Szybka instalacja, podłączanie i integracja jednoosiowych napędów o zmiennej prędkości (VSD) w systemach automatyki Przemysłu 4.0

Jednoosiowe napędy o zmiennej prędkości (VSD) są niezbędne w zastosowaniach przemysłowych, takich jak pompy, wentylatory, sprężarki, przenośniki oraz w operacjach przetwórczych, np. z użyciem młynów i mieszalników. Zastosowania te charakteryzują się prostymi sekwencjami ruchów i wymagają wydajnych napędów o zmiennej prędkości (VSD), aby umożliwić szybką i ekonomiczną implementację podstawowych funkcji napędu przy zachowaniu krótkiego czasu przekazania do użytkowania.

Mogą one wymagać różnych trybów sterowania, na przykład trybu sterowania skalarnego V/f, programowalnego sterowania wielopunktowego V/f, sterowania V²/f z automatycznym dostosowaniem strumienia w celu oszczędzania energii oraz sterowania prądem strumienia (FCC) z automatycznym dostosowaniem wyjścia napędu do odbiornika. Ekonomicznie efektywne wdrażanie i integracja mają kluczowe znaczenie dla systemów przemysłowych i są łatwiejsze dzięki następującym cechom:

• Wybór wstępnie skonfigurowanych zastosowań
• Kompaktowe rozmiary
• Wstępnie ustawione parametry komunikacji
• Efektywne przenoszenie ustawień parametrów do wielu urządzeń
• Bezprzewodowe przekazywanie do użytkowania, obsługa i diagnostyka
• Makra połączeń i zastosowań upraszczające konfigurację i oprzewodowanie wejścia-wyjścia

W niniejszym artykule przedstawiono grupę wzmocnionych i energooszczędnych jednoosiowych napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) firmy Siemens, zaprojektowanych z myślą o uproszczeniu instalacji. Omówiono również szereg zintegrowanych funkcji, podstawowe akcesoria systemowe oraz wiele bardziej wyspecjalizowanych i zaawansowanych modułów dodatkowych, a także sugestie dotyczące integracji na podstawie kontrolerów firmy Siemens. Na zakończenie przeanalizowano niektóre zagadnienia dotyczące integracji wspomnianych napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) w szafach sterujących, zgodnych z wymogami w zakresie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i przemysłowych systemach ruchu.

Cyfryzacja sterowania silnikami niesie ze sobą wiele korzyści dla przemysłowych jednoosiowych systemów ruchu. Zastąpienie prostych mechanicznych elementów sterujących napędem o zmiennej prędkości (VSD) umożliwia systemowi natychmiastową reakcję w przypadkach pracy przy częściowym obciążeniu i może zmniejszyć pobór mocy o 50%, a nawet więcej. Praca ze zmienną prędkością może również zminimalizować zużycie silników i komponentów mechanicznych, zmniejszając potrzebę konserwacji i poprawiając dostępność.

Platforma SINAMICS V20 firmy Siemens jest dostępna w dziewięciu rozmiarach ram i obejmuje zakres mocy od 0,12kW do 30kW (od 0,16KM do 40KM) (ilustracja 1). Przykładowe napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) SINAMICS V20 to m.in. napęd 6SL3210-5BB11-2UV1 z zakresem mocy od 0,12kW do 3kW, jednofazowy model 6SL3210-5BB23-0UV1 o napięciu wejściowym 230V_~ oraz trójfazowy model 6SL3210-5BE32-2UV0 z zakresem mocy od 0,37kW do 30kW na napięcie 480V_~.

Ilustracja 1: dziewięć rozmiarów ram przetwornic SINAMICS V20 od FSAA do FSE (od 0,16 do 40KM). (Źródło ilustracji: Siemens)

Sprawność jest główną korzyścią ze stosowania napędów SINAMICS V20. Są kompaktowe, efektywnie wykorzystują przestrzeń, są szybkie w instalacji i przekazaniu do użytkowania, pozwalają na efektywne wykorzystanie czasu i pieniędzy, a także są energooszczędne i proekologiczne dla naszej planety. Oto niektóre z wielu cech:

• Ekonomiczna praca dzięki wielu trybom sterowania, w tym V/f, V²/f, FCC oraz sterowania wielopunktowego V/f
  • Oszczędność energii można zwiększyć, korzystając z trybu ECO dla sterowania V/f, V²/f oraz trybu hibernacji
  • Oszczędność energii można monitorować bez zewnętrznych urządzeń do pomiaru mocy i wyświetlać w kWh, CO2 lub walucie
• Zasilanie z sieci jednofazowej lub 3-fazowej
  • Modele jednofazowe na napięcia od 200 do 240V_~ (-10% / +10%) można również podłączyć do dwóch faz sieci 3-fazowej 120 / 240V_~
  • Trzy fazy z napięciem od 380 do 480V_~ (–15% / +10%)
• Wstępnie skonfigurowane makra zastosowań skracają czas przekazania urządzenia do użytkowania
• Wstępnie ustawione parametry komunikacji przyspieszają przekazanie urządzenia do użytkowania dzięki użyciu standardowych bibliotek i makr połączeń
• Automatyczna adaptacja do niestabilnych napięć sieciowych zapewnia stabilną pracę, zapobiega przerwom w działaniu i pomaga uzyskać wyższą wydajność
• Wytrzymałość przeciążeniowa do 150% przez 60s w czasie cyklu 300s
• Maksymalne napięcie wyjściowe wynosi 100% napięcia wejściowego
• Ładowanie parametrów bez zasilania pozwala na szybką konfigurację wielu jednostek
• Przekazywanie do użytkowania za pomocą urządzenia mobilnego lub laptopa z serwerem sieciowym Smart Access
• Zintegrowane makra zastosowań i połączeń

Zintegrowane funkcje

Napędy SINAMICS V20 posiadają szereg zintegrowanych funkcji, które przyspieszają wdrożenie i upraszczają integrację, takich jak np. regulator proporcjonalno-różniczkująco-całkujący (PID) do zadań sterowania procesami, zintegrowany czoper hamowania w 2 największych rozmiarach ram oraz funkcja sprzęgania prądu stałego, która pozwala na obsługę dwóch jednakowych wielkości napędów do pracy w tandemie w celu zwiększenia oszczędności energii. Regulatory proporcjonalno-różniczkująco-całkujące (PID) można wykorzystywać w prostych zadaniach technologicznych, takich jak sterowanie ciśnieniem, poziomem lub natężeniem przepływu względem nastawy.

Regulator proporcjonalno-różniczkująco-całkujący (PID) zawiera funkcję automatycznego dostrajania w celu zapewnienia optymalnego działania i może obsługiwać pracę silnika w trybie stopniowania. Stopniowanie silnika pozwala na sterowanie maksymalnie 2 dodatkowymi (zainstalowanymi kaskadowo) silnikami. W tym przypadku układ składa się z silnika głównego, sterowanego przez przemiennik i dwóch dodatkowych silników sterowanych za pomocą styczników lub rozruszników sterowanych wyjściami cyfrowymi na przemienniku.

Ramy w rozmiarach FSD i FSE posiadają zintegrowany czoper hamowania. W przypadku innych rozmiarów ram dostępny jest zewnętrzny moduł hamulca (patrz niżej). Silnik może być hamowany elektrycznie lub mechanicznie.

• Opcje hamulców elektrycznych
  • Hamowanie prądem stałym wykorzystuje uzwojenia stojana w celu wytworzenia znacznego momentu hamującego. Chociaż hamowanie prądem nie nadaje się do utrzymywania zawieszonych ładunków, może ono utrzymywać wał w nieruchomej pozycji po zatrzymaniu obrotu.
  • Hamowanie złożone polega na połączeniu hamowania prądem stałym z hamowaniem odzyskowym, w którym podczas hamowania przemiennik odzyskuje energię do zasilania obwodu prądu stałego.
  • Hamowanie dynamiczne przekształca energię odzyskową w ciepło. Wdrożenie hamowania dynamicznego wymaga zewnętrznego rezystora hamowania w celu rozproszenia energii.
• Mechaniczny silnik trzymający hamulec może być sterowany przez wewnętrzną logikę, aby zapobiec obracaniu się silnika po wyłączeniu przemiennika.

Napędy SINAMICS V20 zawierają również funkcję sprzężenia prądu stałego, która umożliwia elektryczne sprzężenie dwóch przemienników o jednakowych rozmiarach za pomocą łącza prądu stałego. W stosownych przypadkach sprzężenie prądu stałego może obniżyć koszty energii, umożliwiając wykorzystanie przez jeden przemiennik energii odzyskowej pobranej z drugiego przemiennika. Przemienniki mogą współużytkować jeden dynamiczny układ hamowania, co obniża koszty instalacji. W niektórych przypadkach sprzężenie prądu stałego może wyeliminować potrzebę stosowania modułu hamowania dynamicznego i rezystora hamowania dynamicznego.

