : มาตรฐาน Industrial Ethernet (IE) แบบเปิด อินเทอร์เฟซ PROFINET ในตัวใช้มาตรฐาน TCP/IP และสามารถใช้สำหรับการเขียนโปรแกรมหรือสื่อสารกับอุปกรณ์ HMI และตัวควบคุมเพิ่มเติม

PROFIBUS : เป็นมาตรฐานฟิลด์บัส คอนโทรลเลอร์ S7-1200 สามารถสร้างการสื่อสารที่สม่ำเสมอจากระดับสนามไปจนถึงระดับการควบคุมด้วย PROFIBUS

AS-Interface : มาตรฐานฟิลด์บัสสำหรับแอคชูเอเตอร์และเซ็นเซอร์ สามารถเชื่อมต่อสเลฟมาตรฐาน AS-Interface ได้สูงสุด 62 ตัว เช่น มอเตอร์สตาร์ท สวิตช์ตำแหน่ง และโมดูล

นอกจากความสามารถในการสื่อสารแบบบูรณาการแล้ว ยังมีโมดูลที่รองรับโปรโตคอลเพิ่มเติม เช่น:

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

สามารถปรับแต่งได้จำนวนมากและคุณภาพสูง

ความสามารถในการทำงานและความสามารถในการสื่อสารที่หลากหลายช่วยให้ S7-1200 PLC สามารถรองรับการขับเคลื่อนไปสู่การปรับแต่งจำนวนมากและคุณภาพสูงซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของอุตสาหกรรม 4.0 แม้ว่าจะมีหลายวิธีในการบรรลุเป้าหมายเหล่านั้น ตัวอย่างต่อไปนี้จะแสดงการใช้โมดูลส่วนขยายการสื่อสารสำหรับการเชื่อมต่อเซลลูลาร์แบบไร้สาย การเชื่อมต่ออนุกรม RS-485/USS/Modbus RTU สำหรับการควบคุมมอเตอร์ และ IO-Link สำหรับการเชื่อมต่อที่ง่ายขึ้นกับเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์เมื่อเทียบกับฟิลด์บัส (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: การสื่อสารที่ขยายได้สำหรับ PLC S7-1200 ได้รับการสนับสนุนโดยการรวมกันของโมดูลส่วนขยายภายนอก (ซ้ายและขวา) และภายใน (กล่องสีแดงตรงกลางด้านบน) (แหล่งที่มาภาพ: Siemens)

ในรูปที่ 3 “CM CP” เป็นโมดูลการสื่อสารไร้สาย GPRS เช่นเดียวกับ 6GK72427KX310XE0 ที่สามารถใช้สำหรับการเชื่อมต่อคลาวด์ บอร์ดสื่อสาร RS-485 เช่น 6ES72411CH301XB0 อยู่ภายใน S7-1200 PLC (“CPU”) และใช้เพื่อสื่อสารกับมอเตอร์ไดรฟ์ (SINAMICs V20) ผ่านอินเทอร์เฟซ USS/Modbus RTU และ “SM” ทางด้านขวาประกอบด้วยโมดูลการสื่อสารหลัก IO-Link เช่น 6ES72784BD320XB0 โดยมาสเตอร์ IO-Link เชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์สองตัวทางด้านซ้ายและตรงกลาง เช่นเดียวกับฮับ IO-Link ทางด้านขวา ฮับสามารถเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ IO-Link ได้เพิ่มเติม

การจัดการพลังงานอย่างยั่งยืน

การปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานและความยั่งยืนนั้นขึ้นอยู่กับการจัดการพลังงานอย่างชาญฉลาด ซึ่งจะอาศัยข้อมูลการใช้พลังงานที่ละเอียดยิ่งขึ้นแบบเรียลไทม์ เริ่มต้นด้วยการพิจารณามาตรฐาน ISO 50001 สำหรับการจัดการพลังงานในการปฏิบัติงาน ซึ่งเป็นมาตรฐานพื้นฐานที่ให้กรอบข้อกำหนด รวมถึงการพัฒนานโยบาย เป้าหมาย และวัตถุประสงค์สำหรับการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น และการใช้ข้อมูลเพื่อวัดผลลัพธ์ โดย ISO 50001 ได้รับการสนับสนุนโดยมาตรฐานเพิ่มเติม ได้แก่:

• ISO 50003 รับรองประสิทธิผลของระบบการจัดการพลังงาน (EnMS) ซึ่งรวมถึงการตรวจสอบ ข้อกำหนดด้านความสามารถของบุคลากร และระยะเวลาของการตรวจสอบและการสุ่มตัวอย่างแบบหลายสถานที่
• ISO 50004 ช่วยให้องค์กรใช้แนวทางที่เป็นระบบเพื่อให้บรรลุการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องในด้านการจัดการพลังงานและประสิทธิภาพด้านพลังงาน
• ISO 50006 ขยายวิธีการปฏิบัติตามข้อกำหนด ISO 50001 รวมถึงการพัฒนาและการบำรุงรักษาตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพพลังงาน (EnPIs) และข้อมูลฐานด้านพลังงาน (EnBs) สำหรับการตรวจสอบประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่อง

