כיצד הטמעה מהירה וקלה של‏ וסתי מנוע תעשייתי יכולים לשפר קיימות ופרודוקטיביות

תהליכים מהירים הם סימן ההיכר של מפעלי Industry 4.0 ותפעול לוגיסטי. ישנו מגוון רחב של יישומים הדורשים מנועים ווסתי מהירות משתנה (VSDs) מדורגים 0.12 קילו-ואט (kW) עד 30‎ kW‏ (0.16 כוח-סוס (hp) עד 40‎ hp).

וסתי ה-VSD עבור יישומים אלה חייבים להיות קלים להתקנה ומדורגים לעבודה מ-10‎°C- עד 60‎°C+. וסתים גדולים יותר חייבים לכלול קוצצי בלימה (braking choppers) משולבים, ויישומים מסוימים דורשים תאימות אלקטרומגנטית (EMC‏) מקטגוריה 1‏C‏ של‏ EN 61800‑3. וסתי ה-VSD‏ חייבים להיות קלים לשימוש, לעבוד בתחום רחב של מתחי רשת ולהסתגל אוטומטית למתחי רשת לא יציבים כדי להבטיח עבודה רציפה.

יישומים רבים הופכים סדרת תנועות פשוטה לאוטומטית ואינם דורשים בקרים לוגיים ניתנים לתכנות (PLCs), אך הם יכולים להיות מוטמעים תוך שימוש בפקודות מאקרו מתוכנתות מראש או בהתקנים פשוטים כמו טועני פרמטרים, לוחות הפעלה בסיסיים (BOPs) או מודולי גישה חכמים.

לבסוף, וסתי VSD‏ אלה חייבים להיות חסכוניים להפעלה ולכלול פונקציות חוסכות אנרגיה משולבות כמו הפחתת שטף אוטומטית בתנאי הפעלה קבועים מראש, כמו גם היכולת לנטר ולהציג צריכת אנרגיה בזמן-אמת.

מאמר זה מתחיל עם‏ סקירה כללית של משפחת‏ ה-SINAMICS V20 של וסתי‏ VSD‏ מבית Siemens‏ והמאפיינים המאפשרים להם להגביר קיימות ופרודוקטיביות. לאחר מכן הוא מתעמק באופן שבו פקודות מאקרו מתוכנתות מראש והתקנים כמו טועני פרמטרים, לוחות BOP או מודולי גישה חכמה יכולים לתמוך בהטמעה מהירה, עבודה יעילה ותחזוקה שוטפת.

וסתי SINAMICS V20 ניתנים להפעלה היישר מהקופסה ללא תוספת מודולים או בקרים חיצוניים. לוח ה-BOP המשולב תומך בהטמעה באתר. נוסף לכך, ממשק טורי אוניברסלי יכול לשמש לחיבור עם בקרים לוגיים ניתנים לתכנות (PLCs)‏ SIMATIC‏ של Siemens עבור פעולות מורכבות. ממשק ה-Modbus יכול להתחבר עם בקרי PLC צד-שלישי והתקנים אחרים.

עבור יחידות עם‏ דירוג הספק של מעל ‎10 hp,‏ ניתן לחבר נגד בלימה ישירות לקוצץ בלימה (braking chopper), ודגמים מסוימים תואמים עם EMC מקטגוריה C1 של EN 61800‑3. וסתי SINAMICS V20 מוגדרים לעבוד מ-10°C- עד ‎60°C+ וזמינים עם דירוגי הספק מ-0.12‎ kW עד 30‎ kW‏. הדוגמאות כוללות (איור 1):

• דגם 6SL32105BB175UV1, מדורג ל-‎0.75 kW‏, עובד מאספקת כוח חד-פאזית של 230‎ V_AC
• דגם 6SL32105BB230UV1, מדורג ל-‎3 kW‏, עובד גם כן מאספקת כוח חד-פאזית של 230‎ V_AC
• דגם 6SL32105BE322CV0, מדורג ל-‎22 kW‏, עובד מאספקת כוח תלת-פאזית של 400‎ V_AC

איור 1: דוגמאות של וסתי SINAMICS V20,‏ ‎0.75 kW‏ (שמאל) ו-kW‏ 22‏ (ימין) (לא בקנה מידה). (מקור תמונה: DigiKey‏)

אופני בקרה משולבים בווסתי SINAMICS כוללים וולט סקלרי להרץ (V/f),‏ V/f ניתן-לתכנות רב-נקודתי, V²/f‏ שמתאים את השטף באופן אוטומטי כדי לחסוך באנרגיה, ובקרת זרם שטף (FCC) המתאימה אוטומטית את יציאת הווסת לעומס.

