Sådan designer og implementerer du hurtigt IIoT-parate maskiner

Det er en udfordring hurtigt at designe og implementere maskiner, der er klar til at blive integreret i Industrial Internet of Things (IIoT). IIoT-aktiverede maskiner skal understøtte hurtig idriftsættelse af maskine-til-maskine-, maskine-til-anlæg- og maskine-til-cloud-kommunikation og -koordinering.

Det kræver en omfattende løsning. Den skal indeholde et komplet udvalg af kontrol-, interface- og kommunikationsmoduler. Skalerbarhed er et krav. Den bør understøtte forenklet installation for hurtig udrulning. Endelig skal den nemt kunne integreres i et miljø med flere leverandører for at understøtte ældre udstyr.

Belønningen er større driftseffektivitet på tværs af alle niveauer i organisationen og i hele maskinernes livscyklus.

Denne artikel gennemgår, hvordan motorstyringsmulighederne fra Schneider Electric giver designere end-to-end-automatiseringsløsninger. Den præsenterer funktioner og fordele ved Altistart softstartere, Altivar-drev, Modicon Ethernet-switche og programmerbare logiske controllere (PLC'er), Harmony-kontrolrelæer og PowerPacT-kredsløbsafbrydere.

Derefter beskrives den, hvordan TeSys Island-systemelementerne understøtter omfattende løsninger og nemt integreres med Rockwell Studio 5000- og Siemens TIA Portal-miljøer for at understøtte ældre maskiner, og til sidst ses der på, hvordan Schneider Electrics EcoStruxure Machine Expert-software fremskynder udvikling, konfiguration og idriftsættelse af IIoT-klare maskiner.

Bevægelse er en grundlæggende egenskab ved industrielle maskiner. Det implementeres på forskellige måder, fra simple bevægelsesprofiler i systemer som pumper, transportbånd og kraner til komplekse bevægelsesprofiler i proces- og montageoperationer og robotteknologi.

Maskiner med enkle bevægelsesprofiler kan drage fordel af de funktioner, der findes i softstartere som Altistart softstarter-familien. Altistarts softstartere understøtter følgende:

• Kontrolleret acceleration, der reducerer mekaniske stød, som kan øge slitage og føre til øget vedligeholdelsesbehov og nedetid for maskinen.
• Begrænsning af indkoblingsstrømme for at reducere energiforbruget
• Beskytter motorer mod strømstød, der kan opstå under opstart, og forbedrer motorens levetid
• Højere pålidelighed ved at opdage fejl som en blokeret motor, underbelastning eller forkert jordforbindelse og sende en advarsel til maskinoperatørerne.

Grundlæggende maskiner, der ikke har brug for et højt startmoment, kan bruge softstartere i ATS01-serien. Aktivering af BOOST-logikindgangen muliggør anvendelse af en spændingsforstærkning svarende til 100 % af den nominelle motorspænding i 200 millisekunder (ms) for at overvinde den indledende mekaniske friktion i systemet. Den programmerede spændingsstigning begynder efter boostet.

Modellen ATS01N232RT er til blød start og stop af trefasede asynkronmotorer op til 15 kilowatt (kW) (20 hestekræfter (hk)) med accelerations- og decelerationstider fra 1 til 10 sekunder. Den er optimeret til enkle remdrevne applikationer som pumper, kompressorer og ventilatorer, der arbejder fra 440 V_AC til 480 V_AC. På frontpanelet er der knapper til at indstille starttidspunkt, startspænding og stoptidspunkt for installation og idriftsættelse.

Designere af mere krævende proces- og infrastrukturmaskiner som blandere, knusere og transportbånd kan henvende sig til Altivar ATS480-serien af softstartere. Mens enklere softstartere bruger spændingsramper, bruger ATS480-softstarterne en blødere momentrampe og kan implementere en bremsefunktion.

Modellen ATS480C11Y fungerer med spændinger fra 208 V_AC til 690 V_AC (figur 1). Afhængigt af motorspændingen kan den bruges med motorer fra 22 til 90 kW (25 til 100 hk). Den har en seriel Modbus-kommunikationsport med et RJ45-stik. Der findes valgfrie kommunikationskort til Profibus, PROFINET, Modbus TCP/EtherNet/IP og CANopen.

Figur 1: Denne Altivar Soft Starter er designet til brug med asynkronmotorer fra 22 til 90 kW. (Billedkilde: DigiKey)

Kørsel med mere avancerede maskiner

Komplekse bevægelsesprofiler på avancerede maskiner kan understøttes ved hjælp af frekvensomformere (VFD'er) som Altivar 320-familien med enheder fra 0,18 til 15 kW (0,25 til 20 hk) til anvendelser som materialehåndtering, emballering, tekstiler, hejs, mekaniske aktuatorer og materialeforarbejdning. ATV320U75M3C er normeret til 7,5 kW og arbejder med en forsyningsspænding på 200 V_AC til 240 V_AC.

