W jaki sposób sprawne i łatwe przekazywanie do użytkowania przemysłowych napędów silnikowych może poprawić zrównoważony rozwój i wydajność

Efektywne procesy są cechą charakterystyczną operacji logistycznych i fabryk Przemysłu 4.0. Istnieje szeroki zakres zastosowań, które wymagają silników oraz napędów o zmiennej prędkości (VSD) i mocach od 0,12kW do 30kW (od 0,16KM do 40KM).

Przeznaczone do takich zastosowań napędy o zmiennej prędkości (VSD) muszą być łatwe w instalacji i przystosowane do pracy w temperaturach od -10°C do +60°C. Większe napędy powinny posiadać zintegrowane czopery hamowania, a niektóre zastosowania wymagają kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) w kategorii C1 według normy EN 61800‑3. Aby zapewnić nieprzerwane działanie, napędy o zmiennej prędkości (VSD) muszą być łatwe w użyciu, działać w szerokim zakresie napięć sieciowych i automatycznie dostosowywać się do ich niestabilności.

Wiele rozwiązań automatyzuje proste sekwencje ruchów i nie wymaga programowanych sterowników logicznych, natomiast można je przekazać do użytkowania za pomocą wstępnie zaprogramowanych makr lub prostych urządzeń, takich jak moduły ładujące parametry, podstawowe pulpity operatora (BOP) lub moduły inteligentnego dostępu (Smart Access).

Ponadto omawiane napędy o zmiennej prędkości (VSD) muszą być ekonomiczne w eksploatacji i zawierać zintegrowane funkcje oszczędzania energii, takie jak automatyczna redukcja strumienia w z góry określonych warunkach pracy, a także możliwość monitorowania oraz wyświetlania zużycia energii w czasie rzeczywistym.

Niniejszy artykuł rozpoczyna się od omówienia grupy napędów o zmiennej prędkości (VSD) SINAMICS V20 firmy Siemens oraz ich cech, które przyczyniają się zwiększenia zrównoważonego rozwoju i wydajności. W dalszej części omówiono sposób, w jaki wstępnie zaprogramowane makra i urządzenia, na przykład moduły ładujące parametry, podstawowe pulpity operatora (BOP) lub moduły inteligentnego dostępu (Smart Access), mogą usprawniać przekazywanie do użytkowania, wydajną pracę i bieżącą konserwację.

Napędy SINAMICS V20 mogą być używane natychmiast po wyjęciu z pudełka, bez instalowania dodatkowych modułów czy kontrolerów zewnętrznych. Zintegrowany podstawowy pulpit operatora (BOP) umożliwia przekazanie do użytkowania na miejscu. Ponadto w celu realizacji złożonych operacji można użyć uniwersalnego interfejsu szeregowego do łączenia z programowanymi sterownikami logicznymi (PLC) SIMATIC firmy Siemens. Interfejs Modbus umożliwia łączenie z programowanymi sterownikami logicznymi (PLC) oraz innymi urządzeniami innych firm.

W przypadku jednostek o mocy znamionowej powyżej 10KM rezystor hamowania można podłączyć bezpośrednio do czopera hamowania, a niektóre modele są zgodne z kategorią C1 kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) wg normy EN 61800-3. Napędy SINAMICS V20 są przeznaczone do pracy w temperaturach od -10°C do +60°C i są dostępne w mocach znamionowych od 0,12kW do 30kW. Przykłady (ilustracja 1):

• Model 6SL32105BB175UV1 o mocy znamionowej 0,75kW pracuje przy zasilaniu jednofazowym o napięciu 230V_~
• Model 6SL32105BB230UV1 o mocy znamionowej 3kW również pracuje przy zasilaniu jednofazowym o napięciu 230V_~
• Model 6SL32105BE322CV0 o mocy znamionowej 22kW pracuje przy zasilaniu trójfazowym o napięciu 400V_~

Ilustracja 1: przykłady napędów SINAMICS V20 o mocy 0,75kW (po lewej) i 22kW (po prawej) (bez zachowania skali). (Źródło ilustracji: DigiKey)

Tryby sterowania zintegrowane w napędach SINAMICS obejmują na przykład sterowanie skalarne V/f, programowalne sterowanie wielopunktowe V/f, sterowanie V²/f z automatycznym dostosowaniem strumienia w celu oszczędzania energii oraz sterowanie prądem strumienia (FCC) z automatycznym dostosowaniem wyjścia napędu do odbiornika.

