Hvordan smidig og nem idriftsættelse af industrielle motordrev kan øge bæredygtigheden og produktiviteten

Smidige processer er et kendetegn for Industri 4.0-fabrikker og logistikoperationer. Der er en lang række anvendelser, som kræver motorer og frekvensomformere (VSD'er) med en effekt på 0,12 kilowatt (kW) til 30 kW (0,16 hestekræfter (hk) til 40 hk).

VSD'erne til disse anvendelser skal være nemme at installere og beregnet til drift fra -10 °C til +60 °C. Større frekvensomformere bør have integrerede bremsechoppere, og nogle anvendelser kræver overholdelse af elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) kategori C1 i EN 61800-3. VSD'erne skal være nemme at bruge, fungere over et bredt netspændingsområde og automatisk tilpasse sig ustabile netspændinger for at sikre uafbrudt drift.

Mange applikationer automatiserer enkle bevægelsessekvenser og kræver ikke programmerbare logiske controllere, men de kan sættes i drift ved hjælp af forprogrammerede makroer eller enkle enheder som parameterindlæsere, grundlæggende betjeningspaneler (BOP'er) eller intelligente adgangsmoduler.

Endelig skal disse VSD'er være økonomiske i drift og omfatte integrerede energibesparende funktioner som automatisk fluxreduktion under forudbestemte driftsforhold samt mulighed for at overvåge og vise energiforbruget i realtid.

Denne artikel begynder med en oversigt over SINAMICS V20-familien af VSD'er fra Siemens og de funktioner, der gør dem i stand til at øge bæredygtigheden og produktiviteten. Derefter dykker den ned i, hvordan forprogrammerede makroer og enheder som parameterindlæsere, BOP'er eller intelligente adgangsmoduler kan understøtte smidig idriftsættelse, effektiv drift og løbende vedligeholdelse.

SINAMICS V20-drev kan betjenes direkte fra kassen uden ekstra moduler eller eksterne controllere. Den integrerede BOP understøtter idriftsættelse på stedet. Derudover kan et universelt serielt interface bruges til at forbinde med Siemens' SIMATIC programmerbare logiske controllere (PLC'er) til komplekse operationer. Modbus-grænsefladen kan forbindes med tredjeparts-PLC'er og andre enheder.

For enheder med en effekt på over 10 hk kan en bremsemodstand tilsluttes direkte til bremsechopperen, og nogle modeller overholder EMC-kategori C1 i EN 61800-3. SINAMICS V20-drev er specificeret til drift fra -10 °C til +60 °C og fås med effekter fra 0,12 kW til 30 kW. Eksemplerne omfatter (figur 1):

• Model 6SL32105BB175UV1, normeret til 0,75 kW, fungerer fra 230 V_AC enfaset strøm
• Model 6SL32105BB230UV1, normeret til 3 kW, fungerer også med 230 V_AC enfaset strøm
• Model 6SL32105BE322CV0, normeret til 22 kW, fungerer fra 400 V_AC trefaset strøm

Figur 1: Eksempler på SINAMICS V20-drev, 0,75 kW (til venstre) og 22 kW (til højre) (ikke i målestok). (Billedkilde: DigiKey)

Integrerede styringstilstande i SINAMICS-drev omfatter skalarvolt pr. hertz (V/f), programmerbar V/f-multipunkt, V²/f, der automatisk tilpasser fluxen for at spare energi, og fluxstrømstyring (FCC), der automatisk tilpasser drevets output til belastningen.

"Keep running"-tilstanden tilpasser sig automatisk for at kompensere for ustabil netstrøm (Figur 2). I denne tilstand kompenseres udsving i netspændingen internt, motorhastigheden reduceres automatisk for at forhindre en uplanlagt nedlukning, og der sendes en fejlmeddelelse, hvis det er nødvendigt. Det kan især være nyttigt i applikationer til bygningsautomatisering som pumper og ventilatorer i vand- eller spildevandsanlæg og HVAC-systemer (heating, ventilation and air conditioning).

Figur 2: SINAMICS V20 "Keep running"-tilstand understøtter kontinuerlig motordrift, selv i tilfælde af forstyrrelser på netspændingen. (Billedkilde: Siemens)

Maksimering af effektivitet

Afhængigt af anvendelsen kan effektiviteten øges ved at justere motorhastigheden, så den passer til den aktuelle proces. For eksempel kan drift med variabel hastighed i turbomaskiner som pumper spare op til 60 % af energien sammenlignet med drift med fast hastighed.

SINAMICS V20-drev har en integreret energioptimeret kontroltilstand (ECO) for øget effektivitet. I ECO-tilstand tilpasses motorstrømmen automatisk til det optimale driftspunkt.

