作者：Rolf Horn

　　连接传感器、机器人、自适应驱动器——先进的自动化概念是节能和资源高效生产的关键。对于系统集成商和工厂运营商来说，它们为优化其基础设施和流程的可持续性提供了强大的杠杆。

　　(图片来源：AzmanJaka 来自 Getty Images)

　　对能源的需求、原材料的使用以及——特别是在大都市地区——所需的土地规模是工业生产最关键的因素。一方面，它们决定工厂和工厂的经济效益;另一方面，它们对于可持续运营至关重要。

　　世界许多地区正在做出巨大努力来限制传统化石燃料的使用并用可再生替代品取代它们。由于政治、工业和私营部门的承诺，迄今为止取得了巨大的成功。例如，德国致力于在能源革命的框架内将可再生能源发展成为主流能源，去年可再生能源占能源消费总量的比例略高于 48%。根据联邦网络局的数据，制造业占能源消耗的四分之一以上;其电力需求份额也相当。化学品和金属的生产和加工是主导产业。

　　这些以及许多其他制造业，包括电气和机械工程以及食品生产，都是由工厂和过程自动化的进步推动的。除了优化生产力和成本之外，重点越来越多地转向能够提高产品和流程可持续性的参数：在数字化背景下，通过工业 4.0 的概念，他们越来越注重能源效率、经济利用资源、避免浪费和尽可能最小的碳足迹。

　　优化可持续性

　　自动化技术提供了一系列方法，机械和工厂工程系统集成商以及制造公司可以利用这些方法在可持续性方面优化其基础设施、工厂和流程。传感器的综合使用及其与工业物联网 (IIoT) 的集成通过持续监控能源消耗、环境参数或库存开辟了广泛的可能性。例如，借助联网传感器，制造公司可以实时跟踪货物运输、监控填充水平或记录生产线中机器和工具的状况数据(图 1)。

　　图 1：捕获和分析机器的状况数据具有实现更可持续流程的潜力。 (图片来源：邦纳工程)

　　Snap Signal 产品组合是全面支持 IIoT 生产方法的传感器产品系列的一个很好的例子 来自美国供应商 Banner Engineering。一般来说，用户面临的挑战是首先识别相关数据，然后从现有设备中提取数据。如果确定需要集成额外的传感器技术来测量更多变量，例如驱动器的振动和温度，则不需要对现有控制架构进行任何更改。标准化通信并将所有传感器和控制数据转换为通用协议也很重要。为此，Snap Signal 产品线(图 2)提供智能传感器、信号转换器、控制器、信号适配器和无线通信模块，以及有线连接技术，使自动化工程师能够即插即用地解决这些任务。

　　图 2：支持 IIoT 生产方法：Snap Signal 系列智能传感器、转换器和控制器。 (图片来源：邦纳工程)

　　对此类传感器数据的处理和分析(无论是在云中集中执行还是直接在现场执行)都可以得出有关流程中的错误和优化潜力或维护需求的结论。通过这种方式，可以减少能源损失并最大限度地减少资源的使用。另一方面，预测性维护可以提前计划服务工作，从而减少停机时间，从而有助于避免额外的能源和材料支出。

　　节能驱动技术

　　例如，对于生产工厂的能源需求，驱动技术起着重要作用。例如，配备先进变频驱动器 (VFD) 的高效驱动系统能够将电机速度与系统的真实需求精确匹配，从而显着降低功耗，特别是在可变负载应用中。再生驱动器可以通过捕获和再利用制动能量进一步减少消耗。它们在生产工厂的模块化和灵活性过程中变得越来越重要，这被认为是工业 4.0 的核心组成部分之一。在模块化工厂的概念中，自动导引车(AGV)和移动辅助机器人承担支持功能，例如搬运和装配。低重量和恢复是这里的基本特征，因为它们不仅确保经济的能源使用和较小的生态足迹，而且还确保 AGV 和协作机器人的长距离行驶。

　　法国制造商施耐德电气正在通过其紧凑型 VFD Altivar ATV320来满足高效驱动技术这一细分市场的需求。它适用于控制0.18至15kW功率段的三相同步和异步电机的变速控制。据供应商称，它将集成安全性与众多旨在支持应用效率的即用型功能相结合。其中包括低速扭矩和速度精度、无需传感器的磁通矢量控制的高动态响应，以及高速电机的扩展频率范围。 ATV320(图 3)尤其引人注目的是，它对许多工业过程中常见的污染环境具有更高的耐受性，并且符合 IP20 和 IP6x 防护等级规范。 VFD 旨在完全集成到不同的系统架构中。它配备 RJ45 连接器，用于集成 Modbus 和 CANopen 连接。其他通信选项包括以太网 IP 和 Modbus TCP、Profinet、EtherCAT、DeviceNet 和 PowerLink。

