Het snel ontwerpen en implementeren van IIoT-ready machines

Het snel ontwerpen en implementeren van machines die klaar zijn voor integratie in het Industrial Internet of Things (IIoT) is een uitdaging. IIoT-machines moeten snelle inbedrijfstelling van communicatie en coördinatie voor machine-naar-machine, machine-naar-installatie en machine-naar-cloud ondersteunen.

Dat vraagt om een allesomvattende oplossing met een complete reeks besturings-, interface- en communicatiemodules. Ook schaalbaarheid is een must. Bovendien moet de oplossing een vereenvoudigde installatie ondersteunen voor een snelle implementatie. En tot slot moet deze eenvoudig te integreren zijn in een multi-vendor omgeving om oudere apparatuur te ondersteunen.

Het resultaat is een grotere operationele efficiëntie op alle niveaus van de organisatie en gedurende de hele levenscyclus van de machines.

In dit artikel zien we hoe de motorbesturingsopties van Schneider Electric ontwerpers end-to-end automatiseringsoplossingen bieden. We leren allereerst de functies en voordelen van Altistart-softstarters, Altivar-aandrijvingen, Harmony-bewakingsrelais, PowerPacT-stroomonderbrekers en ethernet-switches en programmeerbare logische controllers (PLC’s) van Modicon.

Vervolgens zien we hoe TeSys island-systeemelementen uitgebreide oplossingen ondersteunen en eenvoudig integreren met Rockwell Studio 5000- en Siemens TIA Portal-omgevingen ter ondersteuning van oudere machines. Tot slot wordt gekeken hoe de EcoStruxure Machine Expert-software van Schneider Electric de ontwikkeling, configuratie en inbedrijfstelling van IIoT-ready machines versnelt.

Beweging is een basiskenmerk van industriële machines. Het wordt op verschillende manieren geïmplementeerd, van eenvoudige bewegingsprofielen in systemen zoals pompen, transportbanden en kranen tot complexe bewegingsprofielen in proces- en vervaardigingsoperaties en robotica.

Machines met eenvoudige bewegingsprofielen kunnen profiteren van de functies van softstarters zoals de Altistart-softstarters. Altistart-softstarters ondersteunen het volgende:

• Gecontroleerde acceleratie om mechanische schokken te verminderen die slijtage kunnen verhogen en kunnen leiden tot meer onderhoud en stilstand van machines.
• Beperking van inschakelstromen om energieverbruik te verminderen.
• Bescherming van motoren tegen stroompieken die kunnen optreden tijdens het opstarten, voor een langere levensduur van de motor.
• Detectie van storingen zoals een geblokkeerde motor, onderbelasting of onjuiste aarding en het verzenden van een waarschuwing naar machineoperators, voor een hogere betrouwbaarheid.

Basismachines die geen hoog startkoppel nodig hebben, kunnen gebruik maken van de softstarters uit de ATS01-serie. Door de logische BOOST-ingang te activeren, kan gedurende 200 milliseconden (ms) een spanningsverhoging van 100% nominale motorspanning worden toegepast om de initiële mechanische wrijving in het systeem te overwinnen. De geprogrammeerde spanningsverhoging begint na de boost.

Het model ATS01N232RT wordt gebruikt als softstart en -stop voor asynchrone draaistroommotoren tot 15 kilowatt (kW) (20 pk) met een acceleratie- en deceleratietijd van 1 tot 10 seconden. Deze is geoptimaliseerd voor eenvoudige riemaangedreven toepassingen zoals pompen, compressoren en ventilatoren die werken op 440 V_AC tot 480 V_AC. De controls bevinden zich op het voorpaneel om de starttijd, de beginspanning en de stoptijd in te stellen voor installatie en inbedrijfstelling.

Ontwerpers van veeleisende proces- en infrastructuurmachines zoals mengers, brekers en transportbanden kunnen gebruik maken van de Altivar-softstarters uit de ATS480-serie. Terwijl eenvoudigere softstarters gebruikmaken van een spanningsaanloop, gebruiken de ATS480-softstarters een zachtere koppelaanloop en kunnen ze een remfunctie implementeren.

