Вибір оптимального обладнання промислової автоматизації, такого як двигуни, приводи та комунікаційні модулі, вимагає ретельної уваги до деталей. Наприклад, Північноамериканська національна асоціація виробників електротехніки (NEMA) і Європейська міжнародна електротехнічна комісія (IEC) демонструють численні відмінності в рейтингах двигунів і приводів.
Фактори, які слід враховувати під час вибору двигунів, приводів і контролерів, включають вхідну та вихідну напруги та допуски, необхідні діапазони швидкості та потреби в регулюванні, вимоги до крутного моменту, прискорення, робочі цикли гальмування, спеціальні вимоги, такі як швидка відповідь або реакція на крутний момент, і фактори навколишнього середовища, включаючи керування температурою.
Вимоги до зв’язку відрізняються залежно від положення пристрою в ієрархії промислового керування. На рівні, найближчому до заводського цеху, такі протоколи, як IO-Link, можна використовувати для інтелектуальних датчиків і приводів, тоді як EtherCAT, PROFINET, Modbus та інші протоколи з’єднують системи руху, безпеки, вводу/виводу та системи бачення.
Найвищий рівень мереж виробничої автоматизації зазвичай використовує Ethernet/IP для підключення різноманітних контролерів автоматизації, інтерфейсів програмування та хмари, а також таких протоколів, як DisplayPort для людино-машинних інтерфейсів (HMI). Між цими рівнями комбінація Ethernet/IP, EtherCAT та інших протоколів з’єднує польовий рівень цеху з операційним і контрольним рівнями.
Подробиць надто багато, щоб їх всебічно охопити в одній дискусії. Натомість у цій статті подано кілька вказівок, які слід враховувати під час визначення двигунів, приводів і модулів зв’язку, а також приклади додатків, обладнання та протоколів від [Siemens], [Phoenix Contact], [Omron Automation], Panasonic [Industrial] і [Schneider Electric].
Зміщення фокусу
Двигуни та приводи є загальними елементами багатьох систем промислової автоматизації. Як відправну точку для цього обговорення, корисно зрозуміти, де ефективність двигуна вписується в ширші міркування продуктивності системи промислової автоматизації та як змістився фокус.
Використання більш ефективних двигунів може заощадити до 6% енергії. Це добре. Однак додавання високо-ефективних дисків і допоміжних компонентів може заощадити до 30% енергії.
Коли фокус зміщується на цілісну оптимізацію системи, виникають-справжні зміни. Розглянувши всі механічні компоненти та додавши зв’язок для інтеграції з промисловим Інтернетом речей (IIoT)-, що охоплює робочий і заводський рівні, зрештою досягнувши корпоративного та хмарного рівнів-можна досягти економії до 60% споживання енергії та підвищення енергопродуктивності (рис. 1).
Рисунок 1. Покращені рівні інтеграції та зв’язку можуть заощадити більше енергії та підвищити продуктивність. (Джерело зображення: Siemens)Еко-дизайн моторних систем
IEC 61800-9, частина 2, «Еко-проектування систем двигунів - Визначення та класифікація енергоефективності» може слугувати ключовим ресурсом. Він не зосереджується виключно на ефективності двигуна, але деталізує низку факторів продуктивності вищого рівня для «систем моторного приводу». ЧРП вважаються завершеними модулями приводу (CDM), що містять «секцію живлення» входу змінного струму, «базовий модуль приводу» (BDM), як і сам ЧРП, і «допоміжне обладнання», включаючи вхідні/вихідні фільтри, мережеві дроселі та інші допоміжні компоненти.
Стандарт далі визначає систему силового приводу (PDS) як CDM плюс двигун. Згодом він описує систему двигуна як PDS плюс обладнання для керування двигуном, таке як контактори.
Найвищий рівень — це розширений продукт або загальна система на малюнку 1, яка додає механічне привідне обладнання, як-от коробки передач і вантажні машини. Для більш детального розуміння стандарту ефективності IEC 61800-9-2 PDS див. статтю «[Які існують різні типи промислових двигунів із змінною швидкістю?]».
Відправною точкою для визначення «системи приводу двигуна» є сам двигун.
Моторні міркування
При правильному визначенні та використанні двигуни можуть бути високоефективними машинами. Це робить вибір двигуна критичним завданням для конструкторів машин.
