מהם כמה שיקולים מרכזיים בבחירת ציוד אוטומציה תעשייתית?

בחירה אופטימלית של ציוד אוטומציה תעשייתית כמו מנועים, מערכות הינע ומודולי תקשורת דורשת תשומת לב זהירה לפרטים. לדוגמה, ישנם מספר הבדלים בין ה-National Electrical Manufacturers Association‏ (NEMA‏) בצפון אמריקה וה-International Electrotechnical Commission‏ (IEC‏) באירופה בנוגע לדירוגי מנועים ומערכות הינע.

כשבוחרים מנועים, מערכות הינע ובקרים, שיקולים מסוימים כוללים את מתחי הכניסה והיציאה וטולרנסים, תחום מהירויות דרוש וצרכי רגולציה, דרישות מומנט סיבוב, תאוצה, מחזורי פעולת בלימה, צרכים מיוחדים כמו מהירות מהירה או תגובת מומנט מהירה, וגורמים סביבתיים, כולל ניהול תרמי.

צרכי תקשורת משתנים בהתאם למקומו של הציוד בהיררכיית הבקרה התעשייתית. ברמה הקרובה ביותר לקצה‏ רצפת הייצור, פרוטוקולים כמו IO-Link‏ ניתנים לשימוש עבור חיישנים ומפעילים (Actuators‏) אינטליגנטיים, ו-EtherCAT‏, PROFINET‏, Modbus ופרוטוקולים אחרים יכולים לחבר תנועה, בטיחות, I/O וראיה.

הרמה הגבוהה ביותר של רשת אוטומציה של מפעל משתמשת לרוב ב-EtherNet/IP‏ כדי לחבר עם בקרי אוטומציה שונים, ממשקי תכנות והענן, כמו גם בפרוטוקול כמו DisplayPort‏ כדי לחבר עם ממשקי אדם-מכונה (HMIs). ביניהן, צירופים של‏ EtherNet/IP‏, EtherCAT‏ ופרוטוקולים אחרים יכולים לקשר את רמת השטח של רצפת המפעל לרמות התפעול והבקרה.

הפרטים רבים מכדי לעשות איתם צדק בדיון אחד. במקום זה, מאמר זה מציג מספר קווים מנחים שיש לקחת בחשבון בעת הגדרת מנועים, מערכות הינע ומודולי תקשורת, ביחד עם דוגמאות של יישום, חומרה ופרוטוקול מ-Siemens‏, Phoenix Contact,‏ Omron Automation‏, Panasonic Industrial ו-Schneider Electric‏.

שינוי המיקוד

מנועים ומערכות הינע הם נושא משותף במערכות אוטומציה תעשייתית רבות. כנקודת התחלה לדיון זה, כדאי לראות היכן יעילות המנוע משתלבת בשיקולים הרחבים יותר של ביצועי מערכת אוטומציה תעשייתית וכיצד המוקד משתנה.

שימוש במנועים בעלי נצילות גבוהה יותר יכול להביא לחיסכון אנרגיה של עד 6%. זה טוב. עם זאת, הוספת מערכת הינע נצילות-גבוהה יחד עם רכיבים תומכים יכולה להגביר את החיסכון באנרגיה בעד 30%.

שינוי כללי משחק אמיתי מתרחש כאשר המוקד עובר לאופטימיזציה כוללת של המערכת. התחשבות בכל הרכיבים המכניים והוספת תקשורת כדי לקשור לאינטרנט-של-דברים תעשייתי (IIoT‏), כולל ברמה התפעולית והמפעלית ובסופו של דבר ברמת הארגון, כמו גם הענן, יכולות להביא לחיסכון של עד 60% באנרגיה ולפרודוקטיביות גבוהה יותר (איור 1‏).

איור 1‏: רמות הולכות וגדלות של אינטגרציה ותקשורת מביאות לחיסכון רב יותר באנרגיה ופרודוקטיביות גבוהה יותר. (מקור תמונה: Siemens‏)

תכנון אקולוגי למערכות מוטוריות

חלק 2 של IEC 61800-9, "תכנון אקולוגי של מערכות מנוע - סיווג וקביעת יעילות אנרגטית", יכול להיות משאב מפתח. במקום להתמקד על יעילות מנוע בלבד, הוא מפרט סדרה של גורמי ביצוע ברמה גבוהה יותר עבור "מערכות מונעות-מנוע חשמלי". מניעי VFD‏ נחשבים בהקשר של‏ מודול הינע‏ שלם (complete drive module‏ (CDM)) הכולל את "יחידת ההזנה" כניסת AC, “מודול הינע בסיסי" (basic drive module ‏(BDM‏)) כמו VFD, ו“עזרים” הכוללים מסנני כניסה ויציאה, משנקי קו ורכיבי תמיכה אחרים.

