Izbira optimalne opreme za industrijsko avtomatizacijo, kot so motorji, pogoni in komunikacijski moduli, zahteva posebno pozornost do podrobnosti. Severnoameriško nacionalno združenje proizvajalcev električne opreme (NEMA) in Evropska mednarodna komisija za elektrotehniko (IEC) kažeta na primer številne razlike v ocenah motorjev in pogonov.
Dejavniki, ki jih je treba upoštevati pri izbiri motorjev, pogonov in krmilnikov, vključujejo vhodne in izhodne napetosti ter tolerance, zahtevana območja hitrosti in potrebe po regulaciji, zahteve glede navora, pospeševanje, delovne cikle zaviranja, posebne zahteve, kot je hiter odziv ali odziv na navor, in okoljske dejavnike, vključno s toplotnim upravljanjem.
Komunikacijske zahteve se razlikujejo glede na položaj naprave v hierarhiji industrijskega nadzora. Na ravni, ki je najbližja robu tovarniške delavnice, je mogoče uporabiti protokole, kot je IO-Link, za pametne senzorje in aktuatorje, medtem ko EtherCAT, PROFINET, Modbus in drugi protokoli povezujejo sisteme gibanja, varnosti, V/I in sisteme za vid.
Najvišji sloj omrežij za avtomatizacijo tovarn običajno uporablja Ethernet/IP za povezovanje različnih krmilnikov za avtomatizacijo, programskih vmesnikov in oblaka, skupaj s protokoli, kot je DisplayPort za vmesnike človek-stroj (HMI). Med temi plastmi kombinacija protokolov Ethernet/IP, EtherCAT in drugih povezuje terensko raven delavnice z operativnimi in nadzornimi plastmi.
Podrobnosti je preveč, da bi jih celovito zajeli v eni sami razpravi. Namesto tega ta članek predstavlja več smernic, ki jih je treba upoštevati pri določanju motorjev, pogonov in komunikacijskih modulov, skupaj s primeri aplikacij, strojne opreme in protokolov [Siemens], [Phoenix Contact], [Omron Automation], Panasonic [Industrial] in [Schneider Electric].
Premik fokusa
Motorji in pogoni so običajni elementi v mnogih sistemih industrijske avtomatizacije. Kot izhodišče za to razpravo je koristno razumeti, kje se učinkovitost motorja ujema s širšimi premisleki o delovanju sistema industrijske avtomatizacije in kako se je fokus premaknil.
Z uporabo učinkovitejših motorjev lahko prihranite do 6 % energije. To je dobro. Vendar lahko dodajanje visoko{3}}učinkovitih pogonov in podpornih komponent prihrani do 30 % energije.
Ko se poudarek premakne na celostno optimizacijo sistema, se pojavijo-resnične spremembe. Z upoštevanjem vseh mehanskih komponent in dodajanjem komunikacije za integracijo z industrijskim internetom stvari (IIoT)-, ki zajema operativno in tovarniško raven, je mogoče doseči končno doseganje ravni podjetja in oblaka-prihranke do 60 % pri porabi energije in večjo energijsko produktivnost (slika 1).
Slika 1: Izboljšane ravni integracije in komunikacije lahko prihranijo več energije in povečajo produktivnost. (Vir slike: Siemens)Eko-zasnova motornih sistemov
IEC 61800-9, 2. del, "Eko-design motornih sistemov - Določitev in razvrstitev energetske učinkovitosti," je lahko ključni vir. Ne osredotoča se samo na učinkovitost motorja, ampak podrobno opisuje niz dejavnikov zmogljivosti na višji ravni za "motorne pogonske sisteme". VFD-ji se štejejo za popolne pogonske module (CDM), ki obsegajo vhodni "napajalni odsek", "osnovni pogonski modul" (BDM), kot je sam VFD, in "pomožno opremo", vključno z vhodnimi/izhodnimi filtri, linijskimi dušilkami in drugimi podpornimi komponentami.
Standard nadalje opredeljuje Power Drive System (PDS) kot CDM in motor. Kasneje opisuje motorni sistem kot PDS plus opremo za krmiljenje motorja, kot so kontaktorji.
Najvišja raven je razširjeni izdelek ali celoten sistem na sliki 1, ki dodaja mehansko pogonsko opremo, kot so menjalniki in tovorni stroji. Za podrobnejše razumevanje standarda učinkovitosti IEC 61800-9-2 PDS glejte članek »[Katere so različne vrste industrijskih motornih pogonov s spremenljivo hitrostjo?]«.
Izhodišče za določanje "motornega pogonskega sistema" je sam motor.
Premisleki glede motorja
Če so motorji pravilno določeni in uporabljeni, so lahko zelo učinkoviti stroji. Zaradi tega je izbira motorja kritična naloga za oblikovalce strojev.
