Suporte à personalização em massa, alta qualidade e operações sustentáveis em fábricas da Indústria 4.0

Dar suporte a personalização em massa com processos de produção sustentáveis e de alta qualidade pode ser um desafio para os projetistas de sistemas de manufatura automatizados da Indústria 4.0. Vários dispositivos de detecção e controle precisam ser implantados e conectados em várias redes com e sem fio, e seu estado e consumo de energia precisam ser monitorados em tempo real, tudo isso atendendo aos padrões de sustentabilidade estabelecidos.

Para acomodar a variedade de funções, redes, monitoramento e requisitos de padrões e, ao mesmo tempo, garantir a escalabilidade e a flexibilidade, os projetistas de sistemas de automação para a Indústria 4.0 não precisam fazer tudo sozinhos. Em vez disso, eles podem incorporar controladores integrados compactos para implementar sistemas de produção flexíveis com altos níveis de qualidade e sustentabilidade. Esses controladores têm várias funções incorporadas de controle e gerenciamento de energia, entradas e saídas (E/S) digitais e analógicas e os recursos de comunicação segura necessários para implementar uma fábrica da Indústria 4.0 dimensionável, flexível e altamente sustentável.

Este artigo apresenta uma breve visão geral dos elementos e requisitos típicos de automação de fábrica da Indústria 4.0. Em seguida, ele apresenta uma família de controladores compactos e expansíveis da Siemens como exemplos de controladores lógicos programáveis (CLPs), que contêm interfaces de comunicação e funções tecnológicas integradas. Ele termina com uma análise da Organização Internacional de Normalização (ISO) 50001 e das normas relacionadas ao gerenciamento operacional de energia, incluindo um exemplo de implementação de gerenciamento de energia para a sustentabilidade.

Elementos fundamentais de uma fábrica da Indústria 4.0

Uma aplicação típica de fábrica da Indústria 4.0 inclui dispositivos como controles de temperatura, controles de bombas e ventoinhas, sistemas transportadores e máquinas de embalagem que exigem integração flexível e precisão para garantir uma produção de alta qualidade. Além disso, o consumo de energia desses dispositivos precisa ser monitorado e analisado continuamente para dar suporte a operações eficientes e sustentáveis. Tudo isso precisa ser suportado também por várias camadas de conectividade com e sem fio, desde sensores e controladores distribuídos até acionamentos de motores, medidores de energia e técnicos e operadores de máquinas em tempo real.

Para atender a essas diversas necessidades e, ao mesmo tempo, acelerar a implantação e a reconfiguração do processo, maximizar o tempo de operação e garantir que ela seja eficiente, os projetistas de sistemas de automação precisam de controladores de processo dedicados com vários recursos importantes. Esses recursos incluem interfaces de comunicação seguras, E/S digitais e analógicas, bem como funções de controle integradas, como contadores de alta velocidade, modulação por largura de pulso (PWM), saídas de sequência de pulso, controle de velocidade, posicionamento, monitoramento de estado e gerenciamento de energia. Além disso, as interfaces de comunicação precisam estar disponíveis e oferecer suporte a protocolos como comunicação serial, PROFIBUS, IO-Link, interface do sensor/atuador (AS-Interface), unidade de tempo real (RTU) MODBUS, interface serial universal (USI), TCP/IP e padrões móveis sem fio.

Conectividade da Indústria 4.0

Para atender aos requisitos de conectividade da Indústria 4.0, a família de CLPs SIMATIC S7-1200 da Siemens suporta a conexão de sensores, atuadores e motores com interfaces homem-máquina (IHMs) e com a nuvem. Ele usa a OPC UA (OPC Unified Architecture), um protocolo de comunicação máquina a máquina (M2M) para automação industrial. OPC UA tem uma arquitetura independente de plataforma e orientada a serviços que simplifica a conectividade. Ela suporta a integração de todas as classes de dispositivos, sistemas de automação e aplicativos de software em um ambiente inerentemente seguro. Inclui extensões de campo especificadas pela iniciativa FLC (Field Level Communication), com base na estrutura OPC UA e especificadas na Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) 62541.

A FLC oferece aos fornecedores de equipamentos uma plataforma independente para comunicações seguras e confiáveis que enfatiza a autenticação, a assinatura e a criptografia de dados. OPC UA é mais do que um protocolo de comunicação M2M; ele foi projetado para oferecer suporte a conexões entre a rede da fábrica e as redes comerciais. O acesso aos dados da OPC UA nos CLPs SIMATIC S7-1200 da Siemens fornece comunicação horizontal e vertical padronizada, bem como conformidade com requisitos específicos do setor, como a OMAC PackML (Organization for Machine Automation and Control Packaging Machine Language), um padrão de automação que facilita a transferência de dados consistentes da máquina, bem como os Weihenstephan Standards (WS), que definem uma interface de comunicação para a transmissão padronizada de dados da máquina para sistemas de TI de nível mais alto. Os principais recursos das implementações de OPC UA nos CLPs S7-1200 incluem (Figura 1):

• A capacidade de adicionar com eficiência novos processos entre CLPs e quaisquer camadas de software de nível mais alto, orientadas para os negócios.
• Uma implementação simplificada de especificações complementares específicas do setor com o Siemens OPC UA Modeling Editor.
• Conectividade com a nuvem por meio de uma conexão sem fio a uma rede Ethernet.
• Resolução de nomes DNS para endereçamento simplificado com comunicação aberta com o usuário (OUC), incluindo criptografia.
• Um meio de enviar e-mails de forma segura, com anexos opcionais.

