Výber optimálneho vybavenia priemyselnej automatizácie, ako sú motory, pohony a komunikačné moduly, si vyžaduje starostlivú pozornosť k detailom. Napríklad Severoamerická asociácia národných elektrických výrobcov (NEMA) a Európska medzinárodná elektrotechnická komisia (IEC) vykazujú početné rozdiely v hodnotách motora a pohonu.
Faktory, ktoré treba zvážiť pri výbere motorov, pohonov a ovládačov, zahŕňajú vstupné a výstupné napätie a tolerancie, požadované rozsahy otáčok a potreby regulácie, požiadavky na krútiaci moment, zrýchlenie, pracovné cykly brzdenia, špeciálne požiadavky, ako je rýchla odozva alebo krútiaci moment, a faktory prostredia vrátane tepelného manažmentu.
Požiadavky na komunikáciu sa líšia v závislosti od pozície zariadenia v rámci hierarchie priemyselného riadenia. Na vrstve, ktorá je najbližšie k okraju továrne, je možné použiť protokoly ako IO-Link pre inteligentné senzory a akčné členy, zatiaľ čo EtherCAT, PROFINET, Modbus a ďalšie protokoly spájajú pohybové, bezpečnostné, I/O a systémy videnia.
Najvyššia vrstva továrenských automatizačných sietí zvyčajne využíva Ethernet/IP na pripojenie rôznych automatizačných radičov, programovacích rozhraní a cloudu spolu s protokolmi ako DisplayPort pre rozhrania HMI (Human{0}}Machine Interfaces). Medzi týmito vrstvami kombinácia Ethernet/IP, EtherCAT a ďalších protokolov spája úroveň prevádzky dielne s prevádzkovou a riadiacou vrstvou.
Podrobnosti sú príliš početné na to, aby ich komplexne pokryla jedna diskusia. Namiesto toho tento článok predstavuje niekoľko pokynov, ktoré je potrebné zvážiť pri špecifikácii motorov, pohonov a komunikačných modulov, spolu s príkladmi aplikácií, hardvéru a protokolov od spoločností [Siemens], [Phoenix Contact], [Omron Automation], Panasonic [Industrial] a [Schneider Electric].
Posun zaostrenia
Motory a pohony sú bežnými prvkami mnohých systémov priemyselnej automatizácie. Ako východiskový bod pre túto diskusiu je užitočné pochopiť, kde sa účinnosť motora zapadá do širších úvah o výkonnosti systému priemyselnej automatizácie a ako sa posunulo zameranie.
Použitie účinnejších motorov môže ušetriť až 6 % energie. to je dobre. Pridaním vysokoúčinných pohonov a podporných komponentov však môžete ušetriť až 30 % energie.
Keď sa pozornosť presunie na holistickú optimalizáciu systému, objavia sa skutoční{0}}meniči hry. Po zvážení všetkých mechanických komponentov a pridaním komunikácie na integráciu s priemyselným internetom vecí (IIoT)-presahujúcim prevádzkovú a závodnú úroveň, v konečnom dôsledku dosiahnutím podnikovej a cloudovej úrovne-je možné dosiahnuť až 60 % úsporu spotreby energie a vyššiu energetickú produktivitu (obrázok 1).
Obrázok 1: Vylepšená úroveň integrácie a komunikácie môže ušetriť viac energie a zvýšiť produktivitu. (Zdroj obrázkov: Siemens)Ekologický-dizajn motorových systémov
IEC 61800-9 Časť 2, „Eko-dizajn motorových systémov - Stanovenie a klasifikácia energetickej účinnosti“, môže slúžiť ako kľúčový zdroj. Nezameriava sa len na účinnosť motora, ale podrobne popisuje sériu výkonnostných faktorov vyššej úrovne pre „systémy pohonu motora“. VFD sa považujú za kompletné moduly pohonu (CDM), ktoré zahŕňajú vstupnú časť striedavého prúdu, „základný modul pohonu“ (BDM), ako je samotný VFD, a „pomocné zariadenie“ vrátane vstupných/výstupných filtrov, sieťových tlmiviek a iných podporných komponentov.
Norma ďalej definuje Power Drive System (PDS) ako CDM plus motor. Následne popisuje motorový systém ako PDS plus zariadenie na riadenie motora, ako sú stykače.
Najvyššou úrovňou je rozšírený produkt alebo celkový systém na obrázku 1, ktorý pridáva mechanické hnacie zariadenia, ako sú prevodovky a zaťažovacie stroje. Podrobnejšie pochopenie normy účinnosti IEC 61800-9-2 PDS nájdete v článku „[Aké sú rôzne typy priemyselných motorových pohonov s premenlivou rýchlosťou?]“.
Východiskovým bodom pre špecifikáciu "systému pohonu motora" je samotný motor.
Úvahy o motore
Pri správnej špecifikácii a používaní môžu byť motory vysoko efektívne stroje. To robí výber motora kritickou úlohou pre konštruktérov strojov.
