Jak může agilní a snadné uvedení průmyslových motorových pohonů do provozu zvýšit udržitelnost a produktivitu

Charakteristickým znakem továren a logistických operací Průmyslu 4.0 jsou agilní procesy. Existuje široká škála aplikací, které vyžadují motory a pohony s proměnnými otáčkami („variable speed drive“, VSD) o jmenovitém výkonu 0,12 kW až 30 kW (0,16 k až 40 k).

Pohony VSD pro tyto aplikace musí být snadno instalovatelné a dimenzované pro provoz od −10 °C do +60 °C. Větší měniče by měly obsahovat integrované brzdové přerušovače („choppery“) a některé aplikace vyžadují splnění požadavků na elektromagnetickou kompatibilitu („electromagnetic compatibility“, EMC) kategorie C1 podle normy EN 61800‑3. Pohony VSD se musí snadno používat, pracovat v širokém rozsahu síťového napětí a automaticky se přizpůsobovat nestabilnímu síťovému napětí, aby byl zajištěn nepřerušovaný provoz.

Mnoho aplikací automatizuje jednoduché pohybové sekvence a nevyžaduje programovatelné logické automaty, ale lze je uvést do provozu pomocí předem naprogramovaných maker nebo jednoduchých zařízení, jako jsou zavaděče parametrů, základní ovládací panely („basic operator panel“, BOP) nebo chytré přístupové moduly.

A konečně, tyto pohony VSD musí mít hospodárný provoz a musí obsahovat integrované funkce pro úsporu energie, jako je automatické snížení toku za předem stanovených provozních podmínek, a také schopnost monitorovat a zobrazovat spotřebu energie v reálném čase.

Tento článek začíná přehledem řady pohonů VSD SINAMICS V20 od společnosti Siemens a funkcí, které jim umožňují zvýšit udržitelnost a produktivitu. Poté se článek hlouběji zabývá tím, jak mohou předprogramovaná makra a zařízení, jako jsou zavaděče parametrů, BOP nebo chytré přístupové moduly, podporovat agilní uvedení do provozu, efektivní provoz a průběžnou údržbu.

Měniče SINAMICS V20 lze provozovat ihned po vybalení bez jakýchkoli přidaných modulů nebo externích řídicích jednotek. Uvedení do provozu přímo na místě podporuje integrovaný panel BOP. Kromě toho lze pro složité operace použít univerzální sériové rozhraní pro spojení s programovatelnými logickými automaty („programmable logic controller“, PLC) SIMATIC společnosti Siemens. Rozhraní Modbus umožňuje propojení s PLC a dalšími zařízeními jiných výrobců.

U jednotek s jmenovitým výkonem nad 10 k lze brzdový rezistor připojit přímo k brzdovému chopperu a některé modely splňují kategorii EMC C1 podle normy EN 61800‑3. Měniče SINAMICS V20 jsou určeny pro provoz od −10 °C do +60 °C a jsou k dispozici s jmenovitými výkony od 0,12 kW do 30 kW. Mezi příklady patří (obrázek 1):

• Model 6SL32105BB175UV1, s jmenovitým výkonem 0,75 kW, pracuje s jednofázovým napájením 230 V_AC.
• Model 6SL32105BB230UV1, s jmenovitým výkonem 3 kW, rovněž pracuje s jednofázovým napájením 230 V_AC.
• Model 6SL32105BE322CV0, s jmenovitým výkonem 22 kW, pracuje s třífázovým napájením 400 V_AC.

Obrázek 1: Příklady měničů SINAMICS V20, 0,75 kW (vlevo) a 22 kW (vpravo) (bez měřítka). (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Integrované řídicí režimy v měničích SINAMICS zahrnují skalární volty na Hertz (U/f), programovatelné vícebodové U/f, U²/f, které automaticky přizpůsobuje tok pro úsporu energie, a proudové řízení toku („flux current cuontrol“, FCC), které automaticky přizpůsobuje výstup měniče zátěži.

Režim udržování chodu („Keep Running“) se automaticky přizpůsobuje, aby kompenzoval nestabilní napájení ze sítě (obrázek 2). V tomto režimu jsou kolísání síťového napětí interně kompenzována, otáčky motoru se automaticky snižují, aby se zabránilo neplánovanému vypnutí, a v případě potřeby je odeslána chybová zpráva. To může být užitečné zejména v aplikacích automatizace budov, jako jsou čerpadla a ventilátory v závodech na zpracování vody nebo odpadních vod, a systémy topení, ventilace a klimatizace („heating ventilation and air conditioning“, HVAC).

Obrázek 2: Režim udržování chodu zařízení SINAMICS V20 podporuje nepřetržitý provoz motoru i v případě poruch v napájení ze sítě. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Maximalizace účinnosti

V závislosti na aplikaci lze účinnost zvýšit úpravou otáček motoru tak, aby vyhovovaly aktuálnímu procesu. Například v případě rotačních lopatkových strojů, jako jsou čerpadla, může provoz s proměnnými otáčkami ušetřit až 60 % energie ve srovnání s provozem s pevnými otáčkami.