EnPIs และ EnBs ใน ISO 50006 ช่วยให้วัดและจัดการประสิทธิภาพพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งสามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้ นอกเหนือจากการพัฒนาด้านความยั่งยืนแล้ว การจัดการพลังงานที่ดีขึ้นยังนำไปสู่การประหยัดต้นทุนได้เป็นอย่างมาก มาตรฐานกำหนดข้อมูลฐานด้านพลังงาน (EnBs) และตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพที่มีความหมาย (EnPI) และระบุตัวบ่งชี้สี่ประเภท ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพ "สัมบูรณ์" และ "พลังงานสัมพัทธ์" พร้อมด้วยแบบจำลอง "สถิติ" และ "ทางเทคนิค"

คอนโทรลเลอร์ S7-1200 ของ Siemens สามารถลดความซับซ้อนของการดำเนินการตามมาตรฐาน ISO เหล่านี้และสนับสนุนระบบการจัดการพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูง ผู้ออกแบบระบบอัตโนมัติสามารถเพิ่มโมดูลมาตรวัดพลังงานเพื่อให้สามารถวัด ประเมินผล และแสดงข้อมูลการใช้พลังงานได้แบบเรียลไทม์ ในรูปที่ 4 แสดงการใช้งานทั่วไป:

1. มอเตอร์แสดงถึงโหลดทั่วไปที่ได้รับการตรวจสอบสำหรับการใช้พลังงาน
2. หม้อแปลงกระแสจะแปลงการใช้พลังงานให้เป็นปริมาณที่วัดได้สำหรับโมดูลมาตรวัดพลังงาน นอกจากนั้นมิเตอร์ยังวัดค่าพารามิเตอร์อื่น ๆ อีกมากมาย เช่น แรงดันและตัวประกอบกำลัง
3. ซอฟต์แวร์ในคอนโทรลเลอร์ S7-1200 จะประเมินการวัดและบันทึกสถิติการใช้พลังงานในบันทึกข้อมูล เชื่อมต่อกับ PG/PC และ HMI ผ่านเราเตอร์อุตสาหกรรม SCALANCE โดยใช้บัส PROFINET IE
4. HMI แสดงค่าที่วัดได้และช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถประเมินพารามิเตอร์ต่าง ๆ เช่น การใช้พลังงานสูงสุดเมื่อเวลาผ่านไป
5. คอนโทรลเลอร์ยังสามารถส่งบันทึกข้อมูลไปยัง PG/PC ในรูปแบบของเว็บเพจมาตรฐาน

รูปที่ 4: แสดงการใช้งานในการตรวจสอบพลังงานทั่วไปที่สามารถรองรับกับ PLC S7-1200 ได้อย่างง่ายดาย (แหล่งที่มาภาพ: Siemens)

โมดูลวัดพลังงาน

ในการใช้งานเช่นที่แสดงในรูปที่ 4 อุปกรณ์ SM 1238 สามารถใช้โมดูลมาตรวัดพลังงานในการรับข้อมูลได้ (รูปที่ 5) สามารถใช้ในระบบจ่ายไฟแบบเฟสเดียวและสามเฟสได้สูงสุด 480 VAC โมดูลเหล่านี้สามารถให้ข้อมูลที่จำเป็นแก่คอนโทรลเลอร์ S7-1200 เพื่อรองรับการปฏิบัติตามข้อกำหนด ISO 50001, 50003, 50004 และ 50006 สามารถบันทึกค่าการวัดทางไฟฟ้าและค่าพลังงานได้มากกว่า 200 ค่า รวมถึง:

• กระแสไฟฟ้า
• แรงดันไฟฟ้า
• มุมเฟส
• ความถี่
• เพาเวอร์แฟกเตอร์
• การใช้พลังงาน
• ค่าต่ำสุดและสูงสุด
• เวลาทำงาน
• งานพลังงาน/ไฟฟ้า

รูปที่ 5: SM 1238 เป็นโมดูลตรวจสอบพลังงานสำหรับระบบไฟฟ้าเฟสเดียวและสามเฟส (แหล่งที่มาภาพ: Siemens)

สรุป

เพื่อลดความซับซ้อนและเร่งการปรับใช้เครือข่ายโรงงานอุตสาหกรรม 4.0 ที่ยั่งยืน ผู้ออกแบบระบบอัตโนมัติสามารถใช้ PLC ตระกูล S7-1200 และโมดูลส่วนขยาย โซลูชันเหล่านี้รองรับตัวเลือกการสื่อสารที่ปลอดภัยหลากหลาย มีฟังก์ชันการควบคุมแบบบูรณาการและ IO แบบดิจิตอลและแอนะล็อก และสามารถขยายได้เพื่อรองรับการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงการจัดการพลังงาน

บทความที่แนะนำ

1. วิธีทำให้แอคชูเอเตอร์โรงงานอัจฉริยะมีประสิทธิผลมากขึ้นโดยใช้ IO-Link
2. วิธีใช้โซลูชันการตรวจสอบย้อนกลับ 4.0 เพื่อปรับปรุงความปลอดภัย การปฏิบัติตามข้อกำหนด และการติดตามผลิตภัณฑ์
3. การเขียนโปรแกรม PLC: บทสรุปทางเทคนิคพร้อมตัวอย่าง Siemens