如何快速設(shè)計(jì)和部署 IIoT 就緒型機(jī)器

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-08-14

快速設(shè)計(jì)和部署可直接集成到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的機(jī)器并非易事。IIoT 就緒型機(jī)器必須能為機(jī)器對(duì)機(jī)器、機(jī)器對(duì)工廠和機(jī)器對(duì)云的通信和協(xié)調(diào)提供快速調(diào)試支持。

這就需要一種全面的解決方案。此解決方案要包括一整套控制、接口和通信模塊?？蓴U(kuò)展性必不可少。還應(yīng)支持簡(jiǎn)便安裝，以實(shí)現(xiàn)快速部署。最后一點(diǎn)，其必須能夠輕松集成到多供應(yīng)商環(huán)境中，為舊式設(shè)備提供支持。

這么做的回報(bào)是，在企業(yè)組織所有層級(jí)以及機(jī)器的整個(gè)生命周期內(nèi)提高運(yùn)營(yíng)效率。

本文將回顧 [Schneider Electric] 的電機(jī)控制方案如何為設(shè)計(jì)人員提供端到端的自動(dòng)化解決方案，并介紹 Altistart 軟起動(dòng)器、Altivar 驅(qū)動(dòng)器、Modicon 以太網(wǎng)交換機(jī)和可編程邏輯控制器 (PLC)、Harmony 控制繼電器和 PowerPacT 電路斷路器的特性和優(yōu)勢(shì)。

隨后詳細(xì)說明為了支持舊式機(jī)器，TeSys island 系統(tǒng)元件如何支持全面的解決方案，并與 Rockwell Studio 5000 和 Siemens TIA Portal 環(huán)境輕松集成。最后探討了 Schneider Electric 的 EcoStruxure Machine Expert 軟件如何加快 IIoT 就緒型機(jī)器的開發(fā)、配置和調(diào)試。

運(yùn)動(dòng)是工業(yè)機(jī)器的基本特征。其實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，從泵、傳送帶和起重機(jī)等系統(tǒng)中的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)曲線，到流程和裝配操作以及機(jī)器人技術(shù)中的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)曲線。

具有簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)曲線的機(jī)器可受益于 Altistart 軟起動(dòng)器系列等軟起動(dòng)器的功能。Altistart 軟起動(dòng)器支持以下功能：

• 控制加速度，可減少機(jī)械沖擊，而機(jī)械沖擊會(huì)增加磨損，導(dǎo)致維護(hù)需求和機(jī)器停機(jī)時(shí)間增加
• 限制浪涌電流，減少能耗
• 保護(hù)電機(jī)免受啟動(dòng)時(shí)可能發(fā)生的電涌影響，延長(zhǎng)電機(jī)壽命
• 通過檢測(cè)電機(jī)堵轉(zhuǎn)、欠載或接地錯(cuò)誤等故障并向機(jī)器操作員發(fā)出警報(bào)來提高可靠性

不需要大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)型機(jī)器可以使用 ATS01 系列軟起動(dòng)器。激活 BOOST 邏輯輸入，就可以施加相當(dāng)于 100% 電機(jī)標(biāo)稱電壓的升壓并持續(xù) 200 ms，以克服系統(tǒng)內(nèi)的初始機(jī)械摩擦。此升壓過后，即開始程序設(shè)定的電壓升壓。

[ATS01N232RT]型軟起動(dòng)器可用于功率高達(dá) 15 kW (20 HP) 的三相異步電機(jī)的軟起動(dòng)和停止，加速和減速時(shí)間為 1 到 10 秒。該啟動(dòng)器針對(duì)簡(jiǎn)單的皮帶驅(qū)動(dòng)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，例如工作電壓為 440 VAC 至 480 VAC 的泵、壓縮機(jī)和風(fēng)扇。控制裝置位于前面板上，可設(shè)置起動(dòng)時(shí)間、初始電壓和停止時(shí)間，以便于安裝和調(diào)試。

