Hvordan smidig og enkel idriftsettelse av industrielle frekvensomformere/motorstyringer kan bidra til økt bærekraft og produktivitet

Smidige prosesser er et kjennetegn ved Industri 4.0-fabrikker og logistikkvirksomhet. Det finnes et bredt spekter av utrustninger som krever motorer og frekvensomformere med variabel hastighet (VSD – variable speed drive) med en effekt på 0,12 kilowatt (kW) til 30 kW (0,16 hestekrefter (hk) til 40 hk). Frekvensomformere er en type motorregulatorer som driver en elektrisk motor ved å variere strømforsyningens frekvens og spenning.

Frekvensomformere for disse utrustningene må være enkle å installere og være beregnet for drift fra -10 °C til +60 °C. Større frekvensomformere bør ha integrerte bremseenhetene (braking choppers), og noen utrustninger krever samsvar med elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) kategori C1 i EN 61800-3. Frekvensomformerne (VSD) må være enkle å bruke, fungere over et bredt nettspenningsområde og automatisk tilpasse seg ustabile nettspenninger for å sikre uavbrutt drift.

Mange utrustninger automatiserer enkle bevegelsessekvenser og krever ikke programmerbare logisk styringer (PLS-er), men de kan settes i drift ved hjelp av forhåndsprogrammerte makroer eller enkle enheter som parameterlastere, enkle styringspaneler (BOP-er – basic operator panels) eller smarte tilgangsmoduler.

Til slutt må disse frekvensomformerne (VSD-ene) være økonomiske i drift og ha integrerte energisparingsfunksjoner som automatisk fluksreduksjon under forhåndsbestemte driftsforhold samt mulighet til å overvåke og vise energiforbruket i sanntid.

Denne artikkelen begynner med en oversikt over SINAMICS V20-serien av frekvensomformere (VSD-er) fra Siemens og funksjonene som gjør dem i stand til å øke bærekraften og produktiviteten. Den fordyper deretter hvordan forhåndsprogrammerte makroer og enheter som parameterlastere, enkle styringspaneler (BOP-er) eller smarttilgangsmoduler kan støtte smidig igangkjøring, effektiv drift og løpende vedlikehold.

SINAMICS V20-frekvensomformere kan operere enkeltstående (ut av esken uten) ekstra moduler eller eksterne styringer. Det integrerte enkle styringspanelet (BOP-en) støtter igangkjøring på stedet. I tillegg kan et universelt serielt grensesnitt brukes til å koble seg til Siemens sine PLS-er (programmerbare logiske styringer) SIMATIC for komplekse operasjoner. Modbus-grensesnittet kan kobles til tredjeparts PLS-er og andre enheter.

For enheter med en effekt på over 10 hk kan en bremsemotstand kobles direkte til bremseenheten, og noen modeller oppfyller EMC-kategori C1 i EN 61800-3. SINAMICS V20-frekvensomformere er spesifisert for drift fra -10 °C til +60 °C og er tilgjengelige med effekter fra 0,12 kW til 30 kW. Eksempler på dette er (figur 1):

• Modell 6SL32105BB175UV1, nominell effekt på 0,75 kW, drives fra 230 V_AC enfasestrøm
• Modell 6SL32105BB230UV1, nominelt 3 kW, kan også brukes med 230 V_AC enfasestrøm
• Modell 6SL32105BE322CV0, nominell effekt på 22 kW, drives fra 400 V_AC trefasestrøm

Figur 1: Eksempler på SINAMICS V20-frekvensomformere (drivenheter), 0,75 kW (til venstre) og 22 kW (til høyre) (ikke i målestokk). (Bildekilde: DigiKey)

Integrerte reguleringsmoduser i SINAMICS-frekvensomformere omfatter skalarvolt per Hertz (V/f), programmerbar V/f-multipunkt, V²/f som automatisk tilpasser fluksen for å spare energi, og fluxstrømregulering (FCC) som automatisk tilpasser frekvensomformerens utgangseffekt til lasten.

«Keep Running Mode» tilpasser seg automatisk for å kompensere for ustabil nettstrøm (figur 2). I denne modusen kompenseres svingninger i nettspenningen internt, motorhastigheten reduseres automatisk for å forhindre uplanlagt driftsstans, og en feilmelding sendes ved behov. Dette kan være spesielt nyttig i bygningsautomatisering, for eksempel pumper og vifter i vann- eller avløpsanlegg og klimaanlegg / HVAC-systemer (Heating Ventilation and Air Conditioning).

Figur 2: SINAMICS V20 Keep Running Mode støtter kontinuerlig motordrift selv i tilfelle forstyrrelser på strømnettet. (Bildekilde: Siemens)

Maksimerer virkningsgraden

Avhengig av utrustningen kan effektiviteten økes ved å justere motorhastigheten slik at den passer til den aktuelle prosessen. Når det gjelder turbomaskiner som pumper, kan for eksempel drift med variabel hastighet (frekvensomformer) spare opptil 60 % av energien sammenlignet med drift med fast hastighet.

