Výběr optimálního vybavení průmyslové automatizace, jako jsou motory, pohony a komunikační moduly, vyžaduje pečlivou pozornost k detailům. Například Severoamerická národní asociace elektrických výrobců (NEMA) a Evropská mezinárodní elektrotechnická komise (IEC) vykazují četné rozdíly v hodnocení motoru a měniče.
Mezi faktory, které je třeba vzít v úvahu při výběru motorů, pohonů a ovladačů, patří vstupní a výstupní napětí a tolerance, požadované rozsahy otáček a potřeby regulace, požadavky na točivý moment, zrychlení, pracovní cykly brzdění, speciální požadavky, jako je rychlá odezva nebo momentová odezva, a faktory prostředí včetně tepelného managementu.
Požadavky na komunikaci se liší podle pozice zařízení v hierarchii průmyslového řízení. Na vrstvě, která je nejblíže k hranici továrny, lze pro chytré senzory a akční členy použít protokoly jako IO{1}}Link, zatímco protokoly EtherCAT, PROFINET, Modbus a další propojují pohybové, bezpečnostní, I/O a systémy vidění.
Nejvyšší vrstva továrních automatizačních sítí obvykle využívá Ethernet/IP k připojení různých automatizačních řadičů, programovacích rozhraní a cloudu spolu s protokoly, jako je DisplayPort pro rozhraní HMI (Human{0}}Machine Interface). Mezi těmito vrstvami kombinace Ethernet/IP, EtherCAT a dalších protokolů propojuje úroveň provozu dílny s provozními a řídicími vrstvami.
Podrobnosti jsou příliš četné na to, aby je bylo možné obsáhnout v jediné diskusi. Místo toho tento článek uvádí několik pokynů, které je třeba vzít v úvahu při specifikaci motorů, pohonů a komunikačních modulů, spolu s příklady aplikací, hardwaru a protokolů od [Siemens], [Phoenix Contact], [Omron Automation], Panasonic [Industrial] a [Schneider Electric].
Posun zaměření
Motory a pohony jsou běžnými prvky mnoha průmyslových automatizačních systémů. Jako výchozí bod pro tuto diskusi je užitečné porozumět tomu, kam účinnost motoru zapadá do širších úvah o výkonu systému průmyslové automatizace a jak se zaměření posunulo.
Použití účinnějších motorů může ušetřit až 6 % energie. To je dobře. Přidáním vysoce účinných disků a podpůrných komponent však lze ušetřit až 30 % energie.
Když se pozornost přesune na holistickou optimalizaci systému, objeví se opravdoví herní{0}}změny. Zvážením všech mechanických komponent a přidáním komunikace k integraci s průmyslovým internetem věcí (IIoT)-pokrývajícím provozní a výrobní úrovně lze v konečném důsledku dosáhnout úrovně podniku a cloudu-úspory energie až 60 % a vyšší energetické produktivity (obrázek 1).
Obrázek 1: Vylepšená úroveň integrace a komunikace může ušetřit více energie a zvýšit produktivitu. (Zdroj obrázku: Siemens)Ekologický-design motorových systémů
IEC 61800-9 Část 2, „Eko-návrh motorových systémů - Stanovení a klasifikace energetické účinnosti“, může sloužit jako klíčový zdroj. Nezaměřuje se pouze na účinnost motoru, ale podrobně popisuje řadu výkonnostních faktorů vyšší úrovně pro „systémy pohonu motoru“. VFD jsou považovány za kompletní moduly pohonu (CDM), které obsahují střídavý vstupní „přívodní úsek“, „základní modul pohonu“ (BDM), jako je samotný VFD, a „pomocné zařízení“ včetně vstupních/výstupních filtrů, síťových tlumivek a dalších podpůrných komponent.
Norma dále definuje Power Drive System (PDS) jako CDM plus motor. Následně popisuje motorový systém jako PDS plus zařízení pro řízení motoru, jako jsou stykače.
Nejvyšší úrovní je rozšířený produkt nebo celkový systém na obrázku 1, který přidává mechanické hnací zařízení, jako jsou převodovky a zátěžové stroje. Pro podrobnější pochopení normy účinnosti IEC 61800-9-2 PDS viz článek "[Jaké jsou různé typy průmyslových motorových pohonů s proměnnou rychlostí?]".
Výchozím bodem pro specifikaci "systému pohonu motoru" je samotný motor.
Úvahy o motoru
Při správné specifikaci a používání mohou být motory vysoce účinnými stroji. Díky tomu je výběr motoru pro konstruktéry strojů kritickým úkolem.
