כיצד להתקין, לחבר ולשלב במהירות VSDs חד-צירים בתוך מערכות אוטומציה Industry 4.0

דוחפים חד-ציריים עם מהירות משתנה (VSD‏) הם חיוניים ביישומים תעשייתיים כמו משאבות, מאווררים, מדחסים, מסועים ופעולות עיבוד כגון טוחנים ומערבלים. ליישומים אלה יש רצפי תנועה פשוטים הדורשים VSDs‏ יעילים כדי לתמוך במימוש מהיר וחסכוני של פונקציות דוחפים בסיסיות עם זמני הפעלה קצרים.

הם יכולים לדרוש מגוון של פונקציות בקרה, כולל וולט להרץ (V/f) סקלרי, רב-נקודתי V/f ניתן-לתכנות, V²/f‏ המתאים אוטומטית את השטף כדי לחסוך באנרגיה, ובקרת זרם שטף (FCC) המתאימה אוטומטית את יציאת הדוחף לעומס. פריסה ואינטגרציה יעילה וחסכונית הם המפתח עבור מערכות תעשייתיות והן נהנות מתכונות כמו:

• בחירת יישום מוגדר-מראש
• גודל קומפקטי
• פרמטרי תקשורת מוגדרים-מראש
• העברה יעילה של הגדרות פרמטרים למספר יחידות
• התקנה, הפעלה ודיאגנוסטיקה של מערכות אלחוט
• פקודות מאקרו לחיבור ויישום מפשטות את החיווט ואת הגדרת תצורת ה-I/O‏

מאמר זה מציג משפחה של רכיבי VFD חד-צירים חסונים וחסכוניים באנרגיה של Siemens‏ שתוכננו כדי לפשט את ההתקנה. הוא גם בוחן מספר פונקציות משולבות, אביזרי מערכת בסיסיים ומגוון של מודולים מיוחדים ומתקדמים יותר, וכן הצעות אינטגרציה באמצעות בקרי Siemens‏. המאמר מסיים בסקירת כמה שיקולים לשילוב VFDs אלה בארונות בקרה ומערכות תנועה תעשייתיות תואמי -EMI.

דיגיטציה של בקרת מנועים מביאה מספר יתרונות למערכות תנועה חד-ציריות תעשייתיות. החלפת פקדים מכניים פשוטים ב-VSD מאפשרת למערכת להגיב באופן מיידי למצבים של פעולת עומס חלקי ויכולה להפחית את צריכת ההספק ב-50% או יותר. פעולה במהירות משתנה יכולה גם למזער את הבלאי של המנועים והרכיבים המכניים, להפחית את צורכי התחזוקה ולשפר את הזמינות.

פלטפורמת SINAMICS V20‏ של Siemens‏ זמינה בתשעה גודלי מסגרת, והיא מכסה תחום הספקים של 0.12 קילוואט עד 30 קילוואט (0.16 כ"ס עד 40 כ"ס) (איור 1). דגמי SINAMICS V20 VFD‏ ראויים לציון כוללים את 6SL3210-5BB11-2UV1‏ של kW‏ 0.12‏ עד kW‏ 3‏, 6SL3210-5BB23-0UV1‏ עם כניסת _AC‏V‏ 230‏ חד-פאזית, ו-6SL3210-5BE32-2UV0‏ של kW‏ 0.37‏ עם עד kW‏ 30‏ _AC‏V‏ 480‏ תלת-פאזית.

איור 1‏: תשעת גודלי המסגרת של ממירי SINAMICS V20‏ מ-FSAA‏ עד FSE‏ (HP‏ 0.16‏ עד HP‏ 40‏). (מקור תמונה: Siemens‏)

הנצילות היא יתרון מרכזי בשימוש בדוחפי SINAMICS V20. הם קומפקטיים ומנצלים את המקום באופן יעיל; הם תומכים בהתקנה והפעלה מהירה, תוך ניצול יעיל של זמן וכסף, והם חסכוניים באנרגיה ותומכים בכדור-הארץ ירוק יותר. כמה מהמאפיינים הרבים שלהם כוללים:

• פעולה חסכונית הנתמכת על ידי מספר אופני בקרה כולל V/f, V²/f, FCC ו-V/f רב-נקודות
  • ניתן לשפר את החיסכון באנרגיה באמצעות אופן ECO עבור V/f, V²/f ואופן היברנציה
  • ניתן לנטר את החיסכון באנרגיה ללא ציוד חיצוני למדידת הספק ולהציג ב-kWh, CO2 או מטבע
• הספקת-כוח ראשית חד-פאזית או תלת-פאזית
  • הספקת-כוח חד-פאזית של 200 עד _AC‏V‏ 240‏ (%‏10‏- / %‏10‏+) ניתן גם לחבר לשתי פאזות של הספקת-כוח ראשית תלת-פאזית _AC‏V‏ 240‏ / 120
  • הספקת-כוח תלת-פאזית 380 עד _AC‏V‏ 480‏ (%‏15‏- / %‏10‏+)
• פקודות מאקרו ליישום מוגדרות-מראש מקצרות את זמן ההתקנה והפעלה
• פרמטרים מוגדרים-מראש של התקשורת מזרזים את ההתקנה והפעלה הודות לספריות סטנדרטיות ופקודות מאקרו לחיבור
• התאמה אוטומטית למתחי רשת לא-יציבים מבטיחה פעולה יציבה, מונעת הפרעות ועוזרת לספק פרודוקטיביות גבוהה יותר
• יכולת עומס-יתר של עד 150% למשך 60 שניות תוך זמן מחזור של 300 שניות
• מתח היציאה המקסימלי הוא %‏100‏ ממתח הכניסה
• טעינת פרמטרים ללא ספק כוח מאפשרת הגדרה מהירה של מספר יחידות
• התקנה והפעלה עם התקן נייד או לאפטופ עם שרת אינטרנט Smart Access
• פקודות מאקרו משולבות ליישום וחיבור

פונקציות משולבות

לדוחפי SINAMICS V20 יש מספר פונקציות משולבות המזרזות את הפריסה ומפשטות את האינטגרציה, כמו בקר נגזרת-אינטגרל-פרופורציונלי (PID) עבור משימות בקרת תהליכים, קוצץ בלמים משולב ב-2 גודלי המסגרת הגדולים ביותר, ופונקציית צימוד DC המאפשרת לשני דוחפים שווים בגודלם לעבוד בטאנדם עבור חיסכון מוגדל באנרגיה. בבקר PID ניתן להשתמש במשימות עיבוד פשוטות כמו בקרת לחצים, רמות או קצבי זרימה ביחס לנקודה מוגדרת.

פונקציית PID כוללת כוונון אוטומטי לפעולה אופטימלית ויכולה לתמוך בהפעלת מנועים הדרגתית. הפעלת מנועים הדרגתית מאפשרת בקרה של עד 2 מנועים נוספים בהדרגה (בקסקדה). במקרה זה, המערכת מורכבת מהמנוע הראשי המבוקר על ידי המהפך, ושני מנועים נוספים המבוקרים באמצעות ממתגי-זרם (Contactor‏) או מתנעים המבוקרים על ידי יציאות דיגיטליות על המהפך.

גודלי מסגרת FSD ו-FSE כוללים קוצץ בלימה משולב; עבור גודלי מסגרת אחרים, קיים מודול בלם חיצוני (ראו להלן). את המנוע ניתן לבלום חשמלית או מכנית.

• אפשרויות בלמים חשמליים
  • בלימת DC מיושמת על ליפופי הסטטור, כשהתוצאה היא מומנט בלימה משמעותי. למרות שאינו מתאים להחזקת עומסים תלויים, הזרם יכול להחזיק את הציר נייח לאחר שהסיבוב נעצר.
  • בלימה מורכבת מוסיפה בלימת DC על בלימה רגנרטיבית, כאשר המהפך מספק אנרגיה להספקת DC-Link‏ במהלך בלימה.
  • בלימה דינמית ממירה אנרגיה רגנרטיבית לחום. מימוש בלימה דינמית דורש נגד בלימה חיצוני כדי לפזר את האנרגיה.
• מנוע מכני המחזיק את הבלם ניתן לבקרה באמצעות לוגיקה פנימית כדי למנוע מהמנוע להסתובב כאשר המהפך כבוי.

