Cum poate punerea în funcțiune agilă și ușoară a acționărilor motoarelor industriale duce la creșterea durabilității și a productivității

Procesele agile sunt o caracteristică a fabricilor și operațiunilor logistice din Industria 4.0. Există o gamă largă de aplicații care necesită motoare și variatoare de viteză (VSD) cu puteri cuprinse între 0,12 kilowați (kW) și 30 kW (0,16 cai putere (CP) și 40 CP).

VSD-urile pentru aceste aplicații trebuie să fie ușor de instalat și să poată funcționa de la -10 °C la +60 °C. Acționările mai mari trebuie să includă întrerupătoare periodice de frânare integrate, iar unele aplicații necesită conformitatea cu categoria C1 pentru compatibilitate electromagnetică (CEM) din EN 61800-3. VSD-urile trebuie să fie ușor de utilizat, să funcționeze pe game largi de tensiune de rețea și să se adapteze automat la tensiunile de rețea instabile pentru a asigura funcționarea neîntreruptă.

Multe aplicații automatizează secvențe simple de mișcare și nu necesită controlere logice programabile, dar pot fi puse în funcțiune utilizând macro-uri preprogramate sau dispozitive simple precum încărcătoare de parametri, panouri de operare de bază (BOP) sau module de acces inteligente.

În cele din urmă, aceste VSD-uri trebuie să fie economice în exploatare și să includă funcții integrate de economisire a energiei, cum ar fi reducerea automată a fluxului în condiții de funcționare predeterminate, precum și capacitatea de a monitoriza și afișa consumul de energie în timp real.

Acest articol începe cu o prezentare generală a familiei de VSD-uri SINAMICS V20 de la Siemens și a caracteristicilor care le permit să stimuleze durabilitatea și productivitatea. Apoi analizează modul în care macro-urile și dispozitivele preprogramate, cum ar fi încărcătoarele de parametri, BOP-urile sau modulele de acces inteligente, pot sprijini punerea în funcțiune agilă, funcționarea eficientă și întreținerea continuă.

Unitățile SINAMICS V20 pot fi utilizate imediat după primire, fără module adăugate sau controlere externe. BOP-ul integrat sprijină punerea în funcțiune la fața locului. În plus, o interfață serială universală poate fi utilizată pentru conectarea la controlerele logice programabile (PLC) SIMATIC de la Siemens pentru operațiuni complexe. Interfața Modbus se poate conecta cu PLC-uri terțe și alte dispozitive.

Pentru unitățile cu o putere nominală de peste 10 CP, un rezistor de frânare poate fi conectat direct la întrerupătorul periodic de frânare, iar unele modele sunt conforme cu categoria CEM C1 din EN 61800-3. Acționările SINAMICS V20 sunt specificate pentru funcționare între -10 °C și +60 °C și sunt disponibile cu puteri nominale de la 0,12 kW la 30 kW. Exemplele includ (Figura 1):

• Modelul 6SL32105BB175UV1, cu o putere nominală de 0,75 kW, funcționează de la o sursă monofazată de 230 V_c.a.
• Și modelul 6SL32105BB230UV1, cu o putere nominală de 3 kW, funcționează cu alimentare monofazată de 230 V_c.a.
• Modelul 6SL32105BE322CV0, cu o putere nominală de 22 kW, funcționează cu o alimentare trifazată de 400 V_c.a.

Figura 1: Exemple de unități SINAMICS V20, 0,75 kW (stânga) și 22 kW (dreapta) (nu la scară). (Sursa imaginii: DigiKey)

Modurile de control integrate în acționările SINAMICS includ volți scalari per Hertz (V/f), V/f multipunct programabil, V²/f care adaptează automat fluxul pentru a economisi energie și controlul curentului de flux (FCC) care adaptează automat ieșirea acționării la sarcină.

Modul de funcționare continuă se adaptează automat pentru a compensa alimentarea instabilă de la rețea (Figura 2). În acest mod, fluctuațiile tensiunii de linie sunt compensate intern, turația motorului este redusă automat pentru a preveni o oprire neprogramată, iar un mesaj de eroare este trimis dacă este necesar. Acest lucru poate fi util în special în aplicațiile de automatizare a clădirilor, cum ar fi pompele și ventilatoarele din instalațiile de procesare a apei sau a apelor reziduale și sistemele de încălzire, ventilație și aer condiționat (HVAC).

Figura 2: Modul de funcționare continuă SINAMICS V20 susține funcționarea continuă a motorului chiar și în cazul unor perturbări ale rețelei de alimentare. (Sursa imaginii: Siemens)

Maximizarea eficienței

În funcție de aplicație, eficiența poate fi crescută prin ajustarea turației motorului în funcție de procesul curent. De exemplu, în cazul turbomașinilor precum pompele, funcționarea cu viteză variabilă poate economisi până la 60% din energie în comparație cu funcționarea cu viteză fixă.

