選擇工業(yè)自動化設備時有哪些關(guān)鍵考慮因素？

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-08-28

電機、驅(qū)動器和通信模塊等工業(yè)自動化設備的最佳選擇需要仔細關(guān)注細節(jié)。例如，北美國家電氣制造商協(xié)會 (NEMA) 和歐洲國際電工委員會 (IEC) 在電機和驅(qū)動器額定值方面存在許多差異。

選擇電機、驅(qū)動器和控制器時，需要考慮的一些因素包括輸入和輸出電壓和容差、所需的速度范圍和調(diào)節(jié)需求、扭矩要求、加速度、制動占空比、快速或扭矩響應等特殊需求以及環(huán)境因素，包括熱管理。

通信需求根據(jù)設備在工業(yè)控制層次結(jié)構(gòu)中的位置而有所不同。在最接近工廠車間邊緣的層面，IO-Link 等協(xié)議可用于智能傳感器和執(zhí)行器，而 EtherCAT、PROFINET、Modbus 和其他協(xié)議可連接運動、安全、I/O 和視覺。

工廠自動化網(wǎng)絡的最高層通常使用以太網(wǎng)/IP來連接各種自動化控制器、編程接口和云，以及使用像DisplayPort這樣的協(xié)議來連接人機界面（HMI）。在這兩者之間，以太網(wǎng)/IP、EtherCAT 和其他協(xié)議的組合可以將工廠車間的現(xiàn)場層連接到操作和控制層。

細節(jié)太多，無法通過一次討論來全面闡述。相反，本文提出了在指定電機、驅(qū)動器和通信模塊時需要考慮的幾個指南，以及來自[西門子]、[菲尼克斯電氣]、[歐姆龍自動化]、松下[工業(yè)]和[施耐德電氣的]應用、硬件和協(xié)議示例。

轉(zhuǎn)移焦點

電機和驅(qū)動器是許多工業(yè)自動化系統(tǒng)的共同點。作為本次討論的起點，了解電機效率在工業(yè)自動化系統(tǒng)性能的更廣泛考慮中的位置以及焦點如何轉(zhuǎn)移是有幫助的。

使用效率更高的電機可節(jié)省高達 6% 的能源。那挺好的。然而，添加高效驅(qū)動器和支持組件可以節(jié)省高達 30% 的能源。

當重點轉(zhuǎn)移到整體系統(tǒng)優(yōu)化時，真正的游戲規(guī)則改變者就會出現(xiàn)?？紤]到所有機械組件并添加通信以與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 相結(jié)合，包括運營和工廠級別，最終到企業(yè)級別以及云，可以節(jié)省高達 60% 的能源以及更高的能耗生產(chǎn)力（圖 1）。

圖 1：集成和通信水平的提高可節(jié)省更多能源并提高生產(chǎn)率。 （圖片來源：西門子）

電機系統(tǒng)的生態(tài)設計

IEC 61800-9 第 2 部分“電機系統(tǒng)的生態(tài)設計 - 能效確定和分類”可以成為關(guān)鍵資源。它不是僅僅關(guān)注電機效率，而是詳細介紹了“電機驅(qū)動系統(tǒng)”的一系列更高級別的性能因素。 VFD 被視為完整的驅(qū)動模塊 (CDM)，其中包括交流輸入“饋電部分”、像 VFD 這樣的“基本驅(qū)動模塊”(BDM) 以及包括輸入和輸出濾波器、線路的“輔助設備”。扼流圈和其他支撐部件。

該標準還將動力驅(qū)動系統(tǒng) (PDS) 定義為 CDM 加電機。接下來，該標準將電機系統(tǒng)描述為 PDS 加上接觸器等電機控制設備。

最高級別是擴展產(chǎn)品，或圖 1 中的整體系統(tǒng)，它添加了機械驅(qū)動設備，如變速箱和負載機。如需更詳細地了解 IEC 61800-9-2 PDS 效率標準，請查看文章“[可調(diào)速工業(yè)電機驅(qū)動器有哪些不同類型？”]”

