Szybkie projektowanie i wdrażanie maszyn przystosowanych do pracy w przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT)

Szybkie projektowanie i wdrażanie maszyn gotowych do integracji z przemysłowym Internetem rzeczy (IIoT) stanowi wyzwanie. Maszyny współpracujące z przemysłowym Internetem rzeczy (IIoT) muszą umożliwiać szybkie wdrożenie komunikacji i koordynacji między maszynami, maszynami i zakładem oraz między maszynami i chmurą.

A to wymaga kompleksowego rozwiązania. Konieczne jest uwzględnienie pełnej gamy modułów sterujących, interfejsów i komunikacji. Podstawą jest skalowalność. Powinna ona umożliwiać uproszczoną instalację umożliwiającą szybkie wdrożenie. Ponadto rozwiązanie musi pozwalać na łatwą integrację ze środowiskami wielu dostawców, aby obsługiwać starsze urządzenia.

Korzyścią jest wyższa wydajność operacyjna na wszystkich poziomach organizacji i w całym cyklu życia maszyn.

W niniejszym artykule omówiono różne opcje sterowania silnikami firmy Schneider Electric, które zapewniają projektantom kompleksowe rozwiązania automatyki. Przedstawiono w nim cechy i zalety układów płynnego uruchamiania Altistart, napędów Altivar, przełączników Modicon Ethernet i programowanych sterowników logicznych (PLC), przekaźników sterujących Harmony oraz wyłączników automatycznych PowerPacT.

Następnie szczegółowo omówiono sposób, w jaki elementy wyspowego systemu TeSys wspierają kompleksowe rozwiązania i integrują się ze środowiskami Rockwell Studio 5000 oraz Siemens TIA Portal w celu obsługi starszych maszyn. Na zakończenie przedstawiono sposób, w jaki oprogramowanie EcoStruxure Machine Expert firmy Schneider Electric przyspiesza prace rozwojowe, konfigurację i uruchamianie rozwiązań przystosowanych do przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) maszyn.

Podstawową cechą maszyn przemysłowych jest ruch. Jest on realizowany na różne sposoby, od prostych profili ruchu w takich systemach jak pompy, przenośniki i dźwigi, po złożone profile ruchu w operacjach technologicznych i montażowych oraz robotyce.

Maszyny z prostymi profilami ruchu mogą korzystać z funkcji układów płynnego uruchamiania, takich jak układy z grupy Altistart. Układy płynnego uruchamiania Altistart zapewniają:

• Kontrolowane przyspieszenie, które zmniejsza wstrząsy mechaniczne, które mogą zwiększać zużycie i prowadzić do zwiększonych potrzeb konserwacyjnych oraz przestojów maszyn
• Ograniczanie początkowych prądów rozruchowych w celu zmniejszenia zużycia energii
• Ochronę silników przed udarami mocy, które mogą wystąpić podczas rozruchu, wydłużając okres użytkowania silników
• Wyższą niezawodność dzięki wykrywaniu usterek, takich jak zablokowany silnik, niedociążenie lub nieprawidłowe uziemienie oraz dzięki wysyłaniu alertów do operatorów maszyn

W podstawowych maszynach, które nie wymagają wysokiego rozruchowego momentu obrotowego, można zastosować układy płynnego uruchamiania z serii ATS01. Aktywacja wejścia logicznego BOOST umożliwia zastosowanie podwyższonego napięcia równego 100% znamionowego napięcia silnika przez 200ms w celu przezwyciężenia początkowego tarcia mechanicznego w układzie. Zaprogramowane narastanie napięcia rozpoczyna się po tym podwyższeniu.

Model ATS01N232RT służy do płynnego uruchamiania i zatrzymywania trójfazowych silników asynchronicznych o mocy do 15kW (20KM) z czasami przyspieszania i zwalniania od 1 do 10 sekund. Jest on zoptymalizowany pod kątem prostych zastosowań z napędem pasowym, takich jak pompy, sprężarki i wentylatory, pracujących z napięciem od 440V_~ do 480V_~. Na panelu przednim znajdują się elementy sterujące służące do ustawiania czasu rozpoczęcia, napięcia początkowego i czasu zakończenia instalacji i przekazania do użytkowania.

Projektanci bardziej wymagających maszyn technologicznych i infrastrukturalnych, takich jak mieszalniki, kruszarki i przenośniki, mogą sięgnąć po serię układów płynnego uruchamiania Altivar ATS480. W prostszych układach płynnego uruchamiania stosuje się narastanie napięcia, natomiast w przypadku układów płynnego uruchamiania ATS480 stosuje się łagodniejszy gradient momentu, a ponadto mogą one realizować funkcję hamowania.