Podstawowe akcesoria systemowe

Oprócz zintegrowanych funkcji, użyteczność przemienników SIMAMICS V20 można zwiększyć, dodając kilka akcesoriów systemowych, takich jak podstawowy pulpit operatora (BOP) i interfejs podstawowego pulpitu operatora, inteligentny moduł dostępowy oraz moduł ładujący parametry (ilustracja 2):

• Platforma SIMAMICS V20 posiada zintegrowany panel sterujący, ale w niektórych zastosowaniach korzystne może być dodanie podstawowego pulpitu operatora (BOP) do zdalnego sterowania urządzeniem. Podstawowy pulpit operatora (BOP) jest przeznaczony do montażu rozproszonego i posiada klasę obudowy UL Type 1.
• Podstawowy pulpit operatora (BOP) łączy się z urządzeniem SINAMICS V20 za pomocą specjalnego modułu interfejsu podstawowego pulpitu operatora, podłączanego do portu rozszerzeń w przemienniku i posiadającego interfejs RS232 do podłączania do podstawowego pulpitu operatora.
• Moduł inteligentnego dostępu posiada wbudowany serwer sieci Web, który upraszcza przekazywanie do użytkowania i obsługę urządzeń SINAMICS V20 za pomocą smartfona, laptopa lub tabletu. Funkcje obsługiwane przez ten moduł:
  • Kreator przyspieszający przekazanie urządzenia do użytkowania
  • Ustawianie i zapisywanie parametrów lub przywracanie ustawień fabrycznych
  • Próby silników
  • Monitorowanie danych operacyjnych
  • Wykonywanie testów diagnostycznych systemu
• Programem ładującym parametry można przesłać do urządzenia SINAMICS V20 lub pobrać z niego maksymalnie 100 zestawów parametrów. Moduł ładujący parametry z zasilaniem bateryjnym może być używany bez włączania zasilania napędu.

Ilustracja 2: przemiennik FSAA SINAMICS V20 0,16KM z czterema popularnymi modułami rozszerzeń. (Źródło ilustracji: Siemens)

Więcej akcesoriów

W razie potrzeby można dodać filtry liniowe. Aby spełnić wymagania normy EN 61800-3 w zakresie emisji przewodzonych i promieniowanych kategorii C2, dla przemienników SINAMICS V20 konieczne są zewnętrzne filtry zapewniające kompatybilność elektromagnetyczną (modele 400V z filtrem i bez, a także modele 230V z filtrem). Na przykład model 6SL32030BE177BA0 jest przeznaczony do użytku z przemiennikami 400V w rozmiarze ramy FSA.

Dławiki liniowe służą do wygładzania napięć szczytowych lub mostkowania spadków komutacyjnych. Dławiki te zmniejszają również wpływ harmonicznych na zasilanie sieciowe i przetwornicę.

Hamowanie można wdrożyć za pomocą modułu hamowania 6SL32012AD208VA0 (ilustracja 3), dostępnego pod rozmiary ramy od FSAA do FSC. Urządzenia z rozmiarem ramy FSD i FSE posiadają zintegrowany czoper hamowania i nie wymagają modułu zewnętrznego. We wszystkich przypadkach lepsze parametry hamowania i lepsze opóźnienie hamowania można uzyskać dodając zewnętrzny rezystor hamujący, taki jak model 6SE64004BC050AA0, w celu rozproszenia energii odzyskowej wytwarzanej przez silnik.

Ilustracja 3: moduł hamowania do napędów silnikowych SINAMICS V20. (Źródło ilustracji: DigiKey)

W zastosowaniach wymagających wejść lub wyjść można dodać moduł rozszerzeń wejścia-wyjścia SINAMICS V20 (ilustracja 4). Moduł jest montowany bezpośrednio na przemiennikach 400V i posiada dwa wejścia cyfrowe oraz dwa przekaźnikowe wyjścia cyfrowe. Na przykład moduł rozszerzeń wejścia-wyjścia może być używany w zastosowaniach ze sterowaniem wieloma pompami, umożliwiając sterowanie maksymalnie czterema pompami za pomocą jednego przemiennika SIMAMICS V20. Wspomniany moduł jest również przydatny, gdy konieczne jest sterowanie wieloma wentylatorami lub sprężarkami. Posiada on złącza z przodu oraz z tyłu i może być łączony z innymi akcesoriami, takimi jak interfejs podstawowego pulpitu operatora (BOP) i moduły inteligentnego dostępu. Nie można go jednak używać jednocześnie jako modułu ładującego parametry.

