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來源：Digikey 作者：Jeff Shepard 選擇最優的電機、驅動器和通信模塊等工業自動化設備需要格外注重細節。例如，北美的美國電氣制造商協會 (NEMA) 和歐洲的國際電工委員會 (IEC) 在電機和驅動器額定值方面就存在許多差異。 選擇電機、驅動器和控制器時，需要考慮的因素包括輸入和輸出電壓及公差、所需的速度范圍和調節需求、扭矩要求、加速度、制動占空比、快速或扭矩響應等特殊需求，以及包括熱管理在內的環境因素。 通信需求因設備在工業控制層級中的位置而異。在最靠近工廠車間邊緣的層級，IO-Link 等協議可用于智能傳感器和執行器，EtherCAT、PROFINET、Modbus 和其他協議可連接運動、安全、I/O 和視覺系統。 工廠自動化網絡的最高層級通常使用以太網/IP 與各種自動化控制器、編程接口和云端連接，并使用 DisplayPort 等協議與人機接口 (HMI) 連接。在這兩者之間，以太網/IP、EtherCAT 和其他協議的組合可將工廠車間的現場層級與運營和控制層級連接。 其中的細節不勝枚舉，無法一一詳述。不過，本文將介紹在指定電機、驅動器和通信模塊時應考慮的幾個指導原則，以及 Siemens、Phoenix Contact、Omron Automation、Panasonic Industrial 和 Schneider Electric 的應用、硬件和協議示例。 關注點轉移 電機和驅動器是許多工業自動化系統中的共同關注點。作為討論的起點，了解電機能效在更廣泛的工業自動化系統性能考量中的位置，以及關注點是如何轉移的，將對討論有所幫助。 使用能效更高的電機可節約多達 6% 的能源。這非常好。然而，增加一個高效驅動器和支持組件可使節能效果提高至高達 30%。 當關注點轉移至整體系統優化時，游戲規則開始顛覆。考慮所有機械部件，并增加通信功能以連接包括運營和工廠層級的工業物聯網 (IIoT)，最終連接至企業層級和云端后，可節省多達 60% 的能源并提高生產率（圖 1）。 
圖 1：提高集成度和通信水平可節約更多能源并提高生產率。（圖片來源：Siemens） 電機系統的生態設計 IEC 61800-9 第 2 部分“電機系統的生態設計 - 能效確定和分類”是一項重要資源。該標準沒有只關注電機能效，而是詳細介紹了“電機驅動系統”的一系列更高層級的性能因素。VFD 可視為完整驅動模塊 (CDM) 的一部分，后者包括交流輸入“饋電部分”、類似 VFD 的“基本驅動模塊”(BDM) 以及包括輸入和輸出濾波器、線路扼流圈和其他支持組件的“輔助設備”。 該標準還將電力驅動系統 (PDS) 定義為 CDM 加電機。接下來是層級，該標準將電機系統描述為 PDS 加接觸器等電機控制設備。 最高層級是擴展產品或圖 1 中的整體系統，其增加了變速器和裝載機等機械驅動設備。有關 IEC 61800-9-2 PDS 能效標準的更多詳情，請參閱文章“可調速工業電機驅動器有哪些不同類型？” 指定“電機驅動系統”的出發點是電機。 電機很重要 如果指定和使用得當，電機可以是非常高效的機器。因此，指定電機是機器設計人員的一項重要任務。 IEC 以 kW 為單位量化電機功率，而 NEMA 則使用 hp，這兩者可以輕松進行換算。不過，IEC 和 NEMA 采用不同的能效計算方法，對于相同的電機設計，IEC 銘牌能效可能略高于 NEMA 額定值。 電機的實際能效與具體用例密切相關。因此，電機能效標準通常是從減少能量損耗而非絕對能效的角度來討論。 IEC 60034-30-1 確定了五個電機能效等級，從 IE1 到 IE5。各等級之間的能量損耗下降 20%。這意味著 IE5“超超高效”電機的損耗比 IE4“超高效”電機低 20%。還有更多需要考慮的因素。在某些情況下，能效更高的電機的功率因數 (PF) 會下降。 在北美，NEMA 的能效等級更少，但同樣重要。NEMA 認可 IEC 標準中未包含的電機服務系數 (SF)。SF 為 1.15 的 NEMA 電機能夠以 115% 的額定功率連續運行，但電機運行溫度較高，會導致軸承和絕緣材料壽命縮短。 IEC 不使用 SF，而是根據連續運行與間歇運行、速度變化及制動使用等因素，確定了十種工作制或服務系數（S1 至 S10）。 NEMA 和 IEC 的工作電壓和頻率范圍不同，但都以“每單位”(p.u.) 量表示。在 p.u. 系統中，量值以基準值的分數表示。NEMA 認可一種電機電壓和頻率范圍。IEC 認可兩個“區”（圖 2）。
圖 2：NEMA 和 IEC 工業交流電壓和頻率范圍的對比。（圖片來源：NEMA） 提高 PDS 能效 根據 IEC 61800-9-2 的定義，電機驅動器是提高 PDS 能效的關鍵因素。這些驅動器可以從幾個方面進行分類，例如電機電壓、功率水平、運動類型、支持的應用等。運動類型可分為連續運動和非連續運動。根據所需的最大輸出功率，它們可進一步分為低、中和高性能。 不同類型的驅動器支持不同的系統需求。伺服驅動器和電機非常適合機器人等需要快速加速、減速和精確定位的應用場合。軟起動器適用于輸送機等連續作業場合，這些場合可受益于平穩起動和減速。VFD 廣泛應用于各種工業機器。 一些 VFD 產品系列針對泵送、通風、壓縮、移動或加工等作業進行了優化。Siemens SINAMICS G120 的通用驅動器系列的額定功率范圍為 0.55 至 250 kW（0.75 至 400 hp），適用于汽車、紡織和包裝作業等一般工業應用。 型號 6SL32203YE340UF0 使用三相電，工作電壓范圍為 380 至 480 Vac +10 % / -20%。在歐洲，該型號指定用于電壓為 400 V、電機額定功率為 22 至 30 kW 的作業；在北美，則指定用于電壓為 480 V、電機額定功率為 30 至 40 hp 的作業（圖 3）。
