Hvad er de vigtigste overvejelser, når man vælger udstyr til industriel automatisering?

Optimal udvælgelse af industrielt automatiseringsudstyr som motorer, drev og kommunikationsmoduler kræver omhyggelig opmærksomhed på detaljerne. For eksempel er der mange forskelle mellem National Electrical Manufacturers Association (NEMA) i Nordamerika og International Electrotechnical Commission (IEC) i Europa med hensyn til motor- og drevklassifikationer.

Når man vælger motorer, frekvensomformere og controllere, skal man bl.a. overveje indgangs- og udgangsspændinger og tolerancer, det nødvendige hastighedsområde og reguleringsbehov, krav til drejningsmoment, acceleration, bremsecyklusser, særlige behov som hurtig respons på hastighed eller drejningsmoment og miljøfaktorer, herunder varmestyring.

Kommunikationsbehovet varierer afhængigt af, hvor udstyret befinder sig i det industrielle kontrolhierarki. På det niveau, der er tættest på fabriksgulvet, kan protokoller som IO-Link bruges til intelligente sensorer og aktuatorer, og EtherCAT, PROFINET, Modbus og andre protokoller kan forbinde bevægelse, sikkerhed, I/O og vision.

Det højeste niveau i fabriksautomatiseringsnetværket bruger ofte Ethernet/IP til at forbinde med forskellige automatiseringscontrollere, programmeringsgrænseflader og skyen samt en protokol som DisplayPort til at forbinde med menneske-maskine-grænseflader (HMI'er). I mellemtiden kan kombinationer af Ethernet/IP, EtherCAT og andre protokoller forbinde fabriksgulvet med drifts- og kontrolniveauet.

Detaljerne er for mange til at yde dem retfærdighed i en enkelt diskussion. I stedet præsenterer denne artikel en række retningslinjer, som man bør overveje, når man specificerer motorer, drev og kommunikationsmoduler, sammen med eksempler på anvendelse, hardware og protokol fra Siemens, Phoenix Contact, Omron Automation, Panasonic Industrial og Schneider Electric.

Skiftende fokus

Motorer og frekvensomformere er en rød tråd i mange industrielle automationssystemer. Som udgangspunkt for denne diskussion er det nyttigt at se, hvor motoreffektivitet passer ind i de bredere overvejelser om industrielle automatiseringssystemers ydeevne, og hvordan fokus skifter.

Brug af mere effektive motorer kan give energibesparelser på op til 6 %. Det er godt. Men hvis man tilføjer et højeffektivt drev sammen med støttekomponenter, kan man øge energibesparelserne med op til 30 %.

En virkelig game-changer opstår, når fokus flyttes til overordnet systemoptimering. Hvis man tager alle de mekaniske komponenter i betragtning og tilføjer kommunikation for at forbinde dem med Industrial Internet of Things (IIoT), herunder drifts- og anlægsniveauet og i sidste ende til virksomhedsniveauet samt skyen, kan det resultere i op til 60 % energibesparelser plus højere produktivitet (figur 1).

Figur 1: Stigende integrations- og kommunikationsniveauer resulterer i flere energibesparelser og højere produktivitet. (Billedkilde: Siemens)

Økodesign til motorsystemer

Del 2 af IEC 61800-9, "Ecodesign for motorsystemer - Bestemmelse og klassificering af energieffektivitet", kan være en vigtig ressource. I stedet for udelukkende at fokusere på motoreffektivitet beskriver den en række præstationsfaktorer på højere niveau for "elmotordrevne systemer". VFD'er (drev med variabel frekvens) betragtes i sammenhæng med et komplet drevmodul eller CDM (complete drive module), der omfatter AC-indgangens "indgangssektion", et "basisdrevmodul" (BDM) som en VFD og "hjælpeenheder", der omfatter indgangs- og udgangsfiltre, linjedrossler og andre støttekomponenter.

Standarden definerer også et strømstyringssystem eller PDS (power drive system) som CDM'en plus motoren. Som det næste i hierarkiet beskriver standarden motorsystemet som PDS'en plus motorstyringsudstyr som f.eks. kontaktorer.

På det højeste niveau er det udvidede produkt, eller det overordnede system i figur 1, som tilføjer mekanisk drivudstyr som en transmission og lastmaskinen. For en mere detaljeret gennemgang af IEC 61800-9-2 PDS-effektivitetsstandarder, se artiklen "Hvad er de forskellige typer af industrielle motordrev med justerbar hastighed?"

Udgangspunktet for at specificere "elmotordrevne systemer" er motoren.

Et spørgsmål om motorer

Elektriske motorer kan være meget effektive maskiner, hvis de specificeres og bruges korrekt. Det gør det til en vigtig opgave for maskinkonstruktører at specificere motorer.