對(duì)于攪拌機(jī)、破碎機(jī)和輸送機(jī)等要求更高的過程和基礎(chǔ)設(shè)施機(jī)器，設(shè)計(jì)人員可以采用 Altivar ATS480 系列軟起動(dòng)器。雖然較簡(jiǎn)單的軟啟動(dòng)器采用電壓斜坡，但 ATS480 軟啟動(dòng)器則使用較緩和的轉(zhuǎn)矩斜坡，并可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。

[ATS480C11Y] 型軟起動(dòng)器的工作電壓為 208 VAC 至 690 V AC （圖 1）。根據(jù)電機(jī)電壓的不同，可用于 22 至 90 kW（25 至 100 hp）的電機(jī)。該起動(dòng)器配備 Modbus 串行通信端口及 RJ45 連接器?？蛇x配 Profibus、PROFINET、Modbus TCP/EtherNet/IP 和 CANopen 通信卡。

圖 1：這款 Altivar 軟起動(dòng)器設(shè)計(jì)用于 22 至 90 kW 的異步電機(jī)。（圖片來源：DigiKey）

驅(qū)動(dòng)更先進(jìn)的機(jī)器

先進(jìn)機(jī)器中的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)曲線可以使用變頻驅(qū)動(dòng)器 (VFD) 來支持，例如 [Altivar 320]系列，額定功率從 0.18 到 15 kW（0.25 至 20 hp），適用于物料搬運(yùn)、包裝、紡織、起重、機(jī)械致動(dòng)器和材料加工等應(yīng)用。[ATV320U75M3C]的額定功率為 7.5 kW，工作電源電壓為 200 VAC 至 240 V AC 。

為了加快配置和調(diào)試，這些驅(qū)動(dòng)器提供 150 種功能，并提供標(biāo)準(zhǔn)配置和可定制配置。其中包括針對(duì)物料搬運(yùn)、紡織、起重和機(jī)械致動(dòng)器等應(yīng)用的專用功能。

Altivar 320 VFD 可為異步電機(jī)和永磁電機(jī)提供高性能控制，包括極低轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速精度，以及無需傳感器即可通過磁通矢量控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。用于三相同步和異步電機(jī)時(shí)，這些 VFD 具備以下特性：

• 支持高速電機(jī)
• 實(shí)現(xiàn)開環(huán)同步電機(jī)的靜態(tài)速度精度
• 靈活的系統(tǒng)集成選項(xiàng)，包括以太網(wǎng)、CANopen、Profibus、EtherCAT、DeviceNet 等
• 符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的集成安全功能
• 緊湊型和書本式驅(qū)動(dòng)器等類型的驅(qū)動(dòng)器防護(hù)等級(jí)從 IP20 到 IP66 不等，可集成到不同類型的機(jī)柜中（圖 2）

圖 2：Altivar 320 VFD 具有多種外形尺寸，可簡(jiǎn)化安裝并最大限度提高設(shè)備機(jī)柜中的空間利用率。（圖片來源：DigiKey）

高性能多軸機(jī)器

Modicon 以太網(wǎng)交換機(jī)和可編程邏輯控制器 (PLC) 可支持高性能設(shè)計(jì)，從單一獨(dú)立軸機(jī)器到要求高速精確定位和運(yùn)動(dòng)的高性能同步多軸機(jī)器，如機(jī)器人。

這些 IIoT 原生邊緣控制器可使用消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸 (MQTT)、開放平臺(tái)通信統(tǒng)一架構(gòu) (OPC UA) 服務(wù)器和客戶端以及傳輸層安全 (TLS) 加密技術(shù)直接連接到云平臺(tái)，并具有嵌入式安全和網(wǎng)絡(luò)安全功能。雙以太網(wǎng)端口可支持 Ethernet/IP 和 Modbus TCP 協(xié)議。此外，還配備了 RS232 和 RS485 端口、USB 端口和 SD 卡插槽。

TM262L 控制器可用于多種輸入/輸出裝置的邏輯控制，包括四個(gè)快速數(shù)字輸入和四個(gè)快速數(shù)字輸出。[TM262L10MESE8T]型控制器的執(zhí)行速度為每條指令 5 ns。雙核處理器可有效管理并行應(yīng)用和通信（圖 3）。