Figura 1: OPC UA é um elemento fundamental da conectividade de fábrica da Indústria 4.0. (Fonte da imagem: Siemens)

Controladores escaláveis

Além do suporte integrado à comunicação OPC UA, os controladores S7-1200, como o 6ES72141AG400XB0 (Figura 2) e o 6ES72151BG400XB0, são altamente flexíveis e escaláveis. O primeiro opera com uma fonte de alimentação de corrente contínua (VCC) de 24 volts e tem entradas e saídas de 24 VCC, enquanto o segundo opera com uma fonte de alimentação de corrente alternada (VCA) de 120 ou 230 volts, com entradas de 24 VCC e saídas de relé.

Todos os controladores S7-1200 têm E/S integradas, são expansíveis de forma modular e têm várias opções de comunicação. O portal Siemens Totally Integrated Automation (TIA) oferece um ambiente de software simples para o desenvolvimento de programas de controle, e a ferramenta de automação SIMATIC pode ser usada no campo para operar e manter os controladores SIMATIC S7-1200. Os recursos adicionais incluem:

• Uma interface PROFINET para dar suporte à escalabilidade e flexibilidade.
• Recursos de segurança que incluem proteção abrangente contra acesso, cópia e manipulação.
• Diagnósticos, com mensagens exibidas em texto simples e claro no Siemens TIA Portal, por meio de um servidor da Web, na IHM SIMATIC e na SIMATIC Automation Tool, sem programação adicional.
• Recursos de segurança em determinados modelos que podem executar programas padrões e relacionados à segurança para aplicações até o Nível 3 de Integridade da Segurança (SIL3) definido na IEC 61508 e na IEC 62061 e Nível de Desempenho e (PLe) definido na ISO 13849.

Figura 2: Os controladores Siemens S7-1200 têm suporte integrado para comunicações OPC UA. (Fonte da imagem: Siemens)

Funções tecnológicas integradas, como contadores de alta velocidade, PWM, saídas de sequência de pulsos, controle de velocidade e posicionamento, tornam esses controladores adequados para controle de temperatura, controle de bombas e ventoinhas, tecnologia de transportadores e máquinas de embalagem. Eles são otimizados para controle de malha, pesagem, gerenciamento de energia, contagem de alta velocidade, identificação por radiofrequência (RFID) e monitoramento de estado.

Opções flexíveis de comunicação

As opções abrangentes de rede são uma marca registrada dos CLPs S7-1200. Os protocolos de comunicação suportados incluem:

PROFINET: Um padrão aberto de Ethernet Industrial (IE). A interface PROFINET integrada usa os padrões TCP/IP e pode ser usada para programação ou para comunicação com dispositivos IHM e controladores adicionais.

PROFIBUS: Esse é um padrão de barramento de campo. Com o PROFIBUS, os controladores S7-1200 podem estabelecer uma comunicação uniforme desde o nível de campo até o nível de controle.

AS-Interface: Esse é um padrão de barramento de campo para atuadores e sensores. Podem ser conectados até 62 escravos na AS-Interface padrão, como partidas de motor, chaves de posição e módulos.

Além dos recursos de comunicação integrados, estão disponíveis módulos que suportam protocolos adicionais, como:

• CANopen
• Modbus RTU
• Modbus TCP
• IO-Link
• Serviço geral de rádio por pacotes (GPRS)/Evolução de longo prazo (LTE)
• RS-485, RS-422 e RS-232
• USS

Obtendo a personalização em massa e alta qualidade

Sua ampla gama de funcionalidades e recursos de comunicação permite que os CLPs S7-1200 acomodem a tendência de personalização em massa e alta qualidade que está ocorrendo como parte da Indústria 4.0. Embora existam várias maneiras de atingir esses objetivos, o exemplo a seguir mostra o uso de módulos de expansão de comunicação para conectividade celular sem fio, conectividade serial RS-485/USS/Modbus RTU para controle do motor e IO-Link para conectividade mais simples com sensores e atuadores, em relação aos barramentos de campo (Figura 3).

