Rychlý návrh a instalace strojů připravených na IIoT

Rychlý návrh a instalace strojů připravených k integraci do průmyslového internetu věcí (IIoT) jsou náročné. Stroje s podporou IIoT musejí umožňovat rychlé zprovoznění komunikace a koordinace mezi stroji, strojem a závodem a mezi stroji a cloudem.

Taková potřeba vyžaduje komplexní řešení. Musí obsahovat kompletní sadu řídicích a komunikačních modulů a rozhraní. Škálovatelnost je nutností. Takové řešení musí podporovat zjednodušenou instalaci pro rychlé nasazení. A nakonec musí být snadno integrovatelné do prostředí od různých výrobců, aby podporovalo starší zařízení.

Odměnou je vyšší provozní efektivita na všech úrovních organizace i v celých životních cyklech strojů.

Tento článek zkoumá, jak různé možnosti regulace motorů od společnosti Schneider Electric poskytují konstruktérům komplexní řešení automatizace. Představuje vlastnosti a výhody softstartérů Altistart, měničů Altivar, ethernetových přepínačů a programovatelných logických automatů (PLC) Modicon, řídicích relé Harmony a jističů PowerPacT.

Poté podrobně popisuje, jak prvky ostrovního systému TeSys podporují komplexní řešení a snadno se integrují s prostředími Rockwell Studio 5000 a Siemens TIA Portal pro podporu starších strojů. Na závěr článek ukazuje, jak software EcoStruxure Machine Expert od společnosti Schneider Electric urychluje vývoj, konfiguraci a zprovoznění strojů připravených na průmyslový internet věcí (IIoT).

Pohyb je základní charakteristikou průmyslových strojů. Je implementován různými způsoby, od jednoduchých pohybových profilů v systémech, jako jsou čerpadla, dopravníky a jeřáby, až po složité pohybové profily v procesních a montážních provozech a robotice.

Stroje s jednoduchými pohybovými profily mohou využívat funkcí softstartérů, jako jsou produkty skupiny Altistart. Softstartéry skupiny Altistart podporují následující vlastnosti:

• Řízené zrychlení snižující mechanické rázy, které mohou zvyšovat opotřebení a vést k vyšším potřebám údržby a prostojům stroje
• Snížení spotřeby energie díky omezení náběhových proudů
• Ochrana motorů proti přepětí, které může vznikat během spouštění, prodlužuje životnost motorů
• Vyšší spolehlivost díky detekci poruch, jako je zablokovaný motor, nevytíženost nebo porucha uzemnění, a odeslání výstrahy obsluze stroje

Základní stroje, které nepotřebují vysoký rozběhový moment, mohou využívat softstartéry řady ATS01. Aktivace logického vstupu BOOST umožňuje přivedení posilovacího napětí ve výši 100 % jmenovitého napětí motoru po dobu 200 ms, aby došlo k překonání počátečního mechanického tření v systému. Po tomto posilovacím napětí bude spuštěna naprogramovaná napěťová rampa.

Softstartér ATS01N232RT je navržen na měkký start a zastavování třífázových asynchronních motorů o výkonu do 15 kW (20 koní (hp)) s dobou zrychlení a zpomalení od 1 do 10 sekund. Je optimalizován pro jednoduché aplikace s řemenovým pohonem, jako jsou čerpadla, kompresory a ventilátory pracující na napětí 440 V_AC až 480 V_AC. Na předním panelu se nacházejí ovládací prvky pro nastavení času spuštění, počátečního napětí a času zastavení pro potřeby instalace a uvedení do provozu.

Konstruktéři náročnějších strojů pro zpracování a infrastrukturu, jako jsou míchačky, drtiče a dopravníky, mohou využívat softstartéry řady Altivar ATS480. Zatímco jednodušší softstartéry používají napěťové rampy, softstartéry ATS480 používají rampu pro měkčí točivý moment a mohou implementovat funkci brzdění.

