Slik kan du raskt konstruere og distribuere IIoT-klare maskiner

Det er en utfordring å raskt konstruere og distribuere maskiner som er klare for integrering i det industrielle tingenes Internett (IIoT – Industrial Internet of Things). IIoT-aktiverte maskiner må støtte rask idriftsetting av kommunikasjon og koordinering for maskin-til-maskin, maskin-til-anlegg og maskin-til-sky.

Dette krever en omfattende løsning. Denne løsningen må inkludere et komplett utvalg av moduler for styring, grensesnitt og kommunikasjon. Skalerbarhet er et must. Den bør støtte forenklet installasjon for å gi rask distribusjon. Til slutt må den kunne enkelt integreres i et miljø med flere leverandører for å støtte eldre utstyr.

Belønningen er bedre driftsvirkningsgrad på tvers av alle nivåer i organisasjonen og gjennom hele maskinens livssyklus.

Denne artikkelen gjennomgår hvordan motorstyringsalternativene fra Schneider Electric gir konstruktører løsninger for ende-til-ende-automatisering. Den presenterer funksjonene og fordelene til Altistart-mykstartere, Altivar-drivenheter, Modicon Ethernet-svitsjer og programmerbare logiske styringer (PLS-er), Harmony-styringsreléer og PowerPacT-automatsikringer.

Den beskriver deretter hvordan TeSys Island-systemelementene støtter omfattende løsninger og enkelt kan integreres med Rockwell Studio 5000- og Siemens Tia Portal-miljøer for å støtte eldre maskiner, og avslutter med å se på hvordan Schneider Electrics EcoStruxure Machine Expert-programvaren fremskynder utvikling, konfigurering og idriftsetting av IIoT-klare maskiner.

Bevegelse er en grunnleggende egenskap for industrimaskiner. Dette kan implementeres på forskjellige måter, fra enkle bevegelsesprofiler i systemer som pumper, transportbånd og kraner til komplekse bevegelsesprofiler i prosess- og monteringsvirksomheter og robotikk.

Maskiner med enkle bevegelsesprofiler kan dra nytte av funksjonene som finnes i mykstartere som Altistart-mykstarterfamilien. Altistart-mykstartere støtter følgende:

• Kontrollert akselerasjon som reduserer mekaniske slag som kan øke slitasje og føre til økte vedlikeholdsbehov og nedetid for maskinen
• Begrensning av innkoblingsstrømstøt for å redusere energibruk
• Beskyttelse av motorer mot overspenning som kan oppstå under oppstart, forbedrer motorens levetid
• Høyere pålitelighet ved å detektere feil, for eksempel en blokkert motor, underbelastning eller feil jording, og sende et varsel til maskinoperatører

Grunnleggende maskiner som ikke trenger høyt startmoment kan bruke mykstartere i ATS01-serien. Aktivering av BOOST-logikkinngangen muliggjør påføring av en spenningsøkning lik 100 % av den nominelle motorspenningen i 200 millisekunder (ms), for å få bukt med innledende mekanisk friksjon i systemet. Den programmerte trinnvise spenningsøkningen begynner å følge spenningsøkningen (boost).

ATS01N232RT-modellen for mykstart og stopp av trefasede asynkronmotorer på opptil 15 kilowatt (kW) (20 hestekrefter (hk)) med akselerasjons- og retardasjonstider fra 1 til 10 sekunder. Den er optimalisert for enkle beltedrevne utrustninger som pumper, kompressorer og vifter, som virker fra 440 V_AC til 480 V_AC. Styringer for å stille inn starttid, startspenning og stopptid for installasjon og igangkjøring, er plassert på frontpanelet.

Konstruktører av mer krevende prosess- og infrastrukturmaskiner, for eksempel miksere, knusere og transportbånd, kan bruke mykstartere i Altivar ATS480-serien. Der enklere mykstartere bruker trinnvis spenningsøkning, bruker ATS480-mykstartere en mykere trinnvis dreiemomentøkning, og de kan implementere en bremsefunksjon.

ATS480C11Y-modellen virker med spenninger fra 208 V_AC til 690 V_AC (figur 1). Avhengig av motorspenningen, kan den brukes med motorer fra 22 til 90 kW (25 til 100 hk). Den har en seriell Modbus-kommunikasjonsport med RJ45-kontakt. Valgfrie kommunikasjonskort er tilgjengelige for Profibus, PROFINET, Modbus TCP/EtherNet/IP og CANopen.

Figur 1: Denne Altivar-mykstarteren er konstruert for bruk med asynkronmotorer fra 22 til 90 kW. (Bildekilde: DigiKey)

Drift av mer avanserte maskiner

Komplekse bevegelsesprofiler i avanserte maskiner kan støttes ved å bruke drivenheter med variabel frekvens (VFD-er), slik som Altivar 320-familien, med enheter fra 0,18 til 15 kW (0,25 til 20 hk) for utrustninger innen materialhåndtering, emballasje, tekstiler, heising, mekaniske aktuatorer og materialarbeid. ATV320U75M3C er klassifisert for 7,5 kW og drives fra en forsyningsspenning fra 200 V_AC til 240 V_AC.

