Att välja den optimala industriella automationsutrustningen såsom motorer, frekvensomriktare och kommunikationsmoduler kräver noggrann uppmärksamhet på detaljer. Till exempel uppvisar North American National Electrical Manufacturers Association (NEMA) och European International Electrotechnical Commission (IEC) många skillnader i motor- och drivvärden.
Faktorer att tänka på vid val av motorer, frekvensomriktare och styrenheter inkluderar in- och utspänningar och toleranser, erforderliga hastighetsområden och regleringsbehov, vridmomentkrav, acceleration, bromsarbetscykler, speciella krav som snabb eller vridmomentrespons och miljöfaktorer inklusive värmehantering.
Kommunikationskraven varierar beroende på en enhets position inom den industriella kontrollhierarkin. På lagret närmast kanten på fabriksgolvet kan protokoll som IO-Link användas för smarta sensorer och ställdon, medan EtherCAT, PROFINET, Modbus och andra protokoll kopplar ihop rörelse-, säkerhets-, I/O- och visionsystem.
Det högsta lagret av fabriksautomationsnätverk använder vanligtvis Ethernet/IP för att ansluta olika automationskontroller, programmeringsgränssnitt och molnet, tillsammans med protokoll som DisplayPort för mänskliga-maskingränssnitt (HMI). Mellan dessa lager kopplar en kombination av Ethernet/IP, EtherCAT och andra protokoll fältnivån på verkstadsgolvet till drift- och kontrollskikten.
Detaljerna är för många för att täcka heltäckande i en enda diskussion. Istället presenterar den här artikeln flera riktlinjer att tänka på när du specificerar motorer, frekvensomriktare och kommunikationsmoduler, tillsammans med applikations-, hårdvaru- och protokollexempel från [Siemens], [Phoenix Contact], [Omron Automation], Panasonic [Industrial] och [Schneider Electric].
Ändra fokus
Motorer och drivenheter är vanliga element i många industriella automationssystem. Som utgångspunkt för denna diskussion är det till hjälp att förstå var motoreffektivitet passar inom bredare överväganden av industriella automationssystems prestanda och hur fokus har skiftat.
Att använda mer effektiva motorer kan spara upp till 6 % i energi. Det är bra. Att lägga till högeffektiva enheter och stödjande komponenter kan dock spara upp till 30 % energi.
När fokus skiftar till holistisk systemoptimering uppstår sanna spelförändrare-. Genom att överväga alla mekaniska komponenter och lägga till kommunikation för att integreras med Industrial Internet of Things (IIoT)-som spänner över drift- och anläggningsnivåer, kan man i slutändan nå företags- och molnnivåer-besparingar på upp till 60 % i energiförbrukning och högre energiproduktivitet (Figur 1).
Figur 1: Förbättrad integration och kommunikationsnivåer kan spara mer energi och öka produktiviteten. (Bildkälla: Siemens)Eko-design av motorsystem
IEC 61800-9 Del 2, "Eco-design of Motor Systems - Energy Efficiency Determination and Classification," kan fungera som en nyckelresurs. Den fokuserar inte enbart på motoreffektivitet utan beskriver en serie prestandafaktorer på högre nivå för "motordrivsystem". VFD:er betraktas som kompletta drivmoduler (CDM), som består av en "matningssektion för växelström", en "basic drive-modul" (BDM) som själva VFD:n och "hjälputrustning" inklusive ingångs-/utgångsfilter, linjedrossel och andra stödjande komponenter.
Standarden definierar vidare ett Power Drive System (PDS) som en CDM plus en motor. Därefter beskrivs ett motorsystem som en PDS plus motorstyrutrustning såsom kontaktorer.
Den högsta nivån är den utökade produkten, eller det övergripande systemet i figur 1, som lägger till mekanisk drivutrustning som växellådor och lastmaskiner. För en mer detaljerad förståelse av IEC 61800-9-2 PDS effektivitetsstandard, se artikeln "[What Are the Different Types of Variable Speed Industrial Motor Drives?]".
Utgångspunkten för att specificera ett "motordrivsystem" är själva motorn.
Motoriska överväganden
När de specificeras och används korrekt kan motorer vara mycket effektiva maskiner. Detta gör motorval till en kritisk uppgift för maskinkonstruktörer.