Disse drev kan indstilles til dvaletilstand, som slukker for motoren, mens drevets aktuelle tilstand opretholdes. Dvaletilstand reducerer energiforbruget betydeligt, samtidig med at drevet holdes i en tilstand, hvor det er klar til at genstarte efter behov med det samme.

Brug af integrerede kaskade- og energibalanceringsfunktioner nedenfor kan forbedre energieffektiviteten yderligere:

Kaskade kan bruges i højtydende pumpe-, ventilator- og kompressorapplikationer, der bruger flere motorer. Fasetilslutning og -frakobling ved hjælp af delvist eller fuldt kontrollerede effektkaskader kan øge den samlede systemeffektivitet uden tab af ydeevne.

Energibalancering ved hjælp af koblede drev gør det muligt at udveksle energi via det fælles DC-led. Den direkte energiudveksling mellem invertere kan minimere systemets samlede effekttab og forbedre effektiviteten.

BOP'en på SINAMICS-drev kan vise energiforbruget i realtid. En energibesparelsestæller kan beregne energiforbruget under maskindrift sammenlignet med drift med fast hastighed, så operatørerne kan finjustere processerne og forbedre besparelserne og bæredygtigheden yderligere.

Øget bæredygtighed

Siemens har offentliggjort SINAMICS V20 Environmental Product Declaration (EPD), herunder en livscyklusvurdering (LCIA) baseret på International Standards Organization (ISO) 14021, Miljømærker og -erklæringer - Selverklærede miljøkrav - Type II-miljømærkning.

Denne LCIA var baseret på model 6SL3210-5BE21-5UV0, der er beregnet til 1,5 kW og 3-faset 380 V_AC til 480 V_AC netstrøm. Den tager højde for påvirkningerne fra fremstilling, distribution, drift, nedlukning ved endt levetid samt bortskaffelse og genbrug af SINAMICS V20-drev. Den mest markante påvirkning er fra driften i løbet af drevets anslåede levetid på 15 år. Analysen var baseret på 5.000 timers drift om året og tre driftspunkter (OP):

• OP1: 20 % af tiden ved 100 % hastighed og 100 % drejningsmoment
• OP2: 70 % af tiden ved 50 % hastighed og 25 % drejningsmoment
• OP3: 10 % af tiden ved 20 % hastighed og 25 % drejningsmoment

Driften af drevet blev anslået til at producere 1.059,13 kg CO₂-ækvivalenter over 15 år, mens produktionen kun producerede 40,6 kg CO₂-ækvivalenter, og nedlukning, bortskaffelse og genbrug blev krediteret for at genvinde nogle drivhusgasemissioner svarende til -3,6 kg CO₂-ækvivalenter.

I industri 4.0-drift kan hurtig og fleksibel idriftsættelse være et vigtigt aspekt for at maksimere energibesparelser og bæredygtighed. Brugerne har flere muligheder for at fremskynde idriftsættelsen af SINAMICS V20-drev for at understøtte hurtige omstillinger.

Smidig idriftsættelse med makroer

Funktionen til hurtig idriftsættelse ændrer fire parametersæt samtidigt, herunder motordata, tilslutningsmakroer, applikationsmakroer og vigtige parametre. Motordata begynder med at vælge europæiske eller nordamerikanske parametre (dvs. kW vs. hk), nominel spænding, strøm, effekt, frekvens, effektivitet osv.

Tilslutnings- og anvendelsesmakroer er særligt vigtige aspekter for smidig idriftsættelse:

• Tilslutningsmakroer omfatter identifikation af BOP som eneste kontrolkilde eller aktivering af kontrol fra PNP/NPN-terminaler, faste hastigheder, analogt input, fast frekvens, ekstern trykknapkontrol, ekstern trykknap med analogt sætpunkt, PID-kontrol med analog inputreference, PID-kontrol med fastværdireference, USS-kontrol og MODBUS RTU-kontrol.
• Makrovalg til applikationer omfatter en simpel pumpe, ventilator, kompressor og transportbånd. For eksempel er parametre, der indgår i den simple pumpemakro, minimumsfrekvens, kontroltilstand, sætpunkt for hæmmefrekvens, automatisk genstart og opstartstid.

Individuelle parametre som sætpunkt for frekvens, minimums- og maksimumsfrekvenser og opstarts- og nedlukningstider kan tilpasses under hurtig idriftsættelse. Ud over at gøre ibrugtagningen hurtigere kan den integrerede funktion til hurtig ibrugtagning eliminere fejl som følge af forkerte parameterindstillinger, hvilket yderligere forkorter implementeringstiden.

