Jak rychle nainstalovat, připojit a integrovat jednoosé VSD do automatizačních systémů Průmyslu 4.0

Jednoosé pohony s proměnnou rychlostí („variable speed drives“, VSD) jsou nezbytné v průmyslových aplikacích, jako jsou čerpadla, ventilátory, kompresory, dopravníky a zpracovatelské provozy, jako jsou mlýny a míchadla. Tyto aplikace mají jednoduché pohybové sekvence a vyžadují účinné pohony VSD, které podporují rychlé a ekonomické implementace základních funkcí pohonu s krátkou dobou do uvedení do provozu.

Mohou vyžadovat různé řídicí funkce, včetně skalárních voltů na hertz (V/f), programovatelného vícebodového řízení V/f, V²/f, které automaticky přizpůsobuje tok za účelem úspory energie, a proudové řízení toku („Flux Current Control“, FCC), které automaticky přizpůsobuje výstup pohonu zátěži. Nákladově efektivní nasazení a integrace jsou pro průmyslové systémy klíčové a těží z funkcí, jako jsou:

• Předkonfigurovaný výběr aplikace
• Kompaktní velikost
• Přednastavené parametry komunikace
• Efektivní přenos nastavení parametrů do více jednotek
• Bezdrátové uvedení do provozu, provoz a diagnostika
• Připojovací a aplikační makra ke zjednodušení zapojení a konfigurace vstupů a výstupů

V tomto článku je představena řada odolných a energeticky účinných jednoosých měničů VFD od společnosti Siemens navržených tak, aby zjednodušovaly instalaci. Článek pojednává také o několika integrovaných funkcích, zabývá se základním systémovým příslušenstvím a řadou specializovanějších a pokročilejších přídavných modulů a návrhy integrace s využitím řídicích jednotek Siemens. Na závěr je uvedeno pár úvah k integraci těchto VFD do ovládacích skříní a průmyslových pohybových systémů vyhovujících požadavkům na EMI.

Digitalizace řízení motoru přináší průmyslovým jednoosým pohybovým systémům řadu výhod. Nahrazení jednoduchého mechanického řízení pohonem VSD umožňuje systému okamžitě reagovat na situace částečného zatížení a může snížit spotřebu energie o 50 % nebo více. Provoz s proměnnými otáčkami může také minimalizovat opotřebení motorů a mechanických součástek, snížit potřebu údržby a zlepšit dostupnost.

Platforma SINAMICS V20 od společnosti Siemens je k dispozici v devíti velikostech rámů a pokrývá výkonový rozsah od 0,12 kW do 30 kW (0,16 k až 40 k) (obrázek 1). Mezi ukázkové měniče VFD SINAMICS V20 patří modely s jednofázovým vstupem 230 V_AC 6SL3210-5BB11-2UV1 s výkonem od 0,12 kW do 3 kW a 6SL3210-5BB23-0UV1 a třífázový model 480 V_AC 6SL3210-5BE32-2UV0 s výkonem od 0,37 kW do 30 kW.

Obrázek 1: Devět velikostí rámů měničů SINAMICS V20 od FSAA po FSE (0,16 k až 40 k). (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Hlavní výhodou použití měničů SINAMICS V20 je účinnost. Jsou kompaktní a efektivně využívají prostor, podporují rychlou instalaci a uvedení do provozu, efektivně využívají čas a peníze, jsou energeticky účinné a podporují ekologičtější planetu. Mezi jejich mnoho funkcí patří:

• Ekonomický provoz podporovaný více režimy ovládání včetně V/f, V²/f, FCC a vícebodového řízení V/f
  • Úsporu energie lze zvýšit pomocí režimu ECO pro řízení V/f a V²/f a režimu hibernace
  • Úspory energie lze sledovat bez externího zařízení pro měření energie a zobrazovat je v kWh, CO2 nebo měně
• Jednofázové nebo 3fázové napájení ze sítě
  • Modely s jednofázovým napájením 200 až 240 V_AC (−10 % / +10 %) lze také připojit ke dvěma fázím 3fázového síťového napájení 120/240 V_AC
  • Třífázové napájení 380 až 480 V_AC (−15 % / +10 %)
• Předkonfigurovaná aplikační makra zkracují dobu do uvedení do provozu
• Přednastavené parametry komunikace urychlují zprovoznění pomocí standardních knihoven a připojovacích maker
• Automatické přizpůsobení nestabilnímu síťovému napětí zajišťuje stabilní provoz, zabraňuje přerušení a pomáhá poskytovat vyšší produktivitu
• Schopnost přetížení až 150 % po dobu 60 s v rámci 300s doby cyklu
• Maximální výstupní napětí je 100 % vstupního napětí
• Načítání parametrů bez napájení umožňuje rychlou konfiguraci více jednotek
• Uvedení do provozu pomocí mobilního zařízení nebo notebooku s webovým serverem Smart Access
• Integrovaná aplikační a připojovací makra