指定“電動機驅(qū)動系統(tǒng)”的起點是電動機。

電機問題

如果正確指定和使用，電動機可以成為高效的機器。這使得指定電機成為機器設計人員的一項重要任務。

IEC 以千瓦 (kW) 為單位量化電機功率，而 NEMA 使用馬力 (hp)，很容易等同。然而，IEC 和 NEMA 使用不同的效率計算，對于相同電機設計，IEC 銘牌效率可能略高于 NEMA 額定值。

實際電機效率與特定用例密切相關(guān)。因此，電機效率標準通常是根據(jù)能量損失的減少而不是絕對效率來討論的。

IEC 60034-30-1 認可五個電機效率等級，從 IE1 到 IE5。不同班級之間的能量損失下降 20%。這意味著 IE5“Ultra Premium”電機的損耗比 IE4“Super Premium”電機低 20%。還有更多需要考慮的事情。在某些情況下，效率較高的電機的功率因數(shù) (PF) 會下降。

在北美，NEMA 的能效等級較少，但這同樣重要。 NEMA 認可 IEC 標準中未包含的電機服務系數(shù) (SF)。 SF 為 1.15 的 NEMA 電機可以以其額定容量的 115% 連續(xù)運行，盡管電機運行溫度更高，這會導致軸承和絕緣壽命縮短。

IEC 根據(jù)連續(xù)操作與間歇操作、速度變化和制動的使用等考慮因素，而不是 SF 來識別十種工作類型或服務系數(shù)（S1 至 S10）。

NEMA 和 IEC 的工作電壓和頻率范圍有所不同，但均以“每單位”(pu) 數(shù)量表示。在 pu 系統(tǒng)中，數(shù)量以基值的分數(shù)表示。 NEMA 可識別一系列電機電壓和頻率。 IEC 識別兩個“區(qū)域”（圖 2）。

圖 2：NEMA 和 IEC 工業(yè)交流電壓和頻率范圍的比較。 （圖片來源：NEMA）

提高 PDS 效率

電機驅(qū)動器是 IEC 61800-9-2 中定義的 PDS 效率的關(guān)鍵要素。它們可以通過多種方式進行分類，例如電機電壓、功率水平、運動類型、支持的應用程序等。運動類型可以分為連續(xù)或不連續(xù)。根據(jù)所需的最大功率輸出，它們可以進一步分為低性能、中性能和高性能。

不同類型的驅(qū)動器支持不同的系統(tǒng)需求。當機器人等應用需要快速加速、減速和精確定位時，伺服驅(qū)動器和電機非常適合。軟啟動器適用于連續(xù)運行，例如受益于平穩(wěn)啟動和減速的輸送機。 VFD 廣泛用于各種工業(yè)機器。

一些 VFD 產(chǎn)品系列針對泵送、通風、壓縮、移動或加工等操作進行了優(yōu)化。西門子 SINAMICS G120 系列通用驅(qū)動器的額定功率為 0.55 至 250 kW（0.75 至 400 hp），適用于汽車、紡織和包裝行業(yè)的一般工業(yè)應用。

型號[6SL32203YE340UF0]使用三相電源，工作電壓范圍為 380 至 480 Vac +10 % / -20 %。在歐洲，其額定功率為 22 至 30 kW 的電機指定為 400 V 運行，在北美，額定功率為 30 至 40 hp 的電機為 480 V（圖 3）。

圖 3：該 VFD 可與額定功率為 22 至 30 kW 的電機一起使用，具體取決于工作電壓。 （圖片來源：DigiKey）

VFD 并不是高效 PDS 設計的唯一關(guān)鍵。文章“[需要哪些支持產(chǎn)品才能最大限度地發(fā)揮使用 VFD 和 VSD 的影響？” - 第 1 部分]”回顧了一些必需的支持組件。

通訊和系統(tǒng)優(yōu)化

雖然電機和驅(qū)動器位于工廠車間的第 1 層或現(xiàn)場層，但它們并不是工業(yè) 4.0 通信層次結(jié)構(gòu)的最低層。該位置屬于 0 級的傳感器和執(zhí)行器等功能。此外，現(xiàn)場級之上還有多個級別。為了最大限度地提高工業(yè) 4.0 工廠的整體效率、生產(chǎn)力和可持續(xù)性，從通信層次結(jié)構(gòu)到云端的及時、高效的通信是必要的。使用如下協(xié)議來促進云連接：

