Hvordan raskt installere, koble til og integrere enaksede VSD-er i Industry 4.0 Automation Systems

Enaksedrivenheter med variabel hastighet (VSD) er avgjørende i industrielle applikasjoner som pumper, vifter, kompressorer, transportører og prosesseringsoperasjoner som møller og blandere. Disse applikasjonene har enkle bevegelsessekvenser og krever effektive VSD-er for å støtte rask og økonomisk implementering av grunnleggende drivenhetsfunksjoner med korte igangkjøringstider.

De kan kreve en rekke kontrollfunksjoner, inkludert skalarvolt per Hertz (V/f), programmerbar V/f-multipunkt, V²/f som automatisk tilpasser fluksen for å spare energi, og fluksstrømkontroll (FCC) som automatisk tilpasser seg drivenhetens utgang til lasten. Kostnadseffektiv distribusjon og integrasjon er nøkkelen for industrielle systemer og drar nytte av funksjoner som:

• Forhåndskonfigurert programvalg
• Kompakt størrelse
• Forhåndsinnstilte kommunikasjonsparametere
• Effektiv overføring av parameterinnstillinger til flere enheter
• Trådløs igangkjøring, drift og diagnostikk
• Tilkoblings- og applikasjonsmakroer for å forenkle I/O-kabling og konfigurasjon

Denne artikkelen presenterer en familie av robuste og energieffektive enaksede VFD-er fra Siemens designet for å forenkle installasjonen. Den gjennomgår også flere integrerte funksjoner, ser på grunnleggende systemtilbehør og en rekke mer spesialiserte og avanserte tilleggsmoduler, og integrasjonsforslag ved bruk av Siemens-kontrollere. Den avsluttes med å gjennomgå noen vurderinger for å integrere disse VFD-ene i EMI-kompatible kontrollskap og industrielle bevegelsessystemer.

Digitalisering av motorstyring gir flere fordeler til industrielle enaksede bevegelsessystemer. Ved å erstatte enkle mekaniske kontroller med en VSD kan systemet reagere på situasjoner med dellastdrift umiddelbart og kan redusere strømforbruket med 50 % eller mer. Drift med variabel hastighet kan også minimere slitasje på motorer og mekaniske komponenter, redusere vedlikeholdsbehov og forbedre tilgjengeligheten.

SINAMICS V20-plattformen fra Siemens er tilgjengelig i ni rammestørrelser, og den dekker et effektområde på 0,12 kW til 30 kW (0,16 hk til 40 hk) (Figur 1). Eksempler på SINAMICS V20 VFD-er inkluderer 0,12 kW 6SL3210-5BB11-2UV1 opptil 3 kW, 6SL3210-5BB23-0UV1-enfaset 230 V_AC-inngangsmodeller, og 0,37 kW 6SL3210-5BE32-2UV0 opptil 30 kW trefaset 480 V_AC-modeller.

Figur 1: De ni rammestørrelsene til SINAMICS V20-omformere fra FSAA til FSE (0,16 til 40 HK). (Bildekilde: Siemens)

Effektivitet er en stor fordel ved å bruke SINAMICS V20-drivenheter. De er kompakte og utnytter plassen effektivt; de støtter rask installasjon og igangkjøring, gjør effektiv bruk av tid og penger, og de er energieffektive og støtter en grønnere planet. Noen av de mange funksjonene inkluderer:

• Økonomisk drift støttet av flere kontrollmoduser. inkludert V/f, V²/f, FCC og V/f-multipunkt
  • Energisparing kan forbedres ved å bruke ECO-modus for V/f, V²/f og en dvalemodus
  • Energisparing kan overvåkes uten eksternt effektmåleutstyr og vises i kWt, CO2 eller valuta
• Enfase- eller 3-fasenettstrøm
  • Enfaset 200 til 240 V_AC (–10 % / +10 %) kan også kobles til to faser av et 3-faset 120 / 240 V_AC-strømnett
  • Trefaset 380 til 480 V_AC (–15 % / +10 %)
• Forhåndskonfigurerte applikasjonsmakroer reduserer igangkjøringstiden
• Forhåndsinnstilte kommunikasjonsparametere for hastighet på igangkjøring ved hjelp av standardbiblioteker og konnektivitetsmakroer
• Automatisk tilpasning til ustabile nettspenninger sikrer stabil drift, forhindrer avbrudd og bidrar til å levere høyere produktivitet
• Overbelastningsevne opptil 150 % i 60 s innen en syklustid på 300 s
• Maksimal utgangsspenning er 100 % av inngangsspenningen
• Parameterlasting uten strømforsyning tillater rask konfigurering av flere enheter
• Igangkjøring med mobilenhet eller bærbar PC med Smart Access-nettserver
• Integrerte applikasjons- og tilkoblingsmakroer

Integrerte funksjoner

SINAMICS V20-frekvensomformere har flere integrerte funksjoner som øker hastigheten på distribusjon og forenkler integrasjon, som en proporsjonal-integral-derivative (PID)-kontroller for prosesskontrolloppgaver, integrert bremsechopper på de to største rammestørrelsene, og en DC-koblingsfunksjon som muliggjør to like store drivenheter for å jobbe sammen for økte energibesparelser. PID-kontrolleren kan brukes i enkle prosessoppgaver som å kontrollere trykk, nivåer eller strømningshastigheter i forhold til et settpunkt.

