Optimaalsete tööstusautomaatikaseadmete (nt mootorid, ajamid ja sidemoodulid) valimine nõuab hoolikat tähelepanu detailidele. Näiteks Põhja-Ameerika riiklikul elektritootjate assotsiatsioonil (NEMA) ja Euroopa Rahvusvahelisel Elektrotehnikakomisjonil (IEC) on mootorite ja ajamite hinnangutes palju erinevusi.
Mootorite, ajamite ja kontrollerite valimisel tuleb arvesse võtta sisend- ja väljundpingeid ja tolerantse, nõutavaid kiirusvahemikke ja reguleerimisvajadusi, pöördemomendi nõudeid, kiirendust, pidurdustsüklit, erinõudeid, nagu kiire või pöördemomendi reaktsioon, ja keskkonnategureid, sealhulgas soojusjuhtimist.
Sidenõuded sõltuvad seadme asukohast tööstusliku juhtimise hierarhias. Tehase tsehhi servale lähimal kihil saab nutikate andurite ja täiturmehhanismide jaoks kasutada selliseid protokolle nagu IO-Link, samas kui EtherCAT, PROFINET, Modbus ja muud protokollid ühendavad liikumis-, ohutus-, I/O- ja nägemissüsteeme.
Tehase automatiseerimisvõrkude kõrgeim kiht kasutab tavaliselt erinevate automatiseerimiskontrollerite, programmeerimisliideste ja pilve ühendamiseks Etherneti/IP-d koos selliste protokollidega nagu DisplayPort inimese{0}}masinaliideste (HMI) jaoks. Nende kihtide vahel ühendab Etherneti/IP-i, EtherCAT-i ja muude protokollide kombinatsioon töökoja põrandataseme töö- ja juhtimiskihtidega.
Üksikasju on liiga palju, et neid ühes arutelus põhjalikult käsitleda. Selle asemel esitatakse selles artiklis mitmeid juhiseid, mida mootorite, ajamite ja sidemoodulite määramisel arvesse võtta, ning [Siemensi], [Phoenix Contact], [Omron Automation], Panasonic [Industrial] ja [Schneider Electric] rakenduste, riistvara ja protokollide näiteid.
Fookuse nihutamine
Mootorid ja ajamid on paljude tööstusautomaatikasüsteemide ühised elemendid. Selle arutelu lähtepunktiks on kasulik mõista, kus mootori tõhusus sobib tööstusautomaatikasüsteemi jõudluse laiemate kaalutlustega ja kuidas fookus on nihkunud.
Tõhusamate mootorite kasutamine võib säästa kuni 6% energiat. See on hea. Suure-tõhususega draivide ja tugikomponentide lisamine võib aga säästa kuni 30% energiat.
Kui tähelepanu nihkub terviklikule süsteemi optimeerimisele, ilmnevad tõelised mängu{0}}muutjad. Arvestades kõiki mehaanilisi komponente ja lisades side, et integreeruda tööstusliku asjade Internetiga (IIoT)-, mis hõlmab töö- ja tehasetasandit, saavutatakse lõppkokkuvõttes ettevõtte- ja pilvetasandil-kuni 60% energiatarbimise kokkuhoid ja suurem energiatootlikkus (joonis 1).
Joonis 1: Täiustatud integratsiooni- ja suhtlustasemed võivad säästa rohkem energiat ja tõsta tootlikkust. (Pildi allikas: Siemens)Mootorisüsteemide ökonoomne-disain
IEC 61800-9 2. osa "Mootorisüsteemide öko-disain - Energiatõhususe määramine ja klassifitseerimine" võib olla võtmeallikaks. See ei keskendu ainult mootori efektiivsusele, vaid kirjeldab "mootorajamisüsteemide" kõrgema taseme jõudlusfaktoreid. VFD-sid peetakse terviklikeks ajammooduliteks (CDM), mis koosnevad vahelduvvoolu sisendi "toitesektsioonist", "põhiajami moodulist" (BDM), nagu VFD ise, ja "abiseadmetest", sealhulgas sisend-/väljundfiltrid, liini drosselid ja muud tugikomponendid.
Lisaks määratleb standard Power Drive System (PDS) kui CDM pluss mootori. Seejärel kirjeldab see mootorisüsteemi kui PDS-i pluss mootori juhtimisseadmeid, nagu kontaktorid.
Kõrgeim tase on laiendatud toode ehk joonisel 1 kujutatud üldine süsteem, mis lisab mehaanilised ajamiseadmed, nagu käigukastid ja koormamasinad. PDS-i tõhususstandardi IEC 61800-9-2 üksikasjalikuma ülevaate saamiseks vaadake artiklit "[Millised on muutuva kiirusega tööstuslike mootoriajamite erinevad tüübid?]".
"Mootori ajamisüsteemi" määramise lähtepunkt on mootor ise.
Mootori kaalutlused
Kui mootorid on õigesti määratletud ja kasutatud, võivad need olla väga tõhusad masinad. See muudab mootorite valiku masinadisainerite jaoks kriitiliseks ülesandeks.
