Việc lựa chọn thiết bị tự động hóa công nghiệp tối ưu như động cơ, bộ truyền động và mô-đun truyền thông đòi hỏi sự chú ý cẩn thận đến từng chi tiết. Ví dụ, Hiệp hội các nhà sản xuất điện quốc gia Bắc Mỹ (NEMA) và Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế châu Âu (IEC) thể hiện nhiều sự khác biệt về xếp hạng động cơ và truyền động.
Các yếu tố cần xem xét khi lựa chọn động cơ, bộ truyền động và bộ điều khiển bao gồm điện áp và dung sai đầu vào và đầu ra, phạm vi tốc độ cần thiết và nhu cầu điều chỉnh, yêu cầu mô-men xoắn, khả năng tăng tốc, chu kỳ phanh, các yêu cầu đặc biệt như phản ứng nhanh hoặc mô-men xoắn và các yếu tố môi trường bao gồm quản lý nhiệt.
Các yêu cầu liên lạc khác nhau tùy theo vị trí của thiết bị trong hệ thống phân cấp điều khiển công nghiệp. Ở lớp gần rìa khu vực sản xuất nhất của nhà máy, các giao thức như IO-Link có thể được sử dụng cho các cảm biến và bộ truyền động thông minh, trong khi EtherCAT, PROFINET, Modbus và các giao thức khác kết nối các hệ thống chuyển động, an toàn, I/O và thị giác.
Lớp mạng tự động hóa nhà máy cao nhất thường sử dụng Ethernet/IP để kết nối các bộ điều khiển tự động hóa, giao diện lập trình và đám mây đa dạng, cùng với các giao thức như DisplayPort dành cho giao diện người{0}}máy (HMI). Giữa các lớp này, sự kết hợp giữa Ethernet/IP, EtherCAT và các giao thức khác kết nối cấp trường của phân xưởng với các lớp vận hành và kiểm soát.
Các chi tiết quá nhiều để có thể trình bày một cách toàn diện trong một cuộc thảo luận. Thay vào đó, bài viết này trình bày một số nguyên tắc cần xem xét khi chỉ định động cơ, bộ truyền động và mô-đun giao tiếp, cùng với các ví dụ về ứng dụng, phần cứng và giao thức từ [Siemens], [Phoenix Contact], [Omron Automation], Panasonic [Industrial] và [Schneider Electric].
Chuyển trọng tâm
Động cơ và bộ truyền động là những thành phần phổ biến trong nhiều hệ thống tự động hóa công nghiệp. Là điểm khởi đầu cho cuộc thảo luận này, sẽ rất hữu ích nếu hiểu được hiệu suất của động cơ phù hợp ở đâu trong những cân nhắc rộng hơn về hiệu suất của hệ thống tự động hóa công nghiệp và trọng tâm đã thay đổi như thế nào.
Sử dụng động cơ hiệu quả hơn có thể tiết kiệm tới 6% năng lượng. Tốt đấy. Tuy nhiên, việc bổ sung các ổ đĩa hiệu suất cao và các bộ phận hỗ trợ có thể tiết kiệm tới 30% năng lượng.
Khi trọng tâm chuyển sang tối ưu hóa hệ thống toàn diện, những yếu tố thay đổi trò chơi thực sự sẽ xuất hiện. Bằng cách xem xét tất cả các thành phần cơ học và bổ sung khả năng giao tiếp để tích hợp với Internet vạn vật công nghiệp (IIoT)- trải rộng ở cấp độ vận hành và nhà máy, cuối cùng có thể đạt đến cấp độ doanh nghiệp và đám mây-có thể tiết kiệm tới 60% mức tiêu thụ năng lượng và đạt được năng suất năng lượng cao hơn (Hình 1).