IEC kvantificira moč motorja v kilovatih (kW), medtem ko NEMA uporablja konjske moči (hp), zaradi česar je neposredna enakovrednost enostavna. Vendar IEC in NEMA uporabljata različne izračune učinkovitosti; pri enakih zasnovah motorjev lahko izkoristek na tablici IEC nekoliko preseže ocene NEMA.
Dejanska učinkovitost motorja je tesno povezana s posebnimi aplikacijami. Zato se standardi učinkovitosti motorja običajno obravnavajo v smislu zmanjšanih izgub energije in ne glede na absolutne vrednosti učinkovitosti.
IEC 60034-30-1 priznava pet razredov učinkovitosti motorja, od IE1 do IE5. Izgube energije se med zaporednimi razredi zmanjšajo za 20 %. To pomeni, da ima motor IE5 "Ultra Premium" 20 % nižje izgube kot motor IE4 "Super Premium". Dodatne dejavnike je treba upoštevati. V nekaterih scenarijih imajo lahko motorji z višjim izkoristkom zmanjšan faktor moči (PF).
V Severni Ameriki so ocene energetske učinkovitosti NEMA manj pogoste, a enako pomembne. NEMA priznava Motor Service Factor (SF), ki ni vključen v standarde IEC. Motor NEMA s SF 1,15 lahko neprekinjeno deluje pri 115 % svoje nazivne zmogljivosti, čeprav to povzroči višje delovne temperature motorja, kar vodi do zmanjšane življenjske dobe ležajev in izolacije.
IEC opredeljuje deset vrst delovanja ali faktorjev storitev (S1 do S10) na podlagi premislekov, kot so neprekinjeno delovanje v primerjavi s prekinitvami, spreminjanje hitrosti in uporaba zavor, namesto SF.
NEMA in IEC se razlikujeta po svojih napetostnih in frekvenčnih območjih, vendar sta oba izražena v količinah "na enoto" (pu). V sistemu pu so količine predstavljene kot ulomki osnovne vrednosti. NEMA identificira vrsto napetosti in frekvenc motorja. IEC identificira dve "coni" (slika 2).
Slika 2: Primerjava industrijskih AC napetostnih in frekvenčnih razponov NEMA in IEC. (Vir slike: NEMA)
Izboljšanje učinkovitosti PDS
Motorni pogoni so ključne komponente za učinkovitost PDS, kot je opredeljeno v IEC 61800-9-2. Kategoriziramo jih lahko na različne načine, kot so napetost motorja, raven moči, vrsta gibanja, podprte aplikacije in drugo. Vrste gibanja lahko razvrstimo kot neprekinjene ali prekinjene. Glede na zahtevano največjo izhodno moč jih lahko nadalje razdelimo v nizko-zmogljive, srednje zmogljive in visoko zmogljive kategorije.
Različne vrste pogonov podpirajo različne sistemske zahteve. Servo pogoni in motorji so-primerni za aplikacije, kot je robotika, ki zahtevajo hitro pospeševanje, zaviranje in natančno pozicioniranje. Mehki zaganjalniki so idealni za neprekinjeno delovanje, kot so tekoči trakovi, ki imajo koristi od gladkih zagonov in zaustavitev. VFD se pogosto uporabljajo v različnih industrijskih strojih.
Določene linije izdelkov VFD so optimizirane za operacije, kot so črpanje, prezračevanje, stiskanje, mobilne aplikacije ali strojna obdelava. Pogoni za splošno uporabo serije Siemens SINAMICS G120-so ocenjeni z močjo od 0,55 do 250 kW (0,75 do 400 KM) in so primerni za splošne industrijske aplikacije v avtomobilski, tekstilni in embalažni industriji.
Model [6SL32203YE340UF0] deluje na tri-fazno napajanje z razponom vhodne napetosti od 380 do 480 Vac ±10% / -20%. V Evropi so motorji z nazivno močjo 22 do 30 kW določeni za delovanje 400 V, medtem ko so v Severni Ameriki motorji z nazivno močjo 30 do 40 KM ocenjeni na 480 V (slika 3).
Slika 3: Ta VFD se lahko uporablja z motorji nazivne moči od 22 do 30 kW, odvisno od delovne napetosti. (Vir slike: DigiKey)
VFD niso edini ključ do učinkovite zasnove PDS. Članek »[Kateri podporni izdelki so potrebni za povečanje učinka uporabe VFD in VSD? - 1. del]« prikazuje nekatere bistvene podporne komponente.
Komunikacija in optimizacija sistema
Čeprav se motorji in pogoni nahajajo na prvi ali terenski ravni tovarne, niso najnižja plast v komunikacijski hierarhiji industrije 4.0. Ta položaj spada med funkcije stopnje 0, kot so senzorji in aktuatorji. Poleg tega obstaja več ravni nad nivojem polja. Za povečanje splošne učinkovitosti, produktivnosti in trajnosti obrata Industrije 4.0 je ključnega pomena pravočasna in učinkovita komunikacija iz komunikacijske hierarhije v oblak. Naslednji protokoli omogočajo povezljivost v oblaku:
- uOPC PubSub Bridge združuje več podatkovnih tokov operativne tehnologije (OT).
