Að velja ákjósanlegan iðnaðar sjálfvirknibúnað eins og mótora, drif og samskiptaeiningar krefst vandlegrar athygli að smáatriðum. Til dæmis sýna Norður-Ameríku National Electrical Manufacturers Association (NEMA) og European International Electrotechnical Commission (IEC) margvíslegan mun á mótor- og drifeinkunnum.
Þættir sem þarf að hafa í huga þegar mótorar, drif og stýringar eru valdir eru meðal annars inntaks- og útgangsspenna og vikmörk, nauðsynleg hraðasvið og reglugerðarþarfir, togkröfur, hröðun, hemlunarlotur, sérstakar kröfur eins og hröð viðbrögð eða snúningssvörun og umhverfisþættir þar á meðal hitastjórnun.
Samskiptakröfur eru mismunandi eftir stöðu tækis innan iðnaðarstýringarstigveldisins. Í lagið sem er næst brún verksmiðjugólfsins er hægt að nota samskiptareglur eins og IO-Link fyrir snjallskynjara og stýribúnað, en EtherCAT, PROFINET, Modbus og aðrar samskiptareglur tengja hreyfi-, öryggis-, inn-/út- og sjónkerfi.
Hæsta lagið af sjálfvirkni verksmiðjuneta notar venjulega Ethernet/IP til að tengja saman fjölbreytta sjálfvirknistýringar, forritunarviðmót og skýið, ásamt samskiptareglum eins og DisplayPort fyrir mannleg-vélaviðmót (HMI). Á milli þessara laga tengir sambland af Ethernet/IP, EtherCAT og öðrum samskiptareglum vettvangsstig verslunargólfsins við rekstrar- og stjórnalögin.
Smáatriðin eru of mörg til að hægt sé að fjalla um það í einni umræðu. Þess í stað birtir þessi grein nokkrar leiðbeiningar sem þarf að hafa í huga þegar mótorar, drif og samskiptaeiningar eru tilgreindar, ásamt forritum, vélbúnaði og samskiptareglum frá [Siemens], [Phoenix Contact], [Omron Automation], Panasonic [Industrial] og [Schneider Electric].
Breytir fókus
Mótorar og drif eru algengir þættir í mörgum iðnaðar sjálfvirknikerfum. Sem upphafspunktur fyrir þessa umræðu er gagnlegt að skilja hvar hagkvæmni hreyfilsins passar innan víðtækari sjónarmiða um frammistöðu iðnaðar sjálfvirknikerfis og hvernig áherslan hefur færst.
Notkun skilvirkari mótora getur sparað allt að 6% í orku. Það er gott. Hins vegar getur það sparað allt að 30% orku með því að bæta við-hagkvæmum drifum og stuðningshlutum.
Þegar fókusinn færist yfir í heildræna kerfisfínstillingu koma fram sannir leikjabreytir-. Með því að huga að öllum vélrænum íhlutum og bæta við samskiptum til að samþætta iðnaðar Internet hlutanna (IIoT)-sem nær yfir rekstrar- og verksmiðjustig, er hægt að ná að lokum framtaks- og skýjastigi-sparnaðar allt að 60% í orkunotkun og meiri orkuframleiðni (Mynd 1).
Mynd 1: Aukin samþætting og samskiptastig geta sparað meiri orku og aukið framleiðni. (Myndheimild: Siemens)Vistvæn-hönnun mótorkerfa
IEC 61800-9 Part 2, "Eco-design of Motor Systems - Energy Efficiency Determination and Classification," getur þjónað sem lykilauðlind. Það einblínir ekki eingöngu á skilvirkni mótora heldur sýnir röð af afkastaþáttum á hærra stigi fyrir „mótor drifkerfi“. VFDs eru taldar fullkomnar drifeiningar (CDM), sem samanstanda af AC-inntaks „straumhluta“, „grunndrifseiningu“ (BDM) eins og VFD sjálfum og „hjálparbúnaði“ þar á meðal inntaks-/úttakssíur, línuþjöppu og öðrum stuðningshlutum.
Staðallinn skilgreinir enn frekar Power Drive System (PDS) sem CDM auk mótor. Í kjölfarið lýsir það mótorkerfi sem PDS plús mótorstýringarbúnaði eins og tengibúnaði.
Hæsta stigið er útbreidd vara, eða heildarkerfið á mynd 1, sem bætir við vélrænum drifbúnaði eins og gírkassa og hleðsluvélum. Fyrir ítarlegri skilning á IEC 61800-9-2 PDS skilvirknistaðlinum, sjá greinina "[Hverjar eru mismunandi gerðir af breytilegum hraða iðnaðarmótordrifum?]".
Upphafspunkturinn til að tilgreina "mótor drifkerfi" er mótorinn sjálfur.
Hugleiðingar um mótor
Þegar þeir eru rétt skilgreindir og notaðir geta mótorar verið mjög skilvirkar vélar. Þetta gerir mótorval að mikilvægu verkefni fyrir vélahönnuði.