אופן הפעולה Keep Running מסתגל באופן אוטומטי כדי לפצות על אספקת חשמל לא יציבה (איור 2‏). באופן עבודה זה, תנודות מתח קו מקוזזות פנימית, מהירות מנוע מוקטנת אוטומטית כדי למנוע כיבוי לא מתוזמן ובמידת הצורך נשלחת הודעת שגיאה. זה יכול להיות שימושי במיוחד ביישומי אוטומציה של בניינים כמו משאבות ומאווררים במפעלי עיבוד מים או מי שופכין ובמערכות חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC).

איור 2‏: אופן פעולה Keep Running של SINAMICS V20 תומך בעבודת מנוע רציפה אפילו במקרה של הפרעות במתח הרשת. (מקור תמונה: Siemens‏)

מקסום יעילות

בהתאם ליישום, ניתן להגדיל יעילות על ידי כוונון מהירות המנוע כך שתתאים לתהליך הנוכחי. לדוגמה, במקרה של מכונות טורבו (מכונות המעבירות אנרגיה בין רוטור לנוזל) כמו משאבות, עבודה במהירות משתנה יכולה לחסוך עד 60% מהאנרגיה בהשוואה לעבודה במהירות קבועה.

לוסתי SINAMICS V20 יש מצב בקרה ‏ממוטבת-אנרגיה (ECO) משולב להגברת יעילות. במצב ECO, שטף המנוע מותאם אוטומטית לנקודת העבודה האופטימלית.

וסתים אלה ניתנים להעברה למצב היברנציה, שמכבה את המנוע, תוך שמירה על המצב הנוכחי של הווסת. מצב היברנציה מפחית משמעותית צריכת אנרגיה תוך כדי שמירת וסת המהירות המשתנה במצב מוכן לאתחול-מחדש מיידי, לפי הצורך.

שימוש בסדרת פונקציות עוקבות ומאזנות אנרגיה משולבות להלן יכול להוסיף ולהגדיל יעילות אנרגטית:

שימוש בסדרת פונקציות עוקבות יכול לשמש ביישומי משאבות, מאווררים ומדחסים בעלי יציאה-גבוהה המשתמשים במספר מנועים. חיבור וניתוק פאזה תוך שימוש בסדרת פונקציות עוקבות נשלטות חלקית או במלואן יכולים לשפר יעילות מערכת כוללת ללא אובדן ביצועים.

איזון אנרגיה באמצעות וסתים מצומדים מאפשר החלפת אנרגיה דרך ה-DC Link‏ המשותף. חילופי אנרגיה ישירים אלה בין מהפכים יכולים למזער את הפסדי ההספק הכוללים של המערכת ולשפר את הנצילות.

ה-BOP על וסתי SINAMICS יכולים להציג צריכת אנרגיה בזמן-אמת. מונה חסכון אנרגיה יכול לחשב את צריכת האנרגיה במהלך עבודת מכונה בהשוואה לעבודה במהירות קבועה, לאפשר למפעילים לכוונן תהליכים ולשפר עוד יותר את החיסכון והקיימות.

העלאת קיימות

Siemens‏ פרסמה את הצהרת המוצר הסביבתי (EPD) של SINAMICS V20, כולל‏ הערכת השפעה על מחזור החיים (LCIA‏) המבוססת על International Standards Organization (ISO) 14021, תגים והצהרות סביבתיים - טענות סביבתיות מוצהרות עצמית - תיוג סביבתי מסוג II.

LCIA‏ זה התבסס על המודל 6SL3210-5BE21-5UV0, המדורג ל-‎1.5 kW‏ ומתח רשת תלת-פאזי של 380‎ V_AC עד 480‎ V_AC. הוא בוחן את ההשפעות של ייצור, הפצה, הפעלה, הוצאה מכלל שימוש בסוף החיים, וסילוק ומיחזור של וסתי‏ SINAMICS V20. ההשפעה המשמעותית ביותר היא מהפעלה לאורך 15 שנות חיים משוערות של הווסתים. הניתוח התבסס על 5,000 שעות עבודה לשנה ושלוש נקודות עבודה (OP‏):

• OP1: %‏20‏ מהזמן במהירות של 100% ו-100% מומנט פיתול
• OP2: %‏70‏ מהזמן במהירות של 50% ו-25% מומנט פיתול
• OP3: %‏10‏ מהזמן במהירות של 20% ו-25% מומנט פיתול

לפי הערכה, עבודת וסת מיצרת שווה ערך ל-1,059.13 ק"ג CO₂ במשך 15 שנים, בעוד ייצור מייצר רק שווה ערך ל-40.6 ק"ג CO₂, והוצאה מכלל שימוש, סילוק ומיחזור זוקפים לזכותם לכידה מחדש של חלק מפליטות גזי החממה בכמות שוות ערך ל-3.6 ק"ג CO₂.

