Hur man snabbt konstruerar och driftsätter maskiner med IIoT

Att snabbt konstruera och driftsätta maskiner som är redo att integreras i Industrial Internet of Things (IIoT) är en utmaning. Maskiner med IIoT måste ha stöd för snabb driftsättning av kommunikation och samordning mellan maskiner, mellan maskiner och anläggningar samt mellan maskiner och moln.

Det kräver en heltäckande lösning. Den måste innehålla ett komplett utbud av styr-, gränssnitts- och kommunikationsmoduler. Skalbarhet är ett måste. Den bör stödja förenklad installation för snabb distribution. Slutligen måste den enkelt kunna integreras i en miljö med flera leverantörer för att stödja äldre utrustning.

Belöningen är ökad drifteffektivitet på alla nivåer i organisationen och under maskinernas hela livscykel.

Den här artikeln beskriver hur motorstyrningsalternativen från Schneider Electric ger konstruktörer kompletta automationslösningar. Här presenteras funktioner och fördelar med mjukstartare från Altistart, frekvensomriktare från Altivar, Ethernet-switchar och programmerbara logiska styrenheter (PLC) från Modicon, styrreläer från Harmony och brytare från PowerPacT.

Därefter beskrivs hur systemelementen TeSys island stödjer heltäckande lösningar och enkelt integreras med Rockwell Studio 5000 och Siemens TIA Portal-miljöer för att stödja äldre maskiner. Avslutningsvis beskrivs hur Schneider Electrics programvara EcoStruxure Machine Expert påskyndar utveckling, konfigurering och driftsättning av maskiner som är redo för IIoT.

Rörelse är en grundläggande egenskap hos industrimaskiner. Den implementeras på olika sätt, från enkla rörelseprofiler i system som pumpar, transportörer och kranar till komplexa rörelseprofiler i process- och monteringsåtgärder samt i robotteknik.

Maskiner med enkla rörelseprofiler kan dra nytta av de funktioner som finns i mjukstartare som Altistarts familj av mjukstartare. Altistarts mjukstartare har stöd för följande:

• Kontrollerad acceleration som minskar mekaniska stötar som kan öka slitaget och leda till ökat underhållsbehov och stilleståndstid för maskinen
• Begränsning av startströmmar för att minska energiförbrukningen
• Skyddar motorerna från överspänningar som kan uppstå vid start, vilket förbättrar motorernas livslängd
• Högre tillförlitlighet genom att upptäcka fel som en blockerad motor, underbelastning eller felaktig jordning och skicka en varning till maskinoperatörerna

Grundläggande maskiner som inte behöver ett högt vridmoment vid start kan använda mjukstartarna i serien ATS01. Om logikingången BOOST aktiveras kan en spänningsökning motsvarande 100 % av den nominella motorspänningen appliceras under 200 ms för att övervinna den initiala mekaniska friktionen i systemet. Den programmerade spänningsökningen börjar efter ökningen.

Modellen ATS01N232RT är avsedd för mjuk start och stopp av trefas asynkronmotorer upp till 15 kW (20 hästkrafter (hk)) med accelerations- och retardationstider från 1 till 10 sekunder. Den är optimerad för enkla remdrivna tillämpningar som pumpar, kompressorer och fläktar som arbetar från 440 V_AC till 480 V_AC. På frontpanelen finns reglage för att ställa in starttid, startspänning och stopptid för installation och driftsättning.

Konstruktörer av mer krävande process- och infrastrukturmaskiner som blandare, krossar och transportörer kan använda till serien Altivar ATS480 med mjukstartare. Medan enklare mjukstartare använder spänningsramper, använder mjukstartaren ATS480 en mjukare vridmomenthöjning och kan implementera en bromsfunktion.

Modellen ATS480C11Y arbetar med spänningar från 208 V_AC till 690 V_AC (bild 1). Beroende på motorspänning kan den användas med motorer från 22 till 90 kW (25 till 100 hk). Den har en seriell Modbus-kommunikationsport med en RJ45-kontakt. Som tillval finns kommunikationskort för Profibus, PROFINET, Modbus TCP/EtherNet/IP och CANopen.

Bild 1: Denna mjukstartare från Altivar är avsedd för asynkronmotorer från 22 till 90 kW. (Bildkälla: DigiKey)

Drift av mer avancerade maskiner

Komplexa rörelseprofiler i avancerade maskiner kan stödjas med hjälp av frekvensomriktare (VFD) som Altivar 320-familjen med enheter från 0,18 till 15 kW (0,25 till 20 hk) för tillämpningar som materialhantering, förpackning, textil, lyft, mekaniska ställdon och materialbearbetning. ATV320U75M3C har en nominell effekt på 7,5 kW och drivs med en matningsspänning på 200 V_AC till 240 V_AC.