Het model ATS480C11Y is geschikt voor spanningen van 208 V_AC tot 690 V_AC (afbeelding 1). Afhankelijk van de motorspanning kan dit model worden gebruikt met motoren van 22 tot 90 kW (25 tot 100 pk). Het heeft een seriële Modbus-communicatiepoort met een RJ45-connector. Optionele communicatiekaarten zijn verkrijgbaar voor Profibus, PROFINET, Modbus TCP/EtherNet/IP en CANopen.

Afbeelding 1: Deze Altivar-softstarter is ontworpen voor gebruik met asynchrone motoren van 22 tot 90 kW. (Bron afbeelding: DigiKey)

Besturen van meer geavanceerde machines

Complexe bewegingsprofielen in geavanceerde machines kunnen worden ondersteund met variabele frequentieaandrijvingen (VFD’s) zoals de Altivar 320-serie met eenheden van 0,18 tot 15 kW (0,25 tot 20 pk) voor toepassingen zoals materiaalverwerking, verpakking, textiel, hijsen, mechanische aandrijvingen en materiaalbewerking. De ATV320U75M3C is geschikt voor 7,5 kW en werkt op een voedingsspanning van 200 V_AC tot 240 V_AC.

Om de configuratie en inbedrijfstelling te versnellen, beschikken deze aandrijvingen over 150 functies en zijn er standaard- en aanpasbare configuraties. Er zijn speciale functies voor toepassingen zoals materieeltransport, textiel, hijsen en mechanische actuatoren.

Altivar 320-VFD’s kunnen hoogwaardige asynchrone en permanentmagneetmotoren regelen, inclusief koppel- en snelheidsnauwkeurigheid bij zeer lage snelheden en dynamische beweging met fluxvectorregeling zonder sensor. Bij gebruik met synchrone en asynchrone driefasemotoren beschikken deze VFD’s over:

• ondersteuning voor motoren met hoog toerental,
• statische snelheidsnauwkeurigheid voor open-loop synchrone motoren,
• flexibele systeemintegratieopties, waaronder ethernet, CANopen, Profibus, EtherCAT, DeviceNet etc.,
• geïntegreerde veiligheidsfuncties die voldoen aan functionele veiligheidsnormen,
• formaten zoals compacte en book drives met beschermingsgraden van IP20 tot IP66 maken integratie in verschillende soorten kasten mogelijk (afbeelding 2).

Afbeelding 2: Altivar 320-VFD’s zijn verkrijgbaar in verschillende vormfactoren om de installatie te vereenvoudigen en de ruimte in apparatuurkasten optimaal te benutten. (Bron afbeelding: DigiKey)

Hoogwaardige meerassige machines

Modicon Ethernet-switches en programmeerbare logische controllers (PLC’s) kunnen krachtige ontwerpen ondersteunen, van een enkele onafhankelijke as tot krachtige gesynchroniseerde meerassige machines die snelle en nauwkeurige positionering en bewegingen vereisen, zoals robotica.

Deze IIoT native edge controllers kunnen rechtstreeks verbinding maken met de cloud via MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), OPC UA-server en -client (Open Platform Communications Unified Architecture) en TLS-encryptie (Transport Layer Security) en hebben ingebouwde veiligheids- en cyberbeveiligingsfuncties. De dubbele ethernetpoort ondersteunt de protocollen EtherNet/IP en Modbus TCP. Er zijn ook RS232- en RS485-poorten, een USB-poort en een sleuf voor een SD-kaart.

TM262L-controllers zijn bedoeld voor logische besturing van meerdere ingang/uitgang-arrangementen, inclusief vier snelle digitale ingangen en vier snelle digitale uitgangen. Het model TM262L10MESE8T heeft een uitvoeringssnelheid van 5 nanoseconden (ns) per instructie. De dual-core processor zorgt voor efficiënt beheer van parallelle toepassingen en communicatie (afbeelding 3).

