Supporto alla personalizzazione di massa, all'alta qualità e alle operazioni sostenibili nelle fabbriche dell'Impresa 4.0

Sostenere la personalizzazione di massa con processi di produzione sostenibili e di alta qualità può essere difficile per i progettisti di sistemi di produzione automatizzati per l'Impresa 4.0. È necessario distribuire e collegare più dispositivi di rilevamento e controllo attraverso varie reti cablate e wireless e monitorare in tempo reale il loro stato e il consumo energetico, il tutto rispettando gli standard di sostenibilità stabiliti.

Per soddisfare la varietà di funzioni, reti, monitoraggio e standard richiesti, garantendo al contempo scalabilità e flessibilità, i progettisti di sistemi di automazione per l'Impresa 4.0 non devono fare tutto da soli. Possono invece incorporare controller integrati compatti per implementare sistemi di produzione flessibili con alti livelli di qualità e sostenibilità. Questi controller sono dotati di numerose funzioni integrate di controllo e gestione dell'energia, di ingressi e uscite digitali e analogiche (IO) e delle funzionalità di comunicazione sicura necessarie per implementare una fabbrica di Impresa 4.0 scalabile, flessibile e altamente sostenibile.

Questo articolo fornisce una breve panoramica degli elementi e dei requisiti tipici dell'automazione di fabbrica per l'Impresa 4.0. Presenta quindi una famiglia di controller compatti ed espandibili di Siemens come esempio di controller a logica programmabile (PLC), dotati di interfacce di comunicazione e di funzioni tecnologiche integrate. Si conclude con una rassegna degli standard ISO (International Standards Organization) 50001 e correlati per la gestione operativa dell'energia, compreso un esempio di implementazione della gestione energetica per la sostenibilità.

Elementi chiave di una fabbrica per l'Impresa 4.0

Una tipica applicazione industriale Impresa 4.0 comprende dispositivi come i controlli di temperatura, i comandi di pompe e ventole, i sistemi di trasporto e le macchine per il confezionamento che richiedono un'integrazione flessibile e una precisione tale da garantire una produzione di alta qualità. Inoltre, il consumo energetico di questi dispositivi deve essere costantemente monitorato e analizzato per supportare operazioni efficienti e sostenibili. Inoltre, il tutto deve essere supportato da più livelli di connettività cablata e wireless, che vanno dai sensori e dai controller distribuiti agli azionamenti dei motori, ai contatori di energia, ai tecnici e agli operatori delle macchine in tempo reale.

Per rispondere a queste diverse esigenze, accelerando l'implementazione e la riconfigurazione dei processi, massimizzando i tempi di attività e garantendo un funzionamento efficiente, i progettisti di sistemi di automazione hanno bisogno di controller di processo dedicati con diverse caratteristiche chiave. Tali caratteristiche includono interfacce di comunicazione sicure, IO digitali e analogici, nonché funzioni di controllo integrate come contatori ad alta velocità, modulazione della larghezza di impulso (PWM), uscite a sequenza impulsiva, controllo della velocità, posizionamento, monitoraggio delle condizioni e gestione dell'energia. Inoltre, devono essere disponibili interfacce di comunicazione che supportino protocolli come la comunicazione seriale, PROFIBUS, IO-Link, l'interfaccia sensore-attuatore (AS-Interface), l'unità in tempo reale (RTU) MODBUS, l'interfaccia seriale universale (USI), TCP/IP e gli standard wireless mobili.

Connettività per Impresa 4.0

Per soddisfare i requisiti di connettività dell'Impresa 4.0, la famiglia di PLC SIMATIC S7-1200 di Siemens supporta la connessione di sensori, attuatori e motori alle interfacce uomo-macchina (HMI) e al cloud. Utilizza l'OPC Unified Architecture (OPC UA), un protocollo di comunicazione macchina-macchina (M2M) per l'automazione industriale. OPC UA ha un'architettura indipendente dalla piattaforma e orientata ai servizi che semplifica la connettività. Supporta l'integrazione di tutte le classi di dispositivi, sistemi di automazione e applicazioni software in un ambiente intrinsecamente sicuro. Include le estensioni di campo specificate dall'iniziativa Field Level Communication (FLC), basate sul framework OPC UA e specificate nell'International Electrotechnical Commission (IEC) 62541.

