以最先进的自动化技术为动力：可持续发展之路

连接的传感器、机器人技术、自适应驱动——先进的自动化概念是节能和资源高效型生产的关键。对于系统集成商和工厂运营商来说，自动化就像功能强大的杠杆，能在可持续性方面优化基础设施和过程。

（图片来源：AzmanJaka via Getty Images）

工业生产的关键因素是能源需求、原材料使用以及所需土地的大小（特别是在大城市）。这三个因素一方面决定了工厂和车间的经济效率；另一方面对可持续运营具有至关重要的作用。

全球许多地区都在花大力气限制使用传统的化石燃料，并使用可再生材料取代这些化石燃料。得益于政治、工业和私营机构的承诺，迄今为止已经取得了相当大的成功。例如，德国的目标是在其能源革命框架内将可再生能源发展成为主要的能源，去年可再生能源在全德国总能源消耗中的份额刚刚超过 48%。根据联邦网络局的数据，制造业占能源消耗超过四分之一；其电力需求的份额也相当高。化学品和金属加工生产是主导领域。

这些以及其他许多制造领域，包括电气、机械工程以及食品生产，都是由工厂和过程自动化的发展所推动的。除了优化生产力和成本外，关注点越来越多地转移到会改善产品和工艺可持续性的参数方面：在数字化背景下，通过工业 4.0 的概念，他们越来越多地以能源效率、资源的经济利用、避免浪费和尽可能小的碳足迹为目标。

进行可持续性优化

自动化技术带来了一系列方法，机械和工厂工程的系统集成商以及制造公司可以利用这些方法，在可持续性方面对其基础设施、工厂和过程进行优化。传感器的全面使用及其与工业物联网 (IIoT) 的整合，会通过持续监测能耗、环境参数或库存来创造更多的可能性。例如，在联网传感器的加持下，制造公司可以实时跟踪货物运输、监测灌装水平或记录生产线上机器和工具的状态数据（图 1）。

图 1：捕获和分析机器的状态数据是实现更加可持续过程的潜在动力。（图片来源：Banner Engineering）

在全面支持 IIoT 生产方式的传感器产品系列中，美国供应商 Banner Engineering 的 Snap Signal 组合就是一个很好的例子。一般来说，用户面临的挑战首先是确定相关的数据，然后从现有设备中提取这些数据。如果确定了需要集成更多的传感器技术来测量如驱动器振动和温度等更多变量，不应要求对现有的控制架构做任何改变。实现通信标准化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）推出智能传感器、信号转换器、控制器、信号适配器、无线通信模块以及有线连接技术，使得自动化工程师能在操作时做到即插即用，完成些任务。

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

然后，根据在云端集中或在现场直接分析、处理这些传感器数据的结果，就可以得出关于过程错误、过程优化潜力方面的结论，或者是否需要进行维护。通过这种方式，可以减少能耗，最大限度地减少资源的使用。另一方面，预见性维护使得提前规划维护成为可能，从而减少停机时间，这反过来有助于避免额外的能源和材料消耗。

节能型驱动技术

例如，就生产工厂的能源需求而言，驱动技术发挥着重要作用。例如，配备先进变频器 (VFD) 的高效驱动系统能够使电机速度与系统的真实需求精确匹配，这将大大降低功耗，特别是在变负荷应用中。再生驱动可以通捕获、再利用制动能量来进一步降低能耗。这些驱动在生产工厂的模块化、柔性化过程中越来越重要，被视作工业 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) 和移动辅助机器人在诸如搬运、装配等方面承担了辅助功能。这种情况下，小重量和复原是基本特征，因为它们不仅确保了能源使用经济化和小的生态足迹，而且还确保了 AGV 和协作机器人的大活动范围。