For at fremskynde konfiguration og idriftsættelse har disse drev 150 funktioner og kan konfigureres som standard eller efter behov. Der er dedikerede funktioner til applikationer som materialehåndtering, tekstiler, hejs og mekaniske aktuatorer.

Altivar 320 VFD'er kan levere højtydende styring af asynkrone og permanentmagnetiske motorer, herunder moment- og hastighedsnøjagtighed ved meget lave hastigheder og dynamisk bevægelse med fluxvektorstyring uden en sensor. Når de bruges med trefasede synkrone og asynkrone motorer, har disse VFD'er:

• Understøttelse af højhastighedsmotorer
• Statisk hastighedsnøjagtighed for synkronmotorer med åbent loop
• Fleksible systemintegrationsmuligheder, herunder Ethernet, CANopen, Profibus, EtherCAT, DeviceNet m.fl.
• Integrerede sikkerhedsfunktioner, der overholder standarderne for funktionel sikkerhed
• Formater som kompakt- og bogdrev med beskyttelsesgrader fra IP20 til IP66 understøtter integration i forskellige typer kabinetter (figur 2)

Figur 2: Altivar 320 VFD'er fås i forskellige formfaktorer for at forenkle installationen og maksimere pladsudnyttelsen i udstyrskabinetter. (Billedkilde: DigiKey)

Højtydende fleraksede maskiner

Modicon Ethernet-switche og programmerbare logiske controllere (PLC'er) kan understøtte højtydende designs fra en enkelt uafhængig akse til højtydende synkroniserede fleraksede maskiner, der kræver høj hastighed og præcis positionering og bevægelser, såsom robotteknologi.

Disse IIoT native edge-controllere kan forbinde direkte til skyen ved hjælp af Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) server og klient og Transport Layer Security (TLS)-kryptering og har indbyggede sikkerheds- og cybersikkerhedsfunktioner. Den dobbelte Ethernet-port kan understøtte Ethernet/IP- og Modbus TCP-protokoller. Der er også RS232- og RS485-porte, en USB-port og en plads til et SD-kort.

TM262L-controllere er beregnet til logisk styring af flere input/output-arrangementer, herunder fire hurtige digitale inputs og fire hurtige digitale outputs. Modellen TM262L10MESE8T har en udførelseshastighed på 5 nanosekunder (ns) pr. instruktion. Dual-core-processoren håndterer effektivt parallelle applikationer og kommunikation (figur 3).

Figur 3: Denne Modicon M262 PLC leverer IIoT-klar maskine-til-cloud og maskine-til-anlæg Ethernet-forbindelse. (Billedkilde: DigiKey)

TM4-bussen i Modicon M262-familien understøtter op til 3 kommunikationsudvidelsesmoduler. Profibus DP (TM4PDPS1) og Ethernet (TM4ES4) udvidelsesmoduler kan bruges i forskellige kombinationer til maksimalt tre moduler.

Niksing af abnormiteter

Nogle gange skal maskiner, herunder IIoT-klare maskiner, beskyttes mod unormale forhold. Det er her, Harmony-kontrolrelæer kommer ind i billedet. De kan overvåge både elektriske og mekaniske forhold og identificere abnormiteter i forbindelse med strøm, spænding, fase, frekvens, hastighed, temperatur, pumpestyring og endda væskeniveau.

Hurtig og præcis identifikation af abnormiteter kan øge oppetiden og reducere behovet for uplanlagt vedligeholdelse i applikationer som pumper, vandbehandling, hejseværker og lifter, emballagesystemer og tekstilmaskiner. Harmony-kontrolrelæer fås med en bred vifte af funktioner, der passer til specifikke anvendelsesbehov.

Model RMNF22TB30 er et trefaset relæ med integreret nærfeltskommunikation (NFC). Det kan overvåge syv parametre: fasetab, fasesekvens, asymmetri, underspænding, overspænding, underfrekvens og overfrekvens. Ved hjælp af NFC-appen kan designere bruge AND-, OR- og NOT-logik til at danne brugerdefinerede overvågningskombinationer til de to individuelt konfigurerbare relæudgange.

Til enklere maskiner, der kun har brug for overspændingsovervågning, kan designerne bruge RM22UA21MR (figur 4). Dette enfasede kontrolrelæ har en valgbar hukommelsesfunktion og en indbygget LED, der viser kontrolstatus. Skruetrimmerne muliggør enkle og præcise tærskelindstillinger, og den giver automatisk nedlukningsstyring og fejlinformation til hurtig identifikation af fejl og fejlfinding.

Figur 4: Enfaset overspændingsrelæ med en koblingskapacitet på 2 kVA. (Billedkilde: DigiKey)

Grundlæggende beskyttelse

Applikationer, der kan drage fordel af mere grundlæggende beskyttelse, kan bruge PowerPacT-afbrydere, der er klassificeret fra 15 til 125 A og fås med en, to, tre og fire poler. Disse termisk-magnetiske afbrydere har positiv kontaktindikation og leverer isolation i overensstemmelse med IEC/EN60947-1 og IEC/EN60947-2-standarderne for "lavspændingskoblingsudstyr og kontroludstyr".

