כיצד לתכנן ולפרוס במהירות מכונות מוכנות-IIoT‏‏

תכנון ופריסה מהירה של מכונות מוכנות לאינטגרציה לתוך אינטרנט של דברים תעשייתי (IIoT) הוא מאתגר. מכונות מאופשרות-IIoT‏ חייבות לתמוך בהפעלה מהירה של תקשורת וקואורדינציה של מכונה-למכונה, מכונה-למפעל ומכונה-לענן.

זה דורש פתרון מקיף. הוא חייב לכלול מערך שלם של מודולי בקרה, ממשק ותקשורת. מדרגיות היא חובה. היא חייבת לתמוך בהתקנה מפושטת עבור פריסה מהירה. לבסוף, הפתרון חייב להשתלב בקלות בסביבה‏ מרובת ספקים כדי לתמוך בציוד מדור קודם.

התגמול הוא יעילות תפעולית גבוהה יותר בכל רמות הארגון ולאורך כל מחזורי החיים של המכונות.

מאמר זה סוקר כיצד אפשרויות בקרת מנוע מבית Schneider Electric‏ מספקות למתכננים פתרונות אוטומציה מקצה-לקצה. הוא מציג את המאפיינים והיתרונות של מתנעים רכים‏ Altistart, מניעי Altivar, מתגי Modicon Ethernet ובקרים לוגיים ניתנים-לתכנות (PLCs), ממסרי בקרה Harmony ומפסקי זרם PowerPacT.

אחר כך הוא מפרט כיצד האלמנטים של מערכת ה-TeSys island תומכים בפתרונות מקיפים וכיצד המערכת משתלבת בקלות עם סביבות Rockwell Studio 5000 ו-Siemens TIA Portal כדי לתמוך במכונות מדור קודם, ומסתיים בהסתכלות על כיצד תוכנת EcoStruxure Machine Expert של Schneider Electric מאיצה פיתוח, הגדרת תצורה והכנסה לשירות של מכונות מוכנות IIoT.

תנועה היא מאפיין בסיסי של‏ מכונות תעשייתיות. היא מיושמת בדרכים שונות, החל מפרופילי תנועה פשוטים במערכות כמו משאבות, מסועים ומנופים עד פרופילי תנועה מורכבים בתפעול תהליכים והרכבה ורובוטיקה.

מכונות עם פרופילי תנועה פשוטים יכולות להפיק תועלת מהמאפיינים המצויים במתנעים רכים כמו משפחת המתנעים הרכים Altistart. מתנעים רכים Altistart תומכים בפעולות הבאות:

• האצה מבוקרת שמפחיתה זעזועים מכניים העלולים להגדיל בלאי ולהוביל לצורכי תחזוקה וזמן השבתת מכונה מוגדלים
• הגבלת זרמי התנעה כדי להקטין שימוש באנרגיה
• הגנה על מנועים מפני נחשולי מתח העלולים לקרות במהלך התנעה, ובכך שיפור אורך חיי מנוע
• אמינות גבוהה יותר על ידי גילוי תקלות כגון‏ מנוע חסום, תת-עומס או הארקה לא נכונה, ומשלוח התרעה למפעילי מכונות

מכונות בסיסיות שאינן דורשות מומנט התנעה גבוה יכולות לפנות אל מתנעים רכים מסדרת ATS01. הפעלת הכניסה הלוגית BOOST מאפשרת את היישום של דחיפת מתח שווה ל-100% של מתח המנוע הנומינלי למשך 200 מילי-שניות (ms) כדי להתגבר על חיכוך התחלתי במערכת. העלאת המתח המתוכנתת מתחילה לאחר הדחיפה.

דגם ה-ATS01N232RT‏ הוא עבור התנעה ועצירה רכה של מנועים אסינכרוניים תלת-פאזיים עד ‏15‏ קילו-וואט (kW‏‏) (‏20‏ כוח-סוס (hp)) עם זמני האצה והאטה מ-1 עד ‏10 שניות. הוא ממוטב עבור יישומים מונעי-חגורה פשוטים כמו משאבות, מדחסים ומאווררים העובדים מ-‎440 V_AC עד ‎480 V_AC. פקדים נמצאים בלוח הקדמי כדי להגדיר את זמן ההתחלה, מתח התחלתי וזמן העצירה עבור התקנה והפעלה.

מתכנני מכונות ל‏תהליכים ותשתיות תובעניים יותר כמו מערבלים, מגרסות ומסועים יכולים לפנות אל סדרת ה-Altivar ATS480‏ של מתנעים רכים. בעוד שמתנעים רכים פשוטים יותר משתמשים במדרגות מתח, המתנעים הרכים ATS480‏ משתמשים‏ במדרגת מומנט רכה יותר ויכולים ליישם פונקציית בלימה.