Model ATS480C11Y pracuje przy napięciach od 208V_~ do 690V_~ (ilustracja 1). W zależności od napięcia silnika, może być używany z silnikami o mocy od 22 do 90kW (od 25 do 100KM). Posiada port komunikacji szeregowej Modbus ze złączem RJ45. Dostępne są opcjonalne karty komunikacyjne dla protokołów Profibus, PROFINET, Modbus TCP/EtherNet/IP oraz CANopen.

Ilustracja 1: omawiany układ płynnego uruchamiania Altivar jest przeznaczony do użycia z silnikami asynchronicznymi o mocy od 22 do 90kW. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Napędy bardziej zaawansowanych maszyn

Złożone profile ruchu w zaawansowanych maszynach można obsługiwać za pomocą napędów o zmiennej częstotliwości (VFD), takich jak urządzenia z grupy Altivar 320 o mocy od 0,18 do 15kW (0,25 do 20KM) do zastosowań, takich jak przenoszenie materiałów, pakowanie, tekstylia, podnoszenie, aktuatory mechaniczne i obróbka materiałów. Urządzenie ATV320U75M3C ma moc znamionową 7,5kW i działa przy napięciu zasilania od 200V_~ do 240V_~.

Aby przyspieszyć konfigurację i przekazanie do użytkowania, omawiane napędy wyposażono w 150 funkcji. Napędy te występują w konfiguracjach standardowych oraz dostosowywanych do indywidualnych potrzeb. Istnieją specjalne funkcje do takich zastosowań, jak przenoszenie materiałów, tekstylia, podnoszenie i aktuatory mechaniczne.

Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) Altivar 320 charakteryzują się wysokimi parametrami sterowania silnikami asynchronicznymi i silnikami z magnesami trwałymi, zapewniając dokładność momentu obrotowego i prędkości przy bardzo niskich prędkościach i dynamicznym ruchu ze sterowaniem wektora strumienia bez użycia czujnika. W przypadku użycia z trójfazowymi silnikami synchronicznymi i asynchronicznymi, omawiane napędy o zmiennej częstotliwości zapewniają:

• Obsługę silników wysokiej prędkości
• Dokładność statyczną prędkości dla otwartopętlowych silników synchronicznych
• Elastyczne opcje integracji systemów, w tym Ethernet, CANopen, Profibus, EtherCAT, DeviceNet i inne
• Zintegrowane funkcje zapewniające zgodność z normami bezpieczeństwa funkcjonalnego
• Formaty, takie jak napędy kompaktowe i książkowe o stopniach ochrony od IP20 do IP66 pozwalają na integrację z różnymi typami szaf (ilustracja 2)

Ilustracja 2: napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) Altivar 320 są dostępne w różnych kształtach, aby uprościć instalację i zmaksymalizować wykorzystanie miejsca w szafach sprzętowych. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Wysokowydajne maszyny wieloosiowe

Przełączniki Ethernet i programowane sterowniki logiczne (PLC) Modicon mogą obsługiwać projekty o wysokich parametrach, od pojedynczych niezależnych osi po wysokowydajne zsynchronizowane maszyny wieloosiowe wymagające szybkiego i precyzyjnego pozycjonowania oraz ruchów, takie jak robotyka.

Wspomniane natywne kontrolery brzegowe przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) mogą łączyć się bezpośrednio z chmurą za pomocą protokołu transportu telemetrycznego z kolejkowaniem komunikatów (MQTT), serwera i klienta protokołu OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) oraz szyfrowania z wykorzystaniem protokołu Transport Layer Security (TLS), a także posiadają wbudowane funkcje bezpieczeństwa i cyberbezpieczeństwa. Podwójny port Ethernet może obsługiwać protokoły Ethernet/IP oraz Modbus TCP. Dostępne są również porty RS232 i RS485, port USB oraz gniazdo karty SD.

Kontrolery TM262L służą do sterowania logiką dla wielu układów wejścia-wyjścia, w tym czterech szybkich wejść cyfrowych i czterech szybkich wyjść cyfrowych. Szybkość wykonywania jednej instrukcji wynosi dla modelu TM262L10MESE8T 5ns. Dwurdzeniowy procesor skutecznie zarządza równoległymi aplikacjami i komunikacją (ilustracja 3).