דוחפי SINAMICS V20 כוללים גם פונקציית צימוד DC המאפשרת לחבר חשמלית שני ממירים בעלי גודל שווה באמצעות חיבורי ה-DC-link שלהם. כאשר הוא ישים, צימוד DC יכול להפחית את עלויות האנרגיה על ידי מתן אפשרות למהפך אחד להשתמש באנרגיה רגנרטיבית הנמשכת מהמהפך השני. המהפכים יכולים לחלוק מערכת בלימה דינמית אחת, תוך הפחתת עלויות ההתקנה. במקרים מסוימים, צימוד DC יכול לבטל את הצורך במודול בלימה דינמית ובנגד בלימה דינמית.

אביזרי מערכת בסיסיים

בנוסף לפונקציות המשולבות, ניתן לשפר את התועלת של ממירי SIMAMICS V20‏ על ידי הוספת כמה אביזרי מערכת כמו פאנל מפעיל בסיסי (BOP‏) וממשק BOP, מודול גישה חכמה ומטען פרמטרים (איור 2):

• ל- SIMAMICS V20 יש לוח בקרה משולב, אך יישומים מסוימים יכולים להפיק תועלת על ידי הוספת BOP‏ עבור בקרה מרחוק של היחידה. ה-BOP מתוכנן עבור הרכבה מבוזרת ויש לו דירוג מארז UL Type 1.
• ה-BOP מחובר ל-SINAMICS V20 באמצעות מודול BOP Interface‏ מיוחד המתחבר לנקודת-חיבור ההרחבה במהפך ויש לו ממשק RS232 לחיבור ל-BOP.
• למודול Smart Access‏ יש שרת אינטרנט מובנה המפשט את ההתקנה והפעלה של SINAMICS V20 באמצעות סמארטפון, מחשב נייד או טאבלט. הפונקציות הנתמכות על ידי מודול זה כוללות:
  • אשף התקנה והפעלה להאצת ההתקנה והפעלה
  • הגדרה ושמירת פרמטרים, או שחזור של הגדרות המפעל
  • בדיקת המנוע
  • ניטור נתוני הפעולה
  • ביצוע בדיקות דיאגנוסטיקה למערכת
• טוען הפרמטרים יכול להעלות עד 100 מערכי פרמטרים ל-SINAMICS V20 או להוריד מערכי פרמטרים מהיחידה. טוען הפרמטרים המוזן סוללות יכול לשמש ללא הפעלת הדוחף.

איור 2: ה-HP FSAA SINAMICS V20‏ 0.16‏ מוצג עם ארבעה מודולי הרחבה נפוצים. (מקור התמונה: Siemens‏)

אביזרים נוספים

ניתן להוסיף מסנני קו במידת הצורך. כדי לעמוד בתקן EN 61800-3‏ קטגוריה C2 של פליטות מוקרנות ומולכות נדרשים מסנני EMC חיצוניים עבור מהפכי SINAMICS V20 (דגמי 400 וולט עם מסנן וללא-מסנן, כמו גם דגמי 230 וולט ללא-מסנן). לדוגמה, דגם 6SL32030BE177BA0‏ מתוכנן עבור שימוש עם מהפכי V‏ 400‏ בגודל מסגרת FSA‏.

קיימים ראקטורי קו כדי להחליק שיאי מתח או נפילות גשר קומוטציה. ראקטורים אלה גם מפחיתים את ההשפעות של הרמוניות על הספקת הקו והממיר.

ניתן לממש בלימה באמצעות מודול הבלימה 6SL32012AD208VA0‏ (איור 3) עם גודלי מסגרת FSAA עד FSC‏. גודלי מסגרת FSD ו-FSE כוללים קוצץ בלימה משולב ואינם דורשים מודול חיצוני. בכל המקרים ניתן להשיג ביצועי בלימה טובים יותר והאטה משופרת על ידי הוספת נגד בלימה חיצוני כמו דגם 6SE64004BC050AA0‏ כדי לפזר את האנרגיה הרגנרטיבית המיוצרת על ידי המנוע.

איור 3‏: מודול בלימה עבור דוחפי מנוע SINAMICS V20. (מקור התמונה: DigiKey‏)

יישומים הזקוקים לכניסות או יציאות יכולים להוסיף את מודול הרחבת I/O‏ SINAMICS V20 (איור 4). המודול מותקן ישירות על מגוון מהפכי V‏ 400‏ ומספק שתי כניסות דיגיטליות ושתי יציאות ממסר דיגיטליות. לדוגמה, ניתן להשתמש במודול הרחבת I/O ביישומי בקרה רבת-משאבות, המאפשר בקרה של עד ארבע משאבות עם דוחף SIMAMICS V20 יחיד. המודול שימושי גם כאשר יש לבקר על מספר מאווררים או מדחסים. יש לו חיבורים מלפנים ומאחור וניתן לשלב אותו עם אביזרים אחרים כמו ממשק BOP ומודולי גישה חכמה. עם זאת, לא ניתן להשתמש בו בו-זמנית כמודול טוען פרמטרים.

