选择工业自动化设备时有哪些关键考虑因素？

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

2024-08-28

电机、驱动器和通信模块等工业自动化设备的最佳选择需要仔细关注细节。例如，北美国家电气制造商协会 (NEMA) 和欧洲国际电工委员会 (IEC) 在电机和驱动器额定值方面存在许多差异。

选择电机、驱动器和控制器时，需要考虑的一些因素包括输入和输出电压和容差、所需的速度范围和调节需求、扭矩要求、加速度、制动占空比、快速或扭矩响应等特殊需求以及环境因素，包括热管理。

通信需求根据设备在工业控制层次结构中的位置而有所不同。在最接近工厂车间边缘的层面，IO-Link 等协议可用于智能传感器和执行器，而 EtherCAT、PROFINET、Modbus 和其他协议可连接运动、安全、I/O 和视觉。

工厂自动化网络的最高层通常使用以太网/IP来连接各种自动化控制器、编程接口和云，以及使用像DisplayPort这样的协议来连接人机界面（HMI）。在这两者之间，以太网/IP、EtherCAT 和其他协议的组合可以将工厂车间的现场层连接到操作和控制层。

细节太多，无法通过一次讨论来全面阐述。相反，本文提出了在指定电机、驱动器和通信模块时需要考虑的几个指南，以及来自[西门子]、[菲尼克斯电气]、[欧姆龙自动化]、松下[工业]和[施耐德电气的]应用、硬件和协议示例。

转移焦点

电机和驱动器是许多工业自动化系统的共同点。作为本次讨论的起点，了解电机效率在工业自动化系统性能的更广泛考虑中的位置以及焦点如何转移是有帮助的。

使用效率更高的电机可节省高达 6% 的能源。那挺好的。然而，添加高效驱动器和支持组件可以节省高达 30% 的能源。

当重点转移到整体系统优化时，真正的游戏规则改变者就会出现。考虑到所有机械组件并添加通信以与工业物联网 (IIoT) 相结合，包括运营和工厂级别，最终到企业级别以及云，可以节省高达 60% 的能源以及更高的能耗生产力（图 1）。

图 1：集成和通信水平的提高可节省更多能源并提高生产率。 （图片来源：西门子）

电机系统的生态设计

IEC 61800-9 第 2 部分“电机系统的生态设计 - 能效确定和分类”可以成为关键资源。它不是仅仅关注电机效率，而是详细介绍了“电机驱动系统”的一系列更高级别的性能因素。 VFD 被视为完整的驱动模块 (CDM)，其中包括交流输入“馈电部分”、像 VFD 这样的“基本驱动模块”(BDM) 以及包括输入和输出滤波器、线路的“辅助设备”。扼流圈和其他支撑部件。

该标准还将动力驱动系统 (PDS) 定义为 CDM 加电机。接下来，该标准将电机系统描述为 PDS 加上接触器等电机控制设备。

最高级别是扩展产品，或图 1 中的整体系统，它添加了机械驱动设备，如变速箱和负载机。如需更详细地了解 IEC 61800-9-2 PDS 效率标准，请查看文章“[可调速工业电机驱动器有哪些不同类型？”]”

指定“电动机驱动系统”的起点是电动机。

电机问题

如果正确指定和使用，电动机可以成为高效的机器。这使得指定电机成为机器设计人员的一项重要任务。

IEC 以千瓦 (kW) 为单位量化电机功率，而 NEMA 使用马力 (hp)，很容易等同。然而，IEC 和 NEMA 使用不同的效率计算，对于相同电机设计，IEC 铭牌效率可能略高于 NEMA 额定值。

实际电机效率与特定用例密切相关。因此，电机效率标准通常是根据能量损失的减少而不是绝对效率来讨论的。

IEC 60034-30-1 认可五个电机效率等级，从 IE1 到 IE5。不同班级之间的能量损失下降 20%。这意味着 IE5“Ultra Premium”电机的损耗比 IE4“Super Premium”电机低 20%。还有更多需要考虑的事情。在某些情况下，效率较高的电机的功率因数 (PF) 会下降。

在北美，NEMA 的能效等级较少，但这同样重要。 NEMA 认可 IEC 标准中未包含的电机服务系数 (SF)。 SF 为 1.15 的 NEMA 电机可以以其额定容量的 115% 连续运行，尽管电机运行温度更高，这会导致轴承和绝缘寿命缩短。

IEC 根据连续操作与间歇操作、速度变化和制动的使用等考虑因素，而不是 SF 来识别十种工作类型或服务系数（S1 至 S10）。

NEMA 和 IEC 的工作电压和频率范围有所不同，但均以“每单位”(pu) 数量表示。在 pu 系统中，数量以基值的分数表示。 NEMA 可识别一系列电机电压和频率。 IEC 识别两个“区域”（图 2）。

图 2：NEMA 和 IEC 工业交流电压和频率范围的比较。 （图片来源：NEMA）

提高 PDS 效率

电机驱动器是 IEC 61800-9-2 中定义的 PDS 效率的关键要素。它们可以通过多种方式进行分类，例如电机电压、功率水平、运动类型、支持的应用程序等。运动类型可以分为连续或不连续。根据所需的最大功率输出，它们可以进一步分为低性能、中性能和高性能。

