ملاحظات کلیدی هنگام انتخاب تجهیزات اتوماسیون صنعتی چیست؟

انتخاب تجهیزات اتوماسیون صنعتی بهینه مانند موتورها، درایوها و ماژول های ارتباطی نیازمند توجه دقیق به جزئیات است. به عنوان مثال، انجمن ملی تولیدکنندگان برق آمریکای شمالی (NEMA) و کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی اروپا (IEC) تفاوت های زیادی را در رتبه بندی موتور و درایو نشان می دهند.

عواملی که هنگام انتخاب موتورها، درایوها و کنترل‌کننده‌ها باید در نظر گرفته شوند عبارتند از ولتاژها و تلورانس‌های ورودی و خروجی، محدوده سرعت مورد نیاز و نیازهای تنظیم، گشتاور مورد نیاز، شتاب، چرخه‌های وظیفه ترمز، نیازهای ویژه مانند پاسخ سریع یا گشتاور، و عوامل محیطی از جمله مدیریت حرارتی.

الزامات ارتباطی بر اساس موقعیت دستگاه در سلسله مراتب کنترل صنعتی متفاوت است. در نزدیک‌ترین لایه به لبه طبقه کارخانه، پروتکل‌هایی مانند IO{1}}Link را می‌توان برای حسگرها و محرک‌های هوشمند استفاده کرد، در حالی که پروتکل‌های EtherCAT، PROFINET، Modbus و دیگر پروتکل‌های حرکت، ایمنی، I/O و سیستم‌های بینایی را به هم متصل می‌کنند.

بالاترین لایه شبکه‌های اتوماسیون کارخانه معمولاً از اترنت/IP برای اتصال کنترل‌کننده‌های اتوماسیون متنوع، رابط‌های برنامه‌نویسی و ابر، در کنار پروتکل‌هایی مانند DisplayPort برای رابط‌های{0}ماشین انسانی (HMI) استفاده می‌کند. بین این لایه‌ها، ترکیبی از Ethernet/IP، EtherCAT و پروتکل‌های دیگر، سطح زمین فروشگاه را به لایه‌های عملیاتی و کنترلی متصل می‌کند.

جزئیات بیش از آن است که بتوان به طور جامع در یک بحث به آن پرداخت. در عوض، این مقاله چندین دستورالعمل را ارائه می‌کند که باید هنگام تعیین موتورها، درایوها، و ماژول‌های ارتباطی، همراه با مثال‌های کاربردی، سخت‌افزاری و پروتکلی از [زیمنس]، [تماس با فونیکس]، [آومرون اتوماسیون]، پاناسونیک [صنعتی] و [اشنایدر الکتریک] در نظر گرفته شوند.

تغییر فوکوس

موتورها و درایوها عناصر مشترک بسیاری از سیستم های اتوماسیون صنعتی هستند. به عنوان نقطه شروع برای این بحث، درک این نکته مفید است که راندمان موتور با ملاحظات گسترده تر عملکرد سیستم اتوماسیون صنعتی و چگونه تمرکز تغییر کرده است.

استفاده از موتورهای کارآمدتر می تواند تا 6 درصد در مصرف انرژی صرفه جویی کند. این خوب است. با این حال، افزودن درایوهای با راندمان بالا و اجزای پشتیبانی می‌تواند تا 30 درصد در مصرف انرژی صرفه‌جویی کند.

وقتی تمرکز روی بهینه‌سازی سیستم کل‌نگر تغییر می‌کند، -تغییرکنندگان واقعی بازی ظاهر می‌شوند. با در نظر گرفتن تمام اجزای مکانیکی و افزودن ارتباطات برای ادغام با اینترنت صنعتی اشیاء (IIoT)-در سطوح عملیاتی و کارخانه، در نهایت به سطوح سازمانی و ابری می‌رسید-تا 60 درصد صرفه‌جویی در مصرف انرژی و بهره‌وری انرژی بالاتری حاصل می‌شود (شکل 1).

