Избор оптималне опреме за индустријску аутоматизацију као што су мотори, погони и комуникациони модули захтева пажљиву пажњу на детаље. На пример, Северноамеричко национално удружење произвођача електричне енергије (НЕМА) и Европска међународна електротехничка комисија (ИЕЦ) показују бројне разлике у оценама мотора и погона.
Фактори које треба узети у обзир при одабиру мотора, погона и контролера укључују улазне и излазне напоне и толеранције, потребне опсеге брзине и потребе за регулацијом, захтеве обртног момента, убрзање, циклусе кочења, посебне захтеве као што су брзи одзив или одзив обртног момента и факторе околине укључујући управљање топлотом.
Комуникациони захтеви варирају у зависности од положаја уређаја у хијерархији индустријске контроле. На слоју најближем ивици фабрике, протоколи као што је ИО-Линк могу да се користе за паметне сензоре и актуаторе, док ЕтхерЦАТ, ПРОФИНЕТ, Модбус и други протоколи повезују системе за кретање, безбедност, И/О и вид.
Највиши слој фабричких аутоматизованих мрежа обично користи Етхернет/ИП за повезивање различитих аутоматизованих контролера, програмских интерфејса и облака, поред протокола као што је ДисплаиПорт за интерфејсе људи{0}}машине (ХМИ). Између ових слојева, комбинација Етхернет/ИП, ЕтхерЦАТ и других протокола повезује ниво поља у радњи са оперативним и контролним слојевима.
Детаљи су превише бројни да би их свеобухватно покрили у једној дискусији. Уместо тога, овај чланак представља неколико смерница које треба узети у обзир приликом одређивања мотора, погона и комуникационих модула, заједно са примерима апликација, хардвера и протокола од [Сиеменс], [Пхоеник Цонтацт], [Омрон Аутоматион], Панасониц [Индустриал] и [Сцхнеидер Елецтриц].
Промена фокуса
Мотори и погони су уобичајени елементи у многим системима индустријске аутоматизације. Као полазна тачка за ову дискусију, корисно је разумети где се ефикасност мотора уклапа у шире разматрање перформанси система индустријске аутоматизације и како се фокус померио.
Коришћењем ефикаснијих мотора може се уштедети до 6% енергије. То је добро. Међутим, додавање-високоефикасних погона и пратећих компоненти може да уштеди до 30% енергије.
Када се фокус помери на холистичку оптимизацију система, појављују се истинске{0}}променљиве игре. Узимањем у обзир свих механичких компоненти и додавањем комуникације за интеграцију са индустријским интернетом ствари (ИИоТ)-који обухвата оперативне и фабричке нивое, на крају се постиже ниво предузећа и облака-може се постићи уштеда до 60% у потрошњи енергије и већа енергетска продуктивност (Слика 1).
Слика 1: Побољшани нивои интеграције и комуникације могу уштедети више енергије и повећати продуктивност. (Извор слике: Сиеменс)Еко{0}}дизајн моторних система
ИЕЦ 61800-9 Део 2, „Еко-дизајн моторних система - Одређивање и класификација енергетске ефикасности“, може послужити као кључни ресурс. Не фокусира се само на ефикасност мотора, већ детаљно описује низ фактора перформанси вишег нивоа за „моторне погонске системе“. ВФД-ови се сматрају комплетним погонским модулима (ЦДМ), који се састоје од АЦ улазне „секције за напајање“, „основног погонског модула“ (БДМ) попут самог ВФД-а и „помоћне опреме“ укључујући улазно/излазне филтере, линијске пригушнице и друге пратеће компоненте.
Стандард даље дефинише Повер Дриве Систем (ПДС) као ЦДМ плус мотор. Након тога, описује систем мотора као ПДС плус опрему за контролу мотора као што су контактори.
Највиши ниво је проширени производ, или укупан систем на слици 1, који додаје опрему механичког погона као што су мењачи и машине за оптерећење. За детаљније разумевање стандарда ефикасности ИЕЦ 61800-9-2 ПДС, погледајте чланак „[Које су различите врсте индустријских моторних погона са променљивом брзином?]“.
Полазна тачка за одређивање „система погона мотора“ је сам мотор.
Мотор Цонсидератионс
Када се правилно специфицирају и користе, мотори могу бити високо ефикасне машине. Ово чини избор мотора критичним задатком за дизајнере машина.