IEC kvantifikuje výkon motoru v kilowattech (kW), zatímco NEMA používá výkon v koňských silách (hp), díky čemuž je přímá ekvivalence přímočará. IEC a NEMA však používají různé výpočty účinnosti; u identických konstrukcí motorů může účinnost na typovém štítku IEC mírně překročit hodnoty NEMA.
Skutečná účinnost motoru je úzce svázána s konkrétními aplikacemi. V důsledku toho jsou standardy účinnosti motoru typicky diskutovány spíše z hlediska snížených energetických ztrát než hodnot absolutní účinnosti.
IEC 60034-30-1 rozeznává pět tříd účinnosti motoru v rozsahu od IE1 do IE5. Energetické ztráty se mezi po sobě jdoucími třídami snižují o 20 %. To znamená, že motor IE5 "Ultra Premium" vykazuje o 20 % nižší ztráty než motor IE4 "Super Premium". Další faktory vyžadují zvážení. V určitých scénářích mohou motory s vyšší účinností vykazovat snížený účiník (PF).
V Severní Americe jsou hodnocení energetické účinnosti NEMA méně běžné, ale stejně důležité. NEMA uznává Motor Service Factor (SF), který není součástí norem IEC. Motor NEMA s SF 1,15 může nepřetržitě pracovat na 115 % své jmenovité kapacity, ačkoli to má za následek vyšší provozní teploty motoru, což vede ke snížení životnosti ložisek a izolace.
IEC identifikuje deset provozních typů nebo provozních faktorů (S1 až S10) na základě úvah, jako je nepřetržitý versus přerušovaný provoz, kolísání rychlosti a použití brzd, spíše než SF.
NEMA a IEC se liší rozsahem napětí a frekvence, ale oba jsou vyjádřeny v množstvích „na jednotku“ (pu). V systému pu jsou množství reprezentována jako zlomky základní hodnoty. NEMA identifikuje řadu napětí a frekvencí motoru. IEC identifikuje dvě "zóny" (obrázek 2).
Obrázek 2: Porovnání NEMA a IEC průmyslového střídavého napětí a frekvenčního rozsahu. (Zdroj obrázku: NEMA)
Zvýšení účinnosti PDS
Motorové pohony jsou klíčové komponenty pro účinnost PDS, jak je definováno v IEC 61800-9-2. Mohou být kategorizovány různými způsoby, jako je napětí motoru, úroveň výkonu, typ pohybu, podporované aplikace a další. Typy pohybu lze klasifikovat jako spojité nebo nespojité. Na základě požadovaného maximálního výkonu je lze dále rozdělit na kategorie s nízkým-výkonem, středním výkonem a vysokým výkonem.
Různé typy pohonů podporují různé systémové požadavky. Servopohony a motory-se dobře hodí pro aplikace, jako je robotika vyžadující rychlé zrychlení, zpomalení a přesné polohování. Softstartéry jsou ideální pro nepřetržitý provoz, jako jsou dopravníky s plynulými starty a zastaveními. VFD jsou široce používány v různých průmyslových strojích.
Některé produktové řady VFD jsou optimalizovány pro operace, jako je čerpání, ventilace, komprese, mobilní aplikace nebo obrábění. Univerzální měniče řady Siemens SINAMICS G120- mají výkon od 0,55 do 250 kW (0,75 až 400 k) a jsou vhodné pro obecné průmyslové aplikace v automobilovém, textilním a obalovém průmyslu.
Model [6SL32203YE340UF0] pracuje na třífázovém napájení s rozsahem vstupního napětí 380 až 480 Vac ±10 % / -20 %. V Evropě jsou motory o výkonu 22 až 30 kW určeny pro provoz 400 V, zatímco v Severní Americe jsou motory o výkonu 30 až 40 hp určeny pro 480 V (obrázek 3).
Obrázek 3: Tento VFD lze použít s motory o jmenovitém výkonu od 22 do 30 kW, v závislosti na provozním napětí. (Zdroj obrázku: DigiKey)
VFD nejsou jediným klíčem k efektivnímu návrhu PDS. Článek „[Jaké podpůrné produkty jsou potřeba k maximalizaci dopadu používání VFD a VSD? - Část 1]“ shrnuje některé základní podpůrné komponenty.
Komunikace a optimalizace systému
Přestože motory a pohony jsou umístěny na první nebo provozní úrovni továrny, nejsou nejnižší vrstvou v komunikační hierarchii Průmyslu 4.0. Tato pozice patří k funkcím úrovně 0, jako jsou senzory a akční členy. Kromě toho existuje několik úrovní nad úrovní pole. Pro maximalizaci celkové efektivity, produktivity a udržitelnosti závodu Průmyslu 4.0 je nezbytná včasná a efektivní komunikace z komunikační hierarchie do cloudu. Následující protokoly usnadňují cloudové připojení:
- uOPC PubSub Bridge integruje více datových toků provozních technologií (OT).