Unitățile SINAMICS V20 au un mod integrat de control optimizat energetic (ECO) pentru o eficiență sporită. În modul ECO, fluxul motorului este adaptat automat la punctul optim de funcționare.

Aceste acționări pot fi setate în modul de hibernare, care oprește motorul, menținând în același timp starea curentă a acționării. Modul de hibernare reduce substanțial consumul de energie, menținând în același timp unitatea într-o stare de pregătire pentru repornire imediată, în funcție de necesități.

Utilizarea funcțiilor integrate de cascadă și de echilibrare a energiei de mai jos poate spori și mai mult eficiența energetică:

Funcționarea în cascadă poate fi utilizată în aplicații cu pompe, ventilatoare și compresoare de mare putere care utilizează mai multe motoare. Conectarea și deconectarea fazelor folosind cascade de putere parțial sau complet controlate pot crește eficiența generală a sistemului fără pierderi de performanță.

Echilibrarea energiei cu ajutorul acționărilor cuplate permite schimbul de energie prin intermediul legăturii de curent continuu comune. Acest schimb direct de energie între invertoare poate minimiza pierderile totale de putere ale sistemului și poate îmbunătăți eficiența.

BOP-ul de pe unitățile SINAMICS poate afișa consumul de energie în timp real. Un contor de economii de energie poate calcula consumul de energie în timpul funcționării utilajului în comparație cu funcționarea cu viteză fixă, permițând operatorilor să ajusteze procesele și să îmbunătățească și mai mult economiile și durabilitatea.

Îmbunătățirea durabilității

Siemens a publicat Declarația de mediu a produsului (EPD) SINAMICS V20, inclusiv o evaluare a impactului ciclului de viață (LCIA) bazată pe standardul 14021 al Organizației Internaționale de Standardizare (ISO), Etichete și declarații de mediu - Declarații de mediu pe proprie răspundere - Etichetare de mediu de tip II.

Acest LCIA s-a bazat pe modelul 6SL3210-5BE21-5UV0, cu o putere nominală de 1,5 kW și o alimentare trifazată de la 380 V_c.a. la 480 V_c.a. Acesta ia în considerare impactul producției, distribuției, exploatării, dezafectării la sfârșitul ciclului de viață, precum și al eliminării și reciclării unităților SINAMICS V20. Cel mai semnificativ impact este generat de exploatarea pe durata de viață estimată de 15 ani a unităților. Analiza s-a bazat pe 5.000 de ore de funcționare pe an și pe trei puncte de funcționare (PO):

• OP1: 20% din timp la 100% viteză și 100% cuplu
• OP2: 70% din timp la 50% viteză și 25% cuplu
• OP3: 10% din timp la 20% viteză și 25% cuplu

S-a estimat că funcționarea motorului generează echivalentul a 1.059,13 kg de CO₂ pe o perioadă de 15 ani, în timp ce producția a generat doar 40,6 kg echivalent CO₂, iar dezafectarea, eliminarea și reciclarea au fost creditate pentru recuperarea unor emisii de gaze cu efect de seră echivalente cu -3,6 kg CO₂.

În cadrul operațiunilor din Industria 4.0, punerea în funcțiune rapidă și flexibilă poate fi un aspect important al maximizării economiilor de energie și a durabilității. Utilizatorii au la dispoziție mai multe opțiuni pentru accelerarea punerii în funcțiune a acționărilor SINAMICS V20, pentru a sprijini schimbările rapide.

Punerea în funcțiune agilă cu ajutorul macro-urilor

Funcția de punere în funcțiune rapidă modifică simultan patru seturi de parametri, inclusiv datele motorului, macro-urile de conectare, macro-urile de aplicație și parametrii importanți. Datele motorului încep cu selectarea parametrilor europeni sau nord-americani (de exemplu, kW sau CP), tensiunea nominală, curentul, puterea, frecvența, randamentul etc.

Macro-urile de conectare și de aplicație sunt aspecte deosebit de importante ale punerii în funcțiune agile:

• Macro-urile de conectare includ identificarea BOP-ului ca unică sursă de control sau activarea controlului de la terminalele PNP/NPN, viteze fixe, intrare analogică, frecvență fixă, control cu buton extern, buton extern cu punct de referință analogic, control PID cu referință de intrare analogică, control PID cu referință de valoare fixă, control USS și control MODBUS RTU.
• Opțiunile macro pentru aplicații includ o pompă simplă, un ventilator, un compresor și un transportor. De exemplu, parametrii incluși în macro-ul pompei simple sunt frecvența minimă, modul de control, valoarea de referință a frecvenței de inhibare, repornirea automată și timpul de creștere.

Parametrii individuali, cum ar fi valoarea de referință a frecvenței, frecvențele minime și maxime și timpii de creștere și de scădere, pot fi personalizați în timpul punerii rapide în funcțiune. Pe lângă accelerarea punerii în funcțiune, utilizarea funcției integrate de punere în funcțiune rapidă poate elimina erorile cauzate de setările incorecte ale parametrilor, scurtând și mai mult timpii de implementare.