FLC offre ai fornitori di apparecchiature una piattaforma indipendente per comunicazioni sicure e affidabili che pone l'accento sull'autenticazione, la firma e la crittografia dei dati. OPC UA è più di un protocollo di comunicazione M2M; è stato concepito per supportare le connessioni tra la rete di fabbrica e le reti aziendali. OPC UA Data Access sui PLC SIMATIC S7-1200 di Siemens consente una comunicazione orizzontale e verticale standardizzata, nonché la conformità ai requisiti specifici del settore, come l'Organization for Machine Automation and Control Packaging Machine Language (OMAC PackML), uno standard di automazione che facilita il trasferimento di dati macchina coerenti, nonché gli standard Weihenstephan (WS), che definiscono un'interfaccia di comunicazione per la trasmissione standardizzata di dati macchina a sistemi IT di livello superiore. Le caratteristiche principali delle implementazioni OPC UA sui PLC S7-1200 includono (Figura 1):

• La capacità di aggiungere in modo efficiente nuovi processi tra i PLC e qualsiasi livello superiore di software orientato al business.
• Un'implementazione semplificata delle specifiche del settore con Siemens OPC UA Modeling Editor.
• Connettività cloud attraverso una connessione wireless a una rete Ethernet.
• Risoluzione dei nomi DNS per un indirizzamento semplificato con comunicazione utente aperta (OUC), compresa la crittografia.
• Un mezzo per inviare e-mail in modo sicuro, con allegati opzionali.

Figura 1: OPC UA è un elemento fondamentale della connettività di fabbrica per l'Impresa 4.0. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Controller scalabili

Oltre al supporto integrato per la comunicazione OPC UA, i controller S7-1200 come 6ES72141AG400XB0 (Figura 2) e 6ES72151BG400XB0 sono altamente flessibili e scalabili. Il primo funziona con un'alimentazione a 24 V c.c. e dispone di ingressi e uscite a 24 V c.c., mentre il secondo funziona con un'alimentazione a 120 o 230 V c.a., con ingressi e uscite a 24 V c.c.

Tutti i controller S7-1200 sono dotati di IO integrati, sono modulari e offrono diverse opzioni di comunicazione. Il portale Totally Integrated Automation (TIA) di Siemens è un semplice ambiente software per lo sviluppo di programmi di controllo, mentre lo strumento di automazione SIMATIC può essere utilizzato sul campo per il funzionamento e la manutenzione dei controller SIMATIC S7-1200. Le altre caratteristiche includono:

• Un'interfaccia PROFINET per supportare scalabilità e flessibilità
• Caratteristiche di sicurezza che includono una protezione completa da accesso, copia e manipolazione
• Diagnostica, con messaggi visualizzati in testo semplice in Siemens TIA Portal, attraverso un web server, sull'HMI SIMATIC e in SIMATIC Automation Tool senza alcuna programmazione aggiuntiva
• Caratteristiche di sicurezza in alcuni modelli che possono eseguire programmi standard e di sicurezza per applicazioni fino al livello di integrità della sicurezza 3 (SIL3) definito nella norma IEC 61508 e IEC 62061 e al livello di prestazioni "e" (PLe) definito nella norma ISO 13849.

Figura 2: I controller S7-1200 di Siemens offrono il supporto integrato per le comunicazioni OPC UA. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Le funzioni tecnologiche integrate, come contatori ad alta velocità, PWM, uscite a sequenza di impulsi, controllo della velocità e posizionamento, rendono questi controller adatti al controllo della temperatura, di pompe e ventole, alla tecnologia di trasporto e alle macchine per l'imballaggio. Sono ottimizzati per controllo del circuito, pesatura, gestione dell'energia, conteggio ad alta velocità, identificazione in radiofrequenza (RFID) e monitoraggio delle condizioni.

Opzioni di comunicazione flessibili

Le opzioni di rete complete sono un tratto distintivo dei PLC S7-1200. I protocolli di comunicazione supportati includono:

PROFINET: uno standard Industrial Ethernet (IE) aperto. L'interfaccia PROFINET integrata si basa sugli standard TCP/IP e può essere utilizzata per la programmazione o per comunicare con dispositivi HMI e controller aggiuntivi.

PROFIBUS: uno standard fieldbus. Con PROFIBUS, i controller S7-1200 possono stabilire una comunicazione uniforme dal livello di campo al livello di controllo.

Interfaccia AS: uno standard fieldbus per attuatori e sensori. È possibile collegare fino a 62 slave standard AS-Interface, come avviatori di motori, interruttori di posizione e moduli.

Oltre alle funzionalità di comunicazione integrate, sono disponibili moduli che supportano protocolli aggiuntivi quali:

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

Personalizzazione di massa e alta qualità

L'ampia gamma di funzionalità e le capacità di comunicazione consentono ai PLC S7-1200 di soddisfare la spinta verso la personalizzazione di massa e l'alta qualità oggi realtà nell'ambito dell'Impresa 4.0. Sebbene esistano numerosi modi per raggiungere questi obiettivi, l'esempio seguente mostra l'uso di moduli di espansione della comunicazione per la connettività cellulare wireless, la connettività seriale RS-485/USS/Modbus RTU per il controllo del motore e IO-Link per una connettività più semplice a sensori e attuatori, relativamente ai fieldbus (Figura 3).

