Jakie są niektóre kluczowe względy przy doborze urządzeń automatyki przemysłowej?

Optymalny dobór urządzeń automatyki przemysłowej, takich jak silniki, napędy i moduły komunikacyjne, wymaga zwrócenia szczególnej uwagi na detale. Na przykład istnieje wiele różnic między Krajowym Stowarzyszeniem Producentów Urządzeń Elektrycznych (NEMA, National Electrical Manufacturers Association) w Ameryce Północnej a Międzynarodową Komisją Elektrotechniczną (IEC, International Electrotechnical Commission) w Europie w odniesieniu do parametrów znamionowych silników i napędów.

Podczas doboru silników, napędów i kontrolerów należy wziąć pod uwagę napięcia wejściowe i wyjściowe oraz tolerancje, wymagany zakres prędkości i potrzeby regulacyjne, wymagania dotyczące momentu obrotowego, przyspieszenie, cykle robocze hamowania, specjalne potrzeby, takie jak szybkość reakcji lub moment obrotowy oraz czynniki środowiskowe, w tym odprowadzanie ciepła.

Potrzeby komunikacyjne różnią się w zależności od tego, w którym miejscu hierarchii sterowania przemysłowego znajduje się urządzenie. Na poziomie najbliższym brzegu hali fabrycznej protokoły takie jak IO-Link mogą być używane dla inteligentnych czujników i aktuatorów, natomiast protokoły EtherCAT, PROFINET, Modbus i inne mogą łączyć ruch, bezpieczeństwo, wejścia-wyjścia i systemy wizyjne.

Na najwyższym poziomie sieci automatyki przemysłowej często wykorzystuje się protokół Ethernet/IP do łączenia z różnymi kontrolerami automatyki, interfejsami programowania i chmurą, a także protokół DisplayPort do łączenia z interfejsami człowiek-maszyna (HMI). Pomiędzy tymi poziomami znajdują się kombinacje protokołów Ethernet/IP, EtherCAT i innych, które mogą łączyć poziom polowy hali produkcyjnej z poziomami operacyjnymi i sterowania.

Szczegółów jest zbyt wiele, aby omówić je w jednej dyskusji. Zamiast tego w niniejszym artykule przedstawiono kilka wskazówek, które należy wziąć pod uwagę przy określaniu specyfikacji silników, napędów i modułów komunikacyjnych, wraz z przykładami zastosowań, sprzętu i protokołów firm Siemens, Phoenix Contact, Omron Automation, Panasonic Industrial oraz Schneider Electric.

Zmiana środka ciężkości

W wielu systemach automatyki przemysłowej powszechnie stosowane są silniki i napędy. Punktem wyjścia do tej dyskusji jest przyjrzenie się, w jaki sposób sprawność silnika odnosi się do szerszych rozważań na temat parametrów działania systemów automatyki przemysłowej i jak zmienia się środek ciężkości.

Zastosowanie silników o wyższej sprawności pozwala zaoszczędzić nawet 6% energii. To dobrze. Jednak dodanie napędu o wysokiej sprawności wraz z komponentami pomocniczymi może zwiększyć oszczędności energii nawet o 30%.

Prawdziwa zmiana następuje, gdy koncentrujemy się na ogólnej optymalizacji systemu. Uwzględnienie wszystkich komponentów mechanicznych i dodanie komunikacji w celu zapewnienia łączności z przemysłowym Internetem rzeczy (IIoT), z uwzględnieniem poziomu operacyjnego i zakładu, a ostatecznie poziomu przedsiębiorstwa, a także chmury, może skutkować nawet 60% oszczędnościami energii oraz dodatkowo wyższą wydajnością (ilustracja 1).

Ilustracja 1: wyższy poziom integracji i komunikacji skutkuje większymi oszczędnościami energii i wyższą wydajnością. (Źródło ilustracji: Siemens)

Ekoprojektowanie układów silnikowych

Kluczowym zasobem może być część 2 normy IEC 61800-9, „Ekoprojektowanie układów silnikowych - określanie i klasyfikacja sprawności energetycznej”. Zamiast skupiać się wyłącznie na sprawności silnika, wyszczególniono szereg nadrzędnych współczynników parametrów działania dla „układów napędzanych silnikami elektrycznymi”. Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) są rozpatrywane w kontekście kompletnego modułu napędowego (CDM), który zawiera wejściową sekcję zasilającą prądu zmiennego, podstawowy moduł napędowy (BDM), taki jak napęd VFD, oraz urządzenia pomocnicze, w tym filtry wejściowe i wyjściowe, dławiki liniowe i inne komponenty pomocnicze.