Ilustracja 4: moduł rozszerzeń montowany z przodu napędu SINAMICS V20. (Źródło ilustracji: Siemens)

Dławiki wyjściowe, takie jak model 6SL3202-0AE16-1CA0, pod rozmiar ramy ASB, mogą zmniejszyć obciążenie napięciowe uzwojeń silnika (ilustracja 5). Wspomniane dławiki wyjściowe zmniejszają również pojemnościowe prądy ładowania i rozładowania, które mogą obciążać przemiennik w przypadku używania długich kabli silnikowych.

Ilustracja 5: dławik wyjściowy do 3-fazowych napędów SINAMICS V20 o mocy 0,5KM, na napięcia od 380V_~ do 480V_~ i prąd 6,1A. (Źródło ilustracji: Siemens)

Integracja z większymi systemami

Napędy SINAMICS V20 są przeznaczone do sterowania z użyciem kontrolera SINAMICS S7-1200 lub S7-1500, np. model 6ES75173FP000AB0, za pośrednictwem interfejsu RS485 i przy użyciu protokołu uniwersalnego interfejsu szeregowego (USS). Dostępne są przykładowe projekty demonstrujące sposób konfigurowania i programowania tych kontrolerów z użyciem przemiennika SINAMICS V20. Domyślnym ustawieniem jest protokół USS, jednak przemiennik SINAMICS V20 może również korzystać z protokołu MODBUS RTU.

Do jednego kontrolera nadrzędnego można podłączyć maksymalnie 31 napędów o zmiennej częstotliwości (VFD).

Kompleksowe rozwiązanie

Zmontowanie opisanych powyżej komponentów w kompletny system może być trudne, zwłaszcza jeśli ważną kwestią jest zgodność z wymogami dotyczącymi kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Izolowanie potencjalnych źródeł zakłóceń jest zwykle najszybszym i najbardziej opłacalnym podejściem. Można to osiągnąć organizując szafę sterującą i resztę systemu w szereg czterech izolowanych stref, jak pokazano na ilustracji 6. Zagadnienia dotyczące wdrażania stref izolacji:

• Odsprzęgnięcie elektromagnetyczne stref można osiągnąć za pomocą uziemionych płyt separacyjnych lub oddzielnych obudów metalowych.
  • Przemiennik SINAMICS V20 znajduje się w strefie B, a kontroler SIMATIC S7-1200 lub S7-1500 znajduje się w strefie C.
• W celu poprawy parametrów kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) na punktach styku stref można dodać filtry i moduły sprzęgające.
• Kable połączeniowe między strefami muszą być oddzielone, aby zapobiec sprzężeniu zakłóceń elektromagnetycznych i nie mogą znajdować się w tym samym kanale kablowym ani w tej samej wiązce.
• Kable sieci komunikacyjnej i sygnałowe, takie jak RS485, wchodzące do lub wychodzące z szafy, muszą być ekranowane.

Ilustracja 6: strefy odsprzęgnięte elektromagnetycznie mogą poprawić kompatybilność elektromagnetyczną (EMC) instalacji SINAMICS V20. (Źródło ilustracji: Siemens)

Podsumowanie

Przetwornice SINAMICS V20 charakteryzują się wysoką uniwersalnością i kompaktowością oraz mogą być używane w różnorodnych jednoosiowych zastosowaniach przemysłowych o zmiennej prędkości. Posiadają one szeroką gamę wbudowanych funkcji i możliwości. Ich użyteczność można zwiększyć, dodając akcesoria, takie jak podstawowy pulpit operatora, moduł zdalnego dostępu i moduł ładujący parametry. Ponadto napędy te są dostępne z szeroką gamą modułów dodatkowych obsługujących zaawansowane funkcje systemu i są zoptymalizowane pod kątem użycia z kontrolerami firmy Siemens. Na zakończenie przedstawiono sposób integracji omawianych napędów o zmiennej częstotliwości w szafach sterujących w szafach sterujących zgodnych z wymogami w zakresie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i przemysłowych systemach ruchu.