IEC kvantifikuje výkon motora v kilowattoch (kW), zatiaľ čo NEMA používa konské sily (hp), vďaka čomu je priama ekvivalencia jednoduchá. Avšak IEC a NEMA používajú rôzne výpočty účinnosti; pri identických konštrukciách motorov môže účinnosť na typovom štítku IEC mierne prekročiť hodnoty NEMA.
Skutočná účinnosť motora je úzko spätá so špecifickými aplikáciami. V dôsledku toho sú normy účinnosti motora zvyčajne diskutované z hľadiska znížených strát energie, a nie hodnôt absolútnej účinnosti.
IEC 60034-30-1 rozpoznáva päť tried účinnosti motora v rozsahu od IE1 do IE5. Energetické straty sa medzi nasledujúcimi triedami znížia o 20 %. To znamená, že motor IE5 „Ultra Premium“ vykazuje o 20 % nižšie straty ako motor IE4 „Super Premium“. Dodatočné faktory vyžadujú zváženie. V určitých scenároch môžu motory s vyššou účinnosťou vykazovať znížený účinník (PF).
V Severnej Amerike sú hodnotenia energetickej účinnosti NEMA menej bežné, ale rovnako dôležité. NEMA uznáva motorový servisný faktor (SF), ktorý nie je zahrnutý v normách IEC. Motor NEMA s SF 1,15 môže nepretržite pracovať pri 115 % svojej menovitej kapacity, hoci to vedie k vyšším prevádzkovým teplotám motora, čo vedie k zníženiu životnosti ložísk a izolácie.
IEC identifikuje desať prevádzkových typov alebo prevádzkových faktorov (S1 až S10) na základe úvah, ako je nepretržitá verzus prerušovaná prevádzka, kolísanie rýchlosti a používanie bŕzd, a nie SF.
NEMA a IEC sa líšia rozsahom napätia a frekvencie, ale obe sú vyjadrené v množstvách „na jednotku“ (pu). V systéme pu sú množstvá reprezentované ako zlomky základnej hodnoty. NEMA identifikuje sériu napätí a frekvencií motora. IEC identifikuje dve "zóny" (obrázok 2).
Obrázok 2: Porovnanie NEMA a IEC priemyselného striedavého napätia a frekvenčného rozsahu. (Zdroj obrázka: NEMA)
Zvýšenie účinnosti PDS
Motorové pohony sú kľúčovými komponentmi pre účinnosť PDS, ako je definované v IEC 61800-9-2. Môžu byť kategorizované rôznymi spôsobmi, ako je napätie motora, úroveň výkonu, typ pohybu, podporované aplikácie a ďalšie. Typy pohybu možno klasifikovať ako nepretržité alebo nespojité. Na základe požadovaného maximálneho výkonu ich možno ďalej rozdeliť do kategórií s nízkym{5}}výkonom, stredným výkonom a vysokým výkonom.
Rôzne typy pohonov podporujú odlišné systémové požiadavky. Servopohony a motory sú-vhodné pre aplikácie, ako je robotika vyžadujúca rýchle zrýchlenie, spomalenie a presné polohovanie. Softštartéry sú ideálne pre nepretržitú prevádzku, ako sú dopravníky, ktoré využívajú hladké štarty a zastavenia. VFD sa široko používajú v rôznych priemyselných strojoch.
Niektoré produktové rady VFD sú optimalizované pre operácie, ako je čerpanie, ventilácia, kompresia, mobilné aplikácie alebo obrábanie. Univerzálne pohony Siemens radu SINAMICS G120-majú výkon od 0,55 do 250 kW (0,75 až 400 k) a sú vhodné pre všeobecné priemyselné aplikácie v automobilovom, textilnom a baliarenskom priemysle.
Model [6SL32203YE340UF0] pracuje na trojfázovom napájaní s rozsahom vstupného napätia 380 až 480 Vac ±10 % / -20 %. V Európe sú motory s výkonom 22 až 30 kW špecifikované pre prevádzku 400 V, zatiaľ čo v Severnej Amerike sú motory s výkonom 30 až 40 k určené pre 480 V (obrázok 3).
Obrázok 3: Tento VFD možno použiť s motormi s menovitým výkonom od 22 do 30 kW, v závislosti od prevádzkového napätia. (Zdroj obrázka: DigiKey)
VFD nie sú jediným kľúčom k efektívnemu návrhu PDS. Článok „[Aké podporné produkty sú potrebné na maximalizáciu vplyvu používania VFD a VSD? - Časť 1]“ obsahuje prehľad niektorých základných podporných komponentov.
Komunikácia a optimalizácia systému
Hoci sa motory a pohony nachádzajú na prvej alebo poľnej úrovni továrne, nie sú najnižšou vrstvou v komunikačnej hierarchii Priemyslu 4.0. Táto pozícia patrí k funkciám úrovne 0, ako sú senzory a akčné členy. Okrem toho existuje viacero úrovní nad úrovňou poľa. Na maximalizáciu celkovej efektívnosti, produktivity a udržateľnosti závodu Industry 4.0 je nevyhnutná včasná a efektívna komunikácia z komunikačnej hierarchie do cloudu. Nasledujúce protokoly uľahčujú cloudové pripojenie:
- uOPC PubSub Bridge integruje viacero dátových tokov prevádzkovej technológie (OT).