PID-funksjonen inkluderer autotuning for optimal drift og kan støtte motorinnstillingsdrift. Motorinnstilling tillater styring av opptil to ekstra trinnvise (kaskadekoblede) motorer. I dette tilfellet består systemet av primærmotoren styrt av omformeren og to ekstra motorer styrt ved hjelp av kontaktorer eller startere styrt av digitale utganger på omformeren.

FSD- og FSE-rammestørrelser har en integrert bremsechopper; for andre rammestørrelser er en ekstern bremsemodul tilgjengelig (se nedenfor). Motoren kan bremses elektrisk eller mekanisk.

• Alternativer for elektriske bremser
  • DC-bremsing påføres statorviklingen, noe som resulterer i betydelig bremsemoment. Selv om den ikke er egnet for å holde suspendert last, kan strømmen holde akselen i ro når rotasjonen har stoppet.
  • Sammensatt bremsing overlapper DC-bremsing på regenerativ bremsing, hvor omformeren regenererer energi til DC-linkforsyningen under bremsing.
  • Dynamisk bremsing konverterer regenerativ energi til varme. Implementering av dynamisk bremsing krever en ekstern bremsemotstand for å spre energien.
• En mekanisk motor som holder bremsen kan styres av intern logikk for å forhindre at motoren snur når omformeren er slått av.

SINAMICS V20-drivenheter inkluderer også en DC-koblingsfunksjon som gjør at to like store omformere kan kobles elektrisk ved hjelp av deres DC-linkforbindelser. Når det er aktuelt, kan DC-kobling redusere energikostnadene ved å la en omformer bruke regenerativ energi hentet fra den andre omformeren. Omformerne kan dele et enkelt dynamisk bremsesystem, noe som reduserer installasjonskostnadene. I noen tilfeller kan DC-kobling eliminere behovet for en dynamisk bremsemodul og en dynamisk bremsemotstand.

Grunnleggende systemtilbehør

I tillegg til integrerte funksjoner, kan nytten av SIMAMICS V20-omformere forbedres ved å legge til noen systemtilbehør som et grunnleggende operatørpanel (BOP) og BOP-grensesnitt, en smart-tilgangsmodul og en parameterlaster (Figur 2):

• SIMAMICS V20 har et integrert kontrollpanel, men noen applikasjoner kan dra nytte av å legge til en BOP for fjernstyring av enheten. BOP er designet for distribuert montering og har en UL Type 1-kapsling.
• BOP er koblet til SINAMICS V20 ved hjelp av en spesialisert BOP-grensesnittmodul som plugges inn i ekspansjonsporten på omformeren og har et RS232-grensesnitt for tilkobling til BOP.
• Smart-tilgangsmodulen har en innebygd nettserver som forenkler igangkjøring og drift av SINAMICS V20 ved hjelp av en smarttelefon, bærbar PC eller nettbrett. Funksjoner som støttes av denne modulen inkluderer:
  • Igangkjøringsveiviser for raskere igangkjøring
  • Parameterinnstilling og lagring, eller gjenoppretting av fabrikkinnstillinger
  • Motortesting
  • Overvåking av driftsdata
  • Utføre systemdiagnosekontroller
• Parameterlasteren kan laste opp opptil 100 parametersett til SINAMICS V20 eller laste ned parametersett fra enheten. Den batteridrevne parameterlasteren kan brukes uten å slå på drivenheten.

Figur 2: 0,16 HP FSAA SINAMICS V20 vist med fire vanlige utvidelsesmoduler. (Bildekilde: Siemens)

Mer tilbehør

Linjefiltre kan legges til ved behov. For å oppfylle EN 61800-3-kategori C2 utstrålt og ledet utslipp, kreves eksterne EMC-filtre for SINAMICS V20-omformere (400 V filtrerte og ufiltrerte modeller, samt 230 V ufiltrerte modeller). For eksempel modell 6SL32030BE177BA0 er designet for bruk med FSA rammestørrelse 400 V-omformere.