Hình 1: Mức độ tích hợp và liên lạc nâng cao có thể tiết kiệm nhiều năng lượng hơn và tăng năng suất. (Nguồn ảnh: Siemens)Thiết kế-sinh thái của Hệ thống động cơ
IEC 61800-9 Phần 2, "Thiết kế-sinh thái của Hệ thống động cơ - Xác định và phân loại hiệu quả năng lượng" có thể đóng vai trò là tài nguyên chính. Nó không chỉ tập trung vào hiệu suất của động cơ mà còn trình bày chi tiết một loạt các yếu tố hiệu suất ở cấp độ cao hơn cho "hệ thống truyền động động cơ". VFD được coi là mô-đun truyền động hoàn chỉnh (CDM), bao gồm "phần cấp dữ liệu" đầu vào AC, "mô-đun truyền động cơ bản" (BDM) giống như chính VFD và "thiết bị phụ trợ" bao gồm bộ lọc đầu vào/đầu ra, cuộn cảm dòng và các thành phần hỗ trợ khác.
Tiêu chuẩn còn định nghĩa Hệ thống truyền động điện (PDS) là CDM cộng với động cơ. Sau đó, nó mô tả hệ thống động cơ như một thiết bị điều khiển động cơ PDS cộng với công tắc tơ chẳng hạn như công tắc tơ.
Mức cao nhất là sản phẩm mở rộng, hay hệ thống tổng thể trong Hình 1, bổ sung thêm các thiết bị truyền động cơ học như hộp số và máy tải. Để hiểu chi tiết hơn về tiêu chuẩn hiệu suất PDS IEC 61800-9-2, hãy xem bài viết "[Các loại bộ truyền động động cơ công nghiệp có tốc độ thay đổi khác nhau là gì?]".
Điểm khởi đầu để xác định "hệ thống truyền động động cơ" chính là động cơ.
Cân nhắc về động cơ
Khi được chỉ định và sử dụng đúng cách, động cơ có thể là những cỗ máy có hiệu suất cao. Điều này làm cho việc lựa chọn động cơ trở thành một nhiệm vụ quan trọng đối với các nhà thiết kế máy.
IEC định lượng công suất động cơ bằng kilowatt (kW), trong khi NEMA sử dụng mã lực (hp), giúp việc tính tương đương trực tiếp trở nên đơn giản. Tuy nhiên, IEC và NEMA áp dụng các cách tính hiệu suất khác nhau; đối với các thiết kế động cơ giống hệt nhau, hiệu suất trên bảng tên IEC có thể vượt quá định mức NEMA một chút.
Hiệu suất thực tế của động cơ gắn chặt với các ứng dụng cụ thể. Do đó, các tiêu chuẩn về hiệu suất của động cơ thường được thảo luận về mặt giảm tổn thất năng lượng hơn là về giá trị hiệu suất tuyệt đối.
IEC 60034{10}}30-1 công nhận năm loại hiệu suất động cơ, từ IE1 đến IE5. Năng lượng thất thoát giảm 20% giữa các lớp kế tiếp. Điều này có nghĩa là động cơ "Ultra Premium" của IE5 có tổn thất thấp hơn 20% so với động cơ "Super Premium" của IE4. Các yếu tố bổ sung cần được xem xét. Trong một số trường hợp nhất định, động cơ có hiệu suất cao hơn có thể có hệ số công suất (PF) giảm.
Ở Bắc Mỹ, xếp hạng hiệu quả năng lượng của NEMA ít phổ biến hơn nhưng cũng không kém phần quan trọng. NEMA công nhận Hệ số dịch vụ động cơ (SF), hệ số này không có trong tiêu chuẩn IEC. Động cơ Nema có SF bằng 1,15 có thể hoạt động liên tục ở 115% công suất định mức, mặc dù điều này dẫn đến nhiệt độ vận hành động cơ cao hơn, dẫn đến giảm tuổi thọ ổ trục và cách điện.
IEC xác định mười loại vận hành hoặc hệ số dịch vụ (S1 đến S10) dựa trên các cân nhắc như vận hành liên tục và gián đoạn, sự thay đổi tốc độ và cách sử dụng phanh, thay vì SF.
NEMA và IEC khác nhau về dải điện áp và tần số, nhưng cả hai đều được biểu thị bằng số lượng "trên một đơn vị" (pu). Trong hệ thống pu, số lượng được biểu diễn dưới dạng phân số của giá trị cơ bản. NEMA xác định một loạt các điện áp và tần số động cơ. IEC xác định hai “khu vực” (Hình 2).