דגם ה-ATS480C11Y עובד עם מתחים מ-208‎ V_AC עד ‎690 V_AC (איור 1). בהתאם למתח מנוע, ניתן להשתמש בו עם מנועים מ-22‏ עד ‎90 kW ‏(25 עד 100‎ hp). יש לו יציאת תקשורת טורית‏ Modbus עם מחבר RJ45‏. כרטיסי תקשורת אופציונליים זמינים עבור Profibus‏, PROFINET‏, Modbus TCP/EtherNet/IP‏ ו-CANopen.

איור 1‏: מתנע רך Altivar זה‏ מתוכנן לשימוש עם מנועים אסינכרוניים מ-22‏ עד ‏‎90 kW‏‏. (מקור תמונה: DigiKey‏)

הנעת מכונות יותר מתקדמות

ניתן לתמוך בפרופילים מורכבים של תנועה במכונות מתקדמות באמצעות מניעי תדר משתנה (VFDs‏)) כמו משפחת ה-Altivar 320 עם יחידות מדורגות מ-8‏0.1‏ עד ‏‎15 kW‏‏ (5‏0.2‏ עד ‏‎20 hp) עבור יישומים כמו טיפול בחומרים, אריזות, בדים, הרמה, מפעילים (Actuators‏) מכניים ועיבוד חומרים. ה-ATV320U75M3C מדורג עבור 7.5‎ kW ועובד ממתח אספקה של ‎200 V_AC עד ‎240 V_AC.

כדי להאיץ הגדרת תצורה והכנסה לשירות, מניעים אלה כוללים 150 פונקציות, וישנן תצורות סטנדרטיות וניתנות להתאמה מיוחדת. אלו פונקציות ייעודיות עבור יישומים כמו טיפול בחומרים, בדים, הרמה ומפעילים (Actuators‏) מכניים.

מניעי Altivar 320 VFD‏ מספקים בקרת ביצועים-עיליים של מנועי‏ מגנט קבוע ואסינכרוניים, כולל דיוק מומנט ומהירות במהירויות נמוכות מאד ותנועה דינמית עם בקרת וקטור שטף ללא חיישן. כשמשתמשים בהם עם מנועים אסינכרוניים וסינכרוניים תלת-פאזיים, מניעי VFD אלה‏ כוללים:

• תמיכה של‏ מנועי מהירות-גבוהה
• דיוק מהירות סטטית עבור מנועים סינכרוניים בחוג-פתוח
• אפשרויות של אינטגרציית מערכת גמישה, כולל Ethernet‏, CANopen,‏ Profibus‏, EtherCAT‏, DeviceNet ועוד
• פונקציות בטיחות משולבות התואמות לתקני בטיחות פונקציונלית
• פורמטים כמו מניעי ספר וקומפקטיים עם דרגות הגנה מ-IP20 עד IP66 תומכים באינטגרציה לתוך סוגי ארונות שונים‏ (איור 2‏)

איור 2‏: מניעי ‏Altivar 320 VFD זמינים בגורמי צורה שונים כדי לפשט התקנה ולמקסם ניצול מקום בארונות ציוד. (מקור תמונה: DigiKey‏)

מכונות ביצועים-עיליים מרובות-צירים

מתגי Modicon Ethernet ובקרים לוגיים ניתנים-לתכנות (PLCs) יכולים לתמוך בתכני ביצועים-עיליים מציר ‏בלתי-תלוי יחיד עד מכונות מרובות-צירים ביצועים-עיליים מסונכרנות הדורשות מהירות-גבוהה ותנועות ומיקום מדויקים כמו רובוטיקה.

בקרי קצה מקוריים אלה של IIoT יכולים להתחבר ישירות לענן תוך שימוש ב-Message Queuing Telemetry Transport‏ (MQTT‏), שרת ולקוח Open Platform Communications Unified Architecture ‏(OPC UA), והצפנת Transport Layer Security‏ (TLS‏), והם בעלי פונקציות בטיחות ואבטחת סייבר משובצות. יציאת ה-Ethernet‏ הכפולה יכולה לתמוך ב-EtherNet/IP‏ ופרוטוקולים Modbus TCP. ישנן גם יציאות RS232‏ ו-RS485, יציאת USB וחריץ עבור כרטיס SD.

בקרי TM262L הם עבור בקרה לוגית של סידורי כניסה/יציאה מרובים, כולל ארבע כניסות דיגיטליות מהירות וארבע יציאות דיגיטליות מהירות. דגם ה-TM262L10MESE8T הוא בעל מהירות‏ ביצוע של‏ ‏5‏ ננו-שניות (ns‏) לפקודה. מעבד הליבה-הכפולה מנהל ביעילות יישומים מקבילים ותקשורת (איור 3‏).

