支援工業 4.0 工廠達到大規模客製化、高品質及永續性營運

對工業 4.0 自動化製造系統的設計人員而言，要以優質、永續的生產製程來支援大規模的客製化，可能是項挑戰。這不僅要在多種有線和無線網路上部署和連接多個感測與控制裝置，還要即時監測其狀態及能耗，並滿足既定的永續性標準。

為了配合各種功能、網路、監測和標準的要求，同時確保擴充能力和靈活性，工業 4.0 的自動化系統設計人員其實不必親自將這些項目整合，而是可改用緊湊的整合式控制器來實作彈性、優質且具有永續性的生產系統。這些控制器具有許多嵌入式控制與能源管理功能、數位和類比輸入輸出 (IO)，以及必要的安全通訊能力，可用來實作彈性、可擴充、高永續性的工業 4.0 工廠。

本文將簡要介紹典型工業 4.0 工廠中的自動化元件與要求。接著以 Siemens 一系列緊湊的可擴充控制器為例，介紹含有整合式通訊介面與技術功能的可編程邏輯控制器 (PLC)。最後會檢視國際標準組織 (ISO) 50001 標準，以及營運能源管理的相關標準，包括一個實作永續性能源管理的範例。

工業 4.0 工廠的關鍵要素

典型的工業 4.0 工廠應用包括溫度控制、幫浦和風扇控制、輸送系統及包裝機等裝置，而為了確保高生產的品質，就需要靈活整合這些裝置並達到良好的精準度。此外，還要持續監測和分析這些裝置的能耗，以便支援高效且永續的操作。與此同時，這一切都需要多層的有線和無線連線支援，包括分散式感測器和控制器、馬達驅動器和能量儀表，以及機器技術人員及操作人員的即時支援。

為了因應這些不同的需求，同時加快製程的部署和重新配置、發揮最長的運作時間並確保操作效率，自動化系統的設計人員需要使用具備多個關鍵特點的專用製程控制器。這些特點包括安全通訊介面、數位和類比 IO 以及許多整合式控制功能，如高速計數器、脈寬調變 (PWM)、脈衝序列輸出、速度控制、定位、狀況監測及能源管理等。此外，還要有支援相關協定的通訊介面，例如序列通訊、PROFIBUS、IO-Link、致動器感測器介面 (AS-Interface)、MODBUS 即時單元 (RTU)、通用序列介面 (USI)、TCP/IP 及行動無線標準等。

工業 4.0 的連接性

為了滿足工業 4.0 的連接要求，Siemens 的 SIMATIC S7-1200 系列 PLC 可支援將感測器、致動器和馬達，連接到人機介面 (HMI) 及雲端。此系列採用 OPC 統一架構 (OPC UA)，這是一種適用於工業自動化的機器對機器 (M2M) 通訊協定。OPC UA 具有獨立於平台、以服務為導向的架構，可簡化連接。可支援在固有的安全環境下整合各類裝置、自動化系統及軟體應用程式。根據國際電工委員會 (IEC) 62541 標準指定的 OPC UA 架構，含有現場級通訊 (FLC) 計畫所指定的現場擴充功能。

FLC 為設備供應商提供獨立的平台，可達到安全可靠的通訊，且兼顧身分驗證、簽名和資料加密的重點。OPC UA 不僅是 M2M 通訊協定，還可支援工廠網路和企業網路之間的連線。Siemens SIMATIC S7-1200 PLC 上的 OPC UA 資料存取可達到標準化的水平與垂直通訊，同時符合產業特定要求，例如機器自動化與控制組織的包裝機語言 (OMAC PackML) 自動化標準 (更便於穩定地傳輸機器資料)，以及 Weihenstephan 標準 (WS) (可定義通訊介面，幫助機器資料以標準化方式傳輸至更高階的 IT 系統)。S7-1200 PLC 上的 OPC UA 實作具有以下主要特點 (圖 1)：

