Selectarea echipamentelor optime de automatizare industrială, cum ar fi motoare, variatoare și module de comunicație, necesită o atenție atentă la detalii. De exemplu, Asociația Națională a Producătorilor de Electricitate din America de Nord (NEMA) și Comisia Electrotehnică Internațională Europeană (IEC) prezintă numeroase diferențe în ceea ce privește valorile nominale ale motoarelor și ale unității.
Factorii de luat în considerare la selectarea motoarelor, acționărilor și controlerelor includ tensiunile și toleranțele de intrare și ieșire, intervalele de viteză necesare și nevoile de reglare, cerințele de cuplu, accelerația, ciclurile de funcționare de frânare, cerințele speciale precum răspunsul rapid sau cuplul și factorii de mediu, inclusiv managementul termic.
Cerințele de comunicare variază în funcție de poziția unui dispozitiv în ierarhia de control industrial. La nivelul cel mai apropiat de marginea atelierului fabricii, protocoale precum IO-Link pot fi folosite pentru senzori și actuatoare inteligente, în timp ce EtherCAT, PROFINET, Modbus și alte protocoale conectează sistemele de mișcare, siguranță, I/O și viziune.
Cel mai înalt nivel al rețelelor de automatizare din fabrică utilizează de obicei Ethernet/IP pentru a conecta diverse controlere de automatizare, interfețe de programare și cloud, alături de protocoale precum DisplayPort pentru interfețe om-mașină (HMI). Între aceste straturi, o combinație de Ethernet/IP, EtherCAT și alte protocoale conectează nivelul de câmp al atelierului la straturile operaționale și de control.
Detaliile sunt prea numeroase pentru a fi acoperite cuprinzător într-o singură discuție. În schimb, acest articol prezintă câteva linii directoare de luat în considerare atunci când specificați motoare, unități și module de comunicație, împreună cu exemple de aplicații, hardware și protocol de la [Siemens], [Phoenix Contact], [Omron Automation], Panasonic [Industrial] și [Schneider Electric].
Schimbarea focalizării
Motoarele și unitățile sunt elemente comune în multe sisteme de automatizare industrială. Ca punct de plecare pentru această discuție, este util să înțelegem unde se încadrează eficiența motorului în considerente mai largi ale performanței sistemului de automatizare industrială și cum sa schimbat accentul.
Utilizarea motoarelor mai eficiente poate economisi până la 6% energie. Asta e bine. Cu toate acestea, adăugarea de unități cu-eficiență ridicată și componente de suport poate economisi până la 30% din energie.
Când accentul se îndreaptă către optimizarea holistică a sistemului, apar adevărate-schimbătoare ale jocului. Luând în considerare toate componentele mecanice și adăugând comunicații pentru integrarea cu Internetul industrial al obiectelor (IIoT)-cuprinzând nivelurile operaționale și ale fabricii, se pot atinge în cele din urmă la niveluri de întreprindere și cloud-economii de până la 60% la consumul de energie și o productivitate energetică mai mare (Figura 1).
Figura 1: Nivelurile îmbunătățite de integrare și comunicare pot economisi mai multă energie și pot crește productivitatea. (Sursa imagine: Siemens)Eco-design al sistemelor de motoare
IEC 61800-9 Partea 2, „Proiectarea eco-a sistemelor de motoare - Determinarea și clasificarea eficienței energetice”, poate servi drept resursă cheie. Nu se concentrează doar pe eficiența motorului, ci detaliază o serie de factori de performanță de nivel superior pentru „sistemele de acționare a motorului”. VFD-urile sunt considerate module complete de acționare (CDM), cuprinzând o „secțiune de alimentare” de intrare AC, un „modul de acționare de bază” (BDM) precum VFD-ul însuși și „echipamente auxiliare”, inclusiv filtre de intrare/ieșire, bobine de linie și alte componente suport.
Standardul definește în continuare un sistem de propulsie (PDS) ca un CDM plus un motor. Ulterior, descrie un sistem motor ca un PDS plus echipament de control al motorului, cum ar fi contactorii.
Cel mai înalt nivel este produsul extins, sau sistemul general din Figura 1, care adaugă echipamente de antrenare mecanică, cum ar fi cutii de viteze și mașini de încărcare. Pentru o înțelegere mai detaliată a standardului de eficiență IEC 61800-9-2 PDS, consultați articolul „[Care sunt diferitele tipuri de unități industriale cu motor cu viteză variabilă?]”.
Punctul de plecare pentru specificarea unui „sistem de antrenare a motorului” este motorul însuși.
Considerații motrice
Atunci când sunt specificate și utilizate corespunzător, motoarele pot fi mașini extrem de eficiente. Acest lucru face selecția motorului o sarcină critică pentru proiectanții de mașini.
