Memilih peralatan automasi perindustrian yang optimum seperti motor, pemacu, dan modul komunikasi memerlukan perhatian yang teliti terhadap perincian. Sebagai contoh, Persatuan Pengilang Elektrik Kebangsaan Amerika Utara (NEMA) dan Suruhanjaya Elektroteknik Antarabangsa Eropah (IEC) mempamerkan banyak perbezaan dalam penilaian motor dan pemacu.
Faktor yang perlu dipertimbangkan apabila memilih motor, pemacu, dan pengawal termasuk voltan input dan output dan toleransi, keperluan kelajuan yang diperlukan dan keperluan peraturan, keperluan tork, pecutan, kitaran tugas brek, tuntutan khas seperti tindak balas cepat atau tork, dan faktor persekitaran termasuk pengurusan termal.
Keperluan komunikasi berbeza -beza berdasarkan kedudukan peranti dalam hierarki kawalan perindustrian. Di lapisan yang paling dekat dengan kelebihan lantai kedai kilang, protokol seperti pautan IO - boleh digunakan untuk sensor pintar dan penggerak, manakala Ethercat, Profinet, Modbus, dan protokol lain menghubungkan gerakan, keselamatan, I/O, dan sistem penglihatan.
Lapisan rangkaian automasi kilang yang paling tinggi biasanya menggunakan Ethernet/IP untuk menyambungkan pengawal automasi yang pelbagai, antara muka pengaturcaraan, dan awan, di samping protokol seperti DisplayPort untuk manusia - antara muka mesin (HMIS). Di antara lapisan ini, gabungan Ethernet/IP, EtherCAT, dan protokol lain menghubungkan tahap medan lantai kedai ke lapisan operasi dan kawalan.
Butirannya terlalu banyak untuk diliputi secara komprehensif dalam satu perbincangan. Sebaliknya, artikel ini membentangkan beberapa garis panduan untuk dipertimbangkan ketika menentukan motor, pemacu, dan modul komunikasi, bersama -sama dengan contoh aplikasi, perkakasan, dan protokol dari [Siemens], [hubungan Phoenix], [Omron Automation], Panasonic [perindustrian], dan [Schneider Electric].
Fokus beralih
Motor dan pemacu adalah unsur -unsur biasa di banyak sistem automasi perindustrian. Sebagai titik permulaan untuk perbincangan ini, adalah berguna untuk memahami di mana kecekapan motor sesuai dalam pertimbangan yang lebih luas mengenai prestasi sistem automasi perindustrian dan bagaimana tumpuan telah beralih.
Menggunakan motor yang lebih cekap dapat menjimatkan sehingga 6% tenaga. Itu bagus. Walau bagaimanapun, menambah pemacu kecekapan tinggi - dan komponen sokongan boleh menjimatkan sehingga 30% dalam tenaga.
Apabila tumpuan beralih kepada pengoptimuman sistem holistik, permainan sebenar - penukar muncul. Dengan mempertimbangkan semua komponen mekanikal dan menambah komunikasi untuk mengintegrasikan dengan Internet Perindustrian Perkara (IIoT) - merangkumi tahap operasi dan loji, akhirnya mencapai tahap perusahaan dan awan - simpanan sehingga 60% dalam penggunaan tenaga dan produktiviti tenaga yang lebih tinggi dapat dicapai (Rajah 1).
Rajah 1: Integrasi dan tahap komunikasi yang dipertingkatkan dapat menjimatkan lebih banyak tenaga dan meningkatkan produktiviti. (Sumber Imej: Siemens)Eco - reka bentuk sistem motor
IEC 61800 - 9 Bahagian 2, "Eco - Reka bentuk sistem motor - Penentuan Kecekapan Tenaga dan Klasifikasi," boleh berfungsi sebagai sumber utama. Ia tidak hanya memberi tumpuan kepada kecekapan motor tetapi terperinci satu siri faktor prestasi peringkat tinggi untuk "sistem pemacu motor." VFD dianggap modul pemacu lengkap (CDM), yang terdiri daripada "bahagian suapan input AC," "modul pemacu asas" (BDM) seperti VFD itu sendiri, dan "peralatan tambahan" termasuk penapis input/output, cawangan garis, dan komponen sokongan lain.
Standard selanjutnya mentakrifkan sistem pemacu kuasa (PDS) sebagai CDM ditambah motor. Seterusnya, ia menerangkan sistem motor sebagai peralatan kawalan PDS ditambah seperti penghubung.
Tahap tertinggi adalah produk lanjutan, atau sistem keseluruhan dalam Rajah 1, yang menambah peralatan pemacu mekanikal seperti kotak gear dan mesin beban. Untuk pemahaman yang lebih terperinci mengenai standard kecekapan IEC 61800-9-2 PDS, lihat artikel "[Apakah jenis pemacu motor perindustrian kelajuan berubah-ubah?]".
Titik permulaan untuk menentukan "sistem pemacu motor" adalah motor itu sendiri.
Pertimbangan Motor
Apabila ditentukan dan digunakan dengan betul, motor boleh menjadi mesin yang sangat cekap. Ini menjadikan pemilihan motor tugas kritikal untuk pereka mesin.