בתפעול Industry 4.0‏, הטמעה מהירה וגמישה יכולה להיות היבט חשוב של מקסום חיסכון באנרגיה וקיימות. למשתמשים יש מספר אפשרויות להאצת תהליך ההטמעה של וסתי‏ SINAMICS V20 כדי לתמוך בהחלפות מהירות.

הטמעה מהירה עם פקודות מאקרו

פונקציית ההטמעה המהירה משנה ארבעה סטים של פרמטרים בו-זמנית, כולל נתוני מנוע, פקודות מאקרו של חיבור, פקודות מאקרו של יישום ופרמטרים חשובים. נתוני מנוע מתחילים עם בחירת פרמטרים אירופיים או צפון אמריקאיים (לדוגמה, kW‏‏ לעומת hp), מתח נקוב, זרם, הספק, תדירות, נצילות, וכו'.

פקודות המאקרו של חיבור ויישום הן היבטים חשובים במיוחד של‏ הטמעה מהירה:

• פקודות מאקרו של חיבור כוללות זיהוי ה-BOP כמקור הבקרה היחיד או אפשור בקרה מהדקי PNP/NPN, מהירויות קבועות, כניסה אנלוגית, תדירות קבועה, בקרת לחצן חיצוני, לחצן חיצוני עם נקודת הגדרה אנלוגית, בקרת PID‏ עם כניסת ייחוס אנלוגי, בקרת PID עם ייחוס הערך הקבוע, בקרת USS ובקרת MODBUS RTU.
• אפשרויות המאקרו של היישום כוללות משאבה פשוטה, מאוורר, מדחס ומסוע. לדוגמה, הפרמטרים הכלולים במאקרו המשאבה הפשוטה הם תדירות מינימלית, אופן בקרה, חוסם נקודת הגדרת תדר, הפעלה מחדש אוטומטית וזמן הגעה לפעולה מלאה (ramp-up time).

פרמטרים בדידים כמו נקודת הגדרת תדר, תדירות מינימלית ומקסימלית, וזמני הגעה לפעולה מלאה (ramp-up time) ולעצירה מלאה (ramp-down time) ניתנים להתאמה מיוחדת במהלך הטמעה מהירה. בנוסף לזרוז הטמעה, שימוש בפונקציית ההטמעה המהירה יכול למנוע שגיאות מקביעת פרמטרים לא נכונים, מה שמקצר עוד יותר זמני פריסה.

שכפול פרמטרים לווסתי מהירות משתנה (VDSs) מרובים

לאחר השלמת הסטים של הפרמטרים, טוען פרמטרים יכול לטעון ולהוריד סטים של פרמטרים בין ה-V20‏ וכרטיס SD‏. טוען הפרמטרים וכרטיס SD‏ ניתנים לשימוש עבור שכפול סטים של פרמטרים לרוחב וסתים מרובים. ניתן להוריד פרמטרים אל וסתים אפילו לפני מסירת הווסתים לרצפת המפעל, ובכך להאיץ עוד יותר את תהליך ההטמעה ולהקטין את הצורך בתמיכה טכנית.

בנוסף לחריץ כרטיס ה-SD‏, לטוען הפרמטרים V20 יש מקום לשתי סוללות ראשיות בגודל AA שיכולות להזין את הווסת במהלך הורדת פרמטרים מבלי להיות מחובר למקור כוח רשת. לטוען הפרמטרים V20 יש גם ממשק Micro USB הניתן לחבר לספק כוח חיצוני של 5‎ V_DC‏, שמבטל את הצורך בסוללות ראשיות (איור 3‏).