IEC kvantifitseerib mootori võimsust kilovattides (kW), samas kui NEMA kasutab hobujõude (hj), muutes otsese samaväärsuse lihtsaks. Siiski kasutavad IEC ja NEMA erinevaid tõhususe arvutusi; identse mootorikonstruktsiooni puhul võib IEC andmesildi efektiivsus veidi ületada NEMA reitinguid.
Mootori tegelik efektiivsus on tihedalt seotud konkreetsete rakendustega. Järelikult arutatakse mootori efektiivsuse standardeid tavaliselt pigem vähendatud energiakadude kui absoluutsete tõhususe väärtustena.
IEC 60034-30-1 tunneb ära viis mootori efektiivsuse klassi vahemikus IE1 kuni IE5. Energiakaod vähenevad järjestikuste klasside vahel 20%. See tähendab, et IE5 "Ultra Premium" mootoril on 20% väiksemad kaod kui IE4 "Super Premium" mootoril. Täiendavad tegurid nõuavad kaalumist. Teatud stsenaariumide korral võib suurema kasuteguriga mootoritel olla vähendatud võimsustegur (PF).
Põhja-Ameerikas on NEMA energiatõhususe reitingud vähem levinud, kuid sama olulised. NEMA tunnustab mootori hooldustegurit (SF), mis ei sisaldu IEC standardites. NEMA mootor, mille SF on 1,15, võib töötada pidevalt 115% nimivõimsusest, kuigi see põhjustab mootori kõrgemat töötemperatuuri, mis vähendab laagrite ja isolatsiooni eluiga.
IEC tuvastab kümme töötüüpi või teenindustegurit (S1 kuni S10), mis põhinevad sellistel kaalutlustel nagu pidev versus katkendlik töö, kiiruse kõikumine ja pidurite kasutamine, mitte SF.
NEMA ja IEC erinevad oma pinge- ja sagedusvahemiku poolest, kuid mõlemad on väljendatud "ühiku kohta" (pu) suurustes. Pu süsteemis esitatakse suurused põhiväärtuse murdosadena. NEMA tuvastab mootori pingete ja sageduste jada. IEC identifitseerib kaks "tsooni" (joonis 2).
Joonis 2: NEMA ja IEC tööstuslike vahelduvvoolu pinge- ja sagedusvahemike võrdlus. (Pildi allikas: NEMA)
PDS-i tõhususe suurendamine
Mootoriajamid on PDS-i tõhususe võtmekomponendid, nagu on määratletud standardis IEC 61800-9-2. Neid saab liigitada mitmel viisil, näiteks mootori pinge, võimsuse tase, liikumise tüüp, toetatud rakendused ja palju muud. Liikumistüüpe võib liigitada pidevaks või katkendlikuks. Nõutava maksimaalse väljundvõimsuse põhjal saab need jaotada madala -jõudlusega, keskmise jõudlusega ja suure jõudlusega kategooriatesse.
Erinevad draivitüübid toetavad erinevaid süsteeminõudeid. Servoajamid ja mootorid{1}}sobivad hästi selliste rakenduste jaoks nagu robootika, mis nõuavad kiiret kiirendamist, aeglustumist ja täpset positsioneerimist. Pehmed käivitid sobivad ideaalselt pidevaks tööks, näiteks konveierid, mis saavad kasu sujuvast käivitamisest ja seiskamisest. VFD-sid kasutatakse laialdaselt erinevates tööstuslikes masinates.
Teatud VFD tootesarjad on optimeeritud selliste toimingute jaoks nagu pumpamine, ventilatsioon, kompressioon, mobiilsed rakendused või mehaaniline töötlemine. Siemensi SINAMICS G120 seeria üldotstarbelised ajamid on hinnatud 0,55–250 kW (0,75–400 hj) ja sobivad üldisteks tööstuslikeks rakendusteks auto-, tekstiili- ja pakenditööstuses.
Mudel [6SL32203YE340UF0] töötab kolme-faasilise toitega sisendpinge vahemikus 380–480 Vac ±10% / -20%. Euroopas on mootorid võimsusega 22–30 kW ette nähtud 400 V tööks, Põhja-Ameerikas aga 30–40 hj mootorid 480 V (joonis 3).
Joonis 3: Seda VFD-d saab kasutada mootoritega, mille nimivõimsus on 22–30 kW, olenevalt tööpingest. (Pildi allikas: DigiKey)
VFD-d pole tõhusa PDS-i disaini ainus võti. Artiklis "[Milliseid tugitooteid on vaja VFD-de ja VSD-de kasutamise mõju maksimeerimiseks? - 1. osa]" käsitletakse mõningaid olulisi tugikomponente.
Side ja süsteemi optimeerimine
Kuigi mootorid ja ajamid asuvad tehasekorrusel esimesel ehk väljatasandil, ei ole need Tööstus 4.0 suhtlushierarhia madalaim kiht. See asend kuulub 0. taseme funktsioonidele, nagu andurid ja täiturmehhanismid. Lisaks on välja tasemest kõrgemal mitu tasandit. Tööstus 4.0 tehase üldise tõhususe, tootlikkuse ja jätkusuutlikkuse maksimeerimiseks on oluline õigeaegne ja tõhus suhtlus kommunikatsioonihierarhiast pilve. Järgmised protokollid hõlbustavad pilveühendust:
- uOPC PubSub Bridge integreerib mitu operatiivtehnoloogia (OT) andmevoogu.