IEC mælir mótorafl í kílóvöttum (kW), en NEMA notar hestöfl (hö), sem gerir beint jafngildi einfalt. Hins vegar nota IEC og NEMA mismunandi skilvirkniútreikninga; fyrir eins mótorhönnun getur skilvirkni IEC nafnplata aðeins farið yfir NEMA einkunnir.
Raunveruleg mótor skilvirkni er nátengd sérstökum forritum. Þar af leiðandi eru staðlar fyrir skilvirkni mótora venjulega ræddir með tilliti til minnkaðs orkutaps frekar en alger skilvirknigilda.
IEC 60034-30-1 viðurkennir fimm skilvirkni flokka mótora, allt frá IE1 til IE5. Orkutap minnkar um 20% milli flokka í röð. Þetta þýðir að IE5 „Ultra Premium“ mótor sýnir 20% minna tap en IE4 „Super Premium“ mótor. Fleiri þættir gefa tilefni til athugunar. Í ákveðnum tilfellum geta hagkvæmari mótorar sýnt minni aflstuðul (PF).
Í Norður-Ameríku eru orkunýtingareinkunnir NEMA sjaldgæfari en jafn mikilvægar. NEMA viðurkennir Motor Service Factor (SF), sem er ekki innifalinn í IEC stöðlum. NEMA mótor með SF upp á 1,15 getur starfað samfellt við 115% af nafngetu sinni, þó að þetta hafi í för með sér hærra rekstrarhita mótor, sem leiðir til minnkaðrar legu og einangrunarlífs.
IEC tilgreinir tíu rekstrartegundir eða þjónustustuðla (S1 til S10) sem byggjast á sjónarmiðum eins og stöðugri á móti hléum, hraðabreytingum og bremsunotkun, frekar en SF.
NEMA og IEC eru mismunandi hvað varðar spennu- og tíðnisvið, en bæði eru gefin upp í "á einingu" (pu) magni. Í pu-kerfinu eru stærðir sýndar sem brot af grunngildi. NEMA auðkennir röð mótorspennu og tíðni. IEC auðkennir tvö „svæði“ (Mynd 2).
Mynd 2: Samanburður á NEMA og IEC Industrial AC spennu og tíðnisviðum. (Myndheimild: NEMA)
Auka PDS skilvirkni
Mótordrif eru lykilþættir fyrir PDS skilvirkni eins og skilgreint er í IEC 61800-9-2. Hægt er að flokka þau á ýmsa vegu, svo sem mótorspennu, aflstigi, hreyfigerð, studd forrit og fleira. Hægt er að flokka hreyfingar sem samfelldar eða ósamfelldar. Byggt á tilskildum hámarksafköstum er hægt að skipta þeim frekar í lág-afköst, miðlungs afköst og afkastamikil flokka.
Mismunandi gerðir drifs styðja mismunandi kerfiskröfur. Servó drif og mótorar henta vel-í forritum eins og vélfærafræði sem krefjast hraðrar hröðunar, hraðaminnkunar og nákvæmrar staðsetningar. Mjúkur startar eru tilvalin fyrir samfellda notkun, svo sem færibönd sem njóta góðs af mjúkum ræsingum og stöðvum. VFD eru mikið notaðar í ýmsum iðnaðarvélum.
Ákveðnar VFD vörulínur eru fínstilltar fyrir aðgerðir eins og dælingu, loftræstingu, þjöppun, farsímaforrit eða vinnslu. Siemens SINAMICS G120 röð almennra-drifa eru metin frá 0,55 til 250 kW (0,75 til 400 hö) og henta fyrir almenna iðnaðarnotkun í bíla-, textíl- og umbúðaiðnaði.
Gerð [6SL32203YE340UF0] gengur fyrir þriggja-fasa afli með inntaksspennusviðinu 380 til 480 Vac ±10% / -20%. Í Evrópu eru mótorar sem eru 22 til 30 kW tilgreindir fyrir 400 V notkun, en í Norður-Ameríku eru mótorar með 30 til 40 hö einkunnir fyrir 480 V (Mynd 3).
Mynd 3: Þessi VFD er hægt að nota með mótorum sem eru frá 22 til 30 kW, allt eftir rekstrarspennu. (Myndheimild: DigiKey)
VFD eru ekki eini lykillinn að skilvirkri PDS hönnun. Greinin "[Hvaða stuðningsvörur eru nauðsynlegar til að hámarka áhrifin af notkun VFDs og VSDs? - Part 1]" fjallar um nokkra nauðsynlega stuðningshluta.