איור 4‏: מודול הרחבה המותקן בחזית דוחף SINAMICS V20. (מקור התמונה: Siemens‏)

ראקטורי יציאה, כמו דגם 6SL3202-0AE16-1CA0‏ עבור גודל מסגרת FSA, יכולים להפחית את מאמץ המתח על סלילי המנוע (איור 5). ראקטורי יציאה אלו גם מפחיתים את זרמי הטעינה והפריקה הקיבוליים העלולים לגרום למאמץ על המהפך כאשר משתמשים בכבלי מנוע ארוכים.

איור 5‏: ראקטור יציאה עבור דוחפי SINAMICS V20‏ תלת-פאזיים HP‏ 0.5‏ _AC‏V‏ 380‏ עד _AC‏V‏ 480‏, A‏ 6.1‏, עם מסגרת FSA‏. (מקור התמונה: Siemens‏)

שילוב בתוך מערכות גדולות יותר

דוחפי SINAMICS V20 מתוכננים להיות מבוקרים על ידי בקר SINAMICS‏ S7-1200‏ או S7-1500, כמו דגם 6ES75173FP000AB0‏, דרך ממשק RS485 ושימוש בפרוטוקול ממשק טורי אוניברסלי (USS‏). קיימים פרויקטים לדוגמה המדגימים כיצד להגדיר ולתכנת בקרים אלה עם SINAMICS V20. USS היא הגדרת ברירת המחדל, אך SINAMICS V20 יכול להשתמש גם בפרוטוקול MODBUS RTU.

בקר מאסטר אחד יכול להתחבר למקסימום של 31 VFDs.

מחברים את הכול ביחד

הרכבת הרכיבים המפורטים לעיל למערכת שלמה יכולה להיות מאתגרת, במיוחד אם תאימות EMC היא שיקול חשוב. בידוד מקורות הפרעות פוטנציאליים הוא בדרך כלל הגישה המהירה, היעילה והחסכונית ביותר. ניתן להשיג זאת על ידי ארגון ארון הבקרה ויתר המערכת לסדרה של ארבעה אזורים מבודדים, כפי שמוצג באיור 6. השיקולים בעת מימוש אזורי הבידוד כוללים:

• ניתן להשיג ביטול צימוד אלקטרומגנטי של האזורים באמצעות לוחות הפרדה מוארקים או בתי מתכת נפרדים.
  • ה-SINAMICS V20 הוא באזור B, ובקר SIMATIC‏ S7-1200 או S7-1500 הוא באזור C.
• לשיפור ביצועי EMC, ניתן להוסיף מסננים ומודולי צימוד בממשקים בין האזורים.
• חיבור כבלים בין האזורים חייב להיות מופרד כדי למנוע צימוד EMC ואסור שיהיה באותו ערוץ עם כבל או צמה.
• רשת תקשורת וכבלי אותות כמו RS485 הנכנסים או יוצאים מהארון חייבים להיות מסוככים.

איור 6‏: אזורים עם ביטול צימוד אלקטרומגנטי היכול לשפר את ביצועי ה-EMC של התקנות SINAMICS V20‏. (מקור התמונה: Siemens‏)

סיכום

ממירי SINAMICS V20 הם ורסאטיליים ביותר, קומפקטיים ותומכים ביישומים תעשייתיים חד-ציריים שונים עם מהירות משתנה. יש להם מגוון רחב של תכונות ויכולות מובנות. הוספת אביזרים כמו פאנל מפעיל בסיסי, מודול גישה מרחוק ומטעין פרמטרים יכולה להגדיל את השימושיות. בנוסף, דוחפים אלו זמינים עם מגוון רחב של מודולים תוספים לתמיכה בפונקציונליות מערכת מתקדמת, והם מותאמים לשימוש עם בקרי Siemens‏. לבסוף, הצגנו כאן כיצד לשלב VFDs אלה בארונות בקרה תואמי EMI ומערכות תנועה תעשייתיות.