Hur smidig och enkel driftsättning av industriella motorstyrningar kan öka hållbarheten och produktiviteten

Smidiga processer är ett kännetecken för fabriker och logistikverksamheter med Industry 4.0. Det finns en stor mängde tillämpningar som kräver motorer och frekvensomriktare med en effekt på mellan 0,12 till 30 kW (0,16 till 40 hk).

Frekvensomriktarna för dessa tillämpningar måste vara enkla att installera och klara drifttemperaturer på mellan -10 och +60 °C. Större frekvensomriktare bör ha inbyggda bromsfunktioner, och vissa tillämpningar kräver överensstämmelse med kategori C1 för elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) enligt EN 61800-3. Frekvensomriktarna måste vara enkla att använda, arbeta inom ett stort nätspänningsintervall och anpassa sig automatist till instabila nätspänningar för att garantera kontinuerlig drift.

Många tillämpningar automatiserar enkla rörelsesekvenser och kräver inte programmerbara logiska styrenheter, men de kan driftsättas med förprogrammerade makron eller enkla enheter som t.ex. via moduler för inläsning av parametrar, enkla manöverpaneler eller smarta moduler för åtkomst.

Slutligen måste frekvensomriktarna vara ekonomiska i drift och ha inbyggda energisparfunktioner, som t.ex. automatisk flödesreduktion vid förutbestämda driftförhållanden, samt ha möjlighet att övervaka och visa energiförbrukningen i realtid.

Artikeln inleds med en översikt av frekvensomriktarfamiljen SINAMICS V20 från Siemens och de funktioner som gör att de kan öka hållbarheten och produktiviteten. Därefter går vi in på hur förprogrammerade makron och moduler för inläsning av parametrar, enkla manöverpaneler och smarta åtkomstmoduler kan stödja smidig driftsättning, effektiv drift och löpande underhåll.

Frekvensomriktarna SINAMICS V20 kan användas direkt utan några extra moduler eller externa styrenheter. Den integrerade manöverpanelen underlättar driftsättning på plats. Dessutom kan ett universellt seriellt gränssnitt användas för att ansluta SIMATIC PLC:er från Siemens för komplexa uppgifter. Gränssnittet för Modbus kan anslutas till PLC:er och andra enheter från tredje part.

För enheter med en märkeffekt på över 10 hk kan en bromsresistor anslutas direkt till bromsfunktionen, och vissa modeller uppfyller kategori C1 för elektromagnetisk kompatibilitet enligt EN 61800-3. Frekvensomriktarna SINAMICS V20 är specificerade för driftstemperaturer mellan -10 till +60 °C och finns med effekter från 0,12 till 30 kW. Exempel på detta är (figur 1):

• Modellen 6SL32105BB175UV1, märkeffekt på 0,75 kW, drivs med enfas 230 V_AC
• Modellen 6SL32105BB230UV1, märkeffekt på 3 kW, drivs med enfas 230 V_AC
• Modellen 6SL32105BE322CV0, märkeffekt på 22 kW, drivs med trefas 400 V_AC

Figur 1: Exempel på frekvensomriktarna SINAMICS V20 0,75 kW (vänster) och 22 kW (höger) (ej skalenlig). (Bildkälla: DigiKey)

Inbyggda styrfunktioner i frekvensomriktarna SINAMICS inkluderar skalär volt per Hertz (V/f), flera punkters programmerbar V/f, V²/f som automatiskt anpassar flödet för att spara energi och styrning av strömflödet som automatiskt anpassar frekvensomriktarens uteffekt till belastningen.

Läget för kontinuerlig körning anpassar sig automatiskt för att kompensera för instabil nätström (figur 2). I det här läget kompenseras fluktueringarna i nätspänningen internt, motorvarvtalet sänks automatiskt för att förhindra en oplanerad avstängning och ett felmeddelande skickas vid behov. Detta kan vara särskilt användbart i tillämpningar för fastighetsautomation som t.ex. pumpar och fläktar i reningsverk för vatten och avlopp eller luftbehandlingssystem (HVAC).

Figur 2: Läget för kontinuerlig körning i SINAMICS V20 stödjer kontinuerlig motordrift även i händelse av störningar på nätströmmen. (Bildkälla: Siemens)

Maximera verkningsgraden

Beroende på tillämpningen kan verkningsgraden ökas genom att motorvarvtalet justeras för att passa den aktuella processen. När det gäller turbomaskiner, som t.ex. pumpar, kan drift med variabelt varvtal spara upp till 60 % av energin jämfört med drift med fast varvtal.

Frekvensomriktarna SINAMICS V20 har ett integrerat ekonomiläge för ökad effektivitet. I ekonomiläget anpassas motorns flöde automatiskt till den optimala driftspunkten.

