Az ipari dolgok internetére kapcsolódó gépek gyors tervezése és beüzemelése
Az ipari dolgok internetére (IIoT, Industrial Internet of Things) kapcsolódni képes gépek gyors megtervezése és beüzemelése komoly nehézségeket jelent. Az ilyen gépeknek támogatniuk kell a két gép közti, a gép és az üzem közti és a gép és a felhő közti kommunikáció és koordináció gyors megteremtését.
A sokrétű és gyors kommunikáció átfogó megoldást igényel, ezért az alkalmas gépeknek a vezérlő-, illesztő- és kommunikációs modulok teljes skáláját tartalmazniuk kell. A méretezhetőség elengedhetetlen. A gyors telepítés érdekében támogatniuk kell az egyszerűsített kiépítést. Végül pedig a több gyártót használó környezetbe is könnyen beilleszthetőknek kell lenniük, hogy a régi berendezésekkel is használni lehessen őket. Ennek jutalma a jobb működési hatásfok a szervezet minden szintjén, a gépek teljes életciklusa során.
Ez a cikk áttekinti, hogy a Schneider Electric villanymotor-vezérlési lehetőségei hogyan kínálnak teljes körű automatizálási megoldásokat a tervezők számára. Bemutatja az Altistart lágyindítók, az Altivar meghajtók, a Modicon Ethernet-kapcsolók és a PLC-k (programmable logic controller, programozható logikai vezérlőegység), a Harmony vezérlőrelék és a PowerPacT áramkör-megszakítók jellemzőit és előnyeit.
Ezt követően részletesen ismerteti, hogy a TeSys-szigetrendszerelemek hogyan támogatják az átfogó megoldásokat, és hogyan illeszthetők be egyszerűen a Rockwell Studio 5000 és a Siemens TIA Portal környezetekbe a régebbi gépek támogatása érdekében, majd azzal zárul, hogy megvizsgálja, hogyan gyorsítja fel a Schneider Electric EcoStruxure Machine Expert szoftver az ipari dolgok internetére kapcsolódni képes gépek fejlesztését, beállítását és üzembe helyezését.
A mozgás az ipari gépek alapvető jellemzője. Ezt különböző módon valósítják meg az egyszerű, olyan rendszerekben használt mozgásprofiloktól kezdve, mint a szivattyúk, a szállítószalagok és a daruk, egészen a technológia folyamatokban és összeszerelési műveletekben, valamint a robotikában használt összetett mozgásprofilokig.
Az egyszerű mozgásprofilú gépek hasznát vehetik az Altistart lágyindító termékcsaládhoz hasonló lágyindító egységekben található funkcióknak. Az Altistart lágyindítók a következőket teszik lehetővé:
- Ellenőrzött gyorsulás, csökkentve a mechanikai rázkódásokat, amelyek növelhetik a kopást, és nagyobb karbantartási igényt és gépleállásokat eredményezhetnek.
- A bemenő áramerősség korlátozása az energiafelhasználás csökkentése érdekében.
- A villanymotorok védelme az indításkor fellépő túlfeszültségtől, növelve a motor élettartamát.
- Nagyobb megbízhatóság az olyan hibák észlelésével, mint elakadt villanymotor, aláterhelés, hibás földelés, és riasztás küldésével a gépkezelőknek.
Azokhoz az alapszintű gépekhez, amelyeknek nincs szükségük nagy indítónyomatékra, az ATS01 sorozatú lágyindítókat lehet használni. A BOOST (rásegítés) logikai bemenet aktiválása lehetővé teszi a villanymotor névleges feszültségének 100%-ával egyenlő feszültségnövelés alkalmazását 200 ms időtartamra a rendszer kezdeti mechanikai súrlódásának leküzdése érdekében. A programozott feszültségfelfutás a rásegítés után kezdődik.
Az ATS01N232RT jelű lágyindítóegység háromfázisú aszinkron motorok lágyindítására és leállítására szolgál 15 kW (20 LE) teljesítményig, 1 és 10 másodperc közötti gyorsítási és lassítási idővel. Egyszerű szíjhajtású berendezésekhez, például szivattyúkhoz, kompresszorokhoz és ventilátorokhoz van optimalizálva, amelyek 440 és 480 V közötti váltakozó feszültségről működnek. Az előlapon található kezelőszervek az indítási idő, a kezdeti feszültség és a leállítási idő beállítására szolgálnak a kiépítés és az üzembe helyezés során.