Tryb podtrzymania pracy podlega automatycznej regulacji na potrzeby kompensacji niestabilnego zasilania sieciowego (ilustracja 2). W tym trybie wahania napięcia linii są kompensowane wewnętrznie, prędkość silnika jest automatycznie zmniejszana, aby zapobiec nieplanowanemu wyłączeniu, a w razie potrzeby wysyłany jest komunikat o błędzie. Może to być szczególnie przydatne w zastosowaniach automatyki budynków, takich jak pompy i wentylatory w stacjach oczyszczania wody i oczyszczalniach ścieków oraz w systemach ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC).

Ilustracja 2: tryb podtrzymania pracy urządzenia SINAMICS V20 zapewnia ciągłą pracę silnika nawet w przypadku zakłóceń zasilania sieciowego. (Źródło ilustracji: Siemens)

Maksymalizacja sprawności

W zależności od zastosowania, sprawność można zwiększyć, dostosowując prędkość silnika do aktualnego procesu. Na przykład w przypadku maszyn turbinowych, takich jak pompy, praca ze zmienną prędkością może zaoszczędzić nawet 60% energii w porównaniu do pracy ze stałą prędkością.

Napędy SINAMICS V20 posiadają zintegrowany tryb sterowania zoptymalizowanego pod kątem zużycia energii (ECO), który zwiększa sprawność. W trybie ECO strumień silnika jest automatycznie dostosowywany do optymalnego punktu pracy.

Napędy te można przełączyć w tryb hibernacji, w którym następuje wyłączenie silnika przy zachowaniu bieżącego stanu napędu. Tryb hibernacji znacznie zmniejsza zużycie energii, utrzymując jednocześnie napęd w gotowości do natychmiastowego ponownego uruchomienia w razie potrzeby.

Wykorzystanie poniższych zintegrowanych funkcji kaskadowania i bilansowania energii może jeszcze bardziej zwiększyć sprawność energetyczną:

Łączenie kaskadowe może być stosowane w wysokowydajnych pompach, wentylatorach i sprężarkach, które wykorzystują wiele silników. Łączenie i odłączanie faz przy użyciu częściowo lub w pełni sterowanych kaskad zasilających może zwiększyć ogólną sprawność systemu bez utraty parametrów.

Bilansowanie energii z wykorzystaniem napędów sprzężonych umożliwia wymianę energii za pośrednictwem wspólnego łącza prądu stałego. Bezpośrednia wymiana energii między przemiennikami może zminimalizować ogólne straty mocy w układzie i poprawić sprawność.

Podstawowy pulpit operatora (BOP) w napędach SINAMICS pozwala na wyświetlanie zużycia energii w czasie rzeczywistym. Licznik oszczędności energii może obliczać zużycie energii podczas pracy maszyny w porównaniu do pracy przy stałej prędkości, umożliwiając operatorom precyzyjne dostosowywanie procesów oraz dalszą poprawę oszczędności i zrównoważonego rozwoju.

Dążenie do zrównoważonego rozwoju

Firma Siemens opublikowała deklarację środowiskową produktu (EPD) dla napędu SINAMICS V20, w której zawarto ocenę wpływu cyklu życia (LCIA) w oparciu o normę Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej (ISO) numer 14021, „Etykiety i deklaracje środowiskowe - Własne stwierdzenia środowiskowe (etykietowanie środowiskowe II typu)".

Wspomniana ocena wpływu cyklu życia (LCIA) została oparta na modelu 6SL3210-5BE21-5UV0 o mocy znamionowej 1,5kW i zasilaniu 3-fazowym o zakresie napięć znamionowych od 380V_~ do 480V_~. Uwzględniono w niej wpływ produkcji, dystrybucji, eksploatacji, wycofania z eksploatacji po zakończeniu cyklu życia oraz utylizacji i recyklingu napędów SINAMICS V20. Największe znaczenie w szacowanym 15-letnim okresie użytkowania napędów ma okres eksploatacji. Analiza bazuje na 5000 godzin pracy w roku i następujących trzech punktach pracy (OP):

• OP1: 20% czasu przy 100% prędkości i 100% momencie obrotowym
• OP2: 70% czasu przy 50% prędkości i 25% momencie obrotowym
• OP3: 10% czasu przy 20% prędkości i 25% momencie obrotowym

Szacuje się, że podczas pracy w ciągu 15 lat napęd wytworzy 1059,13kg ekwiwalentnego CO₂, podczas gdy produkcja odpowiada za zaledwie 40,6kg ekwiwalentnego CO₂, a wycofanie z eksploatacji, utylizacja i recykling przyczyniły się do odzyskania części gazów cieplarnianych w ilości -3,6kg ekwiwalentnego CO₂.