- MOTT Broker sprejema sporočila in jih posreduje uporabnikom glede na teme sporočil.
Raven 1 zajema več kot le pogone in motorje. Glavne enote Fieldbus (FMU) olajšajo komunikacijo in poenostavijo integracijo pogonov in drugih naprav. FMU podpirajo različne protokole, vključno s PROFINET, PROFIBUS, DeviceNet, CANopen in drugimi. Uporaba FMU omogoča povezljivost,-neodvisno od proizvajalca.
Panasonicov model [AFP7NPFNM] je PROFINET FMU. Vsebuje integrirano knjižnico funkcij s programsko opremo za programiranje, kar znatno skrajša čas razvoja za specifične aplikacijske rešitve.
Senzorji, aktuatorji in varnostna raven 0
Da bi povečali prihranke energije PDS v VFD-jih, je treba povezljivost zmanjšati na raven 0. Integracija senzorjev, aktuatorjev in varnostnih naprav, kot so svetlobne zavese, na ravni 0 znatno poveča učinkovitost in doseže prihranke energije, ki presegajo 30 %.
Pogosti protokoli za povezovanje funkcij ravni 0 vključujejo DeviceNet, HART, Modbus in IO-Link. IO-Link je protokol od točke-do-točke, ki povezuje senzorje in aktuatorje s krmilniki-višje ravni. Na voljo je tako v žičnem kot v brezžičnem standardu, zato se vse pogosteje uporablja v industriji 4.0 kot stroškovno{9}}učinkovita alternativa.
[Omron NX-ILM400] IO-Master enote povezave lahko kombinirajo standardni V/I z visoko-hitrostnim sinhronim V/I. Standardni digitalni V/I ponuja 16 povezav na enoto z možnostmi, ki vključujejo:
- Štirje 3-žilni senzorji z napajanjem
- Osem 2-žilnih kontaktnih vhodov ali aktuatorskih izhodov
- Šestnajst 1-žičnih povezav za senzorje in aktuatorje, povezane na skupno napajanje
PDS Level 2 in višje
Komunikacija-na visoki ravni izboljša delovanje na terenu, vendar je bistvenega pomena za povečanje organizacijske učinkovitosti in produktivnosti. Od ravni 2 do ravni 3 in 4 oblak zahteva protokole, kot so Ethernet/IP, EtherCAT in Modbus TCP/IP.
Naprave, ki se uporabljajo za vzpostavitev teh povezav, vključujejo programabilne logične krmilnike (PLC) ali industrijske osebne računalnike (IPC). PLC-ji so računalniki, optimizirani za industrijsko avtomatizacijo in nadzor. V tipičnih aplikacijah PLC spremlja vhode iz strojev in povezanih senzorjev, sprejema odločitve na podlagi svojega programiranja in pošilja krmilne izhode.
Čeprav lahko IPC-ji izvajajo funkcije,-podobne PLC-jem, so-naprave za splošnejši namen. Z operacijskimi sistemi, kot sta Linux ali Windows, dostopajo do širšega nabora programskih orodij in se običajno povezujejo s HMI-ji (čeprav se veliko PLC-jev povezuje tudi s HMI-ji). PLC-ji so običajno osredotočeni-na stroje, medtem ko IPC-ji ponujajo več operativnih zmogljivosti.
Razlika med PLC-ji in IPC-ji je vedno bolj zabrisana. PLC družbe Phoenix Contact [1069208] na primer poganja operacijski sistem Linux. Tako kot tradicionalne PLC-je ga je mogoče programirati z uporabo simbolnega diagrama poteka (SFC), lestvičnega diagrama (LD), diagrama funkcijskega bloka (FBD) in strukturiranega besedila (ST). Vključuje tri neodvisne vmesnike Ethernet in se lahko poveže s PROFICLOUD.
Schneider Electric ponuja [HMIBMIEA5DD1E01] IIoT Edge Box za aplikacije, ki izkoriščajo zmogljivosti IPC. Ta zasnova brez ventilatorja vključuje dvojedrni-procesor Intel Atom Apollo Lake E3930, ki deluje pri 1,8 GHz. Vsebuje eno mini PCIe razširitveno režo in devet komunikacijskih vrat.
Zaključek
Ta članek na kratko opisuje nekatere smernice, ki bi jih oblikovalci morali upoštevati pri določanju motorjev, pogonov in komunikacijskih modulov za instalacije industrije 4.0. Še zdaleč ni izčrpen. Njegov namen je zagotoviti hrano za razmišljanje in nekaj virov za nadaljnje raziskave.