Cum să proiectați și să implementați rapid utilaje pregătite pentru IIoT

Proiectarea și implementarea rapidă a utilajelor pregătite pentru integrarea în Internetul industrial al lucrurilor (IIoT) reprezintă o provocare. Utilajele compatibile cu IIoT trebuie să accepte punerea rapidă în funcțiune a comunicării și coordonării de la utilaj la utilaj, de la utilaj la instalație și de la utilaj la cloud.

Aceasta necesită o soluție cuprinzătoare. Trebuie să includă o gamă completă de module de control, interfață și comunicare. Scalabilitatea este o cerință obligatorie. Ar trebui să permită o instalare simplificată pentru o implementare rapidă. În cele din urmă, trebuie să se integreze cu ușurință într-un mediu cu distribuitori multipli pentru a accepta echipamentele vechi.

Rezultatul este o eficiență operațională crescută la toate nivelurile organizației și pe parcursul ciclului de viață al utilajelor.

Articolul de față analizează modul în care opțiunile de control al motoarelor de la Schneider Electric oferă proiectanților soluții de automatizare complete. Prezintă caracteristicile și beneficiile demaroarelor progresive Altistart, ale acționărilor Altivar, ale comutatoarelor și controlerelor logice programabile (PLC) Ethernet Modicon, ale releelor de control Harmony și ale disjunctoarelor PowerPacT.

Apoi detaliază modul în care elementele de sistem ale sistemului TeSys island susțin soluții cuprinzătoare și se integrează cu ușurință în mediile Rockwell Studio 5000 și Siemens TIA Portal pentru a susține utilajele vechi și se încheie prin analizarea modului în care software-ul EcoStruxure Machine Expert de la Schneider Electric accelerează dezvoltarea, configurarea și punerea în funcțiune a utilajelor pregătite pentru IIoT.

Mișcarea este o caracteristică de bază a utilajelor industriale. Este implementată în diverse moduri, de la profiluri de mișcare simple în sisteme precum pompe, transportoare și macarale, până la profiluri de mișcare complexe în operațiuni de procesare și asamblare și robotică.

Utilajele cu profiluri de mișcare simple pot beneficia de caracteristicile oferite de demaroarele progresive, cum ar fi cele din familia Altistart. Demaroarele Altistart progresive oferă următoarele:

• Accelerație controlată ce reduce șocurile mecanice care pot crește uzura și pot cauza creșterea cerințelor de întreținere și perioada de nefuncționare a utilajelor
• Limitarea curenților de anclanșare pentru a reduce consumul de energie
• Protejarea motoarelor împotriva supratensiunilor care pot apărea în timpul pornirii, îmbunătățind durata de viață a motoarelor
• Fiabilitate sporită prin detectarea defecțiunilor, cum ar fi un motor blocat, o sarcină insuficientă sau o împământare incorectă, și prin trimiterea unei alerte către operatorii utilajelor

Utilajele de bază care nu au nevoie de un cuplu de pornire ridicat pot utiliza demaroarele progresive din seria ATS01. Activarea intrării logice BOOST permite aplicarea unui impuls de tensiune egal cu 100% din tensiunea nominală a motorului timp de 200 de milisecunde (ms) pentru a depăși frecarea mecanică inițială în sistem. Rampa de creștere a tensiunii programate începe după amplificare.

Modelul ATS01N232RT este destinat pornirii și opririi treptate a motoarelor asincrone trifazate de până la 15 kilowați (kW) (20 cai putere (CP)) cu timpi de accelerare și decelerare de la 1 la 10 secunde. Este optimizat pentru aplicații simple acționate de curea, cum ar fi pompe, compresoare și ventilatoare care funcționează de la 440 V_c.a. la 480 V_c.a. Comenzile se află pe panoul frontal pentru setarea orei de pornire, a tensiunii inițiale și a orei de oprire pentru instalare și punere în funcțiune.