Frekvensomriktarna kan ställas i viloläge, vilket stänger av motorn samtidigt som frekvensomriktarens aktuella tillstånd bibehålls. Viloläget minskar energiförbrukningen avsevärt samtidigt som frekvensomriktaren är i ett läge där den vid behov kan starta om omedelbart.

Genom att använda integrerade funktioner för kaskad- och energibalansering enligt nedan kan energieffektiviteten förbättras ytterligare:

Kaskadkoppling kan användas i tillämpningar för pumpar, fläktar och kompressorer med hög effekt som använder flera motorer. Fasanslutning och -frånkoppling med hjälp av delvis eller helt kontrollerade effektkaskader kan öka det totala systemets verkningsgrad utan prestandaförluster.

Energibalansering med hjälp av kopplade frekvensomriktare gör det möjligt att utbyta energi via en gemensamm DC link. Det direkta energiutbytet mellan växelriktarna kan minimera systemets totala effektförluster och förbättra verkningsgraden.

Den enkla manöverpanelen på drivenheten SINAMICS kan visa energiförbrukningen i realtid. En räknare för energibesparing kan beräkna energiförbrukningen vid maskindrift jämfört med drift med fast hastighet, vilket gör det möjligt för operatörer att finjustera processerna ytterligare för att förbättra besparingarna och hållbarheten.

Lyfta fram hållbarhet

Siemens har publicerat miljödeklarationen för SINAMICS V20, inklusive en livscykelanalys (LCIA) baserad på ISO 14021, Miljömärkning och miljödeklaration – Egna miljöuttalanden – typ II miljömärkning.

Livscykelanalysen baserades på modellen 6SL3210-5BE21-5UV0 med en märkeffekt på 1,5 kW och nätspänning för trefas på 380 V_AC till 480 V_AC. Den beaktar effekterna av tillverkning, distribution, drift, avveckling vid slutet av livscykeln samt kassering och återvinning av frekvensomriktarna SINAMICS V20. Den mest betydande påverkan kommer från driften under frekvensomriktarnas beräknade livslängd på 15 år. Analysen baserades på 5 000 drifttimmar per år och tre driftpunkter (OP):

• OP1: 20 % av tiden vid ett varvtal på 100 % och ett vridmoment på 100 %
• OP2: 70 % av tiden vid ett varvtal på 50 % och ett vridmoment på 25 %
• OP3: 10 % av tiden vid ett varvtal på 20 % och ett vridmoment på 25 %

Frekvensomriktarens drift beräknades ge upphov till 1 059,13 kg CO₂-ekvivalenter under 15 år, medan tillverkningen endast gav upphov till 40,6 kg CO₂-ekvivalenter. Avveckling, kassering och återvinning kompenserade för en del växthusgasutsläpp motsvarande -3,6 kg CO₂-ekvivalenter.

I verksamheter med Industry 4.0 kan snabb och flexibel driftsättning vara en viktig aspekt för att maximera energibesparingar och hållbarhet. Användarna har flera alternativ för att påskynda driftsättningen av frekvensomriktarna SINAMICS V20 för att stödja snabba omställningar.

Snabb driftsättning med makron

Funktionen för snabb driftsättning ändrar fyra uppsättningar parametrar samtidigt, inklusive motordata, anslutningsmakron, tillämpningsmakron och viktiga parametrar. Motordata inleds med valet av välja europeiska eller nordamerikanska parametrar (t.ex. kW vs hk), märkspänning, ström, effekt, frekvens, verkningsgrad etc.

Anslutnings- och tillämpningsmakron är särskilt viktiga aspekter vid snabb driftsättning:

• Anslutningsmakron inkluderar identifiering av manöverpanelen som den enda styrkällan eller aktivering av styrning från PNP/NPN-anslutningar, fasta hastigheter, analog ingång, fast frekvens, extern styrning via tryckknapp, extern tryckknapp med analogt börvärde, PID-styrning med referens för analog ingång, PID-styrning med referens för fast värde, USS-styrning och MODBUS RTU-styrning.
• Valen av tillämpningsmakron inkluderar en enkel pump, fläkt, kompressor och transportband. Exempel på parametrar som ingår i makrot för en enkel pump är minimifrekvens, styrläge, börvärde för inhibitionsfrekvens, automatisk omstart och upprampningstid.

Enskilda parametrar som t.ex. börvärde för frekvens, minimi- och maximifrekvenser samt upp- och nedrampningstider kan anpassas vid snabb driftsättning. Förutom att påskynda driftsättningen kan den integrerade funktionen för snabb driftsättning eliminera fel som beror på felaktiga parameterinställningar, vilket ytterligare förkortar driftsättningstiden.