Linjereaktorer er tilgjengelige for å jevne ut spenningstopper eller bygge bro over kommuterende fall. Disse reaktorene reduserer også effekten av harmoni på linjeforsyningen og omformeren.

Bremsing kan implementeres ved hjelp av 6SL32012AD208VA0-bremsemodulen (Figur 3) med rammestørrelser FSAA til FSC. FSD- og FSE-rammestørrelser har en integrert bremsechopper og krever ikke en ekstern modul. I alle tilfeller kan bedre bremseytelse og forbedret retardasjon oppnås ved å legge til en ekstern bremsemotstand som modell 6SE64004BC050AA0 for å spre den regenerative energien som produseres av motoren.

Figur 3: Bremsemodul for SINAMICS V20-motordrivenheter. (Bildekilde: DigiKey)

Applikasjoner som trenger innganger eller utganger kan legge til SINAMICS V20 I/O-utvidelsesmodul (Figur 4). Modulen monteres direkte på 400 V-omformere og har to digitale innganger og to digitale reléutganger. I/O-utvidelsesmodulen kan eksempelvis brukes i multipumpekontrollapplikasjoner, slik at opptil fire pumper kan styres med en enkelt SIMAMICS V20-drivenhet. Modulen er også nyttig når flere vifter eller kompressorer må kontrolleres. Den har tilkoblinger foran og bak og kan kombineres med annet tilbehør som BOP-grensesnittet og smart-tilgangsmoduler. Den kan imidlertid ikke brukes samtidig som parameterlastermodulen.

Figur 4: Utvidelsesmodul montert på forsiden av en SINAMICS V20-drivenhet. (Bildekilde: Siemens)

Utgangsreaktorer, som modell 6SL3202-0AE16-1CA0 for FSA-rammestørrelse, kan redusere spenningsbelastningen på motorviklingene (Figur 5). Disse utgangsreaktorene reduserer også de kapasitive lade- og utladningsstrømmene som kan belaste omformeren når lange motorkabler brukes.

Figur 5: Utgangsreaktor for 0,5 HK 3-faset 380 V_AC til 480 V_AC , 6.1 A FSA-ramme SINAMICS V20-drivenheter. (Bildekilde: Siemens)

Integrasjon i større systemer

SINAMICS V20-frekvensomformere er designet for å bli kontrollert av en SINAMICS S7-1200- eller S7-1500-kontroller, lignende modell6ES75173FP000AB0, gjennom RS485-grensesnittet og ved å bruke protokollen Universal Serial Interface (USS). Eksempelprosjekter som viser hvordan du konfigurerer og programmerer disse kontrollerene med en SINAMICS V20 er tilgjengelig. USS er standardinnstillingen, men en SINAMICS V20 kan også bruke MODBUS RTU-protokollen.

Én hovedkontroller kan koble til maksimalt 31 VFD-er.

Sette alt sammen

Å sette sammen komponentene beskrevet ovenfor til et komplett system kan være utfordrende, spesielt hvis EMK-samsvar er en viktig faktor. Å isolere potensielle interferenskilder er vanligvis den raskeste og mest kostnadseffektive tilnærmingen. Det kan oppnås ved å organisere kontrollskapet og resten av systemet i en serie på fire isolerte soner, som vist i figur 6. Hensyn ved implementering av isolasjonssoner inkluderer:

• Elektromagnetisk frakobling av sonene kan oppnås ved bruk av jordede separasjonsplater eller separate metallhus.
  • SINAMICS V20 er i sone B, og en SIMATIC S7-1200- eller S7-1500-kontroller er i sone C.
• For forbedret EMC-ytelse kan filtre og koblingsmoduler legges til ved grensesnittene til sonene.
• Tilkoblingskabler mellom sonene må skilles for å hindre EMK-kobling, og må ikke ligge i samme kabelkanal eller ledningsnett.
• Kommunikasjonsnettverk og signalkabler som RS485 som kommer inn eller ut av skapet, må være isolert.

Figur 6: Elektromagnetisk frakoblede soner kan forbedre EMC-ytelsen til SINAMICS V20-installasjoner. (Bildekilde: Siemens)

Konklusjon

SINAMICS V20-omformere er svært allsidige, kompakte og støtter ulike industrielle applikasjoner med variabel hastighet med én akse. De har et omfattende utvalg av innebygde funksjoner og muligheter. Å legge til tilbehør som et grunnleggende operatørpanel, fjerntilgangsmodul og parameterlaster kan forbedre nytten. Disse drivenhetene er også tilgjengelige med et bredt spekter av tilleggsmoduler for å støtte avansert systemfunksjonalitet, og de er optimert for bruk med Siemens-kontrollere. Til slutt ble det vist hvordan man kan integrere disse VFD-ene i EMI-kompatible kontrollskap og industrielle bevegelsessystemer.