IEC обчислює потужність двигуна в кіловатах (кВт), тоді як NEMA використовує кінські сили (к.с.), що робить пряму еквівалентність простою. Однак IEC і NEMA використовують різні розрахунки ефективності; для ідентичних конструкцій двигуна ККД, зазначений на паспортній табличці IEC, може дещо перевищувати рейтинги NEMA.
Фактична ефективність двигуна тісно пов'язана з конкретними застосуваннями. Отже, стандарти ефективності двигуна зазвичай обговорюються з точки зору зменшених втрат енергії, а не абсолютних значень ефективності.
IEC 60034-30-1 розпізнає п’ять класів ефективності двигуна, починаючи від IE1 до IE5. Втрати енергії зменшуються на 20% між послідовними класами. Це означає, що двигун IE5 "Ultra Premium" демонструє на 20% менші втрати, ніж двигун IE4 "Super Premium". Додаткові фактори вимагають розгляду. За певних сценаріїв двигуни з вищим ККД можуть демонструвати знижений коефіцієнт потужності (PF).
У Північній Америці рейтинги енергоефективності NEMA менш поширені, але однаково важливі. NEMA визнає Motor Service Factor (SF), який не входить до стандартів IEC. Двигун NEMA з SF 1,15 може безперервно працювати на 115% своєї номінальної потужності, хоча це призводить до більш високих робочих температур двигуна, що призводить до скорочення терміну служби підшипників та ізоляції.
IEC визначає десять робочих типів або факторів обслуговування (S1-S10) на основі таких міркувань, як безперервна чи періодична робота, коливання швидкості та використання гальм, а не SF.
NEMA та IEC відрізняються за своїми діапазонами напруги та частоти, але обидва виражаються в кількостях «на одиницю» (pu). У системі о.е. величини представлені у частках базової величини. NEMA визначає ряд напруг і частот двигуна. IEC визначає дві «зони» (рис. 2).
Рисунок 2: Порівняння промислових діапазонів напруги змінного струму та частоти NEMA та IEC. (Джерело зображення: NEMA)
Підвищення ефективності PDS
Моторні приводи є ключовими компонентами ефективності PDS, як визначено в IEC 61800-9-2. Їх можна класифікувати різними способами, наприклад напругою двигуна, рівнем потужності, типом руху, підтримуваними програмами тощо. Типи руху можна класифікувати як безперервні та переривчасті. На основі необхідної максимальної вихідної потужності їх можна далі розділити на категорії з низькою-продуктивністю, середньою продуктивністю та високою продуктивністю.
Різні типи дисків підтримують різні системні вимоги. Сервоприводи та двигуни добре-підходять для таких застосувань, як робототехніка, що вимагає швидкого прискорення, уповільнення та точного позиціонування. Пристрої плавного пуску ідеально підходять для безперервної роботи, наприклад для конвеєрів, які мають плавний запуск і зупинку. ЧРП широко використовуються в різних промислових машинах.
Деякі лінійки продуктів VFD оптимізовані для таких операцій, як перекачування, вентиляція, стиснення, мобільне застосування або механічна обробка. Приводи загального призначення серії Siemens SINAMICS G120-розраховані на потужність від 0,55 до 250 кВт (0,75 до 400 к.с.) і підходять для загального промислового застосування в автомобільній, текстильній та пакувальній промисловості.
Модель [6SL32203YE340UF0] працює від три-фазного живлення з діапазоном вхідної напруги від 380 до 480 В змінного струму ±10% / -20%. У Європі двигуни потужністю від 22 до 30 кВт призначені для роботи на 400 В, тоді як у Північній Америці двигуни потужністю від 30 до 40 к.с. призначені для роботи на 480 В (рис. 3).
Рисунок 3: Цей VFD можна використовувати з двигунами потужністю від 22 до 30 кВт, залежно від робочої напруги. (Джерело зображення: DigiKey)
Частотно-частотні приводи не є єдиним ключем до ефективного проектування PDS. У статті «[Які допоміжні продукти потрібні для максимального ефекту від використання VFD та VSD? - Частина 1]» розглядаються деякі основні допоміжні компоненти.
Комунікація та оптимізація системи
Хоча двигуни та приводи знаходяться на першому або польовому рівні заводу, вони не є найнижчим рівнем комунікаційної ієрархії Industry 4.0. Ця позиція належить до функцій рівня 0, таких як датчики та виконавчі механізми. Крім того, над рівнем поля існує кілька рівнів. Щоб максимізувати загальну ефективність, продуктивність і стійкість заводу Industry 4.0, своєчасний і ефективний зв’язок від ієрархії комунікацій до хмари є важливим. Наступні протоколи полегшують підключення до хмари:
- uOPC PubSub Bridge об’єднує багато потоків даних операційної технології (OT).