Integrované funkce

Měniče SINAMICS V20 mají několik integrovaných funkcí, které urychlují nasazení a zjednodušují integraci, jako je proporcionálně-integrálně-derivační („proportional-integral-derivative“, PID) regulátor pro úlohy řízení procesů, integrovaný brzdový přerušovač („chopper“) u největších 2 velikostech rámů a funkce stejnosměrného propojení, která umožňuje spolupráci dvou stejně velkých pohonů v tandemu pro vyšší úspory energie. Regulátor PID lze použít v jednoduchých procesních úlohách, jako je řízení tlaků, hladin nebo průtoků vzhledem k nastavené hodnotě.

Funkce PID zahrnuje automatické ladění pro optimální provoz a může podporovat stupňovaný provoz motoru. Stupňování motoru umožňuje řízení až 2 dalších stupňovaných (kaskádových) motorů. V tomto případě se systém skládá z primárního motoru řízeného měničem a dvou přídavných motorů ovládaných pomocí stykačů nebo spouštěčů řízených digitálními výstupy na měniči.

Velikosti rámů FSD a FSE mají integrovaný brzdový chopper, pro jiné velikosti rámu je k dispozici externí brzdový modul (viz níže). Motor může být brzděn elektricky nebo mechanicky.

• Možnosti elektrického brzdění
  • Stejnosměrné brzdění je aplikováno na vinutí statoru, což má za následek významný brzdný moment. I když proud není vhodný pro držení zavěšených břemen, může ale po zastavení rotace udržet hřídel v klidu.
  • Kombinované brzdění superponuje stejnosměrné brzdění s rekuperačním brzděním, kde měnič během brzdění regeneruje energii do napájecího zdroje DC-link.
  • Dynamické brzdění přeměňuje rekuperační energii na teplo. Implementace dynamického brzdění vyžaduje externí brzdový rezistor, který odvádí energii.
• Mechanický motor držící brzdu může být řízen vnitřní logikou, aby se zabránilo otáčení motoru při vypnutí měniče.

Měniče SINAMICS V20 obsahují také funkci DC coupling, která umožňuje elektrické propojení dvou stejně velkých měničů pomocí jejich připojení DC-link. V případě potřeby může funkce DC coupling snížit náklady na energii tím, že jednomu měniči umožní využívat rekuperační energii odebíranou z druhého měniče. Měniče mohou sdílet jeden dynamický brzdový systém, což snižuje náklady na instalaci. V některých případech může funkce DC coupling eliminovat potřebu modulu dynamického brzdění a dynamického brzdového rezistoru.

Základní systémové příslušenství

Kromě integrovaných funkcí lze využitelnost měničů SIMAMICS V20 rozšířit přidáním několika systémových doplňků, jako je základní ovládací panel („basic operator panel“, BOP) a rozhraní BOP, modul Smart Access a zavaděč parametrů (obrázek 2):

• Měnič SIMAMICS V20 má integrovaný ovládací panel, ale některé aplikace mohou těžit z přidání panelu BOP kvůli dálkovému ovládání jednotky. Panel BOP je navržen pro distribuovanou montáž a má krytí UL typu 1.
• Panel BOP je připojen k měniči SINAMICS V20 pomocí specializovaného modulu rozhraní BOP, který se zasouvá do rozšiřujícího portu na měniči a má rozhraní RS232 pro připojení k BOP.
• Modul Smart Access má vestavěný webový server, který zjednodušuje uvedení do provozu a obsluhu měniče SINAMICS V20 pomocí chytrého telefonu, notebooku nebo tabletu. Mezi funkce podporované tímto modulem patří:
  • Průvodce uvedením do provozu pro urychlení uvedení do provozu
  • Nastavení a uložení parametrů, případně obnovení továrního nastavení
  • Testování motoru
  • Sledování provozních dat
  • Provádění diagnostických kontrol systému
• Zavaděč parametrů může do měniče SINAMICS V20 nahrát až 100 sad parametrů nebo sady parametrů z jednotky stáhnout. Baterií napájený zavaděč parametrů lze použít i bez zapnutí měniče.

Obrázek 2: Měnič SINAMICS V20 0,16 k FSAA zobrazený se čtyřmi běžnými rozšiřujícími moduly. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Další příslušenství

V případě potřeby lze přidat linkové filtry. Ke splnění požadavků normy EN 61800-3 kategorie C2 vyzařovaného a vedeného záření jsou vyžadovány externí filtry EMC pro měniče SINAMICS V20 (400V filtrované a nefiltrované modely stejně jako 230V nefiltrované modely). Například model 6SL32030BE177BA0 je určen k použití s měniči s velikostí rámu FSA 400 V.