For å få fart på konfigurasjon og idriftsetting, har disse drivenhetene 150 funksjoner og standard og tilpassbare konfigurasjoner. Det er dedikerte funksjoner for utrustninger innen materialhåndtering, tekstiler, heising og mekaniske aktuatorer.

Altivar 320 VFD-er kan gi høyytelsesstyring av asynkronmotorer og permanentmagnetmotorer, inkludert dreiemoment og hastighetsnøyaktighet ved svært lave hastigheter, og dynamisk bevegelse med fluksvektorstyring uten noen sensor. Når de brukes med trefasede synkrone og asynkrone motorer, har disse VFD-ene:

• Støtte for motorer med høy hastighet
• Statisk hastighetsnøyaktighet for synkronmotorer med åpen sløyfe
• Fleksible systemintegreringsalternativer, inkludert Ethernet, CANopen, Profibus, EtherCAT, DeviceNet med mer
• Integrerte sikkerhetsfunksjoner som er i samsvar med standarder for funksjonssikkerhet
• Formater som kompakte drivenheter og bok-drivenheter (book drives) med beskyttelsesgrader fra IP20 til IP66 støtter integrering i forskjellige typer skap (figur 2)

Figur 2: Altivar 320 VFD-er er tilgjengelige i forskjellige formfaktorer for å forenkle installasjonen og maksimere plassutnyttelsen i utstyrsskap. (Bildekilde: DigiKey)

Fleraksede maskiner med høy ytelse

Modicon Ethernet-svitsjer og programmerbare logiske styringer (PLS-er) kan støtte konstruksjoner med høy ytelse, fra maskiner med én enkelt uavhengig akse til synkroniserte fleraksede maskiner med høy ytelse som krever rask og presis posisjonering og bevegelser som robotikk.

Disse innebygde IIoT-edge-styringene kan kobles direkte til skyen ved å bruke MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), OPC UA-server og -klient (OPC UA – Open Platform Communications Unified Architecture) og TLS-kryptering (Transport Layer Security), og de har integrerte sikkerhets- og cybersikkerhetsfunksjoner. Den doble Ethernet-porten kan støtte Ethernet/IP- og Modbus TCP-protokoller. Det er også RS232- og RS485-porter, en USB-port og et spor for et SD-kort.

TM262L-styringer er for logisk styring av flere inngangs-/utgangssammenstillinger, inkludert fire raske digitale innganger og fire raske digitale utganger. TM262L10MESE8T-modellen har en eksekveringshastighet på 5 nanosekunder (ns) per instruksjon. Prosessoren med to kjerner håndterer parallelle applikasjoner og kommunikasjon på en effektiv måte (figur 3).

Figur 3: Denne Modicon M262 PLS-en leverer IIoT-klare Ethernet-tilkoblinger for maskin-til-sky og maskin-til-anlegg. (Bildekilde: DigiKey)

TM4-bussen å Modicon M262-familien støtter opptil tre kommunikasjonsutvidelsesmoduler. Utvidelsesmodulene Profibus DP (TM4PDPS1) og Ethernet (TM4ES4) kan brukes i ulike kombinasjoner, opptil maksimalt tre moduler.

Forhinding av avvik

Noen ganger må maskiner, inkludert IIoT-klare maskiner, beskyttes mot unormale forhold. Det er her Harmony-styringsreléer (Harmony Control Relays) kommer inn i bildet. De kan overvåke både elektriske og mekaniske forhold og identifisere avvik knyttet til strøm, spenning, fase, frekvens, hastighet, temperatur, pumpestyring og til og med væskenivå.

Rask og nøyaktig identifisering av avvik kan øke oppetiden og redusere behovet for uplanlagt vedlikehold i bruksområder som pumping, vannbehandling, taljer og heiser, emballeringssystemer og tekstilmaskiner. Harmony-styringsreléer er tilgjengelige med et bredt spekter av funksjoner for å dekke spesifikke bruksbehov.

RMNF22TB30-modellen er et trefaset relé med integrert nærfeltkommunikasjon (NFC – near-field communications). Den kan overvåke syv parametere: fasetap, fasesekvens, asymmetri, underspenning, overspenning, underfrekvens og overfrekvens. Ved å bruke NFC-appen kan konstruktører bruke AND-, OR- og NOT-logikk for å danne tilpassede overvåkingskombinasjoner for de to individuelt konfigurerbare reléutgangene.

For enklere maskiner som kun trenger overspenningsovervåking, kan konstruktører bruke RM22UA21MR (figur 4). Dette enfasede styringsreléet inkluderer en valgbar minnefunksjon og en integrert lysdiode (LED) som markerer styringsstatus. Skruetrimkondensatorer muliggjør enkle og presise terskelinnstillinger, og de gir automatisk nedstengningsstyring og feilinformasjon for rask feilidentifikasjon og feilsøking.