ИЕЦ квантификује снагу мотора у киловатима (кВ), док НЕМА користи коњске снаге (хп), чинећи директну еквивалентност једноставном. Међутим, ИЕЦ и НЕМА користе различите прорачуне ефикасности; за идентичне дизајне мотора, ефикасност ИЕЦ натписне плочице може мало премашити НЕМА оцене.
Стварна ефикасност мотора је уско повезана са специфичним применама. Сходно томе, стандарди ефикасности мотора се обично разматрају у смислу смањених губитака енергије, а не апсолутних вредности ефикасности.
ИЕЦ 60034-30-1 препознаје пет класа ефикасности мотора, у распону од ИЕ1 до ИЕ5. Губици енергије се смањују за 20% између узастопних класа. То значи да ИЕ5 "Ултра Премиум" мотор показује 20% мање губитке од ИЕ4 "Супер Премиум" мотора. Додатни фактори оправдавају разматрање. У одређеним сценаријима, мотори веће ефикасности могу показати смањени фактор снаге (ПФ).
У Северној Америци, НЕМА-ине оцене енергетске ефикасности су мање уобичајене, али подједнако важне. НЕМА препознаје фактор сервисирања мотора (СФ), који није укључен у ИЕЦ стандарде. НЕМА мотор са СФ од 1,15 може радити континуирано са 115% свог номиналног капацитета, иако то резултира вишим радним температурама мотора, што доводи до смањеног века трајања лежаја и изолације.
ИЕЦ идентификује десет оперативних типова или фактора услуге (С1 до С10) на основу разматрања као што су континуирани у односу на повремени рад, варијација брзине и употреба кочница, а не СФ.
НЕМА и ИЕЦ се разликују по опсегу напона и фреквенције, али су оба изражена у количинама "по јединици" (пу). У систему пу, количине су представљене као разломци основне вредности. НЕМА идентификује низ напона и фреквенција мотора. ИЕЦ идентификује две „зоне“ (слика 2).
Слика 2: Поређење НЕМА и ИЕЦ индустријских опсега наизменичног напона и фреквенције. (Извор слике: НЕМА)
Повећање ефикасности ПДС-а
Моторни погони су кључне компоненте за ефикасност ПДС као што је дефинисано у ИЕЦ 61800-9-2. Могу се категорисати на различите начине, као што су напон мотора, ниво снаге, тип покрета, подржане апликације и још много тога. Типови кретања се могу класификовати као континуирани и дисконтинуални. На основу захтеване максималне излазне снаге, могу се даље поделити на категорије ниских-перформанси, средњих перформанси и високих перформанси.
Различити типови диск јединица подржавају различите системске захтеве. Серво погони и мотори су-погодни за апликације као што је роботика која захтева брзо убрзање, успоравање и прецизно позиционирање. Меки стартери су идеални за континуирани рад, као што су транспортери који имају користи од глатког покретања и заустављања. ВФД се широко користе у разним индустријским машинама.
Одређене ВФД линије производа су оптимизоване за операције као што су пумпање, вентилација, компресија, мобилне апликације или машинска обрада. Погони опште намене Сиеменс СИНАМИЦС Г120 серије{2}} имају снагу од 0,55 до 250 кВ (0,75 до 400 КС) и погодни су за општу индустријску примену у аутомобилској, текстилној и амбалажној индустрији.
Модел [6СЛ32203ИЕ340УФ0] ради на трофазно напајање са опсегом улазног напона од 380 до 480 Вац ±10% / -20%. У Европи су мотори од 22 до 30 кВ специфицирани за рад од 400 В, док су у Северној Америци мотори од 30 до 40 КС назначени за 480 В (Слика 3).
Слика 3: Овај ВФД се може користити са моторима снаге од 22 до 30 кВ, у зависности од радног напона. (Извор слике: ДигиКеи)
ВФД нису једини кључ за ефикасан ПДС дизајн. Чланак „[Који су пратећи производи потребни да би се максимизирао утицај коришћења ВФД-а и ВСД-а? - Део 1]“ даје преглед неких битних пратећих компоненти.
Комуникација и оптимизација система
Иако се мотори и погони налазе на првом нивоу или нивоу поља фабрике, они нису најнижи слој у хијерархији комуникације индустрије 4.0. Ова позиција припада функцијама нивоа 0 као што су сензори и актуатори. Штавише, постоји више нивоа изнад нивоа поља. Да би се максимизирала укупна ефикасност, продуктивност и одрживост постројења индустрије 4.0, неопходна је благовремена и ефикасна комуникација од хијерархије комуникације до облака. Следећи протоколи олакшавају повезивање са облаком:
- уОПЦ ПубСуб Бридге интегрише вишеструке токове података оперативних технологија (ОТ).