SINAMICS V20-drivenheter har en integrert energioptimalisert styringsmodus (ECO – energy-optimized control) for økt virkningsgrad. I ECO-modus tilpasses motorstrømmen automatisk til det optimale driftspunktet.

Disse frekvensomformerne kan settes i dvalemodus, som slår av motoren samtidig som frekvensomformerens nåværende tilstand opprettholdes. Dvalemodus reduserer energiforbruket betraktelig, samtidig som frekvensomformeren holdes klar til å starte opp igjen umiddelbart ved behov.

Ved hjelp av de integrerte kaskade- og energibalanserende funksjonene nedenfor kan virknigsgraden (energieffektiviteten) økes ytterligere:

Kaskadekobling kan brukes i pumpe-, vifte- og kompressorapplikasjoner med høy effekt og flere motorer. Fasetilkobling og -frakobling ved hjelp av delvis eller fullstendig styrte effektkaskader kan øke systemets totale virkningsgrad uten tap av ytelse.

Energibalansering ved hjelp av koblede frekvensomformere gjør det mulig å utveksle energi gjennom den felles likestrømsforbindelsen. Den direkte energiutvekslingen mellom vekselretterne kan minimere systemets totale effekttap og forbedre effektiviteten.

Det enkle styringspanelet (BOP-en) på SINAMICS-frekvensomformere kan vise energiforbruket i sanntid. En energispareteller kan beregne energiforbruket under maskindrift sammenlignet med drift med fast hastighet, slik at operatørene kan finjustere prosessene og forbedre besparelsene og bærekraften ytterligere.

Høyere bærekraft

Siemens har publisert SINAMICS V20 Environmental Product Declaration (EPD), inkludert en livssykluskonsekvensanalyse (LCIA) basert på International Standards Organization (ISO) 14021, Environmental labels and declarations - Self declared environmental claims - Type II environmental labelling.

Denne LCIA-enheten var basert på modellen 6SL3210-5BE21-5UV0, som er beregnet for 1,5 kW og 3-fase 380 V_AC til 480 V_AC nettstrøm. Den tar for seg konsekvensene av produksjon, distribusjon, drift, avvikling, avhending og resirkulering av SINAMICS V20-frekvensomformere. Den største påvirkningen kommer fra driften i løpet av frekvensomformernes estimerte levetid på 15 år. Analysen var basert på 5000 driftstimer per år og tre driftspunkter (operating points – OP):

• OP1: 20 % av tiden ved 100 % hastighet og 100 % dreiemoment
• OP2: 70 % av tiden ved 50 % hastighet og 25 % dreiemoment
• OP3: 10 % av tiden ved 20 % hastighet og 25 % dreiemoment

Driften ble anslått til å produsere 1059,13 kg CO₂-ekvivalenter i løpet av 15 år, mens produksjonen bare produserte 40,6 kg CO₂-ekvivalenter, og nedleggelse, avhending og resirkulering ble kreditert for å gjenvinne noen klimagassutslipp tilsvarende -3,6 kg CO₂-ekvivalenter.

I industri 4.0-drift kan rask og fleksibel igangkjøring være et viktig aspekt for å maksimere energibesparelser og bærekraft. Brukerne har flere valgmuligheter for å få raskere idriftsettelse av SINAMICS V20-frekvensomformere for å støtte raske omstillinger.

Smidig igangkjøring med makroer

Hurtig igangkjøringsfunksjonen endrer fire parametersett samtidig, inkludert motordata, tilkoblingsmakroer, utrustningsmakroer og viktige parametere. Motordata begynner med å velge europeiske eller nordamerikanske parametere (f.eks. kW vs. hk), nominell spenning, strøm, effekt, frekvens, virkningsgrad osv.

Tilkoblings- og utrustningsmakroene er spesielt viktige aspekter ved smidig idriftsettelse:

• Tilkoblingsmakroer inkluderer identifisering av det enkle styringspanelet (BOP) som eneste styringskilde eller aktivering av styring fra PNP/NPN-terminaler, faste hastigheter, analog inngang, fast frekvens, ekstern trykknappstyring, ekstern trykknapp med analogt settpunkt, PID-styring med analog inngangsreferanse, PID-styring med fastverdireferanse, USS-styring og MODBUS RTU-kontroll.
• Makrovalg for utrustninger inkluderer en enkel pumpe, vifte, kompressor og transportbånd. Parametere som inngår i den enkle pumpemakroen, er for eksempel minimumsfrekvens, reguleringsmodus, settpunkt for sperrefrekvens, automatisk omstart og rampetid.

Individuelle parametere som frekvenssettpunkt, minimums- og maksimumsfrekvenser og opp- og nedrampingstider kan tilpasses under hurtig igangkjøring. I tillegg til å gjøre igangkjøringen raskere, kan den integrerte hurtig igangkjøringsfunksjonen eliminere feil som skyldes feil parameterinnstillinger, noe som ytterligere forkorter igangkjøringstiden.