Figur 4: Enfaset overspenningsstyringsrelé med en switching-kapasitet på 2 kVA. (Bildekilde: DigiKey)

Grunnleggende beskyttelse

Utrustninger som kan dra nytte av mer grunnleggende beskyttelse, kan bruke PowerPacT-automatsikringer klassifisert fra 15 til 125 A, og disse er tilgjengelige med én, to, tre og fire poler. Disse termisk magnetiske automatsikringene har positiv kontaktindikasjon og leverer isolasjon i samsvar med IEC/EN60947-1- og IEC/EN60947-2-standardene for «lavspent bryterutstyr og styringsutstyr».

BDF16020-modellen er en 20 A enpolet enhet med en klassifisert driftsspenning på 240 V_AC 50/60 Hz i henhold til UL 489. Den kontinuerlige strømklassifiseringen er 80 % av den maksimale klassifiseringen, og den er klassifisert som «servicebrytende» (service breaking) i henhold til IEC 60947-2 (figur 5). VisiTrip LED-avlesning gjør det enklere å se hvilken automatsikring som har utløst i kabinettet eller panelet. Den har også en QR-kode som gir tilgang til informasjon, inkludert bruksanvisningen, delenumre og CAD-tegninger.

Figur 5: Automatsikringer som denne tilbyr positiv kontaktindikasjon og oppfyller isolasjonskravene i IEC/EN60947. (Bildekilde: DigiKey)

Integrerte feltbussnoder

TeSys er en digitalisert IIoT-tilkoblet laststyringsløsning som fungerer som en integrert node i et Fieldbus-nettverk, og den inkluderer modulene som trengs for å implementere en IIoT-klar maskin. Den er basert på flerfunksjonelle enheter og avatarer for industrielle utrustninger med laster på opptil 80 ampere, og kan øke hastigheten på konstruksjon, kabling og igangkjøring.

En busskobling som TPRBCEIP er kjernemodulen som gir intern kommunikasjon med TeSys Island-modulene via båndkabler. Det er også tilkoblingspunktet mellom en TeSys Island og et eksternt automatiseringssystem som bruker EtherNet/IP- eller Modbus TCP-kommunikasjon. En integrert nettserver støtter diagnostikk og vedlikehold. Den inkluderer en RJ45-serviceport over Ethernet, en port for micro SD-kort og en port for den interne bussen som forbinder modulene til øyen (the island). En typisk konfigurasjon inkluderer (figur 6):

1. Busskobling
2. Analog inngangs-/utgangsmodul
3. Digital inngangs-/utgangsmodul
4. Spenningsgrensesnittmodul
5. Standardstartere
6. Sikkerhetsintegritetsnivå (SIL)-starter
7. SIL-grensesnittmodul
8. Strømgrensesnittmodul

Figur 6: De kombinerte enhetene i TeSys Island fungerer som en enkelt node i et Fieldbus-nettverk. (Bildekilde: Schneider Electric)

Eksempler på TeSys Island-moduler omfatter:

• LC1DT406BL 40 A, 4-polet, normalt åpen, TeSys Deca-kontaktor med IEC60335-1-samsvar for industri- og HVAC-systemer
• LC1G115EHEN 150 A (75 kW ved 440 V_AC), 3-polet, normalt åpen, TeSys Giga-kontaktor, konstruert for bruk i krevende utrustninger med driftshastigheter på opptil 600 sykluser per time og driftstemperatur på opptil +60 °C
• TPRDG4X2, en digital I/O-modul med fire digitale innganger og to digitale utganger som kan håndtere motorer og andre elektriske laster på opptil 65 A (37 kW, 40 hk). Alle justeringer og innstillinger er digitalisert, og det er ingen mekaniske skiver eller DIP-brytere
• TeSys Island-motorstartere med kommunikasjon er klassifisert med en effekt på opptil 40 hk (80 A ved 480 V). Disse SIL-starterne oppfyller kravene i IEC 61508, IEC 62061 og ISO 13849-1, og de støtter PL d og SIL 2

TeSys Island støtter også omfattende løsninger og kan enkelt integreres med Rockwell Studio 5000- og Siemens Tia Portal-miljøer for å støtte eldre maskiner.

Slik faller bitene på plass

Når det er tid for å bygge den ferdige maskinen, kan konstruktører bruke EcoStruxure Machine Expert. Denne programvareløsningen støtter utvikling, konfigurasjon, idriftsetting, drift og vedlikehold av IIoT-klare maskiner.

EcoStruxure Machine Expert kan håndtere alle de nyeste IIoT-maskinkomponentene, inkludert Modicon M262 PLS-er og TeSys Island, et digitalt laststyringssystem. Den er konstruert for å levere maskiner som er optimalisert for sikkerhet, pålitelighet, yteevne, konnektivitet og bærekraft. Den drar nytte av IIoT, med løsninger for mobilitet, føling, sky, analyse og cybersikkerhet, for å utføre denne komplekse oppgaven.

Konklusjon

IIoT-aktiverte maskiner er et viktig aspekt ved drift i Industri 4.0. Konstruksjon, idriftsetting og integrering av disse maskinene, er komplekse oppgaver. Schneider Electric gir maskinkonstruktører en rekke enheter og programvareverktøy for IIoT-aktiverte maskiner som leverer bedre driftsyteevne på tvers av alle nivåer i organisasjonen og gjennom hele maskinens livssyklus.