Kloning af parametre til flere drev

Når parametersættene er færdiggjort, kan en parameterindlæser uploade og downloade parametersæt mellem V20 og et SD-kort. Parameterindlæseren og SD-kortet kan bruges til at klone parametersæt på tværs af flere drev. Parametre kan downloades til frekvensomformere, selv før de leveres til fabrikken, hvilket yderligere fremskynder den samlede idriftsættelsesproces og reducerer behovet for teknisk support.

Ud over SD-kortpladsen har V20-parameterindlæseren plads til to AA-batterier, som kan forsyne drevet med strøm under parameterindlæsning uden at være tilsluttet en strømkilde. V20-parameterindlæseren har også et mikro-USB-interface, der kan tilsluttes en ekstern 5 V_DC-strømforsyning, hvilket eliminerer behovet for de primære batterier (figur 3).

Figur 3: En valgfri parameterindlæser kan bruges til at uploade eller downloade V20-drevparametre til et SD-kort og muliggør hurtig kloning af parametre til flere drev. (Billedkilde: Siemens)

Ekstern BOP

En valgfri ekstern BOP kan bruges til fjernstyring af V20-invertere. Den eksterne BOP er designet til at blive monteret på ydersiden af udstyrskabinettet og forbundet med et interface-modul, der er fastgjort til drevet. Den eksterne BOP og interfacemodulet understøtter RS232-forbindelse og kan forbindes med et op til 3 m langt kabel.

Med korrekt montering kan den eksterne BOP levere IP54- og UL/cUL Type 1-kabinetklassificeringer, hvilket giver beskyttelse af personale mod adgang til farlige spændinger og beskyttelse af V20-drevet mod faste fremmedlegemer som snavs og støv. Den eksterne BOP er en kopi af den integrerede BOP-grænseflade på V20 (figur 4).

Figur 4: En ekstern BOP kan styre V20-drev op til 3 meter væk og uden for kontrolkabinettet. (Billedkilde: Siemens)

Trådløs kontrol

For at opnå den ultimative fleksibilitet ved idriftsættelsen kan brugerne anvende SINAMICS V20 Smart Access-modulet (figur 5). Smart Access-modulet tilsluttes direkte på forsiden af V20 og er et webservermodul med integreret Wi-Fi-forbindelse. Den understøtter webbaseret idriftsættelse og overvågning af V20-drev fra brugerenheder som en bærbar computer med en trådløs netværksadapter, en tablet eller en smartphone. Den kan bruges med alle operativsystemer og alle HTML5-kompatible webbrowsere som Chrome, Internet Explorer (IE) og Safari.

Figur 5: Dette Smart Access-modul giver Wi-Fi-forbindelse til idriftsættelse, styring, overvågning og diagnosticering af V20-drev. (Billedkilde: DigiKey)

SINAMICS V20 Smart Access giver nem adgang til drevet, selv i et svært tilgængeligt område. Den intuitive grafiske brugergrænseflade (GUI) og idriftsættelsesguiden gør den nem at bruge. Smart Access understøtter den samme hurtige opsætningsguide som BOP'en for hurtig og nem idriftsættelse, herunder:

• Indtastning af motordata
• Forbindelsesmakroer kan aktiveres
• Applikationsmakroer kan vælges og aktiveres
• Almindeligt anvendte parametre kan indstilles

Smart Access kan konfigureres til at levere fejlkoder via e-mail til direkte fjernovervågning, og den indeholder adskillige sikkerhedsfunktioner til at kontrollere adgangen til data og kontrolfunktioner. Smart Access giver omfattende trådløs webbaseret funktionalitet, herunder:

• Hurtig ibrugtagning
• Parameterisering af konverter
• Motordrift i JOG/HAND-tilstand
• Overvågning af V20-status
• Fejl- og alarmdiagnostik
• Sikkerhedskopiering og gendannelse af data

Konklusion

SINAMICS V20-drev fra Siemens fokuserer på bæredygtighed og fleksibilitet. Med flere driftstilstande og energibesparende funktioner kan disse drev maksimere effektiviteten i en lang række applikationer med enkle bevægelser fra 0,12 kW til 30 kW. ”Keep running”-tilstand sikrer kontinuerlig drift af kritisk infrastruktur som spildevands- og vandbehandling og HVAC i bygningsautomatiseringssystemer. Fleksibiliteten understøttes af de mange måder at implementere hurtig idriftsættelse på ved hjælp af den integrerede BOP, en eksternt placeret BOP, trådløs forbindelse med et Smart Access-modul samt forprogrammerede applikationsmakroer og andre værktøjer.