IEC mengukur kuasa motor di kilowatts (kW), manakala NEMA menggunakan kuasa kuda (HP), menjadikan kesetaraan langsung langsung. Walau bagaimanapun, IEC dan NEMA menggunakan pengiraan kecekapan yang berbeza; Untuk reka bentuk motor yang sama, kecekapan papan nama IEC mungkin sedikit melebihi penilaian NEMA.
Kecekapan motor sebenar berkait rapat dengan aplikasi tertentu. Oleh itu, piawaian kecekapan motor biasanya dibincangkan dari segi kerugian tenaga yang dikurangkan dan bukannya nilai kecekapan mutlak.
IEC 60034 - 30-1 Mengiktiraf lima kelas kecekapan motor, dari IE1 hingga IE5. Kerugian tenaga menurun sebanyak 20% antara kelas berturut -turut. Ini bermakna motor IE5 "Ultra Premium" mempamerkan kerugian 20% lebih rendah daripada motor IE4 "Super Premium". Faktor tambahan menjamin pertimbangan. Dalam senario tertentu, motor kecekapan yang lebih tinggi mungkin mempamerkan faktor kuasa yang dikurangkan (PF).
Di Amerika Utara, penilaian kecekapan tenaga NEMA kurang biasa tetapi sama pentingnya. NEMA mengiktiraf faktor perkhidmatan motor (SF), yang tidak termasuk dalam piawaian IEC. Motor NEMA dengan SF 1.15 boleh beroperasi secara berterusan pada 115% daripada kapasiti yang diberi nilai, walaupun ini mengakibatkan suhu operasi motor yang lebih tinggi, yang membawa kepada pengurangan hayat dan penebat.
IEC mengenal pasti sepuluh jenis operasi atau faktor perkhidmatan (S1 hingga S10) berdasarkan pertimbangan seperti operasi berterusan berbanding sekejap, variasi kelajuan, dan penggunaan brek, bukannya SF.
NEMA dan IEC berbeza dalam julat voltan dan kekerapan mereka, tetapi kedua -duanya dinyatakan dalam kuantiti "per unit" (PU). Dalam sistem PU, kuantiti diwakili sebagai pecahan nilai asas. NEMA mengenal pasti satu siri voltan dan frekuensi motor. IEC mengenal pasti dua "zon" (Rajah 2).
Rajah 2: Perbandingan voltan dan kekerapan voltan NEMA dan IEC. (Sumber Imej: Nema)
Meningkatkan kecekapan PDS
Pemacu motor adalah komponen utama untuk kecekapan PDS seperti yang ditakrifkan dalam IEC 61800 - 9 - 2. Mereka boleh dikategorikan dalam pelbagai cara, seperti voltan motor, tahap kuasa, jenis gerakan, aplikasi yang disokong, dan banyak lagi. Jenis gerakan boleh diklasifikasikan sebagai berterusan atau tidak berterusan. Berdasarkan output kuasa maksimum yang diperlukan, mereka boleh dibahagikan lagi kepada prestasi rendah -, prestasi sederhana, dan kategori berprestasi tinggi.
Jenis pemacu yang berbeza menyokong keperluan sistem yang berbeza. Pemacu servo dan motor adalah baik - sesuai untuk aplikasi seperti robotik yang memerlukan percepatan pesat, penurunan, dan kedudukan yang tepat. Permulaan lembut adalah sesuai untuk operasi berterusan, seperti penghantar yang mendapat manfaat dari permulaan yang lancar dan berhenti. VFD digunakan secara meluas di pelbagai jentera perindustrian.
Barisan produk VFD tertentu dioptimumkan untuk operasi seperti mengepam, pengudaraan, pemampatan, aplikasi mudah alih, atau pemesinan. Siemens Sinamics G120 Series Umum - Pemacu tujuan dinilai dari 0.55 hingga 250 kW (0.75 hingga 400 hp) dan sesuai untuk aplikasi perindustrian umum dalam industri automotif, tekstil, dan pembungkusan.
Model [6SL32203YE340UF0] beroperasi pada kuasa fasa tiga - dengan julat voltan input 380 hingga 480 VAC ± 10% / -20%. Di Eropah, motor yang diberi nilai 22 hingga 30 kW ditentukan untuk operasi 400 V, manakala di Amerika Utara, motor dinilai 30 hingga 40 hp dinilai untuk 480 V (Rajah 3).
Rajah 3: VFD ini boleh digunakan dengan motor yang dinilai dari 22 hingga 30 kW, bergantung kepada voltan operasi. (Sumber Imej: Digikey)
VFD bukan satu -satunya kunci kepada reka bentuk PDS yang cekap. Artikel "[Apa produk sokongan diperlukan untuk memaksimumkan kesan menggunakan VFD dan VSDS? - Bahagian 1]" mengkaji beberapa komponen sokongan penting.