איור 3‏: ‏Modicon M262 PLC זה מספק קישוריות Ethernet מכונה-לענן ומכונה-למפעל מוכן-IIoT‏. (מקור תמונה: DigiKey‏)

אפיק הנתונים TM4 במשפחת ה-Modicon M262 תומך בעד 3‏ מודולי הרחבת תקשורת. מודולי הרחבה Profibus DP‏ (TM4PDPS1) ו-Ethernet‏ (TM4ES4) ניתנים לשימוש בצירופים שונים עד למקסימום של‏ שלושה מודולים.

דחיית אנורמליות

לפעמים, מכונות, כולל מכונות מוכנות-IIoT‏, חייבות להיות מוגנות מפני תנאים אנורמליים. זהו היכן שממסרי בקרה Harmony באים לידי ביטוי. הם יכולים לנטר תנאים חשמליים כמו גם מכניים ולזהות אנורמליות הקשורה לזרם, מתח, פאזה, תדר, מהירות, טמפרטורה, בקרת משאבה ואפילו רמת נוזל.

זיהוי מהיר ומדויק של‏ אנורמליות יכול להגדיל משך זמן פעולה ללא תקלה ולהקטין את הצורך בתחזוקה לא מתוכננת ביישומים כמו שאיבה, עיבוד מים, הרמות והעלאות, מערכות אריזה ומכונות טקסטיל. ממסרי בקרה Harmony זמינים עם מגוון רחב של פונקציות כדי להתאים ליישומים ספציפיים.

דגם RMNF22TB30‏ הוא ממסר‏ תלת-פאזי עם תקשורת שדה-קרוב (NFC) משולבת. הוא יכול לנטר שבעה פרמטרים: הפסדי פאזה, סדר פאזות, אסימטריה, תת-מתח, מתח-יתר, תת-תדירות ותדירות-יתר. על ידי שימוש באפליקציית ה-NFC, מתכננים יכולים להשתמש בלוגיקות AND, ‏OR או NOT כדי ליצור צירופי ניטור מותאמים במיוחד עבור שתי יציאות הממסר הניתנות להגדרה בנפרד.

עבור מכונות פשוטות יותר הדורשות ניטור מתח-יתר בלבד, מתכננים יכולים לפנות אל ה-RM22UA21MR (איור 4‏). ממסר בקרה חד-פאזי זה כולל‏ פונקציית זיכרון ניתנת-לבחירה ונורית LED אינטגרלית המציינת את מצב הבקרה. טרימרי הבורג מאפשרים הגדרות סף פשוטות ומדויקות, וזה מספק ניהול כיבוי אוטומטי ומידע על תקלות לזיהוי תקלות מהיר ולפתרון בעיות.

איור 4‏: ממסר בקרה מתח-יתר חד-פאזי עם‏ יכולת מיתוג של‏ 2‎ kVA‏. (מקור תמונה: DigiKey‏)

הגנה בסיסית

יישומים היכולים להפיק תועלת מהגנה בסיסית יותר יכולים לפנות אל מפסקי זרם PowerPacT מדורגים מ-‏15‏ עד ‎125 A וזמינים עם קוטב אחד, שני-קטבים, שלושה-קטבים וארבעה-קטבים. למפסקי זרם מגנטיים תרמיים אלה יש חיווי מגע חיובי ומספקים בידוד בהתאם לתקני IEC/EN60947-1 ו-IEC/EN60947-2 עבור “ציוד מיתוג מתח נמוך וציוד בקרה”.

דגם BDF16020‏ הוא יחידת קוטב-יחיד‏ ‎20 A‏ עם‏ מתח הפעלה נקוב של ‎240 V_AC 50/60 Hz‏ בהתאם ל-UL 489‏. דירוג הזרם הרציף שלו הוא 80% מהדירוג המקסימלי, ומדורג ‏“מפסק שירות” (“service breaking”) בהתאם ל-IEC 60947-2 (איור 5‏). קריאת ה-VisiTrip LED מקל לראות איזה מפסק מעד במארז או בלוח. יש לו גם קוד QR לגישה למידע, כולל מדריך ההוראות, מק"טים ושרטוטי CAD.

