A fenntarthatóság segítése és a termelékenység növelése az ipari motorok vezérlésének gyors és egyszerű üzembe helyezése révén

Az Ipar 4.0-s gyárak és logisztikai műveletek jellemzői a gyors lezajlású folyamatok. Számos felhasználási területen van szükség 0,12 kW (0,16 LE) és 30 kW (40 LE) közötti teljesítményű villanymotorokra és frekvenciaváltókra (VSD, variable speed drive).

Az ilyen felhasználási területeken használt frekvenciaváltóknak könnyen telepíthetőeknek és –10 °C és +60 °C közötti működésre alkalmasaknak kell lenniük. A nagyobb frekvenciaváltókat el kell látni beépített fékezőfeszültség-szabályozókkal, és egyes felhasználási területek megkövetelik az EN 61800-3 szabvány szerinti C1 elektromágneses összeférhetőségi (EMC) kategóriának való megfelelést. A frekvenciaváltóknak könnyen kezelhetőeknek kell lenniük, széles hálózatifeszültség-tartományban kell működniük, és a szünetmentes működés érdekében el kell viselniük az instabil hálózati feszültségeket.

Számos berendezés egyszerű mozgássorozatokat automatizál, és nem igényel programozható logikai vezérlőket (PLC, programmable logic controller), hanem üzembe helyezhető előre programozott makrók vagy egyszerű eszközök, például paraméterbetöltők, alapszintű kezelőpultok (BOP, basic operator panel) vagy okos hozzáférési modulok segítségével.

Végül pedig ezeknek a frekvenciaváltóknak gazdaságosan üzemeltethetőeknek kell lenniük, és olyan beépített energiatakarékossági funkciókat kell tartalmazniuk, mint az automatikus fluxuscsökkentés előre meghatározott üzemi feltételek mellett, valamint a fogyasztás valós időben történő nyomon követésének és megjelenítésének képessége.

Ez a cikk a Siemens cég SINAMICS V20 frekvenciaváltó termékcsaládjának áttekintésével, valamint a fenntarthatóság segítését és a termelékenység növelését lehetővé tevő funkciók ismertetésével kezdődik. Ezután kitér arra, hogy az előre programozott makrók és bizonyos eszközök, például a paraméterbetöltők, az alapszintű kezelőpultok és az okos hozzáférési modulok hogyan tudják segíteni a gyors üzembe helyezést, a jó hatásfokú működést és a folyamatos karbantartást.

A SINAMICS V20 frekvenciaváltók kicsomagolás után, hozzáadott modulok és külső vezérlőegységek nélkül, azonnal használhatóak. A helyszíni üzembe helyezést a beépített alapszintű kezelőpult segíti. Ezenkívül egy egyetemes soros illesztőfelület használható arra, ha az összetett műveletek érdekében Siemens SIMATIC PLC-khez szeretné csatlakoztatni a frekvenciaváltót. A Modbus illesztőfelület a harmadik féltől származó PLC-khez és egyéb eszközökhöz való csatlakoztatást teszi lehetővé.

A 7,5 kW-nál (10 LE) nagyobb teljesítményű egységek esetében a fékező ellenállás közvetlenül a fékezőfeszültség-szabályozóhoz csatlakoztatható, és egyes típusok megfelelnek az EN 61800-3 szabvány szerinti C1-es elektromágneses összeférhetőségi kategóriának is. A SINAMICS V20 frekvenciaváltók névleges üzemi hőmérséklet-tartománya –10°C és +60°C közötti, és az egységek 0,12 kW-tól 30 kW-ig terjedő teljesítménnyel kaphatóak. Példák (1. ábra):

• 6SL32105BB175UV1 típus: 0,75 kW (1 LE) névleges teljesítményű, és 230 V váltakozó feszültségű (V_AC) egyfázisú hálózatról működik.
• 6SL32105BB230UV1 típus: 3 kW (4 LE) névleges teljesítményű, és 230 V váltakozó feszültségű egyfázisú hálózatról működik.
• 6SL32105BE322CV0 típus: 22 kW (29,5 LE) névleges teljesítményű, és 400 V váltakozó feszültségű háromfázisú hálózatról működik.

1. ábra: SINAMICS V20 frekvenciaváltó 0,75 kW (balra) és 22 kW (jobbra) teljesítménnyel (a kép nem méretarányos) (kép: DigiKey)

A SINAMICS frekvenciaváltók beépített vezérlési módjai közé tartozik a skaláris feszültség/frekvencia (V/f), a többpontos programozható feszültség/frekvencia (V/f) és a fluxust az energiatakarékosság érdekében automatikusan szabályozó feszültségnégyzet/frekvencia (V²/f) érték valamint a fluxusáram-szabályozás (FCC, flux current control), amely automatikusan a terheléshez igazítja a frekvenciaváltó kimenőteljesítményét.