法国制造商 Schneider Electric 正通过其紧凑型 VFD Altivar ATV320 来迎合这一高效驱动技术的细分市场。这款驱动器适用于变速控制功率为 0.18 kW 至 15 kW 的三相同步和异步电机。据供应商称，该驱动器将集成安全功能与众多旨在支持高效率应用的即用型功能相结合。这包括低速扭矩和速度精度、以磁通矢量控制为特征的无传感器高动态响应、用于高速电机的扩展频率范围。值得特别注意的是，ATV320（图 3）对许多工业过程中典型的污染环境有更好的耐受性，并符合 IP20 以及 IP6x 保护等级规范。VFD 可以完全集成到不同的系统架构中。该设备采用了 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 用于变速控制三相同步和异步电机。（图片来源：Schneider Electric）

更智能化的控制

在追求能源和工业资源的更可持续利用方面，优化控制技术是不可避免。当涉及到收集、处理和分析自动化工厂的生产数据时，最先进的边缘控制器今天发挥了关键作用。这些设备结构紧凑、可扩展，并通过工业以太网连接后，可用于实施基于云和本地的解决方案。专门的诊断和能源管理功能有助于自动化工程师分析制造过程，识别瓶颈并基于如 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，为精确地执行过程有着决定性作用。

图 4：使用 Siemens 基本控制器、云和本地解决方案，可以高效地执行基于制造数据分析的过程。（图片来源：Siemens）

精准执行带来的高效

机器人体积小、动作灵活、用途广，其紧凑、轻巧的设计和智能控制技术，对生产资源的可持续利用有着重要影响。德国制造商 KUKA 的 Agilus 系列坚固耐用且适应性强的机器人就是这方面的一款突出产品（图 5）。这种机器人采用集成电源供电并包括有多个变体，一些用作洁净室机器人，另一些则用于卫生要求较高的应用或存在爆炸危险的环境。这些机器人是专为人与机器人的协作而设计，由于具有非常精确和可重复的精确运动控制能力，使其能够实现高效率过程。例如，这种机器人是最大限度地减少加工过程中的返工需求以及废品水平的理想之选。

图 5：国 Reutlingen 大学的一个项目中的 KR Agilus 机器人。在这里，学生们与行业伙伴合作，开发一次性塑料餐具的可持续替代品。（图片来源：KUKA Deutschland）

正如制造商在各种成功案例中记录的那样，使用这种紧凑可变的辅助设备对中小型公司也是有意义的 [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 和其系统合作伙伴 Robomotion 的支持。围绕注塑成型的所有处理工作都由一个高度灵活的机器人单元完成，其核心是一台配备了 3D 打印抓手的 Agilus 紧凑型机器人。

根据数据表，KUKA Agilus KR6 R900-2 六轴机器人的最大伸展距离为 901 mm，有效载荷为 6.7 kg，其姿势重复性达到了 ISO 9283 规定的 ±0.02 mm。可能的使用范围：从通过测试和测量技术与其他机器协作处理，以及涂抹粘合剂或密封剂，再到装配、拾放、包装和调试。这种机器人的占地面积为 208 mm × 208 mm，重量约为 54 kg，具有 IP56/67 和 ESD 保护性能（静电放电），以及适用于地板、天花板、墙壁和倾斜安装。

数字化型号、材料及其他

除了本文展示的方法，工程师们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，进一步发挥优化潜力。循环经济旨在避免浪费和造成材料残留，并尽可能多地回收和再利用原材料、部件和包装材料。循环经济原则能够为自动化工厂的更可持续性运营做出决定性贡献。

数字孪生和数字影子的概念是确定优化潜力是否有希望的方法，而不必在实际的机器上或工厂里进行需要高额资源支出的测试。得益于对真实的产品、工厂或过程及其生命周期的全面数字化表示，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，工程师们可以详细模拟真实物体或过程的行为、功能和质量，并通过如消除对物理原型的需求等方式增强其可持续性。

结束语

自动化在生产力和成本方面对过程、生产工程具有重大优势。因此，自动化是一个关键的经济因素。然而，除此之外，先进的自动化概念和产品也是提高工业过程可持续性的关键。从预见性维护到模块化工厂、人与机器人协作，本文以及选定的示例让读者对各种可能性留下深刻的印象。