För att påskynda konfigurering och driftsättning har frekvensomriktarna 150 funktioner och är tillgängliga i standardutförande och med anpassningsbara konfigurationer. Det finns särskilda funktioner för tillämpningar som materialhantering, textilier, lyft och mekaniska ställdon.

Altivar 320 VFD kan ge högeffektiv styrning av asynkronmotorer och motorer med permanent magnet, inklusive vridmoment och hastighetsnoggrannhet vid mycket låga hastigheter och dynamisk rörelse med flödesvektorstyrning utan sensor. När dessa frekvensomriktare används med trefas synkrona och asynkrona motorer har de följande egenskaper:

• Stöd för motorer med hög hastighet
• Statisk hastighetsnoggrannhet för synkronmotorer med öppen slinga
• Flexibla alternativ för systemintegration, inklusive Ethernet, CANopen, Profibus, EtherCAT, DeviceNet m.m.
• Integrerade säkerhet funktioner för överensstämmelse med standarder för funktionssäkerhet
• Format som kompakta enheter och bokenheter med skyddsklassificeringar från IP20 till IP66 med stöd för integrering i olika typer av skåp (Figur 2)

Figur 2: Frekvensomriktarna Altivar 320 finns i olika format för att förenkla installationen och maximera unyttjandet av utrymmet i apparatskåp. (Bildkälla: DigiKey)

Högeffektiva maskiner med flera axlar

Modicon Ethernet-switchar och programmerbara styrenheter (PLC) kan stödja högeffektiva konstruktioner från en enda oberoende axel till högeffektiva synkroniserade maskiner med flera axlar som kräver snabb och exakt positionering och rörelser som robotteknik.

Dessa styrenheter i molnkanten med IIoT kan ansluta direkt till molnet med hjälp av MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) server och klient samt TLS-kryptering (Transport Layer Security) och har inbyggda funktioner för säkerhet och cybersäkerhet. Den dubbla Ethernet-porten har stöd för protokollen Ethernet/IP och Modbus TCP. Det finns även RS232- och RS485-portar, en USB-port och en plats för ett SD-kort.

Styrenheterna TM262L är avsedda för logisk styrning av flera in-/utgångar, inklusive fyra snabba digitala ingångar och fyra snabba digitala utgångar. Modellen TM262L10MESE8T har en exekveringshastighet på 5 ns per instruktion. Den dubbelkärniga processorn hanterar parallella applikationer och kommunikation på ett effektivt sätt (figur 3).

Figur 3: Denna Modicon M262 PLC levererar IIoT-klar Ethernet-anslutning mellan maskin och moln och mellan maskin och anläggning. (Bildkälla: DigiKey)

TM4-bussen i familjen Modicon M262 har stöd för upp till tre moduler för kommunikationsutökning. Utökningsmodulerna Profibus DP(TM4PDPS1) och Ethernet(TM4ES4) kan användas i olika kombinationer till maximalt tre moduler.

Förhindra avvikelser

Ibland måste maskiner, inklusive maskiner med IIoT, skyddas från onormala förhållanden. Det är här reläer från Harmony Control kommer in i bilden. De kan övervaka både elektriska och mekaniska förhållanden och identifiera avvikelser relaterade till ström, spänning, fas, frekvens, hastighet, temperatur, pumpstyrning och till och med vätskenivå.

Snabb och korrekt identifiering av avvikelser kan öka drifttiden och minska behovet av oplanerat underhåll i tillämpningar som pumpar, vattenbehandling, hissar och lyftar, förpackningssystem och textilmaskiner. Reläer från Harmony Control finns med ett brett utbud av funktioner för att passa specifika tillämpningsbehov.

Modellen RMNF22TB30 är ett trefasrelä med integrerad NFC-kommunikation. Den kan övervaka sju parametrar: fasförlust, fasföljd, asymmetri, underspänning, överspänning, underfrekvens och överfrekvens. Med hjälp av NFC-appen kan konstruktörer använda AND-, OR- och NOT-logik för att skapa anpassade övervakningskombinationer för de två individuellt konfigurerbara reläutgångarna.

För enklare maskiner som bara behöver överspänningsövervakning kan konstruktörer använda sig av RM22UA21MR (bild 4). Detta styrrelä med en fas har en valbar minnesfunktion och en inbyggd lysdiod som indikerar styrstatus. Skruvjusteringarna möjliggör enkla och noggranna inställningar av gränsvärden, och ger automatisk avstängningshantering och felinformation för snabb felidentifiering och felsökning.

Bild 4: Styrrelä för enfas överspänning med en växlingskapacitet på 2 kVA. (Bildkälla: DigiKey)

Grundläggande skydd

Tillämpningar som kan dra nytta av ett mer grundläggande skydd kan använda säkringarna PowerPacT som är klassificerade från 15 till 125 A och finns med en, två, tre eller fyra poler. Dessa termomagnetiska säkringar har en positiv kontaktindikering och ger isolering i enlighet med standarderna IEC/EN60947-1 och IEC/EN60947-2 för "lågspänningsställverk och styrutrustning".