A Keep Running (Folyamatos üzem) üzemmódban az eszköz automatikusan szabályozza a feszültséget, hogy kiegyenlítse az egyenetlen hálózati áramellátás okozta ingadozásokat (2. ábra). Ebben az üzemmódban a hálózati feszültség ingadozásait belsőleg egyenlíti ki a berendezés, a villanymotor fordulatszáma automatikusan csökken a nem tervezett leállás elkerülése érdekében, és szükség esetén hibaüzenetet küld a rendszer a kezelőnek. Ez különösen hasznos lehet az épületautomatizálási területen, például a víz- és szennyvízfeldolgozó üzemek szivattyúi és ventilátorai, valamint a fűtő-, szellőző- és légkondicionáló (HVAC, heating, ventilation and air conditioning) rendszerek esetében.

2. ábra: A SINAMICS V20 Keep Running (Folyamatos üzem) üzemmód lehetővé teszi a villanymotor folyamatos működését még akkor is, ha a hálózati áramellátásban zavarok lépnek fel (ábra: Siemens)

A hatásfok maximalizálása

A felhasználási területtől függően lehet, hogy a hatásfok javítható a villanymotor fordulatszámának az aktuális folyamathoz igazításával. A turbómotorok, például a szivattyúk esetében a változó fordulatszámú üzem akár 60%-os energiamegtakarítást is eredményezhet az állandó fordulatszámon való működéshez képest.

A SINAMICS V20 frekvenciaváltóknak a hatásfok javítása érdekében az optimális energiafelhasználást célzó (ECO = gazdaságos) beépített vezérlési üzemmódjuk is van. ECO üzemmódban a motor fluxusát automatikusan az optimális munkaponthoz igazítja a rendszer.

Ezek a frekvenciaváltók hibernációs üzemmódba is állíthatók. Ez lekapcsolja az áramot a villanymotorról, miközben fenntartja a frekvenciaváltó éppen használt állapotát. A hibernációs üzemmód jelentősen csökkenti a fogyasztást, miközben a frekvenciaváltót készenlétben tartja, hogy szükség esetén azonnal újra lehessen indítani a villanymotort.

Az alább ismertetett beépített kaszkádolási és energiakiegyenlítő funkciók használatával még tovább javítható a hatásfok:

A kaszkádolás nagy teljesítményű, több villanymotort használó szivattyú-, ventilátor- és kompresszorrendszerekhez használható. A fázisok részben vagy teljesen szabályozott teljesítménykaszkádok használatával történő össze- és szétkapcsolása teljesítményveszteség nélkül képes javítani a rendszer teljes hatásfokát.

Az összekapcsolt frekvenciaváltókkal történő energiakiegyenlítés lehetővé teszi az energiacserét a közös egyenáramú kapcsolaton keresztül. A frekvenciaváltók közötti közvetlen energiacserével minimálisra csökkenthető a rendszer teljes energiavesztesége, és javítható a rendszer hatásfoka.

A SINAMICS frekvenciaváltókon található alapszintű kezelőpulton megjeleníthető a fogyasztás valós időben. Az energiatakarékosság-számláló képes kiszámítani a gép működése közbeni fogyasztást az állandó fordulatszámú működéshez képest, lehetővé téve a kezelők számára a folyamatok finomhangolását, valamint az energiamegtakarítás növelését és a fenntarthatóság még nagyobb mértékű elősegítését.

A fenntarthatóság elősegítésének javítása

A Siemens közzétette a SINAMICS V20 környezetvédelmi terméknyilatkozatát (EPD, Environmental Product Declaration), amely tartalmazza a Nemzetközi Szabványügyi Szervezet (ISO, International Standards Organization) ISO 14021 szabványán (Környezetvédelmi címkék és nyilatkozatok – Saját környezetvédelmi nyilatkozat – II. típusú környezetvédelmi címkézés) alapuló életciklus-hatásvizsgálatot (LCIA, life cycle impact assessment).