IEC cuantifică puterea motorului în kilowați (kW), în timp ce NEMA utilizează cai putere (CP), făcând echivalența directă simplă. Cu toate acestea, IEC și NEMA folosesc calcule de eficiență diferite; pentru modele de motoare identice, eficiența de pe plăcuța de identificare IEC poate depăși ușor evaluările NEMA.
Eficiența reală a motorului este strâns legată de aplicații specifice. În consecință, standardele de eficiență a motorului sunt de obicei discutate în termeni de pierderi reduse de energie, mai degrabă decât valori absolute ale eficienței.
IEC 60034-30-1 recunoaște cinci clase de eficiență a motorului, variind de la IE1 la IE5. Pierderile de energie scad cu 20% între clasele succesive. Aceasta înseamnă că un motor IE5 „Ultra Premium” prezintă pierderi cu 20% mai mici decât un motor IE4 „Super Premium”. Factori suplimentari merită luați în considerare. În anumite scenarii, motoarele cu eficiență mai mare pot prezenta un factor de putere (PF) redus.
În America de Nord, evaluările NEMA privind eficiența energetică sunt mai puțin comune, dar la fel de importante. NEMA recunoaște factorul de service al motorului (SF), care nu este inclus în standardele IEC. Un motor NEMA cu un SF de 1,15 poate funcționa continuu la 115% din capacitatea sa nominală, deși acest lucru are ca rezultat temperaturi de funcționare mai ridicate a motorului, ceea ce duce la reducerea duratei de viață a rulmentului și a izolației.
IEC identifică zece tipuri de operare sau factori de serviciu (S1 la S10) pe baza unor considerații precum funcționarea continuă versus intermitentă, variația vitezei și utilizarea frânelor, mai degrabă decât SF.
NEMA și IEC diferă în intervalele de tensiune și frecvență, dar ambele sunt exprimate în cantități „pe unitate” (pu). În sistemul pu, cantitățile sunt reprezentate ca fracțiuni ale unei valori de bază. NEMA identifică o serie de tensiuni și frecvențe ale motorului. IEC identifică două „zone” (Figura 2).
Figura 2: Comparația dintre intervalele de tensiune și frecvență industriale NEMA și IEC. (Sursa imagine: NEMA)
Creșterea eficienței PDS
Acționările cu motor sunt componente cheie pentru eficiența PDS, așa cum este definită în IEC 61800-9-2. Ele pot fi clasificate în diferite moduri, cum ar fi tensiunea motorului, nivelul de putere, tipul de mișcare, aplicațiile acceptate și multe altele. Tipurile de mișcare pot fi clasificate ca continue sau discontinue. Pe baza puterii maxime necesare, acestea pot fi împărțite în continuare în categorii de performanță scăzută-, performanță medie și performanță înaltă.
Diferite tipuri de unități acceptă cerințe de sistem distincte. Servomotorizările și motoarele sunt potrivite-pentru aplicații precum robotica care necesită accelerare rapidă, decelerare și poziționare precisă. Demaroarele soft sunt ideale pentru funcționare continuă, cum ar fi transportoarele care beneficiază de porniri și opriri lin. VFD-urile sunt utilizate pe scară largă în diverse mașini industriale.
Anumite linii de produse VFD sunt optimizate pentru operațiuni precum pompare, ventilație, compresie, aplicații mobile sau prelucrare. Seriile de acţionare de uz general-Siemens SINAMICS G120 au o putere nominală cuprinsă între 0,55 şi 250 kW (0,75 până la 400 CP) şi sunt potrivite pentru aplicaţii industriale generale în industria auto, textilă şi de ambalare.
Modelul [6SL32203YE340UF0] funcționează cu putere trifazată cu un interval de tensiune de intrare de la 380 la 480 Vac ±10% / -20%. În Europa, motoarele cu putere nominală de 22 până la 30 kW sunt specificate pentru funcționarea la 400 V, în timp ce în America de Nord, motoarele cu putere nominală de 30 până la 40 CP sunt evaluate pentru 480 V (Figura 3).
Figura 3: Acest VFD poate fi utilizat cu motoare cu putere nominală de la 22 la 30 kW, în funcție de tensiunea de funcționare. (Sursa imagine: DigiKey)
VFD-urile nu sunt singura cheie pentru proiectarea eficientă a PDS. Articolul „[Ce produse de asistență sunt necesare pentru a maximiza impactul utilizării VFD-urilor și VSD-urilor? - Partea 1]” trece în revistă câteva componente esențiale de asistență.