IEC kvantifierar motoreffekten i kilowatt (kW), medan NEMA använder hästkrafter (hk), vilket gör direkt ekvivalens enkel. IEC och NEMA använder dock olika effektivitetsberäkningar; för identiska motorkonstruktioner kan IEC-märkskyltens effektivitet något överstiga NEMA-klassificeringarna.
Verklig motoreffektivitet är nära kopplad till specifika applikationer. Följaktligen diskuteras motoreffektivitetsstandarder vanligtvis i termer av minskade energiförluster snarare än absoluta verkningsgradsvärden.
IEC 60034-30-1 känner igen fem motoreffektivitetsklasser, från IE1 till IE5. Energiförlusterna minskar med 20 % mellan på varandra följande klasser. Detta innebär att en IE5 "Ultra Premium"-motor uppvisar 20 % lägre förluster än en IE4 "Super Premium"-motor. Ytterligare faktorer kräver övervägande. I vissa scenarier kan motorer med högre effektivitet uppvisa reducerad effektfaktor (PF).
I Nordamerika är NEMA:s energieffektivitetsklassificeringar mindre vanliga men lika viktiga. NEMA erkänner Motor Service Factor (SF), som inte ingår i IEC-standarder. En NEMA-motor med en SF på 1,15 kan arbeta kontinuerligt med 115 % av sin nominella kapacitet, även om detta resulterar i högre motordriftstemperaturer, vilket leder till minskad lager- och isoleringslivslängd.
IEC identifierar tio driftstyper eller servicefaktorer (S1 till S10) baserat på överväganden som kontinuerlig kontra intermittent drift, hastighetsvariation och bromsanvändning, snarare än SF.
NEMA och IEC skiljer sig åt i sina spännings- och frekvensområden, men båda uttrycks i "per enhet" (pu) kvantiteter. I pu-systemet representeras kvantiteter som bråkdelar av ett basvärde. NEMA identifierar en serie motorspänningar och frekvenser. IEC identifierar två "zoner" (Figur 2).
Figur 2: Jämförelse av NEMA och IEC industriella AC spänning och frekvensområden. (Bildkälla: NEMA)
Förbättra PDS-effektiviteten
Motordrivenheter är nyckelkomponenter för PDS-effektivitet enligt definitionen i IEC 61800-9-2. De kan kategoriseras på olika sätt, såsom motorspänning, effektnivå, rörelsetyp, applikationer som stöds och mer. Rörelsetyper kan klassificeras som kontinuerliga eller diskontinuerliga. Baserat på den maximala uteffekten som krävs kan de delas upp i kategorier med låg-prestanda, medelprestanda och högpresterande.
Olika enhetstyper stödjer olika systemkrav. Servodrivenheter och motorer är väl-lämpade för tillämpningar som robotteknik som kräver snabb acceleration, retardation och exakt positionering. Mjukstartare är idealiska för kontinuerlig drift, till exempel transportörer som drar nytta av mjuka starter och stopp. VFD:er används i stor utsträckning i olika industriella maskiner.
Vissa VFD-produktlinjer är optimerade för operationer som pumpning, ventilation, kompression, mobila applikationer eller bearbetning. Siemens SINAMICS G120-serien för allmänna-omriktare är klassade från 0,55 till 250 kW (0,75 till 400 hk) och är lämpliga för allmänna industriella tillämpningar inom fordons-, textil- och förpackningsindustrin.
Modell [6SL32203YE340UF0] arbetar på trefaseffekt med ett inspänningsområde på 380 till 480 Vac ±10% / -20%. I Europa är motorer märkta 22 till 30 kW specificerade för 400 V-drift, medan i Nordamerika är motorer märkta 30 till 40 hk klassade för 480 V (Figur 3).
Bild 3: Denna VFD kan användas med motorer från 22 till 30 kW, beroende på driftspänningen. (Bildkälla: DigiKey)
VFD:er är inte den enda nyckeln till effektiv PDS-design. Artikeln "[Vilka stödprodukter behövs för att maximera effekten av att använda VFD och VSD? - Del 1]" granskar några viktiga stödkomponenter.
Kommunikation och systemoptimering
Även om motorer och frekvensomriktare finns på första eller fältnivå på fabriksgolvet, är de inte det lägsta lagret i Industry 4.0-kommunikationshierarkin. Denna position tillhör nivå 0-funktioner som sensorer och ställdon. Dessutom finns flera nivåer över fältnivån. För att maximera den övergripande effektiviteten, produktiviteten och hållbarheten hos en Industry 4.0-anläggning är snabb och effektiv kommunikation från kommunikationshierarkin till molnet avgörande. Följande protokoll underlättar molnanslutningen:
- uOPC PubSub Bridge integrerar flera dataströmmar för operationell teknologi (OT).