Ez az életciklus-hatásvizsgálat a 6SL3210-5BE21-5UV0 típuson alapul, amelynek 1,5 kW (2 LE) a névleges teljesítménye, és 380–480 V váltakozó feszültségű 3 fázisú hálózatról használható. A hatásvizsgálat figyelembe veszi a SINAMICS V20 frekvenciaváltók gyártásának, forgalmazásának, üzemeltetésének, élettartamvégi leszerelésének, ártalmatlanításának és újrahasznosításának hatásait. A legjelentősebb hatást a frekvenciaváltók 15 éves becsült élettartama alatti működés jelenti. Az elemzés évi 5000 üzemórán és három munkaponton (OP, operating point) alapul:

• OP1: az idő 20%-a 100%-os fordulatszámon és 100%-os nyomatékon
• OP2: az idő 70%-a 50%-os fordulatszámon és 25%-os nyomatékon
• OP3: az idő 10%-a 20%-os fordulatszámon és 25%-os nyomatékon

A frekvenciaváltó működése során a károsanyag-kibocsátás a becslések szerint 15 év alatt 1059,13 kg CO₂-egyenértéknek felel meg, míg a gyártás mindössze 40,6 kg, a leszerelés, az ártalmatlanítás és az újrahasznosítás pedig –3,6 kg CO₂-egyenértéknek megfelelő üvegházhatású gáz kibocsátását eredményezi.

Az Ipar 4.0-s műveletek során a gyors és rugalmas üzembe helyezés fontos szempont lehet a minél nagyobb energiamegtakarítás elérésében és a fenntarthatóság minél jobb elősegítésében. A felhasználóknak a gyors átállások támogatása érdekében több lehetőségük is van a SINAMICS V20 frekvenciaváltók üzembe helyezésének felgyorsítására.

Gyors üzembe helyezés makrókkal

A gyors üzembe helyezési funkció egyszerre négy paraméterkészletet változtat meg, nevezetesen a motoradatokat, a csatlakozási makrókat, a felhasználási makrókat és a fontos paramétereket. A motoradatok az európai, illetve észak-amerikai paraméterek (pl. kW vagy LE), a névleges feszültség, az áramerősség, a teljesítmény, a frekvencia, a hatásfok stb. kiválasztásával kezdődnek.

A csatlakozási és a felhasználási makrók különösen fontosak a gyors üzembe helyezéshez:

• A csatlakozási makrók közé tartozik az alapszintű kezelőpult egyedüli vezérlőpontként való azonosítása vagy a PNP/NPN csatlakozókról történő vezérlés engedélyezése, az állandó fordulatszámok, az analóg bemenet, az állandó frekvencia, a külső nyomógombos vezérlés, az analóg alapértékű külső nyomógombok, a PID vezérlés analóg bemeneti referenciával, a PID vezérlés állandóérték-referenciával, az USS vezérlés és a MODBUS RTU vezérlés.
• A felhasználási makrók választéka: önálló szivattyú, ventilátor, kompresszor és szállítószalag. Az önálló szivattyú makróban szereplő paraméterek például a következők: legkisebb frekvencia, vezérlési mód, a letiltási frekvencia alapértéke, automatikus újraindítás és felfutási idő.

A gyors üzembe helyezés során az egyes paraméterek testreszabhatóak, ilyen például a frekvencia alapértéke, a legkisebb és a legnagyobb frekvencia, valamint a felfutási és a leállási idő. Az üzembe helyezés felgyorsítása mellett a beépített gyors üzembe helyezési funkció használatával kiküszöbölhetők a helytelen paraméterbeállításokból eredő hibák, ami tovább rövidíti a telepítési időt.

A paraméterek klónozása több frekvenciaváltóra

A paraméterkészletek véglegesítése után egy paraméterbetöltő modul segítségével a V20 frekvenciaváltóról a paraméterkészleteket SD-kártyára lehet kiírni, és arról más frekvenciaváltókba betölteni. A paraméterbetöltő és az SD-kártya segítségével a paraméterkészletek több frekvenciaváltóra klónozhatóak. A paraméterek még a frekvenciaváltók felhasználási helyéül szolgáló gyárba szállítás előtt letölthetők a frekvenciaváltókra, ami tovább gyorsítja a teljes üzembe helyezési folyamatot, és csökkenti a műszaki támogatás iránti igényt.

Az SD-kártyahelyen kívül a V20 paraméterbetöltőben két AA (ceruzaelem) méretű szárazelem számára is van hely. Ezek az elemek a paraméterek betöltése közben hálózati áramforráshoz való csatlakoztatás nélkül is képesek árammal ellátni a frekvenciaváltót. A V20 paraméterbetöltőn van egy mikro-USB csatlakozó is, amelyhez 5 V egyenfeszültségű (V_DC) külső tápegység csatlakoztatható, kiküszöbölve a szárazelemek szükségességét (3. ábra).