Kloning av parametere til flere frekvensomformere

Når parametersettene er ferdigstilt, kan en parameterladerlaster laste opp og ned parametersett mellom V20 og et SD-kort. Parameterlasteren og SD-kortet kan brukes til å klone parametersett på tvers av flere frekvensomformere. Parametre kan lastes ned til frekvensomformere selv før frekvensomformere leveres til fabrikkgulvet, noe som øker hastigheten på den generelle idriftsettelsesprosessen og reduserer behovet for teknisk støtte.

I tillegg til SD-kortsporet har V20-parameterlasteren plass til to primærbatterier i AA-størrelse som kan drive frekvensomformeren under parameternedlasting uten å være koblet til en strømkilde. V20-parameterlasteren har også et Micro USB-grensesnitt som kan kobles til en ekstern 5 V_DC-strømforsyning , noe som eliminerer behovet for primærbatterier (figur 3).

Figur 3: En valgfri parameterlaster kan brukes til å laste opp eller laste ned parametrene til V20-frekvensomformere til et SD-kort og muliggjør rask kloning av parametere til flere frekvensomformere. (Bildekilde: Siemens)

Eksternt enkelt styringspanel (BOP)

Et eksternt enkelt styringspanel (BOP) (tilleggsutstyr) kan brukes til fjernstyring av V20-omformere. Det eksterne enkle styringspanelet (BOP) er utformet for å monteres på utsiden av utstyrsskapet og kobles til en grensesnittmodul som er festet til frekvensomformeren. Det eksterne enkle styringspanelet (BOP-en) og grensesnittmodulen har støtte for RS232-tilkobling og kan kobles sammen med en opptil 3 m lang kabel.

Med riktig montering kan det eksterne enkle styringspanelet (BOP-en) leveres med kapslingsgrad IP54 og UL/cUL Type 1, noe som beskytter V20-frekvensomformeren mot farlige spenninger og mot faste fremmedlegemer som smuss og støv. Det eksterne enkle styringspanelet (BOP-en) dupliserer det integrerte BOP-grensesnittet på V20 (figur 4).

Figur 4: En ekstern enkelt styringspanel (BOP) kan styre V20-frekvensomformer opptil 3 meter unna og utenfor styringsskapet. (Bildekilde: Siemens)

Trådløs regulering

For å oppnå den ultimate fleksibiliteten i idriftsettelsen kan brukerne bruke SINAMICS V20 Smart Access-modulen (figur 5). Smart Access-modulen kobles direkte til fronten på V20 og er en webservermodul med integrert Wi-Fi-tilkobling. Den støtter nettbasert igangkjøring og overvåking av V20-frekvensomformere fra brukerenheter som en bærbar datamaskin med et trådløst nettverkskort, et nettbrett eller en smarttelefon. Den kan brukes med alle operativsystemer og alle HTML5-kompatible nettlesere som Chrome, Internet Explorer (IE) og Safari.

Figur 5: Denne Smart Access-modulen gir Wi-Fi-tilkobling for igangkjøring, regulering, overvåking og diagnostisering av V20-drivenheter. (Bildekilde: DigiKey)

SINAMICS V20 Smart Access gir enkel tilgang til frekvensomformeren, selv i et vanskelig tilgjengelig område. Det intuitive grafiske brukergrensesnittet (GUI) og igangkjøringsveiviseren gjør det enkelt å bruke. Smart Access støtter den samme veiviseren for hurtigoppsett som enkelt styringspanel (BOP) for rask og enkel igangkjøring, innbefattet:

• Legge inn motordata
• Tilkoblingsmakroer kan aktiveres
• Utrustningsmakroer kan velges og aktiveres
• Vanlige parametere kan stilles inn

Smart Access kan konfigureres til å levere feilkoder via e-post for direkte fjernovervåking, og den inneholder en rekke sikkerhetsfunksjoner for å kontrollere tilgangen til data og reguleringsfunksjoner. Smart Access tilbyr omfattende trådløs nettbasert funksjonalitet, dette innbefatter:

• Rask idriftsettelse
• Parametrisering av omformeren
• Motordrift i JOG/HAND-modus (saktegående og manuell)
• V20-statusovervåking
• Feil- og alarmdiagnostikk
• Sikkerhetskopiering og gjenoppretting av data

Konklusjon

SINAMICS V20-frekvensomformere fra Siemens fokuserer på bærekraft og fleksibilitet. Med flere driftsmoduser og energisparende funksjoner kan disse frekvensomformerne maksimere effektiviteten i et bredt spekter av enkle bevegelsesutrustninger fra 0,12 kW til 30 kW. Keep Running-modus sikrer kontinuerlig drift av kritisk infrastruktur som avløps- og vannbehandling og klimaanlegg (HVAC) i bygningsautomatiseringssystemer. Fleksibiliteten understøttes av de mange måtene å implementere rask igangkjøring på ved hjelp av den integrerte enkelt styringspanel (BOP-en), et eksternt plassert enkelt styringspanel (BOP), trådløs tilkobling med en Smart Access-modul, samt forhåndsprogrammerte utrustningsmakroer og andre verktøy.