- MOTT Broker võtab sõnumeid vastu ja edastab need kasutajatele sõnumite teemade alusel.
Tase 1 hõlmab enamat kui lihtsalt ajamid ja mootorid. Fieldbus Master Units (FMU) hõlbustab suhtlust ja lihtsustab ajamite ja muude seadmete integreerimist. FMU-d toetavad erinevaid protokolle, sealhulgas PROFINET, PROFIBUS, DeviceNet, CANopen ja palju muud. FMU-de kasutamine võimaldab tootjalt-sõltumatut ühenduvust.
Panasonicu [AFP7NPFNM] mudel on PROFINET FMU. Sellel on integreeritud funktsiooniteek koos programmeerimistarkvaraga, mis vähendab oluliselt konkreetsete rakenduslahenduste arendusaega.
Andurid, täiturmehhanismid ja ohutustase 0
PDS-i energiasäästu maksimeerimiseks VFD-des tuleb ühenduvus vähendada tasemele 0. Andurite, täiturmehhanismide ja turvaseadmete (nt valguskardinad) integreerimine tasemele 0 suurendab oluliselt tõhusust, saavutades üle 30% energiasäästu.
Levinud protokollid 0. taseme funktsioonide ühendamiseks on DeviceNet, HART, Modbus ja IO{1}}Link. IO-Link on punktist-punktini{5}}punkt-protokoll, mis ühendab andurid ja täiturmehhanismid kõrgema-taseme kontrolleritega. See on saadaval nii traadiga kui ka traadita ühenduse standardina ning seda kasutatakse tööstuses 4.0 üha enam kulutasuva alternatiivina.
[Omroni NX-ILM400] IO-Link-peaseadmed võivad segada standardset sisendit ja kiiret-sünkroonset sisendit. Standardne digitaalne I/O pakub 16 ühendust seadme kohta, mille valikud on järgmised:
- Neli 3-juhtmelist andurit toiteallikaga
- Kaheksa 2-juhtmelist kontaktsisendit või täiturmehhanismi väljundit
- Kuusteist 1-juhtmelist ühendust andurite ja täiturmehhanismide jaoks, mis on ühendatud ühise toiteallikaga
PDS 2. tase ja kõrgem
Kõrgetasemeline{0}}suhtlus parandab välioperatsioone, kuid on oluline organisatsiooni tõhususe ja tootlikkuse maksimeerimiseks. Alates 2. tasemest kuni 3. ja 4. tasemeni vajab pilv selliseid protokolle nagu Ethernet/IP, EtherCAT ja Modbus TCP/IP.
Nende ühenduste loomiseks kasutatavate seadmete hulka kuuluvad programmeeritavad loogikakontrollerid (PLC) või tööstuslikud personaalarvutid (IPC). PLC-d on tööstuslikuks automatiseerimiseks ja juhtimiseks optimeeritud arvutid. Tüüpilistes rakendustes jälgib PLC masinate ja nendega seotud andurite sisendeid, teeb oma programmeerimisel põhinevaid otsuseid ja saadab juhtväljundeid.
Kuigi IPC-d suudavad täita PLC{0}}sarnaseid funktsioone, on need üldisema otstarbega-seadmed. Kasutades operatsioonisüsteeme, nagu Linux või Windows, pääsevad nad juurde laiemale hulgale tarkvaratööriistadele ja ühenduvad tavaliselt HMI-dega (kuigi paljud PLC-d ühenduvad ka HMI-dega). PLC-d kipuvad olema masina-kesksed, samas kui IPC-d pakuvad rohkem töövõimalusi.
Erinevus PLC-de ja IPC-de vahel on üha hägusem. Näiteks Phoenix Contacti [1069208] PLC käitab Linuxi operatsioonisüsteemi. Sarnaselt traditsioonilistele PLC-dele saab seda programmeerida sümboolse vooskeemi (SFC), redelskeemi (LD), funktsiooniploki diagrammi (FBD) ja struktureeritud teksti (ST) abil. See sisaldab kolme sõltumatut Etherneti liidest ja saab ühendada PROFICLOUDiga.
Schneider Electric pakub [HMIBMIEA5DD1E01] IIoT Edge Boxi rakendustele, mis saavad kasu IPC võimalustest. See ventilaatorita disain sisaldab kahetuumalist-Intel Atom Apollo Lake E3930 protsessorit, mis töötab sagedusel 1,8 GHz. Sellel on üks mini-PCIe laienduspesa ja üheksa sideporti.
Järeldus
Selles artiklis kirjeldatakse lühidalt mõningaid juhiseid, mida disainerid peaksid arvestama tööstus 4.0 installatsioonide mootorite, ajamite ja sidemoodulite määramisel. See pole kaugeltki ammendav. Selle eesmärk on pakkuda mõtlemisainet ja ressursse edasiseks uurimiseks.