Omawiana norma definiuje również układ napędowy (PDS) jako kompletny moduł napędowy (CDM) plus silnik. W następnej kolejności, zgodnie z hierarchią omawiana norma opisuje układ silnikowy jako układ napędowy (PDS) plus urządzenia sterujące silnikiem, takie jak styczniki.

Najwyższym poziomem jest rozbudowany produkt lub cały układ (ilustracja 1), który zawiera dodatkowo mechaniczne urządzenia napędowe, takie jak przekładnia i odbiornik. Bardziej szczegółowe omówienie normy dotyczącej sprawności układów napędowych (PDS), IEC 61800-9-2, zawarto w artykule „Jakie są typy przemysłowych napędów silnikowych o nastawnej prędkości?”

Punktem wyjścia dla określenia „układów napędzanych silnikami elektrycznymi” jest silnik.

Silnik ma znaczenie

Silniki elektryczne mogą być maszynami o wysokiej sprawności, o ile będą odpowiednio dobrane i używane. Dlatego określanie specyfikacji silników jest ważnym zadaniem dla projektantów maszyn.

W normie IEC moc silnika podaje się w kilowatach (kW), podczas gdy w normie NEMA podaje się ją w koniach mechanicznych (KM). Obie jednostki można łatwo przeliczyć. Jednak w normach IEC i NEMA stosuje się różne obliczenia sprawności, a sprawność z tabliczki znamionowej IEC może być nieco wyższa niż w przypadku NEMA dla silnika o tej samej konstrukcji.

Rzeczywista sprawność silnika jest silnie powiązana z konkretnym zastosowaniem. W rezultacie normy dotyczące sprawności silników są często omawiane w kategoriach redukcji strat energii, a nie sprawności bezwzględnej.

Norma IEC 60034-30-1 wyróżnia pięć klas sprawności silników, od IE1 do IE5. Przeskok w stratach energii pomiędzy klasami wynosi 20%. Oznacza to, że silnik IE5 „Ultra Premium” ma o 20% niższe straty niż silnik IE4 „Super Premium”. A są jeszcze inne kwestie do rozważenia. W niektórych przypadkach dla silników o wyższej sprawności współczynnik mocy (PF) spada.

Obowiązująca w Ameryce Północnej norma NEMA ma mniej klas sprawności energetycznej, które są jednak równie ważne. NEMA rozróżnia współczynniki eksploatacyjne silnika (SF) nieuwzględnione w normach IEC. Silnik zgodny z normą NEMA o współczynniku eksploatacyjnym (SF) równym 1,15 może pracować w sposób ciągły z prędkością odpowiadającą 115% swojej prędkości znamionowej, chociaż będzie się rozgrzewał, co może skutkować skróceniem okresu użytkowania łożysk i izolacji.

Zamiast współczynnika eksploatacyjnego (SF), norma IEC rozróżnia dziesięć trybów pracy lub współczynników eksploatacyjnych (od S1 do S10) zależnych od tego, czy praca silnika jest ciągła czy nie; czy zastosowano hamowanie, czy nie; oraz od tego, jakie są zmiany prędkości.

Zakresy napięć roboczych i częstotliwości różnią się pomiędzy normą NEMA i IEC, ale w obu przypadkach są wyrażane liczbowo „na jednostkę” (PU). W systemie PU liczby są wyrażone jako ułamki wartości bazowej. Norma NEMA wyróżnia jeden zakres napięć i częstotliwości silnika. Norma IEC wyróżnia dwie „strefy” (ilustracja 2).

Ilustracja 2: porównanie zakresów przemysłowych napięć i częstotliwości wg norm NEMA i IEC. (Źródło ilustracji: NEMA)

Dążenie do zwiększenia sprawności układów napędowych (PDS)

Zgodnie z definicją w normie IEC 61800-9-2, napędy silnikowe są kluczowymi elementami odpowiadającymi za sprawność układu napędowego (PDS). Można je klasyfikować na kilka sposobów, np. wg napięcia silnika, poziomu mocy, rodzaju ruchów, obsługiwanego zastosowania itp. Rodzaje ruchów mogą być klasyfikowane jako ciągłe lub nieciągłe. Można je dodatkowo podzielić na kategorie o niskich, średnich i wysokich parametrach działania w oparciu o maksymalną wymaganą moc wyjściową.