Modell BDF16020 är en 20 A enpolig enhet med en nominell driftspänning på 240 V_AC 50/60 Hz enligt UL 489. Dess kontinuerliga märkström är 80 % av den maximala märkströmmen och den är klassad som "tjänstbrytande" enligt IEC 60947-2 (bild 5). VisiTrip LED-avläsningen gör det lättare att se vilken säkring som har löst ut i skåpet eller panelen. Den har också en QR-kod för åtkomst till information, inklusive bruksanvisning, artikelnummer och CAD-ritningar.

Bild 5: Säkringar som denna har en positiv kontaktindikering och uppfyller isoleringskraven enligt IEC/EN60947. (Bildkälla: DigiKey)

Integrerade fältbussnoder

TeSys är en digitaliserad IIoT-ansluten lasthanteringslösning som fungerar som en integrerad nod i ett fältbussnätverk och innehåller de moduler som behövs för att implementera en maskin som är redo för IIoT. Den är baserad på multifunktionella enheter och avatarer för industriella tillämpningar med belastningar på upp till 80 A och kan förkorta tiden för design, kabeldragning och driftsättning.

En busskopplare som TPRBCEIP är den centrala modulen som tillhandahåller intern kommunikation med TeSys island-moduler via bandkablar. Det är också anslutningspunkten mellan en TeSys island och ett externt automationssystem som använder EtherNet/IP- eller Modbus TCP-kommunikation. En inbyggd webbserver stödjer diagnostik och underhåll. Den har en RJ45-serviceport för Ethernet, en port för micro SD-kort och en port för den interna bussen som sammankopplar öns moduler. En typisk konfiguration omfattar (figur 6):

1. Busskopplare
2. Analoga in-/utgångsmodul
3. Digital in-/utgångsmodul
4. Modul med spänningsgränssnitt
5. Standardstartare
6. Startare för säkerhetsintegritetsnivå (SIL)
7. SIL-gränssnittsmodul
8. Modul med spänningsgränssnitt

Figur 6: De kombinerade enheterna i TeSys island fungerar som en enda nod i ett fältbussnätverk. (Bildkälla: Schneider Electric)

Exempel på TeSys island-moduler inkluderar:

• LC1DT406BL 40 A, 4-polig, normalt bruten, TeSys Deca-kontaktor med IEC60335-1-kompatibilitet för industri- och HVAC-system
• LC1G115EHEN 150 A (75 kW vid 440 V_AC), 3-polig, normalt bruten, TeSys Giga-kontaktor, konstruerad för användning i krävande tillämpningar med drifthastigheter på upp till 600 cykler per timme och drifttemperaturer på upp till +60 °C
• Den digitala I/O-modulen TPRDG4X2 med fyra digitala ingångar och två digitala utgångar kan hantera motorer och andra elektriska laster på upp till 65 A (37 kW, 40 hk). Alla justeringar och inställningar är digitaliserade och inga mekaniska rattar eller dip-switchar
• Kommunicerande motorstartare för TeSys ö för upp till 40 hk (80 A vid 480 V). Dessa SIL-startare uppfyller kraven i IEC 61508, IEC 62061 och ISO 13849-1 och har stöd för PL d och SIL 2

TeSys-ön har även stöd för omfattande lösningar och integreras enkelt med Rockwell Studio 5000 och Siemens TIA Portal-miljöer för att stödja äldre maskiner.

Att få ihop det hela

När det är dags att bygga den färdiga maskinen kan konstruktörer använda sig av EcoStruxures Machine Expert. Mjukvarulösningen har stöd för utveckling, konfiguration, driftsättning, drift och underhåll av maskiner med IIoT.

EcoStruxure Machine Expert kan hantera alla de senaste maskinbyggstenarna inom IIoT, inklusive Modicon M262 PLC och det digitala lasthanteringssystemet TeSys Island. Det är utformat för att leverera maskiner som är optimerade för säkerhet, tillförlitlighet, effektivitet, uppkopplingsmöjligheter och hållbarhet. Det utnyttjar IIoT med lösningar för mobilitet, sensorer, moln, analys och cybersäkerhet för att utföra denna komplexa uppgift.

Sammanfattning

Maskiner med IIoT är en viktig aspekt av driften i Industry 4.0. Att konstruera, driftsätta och integrera dessa maskiner är komplexa uppgifter. Schneider Electric förser maskinkonstruktörer med ett omfattande utbud av enheter och programvaruverktyg för maskiner med IIoT som ger förbättrad driftseffektivitet på alla nivåer i organisationen och under maskinernas hela livscykel.