Afbeelding 3: Deze Modicon M262-PLC levert IIoT-ready machine-to-cloud en machine-to-plant ethernetconnectiviteit. (Bron afbeelding: DigiKey)

De TM4-bus op de Modicon M262-serie ondersteunt maximaal 3 communicatie-uitbreidingsmodules. Uitbreidingsmodules voor Profibus DP (TM4PDPS1) en ethernet (TM4ES4) kunnen in verschillende combinaties gebruikt worden tot maximaal drie modules.

Elimineren van afwijkingen

Soms moeten machines, inclusief machines die IIoT-ready zijn, worden beschermd tegen abnormale omstandigheden. Dat is waar de Harmony-bewakingsrelais van pas komen. Ze kunnen zowel elektrische als mechanische omstandigheden bewaken en afwijkingen identificeren met betrekking tot stroom, spanning, fase, frequentie, snelheid, temperatuur, pompregeling en zelfs vloeistofniveau.

Snelle en nauwkeurige identificatie van afwijkingen kan de uptime verhogen en de behoefte aan ongepland onderhoud verminderen in toepassingen zoals pompen, waterverwerking, takels en liften, verpakkingssystemen en textielmachines. Harmony-bewakingsrelais zijn verkrijgbaar met een groot aantal functies voor specifieke toepassingsbehoeften.

Model RMNF22TB30 is een driefasig relais met geïntegreerde NFC (near field communications). Het kan zeven parameters bewaken: faseverlies, fasevolgorde, asymmetrie, onderspanning, overspanning, onderfrequentie en overfrequentie. Met behulp van de NFC-app kunnen ontwerpers AND-, OR- en NOT-logica gebruiken om aangepaste bewakingscombinaties te maken voor de twee afzonderlijk configureerbare relaisuitgangen.

Voor eenvoudigere machines die alleen overspanningsbewaking nodig hebben, kunnen ontwerpers zich wenden tot de RM22UA21MR (afbeelding 4). Dit enkelfasige bewakingsrelais heeft een selecteerbare geheugenfunctie en een ingebouwde led die de bewakingsstatus aangeeft. De schroeftrimmers maken eenvoudige en nauwkeurige drempelinstellingen mogelijk en bieden automatisch uitschakelbeheer en storingsinformatie voor snelle storingsidentificatie en probleemoplossing.

Afbeelding 4: Eenfasig overspanningsrelais met een schakelvermogen van 2 kVA. (Bron afbeelding: DigiKey)

Basisbeveiliging

Toepassingen die baat kunnen hebben bij een meer elementaire beveiliging kunnen gebruikmaken van PowerPacT-stroomonderbrekers met een nominale stroom van 15 tot 125 A en verkrijgbaar als één-, twee-, drie- en vierpolig. Deze thermische magnetische stroomonderbrekers hebben een positieve contactindicatie en leveren isolatie conform de norm IEC/EN60947-1 en IEC/EN60947-2 voor ‘schakel- en verdeelinrichtingen voor lage spanning’.

Model BDF16020 is een enkelpolige 20A-eenheid met een nominale bedrijfsspanning van 240 V_AC 50/60 Hz volgens UL 489. De continue stroomsterkte is 80% van de maximale stroomsterkte en de stroom is ‘service breaking’ volgens IEC 60947-2 (afbeelding 5). Een VisiTrip led-display maakt het eenvoudiger om te zien welke stroomonderbreker in de kast of het paneel is uitgeschakeld. Het heeft ook een QR-code voor meer informatie, zoals de handleiding, onderdeelnummers en CAD-tekeningen.