התקן מגדיר גם מערכת הינע כוח (power drive system‏ (PDS)) כ-CDM ועוד המנוע. הבא במעלה ההררכייה, ההתקן מתאר את מערכת המנוע כ-PDS ועוד ציוד בקרת מנוע כמו ממתגי-זרם (Contactors‏).

ברמה הגבוהה ביותר נמצא המוצר המורחב, או המערכת הכוללת באיור 1‏, שמוסיפה ציוד הינע מכני כמו תמסורת ואת מכונת העומס. לסקירה מפורטת יותר של תקני יעילות IEC 61800-9-2 PDS, עיין במאמר "מהם הסוגים השונים של מניעי מנוע תעשייתי מהירות-מתכווננת?".

נקודת ההתחלה להגדרת “מערכות מונעות-מנוע חשמלי” היא‏ המנוע.

ענייני מנוע

מנועים חשמליים יכולים להיות מכונות יעילות ביותר אם הם מוגדרים ומשתמשים בהם כראוי. זה הופך את הגדרת המנועים למשימה חשובה עבור מתכנני מכונות.

ה-IEC‏ מציין הספק מנוע בקילו-וואטים (kW‏‏), בעוד NEMA‏ משתמש בכוח-סוס (hp), שניתנים להשוואה בקלות. עם זאת, IEC‏ ו-NEMA‏ משתמשים בחישובי יעילות שונים, ויעילות לוחית הזיהוי של IEC יכולה להיות מעט גבוהה יותר מדירוג NEMA עבור אותו תכן מנוע.

יעילות המנוע בפועל קשורה קשר הדוק למקרה השימוש הספציפי. כתוצאה מכך, תקני יעילות מנוע נדונים לעתים קרובות במונחים של הפחתת הפסדי אנרגיה במקום יעילות מוחלטת.

IEC 60034-30-1 מכיר בחמש קטגוריות יעילות מנוע, מ-IE1‏ עד IE5‏. בין הקטגוריות, הפסדי אנרגיה יורדים ב-20%. המשמעות היא שלמנוע "אולטרה-פרמיום"‏ IE5‏ יש הפסדים נמוכים יותר ב-%‏20‏ מלמנוע "סופר-פרמיום" IE4‏. יש עוד מה לקחת בחשבון. במקרים מסוימים, גורם ההספק (PF) יורד עבור מנועים עם יעילות גבוהה יותר.

בצפון אמריקה, ל-NEMA‏ יש פחות קטגוריות יעילות אנרגיה, שהן חשובות לא פחות. NEMA מכיר בגורמי שירות מנוע (SF) שאינם כלולים בתקני IEC. מנוע‏ NEMA‏ עם SF של‏ 1.15 ניתן להריץ ברציפות ב-115% היכולת הנקובה שלו, אם כי המנוע מתחמם יותר, מה שעלול לגרום לחיי מסב ובידוד מופחתים.

במקום SF‏, IEC‏ מכיר בעשרה סוגי תפקידים או גורמי שירות (S1‏ עד S10) המבוססים על שיקולים כמו פעולה רציפה לעומת פעולה לסירוגין, שינויי מהירות והשימוש בבלימה.

מתח עבודה ותחומי תדרים הם שונים עבור NEMA‏ ו-IEC‏, אך שניהם מבוטאים ככמויות “ליחידה” (p.u.). במערכת ה-.p.u, כמויות מבוטאות כשברים של ערך הבסיס. NEMA מכיר בתחום אחד של מתחי ותדרי מנוע. IEC‏ מכיר בשני “אזורים” (איור 2‏).

איור 2: השוואה בין תחומי תדרים ומתחי AC תעשייתיים של NEMA‏ ו-IEC. (מקור תמונה: NEMA)

קידום יעילות PDS

מניעי (drives) מנועים הם אלמנטים חשובים של יעילות PDS כמוגדר ב-IEC 61800-9-2. ניתן לסווג אותם במספר דרכים, כגון מתח מנוע, רמת הספק, סוגי תנועה, יישומים נתמכים, וכו'. סוגי תנועה ניתן לסווג כרציפה או לא רציפה. ניתן לסווג אותם בהמשך כבעלי ביצועים נמוכים, בינוניים וגבוהים בהתבסס על תפוקת ההספק המרבי הנדרש.