Az igényesebb technológiai folyamatokhoz használt és infrastrukturális gépek, például keverők, zúzógépek és szállítószalagok tervezői az Altivar ATS480 lágyindítósorozathoz fordulhatnak. Míg az egyszerűbb lágyindítók feszültségnövelési sebességet, az ATS480 lágyindítók lágyabb nyomatéknövelési sebességet használnak, és fékezési funkciót is képesek megvalósítani. Az ATS480C11Y jelű lágyindító 208 és 690 V közötti váltakozó feszültségről működik (1. ábra). A motorfeszültségtől függően 22–90 kW (25–100 LE) teljesítményű villanymotorokhoz használható. RJ45-ös csatlakozót használó Modbus soros kommunikációs porttal van ellátva. Külön rendelhető kommunikációs kártyák is kaphatók hozzá a Profibus, a PROFINET, a Modbus TCP/EtherNet/IP és a CANopen rendszerhez.
1. ábra Ez az Altivar lágyindító 22 és 90 kW közötti teljesítményű aszinkron motorokhoz készült (Kép: DigiKey)
Fejlettebb gépek vezérlése
A fejlett gépek, például anyagmozgató, csomagoló, textilipari és anyagmegmunkáló gépek, emelőberendezések és mechanikus működtetőelemek összetett mozgásprofiljaihoz az Altivar 320 termékcsaládhoz hasonló, 0,18 és 15 kW (0,25 és 20 LE) közötti teljesítményű frekvenciaváltók használhatók. Az ATV320U75M3C jelű frekvenciaváltó 7,5 kW névleges teljesítményű, és 200 és 240 V közötti váltakozó tápfeszültségről működik.
A beállítás és az üzembe helyezés felgyorsítása érdekében ezek a frekvenciaváltók 150 funkcióval, valamint szabványos és testre szabható beállításokkal vannak felvértezve. Vannak bennük külön funkciók olyan felhasználási területekre, mint az anyagmozgatás, a textilipar, az emelőgépek és a mechanikus működtetőelemek.
Az Altivar 320 frekvenciaváltók képesek aszinkron és állandó mágneses motorok nagy teljesítményű vezérlésére, beleértve a pontos nyomaték- és fordulatszám-szabályozást nagyon alacsony fordulatszámon és a dinamikus mozgatást fluxusvektor-szabályozással, érzékelő nélkül. Háromfázisú szinkron és aszinkron motorok esetén ezek a frekvenciaváltók a következőkre képesek:
- Nagy fordulatszámú villanymotorok támogatása;
- pontos statikus fordulatszám-szabályozás nyílt hurkú vezérlésű szinkron motoroknál;
- rugalmas rendszerbe illesztési lehetőségek többek közt Ethernet, CANopen, Profibus, EtherCAT, DeviceNet és egyéb rendszerek esetén;
- a funkcionális biztonsági szabványoknak megfelelő beépített biztonsági funkciók;
- az IP20 és IP66 közötti védettségű, kis méretű meghajtók különböző típusú kapcsolószekrényekbe való beépítést tesznek lehetővé (2. ábra).
2. ábra Az Altivar 320 frekvenciaváltók különböző méretekben kaphatóak, hogy egyszerűsítsék a telepítést, és maximálisra növeljék a helykihasználást a kapcsolószekrényekben (Kép: DigiKey)
Nagy teljesítményű többtengelyű gépek
A Modicon Ethernet-kapcsolók és PLC-k alkalmasak a nagy teljesítményű, nagy sebességű, pontos helyzetbeállítást és mozgatást igénylő, például a robotikában használt eszközök támogatására az egyetlen független tengelyűtől a nagy teljesítményű szinkronizált többtengelyű gépekig.
Ezek az ipari dolgok internetére kapcsolódó helyi saját vezérlőegységek közvetlenül képesek a felhőhöz csatlakozni MQTT-t (Message Queuing Telemetry Transport, üzenet-sorbaállítási telemetriás átvitel), OPC UA-(Open Platform Communications Unified Architecture, nyílt platformú egyesített kommunikációs architektúra) kiszolgálót és -ügyfelet, valamint a TLS-(Transport Layer Security, átviteli rétegbeli adatvédelem) titkosítást használva, és beágyazott biztonsági és kiberbiztonsági funkciókkal vannak ellátva. A két Ethernet-port lehetővé teszi az Ethernet/IP és a Modbus TCP protokoll használatát. Vannak még ezenkívül RS232 és RS485 portok, egy USB-port és egy SD-kártyahely is.
A TM262L vezérlőegységek több be- és kimeneti elrendezés logikai vezérlésére szolgálnak, és található rajtuk négy gyors digitális bemenet és négy gyors digitális kimenet is. A TM262L10MESE8T jelű vezérlőegység végrehajtási sebessége utasításonként 5 ns. A kétmagos processzor hatékonyan kezeli a párhuzamosan futó alkalmazásokat és a kommunikációt (3. ábra).