Ilustracja 3: programowany sterownik logiczny (PLC) M262 Modicon zapewnia łączność Ethernet typu maszyna-chmura oraz maszyna-zakład przystosowaną do zastosowania w przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT). (Źródło ilustracji: DigiKey)

Magistrala TM4 w grupie Modicon M262 obsługuje maksymalnie 3 moduły rozszerzeń komunikacyjnych. Moduły rozszerzeń Profibus DP (TM4PDPS1) i Ethernet (TM4ES4) mogą być używane w różnych kombinacjach z maksymalnie trzema modułami.

Eliminacja anomalii

Czasami maszyny, w tym maszyny przystosowane do przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT), muszą być chronione przed nietypowymi stanami. To w takich sytuacjach sprawdzają się przekaźniki sterujące Harmony. Mogę one monitorować zarówno stany elektryczne, jak i mechaniczne oraz identyfikować nieprawidłowości związane z prądem, napięciem, fazą, częstotliwością, prędkością, temperaturą, sterowaniem pompą, a nawet poziomem cieczy.

Szybka i dokładna identyfikacja anomalii może wydłużyć czas pracy i zmniejszyć potrzebę nieplanowanych konserwacji w zastosowaniach takich jak pompowanie, uzdatnianie wody, podnośniki i windy, systemy pakowania oraz maszyny tekstylne. Przekaźniki sterujące Harmony są dostępne z szerokim zakresem funkcji odpowiednich do potrzeb konkretnych zastosowań.

Model RMNF22TB30 jest trójfazowym przekaźnikiem ze zintegrowaną komunikacją bliskiego zasięgu (NFC). Może wykrywać siedem stanów: utratę fazy, kolejność faz, asymetrię, zbyt niskie napięcie, zbyt wysokie napięcie, zbyt niską częstotliwość i zbyt wysoką częstotliwość. Korzystając z aplikacji NFC, projektanci mogą używać operacji logicznych AND, OR i NOT, aby tworzyć niestandardowe kombinacje monitorowania dla dwóch indywidualnie konfigurowanych wyjść przekaźnikowych.

W przypadku prostszych maszyn, które wymagają jedynie monitorowania nadmiernego napięcia, projektanci mogą skorzystać z urządzenia RM22UA21MR (ilustracja 4). Omawiany jednofazowy przekaźnik sterujący posiada wybieraną funkcję pamięci oraz zintegrowaną diodę LED sygnalizującą status sterowania. Trymery śrubowe umożliwiają proste i precyzyjne ustawianie wartości progowych, a także zapewniają zarządzanie automatycznym wyłączaniem i dostarczają informacje o usterkach, co pozwala na szybką identyfikację usterek i rozwiązywanie problemów.

Ilustracja 4: jednofazowy przekaźnik nadnapięciowy o zdolności przełączania 2kVA. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Ochrona podstawowa

W zastosowaniach, w których korzystna jest bardziej podstawowa ochrona, można wykorzystać wyłączniki automatyczne PowerPacT o prądach znamionowych od 15 do 125A, dostępne w wersji jedno-, dwu-, trzy- i czterobiegunowej. Omawiane magnetyczne wyłączniki termiczne posiadają dodatnią sygnalizację zestykową i zapewniają izolację zgodnie z normami IEC/EN60947-1 oraz IEC/EN60947-2 dla „aparatury rozdzielczej i sterowniczej niskonapięciowej”.

Model BDF16020 to jednobiegunowe urządzenie 20A o znamionowym napięciu roboczym 240V_~ i częstotliwości 50/60Hz, zgodne z normą UL 489. Jego ciągły prąd znamionowy wynosi 80% maksymalnej wartości znamionowej, a zgodnie z normą IEC 60947-2 (ilustracja 5) jest to wartość znamionowa „wyłączania roboczego”. Wyświetlacz LED VisiTrip ułatwia sprawdzenie, który wyłącznik automatyczny został wyzwolony w obudowie lub panelu. Posiada on również kod QR umożliwiający dostęp do informacji, na przykład do instrukcji obsługi, numerów katalogowych i rysunków CAD.

Ilustracja 5: tego typu wyłączniki automatyczne zapewniają dodatnią sygnalizację zestykową i spełniają wymagania izolacji normy IEC/EN60947. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Zintegrowane węzły Fieldbus

TeSys to cyfrowe rozwiązanie zarządzania obciążeniem połączone z przemysłowym Internetem rzeczy (IIoT), które działa jako zintegrowany węzeł w sieci Fieldbus i zawiera moduły potrzebne do wdrożenia maszyny przystosowanej do przemysłowego Internetu rzeczy. Opiera się ono na urządzeniach wielofunkcyjnych i awatarach do zastosowań przemysłowych o obciążeniach do 80A. Pozwala przyspieszyć projektowanie, podłączanie przewodów i przekazywanie do użytkowania.

