作者：Rolf Horn

　　連接傳感器、機器人、自適應驅(qū)動器——先進的自動化概念是節(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)濟效益;另一方面，它們對于可持續(xù)運營至關(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?；瘜W品和金屬的生產(chǎn)和加工是主導產(chǎn)業(yè)。

　　這些以及許多其他制造業(yè)，包括電氣和機械工程以及食品生產(chǎn)，都是由工廠和過程自動化的進步推動的。除了優(yōu)化生產(chǎn)力和成本之外，重點越來越多地轉(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)濟利用資源、避免浪費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輸、監(jiān)控填充水平或記錄生產(chǎn)線中機器和工具的狀況數(shù)據(jù)(圖 1)。

　　圖 1：捕獲和分析機器的狀況數(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)進行任何更改。標準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。

　　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，預測性維護可以提前計劃服務工作，從而減少停機時間，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，配備先進變頻驅(qū)動器 (VFD) 的高效驅(qū)動系統(tǒng)能夠?qū)㈦姍C速度與系統(tǒng)的真實需求精確匹配，從而顯著降低功耗，特別是在可變負載應用中。再生驅(qū)動器可以通過捕獲和再利用制動能量進一步減少消耗。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，自動導引車(AGV)和移動輔助機器人承擔支持功能，例如搬運和裝配。低重量和恢復是這里的基本特征，因為它們不僅確保經(jīng)濟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的變速控制。據(jù)供應商稱，它將集成安全性與眾多旨在支持應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，以及高速電機的擴展頻率范圍。 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。 (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。

　　圖 4：使用西門子基本控制器進行基于制造數(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)

　　精準高效

　　機器人體積小、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 系列堅固且適應性強的設(shè)備就是一個杰出的例子(圖 5)。它們配備了集成能源供應，并有多種變體，其中一些作為潔凈室機器人提供，另一些則用于衛(wèi)生關(guān)鍵型應用或潛在爆炸性環(huán)境。這些機器人專為人機協(xié)作而設(shè)計，憑借其非常精確和重復的精確運動控制，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項目中的 KR Agilus。在這里，學生與行業(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]。其中包括一個大學項目，德國羅伊特林根大學的學生正在研究一次性塑料餐具的可重復使用替代品。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器人單元負責，其核心是配備 3D 打印夾具的 Agilus 緊湊型機器人。

　　根據(jù)數(shù)據(jù)表，KUKA Agilus KR6 R900-2 六軸機器人的最大工作范圍為 901 毫米，有效負載為 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用，與其他機器一起處理，直至組裝、拾放、包裝和調(diào)試。該機器人占地面積為 208 毫米 x 208 毫米，重約 54 千克，具有 IP56/67 和 ESD 保護(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用可持續(xù)材料、循環(huán)經(jīng)濟技術(shù)和數(shù)字化領(lǐng)域的最新發(fā)展來進一步發(fā)揮優(yōu)化潛力。循環(huán)經(jīng)濟的目標是避免浪費和殘留材料，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)地運營做出決定性貢獻。

　　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器或工廠上進行測試。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)濟因素。然而除此之外，先進的自動化概念和產(chǎn)品也是提高工業(yè)流程可持續(xù)性的關(guān)鍵。從預測性維護到模塊化工廠和人機協(xié)作——本文以及精選的示例，給人留下了多種可能性的印象。