W Przemyśle 4.0 szybkie i elastyczne przekazanie do użytkowania może być ważnym aspektem maksymalizacji oszczędności energii i zrównoważonego rozwoju. Użytkownicy mają do wyboru kilka możliwości przyspieszenia przekazania do użytkowania napędów SINAMICS V20 w celu umożliwienia szybkiego przezbrajania.

Sprawne przekazywanie do użytkowania z użyciem makr

Funkcja szybkiego przekazywania do użytkowania zmienia cztery zestawy parametrów jednocześnie, w tym dane silnika, makra połączeń, makra zastosowania i ważne parametry. Dane silnika rozpoczynają się od wyboru parametrów europejskich lub północnoamerykańskich (tj. kW albo KM), napięcia znamionowego, prądu, mocy, częstotliwości, sprawności itp.

Szczególnie ważnymi aspektami sprawnego przekazywania do użytkowania są makra połączeń i zastosowań.

• Makra połączeń obejmują: identyfikowanie podstawowego pulpitu operatora (BOP) jako jedynego źródła sterowania lub włączanie sterowania z zacisków PNP/NPN, stałe prędkości, wejście analogowe, stałą częstotliwość, sterowanie za pomocą przycisków zewnętrznych, zewnętrzne przyciski z analogową wartością zadaną, sterowanie proporcjonalno-całkująco-różniczkujące (PID) z analogowym wejściowym sygnałem referencyjnym, sterowanie proporcjonalno-całkująco-różniczkujące (PID) z ustaloną wartością referencyjną, sterowanie USS oraz sterowanie MODBUS RTU.
• Dostępne do wyboru są makra urządzeń, takich jak prosta pompa, wentylator, sprężarka i przenośnik. Na przykład parametry zawarte w prostym makrze pompy to częstotliwość minimalna, tryb sterowania, nastawa ograniczania częstotliwości, automatyczne ponowne uruchamianie i czas narastania.

Podczas szybkiego przekazywania do użytkowania można dostosować indywidualne parametry, takie jak nastawa częstotliwości, częstotliwość minimalna i maksymalna oraz czasy narastania i opadania. Oprócz samego przyspieszenia przekazania do użytkowania, użycie zintegrowanej funkcji szybkiego przyspieszania przekazania do użytkowania może wyeliminować błędy wynikające z nieprawidłowych ustawień parametrów, co jeszcze bardziej skraca czas wdrożenia.

Klonowanie parametrów do wielu napędów

Po sfinalizowaniu zestawów parametrów, moduł ładujący parametry pozwala na przesyłanie i pobieranie zestawów parametrów między urządzeniem V20 i kartą SD. Do klonowania zestawów parametrów w wielu napędach można użyć modułu ładującego parametry i karty SD. Parametry można wczytać do napędów jeszcze przed ich dostarczeniem do hali produkcyjnej, co dodatkowo przyspiesza ogólny proces przekazywania do użytkowania i zmniejsza zapotrzebowanie na wsparcie techniczne.

Oprócz gniazda karty SD, w module ładującym parametry V20 znajduje się miejsce na dwie baterie pierwotne w rozmiarze AA, które mogą zasilać napęd podczas pobierania parametrów, eliminując konieczność podłączania go do źródła zasilania sieciowego. Moduł ładujący parametry V20 posiada również interfejs Micro USB, który można podłączyć do zewnętrznego źródła o napięciu 5V₌, eliminując potrzebę stosowania baterii pierwotnych (ilustracja 3).

Ilustracja 3: opcjonalny moduł ładujący parametry może służyć do przesyłania lub pobierania parametrów napędu V20 na kartę SD i umożliwia szybkie klonowanie parametrów do wielu napędów. (Źródło ilustracji: Siemens)

Zewnętrzny podstawowy pulpit operatora (BOP)

Do zdalnego sterowania przemiennikami V20 można użyć opcjonalnego zewnętrznego podstawowego pulpitu operatora (BOP). Zewnętrzny podstawowy pulpit operatora (BOP) jest przeznaczony do montażu na zewnątrz szafy sprzętowej i podłączany do modułu interfejsu przymocowanego do napędu. Zewnętrzny podstawowy pulpit operatora (BOP) i moduł interfejsu obsługują łączność RS232 i mogą być łączone za pomocą kabla o długości do 3m.