شکل 1: یکپارچگی و سطوح ارتباطی پیشرفته می تواند انرژی بیشتری را ذخیره کرده و بهره وری را افزایش دهد. (منبع تصویر: زیمنس)

طراحی زیست محیطی-سیستم های موتور

IEC 61800-9 بخش 2، «طراحی سازگار با محیط زیست سیستم‌های موتور - تعیین و طبقه‌بندی بازده انرژی»، می‌تواند به عنوان یک منبع کلیدی عمل کند. این تنها بر روی راندمان موتور تمرکز نمی کند، بلکه مجموعه ای از فاکتورهای عملکرد سطح بالاتر را برای "سیستم های محرک موتور" توضیح می دهد. VFD ها به عنوان ماژول های درایو کامل (CDM) در نظر گرفته می شوند که شامل یک "بخش تغذیه" ورودی AC، یک "ماژول درایو اصلی" (BDM) مانند خود VFD، و "تجهیزات کمکی" از جمله فیلترهای ورودی/خروجی، چوک های خط، و سایر اجزای پشتیبانی می شوند.

این استاندارد همچنین یک Power Drive System (PDS) را به عنوان CDM به علاوه یک موتور تعریف می کند. متعاقباً، یک سیستم موتور را به عنوان تجهیزات کنترل موتور PDS بعلاوه مانند کنتاکتورها توصیف می کند.

بالاترین سطح محصول توسعه یافته یا سیستم کلی در شکل 1 است که تجهیزات مکانیکی درایو مانند گیربکس ها و ماشین های بار را اضافه می کند. برای درک دقیق‌تر استاندارد بازده PDS IEC 61800-9-2، به مقاله «[انواع مختلف درایوهای موتور صنعتی با سرعت متغیر چیست؟]» مراجعه کنید.

نقطه شروع برای تعیین یک "سیستم محرک موتور" خود موتور است.

ملاحظات موتور

وقتی موتورها به درستی مشخص و مورد استفاده قرار گیرند، می توانند ماشین های بسیار کارآمدی باشند. این امر باعث می شود که انتخاب موتور برای طراحان ماشین کاری حیاتی باشد.

IEC قدرت موتور را بر حسب کیلووات (کیلووات) کمی می کند، در حالی که NEMA از اسب بخار (اسب بخار) استفاده می کند و معادل سازی مستقیم را ساده می کند. با این حال، IEC و NEMA از محاسبات مختلف بهره وری استفاده می کنند. برای طراحی موتورهای یکسان، راندمان پلاک IEC ممکن است کمی بیشتر از رتبه بندی NEMA باشد.

راندمان واقعی موتور ارتباط نزدیکی با کاربردهای خاص دارد. در نتیجه، استانداردهای راندمان موتور معمولاً از نظر کاهش تلفات انرژی به جای مقادیر بازده مطلق مورد بحث قرار می‌گیرند.

IEC 60034{10}}30-1 پنج کلاس بازده موتور را شناسایی می‌کند که از IE1 تا IE5 را شامل می‌شود. تلفات انرژی بین کلاس های متوالی 20 درصد کاهش می یابد. این بدان معناست که یک موتور IE5 "Ultra Premium" 20% تلفات کمتری نسبت به موتور "Super Premium" IE4 نشان می دهد. عوامل اضافی نیاز به بررسی دارند. در سناریوهای خاص، موتورهای با راندمان بالاتر ممکن است کاهش ضریب توان (PF) را نشان دهند.

 

در آمریکای شمالی، رتبه‌بندی بهره‌وری انرژی NEMA کمتر رایج است اما به همان اندازه مهم است. NEMA ضریب سرویس موتور (SF) را تشخیص می دهد که در استانداردهای IEC گنجانده نشده است. یک موتور NEMA با SF 1.15 می تواند به طور مداوم در 115٪ از ظرفیت نامی خود کار کند، اگرچه این منجر به دمای کارکرد موتور بالاتر می شود که منجر به کاهش عمر یاتاقان و عایق می شود.

IEC ده نوع عملیاتی یا عامل سرویس (S1 تا S10) را بر اساس ملاحظاتی مانند عملکرد مداوم در مقابل متناوب، تغییرات سرعت و استفاده از ترمز به جای SF شناسایی می کند.

NEMA و IEC در محدوده ولتاژ و فرکانس متفاوت هستند، اما هر دو در مقادیر "در واحد" (pu) بیان می شوند. در سیستم pu، کمیت ها به صورت کسری از یک مقدار پایه نشان داده می شوند. NEMA یک سری از ولتاژها و فرکانس های موتور را شناسایی می کند. IEC دو "منطقه" را شناسایی می کند (شکل 2).

