如何快速设计和部署 IIoT 就绪型机器

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

2024-08-14

快速设计和部署可直接集成到工业物联网 (IIoT) 的机器并非易事。IIoT 就绪型机器必须能为机器对机器、机器对工厂和机器对云的通信和协调提供快速调试支持。

这就需要一种全面的解决方案。此解决方案要包括一整套控制、接口和通信模块。可扩展性必不可少。还应支持简便安装，以实现快速部署。最后一点，其必须能够轻松集成到多供应商环境中，为旧式设备提供支持。

这么做的回报是，在企业组织所有层级以及机器的整个生命周期内提高运营效率。

本文将回顾 [Schneider Electric] 的电机控制方案如何为设计人员提供端到端的自动化解决方案，并介绍 Altistart 软起动器、Altivar 驱动器、Modicon 以太网交换机和可编程逻辑控制器 (PLC)、Harmony 控制继电器和 PowerPacT 电路断路器的特性和优势。

随后详细说明为了支持旧式机器，TeSys island 系统元件如何支持全面的解决方案，并与 Rockwell Studio 5000 和 Siemens TIA Portal 环境轻松集成。最后探讨了 Schneider Electric 的 EcoStruxure Machine Expert 软件如何加快 IIoT 就绪型机器的开发、配置和调试。

运动是工业机器的基本特征。其实现方式多种多样，从泵、传送带和起重机等系统中的简单运动曲线，到流程和装配操作以及机器人技术中的复杂运动曲线。

具有简单运动曲线的机器可受益于 Altistart 软起动器系列等软起动器的功能。Altistart 软起动器支持以下功能：

• 控制加速度，可减少机械冲击，而机械冲击会增加磨损，导致维护需求和机器停机时间增加
• 限制浪涌电流，减少能耗
• 保护电机免受启动时可能发生的电涌影响，延长电机寿命
• 通过检测电机堵转、欠载或接地错误等故障并向机器操作员发出警报来提高可靠性

不需要大起动转矩的基础型机器可以使用 ATS01 系列软起动器。激活 BOOST 逻辑输入，就可以施加相当于 100% 电机标称电压的升压并持续 200 ms，以克服系统内的初始机械摩擦。此升压过后，即开始程序设定的电压升压。

[ATS01N232RT]型软起动器可用于功率高达 15 kW (20 HP) 的三相异步电机的软起动和停止，加速和减速时间为 1 到 10 秒。该启动器针对简单的皮带驱动应用进行了优化，例如工作电压为 440 VAC 至 480 VAC 的泵、压缩机和风扇。控制装置位于前面板上，可设置起动时间、初始电压和停止时间，以便于安装和调试。

对于搅拌机、破碎机和输送机等要求更高的过程和基础设施机器，设计人员可以采用 Altivar ATS480 系列软起动器。虽然较简单的软启动器采用电压斜坡，但 ATS480 软启动器则使用较缓和的转矩斜坡，并可实现制动功能。

[ATS480C11Y] 型软起动器的工作电压为 208 VAC 至 690 V AC （图 1）。根据电机电压的不同，可用于 22 至 90 kW（25 至 100 hp）的电机。该起动器配备 Modbus 串行通信端口及 RJ45 连接器。可选配 Profibus、PROFINET、Modbus TCP/EtherNet/IP 和 CANopen 通信卡。

图 1：这款 Altivar 软起动器设计用于 22 至 90 kW 的异步电机。（图片来源：DigiKey）

驱动更先进的机器

先进机器中的复杂运动曲线可以使用变频驱动器 (VFD) 来支持，例如 [Altivar 320]系列，额定功率从 0.18 到 15 kW（0.25 至 20 hp），适用于物料搬运、包装、纺织、起重、机械致动器和材料加工等应用。[ATV320U75M3C]的额定功率为 7.5 kW，工作电源电压为 200 VAC 至 240 V AC 。

为了加快配置和调试，这些驱动器提供 150 种功能，并提供标准配置和可定制配置。其中包括针对物料搬运、纺织、起重和机械致动器等应用的专用功能。

Altivar 320 VFD 可为异步电机和永磁电机提供高性能控制，包括极低转速下的转矩和转速精度，以及无需传感器即可通过磁通矢量控制实现动态运动。用于三相同步和异步电机时，这些 VFD 具备以下特性：

• 支持高速电机
• 实现开环同步电机的静态速度精度
• 灵活的系统集成选项，包括以太网、CANopen、Profibus、EtherCAT、DeviceNet 等
• 符合功能安全标准的集成安全功能
• 紧凑型和书本式驱动器等类型的驱动器防护等级从 IP20 到 IP66 不等，可集成到不同类型的机柜中（图 2）

图 2：Altivar 320 VFD 具有多种外形尺寸，可简化安装并最大限度提高设备机柜中的空间利用率。（图片来源：DigiKey）

高性能多轴机器

Modicon 以太网交换机和可编程逻辑控制器 (PLC) 可支持高性能设计，从单一独立轴机器到要求高速精确定位和运动的高性能同步多轴机器，如机器人。

这些 IIoT 原生边缘控制器可使用消息队列遥测传输 (MQTT)、开放平台通信统一架构 (OPC UA) 服务器和客户端以及传输层安全 (TLS) 加密技术直接连接到云平台，并具有嵌入式安全和网络安全功能。双以太网端口可支持 Ethernet/IP 和 Modbus TCP 协议。此外，还配备了 RS232 和 RS485 端口、USB 端口和 SD 卡插槽。

TM262L 控制器可用于多种输入/输出装置的逻辑控制，包括四个快速数字输入和四个快速数字输出。[TM262L10MESE8T]型控制器的执行速度为每条指令 5 ns。双核处理器可有效管理并行应用和通信（图 3）。