Hình 2: So sánh dải điện áp và tần số xoay chiều công nghiệp NEMA và IEC. (Nguồn ảnh: NEMA)
Nâng cao hiệu quả PDS
Bộ truyền động động cơ là thành phần chính mang lại hiệu quả cho PDS như được xác định trong IEC 61800-9-2. Chúng có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như điện áp động cơ, mức công suất, loại chuyển động, ứng dụng được hỗ trợ, v.v. Các loại chuyển động có thể được phân loại là liên tục hoặc không liên tục. Dựa trên công suất đầu ra tối đa cần thiết, chúng có thể được chia thành các loại hiệu suất thấp, hiệu suất trung bình và hiệu suất cao.
Các loại ổ đĩa khác nhau hỗ trợ các yêu cầu hệ thống riêng biệt. Bộ truyền động và động cơ servo rất phù hợp-cho các ứng dụng như chế tạo robot yêu cầu tăng tốc, giảm tốc nhanh và định vị chính xác. Bộ khởi động mềm lý tưởng cho hoạt động liên tục, chẳng hạn như băng tải được hưởng lợi từ việc khởi động và dừng trơn tru. VFD được sử dụng rộng rãi trên nhiều máy móc công nghiệp khác nhau.
Một số dòng sản phẩm VFD nhất định được tối ưu hóa cho các hoạt động như bơm, thông gió, nén, ứng dụng di động hoặc gia công. Bộ truyền động đa năng dòng SINAMICS G120 của Siemens có công suất từ 0,55 đến 250 kW (0,75 đến 400 mã lực) và phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp nói chung trong ngành ô tô, dệt may và đóng gói.
Model [6SL32203YE340UF0] hoạt động bằng nguồn điện ba pha-với dải điện áp đầu vào từ 380 đến 480 Vac ±10% / -20%. Ở Châu Âu, động cơ có công suất từ 22 đến 30 kW được chỉ định cho hoạt động ở điện áp 400 V, trong khi ở Bắc Mỹ, động cơ có công suất từ 30 đến 40 mã lực được quy định cho hoạt động ở điện áp 480 V (Hình 3).
Hình 3: VFD này có thể được sử dụng với động cơ có công suất từ 22 đến 30 kW, tùy thuộc vào điện áp hoạt động. (Nguồn ảnh: DigiKey)
VFD không phải là chìa khóa duy nhất để thiết kế PDS hiệu quả. Bài viết "[Cần những sản phẩm hỗ trợ nào để tối đa hóa tác động của việc sử dụng VFD và VSD? - Phần 1]" xem xét một số thành phần hỗ trợ thiết yếu.
Tối ưu hóa hệ thống và truyền thông
Mặc dù động cơ và bộ truyền động nằm ở cấp độ đầu tiên hoặc cấp độ hiện trường của nhà máy nhưng chúng không phải là cấp độ thấp nhất trong hệ thống phân cấp truyền thông Công nghiệp 4.0. Vị trí này thuộc về các chức năng Cấp 0 như cảm biến và cơ cấu chấp hành. Hơn nữa, có nhiều cấp độ tồn tại trên cấp trường. Để tối đa hóa hiệu quả, năng suất và tính bền vững tổng thể của nhà máy Công nghiệp 4.0, việc liên lạc kịp thời và hiệu quả từ hệ thống phân cấp truyền thông đến đám mây là điều cần thiết. Các giao thức sau hỗ trợ kết nối đám mây:
- uOPC PubSub Bridge tích hợp nhiều luồng dữ liệu công nghệ vận hành (OT).
- Nhà môi giới MOTT nhận tin nhắn và chuyển tiếp chúng đến người dùng dựa trên chủ đề tin nhắn.
Cấp độ 1 bao gồm nhiều thứ hơn là chỉ truyền động và động cơ. Thiết bị chính Fieldbus (FMU) tạo điều kiện liên lạc và đơn giản hóa việc tích hợp ổ đĩa và các thiết bị khác. FMU hỗ trợ nhiều giao thức khác nhau bao gồm PROFINET, PROFIBUS, DeviceNet, CANopen, v.v. Việc sử dụng FMU cho phép kết nối độc lập với nhà sản xuất-.
Model [AFP7NPFNM] của Panasonic là FMU PROFINET. Nó có thư viện chức năng tích hợp với phần mềm lập trình, giúp giảm đáng kể thời gian phát triển cho các giải pháp ứng dụng cụ thể.