Proiectanții utilajelor de proces și de infrastructură mai solicitante, cum ar fi mixerele, concasoarele și transportoarele, pot utiliza demaroarele progresive din seria Altivar ATS480. În timp ce demaroarele progresive mai simple utilizează rampe de tensiune, demaroarele progresive ATS480 utilizează o rampă de cuplu mai lină și pot implementa o funcție de frânare.

Modelul ATS480C11Y funcționează cu tensiuni de la 208 V_c.a. la 690 V_c.a. (Figura 1). În funcție de tensiunea motorului, acesta poate fi utilizat cu motoare de la 22 la 90 kW (de la 25 la 100 CP). Are un port de comunicare serială Modbus cu un conector RJ45. Sunt disponibile plăci de comunicații opționale pentru Profibus, PROFINET, Modbus TCP/EtherNet/IP și CANopen.

Figura 1: Acest demaror progresiv Altivar este proiectat pentru a fi utilizat cu motoare asincrone de la 22 la 90 kW. (Sursa imaginii: DigiKey)

Acționarea unor utilaje mai avansate

Profilurile complexe de mișcare din utilajele avansate pot fi susținute cu ajutorul variatoarelor de frecvență (VFD), cum ar fi cele din familia Altivar 320, cu unități de la 0,18 la 15 kW (de la 0,25 la 20 CP) pentru aplicații precum manipularea materialelor, ambalarea, textilele, ridicarea, actuatoarele mecanice și prelucrarea materialelor. ATV320U75M3C are o putere nominală de 7,5 kW și funcționează la o tensiune de alimentare de la 200 V_c.a. la 240 V_c.a.

Pentru a accelera configurarea și punerea în funcțiune, aceste acționări dispun de 150 de funcții și de configurații standard și personalizabile. Există funcții dedicate pentru aplicații precum manipularea materialelor, textile, ridicare și actuatoare mecanice.

VFD-urile Altivar 320 pot asigura controlul de înaltă performanță al motoarelor asincrone și cu magnet permanent, inclusiv acuratețea cuplului și a vitezei la turații foarte mici și mișcare dinamică cu controlul vectorial al fluxului fără senzor. Atunci când sunt utilizate cu motoare trifazate sincrone și asincrone, aceste VFD-uri oferă:

• Suport pentru motoare de mare viteză
• Precizia vitezei statice pentru motoarele sincrone în buclă deschisă
• Opțiuni flexibile de integrare în sistem, inclusiv Ethernet, CANopen, Profibus, EtherCAT, DeviceNet și altele
• Funcții de siguranță integrate care respectă standardele de siguranță funcțională
• Formatele precum unitățile compacte și de tip carte cu grade de protecție de la IP20 la IP66 permit integrarea în diferite tipuri de dulapuri (Figura 2)

Figura 2: VFD-urile Altivar 320 sunt disponibile în diferiți factori de formă pentru a simplifica instalarea și a maximiza utilizarea spațiului în dulapurile de echipamente. (Sursa imaginii: DigiKey)

Utilaje multiaxiale de înaltă performanță

Comutatoarele Ethernet Modicon și controlerele logice programabile (PLC) pot susține proiecte de înaltă performanță, de la o singură axă independentă până la utilaje cu mai multe axe sincronizate de înaltă performanță care necesită poziționare și mișcări precise și de mare viteză, precum robotica.

Aceste controlere periferice native IIoT se pot conecta direct la cloud utilizând server și client MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) și criptarea TLS (Transport Layer Security) și au funcții integrate de siguranță și securitate cibernetică. Portul Ethernet dual poate accepta protocoalele Ethernet/IP și Modbus TCP. Există, de asemenea, porturi RS232 și RS485, un port USB și un slot pentru un card SD.

Controlerele TM262L sunt destinate controlului logic al mai multor configurații de intrare/ieșire, inclusiv patru intrări digitale rapide și patru ieșiri digitale rapide. Modelul TM262L10MESE8T are o viteză de execuție de 5 nanosecunde (ns) per instrucțiune. Procesorul dual-core gestionează eficient aplicațiile paralele și comunicațiile (Figura 3).