Afbeelding 5: Stroomonderbrekers met een positieve contactindicatie die voldoen aan de isolatievereisten van IEC/EN60947. (Bron afbeelding: DigiKey)

Geïntegreerde veldbusknooppunten

TeSys is een gedigitaliseerde IIoT-oplossing voor belastingsbeheer die fungeert als een geïntegreerd knooppunt in een veldbusnetwerk en de modules bevat die nodig zijn om een IIoT-ready machine te implementeren. Deze oplossing is gebaseerd op multifunctionele apparaten en avatars voor industriële toepassingen met belastingen tot 80 A en kan het ontwerp, de bedrading en de inbedrijfstelling versnellen.

Een buskoppelaar zoals de TPRBCEIP is de kernmodule die zorgt voor interne communicatie met de TeSys island-modules via lintkabels. Het is ook het verbindingspunt tussen een TeSys island en een extern automatiseringssysteem dat gebruik maakt van communicatie via EtherNet/IP of Modbus TCP. Een ingebouwde webserver ondersteunt diagnose en onderhoud. Het bevat een RJ45-servicepoort voor ethernet, een micro SD-kaartpoort en een poort voor de interne bus die de TeSys island-modules met elkaar verbindt. Een typische configuratie omvat (afbeelding 6):

1. Buskoppeling
2. Analoge ingangs-/uitgangsmodule
3. Digitale ingangs-/uitgangsmodule
4. Spanningsinterfacemodule
5. Standaard starters
6. SIL-starter (Safety Integrity Level)
7. SIL-interfacemodule
8. Voedingsinterfacemodule

Afbeelding 6: De gecombineerde TeSys island-units fungeren als één knooppunt in een veldbusnetwerk. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

Voorbeelden van TeSys island-modules zijn:

• LC1DT406BL 40 A, 4-polig, normaal open, TeSys Deca-magneetschakelaar met IEC60335-1-conformiteit voor industriële en HVAC-systemen.
• LC1G115EHEN 150 A (75 kW bij 440 V_AC), 3-polig, normaal open, TeSys Giga-magneetschakelaar, ontworpen voor gebruik in veeleisende toepassingen met bedrijfssnelheden tot 600 cycli per uur en bedrijfstemperaturen tot +60 °C.
• TPRDG4X2 digitale I/O-module met vier digitale ingangen en twee digitale uitgangen is geschikt voor motoren en andere elektrische belastingen tot 65 A (37 kW, 40 pk). Alle aanpassingen en instellingen zijn gedigitaliseerd en er zijn geen mechanische draaiknoppen of dipschakelaars.
• TeSys island communicerende motorstarters tot 40 pk (80 A bij 480 V). Deze SIL-starters voldoen aan de vereisten van IEC 61508, IEC 62061 en ISO 13849-1 en ondersteunen PL d en SIL 2.

TeSys island ondersteunt ook uitgebreide oplossingen en integreert eenvoudig met Rockwell Studio 5000 en Siemens TIA Portal ter ondersteuning van oudere machines.

Alles bij elkaar genomen

Wanneer het tijd is om de machine te bouwen, kunnen ontwerpers zich wenden tot de EcoStruxure Machine Expert. Deze softwareoplossing ondersteunt de ontwikkeling, configuratie, inbedrijfstelling, bediening en het onderhoud van IIoT-ready machines.

EcoStruxure Machine Expert is geschikt voor alle nieuwste IIoT-machinebouwstenen, waaronder Modicon M262-PLC’s en het TeSys island digitale belastingsmanagementsysteem. Het is ontworpen om machines te leveren die geoptimaliseerd zijn voor veiligheid, betrouwbaarheid, efficiëntie, connectiviteit en duurzaamheid. Het maakt gebruik van het IIoT met oplossingen voor mobiliteit, detectie, cloud, analyse en cyberbeveiliging om die complexe taak uit te voeren.

Conclusie

IIoT-machines zijn een belangrijk aspect van Industry 4.0. Het ontwerpen, in bedrijf stellen en integreren van deze machines zijn complexe taken. Schneider Electric biedt machineontwerpers een uitgebreide reeks apparaten en softwaretools voor IIoT-machines ter ondersteuning van een verbeterde operationele efficiëntie op alle niveaus van de organisatie en gedurende de gehele levenscyclus van de machines.