At vælge det optimale industriautomationsudstyr såsom motorer, drev og kommunikationsmoduler kræver omhyggelig opmærksomhed på detaljer. For eksempel udviser North American National Electrical Manufacturers Association (NEMA) og European International Electrotechnical Commission (IEC) adskillige forskelle i motor- og drevklassificeringer.
Faktorer, der skal tages i betragtning ved valg af motorer, drev og controllere, omfatter indgangs- og udgangsspændinger og tolerancer, nødvendige hastighedsområder og reguleringsbehov, drejningsmomentkrav, acceleration, bremsedriftscyklusser, specielle krav som hurtig eller drejningsmomentrespons og miljøfaktorer, herunder termisk styring.
Kommunikationskravene varierer afhængigt af en enheds position i det industrielle kontrolhierarki. På det lag, der er tættest på fabrikkens kant, kan protokoller som IO-Link bruges til smarte sensorer og aktuatorer, mens EtherCAT, PROFINET, Modbus og andre protokoller forbinder bevægelses-, sikkerheds-, I/O- og visionsystemer.
Det højeste lag af fabriksautomatiseringsnetværk anvender typisk Ethernet/IP til at forbinde forskellige automationscontrollere, programmeringsgrænseflader og skyen sammen med protokoller som DisplayPort til menneskelige-maskinegrænseflader (HMI'er). Mellem disse lag forbinder en kombination af Ethernet/IP, EtherCAT og andre protokoller feltniveauet på butiksgulvet med drifts- og kontrollagene.
Detaljerne er for mange til at dække udtømmende i en enkelt diskussion. I stedet præsenterer denne artikel flere retningslinjer, der skal tages i betragtning, når man specificerer motorer, drev og kommunikationsmoduler, sammen med applikations-, hardware- og protokoleksempler fra [Siemens], [Phoenix Contact], [Omron Automation], Panasonic [Industrial] og [Schneider Electric].
Skifter fokus
Motorer og drev er almindelige elementer på tværs af mange industrielle automationssystemer. Som udgangspunkt for denne diskussion er det nyttigt at forstå, hvor motoreffektivitet passer ind i bredere overvejelser om industriel automatiseringssystemydelse, og hvordan fokus er flyttet.
Brug af mere effektive motorer kan spare op til 6 % i energi. Det er godt. Men tilføjelse af-højeffektive drev og understøttende komponenter kan spare op til 30 % i energi.
Når fokus skifter til holistisk systemoptimering, dukker ægte spil-skiftere op. Ved at overveje alle mekaniske komponenter og tilføje kommunikation til integration med Industrial Internet of Things (IIoT)-spændende drifts- og anlægsniveauer, kan der i sidste ende opnås -besparelser på op til 60 % i energiforbrug og højere energiproduktivitet (figur 1).
Figur 1: Forbedret integration og kommunikationsniveauer kan spare mere energi og øge produktiviteten. (Billedkilde: Siemens)Øko-design af motorsystemer
IEC 61800-9 Del 2, "Øko-design af motorsystemer - Energieffektivitetsbestemmelse og klassificering," kan tjene som en nøgleressource. Den fokuserer ikke udelukkende på motoreffektivitet, men beskriver en række overordnede præstationsfaktorer for "motordrivsystemer". VFD'er betragtes som komplette drevmoduler (CDM'er), der omfatter en "tilførselssektion" med vekselstrøm, et "grundlæggende drevmodul" (BDM) som selve VFD'en og "hjælpeudstyr", inklusive input/output-filtre, linjedrosler og andre understøttende komponenter.
Standarden definerer yderligere et Power Drive System (PDS) som en CDM plus en motor. Efterfølgende beskrives et motorsystem som et PDS plus motorstyringsudstyr såsom kontaktorer.
Det højeste niveau er det udvidede produkt eller det overordnede system i figur 1, som tilføjer mekanisk drivudstyr som gearkasser og læssemaskiner. For en mere detaljeret forståelse af IEC 61800-9-2 PDS effektivitetsstandard, se artiklen "[What Are the Different Types of Variable Speed Industrial Motor Drives?]".
Udgangspunktet for at specificere et "motordrivsystem" er selve motoren.
Motoriske overvejelser
Når de er korrekt specificeret og brugt, kan motorer være yderst effektive maskiner. Dette gør motorvalg til en kritisk opgave for maskindesignere.