Różne typy napędów zaspokajają różne potrzeby systemowe. Serwonapędy i silniki doskonale sprawdzają się, w zastosowaniach takich jak robotyka, gdzie potrzebne jest dynamiczne przyspieszanie, zwalnianie i precyzyjne pozycjonowanie. Układy płynnego uruchamiania są przystosowane do pracy ciągłej, takiej jak przenośniki, w których korzystne jest płynne uruchamianie i zwalnianie. Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) są stosowane w wielu maszynach przemysłowych.

Niektóre grupy produktowe napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) są zoptymalizowane pod kątem takich operacji jak pompowanie, wentylacja, sprężanie, przemieszczanie lub przetwarzanie. Seria napędów uniwersalnych SINAMICS G120 firmy Siemens jest dostępna w wersjach o mocach znamionowych od 0,55 do 250kW (0,75 do 400KM) do ogólnych zastosowań przemysłowych w branży motoryzacyjnej, tekstylnej i opakowaniowej.

Model 6SL32203YE340UF0 wykorzystuje zasilanie 3-fazowe w zakresie napięć roboczych od 380 do 480V~ +10% / -20%. Jest przeznaczony do pracy przy napięciu 400V z silnikami o mocy od 22 do 30kW w Europie i 480V w Ameryce Północnej dla silników o mocy od 30 do 40KM (ilustracja 3).

Ilustracja 3: omawiany napęd o zmiennej częstotliwości (VFD) może być używany z silnikami o mocy od 22 do 30kW, w zależności od napięcia roboczego. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) nie są jedynym kluczem do sprawnego projektowania układów napędowych (PDS). Artykuł „Jakie produkty pomocnicze są potrzebne, aby zmaksymalizować wpływ stosowania napędów o zmiennej prędkości (VSD) i napędów o zmiennej częstotliwości (VFD)? - Część 1” zawiera opis niektórych wymaganych komponentów pomocniczych.

Optymalizacja komunikacji i systemu

Chociaż silniki i napędy znajdują się w obrębie hali produkcyjnej na poziomie 1, czyli na poziomie pola, to nie znajdują się one na najniższym poziomie hierarchii komunikacji Przemysłu 4.0. Ta pozycja przypada takim funkcjom, jak czujniki i aktuatory na poziomie 0. Ponadto istnieje wiele poziomów powyżej poziomu pola. Szybka i efektywna komunikacja w górę i w dół hierarchii komunikacji, aż do chmury jest niezbędna dla maksymalizacji ogólnej sprawności, produktywności i zrównoważonego rozwoju fabryk Przemysłu 4.0. Łączność z chmurą jest możliwa dzięki takim protokołom jak (ilustracja 4):

• Mostek uOPC PubSub konsoliduje wiele strumieni danych technologii operacyjnych (OT).
• Broker MQTT odbiera wiadomości i przekazuje je użytkownikom na podstawie tematu wiadomości.

Ilustracja 4: wszystkie poziomy hierarchii komunikacji Przemysłu 4.0 mają możliwość bezpośredniego łączenia się z chmurą. (Źródło ilustracji: OPC Foundation)

Poziom 1 to coś więcej niż tylko napędy i silniki. Urządzenia nadrzędne magistrali polowej (FMU) ułatwiają komunikację i upraszczają integrację napędów i innych urządzeń. Urządzenia nadrzędne magistrali polowej (FMU) są dostępne dla różnych protokołów, w tym PROFINET, PROFIBUS, DeviceNet, CANopen itp. Ich zastosowanie pozwala uzyskać łączność niezależną od producenta.

Model AFP7NPFNM firmy Panasonic to urządzenie nadrzędne magistrali polowej (FMU) PROFINET. Zawiera on zintegrowane biblioteki funkcji dla programowania, co znacznie skraca czas potrzebny na opracowanie rozwiązań dostosowanych do konkretnego zastosowania.

Poziom 0 dla czujników, aktuatorów i zabezpieczeń

Zwiększenie oszczędności energii w układach napędowych (PDS) dzięki napędom o zmiennej częstotliwości (VFD) wymaga obniżenia poziomu łączności do poziomu 0. Integracja czujników, aktuatorów i urządzeń bezpieczeństwa, takich jak kurtyny świetlne, na poziomie 0 może znacznie poprawić sprawność i zwiększyć oszczędności energii o ponad 30%.

