選擇工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備時(shí)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(jī)、驅(qū)動(dòng)器和通信模塊等工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的最佳選擇需要仔細(xì)關(guān)注細(xì)節(jié)。例如，北美國(guó)家電氣制造商協(xié)會(huì) (NEMA) 和歐洲國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 在電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器額定值方面存在許多差異。

選擇電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和控制器時(shí)，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(dòng)占空比、快速或扭矩響應(yīng)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(shè)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(yùn)動(dòng)、安全、I/O 和視覺。

工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的最高層通常使用以太網(wǎng)/IP來連接各種自動(dòng)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(jī)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(chǎng)層連接到操作和控制層。

細(xì)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(jī)、驅(qū)動(dòng)器和通信模塊時(shí)需要考慮的幾個(gè)指南，以及來自[西門子]、[菲尼克斯電氣]、[歐姆龍自動(dòng)化]、松下[工業(yè)]和[施耐德電氣的]應(yīng)用、硬件和協(xié)議示例。

轉(zhuǎn)移焦點(diǎn)

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

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

當(dāng)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到整體系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)，真正的游戲規(guī)則改變者就會(huì)出現(xiàn)?？紤]到所有機(jī)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(yùn)營(yíng)和工廠級(jí)別，最終到企業(yè)級(jí)別以及云，可以節(jié)省高達(dá) 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(jī)系統(tǒng)的生態(tài)設(shè)計(jì)

IEC 61800-9 第 2 部分“電機(jī)系統(tǒng)的生態(tài)設(shè)計(jì) - 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(jī)效率，而是詳細(xì)介紹了“電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”的一系列更高級(jí)別的性能因素。 VFD 被視為完整的驅(qū)動(dòng)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(dòng)模塊”(BDM) 以及包括輸入和輸出濾波器、線路的“輔助設(shè)備”。扼流圈和其他支撐部件。

該標(biāo)準(zhǔn)還將動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (PDS) 定義為 CDM 加電機(jī)。接下來，該標(biāo)準(zhǔn)將電機(jī)系統(tǒng)描述為 PDS 加上接觸器等電機(jī)控制設(shè)備。

最高級(jí)別是擴(kuò)展產(chǎn)品，或圖 1 中的整體系統(tǒng)，它添加了機(jī)械驅(qū)動(dòng)設(shè)備，如變速箱和負(fù)載機(jī)。如需更詳細(xì)地了解 IEC 61800-9-2 PDS 效率標(biāo)準(zhǔn)，請(qǐng)查看文章“[可調(diào)速工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有哪些不同類型？”]”

指定“電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”的起點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)。

電機(jī)問題

如果正確指定和使用，電動(dòng)機(jī)可以成為高效的機(jī)器。這使得指定電機(jī)成為機(jī)器設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)重要任務(wù)。

IEC 以千瓦 (kW) 為單位量化電機(jī)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(jì)算，對(duì)于相同電機(jī)設(shè)計(jì)，IEC 銘牌效率可能略高于 NEMA 額定值。

實(shí)際電機(jī)效率與特定用例密切相關(guān)。因此，電機(jī)效率標(biāo)準(zhǔn)通常是根據(jù)能量損失的減少而不是絕對(duì)效率來討論的。

IEC 60034-30-1 認(rèn)可五個(gè)電機(jī)效率等級(jí)，從 IE1 到 IE5。不同班級(jí)之間的能量損失下降 20%。這意味著 IE5“Ultra Premium”電機(jī)的損耗比 IE4“Super Premium”電機(jī)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(jī)的功率因數(shù) (PF) 會(huì)下降。

在北美，NEMA 的能效等級(jí)較少，但這同樣重要。 NEMA 認(rèn)可 IEC 標(biāo)準(zhǔn)中未包含的電機(jī)服務(wù)系數(shù) (SF)。 SF 為 1.15 的 NEMA 電機(jī)可以以其額定容量的 115% 連續(xù)運(yùn)行，盡管電機(jī)運(yùn)行溫度更高，這會(huì)導(dǎo)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(dòng)的使用等考慮因素，而不是 SF 來識(shí)別十種工作類型或服務(wù)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?jǐn)?shù)表示。 NEMA 可識(shí)別一系列電機(jī)電壓和頻率。 IEC 識(shí)別兩個(gè)“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(jī)驅(qū)動(dòng)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(jìn)行分類，例如電機(jī)電壓、功率水平、運(yùn)動(dòng)類型、支持的應(yīng)用程序等。運(yùn)動(dòng)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(jìn)一步分為低性能、中性能和高性能。

不同類型的驅(qū)動(dòng)器支持不同的系統(tǒng)需求。當(dāng)機(jī)器人等應(yīng)用需要快速加速、減速和精確定位時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)非常適合。軟啟動(dòng)器適用于連續(xù)運(yùn)行，例如受益于平穩(wěn)啟動(dòng)和減速的輸送機(jī)。 VFD 廣泛用于各種工業(yè)機(jī)器。

一些 VFD 產(chǎn)品系列針對(duì)泵送、通風(fēng)、壓縮、移動(dòng)或加工等操作進(jìn)行了優(yōu)化。西門子 SINAMICS G120 系列通用驅(qū)動(dòng)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(yīng)用。

型號(hào)[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(jī)指定為 400 V 運(yùn)行，在北美，額定功率為 30 至 40 hp 的電機(jī)為 480 V（圖 3）。

圖 3：該 VFD 可與額定功率為 22 至 30 kW 的電機(jī)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(shè)計(jì)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(jī)和驅(qū)動(dòng)器位于工廠車間的第 1 層或現(xiàn)場(chǎng)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(jí)的傳感器和執(zhí)行器等功能。此外，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)之上還有多個(gè)級(jí)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(shí)、高效的通信是必要的。使用如下協(xié)議來促進(jìn)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(jí)不僅僅是驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)總線主單元 (FMU) 可以促進(jìn)通信并簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)器和其他設(shè)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(shí)現(xiàn)獨(dú)立于制造商的連接。

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

傳感器、執(zhí)行器和安全等級(jí)為 0 級(jí)

要提高 VFD 的 PDS 節(jié)能收益，需要將連接性降低到 0 級(jí)。在 0 級(jí)集成傳感器、執(zhí)行器和光幕等安全設(shè)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(jí)功能的常見協(xié)議包括 DeviceNet、HART、Modbus 和 IO-Link。 IO-Link 是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議，可將傳感器和執(zhí)行器連接到更高級(jí)別的控制裝置。它可作為有線或無線標(biāo)準(zhǔn)使用，并作為一種經(jīng)濟(jì)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(biāo)準(zhǔn) I/O 與高速同步 I/O 混合在一起。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 I/O 每個(gè)單元有 16 個(gè)連接，可供選擇：

• 四個(gè) 3 線傳感器與電源連接
• 八個(gè) 2 線觸點(diǎn)輸入或執(zhí)行器輸出
• 十六個(gè) 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(jí)及以上

高層溝通有助于改善現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)，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(jí)到 3、4 級(jí)，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(shè)備包括可編程邏輯控制器 (PLC) 或工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī) (IPC)。 PLC 是針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化和控制而優(yōu)化的計(jì)算機(jī)。在典型應(yīng)用中，PLC 監(jiān)視來自機(jī)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(shè)備。它們運(yùn)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(jī)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(yùn)行 Linux 操作系統(tǒng)。與傳統(tǒng)PLC一樣，它可以用符號(hào)流程圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能塊圖（FBD）和結(jié)構(gòu)化文本（ST）進(jìn)行編程。它包括三個(gè)獨(dú)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(yīng)用提供[HMIBMIEA5DD1E01] IIoT Edge Box。這種無風(fēng)扇設(shè)計(jì)包括運(yùn)行頻率為 1.8 GHz 的 Intel Atom Apollo Lake E3930 雙核處理器。它具有一個(gè) mini PCIe 擴(kuò)展插槽和九個(gè)通信端口。

結(jié)論

本文簡(jiǎn)要概述了設(shè)計(jì)人員在為工業(yè) 4.0 安裝指定電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和通信模塊時(shí)應(yīng)考慮的一些指南。這遠(yuǎn)非詳盡無遺。其目的是為進(jìn)一步研究提供思考和一些資源。

審核編輯 黃宇