　　图 3：Altivar ATV 320 VFD，用于以变速控制三相同步和异步电机。 (图片来源：施耐德电气)

　　更智能的控制

　　在寻求更可持续地利用能源和工业资源的过程中，优化控制技术是不可避免的一部分。在自动化工厂中收集、处理和分析生产数据时，最先进的边缘控制器如今发挥着关键作用。这些设备结构紧凑、可扩展，并通过工业以太网连接，可用于实施基于云的解决方案和本地解决方案。诊断和能源管理的专用功能可帮助自动化工程师分析制造流程、识别瓶颈并基于 Simatic S7-1200等工业控制器启动优化措施。先进的控制算法以及集成的通信和安全功能对精确的过程执行做出了决定性的贡献。

　　图 4：使用西门子基本控制器进行基于制造数据分析的高效流程执行，云和本地解决方案均可实施。 (图片来源：西门子)

　　精准高效

　　机器人体积小、敏捷且用途极其广泛，凭借其紧凑、轻量化的设计和智能控制技术，对生产资源的可持续利用产生了重大影响。德国制造商KUKA 的Agilus 系列坚固且适应性强的设备就是一个杰出的例子(图 5)。它们配备了集成能源供应，并有多种变体，其中一些作为洁净室机器人提供，另一些则用于卫生关键型应用或潜在爆炸性环境。这些机器人专为人机协作而设计，凭借其非常精确和重复的精确运动控制，可实现高效的流程。例如，它们非常适合最大限度地减少加工过程中的返工需求以及废品水平。

　　图 5：德国罗伊特林根大学项目中的 KR Agilus。在这里，学生与行业合作伙伴合作开发一次性塑料餐具的可持续替代品。 (图片来源：KUKA 德国)

　　使用这种紧凑且可变的助手对于中小型公司也很有意义，因为制造商在各种成功案例中都有记录[4]。其中包括一个大学项目，德国罗伊特林根大学的学生正在研究一次性塑料餐具的可重复使用替代品。他们得到了德国注塑专家 Gindele 以及 KUKA 及其系统合作伙伴 Robomotion 的支持。围绕注塑成型的所有处理均由高度灵活的机器人单元负责，其核心是配备 3D 打印夹具的 Agilus 紧凑型机器人。

　　根据数据表，KUKA Agilus KR6 R900-2 六轴机器人的最大工作范围为 901 毫米，有效负载为 6.7 公斤，并且根据 ISO 9283 实现了 ±0.02 毫米的位姿重复性。可能的使用范围为通过测试和测量技术以及粘合剂或密封剂的应用，与其他机器一起处理，直至组装、拾放、包装和调试。该机器人占地面积为 208 毫米 x 208 毫米，重约 54 千克，具有 IP56/67 和 ESD 保护(静电放电)，并且适合地板、天花板、墙壁和角度安装。

　　数字模型、材料等

　　除了此处展示的方法之外，工程师还可以通过应用可持续材料、循环经济技术和数字化领域的最新发展来进一步发挥优化潜力。循环经济的目标是避免浪费和残留材料，并尽可能多地回收和再利用原材料、部件和包装材料。其原理可以为自动化工厂更可持续地运营做出决定性贡献。

　　数字孪生 和数字影子的概念是识别优化潜力的有前途的方法，无需在具有高资源支出的真实机器或工厂上进行测试。由于真实产品、工厂或流程及其生命周期的全面数字表示，可以启动维护措施或在开发、生产和价值链的所有其他阶段之间建立关联。因此，工程师可以详细模拟真实物体或过程的行为、功能和质量，并提高其可持续性，例如消除对物理原型的需求。

　　概括

　　自动化对于流程和生产工程在生产率和成本方面具有重大优势。因此，它是一个至关重要的经济因素。然而除此之外，先进的自动化概念和产品也是提高工业流程可持续性的关键。从预测性维护到模块化工厂和人机协作——本文以及精选的示例，给人留下了多种可能性的印象。