Figura 3: Acest PLC Modicon M262 furnizează conectivitate Ethernet de la utilaj la cloud și de la utilaj la instalație, compatibilă cu IIoT. (Sursa imaginii: DigiKey)

Magistrala TM4 din familia Modicon M262 acceptă până la 3 module de expansiune a comunicațiilor. Modulele de expansiune Profibus DP (TM4PDPS1) și Ethernet (TM4ES4) pot fi utilizate în diverse combinații până la un număr maxim de trei module.

Eliminarea anomaliilor

Uneori, utilajele, inclusiv utilajele pregătite pentru IIoT, trebuie protejate de condiții anormale. Aici intervin releele de control Harmony. Acestea pot monitoriza condițiile electrice și mecanice și pot identifica anomaliile legate de curent, tensiune, fază, frecvență, viteză, temperatură, controlul pompei și chiar nivelul lichidului.

Identificarea rapidă și precisă a anomaliilor poate crește timpul de funcționare și poate reduce nevoia de întreținere neprogramată în aplicații precum pomparea, procesarea apei, trolii și ascensoare, sisteme de ambalare și utilaje textile. Releele de control Harmony sunt disponibile cu o gamă largă de funcții pentru a răspunde nevoilor specifice ale aplicațiilor.

Modelul RMNF22TB30 este un releu trifazat cu comunicații integrate în câmp apropiat (NFC). Acesta poate monitoriza șapte parametri: pierderea fazei, secvența fazelor, asimetria, subtensiunea, supratensiunea, subfrecvența și suprafrecvența. Folosind aplicația NFC, proiectanții pot utiliza logica AND, OR și NOT pentru a forma combinații de monitorizare personalizate pentru cele două ieșiri de releu configurabile individual.

Pentru utilajele mai simple care au nevoie doar de monitorizarea supratensiunii, proiectanții pot apela la RM22UA21MR (Figura 4). Acest releu de control monofazat include o funcție de memorie selectabilă și un led integrat care indică starea controlului. Condensatoarele de corecție cu șurub permit setări simple și precise ale pragurilor și oferă gestionarea automată a opririi și informații despre defecțiuni pentru identificarea și depanarea rapidă a defecțiunilor.

Figura 4: Releu monofazat de control al supratensiunii cu o capacitate de comutare de 2 kVA. (Sursa imaginii: DigiKey)

Protecție de bază

Aplicațiile care pot beneficia de o protecție mai simplă pot utiliza disjunctoarele PowerPacT cu valori nominale de la 15 la 125 A și care sunt disponibile cu unul, doi, trei și patru poli. Aceste disjunctoare termomagnetice au indicație de contact pozitiv și asigură izolarea în conformitate cu standardele IEC/EN60947-1 și IEC/EN60947-2 pentru „aparataj de comutare și de control de joasă tensiune”.

Modelul BDF16020 este o unitate monopolară de 20 A cu o tensiune nominală de funcționare de 240 V_c.a. 50/60 Hz în conformitate cu UL 489. Curentul său nominal continuu este de 80% din curentul nominal maxim și este clasificat „cu întrerupere de funcționare” în conformitate cu IEC 60947-2 (Figura 5). Afișajul led VisiTrip facilitează identificarea disjunctorului care s-a declanșat în carcasă sau în panou. De asemenea, are un cod QR pentru accesarea informațiilor, inclusiv manualul de instrucțiuni, numerele de catalog și desenele CAD.

Figura 5: Disjunctoarele de acest tip oferă o indicație a contactului pozitiv și îndeplinesc cerințele de izolare din IEC/EN60947. (Sursa imaginii: DigiKey)

Noduri fieldbus integrate

TeSys este o soluție digitalizată de gestionare a sarcinii conectată la IIoT care acționează ca un nod integrat într-o rețea Fieldbus și include modulele necesare pentru a implementa un utilaj pregătit pentru IIoT. Se bazează pe dispozitive multifuncționale și avataruri pentru aplicații industriale cu sarcini de până la 80 de amperi și poate accelera timpii de proiectare, cablare și punere în funcțiune.