Clonarea parametrilor pe mai multe unități

Odată ce seturile de parametri au fost finalizate, un încărcător de parametri poate încărca și descărca seturi de parametri între V20 și un card SD. Încărcătorul de parametri și cardul SD se pot utiliza pentru clonarea seturilor de parametri pe mai multe unități. Parametrii pot fi descărcați pe unități chiar înainte ca acestea să fie livrate în fabrică, accelerând și mai mult procesul general de punere în funcțiune și reducând nevoia de asistență tehnică.

Pe lângă slotul pentru card SD, încărcătorul de parametri V20 are un spațiu pentru două baterii primare de dimensiune AA care pot alimenta unitatea în timpul descărcării parametrilor fără a fi conectată la o sursă de alimentare de la rețea. De asemenea, încărcătorul de parametri V20 are o interfață Micro USB care poate fi conectată la o sursă de alimentare externă de 5 V_c.c., eliminând necesitatea bateriilor primare (Figura 3).

Figura 3: Un încărcător opțional de parametri poate fi utilizat pentru a încărca sau descărca parametrii unității V20 pe un card SD și permite clonarea rapidă a parametrilor pe mai multe unități. (Sursa imaginii: Siemens)

BOP extern

Un BOP extern opțional poate fi utilizat pentru controlul de la distanță al invertoarelor V20. BOP-ul extern este conceput pentru a fi montat în exteriorul dulapului echipamentului și conectat la un modul de interfață atașat la unitate. BOP-ul extern și modulul de interfață acceptă conectivitate RS232 și pot fi conectate folosind un cablu cu o lungime de până la 3 m.

Cu o montare corespunzătoare, BOP-ul extern poate asigura protecție IP54 și UL/cUL tip 1, oferind protecție personalului împotriva accesului la tensiuni periculoase și protecția unității V20 împotriva corpurilor străine solide, cum ar fi murdăria și praful. BOP-ul extern dublează interfața BOP integrată pe V20 (Figura 4).

Figura 4: Un BOP extern poate controla unitățile V20 la o distanță de până la 3 metri și în afara dulapului de comandă. (Sursa imaginii: Siemens)

Control fără fir

Pentru a obține cea mai mare flexibilitate în punerea în funcțiune, utilizatorii pot utiliza modulul SINAMICS V20 Smart Access (Figura 5). Modulul Smart Access se conectează direct la partea frontală a V20 și este un modul server web cu conectivitate Wi-Fi integrată. Acesta acceptă punerea în funcțiune și monitorizarea pe bază de web a unităților V20 de pe dispozitivele utilizatorilor precum un laptop cu un adaptor de rețea wireless, o tabletă sau un smartphone. Poate fi utilizat cu orice sistem de operare și cu orice browser web compatibil cu HTML5, precum Chrome, Internet Explorer (IE) și Safari.

Figura 5: Acest modul Smart Access oferă conectivitate Wi-Fi pentru punerea în funcțiune, controlul, monitorizarea și diagnosticarea unităților V20. (Sursa imaginii: DigiKey)

SINAMICS V20 Smart Access oferă acces ușor la unitate, chiar și într-o zonă greu accesibilă. Interfața grafică intuitivă cu utilizatorul (GUI) și asistentul de punere în funcțiune îl fac ușor de utilizat. Smart Access acceptă același asistent de configurare rapidă ca și BOP pentru o punere în funcțiune rapidă și ușoară, inclusiv:

• Introducerea datelor motorului
• Macro-urile de conectare pot fi activate
• Macro-urile de aplicație pot fi selectate și activate
• Pot fi setați parametrii utilizați în mod obișnuit

Smart Access poate fi configurat pentru a furniza coduri de eroare prin e-mail pentru monitorizare directă de la distanță și include numeroase funcții de securitate pentru a controla accesul la date și la funcțiile de control. Smart Access oferă funcționalități wireless complete bazate pe web, inclusiv:

• Punere în funcțiune rapidă
• Parametrizarea convertorului
• Funcționarea motorului în modul JOG/HAND
• Monitorizarea stării V20
• Diagnosticarea defecțiunilor și a alarmelor
• Copie de rezervă și restaurare date

Concluzie

Unitățile SINAMICS V20 de la Siemens pun accentul pe durabilitate și flexibilitate. Având mai multe moduri de funcționare și funcții de economisire a energiei, aceste unități pot maximiza eficiența într-o gamă largă de aplicații cu mișcare simplă de la 0,12 kW la 30 kW. Modul de funcționare continuă asigură funcționarea continuă a infrastructurii critice, cum ar fi procesarea apelor uzate și a apei și HVAC în sistemele de automatizare a clădirilor. Flexibilitatea este susținută de numeroasele modalități de implementare a punerii în funcțiune rapide folosind BOP integrat, un BOP amplasat la distanță, conectivitate wireless cu un modul Smart Access, plus macro-uri de aplicație preprogramate și alte instrumente.