Cảm biến, Thiết bị truyền động và Cấp độ an toàn 0
Để tối đa hóa mức tiết kiệm năng lượng PDS trong VFD, khả năng kết nối phải giảm xuống Cấp 0. Việc tích hợp các cảm biến, bộ truyền động và thiết bị an toàn như rèm chắn sáng ở Cấp 0 giúp tăng cường đáng kể hiệu quả, đạt mức tiết kiệm năng lượng trên 30%.
Các giao thức phổ biến để kết nối các chức năng Cấp 0 bao gồm DeviceNet, HART, Modbus và IO-Link. IO-Liên kết là giao thức điểm-tới{5}}điểm kết nối các cảm biến và bộ truyền động với bộ điều khiển cấp-cao hơn. Có sẵn ở cả tiêu chuẩn có dây và không dây, nó ngày càng được triển khai trong Công nghiệp 4.0 như một giải pháp thay thế hiệu quả về mặt chi phí.
[Omron's NX-ILM400] IO-Các thiết bị chính liên kết có thể kết hợp I/O tiêu chuẩn với I/O đồng bộ tốc độ cao. I/O kỹ thuật số tiêu chuẩn cung cấp 16 kết nối trên mỗi thiết bị, với các tùy chọn bao gồm:
- Bốn cảm biến 3 dây có nguồn điện
- Tám đầu vào tiếp điểm 2 dây hoặc đầu ra bộ truyền động
- Mười sáu kết nối 1 dây cho cảm biến và bộ truyền động được kết nối với nguồn điện chung
PDS cấp 2 trở lên
Giao tiếp cấp cao-tăng cường hoạt động tại hiện trường nhưng lại cần thiết để tối đa hóa hiệu quả và năng suất của tổ chức. Từ Cấp 2 đến Cấp 3 và 4, đám mây yêu cầu các giao thức như Ethernet/IP, EtherCAT và Modbus TCP/IP.
Các thiết bị được sử dụng để thiết lập các kết nối này bao gồm Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) hoặc Máy tính cá nhân công nghiệp (IPC). PLC là máy tính được tối ưu hóa cho tự động hóa và điều khiển công nghiệp. Trong các ứng dụng thông thường, PLC giám sát đầu vào từ máy và các cảm biến liên quan, đưa ra quyết định dựa trên chương trình của nó và gửi đầu ra điều khiển.
Mặc dù IPC có thể thực hiện các chức năng-giống như PLC nhưng chúng là những thiết bị có-có mục đích chung hơn. Chạy các hệ điều hành như Linux hoặc Windows, chúng truy cập vào nhiều công cụ phần mềm hơn và thường kết nối với HMI (mặc dù nhiều PLC cũng kết nối với HMI). PLC có xu hướng lấy máy- làm trung tâm, trong khi IPC cung cấp nhiều khả năng hoạt động hơn.
Sự khác biệt giữa PLC và IPC ngày càng mờ nhạt. Ví dụ: PLC Phoenix Contact [1069208] chạy hệ điều hành Linux. Giống như PLC truyền thống, nó có thể được lập trình bằng Sơ đồ ký hiệu (SFC), Sơ đồ bậc thang (LD), Sơ đồ khối chức năng (FBD) và Văn bản có cấu trúc (ST). Nó bao gồm ba giao diện Ethernet độc lập và có thể kết nối với PROFICLOUD.
Schneider Electric cung cấp IIoT Edge Box [HMIBMIEA5DD1E01] cho các ứng dụng được hưởng lợi từ khả năng IPC. Thiết kế không quạt này kết hợp bộ xử lý Intel Atom Apollo Lake E3930 lõi kép hoạt động ở tốc độ 1,8 GHz. Nó có một khe cắm mở rộng PCIe mini và chín cổng giao tiếp.
Phần kết luận
Bài viết này phác thảo ngắn gọn một số hướng dẫn mà các nhà thiết kế nên xem xét khi chỉ định động cơ, bộ truyền động và mô-đun giao tiếp cho quá trình cài đặt Công nghiệp 4.0. Nó còn lâu mới đầy đủ. Mục đích của nó là cung cấp thông tin để suy nghĩ và một số tài nguyên để nghiên cứu sâu hơn.