• uOPC PubSub Bridge 整合了多種操作技術(shù) (OT) 數(shù)據(jù)流。
• MOTT BRoker 接收消息并根據(jù)消息主題轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。

1 級不僅僅是驅(qū)動器和電機?，F(xiàn)場總線主單元 (FMU) 可以促進通信并簡化驅(qū)動器和其他設備的集成。 FMU 可用于各種協(xié)議，包括 PROFINET、PROFIBUS、DeviceNet、CANopen 等。使用 FMU 可以實現(xiàn)獨立于制造商的連接。

[Panasonic 的AFP7NPFNM]型號是 PROFINET FMU。它配備了編程軟件的集成函數(shù)庫，大大減少了開發(fā)特定應用解決方案所需的時間。

傳感器、執(zhí)行器和安全等級為 0 級

要提高 VFD 的 PDS 節(jié)能收益，需要將連接性降低到 0 級。在 0 級集成傳感器、執(zhí)行器和光幕等安全設備可以顯著提高效率，并將節(jié)能效果提高到 30% 以上。

用于連接 0 級功能的常見協(xié)議包括 DeviceNet、HART、Modbus 和 IO-Link。 IO-Link 是一種點對點協(xié)議，可將傳感器和執(zhí)行器連接到更高級別的控制裝置。它可作為有線或無線標準使用，并作為一種經(jīng)濟高效的替代方案越來越多地部署在工業(yè) 4.0 中。

[Omron 的NX-ILM400] IO-Link 主站單元可以將標準 I/O 與高速同步 I/O 混合在一起。標準數(shù)字 I/O 每個單元有 16 個連接，可供選擇：

• 四個 3 線傳感器與電源連接
• 八個 2 線觸點輸入或執(zhí)行器輸出
• 十六個 1 線連接，用于連接到公共電源的傳感器和執(zhí)行器

PDS 2 級及以上

高層溝通有助于改善現(xiàn)場運營，但為了最大限度地提高組織效率和生產(chǎn)力，高層溝通是必需的。從 2 級到 3、4 級，云需要以太網(wǎng)/IP、EtherCAT 和 Modbus TCP/IP 等協(xié)議。

用于建立這些連接的設備包括可編程邏輯控制器 (PLC) 或工業(yè)個人計算機 (IPC)。 PLC 是針對工業(yè)自動化和控制而優(yōu)化的計算機。在典型應用中，PLC 監(jiān)視來自機器和相關(guān)傳感器的輸入，根據(jù)其編程做出決策，并發(fā)送控制輸出。

雖然 IPC 可以執(zhí)行類似 PLC 的功能，但它們是更通用的設備。它們運行 Linux 或 Windows 等操作系統(tǒng)，使它們能夠訪問一系列軟件工具，并且通常連接到 HMI（許多 PLC 也可以連接到 HMI）。 PLC傾向于以機器為中心，而IPC則具有更多操作功能。

PLC 和IPC 之間的區(qū)別越來越模糊。例如， Phoenix Contact 的[1069208]PLC 運行 Linux 操作系統(tǒng)。與傳統(tǒng)PLC一樣，它可以用符號流程圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能塊圖（FBD）和結(jié)構(gòu)化文本（ST）進行編程。它包括三個獨立的以太網(wǎng)接口，可以連接到PROFICLOUD。

施耐德電氣為可受益于 IPC 的應用提供[HMIBMIEA5DD1E01] IIoT Edge Box。這種無風扇設計包括運行頻率為 1.8 GHz 的 Intel Atom Apollo Lake E3930 雙核處理器。它具有一個 mini PCIe 擴展插槽和九個通信端口。

結(jié)論

本文簡要概述了設計人員在為工業(yè) 4.0 安裝指定電機、驅(qū)動器和通信模塊時應考慮的一些指南。這遠非詳盡無遺。其目的是為進一步研究提供思考和一些資源。

審核編輯 黃宇