איור 3‏: ניתן להשתמש בטוען פרמטרים אופציונלי כדי לטעון או להוריד פרמטרים של וסת V20 לכרטיס SD‏ ומאפשר שכפול מהיר של‏ פרמטרים לווסתים מרובים. (מקור תמונה: Siemens‏)

BOP חיצוני

ניתן להשתמש ב-BOP חיצוני אופציונלי עבור בקרה מרחוק של‏ מהפכי V20. ה-BOP החיצוני‏ מתוכנן להיות מותקן בצד החיצוני של ארון הציוד ומקושר אל מודול ממשק המוצמד לווסת. ה-BOP החיצוני ומודול הממשק תומכים בחיבוריות RS232‏ וניתן לקשר ביניהם על ידי שימוש בכבל באורך של עד 3 מ'.

בהתקנה מתאימה, ה-BOP החיצוני יכול לספק דירוגי מארז IP54 ו-UL/cUL Type 1,‏ מספק הגנה לאנשי צוות מפני גישה למתחים מסוכנים והגנה לווסת ה-V20 מפני חומר זר מוצק כמו לכלוך ואבק. ה-BOP החיצוני משכפל את ממשק ה-BOP המשולב ב-V20 (איור 4‏).

איור 4‏: BOP חיצוני יכול לשלוט על וסתי V20 ממרחק של עד 3 מ' מחוץ לארון הבקרה. (מקור תמונה: Siemens‏)

בקרה אלחוטית

כדי להשיג את הגמישות האולטימטיבית בתהליך ההטמעה, משתמשים יכולים לפנות אל המודול SINAMICS V20 Smart Access (איור 5‏). מודול ה-Smart Access מתחבר ישירות לחזית של ה-V20‏ והוא מודול שרת אינטרנטי עם קישוריות Wi-Fi‏ משולבת. הוא תומך בתהליך הטמעה מבוסס-אינטרנט וניטור של וסתי‏ V20 מהתקני משתמש כמו‏ מחשב נייד עם מתאם רשת‏ אלחוטית, טאבלט או ‏סמארטפון. ניתן להשתמש בו עם כל מערכת הפעלה ודפדפן אינטרנטי בעל יכולת HTML5 כמו Chrome‏, Internet Explorer‏ (IE‏) ו-Safari‏.

איור 5‏: מודול Smart Access זה מספק קישוריות Wi-Fi‏ עבור תהליך הטמעה, בקרה, ניטור ודיאגנוסטיקה של וסתי V20. (מקור תמונה: DigiKey‏)

SINAMICS V20 Smart Access מספק גישה קלה לווסת, אפילו באזור קשה לגישה. ממשק המשתמש הגרפי (GUI) האינטואיטיבי ואשף (wizard) תהליך ההכנה לפני הכנסה לשירות עושים אותו קל לשימוש. Smart Access תומך באותו אשף (wizard) כינון מהיר כמו ה-BOP עבור תהליך הכנה לפני הכנסה לשירות מהיר וקל, כולל:‏

• הזנת נתוני מנוע
• פקודות מאקרו חיבור ניתנות להפעלה
• פקודות מאקרו יישום ניתנות לבחירה והפעלה
• ניתן להגדיר פרמטרים המשמשים לרוב

ניתן להגדיר תצורה של Smart Access שיספק קודים של תקלה דרך דוא"ל עבור ניטור מרחוק באופן ישיר, והוא כולל מספר מאפייני אבטחה לבקרת גישה לנתונים ופונקציות בקרה. Smart Access מספק פונקציונליות אלחוטית מקיפה מבוססת-אינטרנט, כולל:

• תהליך הכנה לפני הכנסה לשירות מהיר
• פרמטריזציה של ממיר
• הפעלת מנוע במצב JOG/HAND
• ניטור מצב V20
• דיאגנוסטיקה של תקלה ואזעקה
• גיבוי ושחזור נתונים

סיכום

וסתי SINAMICS V20 מבית Siemens מתמקדים בקיימות וגמישות. וסתים אלה, עם אופני פעולה רבים ופונקציות חוסכות-אנרגיה, יכולים למקסם יעילות במגוון רחב של יישומי תנועה פשוטים מ-‎0.12 kW עד ‎30 kW. אופן עבודה Keep Running מבטיח פעולה רציפה של תשתיות קריטיות כמו‏ עיבוד מי שופכין ומים, ומערכות חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC) במערכות אוטומציה של בניינים. גמישות נתמכת על ידי המספר הרב של אופנים ליישום תהליך הטמעה מהיר תוך שימוש ב-BOP המשולב,‏ BOP הממוקם רחוק, קישוריות אלחוטית עם מודול Smart Access, ובנוסף פקודות מאקרו יישום מתוכנתות-מראש וכלים אחרים.