作者：Rolf Horn

　　連接傳感器、機(jī)器人、自適應(yīng)驅(qū)動器——先進(jìn)的自動化概念是節(jié)能和資源高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。對于系統(tǒng)集成商和工廠運(yùn)營商來說，它們?yōu)閮?yōu)化其基礎(chǔ)設(shè)施和流程的可持續(xù)性提供了強(qiáng)大的杠桿。

　　(圖片來源：AzmanJaka 來自 Getty Images)

　　對能源的需求、原材料的使用以及——特別是在大都市地區(qū)——所需的土地規(guī)模是工業(yè)生產(chǎn)最關(guān)鍵的因素。一方面，它們決定工廠和工廠的經(jīng)濟(jì)效益;另一方面，它們對于可持續(xù)運(yùn)營至關(guān)重要。

　　世界許多地區(qū)正在做出巨大努力來限制傳統(tǒng)化石燃料的使用并用可再生替代品取代它們。由于政治、工業(yè)和私營部門的承諾，迄今為止取得了巨大的成功。例如，德國致力于在能源革命的框架內(nèi)將可再生能源發(fā)展成為主流能源，去年可再生能源占能源消費(fèi)總量的比例略高于 48%。根據(jù)聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)局的數(shù)據(jù)，制造業(yè)占能源消耗的四分之一以上;其電力需求份額也相當(dāng)?；瘜W(xué)品和金屬的生產(chǎn)和加工是主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。

　　這些以及許多其他制造業(yè)，包括電氣和機(jī)械工程以及食品生產(chǎn)，都是由工廠和過程自動化的進(jìn)步推動的。除了優(yōu)化生產(chǎn)力和成本之外，重點(diǎn)越來越多地轉(zhuǎn)向能夠提高產(chǎn)品和流程可持續(xù)性的參數(shù)：在數(shù)字化背景下，通過工業(yè) 4.0 的概念，他們越來越注重能源效率、經(jīng)濟(jì)利用資源、避免浪費(fèi)和盡可能最小的碳足跡。

　　優(yōu)化可持續(xù)性

　　自動化技術(shù)提供了一系列方法，機(jī)械和工廠工程系統(tǒng)集成商以及制造公司可以利用這些方法在可持續(xù)性方面優(yōu)化其基礎(chǔ)設(shè)施、工廠和流程。傳感器的綜合使用及其與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的集成通過持續(xù)監(jiān)控能源消耗、環(huán)境參數(shù)或庫存開辟了廣泛的可能性。例如，借助聯(lián)網(wǎng)傳感器，制造公司可以實時跟蹤貨物運(yùn)輸、監(jiān)控填充水平或記錄生產(chǎn)線中機(jī)器和工具的狀況數(shù)據(jù)(圖 1)。

　　圖 1：捕獲和分析機(jī)器的狀況數(shù)據(jù)具有實現(xiàn)更可持續(xù)流程的潛力。 (圖片來源：邦納工程)

　　Snap Signal 產(chǎn)品組合是全面支持 IIoT 生產(chǎn)方法的傳感器產(chǎn)品系列的一個很好的例子 來自美國供應(yīng)商 Banner Engineering。一般來說，用戶面臨的挑戰(zhàn)是首先識別相關(guān)數(shù)據(jù)，然后從現(xiàn)有設(shè)備中提取數(shù)據(jù)。如果確定需要集成額外的傳感器技術(shù)來測量更多變量，例如驅(qū)動器的振動和溫度，則不需要對現(xiàn)有控制架構(gòu)進(jìn)行任何更改。標(biāo)準(zhǔn)化通信并將所有傳感器和控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用協(xié)議也很重要。為此，Snap Signal 產(chǎn)品線(圖 2)提供智能傳感器、信號轉(zhuǎn)換器、控制器、信號適配器和無線通信模塊，以及有線連接技術(shù)，使自動化工程師能夠即插即用地解決這些任務(wù)。

　　圖 2：支持 IIoT 生產(chǎn)方法：Snap Signal 系列智能傳感器、轉(zhuǎn)換器和控制器。 (圖片來源：邦納工程)