Pengoptimuman komunikasi dan sistem
Walaupun motor dan pemacu tinggal di tingkat pertama atau medan lantai kilang, mereka bukan lapisan terendah dalam hierarki komunikasi industri 4.0. Kedudukan ini tergolong dalam fungsi Level 0 seperti sensor dan penggerak. Selain itu, pelbagai tahap wujud di atas paras medan. Untuk memaksimumkan kecekapan keseluruhan, produktiviti, dan kemampanan loji industri 4.0, komunikasi tepat pada masanya dan cekap dari hierarki komunikasi ke awan adalah penting. Protokol berikut memudahkan sambungan awan:
- Jambatan UOPC PubSub mengintegrasikan pelbagai aliran data teknologi operasi (OT).
- Mott Broker menerima mesej dan meneruskannya kepada pengguna berdasarkan topik mesej.
Tahap 1 merangkumi lebih daripada sekadar pemacu dan motor. Unit Master Fieldbus (FMU) memudahkan komunikasi dan memudahkan integrasi pemacu dan peranti lain. FMU menyokong pelbagai protokol termasuk Profinet, Profibus, Devicenet, Canopen, dan banyak lagi. Menggunakan FMU membolehkan pengeluar - sambungan bebas.
Model Panasonic [AFP7NPFNM] adalah FMU Profinet. Ia mempunyai perpustakaan fungsi bersepadu dengan perisian pengaturcaraan, dengan ketara mengurangkan masa pembangunan untuk penyelesaian aplikasi tertentu.
Sensor, penggerak, dan tahap keselamatan 0
Untuk memaksimumkan penjimatan tenaga PDS dalam VFD, sambungan mesti dikurangkan ke tahap 0. Mengintegrasikan sensor, penggerak, dan peranti keselamatan seperti langsir cahaya pada tahap 0 dengan ketara meningkatkan kecekapan, mencapai penjimatan tenaga melebihi 30%.
Protokol biasa untuk menghubungkan Fungsi 0 termasuk DeviceNet, Hart, Modbus, dan IO - pautan. IO - pautan adalah titik - ke - protokol titik penyambung sensor dan actuators ke pengawal tahap tinggi -. Tersedia sebagai kedua -dua piawaian berwayar dan tanpa wayar, ia semakin digunakan dalam Industri 4.0 sebagai alternatif yang berkesan -.
[Omron's nx - ilm400] io - Link Master Units boleh mencampur standard I/O dengan tinggi - Speed Synchronous I/O. I/O Digital Standard menawarkan 16 sambungan seunit, dengan pilihan termasuk:
- Empat sensor 3-wayar dengan bekalan kuasa
- Lapan input kenalan 2-wayar atau output penggerak
- Sambungan enam belas 1-wayar untuk sensor dan penggerak yang disambungkan ke bekalan kuasa yang sama
Tahap pds 2 dan ke atas
Tinggi - Komunikasi tahap meningkatkan operasi medan, tetapi penting untuk memaksimumkan kecekapan organisasi dan produktiviti. Dari Tahap 2 hingga Tahap 3 dan 4, awan memerlukan protokol seperti Ethernet/IP, Ethercat, dan Modbus TCP/IP.
Peranti yang digunakan untuk menubuhkan sambungan ini termasuk pengawal logik yang boleh diprogramkan (PLCs) atau komputer peribadi industri (IPC). PLC adalah komputer yang dioptimumkan untuk automasi dan kawalan industri. Dalam aplikasi biasa, PLC memantau input dari mesin dan sensor yang berkaitan, membuat keputusan berdasarkan pengaturcaraannya, dan menghantar output kawalan.
Walaupun IPCS boleh melakukan PLC - seperti fungsi, mereka lebih umum - peranti tujuan. Menjalankan sistem operasi seperti Linux atau Windows, mereka mengakses pelbagai alat perisian yang lebih luas dan biasanya menyambung ke HMIS (walaupun banyak PLC juga menyambung ke HMIS). PLC cenderung menjadi mesin - sentris, sedangkan IPC menawarkan lebih banyak keupayaan operasi.
Perbezaan antara PLC dan IPC semakin kabur. Sebagai contoh, Phoenix Contact's [1069208] PLC menjalankan sistem operasi Linux. Seperti PLC tradisional, ia boleh diprogramkan menggunakan carta aliran simbolik (SFC), rajah tangga (LD), gambarajah blok fungsi (FBD), dan teks berstruktur (ST). Ia termasuk tiga antara muka Ethernet bebas dan boleh menyambung ke Proficloud.
Schneider Electric menawarkan kotak kelebihan [hmibmia5ddd1e01] untuk aplikasi yang mendapat manfaat daripada keupayaan IPC. Reka bentuk fanless ini menggabungkan pemproses Intel Atom Atom Apollo Lake E3930 yang beroperasi pada 1.8 GHz. Ia mempunyai satu slot pengembangan PCIe mini dan sembilan pelabuhan komunikasi.
Kesimpulan
Artikel ini secara ringkas menggariskan beberapa garis panduan pereka harus mempertimbangkan ketika menentukan motor, pemacu, dan modul komunikasi untuk pemasangan industri 4.0. Ia jauh dari lengkap. Tujuannya adalah untuk menyediakan makanan untuk pemikiran dan beberapa sumber untuk penyelidikan lanjut.