IEC opgør motoreffekt i kilowatt (kW), mens NEMA bruger hestekræfter (hk), som let kan sidestilles. IEC og NEMA bruger dog forskellige effektivitetsberegninger, og IEC's effektivitet på typeskiltet kan være lidt højere end NEMA's for det samme motordesign.

Den faktiske motoreffektivitet er stærkt knyttet til den specifikke brugssituation. Derfor diskuteres standarder for motoreffektivitet ofte i form af reduktioner i energitab snarere end absolut effektivitet.

IEC 60034-30-1 anerkender fem motoreffektivitetsklasser, fra IE1 til IE5. Energitabet falder med 20 % mellem klasserne. Det betyder, at en IE5 "Ultra Premium"-motor har 20 % lavere tab end en IE4 "Super Premium"-motor. Der er mere at tage hensyn til. I nogle tilfælde falder effektfaktoren PF (power factor) for motorer med højere effektivitet.

I Nordamerika har NEMA færre energieffektivitetsklasser, som er lige så vigtige. NEMA anerkender motorservicefaktorer (SF), der ikke er inkluderet i IEC-standarder. En NEMA-motor med en SF på 1,15 kan køre kontinuerligt med 115 % af sin nominelle kapacitet, selv om motoren bliver varmere, hvilket kan resultere i kortere levetid for lejer og isolering.

I stedet for SF anerkender IEC ti driftstyper eller servicefaktorer (S1 til S10) baseret på overvejelser som kontinuerlig eller periodisk drift, hastighedsvariationer og brug af bremser.

Driftsspændings- og frekvensområderne er forskellige for NEMA og IEC, men begge er udtrykt som "per unit" (p.u.) størrelser. I p.u.-systemet udtrykkes mængder som brøkdele af basisværdien. NEMA anerkender en række motorspændinger og -frekvenser. IEC anerkender to "zoner" (figur 2).

Figur 2: Sammenligning af NEMA's og IEC's industrielle AC-spændings- og frekvensområder. (Billedkilde: NEMA)

Fremme af PDS-effektivitet

Motordrev er nøgleelementer i PDS-effektivitet som defineret i IEC 61800-9-2. De kan klassificeres på flere måder, f.eks. motorspænding, effektniveau, bevægelsestyper, understøttede anvendelser osv. Bevægelsestyper kan klassificeres som kontinuerlige eller diskontinuerlige. De kan yderligere kategoriseres som lav-, mellem- og højtydende baseret på den maksimalt krævede effekt.

Forskellige typer drev understøtter forskellige systembehov. Servodrev og -motorer er velegnede, når der er brug for hurtig acceleration, deceleration og præcis positionering i f.eks. robotteknologi. Softstartere er velegnede til kontinuerlig drift som transportbånd, der har gavn af jævn opstart og nedbremsning. VFD'er bruges i en lang række industrimaskiner.

Nogle VFD-produktfamilier er optimeret til operationer som pumpning, ventilation, komprimering, flytning eller forarbejdning. Siemens SINAMICS G120-serien af universaldrev fås med effekter fra 0,55 til 250 kW (0,75 til 400 hk) til brug i generelle industrielle anvendelser i bilindustrien, tekstilbranchen og emballageindustrien.

Model 6SL32203YE340UF0 bruger 3-faset strøm med et driftsspændingsområde på 380 til 480 Vac +10 % / -20 %. Den er specificeret til 400 V-drift med motorer fra 22 til 30 kW i Europa og 480 V i Nordamerika med motorer fra 30 til 40 hk (figur 3).

Figur 3: Denne VFD kan bruges med motorer på 22 til 30 kW, afhængigt af driftsspændingen. (Billedkilde: DigiKey)

VFD'er er ikke den eneste nøgle til effektivt PDS-design. Artiklen "Hvilke supportprodukter skal der til for at maksimere effekten af at bruge VFD'er og VSD'er? - Del 1" gennemgår nogle af de nødvendige supportkomponenter.

Kommunikation og systemoptimering

Mens motorer og drev befinder sig på fabriksgulvet på niveau 1 eller i marken, er de ikke på det laveste niveau i Industri 4.0-kommunikationshierarkiet. Den position tilfalder funktioner som sensorer og aktuatorer på niveau 0. Derudover er der flere niveauer over markniveauet. Rettidig og effektiv kommunikation op og ned i kommunikationshierarkiet op til skyen er nødvendig for at maksimere den samlede effektivitet, produktivitet og bæredygtighed i Industri 4.0-fabrikker. Cloud-forbindelse gøres lettere ved hjælp af protokoller som (figur 4):

• uOPC PubSub Bridge konsoliderer flere datastrømme fra operationel teknologi (OT).
• MOTT BRoker modtager beskeder og videresender dem til brugere baseret på beskedens emne.