- MOTT Broker tar emot meddelanden och vidarebefordrar dem till användare baserat på meddelandeämnen.
Nivå 1 omfattar mer än bara drivningar och motorer. Fältbussmasterenheter (FMU) underlättar kommunikation och förenklar integrationen av frekvensomriktare och andra enheter. FMU:er stöder olika protokoll inklusive PROFINET, PROFIBUS, DeviceNet, CANopen och mer. Att använda FMU:er möjliggör tillverkaroberoende-anslutning.
Panasonics [AFP7NPFNM] modell är en PROFINET FMU. Den har ett integrerat funktionsbibliotek med programmeringsprogram, vilket avsevärt minskar utvecklingstiden för specifika applikationslösningar.
Sensorer, ställdon och säkerhetsnivå 0
För att maximera PDS-energibesparingar i VFD:er måste anslutningsmöjligheten minskas till nivå 0. Integrering av sensorer, ställdon och säkerhetsanordningar som ljusridåer på nivå 0 ökar effektiviteten avsevärt och uppnår energibesparingar på över 30 %.
Vanliga protokoll för att ansluta nivå 0-funktioner inkluderar DeviceNet, HART, Modbus och IO-Link. IO-Link är ett punkt-till-punkt-protokoll som ansluter sensorer och ställdon till styrenheter på högre-nivå. Tillgänglig som både trådbunden och trådlös standard, används den i allt större utsträckning i Industry 4.0 som ett kostnadseffektivt-alternativ.
[Omrons NX-ILM400] IO-Länkhuvudenheter kan blanda standard-I/O med höghastighetssynkron I/O-. Standard digital I/O erbjuder 16 anslutningar per enhet, med alternativ som:
- Fyra 3-trådsgivare med strömförsörjning
- Åtta 2-tråds kontaktingångar eller ställdonutgångar
- Sexton 1-trådsanslutningar för sensorer och ställdon kopplade till en gemensam strömkälla
PDS nivå 2 och högre
Kommunikation på hög-nivå förbättrar fältverksamheten, men det är viktigt för att maximera organisationens effektivitet och produktivitet. Från nivå 2 till nivå 3 och 4 kräver molnet protokoll som Ethernet/IP, EtherCAT och Modbus TCP/IP.
Enheter som används för att upprätta dessa anslutningar inkluderar PLC (Programable Logic Controllers) eller Industrial Personal Computers (IPC). PLC:er är datorer optimerade för industriell automation och styrning. I typiska applikationer övervakar en PLC ingångar från maskiner och tillhörande sensorer, fattar beslut baserat på dess programmering och skickar styrutgångar.
Även om IPC:er kan utföra PLC-liknande funktioner, är de mer allmänna-enheter. Med operativsystem som Linux eller Windows får de tillgång till ett bredare utbud av mjukvaruverktyg och ansluter vanligtvis till HMI:er (även om många PLC:er också ansluter till HMI). PLC:er tenderar att vara maskincentrerade-, medan IPC:er erbjuder fler operativa möjligheter.
Skillnaden mellan PLC:er och IPC:er blir alltmer suddig. Till exempel kör Phoenix Contacts [1069208] PLC operativsystemet Linux. Liksom traditionella PLC:er kan den programmeras med symboliskt flödesschema (SFC), Ladder Diagram (LD), Function Block Diagram (FBD) och Structured Text (ST). Den innehåller tre oberoende Ethernet-gränssnitt och kan anslutas till PROFICLOUD.
Schneider Electric erbjuder [HMIBMIEA5DD1E01] IIoT Edge Box för applikationer som drar nytta av IPC-kapacitet. Denna fläktlösa design innehåller en Intel Atom Apollo Lake E3930-processor med dubbla-kärnor som arbetar på 1,8 GHz. Den har en mini-PCIe-expansionsplats och nio kommunikationsportar.
Slutsats
Den här artikeln beskriver kortfattat några riktlinjer som designers bör beakta när de specificerar motorer, frekvensomriktare och kommunikationsmoduler för Industry 4.0-installationer. Det är långt ifrån uttömmande. Dess syfte är att ge en tankeställare och en del resurser för vidare forskning.