Изборът на оптимално оборудване за индустриална автоматизация като двигатели, задвижвания и комуникационни модули изисква внимателно внимание към детайла. Например Северноамериканската национална асоциация на производителите на електротехника (NEMA) и Европейската международна електротехническа комисия (IEC) показват многобройни разлики в оценките на двигателите и задвижванията.
Факторите, които трябва да се имат предвид при избора на двигатели, задвижвания и контролери, включват входни и изходни напрежения и допустими отклонения, необходими диапазони на скорост и нужди от регулиране, изисквания за въртящ момент, ускорение, работни цикли на спиране, специални изисквания като бърза реакция или реакция на въртящ момент и фактори на околната среда, включително управление на топлината.
Изискванията за комуникация варират в зависимост от позицията на устройството в йерархията на индустриалния контрол. На слоя, който е най-близо до ръба на фабричния цех, протоколи като IO-Link могат да се използват за интелигентни сензори и изпълнителни механизми, докато EtherCAT, PROFINET, Modbus и други протоколи свързват системи за движение, безопасност, I/O и системи за зрение.
Най-високият слой мрежи за фабрична автоматизация обикновено използва Ethernet/IP за свързване на различни контролери за автоматизация, интерфейси за програмиране и облака, заедно с протоколи като DisplayPort за интерфейси човек-машина (HMI). Между тези слоеве комбинация от Ethernet/IP, EtherCAT и други протоколи свързва нивото на полето на цеха с операционния и контролния слой.
Детайлите са твърде много, за да бъдат обхванати изчерпателно в една дискусия. Вместо това тази статия представя няколко насоки, които трябва да имате предвид при определяне на двигатели, задвижвания и комуникационни модули, заедно с примери за приложения, хардуер и протоколи от [Siemens], [Phoenix Contact], [Omron Automation], Panasonic [Industrial] и [Schneider Electric].
Изместване на фокуса
Двигателите и задвижванията са често срещани елементи в много индустриални системи за автоматизация. Като отправна точка за тази дискусия е полезно да се разбере къде ефективността на двигателя се вписва в по-широките съображения за ефективността на системата за промишлена автоматизация и как се е изместил фокусът.
Използването на по-ефективни двигатели може да спести до 6% енергия. Това е добре Въпреки това, добавянето на високоефективни устройства и поддържащи компоненти може да спести до 30% енергия.
Когато фокусът се измести към холистична системна оптимизация, се появяват истински промени в играта. Чрез разглеждане на всички механични компоненти и добавяне на комуникация за интегриране с индустриалния интернет на нещата (IIoT), обхващащ операционни и производствени нива, в крайна сметка достигане на корпоративни и облачни нива – могат да се постигнат спестявания до 60% в потреблението на енергия и по-висока енергийна производителност (Фигура 1).
Фигура 1: Подобрените нива на интеграция и комуникация могат да спестят повече енергия и да повишат производителността. (Източник на изображението: Siemens)Екодизайн на двигателни системи
IEC 61800-9 Част 2, „Екодизайн на двигателни системи – Определяне и класификация на енергийната ефективност“, може да служи като ключов ресурс. Той не се фокусира единствено върху ефективността на двигателя, но описва поредица от фактори за ефективност на по-високо ниво за "моторни задвижващи системи". VFD се считат за завършени задвижващи модули (CDM), включващи AC входна „захранваща секция“, „основен задвижващ модул“ (BDM) като самия VFD и „спомагателно оборудване“, включително входно/изходни филтри, линейни дросели и други поддържащи компоненти.
Стандартът допълнително дефинира Power Drive System (PDS) като CDM плюс двигател. Впоследствие той описва двигателна система като PDS плюс оборудване за управление на двигателя, като контактори.
Най-високото ниво е разширеният продукт или цялостната система на фигура 1, която добавя механично задвижващо оборудване като скоростни кутии и товарни машини. За по-подробно разбиране на стандарта за ефективност на IEC 61800-9-2 PDS вижте статията „[Какви са различните типове индустриални моторни задвижвания с променлива скорост?]“.
Отправната точка за определяне на "моторна задвижваща система" е самият двигател.
Моторни съображения
Когато са правилно определени и използвани, двигателите могат да бъдат високоефективни машини. Това прави избора на двигател критична задача за дизайнерите на машини.