Model BDF16020 er en 20 A enkeltpolet enhed med en nominel driftsspænding på 240 V_AC 50/60 Hz i henhold til UL 489. Den kontinuerlige strømstyrke er 80 % af den maksimale strømstyrke, og den er klassificeret som "service breaking" i henhold til IEC 60947-2 (figur 5). VisiTrip LED-udlæsningen gør det lettere at se, hvilken afbryder der er blevet udløst i kabinettet eller panelet. Den har også en QR-kode, der giver adgang til oplysninger, herunder brugsanvisningen, reservedelsnumre og CAD-tegninger.

Figur 5: Afbrydere som denne giver positiv kontaktindikation og opfylder isolationskravene i IEC/EN60947. (Billedkilde: DigiKey)

Integrerede fieldbus-noder

TeSys er en digitaliseret IIoT-tilsluttet belastningsstyringsløsning, der fungerer som en integreret node i et fieldbus-netværk og indeholder de moduler, der er nødvendige for at implementere en IIoT-klar maskine. Den er baseret på multifunktionelle enheder og avatarer til industrielle anvendelser med belastninger på op til 80 ampere og kan fremskynde design, ledningsføring og idriftsættelse.

En buskobler som TPRBCEIP er det centrale modul, der sørger for intern kommunikation med TeSys-Island-modulerne via båndkabler. Det er også forbindelsespunktet mellem en TeSys Island og et eksternt automatiseringssystem, der bruger EtherNet/IP- eller Modbus TCP-kommunikation. En indbygget webserver understøtter diagnosticering og vedligeholdelse. Den indeholder en RJ45-serviceport over Ethernet, en micro SD-kortport og en port til den interne bus, der forbinder øens moduler. En typisk konfiguration omfatter (figur 6):

1. Buskobler
2. Analogt input/output-modul
3. Digitalt input/output-modul
4. Spændingsinterfacemodul
5. Standard startere
6. Starter på sikkerhedsintegritetsniveau (SIL)
7. SIL-interfacemodul
8. Strøminterfacemodul

Figur 6: De kombinerede enheder i TeSys Island fungerer som en enkelt node i et fieldbus-netværk. (Billedkilde: Schneider Electric)

Eksempler på TeSys Island-moduler omfatter:

• LC1DT406BL 40 A, 4-polet, normalt åben, TeSys Deca-kontaktor med IEC60335-1-overensstemmelse til industri- og HVAC-systemer
• LC1G115EHEN 150 A (75 kW ved 440 V_AC), 3-polet, normalt åben, TeSys Giga-kontaktor, designet til brug ved krævende applikationer med driftshastigheder på op til 600 cyklusser pr. time og driftstemperaturer på op til +60 °C.
• TPRDG4X2 digitalt I/O-modul med fire digitale indgange og to digitale udgange kan styre motorer og andre elektriske belastninger op til 65 A (37 kW, 40 hk). Alle justeringer og indstillinger er digitaliserede, og der er ingen mekaniske drejeknapper eller dip-switches.
• TeSys Island-kommunikerende motorstartere på op til 40 hk (80 A ved 480 V). Disse SIL-startere opfylder kravene i IEC 61508, IEC 62061 og ISO 13849-1 og understøtter PL d og SIL 2.

TeSys Island understøtter også omfattende løsninger og integreres nemt med Rockwell Studio 5000 og Siemens TIA Portal-miljøer for at understøtte ældre maskiner.

At sætte det hele sammen

Når det er tid til at bygge den færdige maskine, kan designerne henvende sig til EcoStruxure Machine Expert. Denne softwareløsning understøtter udvikling, konfiguration, idriftsættelse, drift og vedligeholdelse af IIoT-klare maskiner.

EcoStruxure Machine Expert kan håndtere alle de nyeste IIoT-maskinbyggeblokke, herunder Modicon M262 PLC'er og TeSys Island digitale belastningsstyringssystem. Den er designet til at levere maskiner, der er optimeret til sikkerhed, pålidelighed, effektivitet, tilslutningsmuligheder og bæredygtighed. Den udnytter IIoT med mobilitets-, sensor-, cloud-, analyse- og cybersikkerhedsløsninger til at udføre den komplekse opgave.

Konklusion

IIoT-aktiverede maskiner er et vigtigt aspekt af Industri 4.0-operationer. At designe, idriftsætte og integrere disse maskiner er komplekse opgaver. Schneider Electric forsyner maskindesignere med en omfattende pakke af enheder og softwareværktøjer til IIoT-aktiverede maskiner, der giver forbedret driftseffektivitet på tværs af alle niveauer i organisationen og i hele maskinens livscyklus.