Softstartér ATS480C11Y pracuje na napětí 208 V_AC až 690 V_AC (obrázek 1). V závislosti na napětí motoru jej lze použít s motory o výkonu 22 až 90 kW (25 až 100 hp). Sotfstartér používá sériový komunikační port Modbus s konektorem RJ45. Pro protokoly Profibus, PROFINET, Modbus TCP/EtherNet/IP a CANopen jsou k dispozici volitelné komunikační karty.

Obrázek 1: tento softstartér Altivar je navržen pro použití s asynchronními motory o výkonu 22 až 90 kW. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Ovládání pokročilejších strojů

Složité pohybové profily v pokročilých strojích lze podporovat pomocí pohonů s frekvenčním měničem (VFD), například modelů skupiny Altivar 320 s jednotkami o výkonu 0,18 až 15 kW (0,25 až 20 hp) pro aplikace zahrnující manipulaci s materiálem, balení, textilie, zdvihání, mechanické aktuátory a zpracování materiálů. Pohon s frekvenčním měničem ATV320U75M3C je dimenzován na výkon 7,5 kW a pracuje na napájecí napětí 200 V_AC až 240 V_AC.

Pro urychlení konfigurace a uvedení do provozu používají tyto měniče 150 funkcí a jsou k dispozici ve standardních a přizpůsobitelných konfiguracích. K dispozici jsou speciální funkce pro aplikace, jako je manipulace s materiálem, textilie, zvedací zařízení a mechanické pohony.

Pohony s frekvenčním měničem (VFD) Altivar 320 mohou poskytovat vysoce výkonnou regulaci asynchronních motorů a motorů s permanentními magnety, včetně přesného točivého momentu a rychlosti při velmi nízkých otáčkách a dynamického pohybu s vektorovým řízením toku bez senzoru. Při použití s třífázovými synchronními a asynchronními motory nabízejí tyto pohony s frekvenčním měničem (VFD) následující vlastnosti:

• Podpora vysokorychlostních motorů
• Statická přesnost otáček pro synchronní motory s otevřenou smyčkou
• Flexibilní možnosti systémové integrace, včetně protokolů Ethernet, CANopen, Profibus, EtherCAT, DeviceNet a dalších
• Integrované bezpečnostní funkce splňující normy funkční bezpečnosti
• Formáty jako jsou kompaktní pohony a pohony ve tvaru knihy se stupněm krytí IP20 až IP66 podporují integraci do různých typů skříní (obrázek 2)

Obrázek 2: pohony s frekvenčním měničem (VFD) Altivar 320 jsou k dispozici v různých tvarových faktorech, aby se zjednodušila instalace a maximalizovalo využití prostoru ve skříních zařízení. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Vysoce výkonné víceosé stroje

Ethernetové přepínače a programovatelné logické řídicí jednotky (PLC) Modicon jsou schopné podporovat vysoce výkonné návrhy od strojů s jednou nezávislou osou až po vysoce výkonné, synchronizované víceosé stroje vyžadující vysokorychlostní a přesné polohování a pohyby, jako je robotika.

Tyto nativní řadiče IIoT na okraji, které se mohou připojovat přímo ke cloudu pomocí protokolu Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), serveru a klienta s protokolem Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) a šifrování Transport Layer Security (TLS), používají vestavěné bezpečnostní a kybernetické funkce. Duální ethernetový port podporuje protokoly Ethernet/IP a Modbus TCP. Nechybí ani porty RS232 a RS485, USB port a slot pro SD kartu.

Řadiče TM262L jsou určeny pro logické řízení systémů s více vstupy/výstupy, včetně čtyř rychlých digitálních vstupů a čtyř rychlých digitálních výstupů. Model TM262L10MESE8T nabízí rychlost provádění 5 nanosekund (ns) na instrukci. Dvoujádrový procesor efektivně řídí paralelní aplikace a komunikaci (obrázek 3).