איור 5‏: מפסקי זרם כאלה מציעים חיווי מגע חיובי ועומדים בדרישות הבידוד של‏ IEC/EN60947. (מקור תמונה: DigiKey‏)

צמתי Fieldbus משולבים

TeSys‏ הוא פתרון דיגיטלי לניהול עומסים מחובר ל-IIoT הפועל כצומת משולב ברשת ‏Fieldbus וכולל את המודולים הנחוצים ליישום מכונה‏ מוכנה-IIoT‏. הוא מבוסס על מכשירים רב תכליתיים ואווטארים ליישומים תעשייתיים עם עומסים של עד 80‏ אמפר ויכול להאיץ זמני תכנון, חיווט והכנסה לשירות.

מצמד אפיק כמו ה-TPRBCEIP הוא מודול הליבה המספק תקשורת פנימית עם מודול ה-TeSys island‏ דרך כבלים שטוחים. הוא גם נקודת החיבור בין TeSys island‏ ומערכת אוטומציה חיצונית תוך שימוש בתקשורת EtherNet/IP‏ או Modbus TCP. שרת אינטרנט משובץ תומך בדיאגנוסטיקה ותחזוקה. הוא כולל יציאת שירות RJ45‏ אחת דרך Ethernet‏, נקודת חיבור כרטיס Micro-SD‏ ונקודת חיבור עבור אפיק הנתונים הפנימי המחבר את המודולים של ה-island. תצורה אופיינית כוללת (איור 6):

1. מצמד אפיק נתונים‏
2. מודול כניסה / יציאה אנלוגית
3. מודול כניסה / יציאה דיגיטלית
4. מודול ממשק מתח
5. מתנעים סטנדרטיים
6. מתנע Safety Integrity Level‏ (SIL‏)
7. מודול ממשק SIL
8. מודול ממשק אספקת כוח

איור 6‏: היחידות המשולבות ב-TeSys island פועלות כצומת יחיד ברשת Fieldbus. (מקור תמונה: Schneider Electric‏)

מודולי דוגמה TeSys island כוללים:

• LC1DT406BL‏ ‎40 A,‏ 4-קטבים, פתוח-במצב-רגיל (NO), מגעון TeSys Deca עם תאימות IEC60335-1 עבור מערכות תעשייתיות וחימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC)
• LC1G115EHEN‏ ‏‎150 A‏ (‎75 kW ב-‎440 V_AC),‏ 3-קטבים, פתוח-במצב-רגיל (NO), מגעון TeSys Giga, מתוכנן עבור שימוש ביישומים תובעניים עם קצבי פעולה עד 600 מחזורים לשעה וטמפרטורת פעולה עד 60‎°C+
• מודול I/O דיגיטלי TPRDG4X2 עם ארבע כניסות דיגיטליות ושתי יציאות דיגיטליות יכול לנהל מנועים ועומסים חשמליים נוספים עד ‎65 A‏ (‎37 kW,‏ ‎40 hp). כל ההתאמות וההגדרות עוברות דיגיטציה, וללא חוגות מכניות או מתגי DIP
• מתנעי מנוע מתקשרים עם TeSys island מדורגים עד ‎40 hp‏ (‎80 A ב-‎480 V) מתנעי SIL‏ אלה עומדים בדרישות של‏ IEC 61508,‏ IEC 62061 ו-ISO 13849-1 ותומכים ב-PL d ו-SIL 2

ה-TeSys island תומך גם בפתרונות מקיפים ומשתלב בקלות עם סביבות Rockwell Studio 5000 ו-Siemens TIA Portal כדי לתמוך במכונות מדורות קודמים.

לחבר את הכל יחד

כשמגיע הזמן לבנות את המכונה שהושלמה, מתכננים יכולים לפנות אל ה-EcoStruxure Machine Expert. פתרון תוכנה זה תומך בפיתוח, הגדרת תצורה, תהליך הכנה לפני הכנסה לשירות, הפעלה ותחזוקה של‏ מכונות מוכנות-IIoT‏.

תוכנת EcoStruxure Machine Expert יכולה לטפל בכל אבני הבניין האחרונות של מכונת IIoT, כולל בקרי Modicon M262 PLC‏ ומערכת ניהול העומסים הדיגיטלית Tesys Island. היא מתוכננת לספק מכונות ממוטבות לבטיחות, אמינות, יעילות, קישוריות וקיימות. היא ממנפת את ה-IIoT‏ עם פתרונות ניידות, חישה, ענן, אנליטיקה ואבטחת סייבר כדי לבצע משימה מורכבת זו.

סיכום

מכונות התומכות ב-IIoT הן היבט חשוב של פעולות Industry 4.0. תכנון, הכנסה לשירות ושילוב של מכונות אלה הן משימות מורכבות. Schneider Electric מספקת למתכנני מכונות חבילה מקיפה של התקנים וכלי תוכנה עבור מכונות מאופשרות-IIoT המספקת יעילות תפעולית משופרת בכל רמות הארגון ולאורך כל מחזורי החיים של המכונות.