IEC kvantificerer motoreffekt i kilowatt (kW), mens NEMA bruger hestekræfter (hk), hvilket gør direkte ækvivalens ligetil. IEC og NEMA anvender imidlertid forskellige effektivitetsberegninger; for identiske motordesigner kan IEC-navnepladeeffektiviteten en smule overstige NEMA-klassificeringerne.
Faktisk motoreffektivitet er tæt knyttet til specifikke applikationer. Følgelig diskuteres motoreffektivitetsstandarder typisk i form af reducerede energitab snarere end absolutte effektivitetsværdier.
IEC 60034-30-1 genkender fem motoreffektivitetsklasser, der spænder fra IE1 til IE5. Energitab falder med 20 % mellem på hinanden følgende klasser. Det betyder, at en IE5 "Ultra Premium"-motor udviser 20 % lavere tab end en IE4 "Super Premium"-motor. Yderligere faktorer berettiger til overvejelse. I visse scenarier kan motorer med højere effektivitet udvise reduceret effektfaktor (PF).
I Nordamerika er NEMA's energieffektivitetsklassificeringer mindre almindelige, men lige vigtige. NEMA anerkender Motor Service Factor (SF), som ikke er inkluderet i IEC-standarder. En NEMA-motor med en SF på 1,15 kan arbejde kontinuerligt med 115 % af dens nominelle kapacitet, selvom dette resulterer i højere motordriftstemperaturer, hvilket fører til reduceret leje- og isoleringslevetid.
IEC identificerer ti driftstyper eller servicefaktorer (S1 til S10) baseret på overvejelser såsom kontinuerlig versus intermitterende drift, hastighedsvariation og bremsebrug i stedet for SF.
NEMA og IEC adskiller sig i deres spændings- og frekvensområder, men begge er udtrykt i "pr. enhed" (pu) mængder. I pu-systemet er mængder repræsenteret som brøkdele af en basisværdi. NEMA identificerer en række motorspændinger og frekvenser. IEC identificerer to "zoner" (figur 2).
Figur 2: Sammenligning af NEMA og IEC industrielle AC spænding og frekvensområder. (Billedkilde: NEMA)
Forbedring af PDS-effektivitet
Motordrev er nøglekomponenter for PDS-effektivitet som defineret i IEC 61800-9-2. De kan kategoriseres på forskellige måder, såsom motorspænding, effektniveau, bevægelsestype, understøttede applikationer og mere. Bevægelsestyper kan klassificeres som kontinuerlige eller diskontinuerlige. Baseret på det påkrævede maksimale udgangseffekt kan de yderligere opdeles i kategorier med lav-ydelse, medium ydeevne og høj ydeevne.
Forskellige drevtyper understøtter forskellige systemkrav. Servodrev og motorer er velegnede-til applikationer som robotteknologi, der kræver hurtig acceleration, deceleration og præcis positionering. Bløde startere er ideelle til kontinuerlig drift, såsom transportører, der drager fordel af jævne starter og stop. VFD'er er meget udbredt på tværs af forskellige industrielle maskiner.
Visse VFD-produktlinjer er optimeret til operationer såsom pumpning, ventilation, kompression, mobile applikationer eller bearbejdning. Siemens SINAMICS G120-serien til generelle-drev er klassificeret fra 0,55 til 250 kW (0,75 til 400 hk) og er velegnede til generelle industrielle anvendelser i bil-, tekstil- og emballageindustrien.
Model [6SL32203YE340UF0] kører på tre-strøm med et indgangsspændingsområde på 380 til 480 Vac ±10 % / -20 %. I Europa er motorer på 22 til 30 kW specificeret til 400 V-drift, mens i Nordamerika er motorer på 30 til 40 hk normeret til 480 V (figur 3).
Figur 3: Denne VFD kan bruges med motorer, der er klassificeret fra 22 til 30 kW, afhængigt af driftsspændingen. (Billedkilde: DigiKey)
VFD'er er ikke den eneste nøgle til effektivt PDS-design. Artiklen "[Hvilke understøttende produkter er nødvendige for at maksimere virkningen af at bruge VFD'er og VSD'er? - Del 1]" gennemgår nogle væsentlige understøttende komponenter.
Kommunikation og systemoptimering
Selvom motorer og drev findes på første eller feltniveau på fabriksgulvet, er de ikke det laveste lag i Industry 4.0-kommunikationshierarkiet. Denne position hører til niveau 0 funktioner som sensorer og aktuatorer. Ydermere findes der flere niveauer over feltniveauet. For at maksimere den overordnede effektivitet, produktivitet og bæredygtighed af en Industry 4.0-fabrik er rettidig og effektiv kommunikation fra kommunikationshierarkiet til skyen afgørende. Følgende protokoller letter cloud-forbindelse:
- uOPC PubSub Bridge integrerer flere operationel teknologi (OT) datastrømme.