K vyhlazení napěťových špiček nebo překlenutí komutačních poklesů jsou k dispozici linkové tlumivky. Tyto tlumivky také snižují účinky harmonických na síťové napájení a měnič.

Brzdění lze implementovat pomocí brzdového modulu 6SL32012AD208VA0 (obrázek 3) s velikostí rámu FSAA až FSC. Velikosti rámů FSD a FSE mají integrovaný brzdový chopper a nevyžadují externí modul. Ve všech případech lze dosáhnout lepšího brzdného výkonu a zpomalení přidáním externího brzdového rezistoru, jako je model 6SE64004BC050AA0, který odvádí rekuperační energii produkovanou motorem.

Obrázek 3: Brzdový modul pro motorové měniče SINAMICS V20. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Aplikace vyžadující vstupy nebo výstupy lze doplnit o modul rozšíření vstupů a výstupů SINAMICS V20 (obrázek 4). Modul se montuje přímo na 400V řadu měničů a poskytuje dva digitální vstupy a dva digitální reléové výstupy. Modul rozšíření vstupů a výstupů lze použít například v aplikacích řízení s více čerpadly, což umožňuje ovládat až čtyři čerpadla jedním měničem SIMAMICS V20. Modul je také užitečný, když je třeba ovládat více ventilátorů nebo kompresorů. Má připojení na přední a zadní straně a lze jej kombinovat s dalším příslušenstvím, jako je rozhraní BOP a moduly Smart Access. Nelze jej však použít současně jako modul zavaděče parametrů.

Obrázek 4: Rozšiřující modul namontovaný na přední straně měniče SINAMICS V20. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Výstupní tlumivky, jako je model 6SL3202-0AE16-1CA0 pro velikost rámu FSA, mohou snížit napěťové namáhání vinutí motoru (obrázek 5). Tyto výstupní tlumivky také snižují kapacitní nabíjecí a vybíjecí proudy, které mohou při použití dlouhých motorových kabelů zatěžovat měnič.

Obrázek 5: Výstupní tlumivka pro měniče SINAMICS V20 s rámem FSA, 0,5 k, 3 fáze 380 V_AC až 480 V_AC, 6,1 A. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Integrace do větších systémů

Měniče SINAMICS V20 jsou navrženy tak, aby mohly být řízeny řídicí jednotkou SINAMICS S7-1200 nebo S7-1500, jako je model6ES75173FP000AB0, přes rozhraní RS485 a pomocí protokolu USS (univerzální sériové rozhraní, „Universal Serial Interface“). K dispozici jsou ukázkové projekty, které demonstrují konfiguraci a programování těchto řídicích jednotek pomocí systému SINAMICS V20. Protokol USS je výchozím nastavením, ale systém SINAMICS V20 může používat také protokol MODBUS RTU.

Jednu hlavní řídicí jednotku lze připojit k maximálně 31 měničům VFD.

Spojení všeho dohromady

Sestavení výše popsaných součástek do kompletního systému může být náročné, zvláště pokud je důležitým hlediskem soulad s EMC. Nejrychlejším a cenově nejefektivnějším přístupem je obvykle izolace potenciálních zdrojů rušení. Toho lze dosáhnout uspořádáním ovládací skříně a zbytku systému do série čtyř izolovaných zón, jak je znázorněno na obrázku 6. Při zavádění izolačních zón je třeba zvážit následující faktory:

• Elektromagnetického oddělení zón lze dosáhnout pomocí uzemněných oddělovacích desek nebo samostatných kovových krytů.
  • Měnič SINAMICS V20 je v zóně B a řídicí jednotka SIMATIC S7-1200 nebo S7-1500 je v zóně C.
• Pro zlepšení výkonu EMC lze na rozhraní zón přidat filtry a vazební moduly.
• Propojovací kabely mezi zónami musí být odděleny, aby se zabránilo vazbě EMC, a nesmí být ve stejném kabelovém kanálu nebo svazku.
• Komunikační síťové a signální kabely jako RS485, které jsou do skříně přivedeny nebo z ní vyvedeny, musí být stíněné.

Obrázek 6: Elektromagneticky oddělené zóny mohou v instalacích SINAMICS V20 zvýšit výkon EMC. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Závěr

Měniče SINAMICS V20 jsou vysoce univerzální, kompaktní a podporují různé jednoosé průmyslové aplikace s proměnnou rychlostí. Mají širokou škálu vestavěných funkcí a možností. Doplněním příslušenství, jako je základní ovládací panel, modul vzdáleného přístupu a zavaděč parametrů, se může jejich užitečnost ještě zvýšit. Kromě toho jsou tyto měniče k dispozici s širokou řadou přídavných modulů pro podporu pokročilých funkcí systému a jsou optimalizovány pro použití s řídicími jednotkami Siemens. Na závěr je v článku ukázáno, jak tyto VFD integrovat do ovládacích skříní a průmyslových pohybových systémů vyhovujících požadavkům na EMI.