Łącznik magistrali, na przykład TPRBCEIP, to moduł główny, który zapewnia komunikację wewnętrzną z modułami wyspowymi TeSys za pośrednictwem kabli taśmowych. Jest to również punkt połączenia między wyspą TeSys a zewnętrznym systemem automatyki z wykorzystaniem komunikacji EtherNet/IP lub Modbus TCP. Wbudowany serwer sieci Web obsługuje diagnostykę i konserwację. Zawiera jeden port serwisowy Ethernet RJ45, port karty micro SD oraz port wewnętrznej magistrali łączącej moduły wyspy. Typowa konfiguracja obejmuje (ilustracja 6):

1. Łącznik magistrali
2. Moduł wejścia-wyjścia analogowego
3. Moduł wejścia-wyjścia cyfrowego
4. Moduł interfejsu napięciowego
5. Standardowe rozruszniki
6. Rozrusznik z poziomem nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL)
7. Moduł interfejsu z poziomem nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL)
8. Moduł interfejsu zasilania

Ilustracja 6: połączone urządzenia w systemie wyspowym TeSys działają jako pojedynczy węzeł w sieci Fieldbus. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Przykładowe moduły wyspowe TeSys:

• 4-biegunowy stycznik zwierny TeSys Deca 40A LC1DT406BL zgodny z normą IEC60335-1, przeznaczony do systemów przemysłowych oraz układów klimatyzacji i wentylacji
• 3-biegunowy stycznik zwierny LC1G115EHEN 150A (75kW przy 440V_~), TeSys Giga, przeznaczony do użycia w wymagających zastosowaniach z szybkością roboczą do 600 cykli na godzinę i temperaturą roboczą do +60°C
• Moduł wejścia-wyjścia cyfrowego TPRDG4X2 z czterema wejściami cyfrowymi i dwoma wyjściami cyfrowymi, odpowiedni do zarządzania silnikami i innymi odbiornikami elektrycznymi o prądzie do 65A (37kW, 40KM). Wszystkie regulacje i ustawienia odbywają się cyfrowo, nie ma mechanicznych pokręteł ani przełączników DIP
• Rozruszniki silników z komunikacją z wyspą TeSys o mocy znamionowej do 40KM (80A przy 480V). Omawiane rozruszniki z poziomem nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL) spełniają wymagania norm IEC 61508, IEC 62061 oraz ISO 13849-1 i obsługują poziomy PL d oraz SIL 2

Wyspa TeSys obsługuje również kompleksowe rozwiązania i łatwo integruje się ze środowiskami Rockwell Studio 5000 oraz Siemens TIA Portal w celu obsługi starszych maszyn.

Kompleksowe rozwiązanie

Gdy przychodzi czas na zbudowanie gotowej maszyny, projektanci mogą sięgnąć po narzędzie EcoStruxure Machine Expert. Omawiane rozwiązanie programowe umożliwia przeprowadzanie prac rozwojowych, konfiguracji, przekazywanie do użytkowania, oraz obsługę i konserwację maszyn przystosowanych do przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT).

Narzędzie EcoStruxure Machine Expert obsługuje wszystkie najnowsze bloki konstrukcyjne maszyn przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT), w tym programowane sterowniki logiczne (PLC) Modicon M262 i cyfrowy system zarządzania obciążeniem TeSys Island. Zostało ono zaprojektowane z myślą o tworzeniu maszyn zoptymalizowanych pod kątem bezpieczeństwa, niezawodności, sprawności, łączności i zrównoważonego rozwoju. Do realizacji złożonych zadań wykorzystuje przemysłowy Internet rzeczy (IIoT) z rozwiązaniami w zakresie mobilności, wykrywania, chmury, analityki i cyberbezpieczeństwa.

Podsumowanie

Maszyny z obsługą przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) są ważnym aspektem zakładów Przemysłu 4.0. Projektowanie, uruchamianie i integracja tych maszyn to złożone zadania. Firma Schneider Electric dostarcza projektantom maszyn kompleksowy zestaw urządzeń i narzędzi programowych do maszyn przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT), które zapewniają wyższą wydajność operacyjną na wszystkich poziomach organizacji i w całym cyklu życia maszyn.