شکل 2: مقایسه NEMA و IEC Industrial AC ولتاژ و محدوده فرکانس. (منبع تصویر: NEMA)

افزایش کارایی PDS

درایوهای موتور اجزای کلیدی برای راندمان PDS هستند که در IEC 61800-9-2 تعریف شده است. آنها را می توان به روش های مختلفی دسته بندی کرد، مانند ولتاژ موتور، سطح توان، نوع حرکت، برنامه های کاربردی پشتیبانی شده و موارد دیگر. انواع حرکت را می توان به صورت پیوسته یا ناپیوسته طبقه بندی کرد. بر اساس حداکثر توان خروجی مورد نیاز، می‌توان آنها را به دسته‌های-عملکرد پایین، عملکرد متوسط ​​و عملکرد بالا تقسیم کرد.

انواع درایوهای مختلف از نیازهای سیستمی متمایز پشتیبانی می کنند. درایوها و موتورهای سروو برای کاربردهایی مانند روباتیک که به شتاب سریع، کاهش سرعت و موقعیت‌یابی دقیق نیاز دارند، مناسب هستند. استارترهای نرم برای عملیات مداوم ایده آل هستند، مانند نوار نقاله هایی که از شروع و توقف نرم بهره می برند. VFD ها به طور گسترده در ماشین آلات صنعتی مختلف استفاده می شوند.

برخی از خطوط تولید VFD برای عملیات هایی مانند پمپاژ، تهویه، فشرده سازی، برنامه های کاربردی موبایل یا ماشین کاری بهینه شده اند. درایوهای همه منظوره سری SINAMICS G120 زیمنس از 0.55 تا 250 کیلووات (0.75 تا 400 اسب بخار) رتبه بندی شده اند و برای کاربردهای صنعتی عمومی در صنایع خودروسازی، نساجی و بسته بندی مناسب هستند.

مدل [6SL32203YE340UF0] با برق سه فاز با محدوده ولتاژ ورودی 380 تا 480 Vac ± 10٪ / -20٪ کار می کند. در اروپا، موتورهای با توان 22 تا 30 کیلووات برای کارکرد 400 ولت مشخص شده اند، در حالی که در آمریکای شمالی، موتورهایی با توان 30 تا 40 اسب بخار برای 480 ولت رتبه بندی می شوند (شکل 3).

شکل 3: این VFD را می توان با موتورهایی با توان 22 تا 30 کیلووات، بسته به ولتاژ کاری، استفاده کرد. (منبع تصویر: DigiKey)

VFD ها تنها کلید طراحی PDS کارآمد نیستند. مقاله "[What Supporting Products are Needed to Maximize the Impact of Using VFDs and VSD? - Part 1]" برخی از مؤلفه های پشتیبانی ضروری را بررسی می کند.

ارتباطات و بهینه سازی سیستم

اگرچه موتورها و درایوها در سطح اول یا سطح زمین کارخانه قرار دارند، آنها پایین ترین لایه در سلسله مراتب ارتباطی Industry 4.0 نیستند. این موقعیت به عملکردهای سطح 0 مانند سنسورها و محرک ها تعلق دارد. علاوه بر این، چندین سطح بالاتر از سطح میدان وجود دارد. برای به حداکثر رساندن کارایی کلی، بهره وری و پایداری یک کارخانه Industry 4.0، ارتباط به موقع و کارآمد از سلسله مراتب ارتباطات به ابر ضروری است. پروتکل های زیر اتصال ابری را تسهیل می کنند:

• uOPC PubSub Bridge جریان های داده چندگانه فناوری عملیاتی (OT) را ادغام می کند.
• MOTT Broker پیام ها را دریافت کرده و بر اساس موضوعات پیام به کاربران ارسال می کند.

سطح 1 فراتر از درایوها و موتورها را در بر می گیرد. واحدهای اصلی فیلدباس (FMUs) ارتباطات را تسهیل می‌کنند و ادغام درایوها و سایر دستگاه‌ها را ساده می‌کنند. FMU ها از پروتکل های مختلفی از جمله PROFINET، PROFIBUS، DeviceNet، CANopen و غیره پشتیبانی می کنند. استفاده از FMUها اتصال مستقل{4}} سازنده را فعال می‌کند.

مدل [AFP7NPFNM] پاناسونیک یک PROFINET FMU است. دارای یک کتابخانه تابع یکپارچه با نرم افزار برنامه نویسی است که زمان توسعه را برای راه حل های کاربردی خاص به طور قابل توجهی کاهش می دهد.

سنسورها، محرک ها و سطح ایمنی 0

برای به حداکثر رساندن صرفه جویی در انرژی PDS در VFD ها، اتصال باید به سطح 0 کاهش یابد. یکپارچه سازی حسگرها، محرک ها و دستگاه های ایمنی مانند پرده های نور در سطح 0 به طور قابل توجهی کارایی را افزایش می دهد و به صرفه جویی در انرژی بیش از 30 درصد دست می یابد.

پروتکل‌های رایج برای اتصال عملکردهای سطح 0 شامل DeviceNet، HART، Modbus و IO{1}}لینک هستند. IO{3}}پیوند پروتکل نقطه‌ای-به-نقطه‌ای است که حسگرها و محرک‌ها را به کنترل‌کننده‌های سطح بالاتر- متصل می‌کند. به عنوان استانداردهای سیمی و بی سیم در دسترس است، به طور فزاینده ای در صنعت 4.0 به عنوان یک جایگزین مقرون به صرفه استفاده می شود.

[Omron's NX-ILM400] IO-واحدهای اصلی پیوند می‌توانند I/O استاندارد را با ورودی/خروجی همزمان با سرعت بالا ترکیب کنند. ورودی/خروجی دیجیتال استاندارد 16 اتصال در هر واحد را ارائه می‌دهد، با گزینه‌هایی از جمله:

• چهار سنسور 3 سیم با منبع تغذیه
• هشت ورودی تماسی 2 سیمه یا خروجی محرک
• شانزده اتصال 1 سیم برای سنسورها و محرک ها که به یک منبع تغذیه مشترک متصل هستند

PDS سطح 2 و بالاتر

ارتباطات سطح{0}بالا عملیات میدانی را بهبود می‌بخشد، اما برای به حداکثر رساندن کارایی و بهره‌وری سازمانی ضروری است. از سطح 2 تا سطوح 3 و 4، ابر به پروتکل هایی مانند Ethernet/IP، EtherCAT و Modbus TCP/IP نیاز دارد.

دستگاه هایی که برای ایجاد این اتصالات استفاده می شوند عبارتند از: کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) یا رایانه های شخصی صنعتی (IPC). PLC ها کامپیوترهایی هستند که برای اتوماسیون و کنترل صنعتی بهینه شده اند. در کاربردهای معمولی، یک PLC ورودی‌های ماشین‌ها و حسگرهای مرتبط را نظارت می‌کند، بر اساس برنامه‌ریزی خود تصمیم می‌گیرد و خروجی‌های کنترلی را ارسال می‌کند.

در حالی که IPCها می‌توانند عملکردهایی مانند PLC{0}}را انجام دهند، اما آنها دستگاه‌های عمومی{1}}تر هستند. با اجرای سیستم عامل هایی مانند لینوکس یا ویندوز، آنها به طیف وسیع تری از ابزارهای نرم افزاری دسترسی دارند و معمولاً به HMI ها متصل می شوند (اگرچه بسیاری از PLC ها به HMI ها نیز متصل می شوند). PLCها معمولاً{4}}ماشین محور هستند، در حالی که IPCها قابلیتهای عملیاتی بیشتری را ارائه می دهند.

تمایز بین PLC و IPC به طور فزاینده ای مبهم است. برای مثال، PLC [1069208] Phoenix Contact، سیستم عامل لینوکس را اجرا می کند. مانند PLC های سنتی، می توان آن را با استفاده از نمودار جریان نمادین (SFC)، نمودار نردبانی (LD)، نمودار بلوک تابعی (FBD) و متن ساختاریافته (ST) برنامه ریزی کرد. این شامل سه رابط اترنت مستقل است و می تواند به PROFICLOUD متصل شود.

اشنایدر الکتریک [HMIBMIEA5DD1E01] IIoT Edge Box را برای برنامه هایی که از قابلیت های IPC بهره می برند، ارائه می دهد. این طراحی بدون فن دارای یک پردازنده دو هسته‌ای{4} Intel Atom Apollo Lake E3930 است که با فرکانس 1.8 گیگاهرتز کار می‌کند. دارای یک اسلات توسعه مینی PCIe و 9 پورت ارتباطی است.

نتیجه گیری

این مقاله به طور خلاصه برخی از دستورالعمل‌هایی را که طراحان باید در هنگام تعیین موتورها، درایوها و ماژول‌های ارتباطی برای نصب‌های Industry 4.0 در نظر بگیرند، تشریح می‌کند. به دور از جامعیت است. هدف آن فراهم کردن غذا برای فکر و برخی منابع برای تحقیقات بیشتر است.