Comunicare și optimizare a sistemului
Deși motoarele și unitățile se află la primul nivel sau la nivelul câmpului al fabricii, ele nu sunt cel mai de jos strat din ierarhia de comunicare Industry 4.0. Această poziție aparține funcțiilor de Nivel 0, cum ar fi senzorii și actuatoarele. În plus, există mai multe niveluri deasupra nivelului câmpului. Pentru a maximiza eficiența generală, productivitatea și sustenabilitatea unei fabrici Industry 4.0, comunicarea în timp util și eficientă de la ierarhia de comunicare către cloud este esențială. Următoarele protocoale facilitează conectivitatea în cloud:
- uOPC PubSub Bridge integrează fluxuri de date multiple de tehnologie operațională (OT).
- MOTT Broker primește mesaje și le transmite utilizatorilor pe baza subiectelor mesajelor.
Nivelul 1 cuprinde mai mult decât simple unități și motoare. Unitățile master Fieldbus (FMU) facilitează comunicarea și simplifică integrarea unităților și a altor dispozitive. FMU-urile acceptă diverse protocoale, inclusiv PROFINET, PROFIBUS, DeviceNet, CANopen și multe altele. Utilizarea FMU-urilor permite conectivitate independentă de producător-.
Modelul Panasonic [AFP7NPFNM] este un FMU PROFINET. Dispune de o bibliotecă de funcții integrată cu software de programare, reducând semnificativ timpul de dezvoltare pentru soluții specifice de aplicație.
Senzori, actuatori și nivel de siguranță 0
Pentru a maximiza economiile de energie PDS în VFD, conectivitatea trebuie redusă la Nivelul 0. Integrarea senzorilor, actuatoarelor și dispozitivelor de siguranță, cum ar fi perdelele luminoase la Nivelul 0, crește semnificativ eficiența, realizând economii de energie de peste 30%.
Protocoalele comune pentru conectarea funcțiilor de nivel 0 includ DeviceNet, HART, Modbus și IO-Link. IO-Link este un protocol-la-punct la punct care conectează senzorii și actuatoarele la controlere-de nivel superior. Disponibil atât ca standard cu fir, cât și ca standard fără fir, este din ce în ce mai implementat în Industry 4.0 ca o alternativă rentabilă-.
Unitățile master [Omron NX-ILM400] IO-Link pot combina I/O standard cu I/O sincrone-de mare viteză. I/O digitală standard oferă 16 conexiuni per unitate, cu opțiuni care includ:
- Patru senzori cu 3 fire cu alimentare
- Opt intrări de contact cu 2 fire sau ieșiri de actuator
- Șaisprezece conexiuni cu un fir pentru senzori și actuatoare conectate la o sursă de alimentare comună
PDS Nivelul 2 și mai sus
Comunicarea-la nivel înalt îmbunătățește operațiunile pe teren, dar este esențială pentru maximizarea eficienței și productivității organizaționale. De la nivelul 2 la nivelurile 3 și 4, cloud-ul necesită protocoale precum Ethernet/IP, EtherCAT și Modbus TCP/IP.
Dispozitivele utilizate pentru a stabili aceste conexiuni includ controlere logice programabile (PLC) sau computere personale industriale (IPC). PLC-urile sunt calculatoare optimizate pentru automatizare și control industrial. În aplicațiile tipice, un PLC monitorizează intrările de la mașini și senzorii asociați, ia decizii pe baza programării sale și trimite ieșiri de control.
În timp ce IPC-urile pot îndeplini funcții de tip PLC-, acestea sunt dispozitive cu scop mai general-. Rulând sisteme de operare precum Linux sau Windows, aceștia accesează o gamă mai largă de instrumente software și se conectează de obicei la HMI-uri (deși multe PLC-uri se conectează și la HMI-uri). PLC-urile tind să fie centrate pe mașină-, în timp ce IPC-urile oferă mai multe capabilități operaționale.
Distincția dintre PLC-uri și IPC-uri este din ce în ce mai neclară. De exemplu, PLC-ul Phoenix Contact [1069208] rulează sistemul de operare Linux. La fel ca PLC-urile tradiționale, acesta poate fi programat folosind diagramă de flux simbolică (SFC), diagramă ladder (LD), diagramă bloc funcțional (FBD) și text structurat (ST). Include trei interfețe Ethernet independente și se poate conecta la PROFICLOUD.
Schneider Electric oferă [HMIBMIEA5DD1E01] IIoT Edge Box pentru aplicațiile care beneficiază de capabilități IPC. Acest design fără ventilator încorporează un procesor Intel Atom Apollo Lake E3930 dual-core care funcționează la 1,8 GHz. Dispune de un slot de extensie mini PCIe și nouă porturi de comunicație.
Concluzie
Acest articol prezintă pe scurt câteva linii directoare pe care proiectanții ar trebui să le ia în considerare atunci când specifică motoare, unități și module de comunicație pentru instalațiile Industry 4.0. Este departe de a fi exhaustiv. Scopul său este de a oferi hrană de gândire și unele resurse pentru cercetări ulterioare.