Obrázek 3: Tento programovatelný logický automat (PLC) Modicon M262 poskytuje ethernetovou konektivitu mezi strojem a cloudem a mezi strojem a provozem připravenou na průmyslový internet věcí (IIoT). (Zdroj obrázku: DigiKey)

Sběrnice TM4 ve skupině Modicon M262 podporuje až 3 komunikační rozšiřující moduly. Rozšiřující moduly Profibus DP (TM4PDPS1) a Ethernet (TM4ES4) lze používat v různých kombinacích s nejvýše třemi moduly.

Odstraňování abnormalit

V některých případech je nutné chránit zařízení, včetně strojů připravených na IIoT, před abnormálními podmínkami. V takových situacích nastupují řídicí relé Harmony.Tato relé jsou schopná monitorovat elektrické i mechanické stavy a identifikovat abnormality související s proudem, napětím, fází, frekvencí, rychlostí, teplotou, ovládáním čerpadla a dokonce i hladinou kapaliny.

Rychlá a přesná identifikace abnormalit může prodloužit dobu provozuschopnosti a snížit potřebu neplánované údržby v aplikacích, jako je čerpání, zpracování vody, zvedáky a výtahy, balicí systémy a textilní stroje. Řídicí relé Harmony jsou k dispozici se širokou škálou funkcí a vyhovují tak potřebám konkrétních aplikací.

Model RMNF22TB30 je třífázové relé s integrovanou komunikací v blízkém poli (NFC). Relé je schopno monitorovat sedm parametrů: ztrátu fáze, sled fází, asymetrii, podpětí, přepětí, podfrekvenci a nadfrekvenci. Pomocí aplikace NFC mohou konstruktéři používat logiku AND, OR a NOT k vytváření vlastních monitorovacích kombinací pro dva individuálně konfigurovatelné výstupy relé.

U jednodušších strojů vyžadujících pouze sledování přepětí mohou konstruktéři využívat relé RM22UA21MR (obrázek 4). Toto jednofázové řídicí relé obsahuje volitelnou paměťovou funkci a integrovanou LED diodu indikující stav řízení. Šroubovací trimry umožňují jednoduché a přesné nastavení prahových hodnot. Relé poskytuje automatické řízení vypínání a předává informace o poruchách, aby je bylo možné rychle identifikovat a odstraňovat.

Obrázek 4: jednofázové přepěťové řídicí relé se spínacím výkonem 2 kVA. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Základní ochrana

Aplikace, pro které jsou výhodné spíše základní ochrany, mohou využívat jističe PowerPacT s jmenovitým proudem 15 až 125 A dostupné v jednopólovém, dvoupólovém, třípólovém a čtyřpólovém provedení. Tyto tepelně magnetické jističe používající pozitivní indikaci kontaktů poskytují izolaci v souladu s normami IEC/EN60947-1 a IEC/EN60947-2 pro „spínací a řídicí přístroje nízkého napětí.“

Model BDF16020 je 20A jednopólový jistič se jmenovitým provozním napětím 240 V_AC 50/60 Hz podle normy UL 489. Tento jistič se jmenovitým trvalým proudem 80 % maximální hodnoty používá klasifikaci „přerušení provozu“ podle IEC 60947-2 (obrázek 5). Údaj na LED displeji VisiTrip usnadňuje identifikaci, který jistič ve skříni nebo na panelu vypnul. Jistič je také opatřen QR kódem pro přístup k informacím zahrnujícím uživatelskou příručku, objednacích čísla a CAD výkresy.

Obrázek 5: jističe jako tento nabízejí pozitivní indikaci kontaktů a splňují požadavky na izolaci podle normy IEC/EN60947. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Integrované Fiel uzly

Systém TeSys představuje digitalizované řešení na správu zátěže připojené k IIoT, které pracuje jako integrovaný uzel v síti Fieldbus a obsahuje moduly potřebné k implementaci stroje připraveného na průmyslový Ethernet věcí (IIoT). Systém, který je založen na multifunkčních zařízeních a avatarech pro průmyslové aplikace se zátěží až 80 A, je schopen urychlit dobu návrhu, zapojení a uvedení do provozu.