不同类型的驱动器支持不同的系统需求。当机器人等应用需要快速加速、减速和精确定位时，伺服驱动器和电机非常适合。软启动器适用于连续运行，例如受益于平稳启动和减速的输送机。 VFD 广泛用于各种工业机器。

一些 VFD 产品系列针对泵送、通风、压缩、移动或加工等操作进行了优化。西门子 SINAMICS G120 系列通用驱动器的额定功率为 0.55 至 250 kW（0.75 至 400 hp），适用于汽车、纺织和包装行业的一般工业应用。

型号[6SL32203YE340UF0]使用三相电源，工作电压范围为 380 至 480 Vac +10 % / -20 %。在欧洲，其额定功率为 22 至 30 kW 的电机指定为 400 V 运行，在北美，额定功率为 30 至 40 hp 的电机为 480 V（图 3）。

图 3：该 VFD 可与额定功率为 22 至 30 kW 的电机一起使用，具体取决于工作电压。 （图片来源：DigiKey）

VFD 并不是高效 PDS 设计的唯一关键。文章“[需要哪些支持产品才能最大限度地发挥使用 VFD 和 VSD 的影响？” - 第 1 部分]”回顾了一些必需的支持组件。

通讯和系统优化

虽然电机和驱动器位于工厂车间的第 1 层或现场层，但它们并不是工业 4.0 通信层次结构的最低层。该位置属于 0 级的传感器和执行器等功能。此外，现场级之上还有多个级别。为了最大限度地提高工业 4.0 工厂的整体效率、生产力和可持续性，从通信层次结构到云端的及时、高效的通信是必要的。使用如下协议来促进云连接：

• uOPC PubSub Bridge 整合了多种操作技术 (OT) 数据流。
• MOTT BRoker 接收消息并根据消息主题转发给用户。

1 级不仅仅是驱动器和电机。现场总线主单元 (FMU) 可以促进通信并简化驱动器和其他设备的集成。 FMU 可用于各种协议，包括 PROFINET、PROFIBUS、DeviceNet、CANopen 等。使用 FMU 可以实现独立于制造商的连接。

[Panasonic 的AFP7NPFNM]型号是 PROFINET FMU。它配备了编程软件的集成函数库，大大减少了开发特定应用解决方案所需的时间。

传感器、执行器和安全等级为 0 级

要提高 VFD 的 PDS 节能收益，需要将连接性降低到 0 级。在 0 级集成传感器、执行器和光幕等安全设备可以显着提高效率，并将节能效果提高到 30% 以上。

用于连接 0 级功能的常见协议包括 DeviceNet、HART、Modbus 和 IO-Link。 IO-Link 是一种点对点协议，可将传感器和执行器连接到更高级别的控制装置。它可作为有线或无线标准使用，并作为一种经济高效的替代方案越来越多地部署在工业 4.0 中。

[Omron 的NX-ILM400] IO-Link 主站单元可以将标准 I/O 与高速同步 I/O 混合在一起。标准数字 I/O 每个单元有 16 个连接，可供选择：

• 四个 3 线传感器与电源连接
• 八个 2 线触点输入或执行器输出
• 十六个 1 线连接，用于连接到公共电源的传感器和执行器

PDS 2 级及以上

高层沟通有助于改善现场运营，但为了最大限度地提高组织效率和生产力，高层沟通是必需的。从 2 级到 3、4 级，云需要以太网/IP、EtherCAT 和 Modbus TCP/IP 等协议。

用于建立这些连接的设备包括可编程逻辑控制器 (PLC) 或工业个人计算机 (IPC)。 PLC 是针对工业自动化和控制而优化的计算机。在典型应用中，PLC 监视来自机器和相关传感器的输入，根据其编程做出决策，并发送控制输出。

虽然 IPC 可以执行类似 PLC 的功能，但它们是更通用的设备。它们运行 Linux 或 Windows 等操作系统，使它们能够访问一系列软件工具，并且通常连接到 HMI（许多 PLC 也可以连接到 HMI）。 PLC倾向于以机器为中心，而IPC则具有更多操作功能。

PLC 和IPC 之间的区别越来越模糊。例如， Phoenix Contact 的[1069208]PLC 运行 Linux 操作系统。与传统PLC一样，它可以用符号流程图（SFC）、梯形图（LD）、功能块图（FBD）和结构化文本（ST）进行编程。它包括三个独立的以太网接口，可以连接到PROFICLOUD。

施耐德电气为可受益于 IPC 的应用提供[HMIBMIEA5DD1E01] IIoT Edge Box。这种无风扇设计包括运行频率为 1.8 GHz 的 Intel Atom Apollo Lake E3930 双核处理器。它具有一个 mini PCIe 扩展插槽和九个通信端口。

结论

本文简要概述了设计人员在为工业 4.0 安装指定电机、驱动器和通信模块时应考虑的一些指南。这远非详尽无遗。其目的是为进一步研究提供思考和一些资源。

审核编辑 黄宇