- MOTT Broker přijímá zprávy a přeposílá je uživatelům na základě témat zpráv.
Úroveň 1 zahrnuje více než jen pohony a motory. Fieldbus Master Units (FMU) usnadňují komunikaci a zjednodušují integraci pohonů a dalších zařízení. FMU podporují různé protokoly včetně PROFINET, PROFIBUS, DeviceNet, CANopen a dalších. Použití FMU umožňuje-nezávislé na výrobci.
Model [AFP7NPFNM] společnosti Panasonic je PROFINET FMU. Obsahuje integrovanou knihovnu funkcí s programovacím softwarem, což výrazně zkracuje dobu vývoje pro konkrétní aplikační řešení.
Senzory, akční členy a úroveň bezpečnosti 0
Chcete-li maximalizovat úspory energie PDS ve VFD, musí být konektivita snížena na úroveň 0. Integrace senzorů, akčních členů a bezpečnostních zařízení, jako jsou světelné závory, na úrovni 0 výrazně zvyšuje účinnost a dosahuje úspory energie přesahující 30 %.
Mezi běžné protokoly pro připojení funkcí úrovně 0 patří DeviceNet, HART, Modbus a IO-Link. IO-Link je bodový-protokol{5}}propojující senzory a akční členy s řídicími-úrovněmi vyšší úrovně. Je k dispozici jako kabelové i bezdrátové standardy a je stále více nasazován v Průmyslu 4.0 jako nákladově-efektivní alternativa.
[Omron's NX-ILM400] IO-Masterové jednotky propojení mohou kombinovat standardní I/O s vysokorychlostními-synchronními I/O. Standardní digitální I/O nabízí 16 připojení na jednotku s volitelnými možnostmi:
- Čtyři 3vodičové senzory s napájením
- Osm 2-vodičových kontaktních vstupů nebo akčních výstupů
- Šestnáct 1-vodičových připojení pro senzory a akční členy připojené ke společnému napájení
PDS Level 2 a vyšší
Komunikace na vysoké{0}}úrovni zlepšuje operace v terénu, ale je nezbytná pro maximalizaci efektivity a produktivity organizace. Od úrovně 2 po úrovně 3 a 4 vyžaduje cloud protokoly jako Ethernet/IP, EtherCAT a Modbus TCP/IP.
Mezi zařízení používaná k navázání těchto spojení patří programovatelné logické řídicí jednotky (PLC) nebo průmyslové osobní počítače (IPC). PLC jsou počítače optimalizované pro průmyslovou automatizaci a řízení. V typických aplikacích PLC monitoruje vstupy ze strojů a souvisejících senzorů, rozhoduje se na základě svého naprogramování a posílá řídicí výstupy.
IPC mohou vykonávat funkce podobné PLC -, jsou to však zařízení pro -obecnější účely. S operačními systémy jako Linux nebo Windows mají přístup k širší řadě softwarových nástrojů a obvykle se připojují k HMI (ačkoli mnoho PLC se také připojuje k HMI). PLC bývají zaměřené na stroje-, zatímco IPC nabízejí více provozních možností.
Rozdíl mezi PLC a IPC se stále více stírá. Například PLC [1069208] společnosti Phoenix Contact provozuje operační systém Linux. Stejně jako tradiční PLC jej lze programovat pomocí symbolického vývojového diagramu (SFC), kontaktního schématu (LD), diagramu funkčního bloku (FBD) a strukturovaného textu (ST). Obsahuje tři nezávislá ethernetová rozhraní a lze jej připojit k PROFICLOUD.
Schneider Electric nabízí [HMIBMIEA5DD1E01] IIoT Edge Box pro aplikace využívající možnosti IPC. Tento design bez ventilátoru obsahuje dvoujádrový-jádrový procesor Intel Atom Apollo Lake E3930 pracující na frekvenci 1,8 GHz. Je vybaven jedním rozšiřujícím slotem mini PCIe a devíti komunikačními porty.
Závěr
Tento článek stručně popisuje některé pokyny, které by návrháři měli vzít v úvahu při specifikaci motorů, pohonů a komunikačních modulů pro instalace Průmyslu 4.0. Není zdaleka vyčerpávající. Jeho účelem je poskytnout podněty k zamyšlení a určité zdroje pro další výzkum.