Vazební člen sběrnice, jako například model TPRBCEIP, je základní modul zajišťující interní komunikaci s ostrovními moduly TeSys pomocí plochých kabelů. Představuje také také spojovací bod mezi ostrovním systémem TeSys a externím automatizačním systémem využívajícím komunikaci pomocí protokolů EtherNet/IP nebo Modbus TCP. Vestavěný webový server podporuje diagnostiku a údržbu. Obsahuje jeden servisní port RJ45 přes Ethernet, port pro microSD kartu a port pro interní sběrnici propojující moduly ostrovního systému. Typická konfigurace zahrnuje následující položky (obrázek 6):

1. Vazební člen sběrnice
2. Modul analogových vstupů/výstupů
3. Digitální vstupní/výstupní modul
4. Modul napěťového rozhraní
5. Standardní startéry
6. Spouštěč úrovně integrity bezpečnosti (SIL).
7. Modul rozhraní SIL
8. Modul napájecího rozhraní

Obrázek 6: kombinované jednotky ostrovního systému TeSys pracují jako jeden uzel v síti Fieldbus. (Zdroj obrázku: Schneider Electric)

Vzorové moduly ostrovního systému TeSys zahrnují:

• 4pólový spínací stykač TeSys Deca LC1DT406BL 40 A vyhovující normě IEC60335-1 pro průmyslové a HVAC systémy.
• 3pólový spínací stykač TeSys Giga LC1G115EHEN 150 A (75 kW při 440 V_AC) určený pro použití v náročných aplikacích s provozní rychlostí až 600 cyklů za hodinu a pracovní teplotou do +60 °C.
• Digitální I/O modul TPRDG4X2 se čtyřmi digitálními vstupy a dvěma digitálními výstupy schopný spravovat motory a další elektrické zátěže do 65 A (37 kW, 40 hp). Veškerá seřizování a nastavení se provádějí digitálně bez potřeby mechanických číselníků nebo DIP přepínačů.
• Komunikační spouštěče motorů ostrovního systému TeSys se jmenovitým výkonem až 40 hp (80 A při 480 V). Tyto SIL spouštěče splňují požadavky norem IEC 61508, IEC 62061 a ISO 13849-1 a podporují úrovně integrity PL d a SIL 2

Ostrovní systém TeSys dále podporuje komplexní řešení a snadno se integruje do prostředí Rockwell Studio 5000 a Siemens TIA Portal pro podporu starších strojů.

Spojení všeho dohromady

Pokud nastane čas na vybudování hotového stroje, konstruktéři mohou vyžívat nástroj EcoStruxure Machine Expert. Toto softwarové řešení podporuje vývoj, konfiguraci, uvedení do provozu, provoz a údržbu strojů připravených na průmyslový internet věcí (IIoT).

Nástroj EcoStruxure Machine Expert je schopen pracovat se všemi nejnovějšími stavebními bloky strojů IIoT včetně programovatelných logických automatů (PLC) Modicon M262 digitálního ostrovního systému řízení zátěže TeSys. Nástroj je navržen na tvorbu strojů optimalizovaných s ohledem na bezpečnost, spolehlivost, efektivitu, konektivitu a udržitelnost. Ke splnění tohoto složitého úkolu využívá průmyslový internet věcí (IIoT) s řešeními mobility, snímání, cloudu, analytiky a kybernetické bezpečnosti.

Závěr

Stroje s podporou IIoT jsou důležitým aspektem operací koncepce Industry 4.0. Návrh, uvedení do provozu a integrace těchto strojů jsou složité úkoly. Společnost Schneider Electric nabízí konstruktérům komplexní sadu prostředků a softwarových nástrojů na tvorbu strojů s podporou IIoT, které poskytují zlepšenou provozní efektivitu na všech úrovních organizace a během celého životního cyklu strojů.