3. ábra Ez a Modicon M262 PLC biztosítja a gép és a felhő közötti, valamint a gép és az üzem közötti, az ipari dolgok internetére kapcsolódásra alkalmas Ethernet-kapcsolatot (Kép: DigiKey)
A Modicon M262 termékcsalád TM4 sínjére legfeljebb 3 kommunikációs bővítőmodul csatlakoztatható. Profibus DP (TM4PDPS1) és Ethernet (TM4ES4) ) bővítőmodulokat különböző kombinációkban, legfeljebb három modulig lehet használni.
A rendellenességek megszüntetése
Néha a gépeket, beleértve az ipari dolgok internetére kapcsolódni képes gépeket is, meg kell védeni a rendellenes körülményektől. Itt jönnek a képbe a Harmony vezérlőrelék. Ezek képesek mind a villamos, mind a mechanikai állapotok megfigyelésére, és az áramerősséggel, a feszültséggel, a fázissal, a frekvenciával, a fordulatszámmal, a hőmérséklettel, a szivattyúvezérléssel, sőt még a folyadékszinttel kapcsolatos rendellenességek azonosítására is.
A rendellenességek gyors és pontos azonosítása növelheti az üzemidőt és csökkentheti a nem tervezett karbantartás szükségességét olyan felhasználási területeken, mint a szivattyúzás, a vízfeldolgozás, az emelők és felvonók, a csomagolórendszerek és a textilipari gépek. A Harmony vezérlőrelék a funkciók széles skálájával állnak rendelkezésre, hogy megfeleljenek a különféle felhasználási területek egyedi igényeinek.
Az RMNF22TB30 jelű eszköz egy háromfázisú relé beépített közeli rádiókommunikációval (NFC). Hét paramétert tud figyelni: fázisveszteség, fázissorrend, aszimmetria, feszültségesés és túlfeszültség, frekvenciaesés és frekvencia-túlfutás. Az NFC-alkalmazás segítségével a tervezők ÉS, VAGY és NEM logikát használhatnak a két egyedileg beállítható relékimenet egyéni felügyeleti kombinációinak kialakításához.
Az egyszerűbb, csak túlfeszültség-figyelést igénylő gépek esetében a tervezők használhatják az RM22UA21MR vezérlőrelét (4. ábra). Ez az egyfázisú vezérlőrelé választható memóriafunkcióval és a vezérlés állapotát jelző beépített LED-del van ellátva. A tekerős trimmer-potenciométerek egyszerű és pontos küszöbérték-beállításokat tesznek lehetővé, a relé pedig automatikus leállításkezelést kínál, és hibaadatokat szolgáltat a hibák gyors azonosításához és a hibakereséshez.
4. ábra Egyfázisú túlfeszültségvédő relé 2 kVA kapcsolási kapacitással (Kép: DigiKey)
Alapszintű védelem
Azokon a felhasználási területeken, ahol előnyös lehet az alapszintű védelem, jó megoldást jelenthetnek a PowerPacT megszakítók, amelyek 15 és 125 A közötti névleges teljesítményűek, és egy-, két-, három- és négypólusú kivitelben kaphatóak. Ezek a hőkioldós mágneses megszakítók egyértelmű érintkezőhelyzet-jelzést adnak, és az IEC/EN 60947-1 és IEC/EN 60947-2 szabványnak megfelelő szigetelést biztosítanak a „kisfeszültségű kapcsoló- és vezérlőberendezések” számára.
A BDF16020 jelű megszakító egy 20 A-es egypólusú egység, amelynek névleges üzemi feszültsége az UL 489 szabvány szerinti 240 V váltakozó feszültség, 50/60 Hz. Folyamatos névleges áramerőssége a legnagyobb névleges érték 80%-a, és az IEC 60947-2 szabvány szerint „működésmegszakító” besorolású (5. ábra). A VisiTrip LED-kijelző megkönnyíti annak felismerését, hogy melyik megszakító oldott ki a kapcsolószekrényben vagy a panelen. QR-kód is található rajta, amelyet beolvasva különféle információkhoz férhet hozzá, beleértve a használati utasítást, a cikkszámokat és a CAD-rajzokat.
5. ábra Az ilyen megszakítók egyértelmű érintkezőhelyzet-jelzést adnak, és megfelelnek az IEC/EN 60947 szabvány szerinti leválasztási követelményeknek (Kép: DigiKey)
Beépített terepibusz-csomópontok
A TeSys egy digitalizált, az ipari dolgok internetére kapcsolódó terheléskezelő megoldás, amely egy terepibusz-hálózat beépített csomópontjaként működik, és tartalmazza az ipari dolgok internetére kapcsolódni képes gépek megvalósításához szükséges modulokat. A rendszer többfunkciós eszközökön és avatarokon alapul, ipari felhasználási területekre készült, akár 80 A-es terheléssel, és lerövidítheti a tervezés, a kábelezés és az üzembe helyezés idejét.