Měniče SINAMICS V20 mají pro zvýšení účinnosti integrovaný energeticky optimalizovaný režim řízení (ECO). V režimu ECO se tok motoru automaticky přizpůsobuje optimálnímu provoznímu bodu.

Tyto měniče lze nastavit do režimu hibernace, který vypíná motor a zároveň zachová aktuální stav měniče. Režim hibernace podstatně snižuje spotřebu energie a zároveň udržuje měnič ve stavu připravenosti k okamžitému opětovnému spuštění podle potřeby.

Energetickou účinnost může dále zvýšit použití níže uvedených integrovaných funkcí kaskádování a vyvažování energie:

Kaskádování lze použít v aplikacích čerpadel, ventilátorů a kompresorů s vysokým výkonem, které používají více motorů. Připojování a odpojování fází pomocí částečně nebo plně řízených kaskád výkonu může zvýšit celkovou účinnost systému bez ztráty výkonu.

Vyvažování energie pomocí spřažených měničů umožňuje výměnu energie prostřednictvím společného stejnosměrného propojení. Tato přímá výměna energie mezi měniči může minimalizovat celkové energetické ztráty systému a zlepšit účinnost.

Panel BOP na měničích SINAMICS může zobrazovat spotřebu energie v reálném čase. Počítadlo úspor energie dokáže vypočítat spotřebu energie během provozu stroje ve srovnání s provozem s pevnými otáčkami, což obsluze umožňuje doladit procesy a dále zlepšit úspory a udržitelnost.

Zvyšování udržitelnosti

Společnost Siemens zveřejnila environmentální prohlášení o produktu („Environmental Product Declaration“, EPD) týkající se zařízení SINAMICS V20, včetně posouzení dopadu životního cyklu („life cycle impact assessment“, LCIA) na základě normy Mezinárodní organizace pro normalizaci („International Standards Organization“, ISO) 14021, Environmentální značky a prohlášení – Vlastní environmentální tvrzení – Typ II environmentálního značení.

Toto posouzení LCIA bylo založeno na modelu 6SL3210-5BE21-5UV0, s jmenovitým výkonem 1,5 kW a 3fázovým síťovým napájením 380 V_AC až 480 V_AC. Posouzení zohledňuje dopady výroby, distribuce, provozu, vyřazení z provozu po skončení životnosti a likvidace a recyklace měničů SINAMICS V20. Nejvýznamnější dopad má provoz po dobu 15 let odhadované životnosti měničů. Analýza byla založena na 5 000 hodinách provozu za rok a třech provozních bodech („operating point“, OP):

• OP1: 20 % doby při 100 % otáček a 100 % točivého momentu
• OP2: 70 % doby při 50 % otáček a 25 % točivého momentu
• OP3: 10 % doby při 20 % otáček a 25 % točivého momentu

Odhaduje se, že provoz měniče vyprodukuje 1 059,13 kg ekvivalentu CO₂ za 15 let, zatímco výroba vyprodukovala pouze 40,6 kg ekvivalentu CO₂ a vyřazení z provozu, likvidace a recyklace přinese zpětné získání některých emisí skleníkových plynů rovnající se −3,6 kg ekvivalentu CO₂.

V provozech Průmyslu 4.0 může být rychlé a flexibilní uvedení do provozu důležitým aspektem maximalizace úspor energie a udržitelnosti. Uživatelé mají několik možností, jak urychlit uvedení měničů SINAMICS V20 do provozu, a podpořit tak rychlé změny.

Agilní uvedení do provozu pomocí maker

Funkce rychlého uvedení do provozu mění čtyři sady parametrů současně, včetně údajů o motoru, maker připojení, maker aplikace a důležitých parametrů. Údaje o motoru začínají výběrem evropských nebo severoamerických parametrů (tj. kW vs. k), jmenovitého napětí, proudu, výkonu, frekvence, účinnosti atd.

Makra připojení a aplikace jsou zvláště důležité aspekty agilního uvedení do provozu:

• Makra připojení zahrnují identifikaci panelu BOP jako jediného zdroje řízení nebo povolení řízení ze svorek PNP/NPN, pevné otáčky, analogový vstup, pevnou frekvenci, externí tlačítkové řízení, externí tlačítko s analogovou požadovanou hodnotou, PID řízení s referencí analogového vstupu, PID řízení s referencí pevné hodnoty, řízení USS a řízení MODBUS RTU.
• Možnosti maker aplikace zahrnují jednoduché čerpadlo, ventilátor, kompresor a dopravník. Parametry zahrnutými v jednoduchém makru čerpadla jsou například minimální frekvence, režim řízení, požadovaná hodnota inhibiční frekvence, automatické opětovné spuštění a doba náběhu.