Figura 3: As comunicações expansíveis para os CLPs S7-1200 são suportadas por uma combinação de módulos de expansão externos (esquerda e direita) e internos (caixa vermelha na parte superior central). (Fonte da imagem: Siemens)

Na Figura 3, o "CM CP" é um módulo de comunicação sem fio GPRS, como o 6GK72427KX310XE0, que pode ser usado para conectividade na nuvem. Uma placa de comunicação RS-485 como a 6ES72411CH301XB0 reside dentro de um CLP S7-1200 ("CPU") e é usada para se comunicar com um acionamento de motor (o SINAMICs V20) por meio da interface USS/Modbus RTU. O "SM" à direita inclui um módulo de comunicações de mestre IO-Link, como o 6ES72784BD320XB0. O mestre IO-Link está conectado a dois sensores à esquerda e no centro, bem como a um hub IO-Link à direita. O hub pode se conectar a dispositivos IO-Link adicionais.

Gerenciamento de energia sustentável

O aumento da eficiência energética e da sustentabilidade depende do gerenciamento inteligente de energia, que, por sua vez, depende de dados de consumo de energia mais detalhados e em tempo real. Cada vez mais, começa com a consideração das normas ISO 50001 para o gerenciamento operacional de energia. Esse é um padrão básico que fornece uma estrutura de requisitos, incluindo o desenvolvimento de políticas, metas e objetivos para um uso mais eficiente da energia e o uso de dados para medir os resultados. A ISO 50001 é apoiada por outras normas, incluindo:

• A ISO 50003 que garante a eficácia dos sistemas de gerenciamento de energia (EnMS). Abrange a auditoria, os requisitos de competência do pessoal, a duração das auditorias e a amostragem em vários locais.
• A ISO 50004 que ajuda as organizações a adotar uma abordagem sistemática para alcançar a melhoria contínua do gerenciamento e do desempenho energético.
• A ISO 50006 que expande a forma de atender aos requisitos da ISO 50001, incluindo o desenvolvimento e a manutenção de indicadores de desempenho energético (EnPIs) e linhas de base de energia (EnBs) para o monitoramento contínuo do desempenho.

Os EnPIs e EnBs da ISO 50006 permitem a medição e o gerenciamento eficazes do desempenho energético, o que pode ajudar a otimizar a eficiência energética. Além das melhorias na sustentabilidade, um melhor gerenciamento de energia leva a uma economia significativa de custos. A norma define o ponto de partida (EnBs) e as métricas de desempenho significativas (EnPIs), além de identificar quatro tipos de indicadores: indicadores de desempenho energético "absolutos" e "relativos", juntamente com modelos "estatísticos" e "técnicos".

Os controladores S7-1200 da Siemens podem simplificar a implementação dessas normas ISO e dar suporte a sistemas altamente eficazes de gerenciamento de energia. Os projetistas de sistemas de automação podem adicionar um módulo de medidor de energia para permitir a medição, a avaliação e a exibição de dados de consumo de energia em tempo real. A Figura 4 ilustra uma aplicação típica:

1. O motor representa uma carga típica que está sendo monitorada quanto ao consumo de energia.
2. O transformador de corrente transforma o consumo de energia em uma quantidade mensurável para o módulo do medidor de energia. O medidor também mede vários outros parâmetros, como tensão e fator de potência.
3. O software do controlador S7-1200 avalia as medições e salva as estatísticas sobre o consumo de energia em um registro de dados. Ele é conectado ao PG/PC e à IHM por meio de um roteador industrial SCALANCE usando barramentos PROFINET IE.
4. A IHM exibe os valores medidos e permite que os operadores avaliem parâmetros como picos de consumo de energia ao longo do tempo.
5. O controlador também pode enviar o registro de dados para o PG/PC na forma de páginas padrões da Web.

Figura 4: É mostrado uma aplicação típica do monitoramento de energia que pode ser facilmente suportado com um CLP S7-1200. (Fonte da imagem: Siemens)

Módulo medidor de energia

Em uma aplicação como a mostrada na Figura 4, um módulo medidor de energia SM 1238 pode ser usado para aquisição de dados (Figura 5). Ele pode ser usado em sistemas de alimentação monofásicos e trifásicos de até 480 VCA. Esses módulos podem fornecer aos controladores S7-1200 os dados necessários para dar suporte à conformidade com os requisitos das normas ISO 50001, 50003, 50004 e 50006. Eles podem registrar mais de 200 medições elétricas e valores de energia, incluindo:

• Correntes
• Tensões
• Ângulos de fase
• Frequências
• Fatores de potência
• Consumo de energia
• Valores mínimos e máximos
• Horas de funcionamento
• Energia/trabalho

Figura 5: O SM 1238 é um módulo de monitoramento de energia para sistemas de energia monofásicos e trifásicos. (Fonte da imagem: Siemens)

Conclusão

Para simplificar e acelerar a implantação de redes de fábrica sustentáveis da Indústria 4.0, os projetistas de sistemas de automação podem usar a família S7-1200 de CLPs e módulos de expansão. Essas soluções oferecem suporte a uma ampla variedade de opções de comunicações seguras, têm funções de controle integradas e E/S digitais e analógicas e podem ser expandidas para oferecer suporte a uma ampla variedade de aplicações, incluindo gerenciamento de energia.

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1. Como tornar os atuadores inteligentes de fábrica mais produtivos usando IO-Link
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3. Programação de CLPs: Um resumo técnico com exemplos da Siemens