Un cuplor de magistrală precum TPRBCEIP este modulul de bază care asigură comunicarea internă cu modulele TeSys island prin intermediul cablurilor de tip panglică. De asemenea, este punctul de conectare între TeSys island și un sistem de automatizare extern care utilizează comunicarea EtherNet/IP sau Modbus TCP. Un server web încorporat acceptă diagnosticarea și întreținerea. Acesta include un port de serviciu RJ45 prin Ethernet, un port pentru card micro SD și un port pentru magistrala internă care interconectează modulele insulei. O configurație tipică include (Figura 6):

1. Cuplor magistrală
2. Modul de intrare/ieșire analogică
3. Modul de intrare/ieșire digitală
4. Modul de interfață de tensiune
5. Demaroare standard
6. Demaror cu nivel de integritate a siguranței (SIL)
7. Modul de interfață SIL
8. Modul de interfață de alimentare

Figura 6: Unitățile combinate din TeSys island acționează ca un singur nod într-o rețea Fieldbus. (Sursa imaginii: Schneider Electric)

Printre modulele TeSys island exemplificative se numără:

• Contactor TeSys Deca LC1DT406BL de 40 A, cu 4 poli, normal deschis, cu conformitate IEC60335-1 pentru sisteme industriale și HVAC
• Contactor TeSys Giga LC1G115EHEN de 150 A (75 kW la 440 V_c.a.), cu 3 poli, normal deschis, proiectat pentru utilizare în aplicații solicitante cu rate de funcționare de până la 600 de cicluri pe oră și temperaturi de funcționare de până la +60 °C
• Modulul digital I/O TPRDG4X2 cu patru intrări digitale și două ieșiri digitale poate gestiona motoare și alte sarcini electrice de până la 65 A (37 kW, 40 CP). Toate reglajele și setările sunt digitalizate și nu există cadrane mecanice sau comutatoare DIP
• Demaroare de motor cu comunicație TeSys island de până la 40 CP (80 A la 480 V). Aceste demaroare SIL îndeplinesc cerințele IEC 61508, IEC 62061 și ISO 13849-1 și acceptă PL d și SIL 2

De asemenea, TeSys island acceptă soluții complete și se integrează cu ușurință în mediile Rockwell Studio 5000 și Siemens TIA Portal pentru a susține utilajele vechi.

Asamblarea

Atunci când este timpul să construiască utilajul final, proiectanții pot folosi EcoStruxure Machine Expert. Această soluție software sprijină dezvoltarea, configurarea, punerea în funcțiune, operarea și întreținerea utilajelor pregătite pentru IIoT.

EcoStruxure Machine Expert poate gestiona toate cele mai recente componente pentru utilaje IIoT, inclusiv PLC-urile Modicon M262 și sistemul digital de gestionare a sarcinii TeSys Island. Acesta este conceput pentru a oferi utilaje optimizate pentru siguranță, fiabilitate, eficiență, conectivitate și durabilitate. Pentru a îndeplini această sarcină complexă, utilizează IIoT cu soluții de mobilitate, detectare, cloud, analiză și securitate cibernetică.

Concluzie

Utilajele pregătite pentru IIoT reprezintă un aspect important al operațiunilor din Industria 4.0. Proiectarea, punerea în funcțiune și integrarea acestor utilaje sunt sarcini complexe. Schneider Electric pune la dispoziția proiectanților de utilaje o suită cuprinzătoare de dispozitive și instrumente software pentru utilaje compatibile cu IIoT, care asigură o eficiență operațională îmbunătățită la toate nivelurile organizației și pe parcursul ciclului de viață al utilajelor.