　　對此類傳感器數(shù)據(jù)的處理和分析(無論是在云中集中執(zhí)行還是直接在現(xiàn)場執(zhí)行)都可以得出有關(guān)流程中的錯誤和優(yōu)化潛力或維護(hù)需求的結(jié)論。通過這種方式，可以減少能源損失并最大限度地減少資源的使用。另一方面，預(yù)測性維護(hù)可以提前計劃服務(wù)工作，從而減少停機(jī)時間，從而有助于避免額外的能源和材料支出。

　　節(jié)能驅(qū)動技術(shù)

　　例如，對于生產(chǎn)工廠的能源需求，驅(qū)動技術(shù)起著重要作用。例如，配備先進(jìn)變頻驅(qū)動器 (VFD) 的高效驅(qū)動系統(tǒng)能夠?qū)㈦姍C(jī)速度與系統(tǒng)的真實需求精確匹配，從而顯著降低功耗，特別是在可變負(fù)載應(yīng)用中。再生驅(qū)動器可以通過捕獲和再利用制動能量進(jìn)一步減少消耗。它們在生產(chǎn)工廠的模塊化和靈活性過程中變得越來越重要，這被認(rèn)為是工業(yè) 4.0 的核心組成部分之一。在模塊化工廠的概念中，自動導(dǎo)引車(AGV)和移動輔助機(jī)器人承擔(dān)支持功能，例如搬運(yùn)和裝配。低重量和恢復(fù)是這里的基本特征，因為它們不僅確保經(jīng)濟(jì)的能源使用和較小的生態(tài)足跡，而且還確保 AGV 和協(xié)作機(jī)器人的長距離行駛。

　　法國制造商施耐德電氣正在通過其緊湊型 VFD Altivar ATV320來滿足高效驅(qū)動技術(shù)這一細(xì)分市場的需求。它適用于控制0.18至15kW功率段的三相同步和異步電機(jī)的變速控制。據(jù)供應(yīng)商稱，它將集成安全性與眾多旨在支持應(yīng)用效率的即用型功能相結(jié)合。其中包括低速扭矩和速度精度、無需傳感器的磁通矢量控制的高動態(tài)響應(yīng)，以及高速電機(jī)的擴(kuò)展頻率范圍。 ATV320(圖 3)尤其引人注目的是，它對許多工業(yè)過程中常見的污染環(huán)境具有更高的耐受性，并且符合 IP20 和 IP6x 防護(hù)等級規(guī)范。 VFD 旨在完全集成到不同的系統(tǒng)架構(gòu)中。它配備 RJ45 連接器，用于集成 Modbus 和 CANopen 連接。其他通信選項包括以太網(wǎng) IP 和 Modbus TCP、Profinet、EtherCAT、DeviceNet 和 PowerLink。

　　圖 3：Altivar ATV 320 VFD，用于以變速控制三相同步和異步電機(jī)。 (圖片來源：施耐德電氣)

　　更智能的控制

　　在尋求更可持續(xù)地利用能源和工業(yè)資源的過程中，優(yōu)化控制技術(shù)是不可避免的一部分。在自動化工廠中收集、處理和分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)時，最先進(jìn)的邊緣控制器如今發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、可擴(kuò)展，并通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，可用于實施基于云的解決方案和本地解決方案。診斷和能源管理的專用功能可幫助自動化工程師分析制造流程、識別瓶頸并基于 Simatic S7-1200等工業(yè)控制器啟動優(yōu)化措施。先進(jìn)的控制算法以及集成的通信和安全功能對精確的過程執(zhí)行做出了決定性的貢獻(xiàn)。

　　圖 4：使用西門子基本控制器進(jìn)行基于制造數(shù)據(jù)分析的高效流程執(zhí)行，云和本地解決方案均可實施。 (圖片來源：西門子)