IEC определя мощността на двигателя в киловати (kW), докато NEMA използва конски сили (hp), което прави пряката еквивалентност проста. Въпреки това IEC и NEMA използват различни изчисления на ефективността; за идентични конструкции на мотори, ефективността на табелката на IEC може леко да надвишава оценките на NEMA.
Действителната ефективност на двигателя е тясно свързана със специфични приложения. Следователно, стандартите за ефективност на двигателя обикновено се обсъждат от гледна точка на намалени загуби на енергия, а не като абсолютни стойности на ефективност.
IEC 60034-30-1 признава пет класа на ефективност на двигателя, вариращи от IE1 до IE5. Загубите на енергия намаляват с 20% между последователните класове. Това означава, че двигател IE5 "Ultra Premium" показва 20% по-ниски загуби от двигател IE4 "Super Premium". Допълнителни фактори заслужават внимание. При определени сценарии двигателите с по-висока ефективност може да показват намален фактор на мощността (PF).
В Северна Америка оценките за енергийна ефективност на NEMA са по-рядко срещани, но също толкова важни. NEMA признава Motor Service Factor (SF), който не е включен в стандартите на IEC. Двигател NEMA с SF от 1,15 може да работи непрекъснато при 115% от номиналния си капацитет, въпреки че това води до по-високи работни температури на двигателя, което води до намален живот на лагерите и изолацията.
IEC идентифицира десет работни типа или сервизни фактори (S1 до S10) въз основа на съображения като непрекъсната срещу прекъсваща работа, промяна на скоростта и използване на спирачките, а не SF.
NEMA и IEC се различават по своите диапазони на напрежение и честота, но и двете се изразяват в количества "на единица" (pu). В системата pu количествата са представени като части от базова стойност. NEMA идентифицира серия от напрежения и честоти на двигателя. IEC идентифицира две "зони" (Фигура 2).
Фигура 2: Сравнение на NEMA и IEC промишлени AC напрежение и честотни диапазони. (Източник на изображението: NEMA)
Подобряване на ефективността на PDS
Моторните задвижвания са ключови компоненти за ефективността на PDS, както е определено в IEC 61800-9-2. Те могат да бъдат категоризирани по различни начини, като напрежение на двигателя, ниво на мощност, тип движение, поддържани приложения и др. Типовете движение могат да бъдат класифицирани като непрекъснати или прекъснати. Въз основа на необходимата максимална изходна мощност, те могат да бъдат допълнително разделени на категории с ниска производителност, средна производителност и висока производителност.
Различните типове устройства поддържат различни системни изисквания. Серво задвижванията и двигателите са много подходящи за приложения като роботика, изискващи бързо ускорение, забавяне и прецизно позициониране. Устройствата за плавно пускане са идеални за непрекъсната работа, като например конвейери, които се възползват от плавно стартиране и спиране. VFD се използват широко в различни индустриални машини.
Някои VFD продуктови линии са оптимизирани за операции като изпомпване, вентилация, компресия, мобилни приложения или машинна обработка. Задвижванията с общо предназначение от серията SINAMICS G120 на Siemens са с мощност от 0,55 до 250 kW (0,75 до 400 к.с.) и са подходящи за общи индустриални приложения в автомобилната, текстилната и опаковъчната промишленост.
Модел [6SL32203YE340UF0] работи с трифазно захранване с диапазон на входното напрежение от 380 до 480 Vac ±10% / -20%. В Европа двигателите с номинална мощност от 22 до 30 kW са определени за работа при 400 V, докато в Северна Америка двигателите с номинална мощност от 30 до 40 к.с. са предназначени за 480 V (Фигура 3).
Фигура 3: Този VFD може да се използва с двигатели с мощност от 22 до 30 kW, в зависимост от работното напрежение. (Източник на изображението: DigiKey)
VFD не са единственият ключ към ефективния дизайн на PDS. Статията „[Какви поддържащи продукти са необходими за максимизиране на въздействието от използването на VFD и VSD? – Част 1]“ прави преглед на някои основни поддържащи компоненти.