Figur 4: Alle niveauer i Industri 4.0-kommunikationshierarkiet har mulighed for at koble sig direkte på skyen. (Billedkilde: OPC Foundation)

Der er mere til niveau 1 end drev og motorer. Feltbusmaster-enheder eller FMU’er (Field bus master units) kan lette kommunikationen og forenkle integrationen af frekvensomformere og andre enheder. FMU'er fås til forskellige protokoller, herunder PROFINET, PROFIBUS, DeviceNet, CANopen osv. Brugen af FMU'er kan muliggøre producentuafhængig forbindelse.

Model AFP7NPFNM fra Panasonic er en PROFINET FMU. Den leveres med integrerede funktionsbiblioteker til programmeringssoftwaren, hvilket reducerer den nødvendige tid til at udvikle applikationsspecifikke løsninger betydeligt.

Niveau 0 for sensorer, aktuatorer og sikkerhed

Hvis PDS-energibesparelserne fra VFD'er skal øges, kræver det, at tilslutningsmulighederne reduceres til niveau 0. Integration af sensorer, aktuatorer og sikkerhedsanordninger som f.eks. lysgardiner på niveau 0 kan forbedre effektiviteten betydeligt og give energibesparelser på mere end 30 %.

Almindelige protokoller, der bruges til at forbinde niveau 0-funktioner, omfatter DeviceNet, HART, Modbus og IO-Link. IO-Link er en punkt-til-punkt-protokol, der forbinder sensorer og aktuatorer med styringer på højere niveau. Den fås som en kablet eller trådløs standard og anvendes i stigende grad i Industri 4.0 som et omkostningseffektivt alternativ.

NX-ILM400 IO-Link-masterenhederne fra Omron kan blande standard-I/O med højhastigheds-synkron-I/O. De digitale standard-I/O'er har 16 forbindelser pr. enhed med et udvalg af (figur 5):

• Fire 3-leder sensortilslutninger med strømforsyning
• Otte 2-leder kontaktindgange eller aktuatorudgange
• Seksten 1-lederforbindelser til sensorer og aktuatorer forbundet til en fælles strømforsyning

Figur 5: Denne IO-Link-masterenhed understøtter standard og højhastigheds synkron I/O. (Billedkilde: Omron Automation)

Niveau 2 til PDS og videre

Kommunikation på højere niveau kan hjælpe med at forbedre driften i marken, men det er nødvendigt for at maksimere organisationens effektivitet og produktivitet. At nå fra niveau 2 op til niveau 3, 4 og skyen kræver protokoller som Ethernet/IP, EtherCAT og Modbus TCP/IP.

Udstyrets muligheder for at skabe disse forbindelser omfatter programmerbare logiske controllere (PLC'er) eller industrielle personlige computere (IPC'er). PLC'er er computere, der er optimeret til industriel automatisering og styring. I en typisk applikation overvåger en PLC input fra maskinen og relaterede sensorer, træffer beslutninger baseret på sin programmering og sender kontroloutput.

Mens IPC'er kan udføre funktioner som PLC'er, er de mere generelle enheder. De kører et operativsystem som Linux eller Windows, hvilket giver dem adgang til en række softwareværktøjer, og de er normalt forbundet til et HMI (mange PLC'er kan også forbindes til HMI'er). PLC'er har en tendens til at være maskinfokuserede, mens IPC'er har mere operationelle funktioner.

Forskellene mellem PLC'er og IPC'er er ved at blive udvisket. For eksempel kører PLC'en 1069208 fra Phoenix Contact Linux-operativsystemet. Ligesom traditionelle PLC'er kan den programmeres med symbolsk flowchart (SFC), ladderdiagram (LD), funktionsblokdiagram (FBD) og struktureret tekst (ST). Den har tre uafhængige Ethernet-grænseflader og kan oprette forbindelse til PROFICLOUD.

Schneider Electric tilbyder HMIBMIEA5DD1E01 IIoT Edge Box til applikationer, der kan drage fordel af en IPC. Dette design uden ventilator indeholder en Intel Atom Apollo Lake E3930 dual-core processor, der kører med 1,8 GHz. Den har et mini-PCIe-udvidelsesslot og ni kommunikationsporte (figur 6).

Figur 6: IPC uden ventilator med et mini-PCIe-udvidelsesslot og flere kommunikationsmuligheder. (Billedkilde: Schneider Electric)

Konklusion

Denne artikel har givet et kort overblik over nogle retningslinjer, som designere bør overveje, når de specificerer motorer, drev og kommunikationsmoduler til Industri 4.0-installationer. Den er langt fra udtømmende. Det er meningen, at den skal give stof til eftertanke og nogle ressourcer til videre undersøgelse.