Samskipti og kerfishagræðing
Þrátt fyrir að mótorar og drif séu á fyrsta eða vettvangsstigi verksmiðjugólfsins eru þeir ekki lægsta lagið í samskiptastigveldinu Industry 4.0. Þessi staða tilheyrir Level 0 aðgerðum eins og skynjara og stýrisbúnaði. Ennfremur eru mörg stig fyrir ofan vallarstigið. Til að hámarka heildarhagkvæmni, framleiðni og sjálfbærni Industry 4.0 verksmiðju eru tímabær og skilvirk samskipti frá samskiptastigveldinu til skýsins nauðsynleg. Eftirfarandi samskiptareglur auðvelda skýjatengingu:
- uOPC PubSub Bridge samþættir marga rekstrartækni (OT) gagnastrauma.
- MOTT Broker tekur á móti skilaboðum og sendir þau áfram til notenda byggt á efni skilaboða.
Stig 1 nær yfir meira en bara drif og mótora. Fieldbus Master Units (FMU) auðvelda samskipti og einfalda samþættingu drifs og annarra tækja. FMUs styðja ýmsar samskiptareglur þar á meðal PROFINET, PROFIBUS, DeviceNet, CANopen og fleira. Notkun FMU gerir framleiðanda-óháða tengingu kleift.
[AFP7NPFNM] líkan Panasonic er PROFINET FMU. Það er með samþætt virknisafn með forritunarhugbúnaði, sem dregur verulega úr þróunartíma fyrir sérstakar forritalausnir.
Skynjarar, stýringar og öryggisstig 0
Til að hámarka PDS orkusparnað í VFD, verður tengingin að minnka niður í stig 0. Samþætting skynjara, stýrisbúnaðar og öryggisbúnaðar eins og ljósgardínur á stigi 0 eykur skilvirkni verulega og nær orkusparnaði yfir 30%.
Algengar samskiptareglur til að tengja stig 0 aðgerðir eru DeviceNet, HART, Modbus og IO-Link. IO-Tengill er punkt-til-punkta samskiptareglur sem tengir skynjara og stýribúnað við stýringar á hærra-stigi. Hann er fáanlegur bæði með snúru og þráðlausum stöðlum og er í auknum mæli notaður í Industry 4.0 sem -hagkvæmur valkostur.
[Omron's NX-ILM400] IO-Tengill aðaleiningar geta blandað venjulegu I/O við háhraða samstillt I/O. Staðlað stafræn I/O býður upp á 16 tengingar á hverja einingu, með valkostum þar á meðal:
- Fjórir 3 víra skynjarar með aflgjafa
- Átta tveggja víra snertiinntak eða stýrisútgangar
- Sextán 1-víra tengingar fyrir skynjara og hreyfla tengda við sameiginlega aflgjafa
PDS Level 2 og hærra
Há-samskipti auka rekstur á vettvangi, en þau eru nauðsynleg til að hámarka skilvirkni og framleiðni skipulagsheilda. Frá stigi 2 til stigs 3 og 4, krefst skýið samskiptareglur eins og Ethernet/IP, EtherCAT og Modbus TCP/IP.
Tæki sem notuð eru til að koma á þessum tengingum eru meðal annars forritanlegir rökstýringar (PLC) eða iðnaðarpersónutölvur (IPC). PLC eru tölvur sem eru fínstilltar fyrir iðnaðar sjálfvirkni og stjórnun. Í dæmigerðum forritum fylgist PLC inntak frá vélum og tengdum skynjurum, tekur ákvarðanir byggðar á forritun sinni og sendir stjórnúttak.
Þó að IPCs geti framkvæmt PLC-líkar aðgerðir, eru þeir almennari-tæki. Þeir keyra stýrikerfi eins og Linux eða Windows, þeir fá aðgang að fjölbreyttari hugbúnaðarverkfærum og tengjast venjulega við HMI (þó að margir PLCs tengist einnig HMI). PLCs hafa tilhneigingu til að vera véla-miðuð, en IPCs bjóða upp á meiri rekstrargetu.
Munurinn á PLC og IPC er sífellt óskýrari. Til dæmis, [1069208] PLC frá Phoenix Contact keyrir Linux stýrikerfið. Eins og hefðbundin PLC er hægt að forrita það með táknrænu flæðiriti (SFC), stigamynd (LD), virkniblokkamynd (FBD) og uppbyggðan texta (ST). Það inniheldur þrjú sjálfstæð Ethernet tengi og getur tengst PROFICLOUD.
Schneider Electric býður upp á [HMIBMIEA5DD1E01] IIoT Edge Box fyrir forrit sem njóta góðs af IPC getu. Þessi viftulausa hönnun er með tvöfaldan-kjarna Intel Atom Apollo Lake E3930 örgjörva sem starfar á 1,8 GHz. Hann er með einni lítill PCIe stækkunarrauf og níu samskiptatengi.
Niðurstaða
Þessi grein útlistar í stuttu máli nokkrar leiðbeiningar sem hönnuðir ættu að hafa í huga þegar þeir tilgreina mótora, drif og samskiptaeiningar fyrir Industry 4.0 uppsetningar. Það er langt frá því að vera tæmandi. Tilgangur þess er að veita umhugsunarefni og nokkur úrræði til frekari rannsókna.