סוגים שונים של‏ מניעים תומכים בצרכים שונים של מערכת. מניעי ומנועי סרוו מתאימים היטב כשיש צורך בהאצה, האטה ומיקום מדויק מהירים ביישומים כמו רובוטיקה. מתנעים רכים מתאימים עבור פעולות רציפות כמו מסועים, שנהנים מהפעלה והאטה חלקות. מניעי VFD משמשים במגוון רחב של מכונות תעשייתיות.

משפחות מוצרי VFD מסוימות ממוטבות לפעולות כמו שאיבה, אוורור, דחיסה, הנעה או עיבוד. קו מוצרי Siemens SINAMICS G120 של‏ מניעים אוניברסליים זמינים עם דירוגי הספק מ-‏0.55‏ עד kW‏ 250‏ (0.75 עד 400‎ hp) לשימוש ביישומים תעשייתיים כלליים בתחומי הרכב, טקסטיל ואריזות.

דגם ה-6SL32203YE340UF0 משתמש באספקת כוח תלת-פאזית עם תחום מתחי עבודה של ‎380 Vac עד ‎480 Vac עם תחום סטיה של 20%-/10%+. הוא מוגדר לעבודה ב-V‏ 400‏ עם מנועים מדורגים מ-22‏ עד ‎30 kW‏ באירופה ו-480‎ V‏ בצפון אמריקה עבור מנועים מדורגים מ-30‏ עד ‎40 hp (איור 3‏).

איור 3: ניתן להשתמש ב-VFD זה עם מנועים מדורגים מ-22 עד 30‎ kW, תלוי במתח העבודה. (מקור תמונה: DigiKey‏)

מניעי VFD אינם המפתח היחיד לתכנון PDS יעיל. המאמר "אילו מוצרי תמיכה נדרשים כדי למקסם את ההשפעה של השימוש במניעי VFD ו-VSD? - חלק 1” סוקר כמה ממרכיבי התמיכה הנדרשים.

תקשורת ומיטוב מערכת

בעוד מנועים ומניעים נמצאים ברצפת הייצור ברמה 1, או ברמת השדה, הם אינם ברמה הנמוכה ביותר של היררכיית התקשורת Industry 4.0. אותו מיקום נופל לפונקציות כמו חיישנים ומפעילים ברמה 0. נוסף לכך, ישנן רמות רבות מעל רמת השדה. תקשורת מהירה ויעילה במעלה ובמורד היררכיית התקשורת עד לענן חיונית כדי למקסם את היעילות, הפרודוקטיביות והקיימות הכוללות של מפעלי Industry 4.0‏. קישוריות ענן מתאפשרת באמצעות פרוטוקולים כמו (איור 4‏):

• uOPC PubSub Bridge מאחד תזרימי נתונים מרובים של טכנולוגיה תפעולית (OT).
• MOTT BRoker מקבל מסרים ומקדם אותם אל משתמשים בהתאם לנושא המסר.

איור 4‏: לכל הרמות של היררכיית התקשורת Industry 4.0‏ יש את האפשרות להתחבר ישירות לענן. (מקור תמונה: OPC Foundation)

יש יותר לרמה 1 ממניעים ומנועים. יחידות Field bus master‏ (FMUs) יכולות להקל על התקשורת ולפשט את השילוב של מניעים והתקנים אחרים. יחידות FMU זמינות עבור פרוטוקולים שונים כולל PROFINET‏, PROFIBUS‏, DeviceNet,‏ CANopen, וכו'. השימוש ביחידות‏ FMU יכול לאפשר קישוריות בלתי תלוייה ביצרן.

דגם ה-AFP7NPFNM מבית Panasonic‏ הוא‏ PROFINET FMU. הוא מגיע עם ספריות של פונקציות משולבות עבור תוכנת התכנות, מקצר משמעותית את הזמן הדרוש לפיתוח פתרונות ספציפיים ליישום.

רמה 0 עבור חיישנים, מפעילים (Actuators‏) ובטיחות

כדי להגדיל את רווחי החיסכון באנרגיה של PDS ממניעי VFD, יש לדחוף את הקישוריות לרמה נמוכה יותר, לרמה 0. שילוב של חיישנים, מפעילים (Actuators‏) והתקני בטיחות כמו וילונות אור ברמה 0 יכול להגדיל משמעותית שיפורי יעילות ולהגדיל חסכונות אנרגיה במעל 30%.