3. ábra: A külön rendelhető paraméterbetöltővel a V20 frekvenciaváltó paraméterei kiírhatók SD-kártyára és betölthetők onnan, így lehetővé válik a paraméterek gyors klónozása több frekvenciaváltóra (ábra: Siemens)

Külső alapszintű kezelőpult

A V20 frekvenciaváltók távvezérléséhez külön rendelhető külső alapszintű kezelőpult is használható. A külső alapszintű kezelőpultot úgy tervezték, hogy a készülékház külső oldalára lehessen rögzíteni, és a frekvenciaváltóhoz kapcsolt csatlakozómodulhoz lehessen csatlakoztatni. A külső alapszintű kezelőpult és a csatlakozómodul lehetőséget ad az RS232-kapcsolatra, és akár 3 m hosszú kábel is használható a csatlakozáshoz.

Megfelelő módon felszerelve a külső alapszintű kezelőpulttal IP54 és 1. típusú UL/cUL védettség is elérhető. Ez megvédi a kezelőszemélyzetet a veszélyes feszültség alatt álló alkatrészek megérintésétől, valamint védi a V20 frekvenciaváltót a szilárd idegen anyagok, például a szennyeződések és a por behatolása ellen. A külső alapszintű kezelőpult megkettőzi a V20 beépített alapszintű kezelőpultját (4. ábra).

4. ábra: Egy külső alapszintű kezelőpulttal akár 3 méter távolságból, a vezérlőszekrényen kívülről is vezérelni lehet a V20 frekvenciaváltókat (kép: Siemens)

Vezeték nélküli vezérlés

Az üzembe helyezés minél nagyobb rugalmassága érdekében a felhasználók használhatják a SINAMICS V20 Smart Access intelligens hozzáférési modult is (5. ábra). A Smart Access modul, amely egy webkiszolgáló modul beépített wifikapcsolattal, közvetlenül a V20 frekvenciaváltó bemenetéhez kapcsolódik. Lehetővé teszi a V20 frekvenciaváltók webalapú üzembe helyezését és felügyeletét olyan felhasználói eszközökről, mint a vezeték nélküli hálózati kártyával ellátott hordozható számítógépek, a táblagépek és az okostelefonok. Használható bármilyen operációs rendszerrel és a HTML5-öt ismerő webböngészővel, például Chrome, Internet Explorer (IE) és Safari böngészővel.

5. ábra: A Smart Access modul wifikapcsolatot biztosít a V20 frekvenciaváltók üzembe helyezéséhez, vezérléséhez, felügyeletéhez és hibakereséséhez (kép: DigiKey)

A SINAMICS V20 Smart Access segítségével könnyen hozzá lehet férni még az egyébként nehezen hozzáférhető helyeken lévő frekvenciaváltókhoz is. A használatát megkönnyíti a logikusan használható grafikus felhasználói felület (GUI) és az üzembe helyezési varázsló. A gyors és egyszerű üzembe helyezés érdekében a Smart Access modulhoz használható ugyanaz a gyorsbeállító varázsló, amelyik az alapszintű kezelőpulthoz. Ezzel e következőket lehet elvégezni:

• motoradatok bevitele
• a csatlakozási makrók aktiválása
• a felhasználási makrók kiválasztása és aktiválása
• a leggyakrabban használt paraméterek beállítása

A Smart Access modul beállítható úgy, hogy közvetlenül a távfelügyelethez küldjön hibakódokat e-mailben, és az adatokhoz és a vezérlési funkciókhoz való hozzáférés szabályozására szolgáló számos biztonsági funkciót tartalmaz. A Smart Access sokféle vezeték nélküli, webalapú funkciót kínál, többek között a következőket:

• gyors üzembe helyezés
• az átalakító paraméterezése
• a motor használata JOG/HAND (léptetés/kézi vezérlés) üzemmódban
• a V20 frekvenciaváltó állapotfigyelése
• hibakeresés és riasztási diagnosztika
• adatmentés és -visszaállítás

Összegzés

A Siemens SINAMICS V20 frekvenciaváltók a fenntarthatóságra és a rugalmasságra összpontosítanak. Ezek a többféle üzemmódban használható és energiatakarékos funkciókkal ellátott frekvenciaváltók az egyszerű mozgatással járó felhasználási területek széles körében a lehető legnagyobbra növelik a hatásfokot a 0,12 kW-tól (0,16 LE) 30 kW-ig (40 LE) terjedő teljesítménytartományban. A Keep Running (Folyamatos üzem) üzemmód biztosítja a kritikus infrastruktúrák, például a szennyvíz- és vízfeldolgozás, valamint az épületautomatizálásban a fűtő-, szellőző- és légkondicionáló rendszerek folyamatos működését. A rugalmasságot a gyors üzembe helyezés számos módja segíti, többek között a beépített alapszintű kezelőpult, a külső alapszintű kezelőpult, a vezeték nélküli csatlakozás a Smart Access modul, valamint az előre programozott felhasználási makrók és egyéb eszközök.