- МОТТ Брокер прима поруке и прослеђује их корисницима на основу тема порука.
Ниво 1 обухвата више од само погона и мотора. Фиелдбус Мастер Унитс (ФМУ) олакшавају комуникацију и поједностављују интеграцију претварача и других уређаја. ФМУ подржавају различите протоколе укључујући ПРОФИНЕТ, ПРОФИБУС, ДевицеНет, ЦАНопен и још много тога. Коришћење ФМУ-а омогућава повезивање{4}}независно од произвођача.
Панасоницов [АФП7НПФНМ] модел је ПРОФИНЕТ ФМУ. Поседује интегрисану библиотеку функција са софтвером за програмирање, што значајно смањује време развоја специфичних апликативних решења.
Сензори, актуатори и ниво безбедности 0
Да би се максимизирале ПДС уштеде енергије у ВФД-овима, повезивање мора бити сведено на ниво 0. Интегрисање сензора, актуатора и сигурносних уређаја као што су светлосне завесе на нивоу 0 значајно повећава ефикасност, постижући уштеду енергије која прелази 30%.
Уобичајени протоколи за повезивање функција нивоа 0 укључују ДевицеНет, ХАРТ, Модбус и ИО{1}}линк. ИО-Линк је-то-протокол од тачке до тачке који повезује сензоре и актуаторе са контролерима вишег-нивоа. Доступан као жичани и бежични стандарди, све се више примењује у Индустрији 4.0 као исплатива алтернатива-.
[Омрон-ов НКС{{0}ИЛМ400] ИО-Мастер јединице везе могу да мешају стандардни И/О са-синхроним У/И великом брзином. Стандардни дигитални И/О нуди 16 веза по јединици, са опцијама које укључују:
- Четири 3-жична сензора са напајањем
- Осам 2-жичних контактних улаза или излаза актуатора
- Шеснаест 1-жичних прикључака за сензоре и актуаторе повезане на заједничко напајање
ПДС ниво 2 и више
Комуникација{0}}високог нивоа побољшава операције на терену, али је неопходна за максимизирање организационе ефикасности и продуктивности. Од нивоа 2 до нивоа 3 и 4, облак захтева протоколе као што су Етхернет/ИП, ЕтхерЦАТ и Модбус ТЦП/ИП.
Уређаји који се користе за успостављање ових веза укључују програмабилне логичке контролере (ПЛЦ) или индустријске персоналне рачунаре (ИПЦ). ПЛЦ-ови су рачунари оптимизовани за индустријску аутоматизацију и контролу. У типичним апликацијама, ПЛЦ надгледа улазе са машина и повезаних сензора, доноси одлуке на основу свог програмирања и шаље контролне излазе.
Иако ИПЦ-и могу да обављају функције попут ПЛЦ-а, они су{1}}уређаји опште намене. Покрећући оперативне системе као што су Линук или Виндовс, они приступају ширем спектру софтверских алата и обично се повезују на ХМИ (иако се многи ПЛЦ-ови такође повезују на ХМИ). ПЛЦ-ови су обично усмерени на{4}}машине, док ИПЦ-и нуде више оперативних могућности.
Разлика између ПЛЦ-а и ИПЦ-а је све нејаснија. На пример, ПЛЦ [1069208] компаније Пхоеник Цонтацт покреће Линук оперативни систем. Као и традиционални ПЛЦ-ови, може се програмирати помоћу симболичког дијаграма тока (СФЦ), лествичастог дијаграма (ЛД), дијаграма функционалног блока (ФБД) и структурираног текста (СТ). Укључује три независна Етхернет интерфејса и може се повезати на ПРОФИЦЛОУД.
Сцхнеидер Елецтриц нуди [ХМИБМИЕА5ДД1Е01] ИИоТ Едге Бок за апликације које имају користи од ИПЦ могућности. Овај дизајн без вентилатора укључује двојезгарни- процесор Интел Атом Аполло Лаке Е3930 који ради на 1,8 ГХз. Поседује један мини ПЦИе слот за проширење и девет комуникационих портова.
Закључак
Овај чланак укратко описује неке смернице које би дизајнери требало да узму у обзир при одређивању мотора, погона и комуникационих модула за инсталације Индустрије 4.0. Далеко је од исцрпног. Његова сврха је да пружи храну за размишљање и неке ресурсе за даља истраживања.