- MOTT Broker отримує повідомлення та пересилає їх користувачам на основі тем повідомлень.
Рівень 1 охоплює більше, ніж просто приводи та двигуни. Головні модулі польової шини (FMU) полегшують зв’язок і спрощують інтеграцію приводів та інших пристроїв. FMU підтримують різні протоколи, включаючи PROFINET, PROFIBUS, DeviceNet, CANopen тощо. Використання FMU забезпечує-незалежне підключення від виробника.
Модель Panasonic [AFP7NPFNM] є PROFINET FMU. Він містить інтегровану бібліотеку функцій із програмним забезпеченням для програмування, що значно скорочує час розробки конкретних прикладних рішень.
Датчики, приводи та рівень безпеки 0
Щоб максимізувати енергозбереження PDS у VFD, зв’язок має бути знижений до рівня 0. Інтеграція датчиків, приводів і пристроїв безпеки, таких як світлові завіси, на рівні 0 значно підвищує ефективність, досягаючи економії енергії понад 30%.
Загальні протоколи для підключення функцій рівня 0 включають DeviceNet, HART, Modbus і IO-Link. IO-Link — це протокол -to{5}}точка, що з’єднує датчики та виконавчі механізми з контролерами вищого{6}}рівня. Доступний як у дротовому, так і в бездротовому стандартах, він все частіше розгортається в Industry 4.0 як економічна-альтернатива.
[Omron NX-ILM400] IO-Master модулі Link можуть поєднувати стандартний ввід-вивід із високо-швидкісним синхронним вводом-виводом. Стандартний цифровий вхід/вихід пропонує 16 з’єднань на один пристрій, включаючи такі опції:
- Чотири 3-провідних датчика з живленням
- Вісім 2-провідних контактних входів або виходів приводу
- Шістнадцять 1-провідних з'єднань для датчиків і виконавчих механізмів, підключених до загального джерела живлення
PDS рівня 2 і вище
Зв’язок-на високому рівні покращує роботу на місцях, але вона необхідна для максимізації ефективності та продуктивності організації. Від рівня 2 до рівнів 3 і 4 для хмари потрібні такі протоколи, як Ethernet/IP, EtherCAT і Modbus TCP/IP.
Пристрої, які використовуються для встановлення цих з’єднань, включають програмовані логічні контролери (PLC) або промислові персональні комп’ютери (IPC). ПЛК – це комп’ютери, оптимізовані для промислової автоматизації та керування. У типових програмах ПЛК відстежує вхідні дані від машин і відповідних датчиків, приймає рішення на основі свого програмування та надсилає вихідні дані керування.
Хоча IPC можуть виконувати-функції, подібні до ПЛК, вони є пристроями більш загального-призначення. Під керуванням таких операційних систем, як Linux або Windows, вони мають доступ до ширшого спектру програмних засобів і зазвичай підключаються до HMI (хоча багато ПЛК також підключаються до HMI). ПЛК, як правило,-орієнтовані на машину, тоді як IPC пропонують більше операційних можливостей.
Різниця між PLC і IPC стає все більш розмитою. Наприклад, ПЛК Phoenix Contact [1069208] працює під управлінням операційної системи Linux. Як і традиційні ПЛК, його можна програмувати за допомогою символьної блок-схеми (SFC), сходової діаграми (LD), функціональної блок-схеми (FBD) і структурованого тексту (ST). Він містить три незалежні інтерфейси Ethernet і може підключатися до PROFICLOUD.
Schneider Electric пропонує [HMIBMIEA5DD1E01] IIoT Edge Box для додатків, які використовують можливості IPC. Цей безвентиляторний дизайн включає двоядерний-процесор Intel Atom Apollo Lake E3930, що працює на частоті 1,8 ГГц. Він має один слот розширення mini PCIe і дев'ять комунікаційних портів.
Висновок
У цій статті коротко викладено деякі вказівки, які розробники повинні враховувати при визначенні двигунів, приводів і модулів зв’язку для інсталяцій Industry 4.0. Він далеко не вичерпний. Його мета — надати їжу для роздумів і деякі ресурси для подальших досліджень.