Jednotlivé parametry, jako je požadovaná hodnota frekvence, minimální a maximální frekvence a doby náběhu a doběhu, lze přizpůsobit během rychlého uvedení do provozu. Kromě urychlení uvedení do provozu může použití integrované funkce rychlého uvedení do provozu eliminovat chyby způsobené nesprávným nastavením parametrů a dále zkrátit dobu nasazení.

Klonování parametrů na více měničů

Po dokončení nastavení sad parametrů lze pomocí zavaděče parametrů nahrávat a stahovat sady parametrů mezi měničem V20 a kartou SD. Zavaděč parametrů a kartu SD lze použít pro klonování sad parametrů mezi více měniči. Parametry lze nahrát do měničů ještě před dodáním měničů do výrobního závodu, což dále urychluje celkový proces uvádění do provozu a snižuje potřebu technické podpory.

Kromě slotu pro kartu SD má zavaděč parametrů V20 prostor pro dvě primární baterie velikosti AA, které mohou napájet měnič během stahování parametrů bez připojení ke zdroji síťového napájení. Zavaděč parametrů V20 má také rozhraní Micro USB, které lze připojit k externímu zdroji napájení 5 V_DC, čímž se eliminuje potřeba primárních baterií (obrázek 3).

Obrázek 3: Volitelný zavaděč parametrů lze použít k nahrání nebo stažení parametrů měniče V20 na kartu SD a umožňuje rychlé klonování parametrů na více měničů. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Externí panel BOP

Pro dálkové řízení měničů V20 lze použít volitelný externí panel BOP. Externí panel BOP je navržen tak, aby byl namontován na vnější stranu skříně zařízení a připojen k modulu rozhraní připojenému k měniči. Externí panel BOP a modul rozhraní podporují konektivitu RS232 a lze je propojit pomocí kabelu o délce až 3 m.

Při správné montáži může externí panel BOP poskytovat krytí IP54 a UL/cUL typu 1, čímž poskytuje ochranu personálu před přístupem k nebezpečnému napětí a ochranu měniče V20 před pevnými cizorodými látkami, jako jsou nečistoty a prach. Externí panel BOP duplikuje integrované rozhraní BOP na měnič V20 (obrázek 4).

Obrázek 4: Externí panel BOP může řídit měniče V20 až do vzdálenosti 3 metrů a mimo rozvaděč. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Bezdrátové řízení

Pro dosažení maximální flexibility při uvádění do provozu mohou uživatelé využít modul Smart Access SINAMICS V20 (obrázek 5). Modul Smart Access se připojuje přímo k přední části měniče V20 a je to modul webového serveru s integrovaným připojením k síti Wi-Fi. Podporuje webové uvádění do provozu a monitorování měničů V20 z uživatelských zařízení, jako je přenosný počítač s bezdrátovým síťovým adaptérem, tablet nebo chytrý telefon. Lze jej použít s jakýmkoli operačním systémem a jakýmkoli webovým prohlížečem s podporou HTML5, jako je Chrome, Internet Explorer (IE) a Safari.

Obrázek 5: Tento modul Smart Access poskytuje připojení Wi-Fi pro uvádění do provozu, řízení, monitorování a diagnostiku měničů V20. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Modul Smart Access SINAMICS V20 poskytuje snadný přístup k měniči, a to i na obtížně přístupném místě. Používání usnadňují intuitivní grafické uživatelské rozhraní („graphical user interface“, GUI) a průvodce uvedením do provozu. Modul Smart Access podporuje stejného průvodce rychlým nastavením jako panel BOP pro rychlé a snadné uvedení do provozu, včetně:

• Zadávání údajů motoru
• Možnosti aktivace maker připojení
• Možnosti výběru a aktivace maker aplikace
• Možnosti nastavení běžně používaných parametrů

Modul Smart Access lze nakonfigurovat tak, aby doručoval chybové kódy prostřednictvím e-mailu pro přímé monitorování na dálku, a obsahuje řadu bezpečnostních funkcí pro řízení přístupu k datům a řídicím funkcím. Modul Smart Access poskytuje komplexní bezdrátové webové funkce, včetně následujících:

• Rychlé uvedení do provozu
• Parametrizace převodníku
• Provoz motoru v režimu JOG/HAND
• Monitorování stavu měniče V20
• Diagnostika poruch a alarmů
• Zálohování a obnova dat

Závěr

Měniče SINAMICS V20 od společnosti Siemens se zaměřují na udržitelnost a flexibilitu. Díky více provozním režimům a funkcím pro úsporu energie mohou tyto měniče maximalizovat účinnost v široké škále jednoduchých pohybových aplikací od 0,12 kW do 30 kW. Režim udržování v chodu zajišťuje nepřetržitý provoz kritické infrastruktury, jako je zpracování odpadních vod a vody a systémů HVAC v systémech automatizace budov. Flexibilitu podporují četné způsoby implementace rychlého uvedení do provozu pomocí integrovaného panelu BOP, vzdáleně umístěného panelu BOP, bezdrátového připojení s modulem Smart Access, plus předprogramovaných maker aplikace a dalších nástrojů.