פרוטוקולים נפוצים המשמשים לחיבור פונקציות ברמה 0 כוללים DeviceNet,‏ HART,‏ Modbus ו-IO-Link‏. פרוטוקול ה-IO-Link‏‏ הוא נקודה-לנקודה ומחבר חיישנים ומפעילים (Actuators‏) לבקרות ברמה גבוהה יותר. הוא זמין כתקן קווי או אלחוטי ונפרס יותר ויותר ב-Industry 4.0‏ כחלופה משתלמת.

יחידות ה-IO-Link master‏ NX-ILM400‏ מבית Omron יכולות לשלב I/O סטנדרטי עם I/O סינכרוני מהירות-גבוהה. לכניסות/יציאות (I/Os) הדיגיטליות הסטנדרטיות יש 16‏ חיבורים ליחידה עם‏ בחירה של‏ (איור 5‏):

• ארבעה חיבורי חיישנים בעלי 3 חוטים עם ספק-כוח
• שמונה כניסות מגעים דו-חוטיים או יציאות מפעיל (Actuator)
• שישה-עשר חיבורי חוט אחד עבור חיישנים ומפעילים המחוברים לספק-כוח משותף

איור 5‏: יחידת IO-Link master זו תומכת ב-I/O סטנדרטי וסינכרוני מהירות-גבוהה. (מקור תמונה: Omron Automation)

רמה 2 עבור PDS ואילך

תקשורות ברמות גבוהות יותר יכולות לעזור לשפר תפעול ברמת-שדה, אך הן חובה כדי למקסם את היעילות הארגונית ואת הפרודוקטיביות. הגעה מרמה 2 עד רמות 3, 4 והענן דורש פרוטוקולים כמו Ethernet/IP,‏ EtherCAT‏ ו-Modbus TCP/IP.

אפשרויות הציוד לביצוע חיבורים אלה כוללות בקרים לוגיים ניתנים לתכנות (PLCs‏) או מחשבים אישיים תעשייתיים (IPCs). בקרים לוגיים ניתנים לתכנות (PLCs‏) הם מחשבים ממוטבים עבור אוטומציה ובקרה תעשייתית. ביישום‏ אופייני, PLC‏ מנטר כניסות מהמכונה ומחיישנים קשורים, מקבל החלטות על סמך התכנות שלו, ושולח יציאות בקרה.

בעוד מחשבי IPC יכולים לבצע פונקציות כמו בקרי PLC‏, הם התקנים יותר למטרה-כללית. הם מריצים מערכת הפעלה כמו Linux או Windows, מה שנותן להם גישה למערך של כלי תוכנה‏, ובדרך כלל הם מחוברים ל-HMI (בקרי PLC‏ רבים יכולים גם כן להתחבר לממשקי HMI). בקרי PLC‏ נוטים להיות ממוקדי-מכונה, בעוד למחשבי IPC יש יותר פונקציות תפעוליות.

ההבדלים בין בקרי PLC למחשבי IPC מיטשטשים. לדוגמה, ה-1069208 PLC מבית Phoenix Contact מריץ את מערכת ההפעלה Linux. כמו בקרי PLC‏ מסורתיים, הוא ניתן לתכנות עם תרשים זרימה סימבולי (SFC‏), דיאגרמת סולם (LD), דיאגרמת בלוק פונקציה (FBD‏) וטקסט מובנה (ST‏). הוא כולל שלושה ממשקי Ethernet עצמאיים ויכול להתחבר ל-PROFICLOUD.

חברת Schneider Electric‏ מציעה את ה-HMIBMIEA5DD1E01 IIoT Edge Box עבור יישומים היכולים להפיק תועלת מ-IPC. תכן ללא-מאוורר זה כולל מעבד שתי-ליבות‏ Intel Atom Apollo Lake E3930 הרץ ב-‎1.8 GHz. יש לו חריץ הרחבה‏ mini PCIe ותשע יציאות תקשורת (איור 6‏).

איור 6: IPC ללא מאוורר עם חריץ הרחבה mini PCIe ואפשרויות תקשורת מרובות. (מקור תמונה: Schneider Electric‏)

סיכום

מאמר זה סיפק סקירה קצרה של כמה קווים מנחים שעל המתכננים לשקול כשמגדירים מנועים, מערכות הינע ומודולי תקשורת עבור התקנות Industry 4.0. זה רחוק מלהיות ממצה. הוא נועד לספק מזון למחשבה וכמה משאבים לחקירה נוספת.