Kopiering av parametrar till flera enheter

När uppsättningarna för parametrarna har färdigställts kan en modul för inläsning av parametrar hämta och dela parameteruppsättningar mellan V20 och ett SD-kort. Modulen för inläsning av parametrar och SD-kortet kan användas för att kopiera parameteruppsättningarna till flera enheter. Parametrar kan hämtas för frekvensomriktarna redan innan de levereras till fabriken, vilket påskyndar den övergripande driftsättningsprocessen ytterligare och minskar behovet av teknisk support.

Förutom plats för SD-kort har V20-modulen för inläsning av parametrar plats för två AA-batterier som kan driva frekvensomriktaren vid hämtning av parametrar utan att den är ansluten till elnätet. V20-modulen för inläsning av parametrar har även ett gränssnitt för Micro USB som kan anslutas till en extern strömförsörjning på 5 V_DC, vilket eliminerar behovet av primära batterier (figur 3).

Figur 3: Modulen för inläsning av parametrar (tillval) kan användas för att hämta och programmera enhetsparametrar mellan V20 och ett SD-kort och möjliggör snabb kopiering av parametrar till flera enheter. (Bildkälla: Siemens)

Extern manöverpanel

En extern manöverpanel (tillval) kan användas för fjärrstyrning av växelriktare för V20. Den externa manöverpanelen är konstruerad för att monteras på utsidan av apparatskåpet och kopplas till en gränssnittsmodul som är monterad på frekvensomriktaren. Den externa manöverpanelen och gränssnittsmodulen har stöd för anslutning med RS232 och kan kopplas samman med en kabel som är upp till 3 m lång.

Med korrekt montering kan den externa manöverpanelen uppnå kapslingsklass IP54 och UL/cUL typ 1, vilket skyddar personal från att komma åt farliga spänningar och skyddar mot fasta främmande föremål som t.ex. smuts och damm i frekvensomriktaren V20. Den externa manöverpanelen är en kopia av det integrerade gränssnittet för V20 (figur 4).

Figur 4: En extern manöverpanel kan styra frekvensomriktaren V20 på upp till 3 meter utanför styrskåpet. (Bildkälla: Siemens)

Trådlös styrning

För att uppnå den ultimata flexibiliteten vid driftsättning kan användare använda sig av modulen Smart Access för SINAMICS V20 (figur 5). Modulen Smart Access ansluts direkt till framsidan på V20 och är en webbservermodul med integrerad anslutning för WiFi. Den stödjer webbaserad driftsättning och övervakning av frekvensomriktarna V20 från användarenheter som t.ex. en bärbar dator med en trådlös nätverksadapter, en surfplatta eller en smartphone. Den kan användas med alla operativsystem och alla webbläsare som är kompatibla med HTML5 så som Chrome, Internet Explorer (IE) och Safari.

Figur 5: Modulen Smart Access tillhandahåller en WiFi-anslutning för driftsättning, styrning, övervakning och diagnosticering av drivenheterna V20. (Bildkälla: DigiKey)

Smart Access för SINAMICS V20 ger enkel åtkomst till drivenheten, även i svåråtkomliga utrymmen. Det intuitiva grafiska användargränssnittet (GUI) och driftsättningsguiden gör den enkel att använda. Smart Access stödjer samma snabbkonfigurationsguide som manöverpanelen för snabb och enkel driftsättning, inklusive:

• Inmatning av motordata
• Anslutningsmakron kan aktiveras
• Tillämpningsmakron kan väljas och aktiveras
• Vanligt förekommande parametrar kan ställas in

Smart Access kan konfigureras för att skicka felkoder via e-post för direkt fjärrövervakning och den innehåller många säkerhetsfunktioner för att styra åtkomsten till funktioner för data och styrning. Smart Access erbjuder omfattande trådlös webbaserad funktionalitet, inklusive:

• Snabb driftsättning
• Parameterinställning för omvandlare
• Motordrift i läge för JOG/HAND
• Statusövervakning av V20
• Fel- och larmdiagnostik
• Säkerhetskopiering och återställning av data

Sammanfattning

Frekvensomriktarna SINAMICS V20 från Siemens fokuserar på hållbarhet och flexibilitet. Med flera olika driftlägen och energisparfunktioner kan frekvensomriktarna maximera effektiviteten i ett stort antal tillämpningar med enkla rörelser från 0,12 till 30 kW. Läget för kontinuerlig körning garanterar kontinuerlig drift av viktig infrastruktur som t.ex. tillämpningar i reningsverk för avlopp och vatten och värme-, ventilations- och luftbehandlingssystem (HVAC) för fastighetsautomation. Flexibiliteten stöds av de många olika sätten att genomföra en snabb driftsättning med hjälp av den integrerade manöverpanelen, en fjärrmanöverpanel, trådlös anslutning med modulen Smart Access, samt förprogrammerade tillämpningsmakron och andra verktyg.