　　精準(zhǔn)高效

　　機(jī)器人體積小、敏捷且用途極其廣泛，憑借其緊湊、輕量化的設(shè)計和智能控制技術(shù)，對生產(chǎn)資源的可持續(xù)利用產(chǎn)生了重大影響。德國制造商KUKA 的Agilus 系列堅固且適應(yīng)性強(qiáng)的設(shè)備就是一個杰出的例子(圖 5)。它們配備了集成能源供應(yīng)，并有多種變體，其中一些作為潔凈室機(jī)器人提供，另一些則用于衛(wèi)生關(guān)鍵型應(yīng)用或潛在爆炸性環(huán)境。這些機(jī)器人專為人機(jī)協(xié)作而設(shè)計，憑借其非常精確和重復(fù)的精確運(yùn)動控制，可實現(xiàn)高效的流程。例如，它們非常適合最大限度地減少加工過程中的返工需求以及廢品水平。

　　圖 5：德國羅伊特林根大學(xué)項目中的 KR Agilus。在這里，學(xué)生與行業(yè)合作伙伴合作開發(fā)一次性塑料餐具的可持續(xù)替代品。 (圖片來源：KUKA 德國)

　　使用這種緊湊且可變的助手對于中小型公司也很有意義，因為制造商在各種成功案例中都有記錄[4]。其中包括一個大學(xué)項目，德國羅伊特林根大學(xué)的學(xué)生正在研究一次性塑料餐具的可重復(fù)使用替代品。他們得到了德國注塑專家 Gindele 以及 KUKA 及其系統(tǒng)合作伙伴 Robomotion 的支持。圍繞注塑成型的所有處理均由高度靈活的機(jī)器人單元負(fù)責(zé)，其核心是配備 3D 打印夾具的 Agilus 緊湊型機(jī)器人。

　　根據(jù)數(shù)據(jù)表，KUKA Agilus KR6 R900-2 六軸機(jī)器人的最大工作范圍為 901 毫米，有效負(fù)載為 6.7 公斤，并且根據(jù) ISO 9283 實現(xiàn)了 ±0.02 毫米的位姿重復(fù)性?？赡艿氖褂梅秶鸀橥ㄟ^測試和測量技術(shù)以及粘合劑或密封劑的應(yīng)用，與其他機(jī)器一起處理，直至組裝、拾放、包裝和調(diào)試。該機(jī)器人占地面積為 208 毫米 x 208 毫米，重約 54 千克，具有 IP56/67 和 ESD 保護(hù)(靜電放電)，并且適合地板、天花板、墻壁和角度安裝。

　　數(shù)字模型、材料等

　　除了此處展示的方法之外，工程師還可以通過應(yīng)用可持續(xù)材料、循環(huán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)和數(shù)字化領(lǐng)域的最新發(fā)展來進(jìn)一步發(fā)揮優(yōu)化潛力。循環(huán)經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)是避免浪費(fèi)和殘留材料，并盡可能多地回收和再利用原材料、部件和包裝材料。其原理可以為自動化工廠更可持續(xù)地運(yùn)營做出決定性貢獻(xiàn)。

　　數(shù)字孿生 和數(shù)字影子的概念是識別優(yōu)化潛力的有前途的方法，無需在具有高資源支出的真實機(jī)器或工廠上進(jìn)行測試。由于真實產(chǎn)品、工廠或流程及其生命周期的全面數(shù)字表示，可以啟動維護(hù)措施或在開發(fā)、生產(chǎn)和價值鏈的所有其他階段之間建立關(guān)聯(lián)。因此，工程師可以詳細(xì)模擬真實物體或過程的行為、功能和質(zhì)量，并提高其可持續(xù)性，例如消除對物理原型的需求。

　　概括

　　自動化對于流程和生產(chǎn)工程在生產(chǎn)率和成本方面具有重大優(yōu)勢。因此，它是一個至關(guān)重要的經(jīng)濟(jì)因素。然而除此之外，先進(jìn)的自動化概念和產(chǎn)品也是提高工業(yè)流程可持續(xù)性的關(guān)鍵。從預(yù)測性維護(hù)到模塊化工廠和人機(jī)協(xié)作——本文以及精選的示例，給人留下了多種可能性的印象。