Miten teollisuuden moottorikäyttöjen ketterä ja helppo käyttöönotto voi parantaa kestävyyttä ja tuottavuutta.

Ketterät prosessit ovat Teollisuus 4.0 -tehtaiden ja -logistiikkatoimintojen tunnusmerkki. On paljon erilaisia sovelluksia, jotka vaativat sellaisia moottoreita ja taajuusmuuttajia (VSD), joiden teholuokitusalue on 0,12–30 kW (0,16–40 hv).

Näissä sovelluksissa käytettävien taajuusmuuttajien täytyy olla helppoja asentaa ja luokiteltuja toimintalämpötila-alueelle −10 ... +60 °C. Suuremmissa taajuusmuuttajissa tarvitaan integroidut jarruhakkurit, ja jotkin sovellukset edellyttävät EMC (electromagnetic compatibility) -standardin EN 61800-3 luokan C1 noudattamista. Taajuusmuuttajien on oltava helppokäyttöisiä, niiden on toimittava laajoilla verkkojännitealueilla ja mukauduttava automaattisesti epävakaisiin verkkojännitteisiin keskeytymättömän toiminnan varmistamiseksi.

Monissa sovelluksissa automatisoidaan yksinkertaisia liikesarjoja eivätkä ne vaadi ohjelmoitavia logiikkaohjaimia, vaan ne voidaan ottaa käyttöön esiohjelmoitujen makrojen tai yksinkertaisten laitteiden, kuten parametrilataajien, peruskäyttöpaneelien (BOP) tai Smart Access -moduulien avulla.

Lisäksi näiden taajuusmuuttajien tulee olla taloudellisia käyttää ja niiden tulee tarjota integroituja energiansäästötoimintoja, kuten automaattinen vuon vähennys ennalta määritellyissä käyttöolosuhteissa sekä mahdollisuus reaaliaikaisen energiankulutuksen valvontaan ja näyttöön.

Tämä artikkeli alkaa yleiskatsauksella Siemensin SINAMICS V20 -taajuusmuuttajaperheeseen ja ominaisuuksiin, joilla ne voivat parantaa kestävyyttä ja tuottavuutta. Se käsittelee sen jälkeen sitä, miten esiohjelmoidut makrot ja sellaiset laitteet kuten parametrilataajat, BOP-paneelit tai Smart Access -moduulit, voivat tukea ketterää käyttöönottoa, tehokasta käyttöä ja jatkuvaa kunnossapitoa.

SINAMICS V20 -taajuusmuuttajia voidaan käyttää suoraan ilman lisämoduuleja tai ulkoisia ohjaimia. Integroitu BOP-paneeli tukee paikan päällä suoritettavaa käyttöönottoa. Lisäksi Siemensin ohjelmoitavat SIMATIC-logiikkaohjaimet (PLC) voidaan yhdistää yleisen sarjaliitännän kautta haluttaessa ohjata kompleksisia toimintoja. Modbus-rajapinta mahdollistaa liitännän kolmannen osapuolen PLC- ja muihin laitteisiin.

Jarrutusvastus voidaan kytkeä suoraan jarruhakkuriin laitteissa, joiden teholuokitus ylittää 10 hv, ja jotkin malleista täyttävät EN 61800-3 -standardin EMC-luokan C1 vaatimukset. SINAMICS V20 -taajuusmuuttajien käyttölämpötilaluokitus on −10...+60 °C ja niitä on saatavana teholuokituksilla 0,12–30 kW. Esimerkkeihin kuuluvat (kuva 1):

• Malli 6SL32105BB175UV1, teholuokitus 0,75 kW, toimii 230 V_AC:n yksivaihevirralla
• Malli 6SL32105BB230UV1, teholuokitus 3 kW, toimii myös 230 V_AC:n yksivaihevirralla
• Malli 6SL32105BE322CV0, teholuokitus 22 kW, toimii 400 V_AC:n kolmivaihevirralla

Kuva 1: Esimerkkejä SINAMICS V20 -taajuusmuuttajista, 0,75 kW (vasemmalla) ja 22 kW (oikealla) (ei mittakaavassa). (Kuvan lähde: DigiKey)

SINAMICS-taajuusmuuttajien integroituihin ohjaustiloihin kuuluvat voltteja per hertsi (V/f) -skalaariohjaus, ohjelmoitava V/f-monipisteohjaus, V²/f-ohjaus, joka sovittaa vuon automaattisesti energian säästämiseksi, ja vuovirran ohjaus (FCC), joka mukauttaa taajuusmuuttajan tehon automaattisesti kuorman mukaan.

Keep Running -tila säätää automaattisesti epävakaata verkkovirtaa (kuva 2). Tässä tilassa verkkojännitteen vaihtelut kompensoidaan sisäisesti, moottorin nopeutta lasketaan automaattisesti suunnittelemattoman pysäytyksen estämiseksi ja tarvittaessa lähetetään virheilmoitus. Tämä voi olla erityisen hyödyllistä rakennusautomaatiosovelluksissa, kuten veden tai jäteveden käsittelylaitosten pumpuissa ja tuulettimissa sekä lämmitys-, ilmanvaihto- ja ilmastointijärjestelmissä (LVI).

Kuva 2: SINAMICS V20 Keep Running -tila tukee moottorin jatkuvaa toimintaa silloinkin kun verkkovirrassa esiintyy häiriöitä. (Kuvan lähde: Siemens)

Hyötysuhteen maksimointi

Hyötysuhdetta voidaan parantaa sovelluksesta riippuen säätämällä moottorin nopeus sopivaksi kuhunkin prosessiin. Esimerkiksi pumppujen kaltaisissa turbokoneissa vaihtuvanopeuksisella käytöllä voidaan säästää jopa 60 % energiaa kiinteänopeuksiseen käyttöön verrattuna.

SINAMICS V20 -taajuusmuuttajissa on integroitu energiaoptimoitu ohjaustila (ECO), joka parantaa hyötysuhdetta. ECO-tilassa moottorin vuota ohjataan automaattisesti optimaalisen toimintapisteen mukaan.

Nämä taajuusmuuttajat voidaan asettaa horrostilaan, joka sammuttaa moottorin mutta ylläpitää taajuusmuuttajan senhetkistä tilaa. Horrostila vähentää merkittävästi energiankulutusta ja pitää taajuusmuuttajan valmiustilassa, jotta se voidaan käynnistää tarvittaessa välittömästi uudelleen.

Integroitujen porrastus- ja energian tasapainotustoimintojen käyttäminen voi parantaa energiahyötysuhdetta entisestään:

Porrastusta voidaan käyttää korkeatehoisissa pumppu-, tuuletin- ja kompressorisovelluksissa, joissa käytetään useita moottoreita. Vaiheiden kytkentä ja irrotus osittain tai kokonaan ohjatuilla tehokaskadeilla voi lisätä järjestelmän kokonaishyötysuhdetta heikentämättä sen suorituskykyä.

Energian tasapainotus kytkettyjen taajuusmuuttajien avulla mahdollistaa energian vaihdon yhteisen DC-linkin kautta. Tämä invertterien välinen suora energianvaihto voi minimoida järjestelmän kokonaistehohäviöt ja parantaa hyötysuhdetta.

SINAMICS-taajuusmuuttajien BOP-paneeli voi näyttää reaaliaikaisen energiankulutuksen. Energiansäästölaskuri voi laskea koneen käytön aikaisen energiankulutuksen verrattuna kiinteänopeuksiseen käyttöön, jolloin käyttäjät voivat hienosäätää prosesseja ja parantaa säästöjä ja kestävyyttä entisestään.

Kestävyyden parantaminen

Siemens on julkaissut SINAMICS V20 -ympäristötuoteselosteen (EPD), joka sisältää elinkaarivaikutusten arvioinnin (LCIA) kansainvälisen standardisoimisjärjestön (ISO) standardin 14021 Ympäristömerkit ja ympäristöselosteet. Omaehtoiset ympäristöväittämät (tyypin II ympäristöselosteet) mukaisesti.

Tämä LCIA-arviointi perustui malliin 6SL3210-5BE21-5UV0, jonka teholuokitus on 1,5 kW kolmivaiheisella verkkovirralla 380 V_AC–480 V_AC. Se tarkastelee SINAMICS V20 -taajuusmuuttajien valmistuksen, jakelun, käytön, käytöstä poistamisen, hävittämisen ja kierrätyksen vaikutuksia. Merkittävin tekijä on taajuusmuuttajien käyttö arvioidun 15 vuoden elinkaaren ajan. Analyysi perustui 5000 käyttötuntiin vuodessa ja kolmeen toimintapisteeseen (OP):

• OP1: 20 prosenttia ajasta 100 prosentin nopeudella ja 100 prosentin vääntömomentilla
• OP2: 70 prosenttia ajasta 50 prosentin nopeudella ja 25 prosentin vääntömomentilla
• OP3: 10 prosenttia ajasta 20 prosentin nopeudella ja 25 prosentin vääntömomentilla

Taajuusmuuttajan käytön arvioitiin tuottavan 15 vuoden aikana 1059,13 kg CO₂-ekvivalenttia, kun taas valmistus tuotti vain 40,6 kg CO₂-ekvivalenttia, ja käytöstä poistaminen, hävittäminen ja kierrättäminen vastasivat kasvihuonekaasupäästöjen talteenottoa −3,6 kg Co₂-ekvivalentin verran.

Teollisuus 4.0 -toiminnoissa nopea ja joustava käyttöönotto voi olla tärkeä tekijä energiansäästöjen ja kestävyyden maksimoinnissa. Käyttäjillä on useita vaihtoehtoja SINAMICS V20 -taajuusmuuttajien käyttöönoton nopeuttamiseen ja nopeiden vaihtojen mahdollistamiseen.

Ketterä käyttöönotto makrojen avulla

Pikakäyttöönottotoiminto muuttaa samanaikaisesti neljää parametrisarjaa, joihin kuuluvat moottorin tiedot, yhteysmakrot, sovellusmakrot ja tärkeät parametrit. Moottorin tiedoissa valitaan ensin eurooppalaiset tai pohjoisamerikkalaiset parametrit (esim. kW vs. hv), nimellisjännite, virta, teho, taajuus, hyötysuhde jne.

Yhteys- ja sovellusmakrot ovat erityisen tärkeitä ketterän käyttöönoton kannalta:

• Yhteysmakroihin kuuluvat BOP-paneelin määritys ainoaksi ohjauslähteeksi tai ohjauksen mahdollistaminen PNP/NPN-liittimien kautta, kiinteät nopeudet, analoginen tulo, kiinteä taajuus, ulkoinen painikeohjaus, ulkoinen painike analogisella asetusarvolla, PID-ohjaus analogisella tuloreferenssillä, PID-ohjaus kiinteän arvon referenssillä, USS-ohjaus ja MODBUS RTU -ohjaus.
• Sovellusmakrovaihtoehtoihin kuuluvat yksinkertainen pumppu, tuuletin, kompressori ja kuljetin. Yksinkertaisen pumpun makroon sisältyviä parametreja ovat esimerkiksi minimitaajuus, ohjaustila, estotaajuuden asetusarvo, automaattinen uudelleenkäynnistys ja käynnistysaika.

Yksittäisiä parametreja, kuten taajuuden asetusarvo, minimi- ja maksimitaajuus sekä käynnistys- ja sammutusajat, voidaan mukauttaa pikakäyttöönoton aikana. Käyttöönoton nopeuttamisen lisäksi integroidun pikakäyttöönottotoiminnon käyttäminen voi eliminoida virheellisten parametriasetusten aiheuttamat virheet, mikä lyhentää käyttöönottoaikoja entisestään.

Parametrien kloonaaminen useisiin taajuusmuuttajiin

Kun parametrisarjat on viimeistelty, parametrilataaja voi siirtää ja ladata parametrisarjoja V20-taajuusmuuttajan ja SD-kortin välillä. Parametrilataajaa ja SD-korttia voidaan käyttää parametrisarjojen kloonaamiseen useiden taajuusmuuttajien välillä. Parametrit voidaan ladata taajuusmuuttajiin jo ennen kuin taajuusmuuttajat toimitetaan tehdasympäristöön, mikä nopeuttaa yleistä käyttöönottoprosessia ja vähentää teknisen tuen tarvetta.

SD-korttipaikan lisäksi V20-parametrilataajassa on tila kahdelle AA-kokoiselle primääriparistolle, jotka voivat syöttää taajuusmuuttajaan virtaa parametrien lataamisen aikana, ilman että se on kytkettynä verkkovirtalähteeseen. V20-parametrilataajassa on myös Micro USB -liitäntä, joka voidaan liittää ulkoiseen 5 V_DC -virtalähteeseen, jolloin primääriparistoja ei tarvita (kuva 3).

Kuva 3: Lisävarusteena saatavan parametrilataajan avulla V20-taajuusmuuttajan parametreja voidaan siirtää tai ladata SD-kortille. Se mahdollistaa parametrien nopean kloonauksen useisiin taajuusmuuttajiin. (Kuvan lähde: Siemens)

Ulkoinen BOP-paneeli

V20-taajuusmuuttajien kauko-ohjaukseen voidaan käyttää lisävarusteena saatavaa ulkoista BOP-paneelia. Ulkoinen BOP-paneeli on suunniteltu asennettavaksi laitekaapin ulkopuolelle ja liitettäväksi taajuusmuuttajaan kiinnitettyyn rajapintamoduuliin. Ulkoinen BOP-paneeli ja rajapintamoduuli tukevat RS232-yhteyttä, ja ne voidaan yhdistää enintään 3 metrin pituisella kaapelilla.

Asianmukaisesti asennettuna ulkoinen BOP-paneeli voi täyttää IP54- ja UL/cUL-tyypin 1 kotelointiluokitukset tarjoten henkilöstölle suojan vaarallisia jännitteitä ja V20-taajuusmuuttajalle suojan kiinteitä epäpuhtauksia, kuten likaa ja pölyä, vastaan. Ulkoinen BOP-paneeli tarjoaa saman rajapinnan kuin V20-taajuusmuuttajaan integroitu BOP (kuva 4).

Kuva 4: Ulkoisella BOP-paneelilla voi ohjata V20-taajuusmuuttajia jopa 3 metrin etäisyydeltä ohjauskaapin ulkopuolella. (Kuvan lähde: Siemens)

Langaton ohjaus

Jotta käyttöönotto olisi mahdollisimman joustavaa, käyttäjät voivat käyttää SINAMICS V20 Smart Access -moduulia (kuva 5). Smart Access -moduuli on integroidulla Wi-Fi-yhteydellä varustettu verkkopalvelinmoduuli, joka liitetään suoraan V20-taajuusmuuttajan etupuolelle. Se tukee V20-taajuusmuuttajien verkkopohjaista käyttöönottoa ja valvontaa käyttäjän laitteilla, kuten kannettavalla tietokoneella (sisältää langattoman verkkosovittimen), tabletilla tai älypuhelimella. Sitä voidaan käyttää millä tahansa käyttöjärjestelmällä ja millä tahansa HTML5-yhteensopivalla verkkoselaimella, kuten Chrome, Internet Explorer (IE) ja Safari.

Kuva 5: Tämä Smart Access -moduuli tarjoaa Wi-Fi-yhteyden V20-taajuusmuuttajien käyttöönottoa, ohjausta, valvontaa ja diagnosointia varten. (Kuvan lähde: DigiKey)

SINAMICS V20 Smart Access helpottaa taajuusmuuttajien käyttöä myös vaikeapääsyisissä paikoissa. Se on helppokäyttöinen intuitiivisen graafisen käyttöliittymän (GUI) ja ohjatun käyttöönoton ansiosta. Smart Access tukee samaa ohjattua pika-asennusta kuin BOP-paneeli mahdollistaen nopean ja helpon käyttöönoton. Se tarjoaa mm. seuraavat toiminnot:

• moottoridatan syöttäminen
• yhteysmakrojen aktivointi
• sovellusmakrojen valinta ja aktivointi
• yleisesti käytettyjen parametrien asetus.

Smart Access voidaan konfiguroida lähettämään vikakoodit sähköpostitse suoraa etävalvontaa varten. Se sisältää lukuisia tietoturvaominaisuuksia, joilla voidaan valvoa pääsyä tietoihin ja ohjaustoimintoihin. Smart Access tarjoaa kattavat langattomat verkkopohjaiset toiminnot, joihin kuuluvat:

• nopea käyttöönotto
• muuttajan parametrointi
• moottorin käyttö JOG/HAND-tilassa
• V20-taajuusmuuttajan tilan seuranta
• vika- ja hälytysdiagnostiikka
• tietojen varmuuskopiointi ja palautus.

Yhteenveto

Siemensin SINAMICS V20 -taajuusmuuttajat keskittyvät kestävyyteen ja joustavuuteen. Näiden taajuusmuuttajien useat toimintatilat ja energiansäästötoiminnot mahdollistavat hyötysuhteen maksimoinnin monenlaisissa yksinkertaisissa liikesovelluksissa tehoalueella 0,12–30 kW. Keep Running -tila varmistaa kriittisen infrastruktuurin jatkuvan toiminnan, esimerkkeinä jäteveden ja veden käsittely sekä rakennusautomaatiojärjestelmien LVI-laitteet. Lukuisat tavat toteuttaa pikakäyttöönotto integroidulla BOP-paneelilla, laitteesta erillään sijaitsevalla BOP-paneelilla, langaton yhteys Smart Access -moduulin kautta sekä esiohjelmoidut sovellusmakrot ja muut työkalut parantavat joustavuutta.