• 可在 PLC 和任何更高階的業務導向軟體層之間有效增加新的流程。
• 使用 Siemens OPC UA 模型編輯器實作簡化的產業特定配套規格。
• 以無線方式連接乙太網路，達到雲端連線。
• 以開放式使用者通訊 (OUC) 進行 DNS 名稱解析，達到簡化的尋址 (包括加密)。
• 以安全的方式傳送電子郵件，並可選擇添加附件。

圖 1：OPC UA 是建立工業 4.0 工廠連接性的基礎要素。(圖片來源：Siemens)

可擴充式控制器

除了對 OPC UA 通訊的整合式支援外，S7-1200 控制器，例如 6ES72141AG400XB0 (圖 2) 和 6ES72151BG400XB0，還具有高度的靈活性和可擴充性。前者由 24 VDC 電源供應器供電，具有 24 VDC 輸入和輸出，後者則由 120 或 230 VAC 電源供應器供電，具有 24 VDC 輸入和繼電器輸出。

所有 S7-1200 控制器都具有整合式 IO，可進行模組化擴充，並提供多個通訊選項。Siemens 的全整合式自動化 (TIA) 入口網站能以簡易的軟體環境來開發控制程式，而 SIMATIC 自動化工具則可在現場進行 SIMATIC S7-1200 控制器的操作與維護。其他特點包括：

• 提供 PROFINET 介面支援可擴充性和靈活性。
• 具有安全功能，包括全面存取、複製和操控防護。
• 具有診斷功能，可在 Siemens TIA 入口網站中以淺顯易懂的純文字顯示診斷訊息，可透過網路伺服器、SIMATIC HMI 和 SIMATIC 自動化工具進入入口網站，無需另外編程。
• 特定型號具有安全功能，可針對達到 IEC 61508 和 IEC 62061 指定之安全完整性等級 3 (SIL3)，以及 ISO 13849 指定之效能等級 e (PLe) 的應用程式，執行標準及安全相關程式。

圖 2：Siemens S7-1200 控制器支援整合式 OPC UA 通訊。(圖片來源：Siemens)

這些控制器具有高速計數器、PWM、脈衝序列輸出、速度控制和定位等整合式技術功能，因而非常適合用於溫度控制、幫浦和風扇控制、輸送技術以及包裝機。已針對迴路控制、秤重、能源管理、高速計數、無線射頻識別 (RFID) 和狀況監測進行最佳化。

靈活的通訊選項

S7-1200 PLC 有個主要特點是具有廣泛的網路連接選項。支援的通訊協定包括：

PROFINET：這屬於開放式工業乙太網路 (IE) 標準。其整合式 PROFINET 介面採用 TCP/IP 標準，可用於編程或與 HMI 裝置及其他控制器通訊。

PROFIBUS：這是一種現場匯流排標準。S7-1200 控制器具有 PROFIBUS，可以建立從現場層級到控制層級的統一通訊。

AS-Interface：這是一種適用於致動器和感測器的現場匯流排標準。最多可連接 62 個 AS-Interface 標準從屬裝置，例如馬達啟動器、位置開關和模組。

除了整合式通訊功能，還提供相關模組，可支援其他協定，例如：

• CANopen
• Modbus RTU
• Modbus TCP
• IO-Link
• 通用封包無線電服務 (GPRS)／長期演進技術 (LTE)
• RS-485、RS-422 和 RS-232
• USS

達到大規模客製化與高品質

工業 4.0 現今朝著大規模客製化及高品質演進，S7-1200 PLC 擁有廣泛的功能與通訊能力，因此能順應此趨勢。雖然有很多方法可以實現這些目標，但以下有幾個範例，包括使用通訊擴充模組達到無線行動連線、使用 RS-485/USS/Modbus RTU 序列連線達到馬達控制，以及使用 IO-Link 更輕鬆連接感測器和致動器 (相對於現場匯流排而言) (圖 3)。

圖 3：S7-1200 PLC 的可擴充式通訊，由一組外部 (左側和右側) 和內部 (頂端中間紅色方塊) 擴充模組所支援。(圖片來源：Siemens)