- MOTT Broker modtager beskeder og videresender dem til brugere baseret på beskedemner.
Niveau 1 omfatter mere end blot drev og motorer. Fieldbus Master Units (FMU'er) letter kommunikationen og forenkler integrationen af drev og andre enheder. FMU'er understøtter forskellige protokoller, herunder PROFINET, PROFIBUS, DeviceNet, CANopen og mere. Brug af FMU'er muliggør producent-uafhængig forbindelse.
Panasonics [AFP7NPFNM] model er en PROFINET FMU. Den har et integreret funktionsbibliotek med programmeringssoftware, hvilket reducerer udviklingstiden for specifikke applikationsløsninger markant.
Sensorer, aktuatorer og sikkerhedsniveau 0
For at maksimere PDS-energibesparelser i VFD'er skal tilslutningsmulighederne reduceres til niveau 0. Integrering af sensorer, aktuatorer og sikkerhedsanordninger som lysgardiner på niveau 0 øger effektiviteten markant og opnår energibesparelser på over 30 %.
Fælles protokoller til tilslutning af niveau 0-funktioner omfatter DeviceNet, HART, Modbus og IO-Link. IO-Link er en punkt-til-punkt-protokol, der forbinder sensorer og aktuatorer til kontrolenheder på højere-niveau. Tilgængelig som både kablede og trådløse standarder, bliver den i stigende grad implementeret i Industry 4.0 som et omkostningseffektivt alternativ.
[Omron's NX-ILM400] IO-Link-masterenheder kan blande standard I/O med høj-synkron I/O. Standard digital I/O tilbyder 16 forbindelser pr. enhed, med muligheder, herunder:
- Fire 3-leder sensorer med strømforsyning
- Otte 2-leder kontaktindgange eller aktuatorudgange
- Seksten 1-leder forbindelser til sensorer og aktuatorer forbundet til en fælles strømforsyning
PDS niveau 2 og derover
Kommunikation på højt-niveau forbedrer markdriften, men det er afgørende for at maksimere organisatorisk effektivitet og produktivitet. Fra niveau 2 til niveau 3 og 4 kræver skyen protokoller som Ethernet/IP, EtherCAT og Modbus TCP/IP.
Enheder, der bruges til at etablere disse forbindelser, omfatter PLC'er (Programable Logic Controllers) eller Industrial Personal Computers (IPC'er). PLC'er er computere, der er optimeret til industriel automatisering og kontrol. I typiske applikationer overvåger en PLC input fra maskiner og tilhørende sensorer, træffer beslutninger baseret på dens programmering og sender styreoutput.
Mens IPC'er kan udføre PLC-lignende funktioner, er de mere generelle-enheder. Når de kører operativsystemer som Linux eller Windows, får de adgang til et bredere udvalg af softwareværktøjer og forbinder typisk til HMI'er (selvom mange PLC'er også opretter forbindelse til HMI'er). PLC'er har tendens til at være maskincentrerede-, hvorimod IPC'er tilbyder flere operationelle muligheder.
Sondringen mellem PLC'er og IPC'er bliver mere og mere udvisket. For eksempel kører Phoenix Contacts [1069208] PLC Linux-operativsystemet. Ligesom traditionelle PLC'er kan den programmeres ved hjælp af symbolsk rutediagram (SFC), Ladder Diagram (LD), Function Block Diagram (FBD) og Structured Text (ST). Den omfatter tre uafhængige Ethernet-grænseflader og kan forbindes til PROFICLOUD.
Schneider Electric tilbyder [HMIBMIEA5DD1E01] IIoT Edge Box til applikationer, der drager fordel af IPC-kapaciteter. Dette blæserløse design inkorporerer en dual-Intel Atom Apollo Lake E3930-processor, der kører ved 1,8 GHz. Den har en mini-PCIe-udvidelsesslot og ni kommunikationsporte.
Konklusion
Denne artikel skitserer kort nogle retningslinjer, som designere bør overveje, når de specificerer motorer, drev og kommunikationsmoduler til Industry 4.0-installationer. Det er langt fra udtømmende. Dens formål er at give stof til eftertanke og nogle ressourcer til yderligere forskning.