圖 3：該 VFD 可與額定功率為 22 至 30 kW 的電機結合使用，具體取決于工作電壓。（圖片來源：DigiKey） VFD 并非高效 PDS 設計的唯一關鍵因素。文章“需要哪些輔助產品才能最大限度地發揮 VFD 和 VSD 的作用？- 第 1 部分”介紹了一些必需的支持組件。 通信和系統優化 雖然電機和驅動器所處的工廠車間屬于第 1 層級或現場層級，但它們并非處于工業 4.0 通信層級的最底層。最底層屬于第 0 層級中的傳感器和執行器等功能。此外，在現場層級之上還有多個層級。要最大限度提高工業 4.0 工廠的整體效率、生產率和可持續性，就必須在直至云端的通信層級中實現及時、高效的上下級通信。云端連接可通過以下協議實現（圖 4）： · uOPC PubSub Bridge，該協議可整合多個運營技術 (OT) 數據流。 · MOTT BRoker，該協議可接收消息并根據消息主題將其轉發給用戶。
圖 4：工業 4.0 通信層級的所有級別都可以直接連接到云端。（圖片來源：OPC 基金會） 第 1 層級不只有驅動器和電機。現場總線主站單元 (FMU) 能促進通信，并簡化驅動器與其他器件的集成。FMU 可用于各種協議，包括 PROFINET、PROFIBUS、DeviceNet、CANopen 等。使用 FMU 可實現獨立于制造商的連接。 Panasonic 的型號 AFP7NPFNM 是一款 PROFINET FMU。該型號提供用于編程軟件的集成功能庫，能夠大幅縮短開發應用特定解決方案所需的時間。 傳感器、執行器和安全裝置為第 0 層級 要提高 VFD 的 PDS 節能收益，就必須將連接性降低到第 0 層級。在第 0 層級集成傳感器、執行器和安全裝置（如光幕）可大幅提高效率，并將節能率提高到 30% 以上。 用于連接第 0 層級功能的常用協議包括 DeviceNet、HART、Modbus 和 IO-Link。IO-Link 是一種點對點協議，可將傳感器和執行器連接到上一級控制裝置。該協議提供有線和無線兩種標準，其作為一種具有成本效益的替代方案，越來越多地部署在工業 4.0 中。 Omron 的 NX-ILM400 IO-Link 主站單元可混合使用標準 I/O 和高速同步 I/O。標準數字 I/O 每個單元有 16 個連接，可選擇（圖 5）： · 四個帶電源的 3 線傳感器連接 · 八個 2 線觸點輸入或執行器輸出 · 十六個單線連接，用于連接到共用電源的傳感器和執行器
圖 5：該 IO-Link 主站單元支持標準和高速同步 I/O。（圖片來源：Omron Automation） PDS 及其他為第 2 層級 更高層級的通信不僅有助于改善現場層級的作業，更是最大限度提高組織效率和生產率的必要條件。從第 2 層級到第 3、4 層級和云端，需要使用以太網/IP、EtherCAT 和 Modbus TCP/IP 等協議。 用于實現此類連接的設備包括可編程邏輯控制器 (PLC) 或工業個人計算機 (IPC)。PLC 是專為工業自動化和控制而優化的計算機。在典型應用中，PLC 可監測來自機器和相關傳感器的輸入，根據其編程做出決策，然后發送控制輸出。 雖然 IPC 可執行類似 PLC 的功能，但它們是更通用的設備。IPC 運行 Linux 或 Windows 等操作系統，因此可使用一系列軟件工具，并且通常連接至 HMI（許多 PLC 也可連接至 HMI）。PLC 往往以機器為中心，而 IPC 則有更多操作功能。 PLC 與 IPC 之間的區別越來越模糊。例如，Phoenix Contact 的 1069208 PLC 運行 Linux 操作系統。與傳統 PLC 類似，該 PCL 可使用符號化流程圖 (SFC)、梯形圖 (LD)、功能區塊圖 (FBD) 和結構化文本 (ST) 進行編程。其包括三個獨立的以太網接口，可連接至 PROFICLOUD。 Schneider Electric 提供的 HMIBMIEA5DD1E01 IIoT Edge Box 適用于可受益于 IPC 的應用。其采用無風扇設計，包括一個運行頻率為 1.8 GHz 的 Intel Atom Apollo Lake E3930 雙核處理器。該產品有一個 mini PCIe 擴展插槽和九個通信端口（圖 6）。
圖 6：帶 mini PCIe 擴展插槽和多種通信選項的無風扇 IPC。（圖片來源：Schneider Electric） 結語 本文簡要概述了設計人員在為工業 4.0 設施指定電機、驅動器和通信模塊時應考慮的一些指導原則。其內容并非詳盡無遺。旨在引人思考和提供一些用于進一步調查的資源。 |