圖 3：Modicon M262 PLC 提供 IIoT 就緒型機(jī)器對(duì)云以及機(jī)器對(duì)工廠的以太網(wǎng)連接。（圖片來源：DigiKey）

Modicon M262 系列的 TM4 總線最多支持 3 個(gè)通信擴(kuò)展模塊。Profibus DP ([TM4PDPS1]) 和以太網(wǎng) ([TM4ES4]) 擴(kuò)展模塊可以多種組合方式使用，最多可使用三個(gè)模塊。

防范異常

有時(shí)，必須保護(hù)機(jī)器（包括 IIoT 就緒型機(jī)器），使其免受異常條件的影響。這正是 [Harmony 控制繼電器]的用武之處。這些器件們可以監(jiān)控電氣和機(jī)械狀況，并識(shí)別與電流、電壓、相位、頻率、速度、溫度、泵控制，甚至液位有關(guān)的異常。

在泵送、水處理、升降機(jī)、包裝系統(tǒng)和紡織機(jī)械等應(yīng)用中，快速準(zhǔn)確地識(shí)別異常條件可以延長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間，減少計(jì)劃外維護(hù)的需求。Harmony 控制繼電器提供廣泛的功能，可滿足特定應(yīng)用需求。

[RMNF22TB30] 型三相繼電器集成了近場(chǎng)通信 (NFC) 功能。其可監(jiān)控七個(gè)參數(shù)：缺相、相序、不對(duì)稱、欠壓、過壓、欠頻和過頻。利用 NFC 應(yīng)用程序，設(shè)計(jì)人員可以使用 AND、OR 和 NOT 邏輯為兩個(gè)可單獨(dú)配置的繼電器輸出構(gòu)建自定義監(jiān)控組合。

對(duì)于只需要過壓監(jiān)控的簡(jiǎn)單機(jī)器，設(shè)計(jì)人員可以使用 [RM22UA21MR]（圖 4）。這款單相控制繼電器具有可選的記憶功能，內(nèi)置 LED 指示燈可顯示控制狀態(tài)。螺旋微調(diào)器可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單精確的閾值設(shè)置，并提供自動(dòng)關(guān)機(jī)管理和故障信息，支持快速故障識(shí)別和排除。

圖 4：開關(guān)容量為 2 kVA 的單相過壓控制繼電器。（圖片來源：DigiKey）

基本保護(hù)

若應(yīng)用可從更基本的保護(hù)受益，則可以選擇采用額定電流為 15 至 125 A 的 PowerPacT 斷路器，其中有單極、雙極、三極和四極可供選擇。這些熱磁斷路器具有正極觸點(diǎn)指示，并能提供符合 IEC/EN60947-1 和 IEC/EN60947-2“低壓開關(guān)設(shè)備和控制裝置”標(biāo)準(zhǔn)的隔離。

[BDF16020]型為 20 A 單極裝置，額定工作電壓為 240 VAC 50/60 Hz，符合 UL 489 標(biāo)準(zhǔn)。其連續(xù)額定電流為最大額定電流的 80%，根據(jù) IEC 60947-2 標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到“服務(wù)分?jǐn)唷钡燃?jí)（圖 5）。VisiTrip LED 讀出器可讓您更容易地看到外殼或面板中哪個(gè)斷路器跳閘。其還有一個(gè)二維碼，可用于獲取信息，包括說明手冊(cè)、部件號(hào)和 CAD 圖紙。

圖 5：這類斷路器提供正極觸點(diǎn)指示，符合 IEC/EN60947 規(guī)定的隔離要求。（圖片來源：DigiKey）

集成現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)點(diǎn)

TeSys 是一種數(shù)字 IIoT 連接負(fù)載管理解決方案，可在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)一個(gè)集成節(jié)點(diǎn)，其中包括實(shí)施 IIoT 就緒型機(jī)器所需的模塊。此解決方案依托多功能器件和虛擬用戶，適用于負(fù)載高達(dá) 80 A 的工業(yè)應(yīng)用，可縮短設(shè)計(jì)、布線和調(diào)試時(shí)間。