Popularne protokoły używane do łączenia funkcji poziomu 0 to m.in. DeviceNet, HART, Modbus oraz IO-Link. IO-Link jest protokołem międzypunktowym, który łączy czujniki i aktuatory ze sterowaniem wyższego poziomu. Jest dostępny w standardzie przewodowym lub bezprzewodowym i jest coraz częściej wdrażany w Przemyśle 4.0 jako ekonomiczne rozwiązanie alternatywne.

Urządzenia nadrzędne NX-ILM400 IO-Link firmy Omron mogą posiadać zarówno standardowe wejścia-wyjścia, jak i szybkie synchroniczne wejścia-wyjścia. Standardowe wejścia-wyjścia cyfrowe oferują 16 połączeń na urządzenie, w konfiguracjach do wyboru (ilustracja 5):

• cztery połączenia 3-przewodowe dla czujników z zasilaniem
• osiem 2-przewodowych wejść styków lub wyjść aktuatorów
• szesnaście połączeń 1-przewodowych dla czujników i aktuatorów podłączonych do wspólnego zasilania

Ilustracja 5: omawiane urządzenie główne IO-Link obsługuje standardowe i szybkie synchroniczne wejścia-wyjścia. (Źródło ilustracji: Omron Automation)

Poziom 2 dla układów napędowych (PDS) i nie tylko

Komunikacja wyższego poziomu może pomóc w usprawnieniu działania na poziomie pola, ale jest niezbędna, aby zmaksymalizować sprawność i produktywność organizacji. Przejście od poziomu 2 do poziomów 3, 4 i chmury wymaga protokołów takich jak Ethernet/IP, EtherCAT i Modbus TCP/IP.

Możliwe urządzenia do wykonywania tego typu połączeń to m.in. programowane sterowniki logiczne (PLC) lub komputery przemysłowe (IPC). Programowane sterowniki logiczne (PLC) są komputerami zoptymalizowanymi pod kątem automatyki przemysłowej i sterowania. W typowym zastosowaniu programowany sterownik logiczny (PLC) monitoruje dane wejściowe z maszyny i powiązanych czujników, podejmuje decyzje na podstawie zaprogramowania oraz wysyła sygnały sterujące.

Chociaż komputery przemysłowe (IPC) mogą pełnić funkcje podobne do programowanych sterowników logicznych (PLC), są to urządzenia ogólniejszego przeznaczenia. Działają na systemie operacyjnym, takim jak Linux lub Windows, co daje im dostęp do szeregu narzędzi programowych. Zwykle są podłączone do interfejsu człowiek-maszyna (HMI) (wiele programowanych serowników logicznych (PLC) również może łączyć się z interfejsami człowiek-maszyna). Programowane sterowniki logiczne (PLC) zwykle koncentrują się na maszynie, natomiast komputery przemysłowe (IPC) mają więcej funkcji operacyjnych.

Różnice między programowanymi sterownikami logicznymi (PLC) i komputerami przemysłowymi (IPC) zacierają się. Na przykład programowany sterownik logiczny (PLC) 1069208 firmy Phoenix Contact pracuje pod systemem operacyjnym Linux. Tak jak tradycyjne programowane sterowniki logiczne (PLC), może być on zaprogramowany przy pomocy symbolicznego schematu blokowego (SFC), schematu drabinkowego (LD), schematu blokowego funkcji (FBD) oraz tekstu strukturalnego (ST). Zawiera on trzy niezależne interfejsy Ethernet i może łączyć się z siecią PROFICLOUD.

Do zastosowań, w których sprawdzą się komputery przemysłowe (IPC), firma Schneider Electric oferuje moduł brzegowy przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) HMIBMIEA5DD1E01. Ta bezwentylatorowa konstrukcja zawiera dwurdzeniowy procesor Intel Atom Apollo Lake E3930 działający z częstotliwością 1,8GHz. Posiada ona gniazdo rozszerzeń mini PCIe i dziewięć portów komunikacyjnych (ilustracja 6).

Ilustracja 6: bezwentylatorowy komputer przemysłowy (IPC) z gniazdem rozszerzeń mini PCIe i wieloma opcjami komunikacji. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Podsumowanie

Niniejszy artykuł zawiera krótki przegląd wskazówek, które projektanci powinni wziąć pod uwagę przy określaniu specyfikacji silników, napędów i modułów komunikacyjnych dla instalacji Przemysłu 4.0. Nie ma on wyczerpującego charakteru. Jego celem jest zapewnienie materiału do przemyśleń i zasobów do dalszych badań.