Po prawidłowym montażu, zewnętrzny podstawowy pulpit operatora (BOP) posiada stopień ochrony IP54 oraz typ 1 wg normy UL/cUL, zapewniając personelowi ochronę przed niebezpiecznymi napięciami oraz ochronę napędu V20 przed ciałami stałymi, takimi jak brud i kurz. Zewnętrzny podstawowy pulpit operatora (BOP) powiela interfejs podstawowego pulpitu operatora (BOP) zintegrowany w urządzeniu V20 (ilustracja 4).

Ilustracja 4: zewnętrzny podstawowy pulpit operatora (BOP), którym można sterować napędami V20 oddalonymi o maksymalnie 3 metry i znajdującymi się poza szafą sterującą. (Źródło ilustracji: Siemens)

Sterowanie bezprzewodowe

Aby osiągnąć maksymalną elastyczność podczas przekazywania do użytkowania, użytkownicy mogą sięgnąć po moduł SINAMICS V20 Smart Module (ilustracja 5). Moduł Smart Access łączy się bezpośrednio z napędem V20 i jest modułem serwera sieci Web ze zintegrowaną łącznością Wi-Fi. Umożliwia on przekazywanie do użytkowania i monitorowanie napędów V20 za pośrednictwem Internetu z poziomu urządzeń użytkownika, takich jak laptop z kartą sieci bezprzewodowej, tablet lub smartfon. Może być używany z dowolnym systemem operacyjnym i dowolną przeglądarką internetową obsługującą język HTML5, taką jak Chrome, Internet Explorer (IE) i Safari.

Ilustracja 5: omawiany moduł Smart Access zapewnia łączność Wi-Fi na potrzeby przekazywania do użytkowania, sterowania, monitorowania i diagnozowania napędów V20. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Moduł SINAMICS V20 Smart Access zapewnia łatwy dostęp do napędu, nawet w trudno dostępnych miejscach. Intuicyjny graficzny interfejs użytkownika (GUI) i kreator przekazywania do użytkowania ułatwiają jego użycie. Moduł Smart Access posiada obsługę tego samego kreatora szybkiej konfiguracji co podstawowy pulpit operatora (BOP), umożliwiając szybkie i łatwe przekazywanie do użytkowania, a w tym:

• Wprowadzanie danych silnika
• Możliwość aktywowania makr połączeń
• Możliwość wybierania i aktywowania makr urządzeń
• Możliwość ustawiania często używanych parametrów

Moduł Smart Access można skonfigurować tak, aby dostarczał kody usterek pocztą elektroniczną w celu bezpośredniego zdalnego monitorowania. Zawiera też liczne funkcje zabezpieczeń kontrolujące dostęp do danych i funkcji sterowania. Moduł Smart Access posiada rozbudowane bezprzewodowe funkcje internetowe, w tym:

• Szybkie przekazywanie do użytkowania
• Parametryzacja konwertera
• Działanie silnika w trybie pracy bezpośredniej/ręcznej
• Monitorowanie statusu V20
• Diagnostyka usterek i alarmów
• Tworzenie kopii zapasowych i przywracanie danych

Podsumowanie

Napędy SINAMICS V20 firmy Siemens koncentrują się na zrównoważonym rozwoju i elastyczności. Dzięki licznym trybom pracy i funkcjom oszczędzania energii, omawiane napędy pozwalają zmaksymalizować sprawność w szerokim zakresie prostych zastosowań ruchowych o mocy od 0,12kW do 30kW. Tryb podtrzymania pracy gwarantuje ciągłość działania infrastruktury krytycznej, takiej jak oczyszczalnie ścieków i stacje uzdatnianie wody oraz funkcje klimatyzacji i wentylacji w systemach automatyki budynków. Elastyczność zapewniają liczne sposoby wdrożenia szybkiego przekazywania do użytkowania z wykorzystaniem zintegrowanego podstawowego pulpitu operatora (BOP), zdalnego podstawowego pulpitu operatora (BOP), łączności bezprzewodowej za pomocą modułu Smart Access, a także wstępnie zaprogramowanych makr urządzeń oraz innych narzędzi.