- MOTT Broker prijíma správy a preposiela ich používateľom na základe tém správ.
Úroveň 1 zahŕňa viac než len pohony a motory. Fieldbus Master Units (FMU) uľahčujú komunikáciu a zjednodušujú integráciu pohonov a iných zariadení. FMU podporujú rôzne protokoly vrátane PROFINET, PROFIBUS, DeviceNet, CANopen a ďalších. Používanie FMU umožňuje-nezávislé pripojenie od výrobcu.
Model [AFP7NPFNM] spoločnosti Panasonic je PROFINET FMU. Je vybavený integrovanou knižnicou funkcií s programovacím softvérom, čím sa výrazne skracuje čas vývoja špecifických aplikačných riešení.
Senzory, ovládače a úroveň bezpečnosti 0
Aby sa maximalizovali úspory energie PDS vo VFD, konektivita sa musí znížiť na úroveň 0. Integrácia senzorov, ovládačov a bezpečnostných zariadení, ako sú svetelné závory, na úrovni 0 výrazne zvyšuje účinnosť a dosahuje úsporu energie presahujúcu 30 %.
Bežné protokoly na pripojenie funkcií úrovne 0 zahŕňajú DeviceNet, HART, Modbus a IO-Link. IO-Link je bodový-protokol{5}}prepájajúci senzory a akčné členy s ovládačmi vyššej-úrovne. Je k dispozícii ako káblové aj bezdrôtové štandardy a čoraz viac sa nasadzuje v Priemysle 4.0 ako nákladovo-efektívna alternatíva.
[Omron NX-ILM400] IO-hlavné jednotky prepojenia môžu kombinovať štandardné I/O s vysoko-rýchlostnými synchrónnymi I/O. Štandardný digitálny I/O ponúka 16 pripojení na jednotku s možnosťami vrátane:
- Štyri 3-vodičové snímače s napájaním
- Osem 2-vodičových kontaktných vstupov alebo výstupov akčných členov
- Šestnásť 1-vodičových pripojení pre snímače a akčné členy pripojených k spoločnému napájaciemu zdroju
PDS úrovne 2 a vyššie
Komunikácia na vysokej{0}}úrovni zlepšuje operácie v teréne, ale je nevyhnutná pre maximalizáciu efektívnosti a produktivity organizácie. Od úrovne 2 po úrovne 3 a 4 vyžaduje cloud protokoly ako Ethernet/IP, EtherCAT a Modbus TCP/IP.
Zariadenia používané na vytvorenie týchto spojení zahŕňajú programovateľné logické ovládače (PLC) alebo priemyselné osobné počítače (IPC). PLC sú počítače optimalizované pre priemyselnú automatizáciu a riadenie. V typických aplikáciách PLC monitoruje vstupy zo strojov a súvisiacich senzorov, robí rozhodnutia na základe svojho naprogramovania a posiela riadiace výstupy.
Hoci IPC môžu vykonávať funkcie podobné PLC-, sú to zariadenia na všeobecné{1}}účely. S operačnými systémami ako Linux alebo Windows majú prístup k širšej škále softvérových nástrojov a zvyčajne sa pripájajú k HMI (hoci mnohé PLC sa tiež pripájajú k HMI). PLC sú zvyčajne zamerané na stroj-, zatiaľ čo IPC ponúkajú viac operačných možností.
Rozdiel medzi PLC a IPC sa čoraz viac stiera. Napríklad PLC [1069208] spoločnosti Phoenix Contact používa operačný systém Linux. Rovnako ako tradičné PLC je možné ho programovať pomocou symbolického vývojového diagramu (SFC), rebríkového diagramu (LD), diagramu funkčného bloku (FBD) a štruktúrovaného textu (ST). Obsahuje tri nezávislé ethernetové rozhrania a môže sa pripojiť k PROFICLOUD.
Schneider Electric ponúka [HMIBMIEA5DD1E01] IIoT Edge Box pre aplikácie využívajúce možnosti IPC. Tento dizajn bez ventilátora obsahuje dvojjadrový-procesor Intel Atom Apollo Lake E3930 pracujúci na frekvencii 1,8 GHz. Obsahuje jeden rozširujúci slot mini PCIe a deväť komunikačných portov.
Záver
Tento článok stručne načrtáva niektoré pokyny, ktoré by dizajnéri mali zvážiť pri špecifikácii motorov, pohonov a komunikačných modulov pre inštalácie Industry 4.0. Zďaleka to nie je vyčerpávajúce. Jeho účelom je poskytnúť podnety na zamyslenie a určité zdroje pre ďalší výskum.