在圖 3 中，「CM CP」是一個 GPRS 無線通訊模組 (如 6GK72427KX310XE0)，可用於雲端連線。RS-485 通訊板 (如 6ES72411CH301XB0) 位於 S7-1200 PLC (「CPU」) 內部，可透過 USS/Modbus RTU 介面與馬達驅動器 (SINAMIC V20) 進行通訊。右側的「SM」含有一個 IO-Link 主控通訊模組 (如 6ES72784BD320XB0)。IO-Link 主控元件與左側和中間的兩個感測器，以及右側的 IO-Link 中樞相連接。中樞可連接至額外的 IO-Link 裝置。

永續能源管理

要提高能效和永續性，就有賴於智慧能源管理，而這又有賴於更精細且即時的能耗資料。對營運能源管理來說，越來越多人開始將 ISO 50001 標準納入考量。這是一項基本標準，提供對應的要求框架，包括擬定更有效的能源使用政策與目標，也會使用資料來衡量結果。此外，還有其他標準為 ISO 50001 提供支援，包括：

• ISO 50003 可確保能源管理系統 (EnMS) 的有效性。此標準涵蓋稽核、人員能力要求，以及稽核和多站點採樣的持續時間。
• ISO 50004 有助於組織採取系統性的作法，進而持續改進能源管理及能源績效。
• ISO 50006 針對如何滿足 ISO 50001 的要求進行延伸，包括制定和維護能源績效指標 (EnPI) 以及能源基線 (EnB)，以便持續進行績效監測。

ISO 50006 中的 EnPI 和 EnB 可有效衡量和管理能源績效，有助於達到最佳化能效。除了提升永續性，改善能源管理還可大幅節省成本。此標準定義了起點 (EnB) 和有意義的績效指標 (EnPI)，並確定了四種指標，即「絕對」和「相對能源績效指標」，以及「統計」和「技術」模型。

Siemens S7-1200 控制器可以簡化這些 ISO 標準的實作，並支援高效的能源管理系統。自動化系統的設計人員可以添加能量儀表模組，就可即時測量、評估和顯示能耗資料。圖 4 顯示典型應用：

1. 馬達代表正在接受能耗監測的典型負載。
2. 比流器會將能耗轉換成可供能量儀表模組測量的量。此儀表還會測量電壓和功率因數等其他多種參數。
3. S7-1200 控制器的軟體會評估量測結果，並將能耗統計資料儲存在資料日誌中。會使用 PROFINET IE 匯流排透過 SCALANCE 工業路由器連接至 PG/PC 與 HMI。
4. HMI 會顯示測量值，並可讓操作員評估參數，如一段時間內的功耗峰值。
5. 控制器還可用標準網頁的形式，將資料日誌傳送至 PG/PC。

圖 4：在此顯示 S7-1200 PLC 可輕鬆支援的典型能源監測應用。(圖片來源：Siemens)

能量儀表模組

在圖 4 所示應用中，SM 1238 能量儀表模組可用於進行數據採集 (圖 5)。可用於高達 480 VAC 的單相與三相電源系統。這些模組可為 S7-1200 控制器提供所需的資料，即可支援 ISO 50001、50003、50004 和 50006 的合規要求性。可記錄超過 200 多筆電氣量測結果和能源值，包括：

• 電流
• 電壓
• 相位角
• 頻率
• 功率因數
• 功耗
• 最小值和最大值
• 工作時數
• 能源／電氣作業

圖 5：SM 1238 屬於能源監測模組，可用於單相和三相電源系統。(圖片來源：Siemens)

結論

為了簡化和加快部署具有永續性的工業 4.0 工廠網路，自動化系統的設計人員可以使用 S7-1200 系列 PLC 及擴充模組。這些解決方案支援多種安全通訊選項、具有整合式控制功能及數位與類比 IO，並可加以擴充，可支援能源管理等眾多應用。

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