Комуникация и системна оптимизация
Въпреки че двигателите и задвижванията се намират на първо или полево ниво на фабричния етаж, те не са най-ниското ниво в комуникационната йерархия на Industry 4.0. Тази позиция принадлежи към функции от ниво 0 като сензори и задвижващи механизми. Освен това съществуват множество нива над нивото на полето. За да се увеличи максимално цялостната ефективност, производителност и устойчивост на индустрия 4.0, навременната и ефективна комуникация от комуникационната йерархия към облака е от съществено значение. Следните протоколи улесняват облачната свързаност:
- uOPC PubSub Bridge интегрира множество потоци от данни за операционна технология (OT).
- MOTT Broker получава съобщения и ги препраща към потребителите въз основа на темите на съобщенията.
Ниво 1 обхваща повече от просто задвижвания и двигатели. Fieldbus Master Units (FMU) улесняват комуникацията и опростяват интегрирането на задвижвания и други устройства. FMU поддържат различни протоколи, включително PROFINET, PROFIBUS, DeviceNet, CANopen и други. Използването на FMU позволява свързване, независимо от производителя.
Моделът [AFP7NPFNM] на Panasonic е PROFINET FMU. Той разполага с интегрирана функционална библиотека със софтуер за програмиране, което значително намалява времето за разработка на конкретни приложни решения.
Сензори, изпълнителни механизми и ниво на безопасност 0
За да се максимизират енергийните спестявания на PDS в VFD, свързаността трябва да бъде намалена до ниво 0. Интегрирането на сензори, задвижващи механизми и устройства за безопасност като светлинни завеси на ниво 0 значително повишава ефективността, постигайки икономии на енергия над 30%.
Общите протоколи за свързване на функции от ниво 0 включват DeviceNet, HART, Modbus и IO-Link. IO-Link е протокол от точка до точка, свързващ сензори и изпълнителни механизми с контролери от по-високо ниво. Предлага се както като кабелен, така и като безжичен стандарт, той все повече се внедрява в Industry 4.0 като рентабилна алтернатива.
[NX-ILM400 на Omron] IO-Link главните модули могат да смесват стандартен I/O с високоскоростен синхронен I/O. Стандартният цифров I/O предлага 16 връзки на модул, с опции, включващи:
- Четири 3-проводни сензора със захранване
- Осем 2-проводни контактни входа или изхода на задвижване
- Шестнадесет 1-проводни връзки за сензори и изпълнителни механизми, свързани към общо захранване
PDS ниво 2 и по-високо
Комуникацията на високо ниво подобрява операциите на място, но е от съществено значение за максимизиране на организационната ефективност и производителност. От Ниво 2 до Ниво 3 и 4 облакът изисква протоколи като Ethernet/IP, EtherCAT и Modbus TCP/IP.
Устройствата, използвани за установяване на тези връзки, включват програмируеми логически контролери (PLC) или индустриални персонални компютри (IPC). PLC са компютри, оптимизирани за индустриална автоматизация и контрол. В типичните приложения PLC следи входовете от машини и свързаните сензори, взема решения въз основа на своето програмиране и изпраща контролни изходи.
Въпреки че IPC могат да изпълняват функции, подобни на PLC, те са устройства с по-общо предназначение. Работейки с операционни системи като Linux или Windows, те имат достъп до по-широка гама от софтуерни инструменти и обикновено се свързват към HMI (въпреки че много PLC също се свързват към HMI). PLC обикновено са ориентирани към машината, докато IPC предлагат повече оперативни възможности.
Разликата между PLC и IPC е все по-размита. Например PLC [1069208] на Phoenix Contact работи с операционна система Linux. Подобно на традиционните PLC, той може да бъде програмиран с помощта на символна блок-схема (SFC), стълбовидна диаграма (LD), функционална блокова диаграма (FBD) и структуриран текст (ST). Той включва три независими Ethernet интерфейса и може да се свързва към PROFICLOUD.
Schneider Electric предлага [HMIBMIEA5DD1E01] IIoT Edge Box за приложения, които се възползват от възможностите на IPC. Този дизайн без вентилатор включва двуядрен процесор Intel Atom Apollo Lake E3930, работещ на 1,8 GHz. Той разполага с един mini PCIe слот за разширение и девет комуникационни порта.
Заключение
Тази статия очертава накратко някои насоки, които дизайнерите трябва да имат предвид, когато определят двигатели, задвижвания и комуникационни модули за инсталации на Industry 4.0. Той далеч не е изчерпателен. Целта му е да предостави храна за размисъл и някои ресурси за по-нататъшни изследвания.