像 [TPRBCEIP]之類的總線耦合器是核心模塊，通過帶狀電纜與 TeSys island 模塊進(jìn)行內(nèi)部通信。該模塊也是 TeSys island 與使用 EtherNet/IP 或 Modbus TCP 通信的外部自動(dòng)化系統(tǒng)之間的連接點(diǎn)。一個(gè)嵌入式 Web 服務(wù)器提供診斷和維護(hù)支持。其中包括一個(gè)以太網(wǎng) RJ45 服務(wù)端口、微型 SD 卡端口和一個(gè)用于連接 island 內(nèi)各個(gè)模塊的內(nèi)部總線端口。典型配置包括（圖 6）：

1. 總線耦合器
2. 模擬輸入/輸出模塊
3. 數(shù)字輸入/輸出模塊
4. 電壓接口模塊
5. 標(biāo)準(zhǔn)起動(dòng)器
6. 安全完整性等級(jí) (SIL) 起動(dòng)器
7. SIL 接口模塊
8. 電源接口模塊

圖 6：TeSys island 中的組合單元在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)單一節(jié)點(diǎn)。（圖片來源：Schneider Electric）

典型的 TeSys island 模塊包括：

• [LC1DT406BL]40 A、四極常開 TeSys Deca 接觸器，符合 IEC60335-1 標(biāo)準(zhǔn)，適用于工業(yè)和 HVAC 系統(tǒng)
• [LC1G115EHEN] 150 A（440 VAC 時(shí)功率 75 kW）、三極常開 TeSys Giga 接觸器，設(shè)計(jì)用于要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合，工作頻率高達(dá) 600 次/小時(shí)，工作溫度高達(dá) +60°C
• [TPRDG4X2] 數(shù)字 I/O 模塊，有四個(gè)數(shù)字輸入和兩個(gè)數(shù)字輸出，可管理高達(dá) 65 A（37 kW，40 hp）的電機(jī)和其他電氣負(fù)載。所有調(diào)節(jié)和設(shè)置均實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，沒有機(jī)械式刻度盤或 DIP 開關(guān)
• [TeSys island 通信電機(jī)起動(dòng)器]，額定功率高達(dá) 40 hp（480 V 下 80 A）。這些 SIL 起動(dòng)器符合 IEC 61508、IEC 62061 和 ISO 13849-1 的要求，支持 PL d 和 SIL 2。

TeSys island 還支持綜合解決方案，并可與 Rockwell Studio 5000 和 Siemens TIA 門戶環(huán)境輕松集成，以支持舊式機(jī)器。

全部整合在一起

當(dāng)需要制造完整的機(jī)器時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用 EcoStruxure Machine Expert。該軟件解決方案支持 IIoT 就緒型機(jī)器的開發(fā)、配置、調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)。

EcoStruxure Machine Expert 可以處理所有最新的 IIoT 機(jī)器構(gòu)建模塊，包括 Modicon 的 M262 PLC 和 TeSys Island 數(shù)字負(fù)載管理系統(tǒng)。其旨在提供針對(duì)安全性、可靠性、效率、連接性和可持續(xù)性進(jìn)行了優(yōu)化的機(jī)器。該解決方案將 IIoT 與移動(dòng)性、傳感、云平臺(tái)、分析和網(wǎng)絡(luò)安全解決方案相結(jié)合，來完成這項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。

結(jié)語(yǔ)

IIoT 就緒型機(jī)器是工業(yè) 4.0 運(yùn)營(yíng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)、調(diào)試和集成這些機(jī)器是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。Schneider Electric 為機(jī)器設(shè)計(jì)人員提供了一整套適用于 IIoT 就緒型機(jī)器的器件和軟件工具，可在組織的各個(gè)層級(jí)和機(jī)器的整個(gè)生命周期內(nèi)提高運(yùn)營(yíng)效率。

審核編輯 黃宇