图 3：Modicon M262 PLC 提供 IIoT 就绪型机器对云以及机器对工厂的以太网连接。（图片来源：DigiKey）

Modicon M262 系列的 TM4 总线最多支持 3 个通信扩展模块。Profibus DP ([TM4PDPS1]) 和以太网 ([TM4ES4]) 扩展模块可以多种组合方式使用，最多可使用三个模块。

防范异常

有时，必须保护机器（包括 IIoT 就绪型机器），使其免受异常条件的影响。这正是 [Harmony 控制继电器]的用武之处。这些器件们可以监控电气和机械状况，并识别与电流、电压、相位、频率、速度、温度、泵控制，甚至液位有关的异常。

在泵送、水处理、升降机、包装系统和纺织机械等应用中，快速准确地识别异常条件可以延长正常运行时间，减少计划外维护的需求。Harmony 控制继电器提供广泛的功能，可满足特定应用需求。

[RMNF22TB30] 型三相继电器集成了近场通信 (NFC) 功能。其可监控七个参数：缺相、相序、不对称、欠压、过压、欠频和过频。利用 NFC 应用程序，设计人员可以使用 AND、OR 和 NOT 逻辑为两个可单独配置的继电器输出构建自定义监控组合。

对于只需要过压监控的简单机器，设计人员可以使用 [RM22UA21MR]（图 4）。这款单相控制继电器具有可选的记忆功能，内置 LED 指示灯可显示控制状态。螺旋微调器可实现简单精确的阈值设置，并提供自动关机管理和故障信息，支持快速故障识别和排除。

图 4：开关容量为 2 kVA 的单相过压控制继电器。（图片来源：DigiKey）

基本保护

若应用可从更基本的保护受益，则可以选择采用额定电流为 15 至 125 A 的 PowerPacT 断路器，其中有单极、双极、三极和四极可供选择。这些热磁断路器具有正极触点指示，并能提供符合 IEC/EN60947-1 和 IEC/EN60947-2“低压开关设备和控制装置”标准的隔离。

[BDF16020]型为 20 A 单极装置，额定工作电压为 240 VAC 50/60 Hz，符合 UL 489 标准。其连续额定电流为最大额定电流的 80%，根据 IEC 60947-2 标准，达到“服务分断”等级（图 5）。VisiTrip LED 读出器可让您更容易地看到外壳或面板中哪个断路器跳闸。其还有一个二维码，可用于获取信息，包括说明手册、部件号和 CAD 图纸。

图 5：这类断路器提供正极触点指示，符合 IEC/EN60947 规定的隔离要求。（图片来源：DigiKey）

集成现场总线节点

TeSys 是一种数字 IIoT 连接负载管理解决方案，可在现场总线网络中充当一个集成节点，其中包括实施 IIoT 就绪型机器所需的模块。此解决方案依托多功能器件和虚拟用户，适用于负载高达 80 A 的工业应用，可缩短设计、布线和调试时间。

像 [TPRBCEIP]之类的总线耦合器是核心模块，通过带状电缆与 TeSys island 模块进行内部通信。该模块也是 TeSys island 与使用 EtherNet/IP 或 Modbus TCP 通信的外部自动化系统之间的连接点。一个嵌入式 Web 服务器提供诊断和维护支持。其中包括一个以太网 RJ45 服务端口、微型 SD 卡端口和一个用于连接 island 内各个模块的内部总线端口。典型配置包括（图 6）：

1. 总线耦合器
2. 模拟输入/输出模块
3. 数字输入/输出模块
4. 电压接口模块
5. 标准起动器
6. 安全完整性等级 (SIL) 起动器
7. SIL 接口模块
8. 电源接口模块

图 6：TeSys island 中的组合单元在现场总线网络中充当单一节点。（图片来源：Schneider Electric）

典型的 TeSys island 模块包括：

• [LC1DT406BL]40 A、四极常开 TeSys Deca 接触器，符合 IEC60335-1 标准，适用于工业和 HVAC 系统
• [LC1G115EHEN] 150 A（440 VAC 时功率 75 kW）、三极常开 TeSys Giga 接触器，设计用于要求苛刻的应用场合，工作频率高达 600 次/小时，工作温度高达 +60°C
• [TPRDG4X2] 数字 I/O 模块，有四个数字输入和两个数字输出，可管理高达 65 A（37 kW，40 hp）的电机和其他电气负载。所有调节和设置均实现数字化，没有机械式刻度盘或 DIP 开关
• [TeSys island 通信电机起动器]，额定功率高达 40 hp（480 V 下 80 A）。这些 SIL 起动器符合 IEC 61508、IEC 62061 和 ISO 13849-1 的要求，支持 PL d 和 SIL 2。

TeSys island 还支持综合解决方案，并可与 Rockwell Studio 5000 和 Siemens TIA 门户环境轻松集成，以支持旧式机器。

全部整合在一起

当需要制造完整的机器时，设计人员可以使用 EcoStruxure Machine Expert。该软件解决方案支持 IIoT 就绪型机器的开发、配置、调试、运行和维护。

EcoStruxure Machine Expert 可以处理所有最新的 IIoT 机器构建模块，包括 Modicon 的 M262 PLC 和 TeSys Island 数字负载管理系统。其旨在提供针对安全性、可靠性、效率、连接性和可持续性进行了优化的机器。该解决方案将 IIoT 与移动性、传感、云平台、分析和网络安全解决方案相结合，来完成这项复杂的任务。

结语

IIoT 就绪型机器是工业 4.0 运营的一个重要环节。设计、调试和集成这些机器是一项复杂的任务。Schneider Electric 为机器设计人员提供了一整套适用于 IIoT 就绪型机器的器件和软件工具，可在组织的各个层级和机器的整个生命周期内提高运营效率。

审核编辑 黄宇