Figura 3: Le comunicazioni espandibili per i PLC S7-1200 sono supportate da una combinazione di moduli di espansione esterni (a sinistra e a destra) e interni (riquadro rosso in alto al centro). (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Nella Figura 3, "CM CP" è un modulo di comunicazione wireless GPRS come 6GK72427KX310XE0 che può essere utilizzato per la connettività cloud. Una scheda di comunicazione RS-485 come il modello 6ES72411CH301XB0 risiede all'interno di un PLC S7-1200 ("CPU") serve per comunicare con un comando motore (SINAMICs V20) attraverso l'interfaccia USS/Modbus RTU. "SM" sulla destra comprende un modulo di comunicazione master IO-Link come 6ES72784BD320XB0. Il master IO-Link è collegato a due sensori a sinistra e al centro, nonché a un hub IO-Link a destra. L'hub può collegarsi ad altri dispositivi IO-Link.

Gestione sostenibile dell'energia

Il miglioramento dell'efficienza energetica e della sostenibilità si basa sulla gestione intelligente dell'energia, che a sua volta si basa su dati di consumo energetico più granulari e in tempo reale. Si inizia sempre più spesso con la considerazione degli standard ISO 50001 per la gestione operativa dell'energia. Si tratta di uno standard fondamentale che fornisce un quadro di requisiti, tra cui lo sviluppo di politiche, obiettivi e traguardi per un uso più efficiente dell'energia e l'uso di dati per misurare i risultati. La norma ISO 50001 è supportata da altri standard, tra cui:

• ISO 50003 garantisce l'efficacia dei sistemi di gestione dell'energia (EnMS). Comprende la verifica ispettiva, i requisiti di competenza del personale e la durata degli audit e del campionamento multisito.
• ISO 50004 aiuta le organizzazioni ad adottare un approccio sistematico per ottenere un miglioramento continuo della gestione dell'energia e delle prestazioni energetiche.
• ISO 50006 spiega come soddisfare i requisiti ISO 50001, compreso lo sviluppo e il mantenimento degli indicatori di prestazione energetica (EnPI) e delle linee di base energetiche (EnB) per il monitoraggio continuo delle prestazioni.

Gli EnPI e gli EnB della norma ISO 50006 consentono di misurare e gestire efficacemente le prestazioni energetiche, contribuendo così a ottimizzare l'efficienza energetica. Oltre ai miglioramenti in termini di sostenibilità, una migliore gestione dell'energia porta a significativi risparmi sui costi. Lo standard definisce i parametri del punto di partenza (EnB) e di prestazioni significative (EnPI) e identifica quattro tipi di indicatori: "assoluti" e "relativi", insieme a modelli "statistici" e "tecnici".

I controller S7-1200 di Siemens possono semplificare l'implementazione di questi standard ISO e supportare sistemi di gestione dell'energia altamente efficaci. I progettisti di sistemi di automazione possono aggiungere un modulo di misurazione dell'energia per consentire la misurazione, la valutazione e la visualizzazione dei dati sul consumo energetico in tempo reale. La Figura 4 illustra un'applicazione tipica.

1. Il motore rappresenta un carico tipico di cui viene monitorato il consumo energetico.
2. Il trasformatore di corrente trasforma il consumo energetico in una grandezza misurabile per il modulo del contatore di energia. Lo strumento misura anche numerosi altri parametri come la tensione e il fattore di potenza.
3. Il software del controller S7-1200 valuta le misurazioni e salva le statistiche sul consumo energetico in un registro dati. È collegato al PG/PC e all'HMI attraverso un router industriale SCALANCE che utilizza i bus PROFINET IE.
4. L'HMI visualizza i valori misurati e consente agli operatori di valutare parametri quali i picchi di consumo energetico nel tempo.
5. Il controller può anche inviare il registro dei dati al PG/PC sotto forma di pagine web standard.

Figura 4: Una tipica applicazione di monitoraggio energetico può essere facilmente supportata da un PLC S7-1200. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Modulo contatore di energia

In un'applicazione come quella illustrata nella Figura 4, per l'acquisizione dei dati si può utilizzare un modulo di misurazione dell'energia SM 1238 (Figura 5). Può essere integrato in sistemi di alimentazione monofase e trifase fino a 480 V c.a. Questi moduli possono fornire ai controller S7-1200 i dati necessari per supportare la conformità ai requisiti ISO 50001, 50003, 50004 e 50006. Possono registrare oltre 200 misurazioni elettriche e valori energetici, tra cui:

• Correnti
• Tensioni
• Angoli di fase
• Frequenze
• Fattori di potenza
• Consumo energetico
• Valori minimi e massimi
• Orari di funzionamento
• Energia/lavoro elettrico

Figura 5: SM 1238 è un modulo di monitoraggio energetico per sistemi di alimentazione monofase e trifase. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Conclusione

Per semplificare e accelerare l'implementazione di reti di fabbrica sostenibili per l'Impresa 4.0, i progettisti di sistemi di automazione possono utilizzare la famiglia di PLC e moduli di espansione S7-1200. Queste soluzioni supportano un'ampia gamma di opzioni di comunicazione sicura, offrono funzioni di controllo integrate e IO digitali e analogici e sono espandibili per supportare una vasta gamma di applicazioni, tra cui la gestione dell'energia.

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