A központi modul a TPRBCEIP-hez hasonló síncsatoló, amely szalagkábeleken keresztül biztosítja a belső kommunikációt a TeSys-szigetmodulokkal. Ez egyben a TeSys-sziget és egy külső automatizálási rendszer közötti kapcsolódási pont is, amely EtherNet/IP- vagy Modbus TCP-kommunikációt használ. A diagnosztikát és a karbantartást beágyazott webkiszolgáló segíti. Az eszköz tartalmaz egy RJ45-ös szervizportot Ethernet-kapcsolattal, egy mikro-SD-kártyahelyet és egy portot a sziget moduljait összekötő belső sínhez. Egy tipikus összeállítás a következő (6. ábra):
A. Síncsatlakozó
B. Analóg be- és kimeneti modul
C. Digitális be- és kimeneti modul
D. Feszültségillesztő modul
E. Normál villanymotor-indító megszakítók
F. SIL- (minősített biztonságjósági szintű) modullal ellátott villanymotor-indító megszakító
G. SIL-illesztő modul
H. Teljesítményillesztő modul
6. ábra A TeSys-sziget egymással összekapcsolt egységei a Fieldbus-hálózatban egyetlen csomópontként működnek (Kép: Schneider Electric)
Néhány példa a TeSys-sziget-modulokra:
- LC1DT406BL: 40 A-es, 4 pólusú, alaphelyzetben nyitott, az IEC 60335-1 szabványnak megfelelő TeSys Deka mágneskapcsoló ipari, valamint fűtő-, szellőző- és légkondicionáló rendszerekhez.
- LC1G115EHEN: 150 A-es (440 V váltakozó feszültség mellett 75 kW), 3 pólusú, alaphelyzetben nyitott TeSys Giga mágneskapcsoló, amelyet nagy igénybevételt jelentő, akár 600 ciklus/óra működési sebességű és +60 °C üzemi hőmérsékletű felhasználási területekre terveztek.
- TPRDG4X2: digitális be- és kimeneti modul négy digitális bemenettel és két digitális kimenettel, legfeljebb 65 A (37 kW, 40 LE) teljesítményű villanymotorok és egyéb villamos terhelések kezelésére. Minden beállítás digitális úton történik, nincsenek sem mechanikus tárcsák, sem DIP-kapcsolók.
- TeSys island Communicating Motor Starters 40 LE (30 kW) teljesítményig (480 V-on 80 A). Ezek a SIL-modullal ellátott villanymotor-indító megszakítók megfelelnek az IEC 61508, az IEC 62061 és ISO 13849-1 szabvány követelményeinek, és PL d és SIL 2 minősítésűek.
A TeSys-sziget átfogó megoldásokat is támogat, és a régebbi gépek támogatása érdekében egyszerűen beilleszthető a Rockwell Studio 5000 és a Siemens TIA Portal környezetbe.
A rendszer összeállítása
Amikor eljön az ideje a teljes gép megépítésének, a tervezők igénybe vehetik az EcoStruxure Machine Expert szoftvert. Ez a szoftver az ipari dolgok internetére kapcsolódni képes gépek fejlesztését, beállítását, üzembe helyezését, üzemeltetését és karbantartását segíti.
Az EcoStruxure Machine Expert képes kezelni az ipari dolgok internetére kapcsolódni képes gépek összes legújabb építőkockáját, beleértve a Modicon M262 PLC-ket és a TeSys-sziget digitális terheléskezelő rendszert is. Úgy tervezték, hogy biztonságra, megbízhatóságra, hatásfokra, csatlakoztathatóságra és a fenntarthatóság segítésére optimalizált gépeket lehessen vele összeállítani. Az összetett feladat elvégzéséhez felhasználja az ipari dolgok internetét, valamint a mozgási képességgel, az érzékeléssel, a felhővel, az elemzéssel és a kiberbiztonsággal kapcsolatos megoldásokat.
Összegzés
Az ipari dolgok internetére kapcsolódni képes gépek az Ipar 4.0-s műveletek fontos részét képezik. Ezeknek a gépeknek a megtervezése, üzembe helyezése és rendszerbe illesztése összetett feladat. A Schneider Electric olyan eszközök és szoftverek átfogó csomagját kínálja a géptervezők számára az ipari dolgok internetére kapcsolódni képes gépekhez, amelyek a szervezet minden szintjén és a gépek teljes életciklusa során javítják a működési hatásfokot.
Szerző: Rolf Horn – alkalmazástechnikai mérnök, DigiKey
DigiKey
www.digikey.hu
Angol/német nyelvű kapcsolat
Rolf Horn
Applications Engineer
DigiKey Germany
Tel.: +49 89 2444 8 x 16817
E-mail:
