IIoT-valmiiden koneiden nopea suunnittelu ja käyttöönotto

On haastavaa suunnitella ja ottaa käyttöön nopeasti koneita, jotka ovat valmiita integroitavaksi esineiden teolliseen internettiin (IIoT). IIoT-valmiiden koneiden on tuettava nopeaa käyttöönottoa koneiden välisessä, koneen ja laitoksen välisessä sekä koneen ja pilven välisessä kommunikaatiossa ja koordinoinnissa.

Tämä edellyttää kattavaa kokonaisratkaisua. Sen täytyy tarjota kattava valikoima ohjaus-, rajapinta- ja kommunikaatiomoduuleja. Skaalautuvuus on välttämätöntä. Ratkaisun tulisi tukea yksinkertaistettua asennusta nopeaa käyttöönottoa varten. Lisäksi sen integroinnin monen palveluntarjoajan ympäristöön täytyy olla helppoa vanhojen laitteiden tukemiseksi.

Palkintona on parempi toimintatehokkuus organisaation kaikilla tasoilla ja koneiden koko elinkaaren ajan.

Tässä artikkelissa tarkastellaan, miten Schneider Electricin moottorinohjausvaihtoehdot tarjoavat suunnittelijoille aukottomia automaatioratkaisuja. Siinä esitellään Altistart-pehmokäynnistimien, Altivar-taajuusmuuttajien, Modicon Ethernet-kytkinten ja ohjelmoitavien logiikkaohjainten (PLC), Harmony-ohjausreleiden ja PowerPacT-katkaisijoiden ominaisuuksia ja etuja.

Sen jälkeen artikkelissa kerrotaan yksityiskohtaisesti, miten TeSys island -järjestelmäelementit tukevat kattavia ratkaisuja ja integroituvat helposti Rockwell Studio 5000- ja Siemens TIA Portal -ympäristöihin vanhempien koneiden tukemiseksi. Lopuksi tarkastellaan, miten Schneider Electricin EcoStruxure Machine Expert -ohjelmisto nopeuttaa IIoT-valmiiden koneiden kehittämistä, konfigurointia ja käyttöönottoa.

Liike on teollisuuskoneiden perusominaisuus. Liike toteutetaan eri tavoin pumppujen, kuljettimien ja nostureiden kaltaisten järjestelmien yksinkertaisista liikeprofiileista prosessi- ja kokoonpanotoimintojen sekä robotiikan kompleksisiin liikeprofiileihin.

Yksinkertaisia liikeprofiileja käyttävät koneet voivat hyötyä Altistart-pehmokäynnistinperheen kaltaisista pehmokäynnistimistä löytyvistä ominaisuuksista. Altistart-pehmokäynnistimet tukevat seuraavia ominaisuuksia:

• hallittu kiihdytys, joka vähentää mekaanista rasitusta, joka voi lisätä kulumista ja johtaa huoltotarpeen ja koneiden käyttökatkojen lisääntymiseen
• käynnistysvirran rajoittaminen energiankäytön vähentämiseksi
• moottoreiden suojaaminen käynnistyksen aikana esiintyviltä virtapiikeiltä, mikä pidentää moottorien käyttöikää
• korkeampi luotettavuus tunnistamalla sellaiset viat kuten juuttunut moottori, alikuormitus tai virheellinen maadoitus ja lähettämällä varoitus koneen operaattoreille.

ATS01-sarjan pehmokäynnistimet soveltuvat peruskoneisiin, jotka eivät tarvitse korkeaa käynnistysmomenttia. BOOST-logiikkatulon aktivointi mahdollistaa jännitteen korotuksen. Korotus vastaa 100 prosenttia moottorin nimellisjännitteestä 200 millisekunnin (ms) ajaksi ja se auttaa järjestelmän mekaanisen alkukitkan voittamisessa. Ohjelmoitu jännitteen nousu alkaa korotuksen jälkeen.

Malli ATS01N232RT on tarkoitettu enintään 15 kilowatin (kW) (20 hevosvoiman (hv)) asynkronisten kolmivaihemoottoreiden pehmeään käynnistykseen ja pysäytykseen 1–10 sekunnin kiihdytys- ja hidastusajoilla. Se on optimoitu yksinkertaisiin hihnakäyttöisiin sovelluksiin, kuten pumppuihin, kompressoreihin ja puhaltimiin, jotka toimivat jännitealueella 440 V_AC – 480 V_AC. Sen etupaneelissa on säätimet, joilla voidaan asettaa käynnistysaika, alkujännite ja pysäytysaika asennusta ja käyttöönottoa varten.

Vaativampien prosessi- ja infrastruktuurikoneiden, kuten sekoittimien, murskainten ja kuljettimien, suunnittelijat voivat käyttää Altivar ATS480 -sarjan pehmokäynnistimiä. Yksinkertaisemmissa pehmokäynnistimissä käytetään jänniteramppeja, mutta ATS480-pehmokäynnistimissä käytetään pehmeämpää vääntömomenttiramppia ja niissä voidaan toteuttaa myös jarrutustoiminto.

Malli ATS480C11Y toimii jännitealueella 208 V_AC – 690 V_AC (kuva 1). Sitä voidaan käyttää moottorin jännitteestä riippuen moottoreiden kanssa, joiden teho on 22–90 kW (25–100 hv). Se tarjoaa RJ45-liittimellä varustetun Modbus-sarjaliikenneportin. Lisävarusteena on saatavana kommunikaatiokortteja Profibus-, PROFINET-, Modbus TCP/EtherNet/IP- ja CANopen-väylille.

Kuva 1: Tämä Altivar-pehmokäynnistin on suunniteltu käytettäväksi 22–90 kW:n asynkronimoottoreiden kanssa. (Kuvan lähde: DigiKey)

Edistyneempien koneiden ohjaus

Edistyneiden koneiden kompleksisia liikeprofiileja voidaan tukea esimerkiksi Altivar 320 -tuoteperheen VFD-taajuusmuuttajilla. Niiden teholuokitus on 0,18–15 kW (0,25–20 hv) ja niitä käytetään esimerkiksi materiaalinkäsittely-, pakkaus-, tekstiili- ja nostosovelluksissa, mekaanisissa aktuaattoreissa sekä materiaalintyöstössä. ATV320U75M3C-taajuusmuuttajan teholuokitus on 7,5 kW ja se toimii syöttöjännitteellä 200 V_AC – 240 V_AC.

Konfiguroinnin ja käyttöönoton nopeuttamiseksi näissä taajuusmuuttajissa on 150 toimintoa, ja niitä on saatavana sekä perus- että asiakaskohtaisina konfiguraatioina. Useille sovelluksille, kuten materiaalinkäsittelylle, tekstiileille, nostolaitteille ja mekaanisille aktuaattoreille, on omat toimintonsa.

Altivar 320 -VFD-taajuusmuuttajat voivat tarjota asynkroni- ja kestomagneettimoottoreille erittäin suorituskykyisen ohjauksen, mukaan lukien tarkka vääntömomentti ja tarkka nopeus hyvin alhaisilla nopeuksilla sekä dynaaminen liike anturittomalla FCV-ohjauksella. Kun niitä käytetään synkronisten ja asynkronisten kolmivaihemoottoreiden kanssa, nämä VFD-taajuusmuuttajat tarjoavat seuraavat ominaisuudet:

• huippunopeiden moottorien tuki
• tarkka staattinen nopeus avoimen silmukan synkronimoottoreilla
• joustavat järjestelmäintegraatiovaihtoehdot, mukaan lukien Ethernet, CANopen, Profibus, EtherCAT, DeviceNet jne.
• integroidut turvallisuustoiminnot, jotka noudattavat toiminnallisen turvallisuuden standardeja
• kompaktit ja kirjanmuotoiset taajuusmuuttajat, joilla on kotelointiluokat IP20–IP66, ja jotka tukevat integrointia erityyppisiin kaappeihin (kuva 2).

Kuva 2: Altivar 320 VFD-taajuusmuuttajia on saatavana erilaisissa muotoluokissa, jotka helpottavat asennusta ja maksimoivat tilankäytön laitekaapeissa. (Kuvan lähde: DigiKey)

Erittäin suorituskykyiset moniakseliset koneet

Modicon Ethernet-kytkimet ja ohjelmoitavat logiikkaohjaimet (PLC) voivat tukea erittäin suorituskykyisiä malleja itsenäisestä yksiakselisesta aina erittäin suorituskykyisiin synkronoituihin moniakselisiin koneisiin, jotka vaativat nopeaa ja tarkkaa paikannusta ja liikkeitä, esimerkkinä robotiikka.

Nämä natiivit IIoT-reunaohjaimet voivat muodostaa suoran yhteyden pilveen käyttäen MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)-, OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) -palvelinta ja -asiakasta sekä TLS (Transport Layer Security) -salausta. Se sisältävät myös sulautettuja turvallisuus- ja kyberturvallisuustoimintoja. Kahden Ethernet-portin kautta voidaan tukea Ethernet/IP- ja Modbus TCP -protokollia. Lisäksi niissä on RS232- ja RS485-portit, USB-portti ja paikka SD-kortille.

TM262L-ohjaimet on tarkoitettu useiden tulojen ja lähtöjen logiikkaohjaukseen ja ne tarjoavat neljä nopeaa digitaalista tuloa ja neljä nopeaa digitaalista lähtöä. Mallin TM262L10MESE8T suoritusnopeus on 5 nanosekuntia (ns) per käsky. Kaksiydinprosessori hallitsee tehokkaasti rinnakkaisia sovelluksia ja kommunikaatiota (kuva 3).

Kuva 3: Tämä Modicon M262 PLC tarjoaa IIoT-valmiit koneen ja pilven sekä koneen ja laitoksen väliset Ethernet-yhteydet. (Kuvan lähde: DigiKey)

Modicon M262 -tuoteperheen TM4-väylä tukee jopa kolmea tiedonsiirtolaajennusmoduulia. Profibus DP (TM4PDPS1)- ja Ethernet (TM4ES4) -laajennusmoduuleja voidaan käyttää erilaisina yhdistelminä moduulien maksimimäärän ollessa kolme.

Poikkeavuuksien eliminointi

Joskus koneita, myös IIoT-valmiita koneita, täytyy suojata poikkeuksellisilta olosuhteilta. Tässä Harmony-ohjausreleet astuvat kuvaan mukaan. Ne voivat valvoa sekä sähköisiä että mekaanisia olosuhteita ja tunnistaa poikkeavuudet virrassa, jännitteessä, vaiheessa, taajuudessa, nopeudessa, lämpötilassa, pumpun ohjauksessa ja jopa nesteiden pinnantasossa.

Poikkeavuuksien nopea ja tarkka tunnistaminen voi lisätä käyttöaikaa ja vähentää suunnittelemattoman huollon tarvetta sellaisissa sovelluksissa kuten pumppaus- ja vedenkäsittelylaitteissa, nostimissa, pakkausjärjestelmissä ja tekstiilikoneissa. Harmony-ohjausreleet tarjoavat laajan valikoiman toimintoja, jotka vastaavat sovelluksen erityistarpeisiin.

Malli RMNF22TB30 on kolmivaiherele, joka tarjoaa lähikenttäviestinnän (NFC). Se voi valvoa seitsemää parametria: vaihehäviö, vaihejärjestys, epäsymmetria, alijännite, ylijännite, alitaajuus ja ylitaajuus. Suunnittelijat voivat käyttää AND-, OR- ja NOT-logiikkaa NFC-sovelluksen kautta ja muodostaa mukautettuja valvontayhdistelmiä kahdelle yksilöllisesti konfiguroitavalle relelähdölle.

Suunnittelijat voivat käyttää relettä RM22UA21MR (kuva 4) yksinkertaisempien koneiden kanssa, jotka tarvitsevat vain ylijännitteen valvontaa. Tämä yksivaiheinen ohjausrele sisältää valittavissa olevan muistitoiminnon ja integroidun ledin, joka ilmaisee ohjauksen tilan. Ruuvisäätimet mahdollistavat kynnysarvojen helpon ja tarkan asetuksen, ja komponentti tarjoaa automaattisen sammutuksen hallinnan ja vikatiedot vikojen nopeaa identifioimista ja vianetsintää varten.

Kuva 4: Yksivaiheinen ohjausrele ylijännitteelle. Releen kytkentäkapasiteetti on 2 kVA. (Kuvan lähde: DigiKey)

Perussuojaus

Sovelluksissa, joissa voidaan hyödyntää perustason suojausta, voidaan käyttää PowerPacT-johdonsuojakatkaisijoita, joiden teholuokitus on 15–125 A ja joita on saatavana yksi-, kaksi-, kolmi- ja nelinapaisina. Näissä termisissä ja magneettisissa johdonsuojakatkaisimissa on positiivisen kontakti-ilmaisin, ja ne tarjoavat eristyksen ”pienjännitekytkinlaitteita ja -ohjauslaitteita” koskevien standardien IEC/EN 60947-1 ja IEC/EN 60947-2 mukaisesti.

BDF16020 on 20 A:n yksinapainen yksikkö, jonka käyttöjänniteluokitus on 240 V_AC 50/60 Hz:n taajuudella UL 489 -standardin mukaisesti. Sen jatkuva virtaluokitus on 80 % enimmäisluokituksesta, ja se on saanut IEC 60947-2 -standardin mukaisesti luokituksen ”toiminnan katkaiseva” (kuva 5). VisiTrip-ledilukeman ansiosta kotelosta tai paneelista voidaan nähdä helposti, mikä katkaisija on lauennut. Lisäksi se sisältää QR-koodin, joka tarjoaa pääsyn sellaisiin tietoihin kuten käyttöopas, osanumerot ja CAD-piirustukset.

Kuva 5: Tämäntyyppiset johdonsuojakatkaisijat tarjoavat positiivisen kontakti-ilmaisun ja täyttävät IEC/EN 60947 -standardin eristysvaatimukset. (Kuvan lähde: DigiKey)

Integroidut kenttäväyläsolmut

TeSys on digitalisoitu IIoT-verkkoon liitetty kuormanhallintaratkaisu, joka toimii integroituna solmuna kenttäväyläverkossa ja sisältää IIoT-valmiin koneen toteuttamiseen tarvittavat moduulit. Se perustuu monitoimilaitteisiin ja avatareihin teollisuussovelluksia varten, joissa kuormitus on enintään 80 ampeeria, ja sillä voidaan lyhentää suunnittelu-, kaapelointi- ja käyttöönottoaikoja.

Väyläkytkin, kuten TPRBCEIP, on ydinmoduuli, joka tarjoaa sisäisen kommunikaation TeSys island -saarekemoduulien kanssa nauhakaapeleiden kautta. Se on myös TeSys island -saarekkeen ja ulkoisen automaatiojärjestelmän välinen liitäntäpiste, joka käyttää EtherNet/IP- tai Modbus TCP -tiedonsiirtoa. Sulautettu web-palvelin tukee diagnostiikkaa ja huoltoa. Se sisältää yhden RJ45-huoltoportin Ethernetin kautta, micro-SD-korttiportin ja portin saarekkeen moduulit toisiinsa yhdistävää sisäistä väylää varten. Tyypillinen konfiguraatio sisältää seuraavat (kuva 6):

1. dataväylän liitoskappale
2. analoginen tulo-/lähtömoduuli
3. digitaalinen tulo-/lähtömoduuli
4. jänniterajapintamoduuli
5. peruskäynnistimet
6. SIL (Safety Integrity Level ) -käynnistin
7. SIL-rajapintamoduuli
8. virtarajapintamoduuli.

Kuva 6: TeSys island -saarekkeen yhdistetyt yksiköt toimivat kenttäväyläverkon yhtenä solmuna. (Kuvan lähde: Schneider Electric)

Esimerkkejä TeSys island -moduuleista ovat:

• LC1DT406BL, 40 ampeerin, 4-napainen, normaalisti avoin, IEC60335-1-standardin mukainen TeSys Deca -kontaktori teollisuus- ja LVI-järjestelmiin
• LC1G115EHEN, 150 ampeerin (75 kW jännitteellä 440 V_AC), 3-napainen, normaalisti avoin, TeSys Giga -kontaktori, joka on suunniteltu vaativiin sovelluksiin, joissa käyttötaajuus on jopa 600 sykliä tunnissa ja käyttölämpötila enintään +60 °C
• TPRDG4X2, digitaalinen I/O-moduuli, jossa on neljä digitaalista tuloa ja kaksi digitaalista lähtöä, voi ohjata moottoreita ja muita enintään 65 ampeerin (37 kW, 40 hv) sähkökuormia. Kaikki säädöt ja asetukset ovat digitaalisia ilman mekaanisia säätimiä ja dip-kytkimiä
• TeSys island -moottorinkäynnistimet kommunikointituella, teholuokitus jopa 40 hv (80 A jännitteellä 480 V) Nämä SIL-käynnistimet täyttävät IEC 61508-, IEC 62061- ja ISO 13849-1 -standardien vaatimukset ja tukevat PL d- ja SIL 2 -tasoja.

TeSys island tukee lisäksi kattavia kokonaisratkaisuja ja integroituu helposti Rockwell Studio 5000- ja Siemens TIA Portal -ympäristöihin vanhojen koneiden tukemiseksi.

Kokonaiskuva

Kun on aika rakentaa valmis kone, suunnittelijat voivat käyttää EcoStruxure Machine Expert -ohjelmistoa. Tämä ohjelmistoratkaisu tukee IIoT-valmiiden koneiden kehittämistä, konfigurointia, käyttöönottoa, käyttöä ja ylläpitoa.

EcoStruxure Machine Expert tukee kaikkia uusimpia IIoT-konekomponentteja, esimerkkeinä Modicon M262 PLC ja digitaalinen TeSys Island -kuormanhallintajärjestelmä. Se on suunniteltu muodostamaan koneita, jotka on optimoitu turvallisuuden, luotettavuuden, tehokkuuden, liitettävyyden ja kestävyyden kannalta. Se käyttää IIoT-teknologiaa sekä mobiili-, anturi-, pilvi-, analytiikka- ja kyberturvallisuusratkaisuita tämän kompleksisen tehtävän suorittamiseksi.

Yhteenveto

IIoT-valmiit koneet ovat tärkeä osa Teollisuus 4.0 -toimintoja. Näiden koneiden suunnittelu, käyttöönotto ja integrointi ovat monimutkaisia tehtäviä. Schneider Electric toimittaa konesuunnittelijoille kattavan valikoiman IIoT-valmiille koneille tarkoitettuja laitteita ja ohjelmistotyökaluja, jotka parantavat toimintatehokkuutta organisaation kaikilla tasoilla ja koneiden koko elinkaaren ajan.