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來(lái)源：Digikey 作者：Jeff Shepard 選擇最優(yōu)的電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和通信模塊等工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備需要格外注重細(xì)節(jié)。例如，北美的美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì) (NEMA) 和歐洲的國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 在電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器額定值方面就存在許多差異。 選擇電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和控制器時(shí)，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(diào)節(jié)需求、扭矩要求、加速度、制動(dòng)占空比、快速或扭矩響應(yīng)等特殊需求，以及包括熱管理在內(nèi)的環(huán)境因素。 通信需求因設(shè)備在工業(yè)控制層級(jí)中的位置而異。在最靠近工廠車間邊緣的層級(jí)，IO-Link 等協(xié)議可用于智能傳感器和執(zhí)行器，EtherCAT、PROFINET、Modbus 和其他協(xié)議可連接運(yùn)動(dòng)、安全、I/O 和視覺(jué)系統(tǒng)。 工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的最高層級(jí)通常使用以太網(wǎng)/IP 與各種自動(dòng)化控制器、編程接口和云端連接，并使用 DisplayPort 等協(xié)議與人機(jī)接口 (HMI) 連接。在這兩者之間，以太網(wǎng)/IP、EtherCAT 和其他協(xié)議的組合可將工廠車間的現(xiàn)場(chǎng)層級(jí)與運(yùn)營(yíng)和控制層級(jí)連接。 其中的細(xì)節(jié)不勝枚舉，無(wú)法一一詳述。不過(guò)，本文將介紹在指定電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和通信模塊時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)指導(dǎo)原則，以及 Siemens、Phoenix Contact、Omron Automation、Panasonic Industrial 和 Schneider Electric 的應(yīng)用、硬件和協(xié)議示例。 關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器是許多工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的共同關(guān)注點(diǎn)。作為討論的起點(diǎn)，了解電機(jī)能效在更廣泛的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)性能考量中的位置，以及關(guān)注點(diǎn)是如何轉(zhuǎn)移的，將對(duì)討論有所幫助。 使用能效更高的電機(jī)可節(jié)約多達(dá) 6% 的能源。這非常好。然而，增加一個(gè)高效驅(qū)動(dòng)器和支持組件可使節(jié)能效果提高至高達(dá) 30%。 當(dāng)關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移至整體系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)，游戲規(guī)則開(kāi)始顛覆。考慮所有機(jī)械部件，并增加通信功能以連接包括運(yùn)營(yíng)和工廠層級(jí)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT)，最終連接至企業(yè)層級(jí)和云端后，可節(jié)省多達(dá) 60% 的能源并提高生產(chǎn)率（圖 1）。 
圖 1：提高集成度和通信水平可節(jié)約更多能源并提高生產(chǎn)率。（圖片來(lái)源：Siemens） 電機(jī)系統(tǒng)的生態(tài)設(shè)計(jì) IEC 61800-9 第 2 部分“電機(jī)系統(tǒng)的生態(tài)設(shè)計(jì) - 能效確定和分類”是一項(xiàng)重要資源。該標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有只關(guān)注電機(jī)能效，而是詳細(xì)介紹了“電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”的一系列更高層級(jí)的性能因素。VFD 可視為完整驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(shè)備”。 該標(biāo)準(zhǔn)還將電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (PDS) 定義為 CDM 加電機(jī)。接下來(lái)是層級(jí)，該標(biāo)準(zhǔn)將電機(jī)系統(tǒng)描述為 PDS 加接觸器等電機(jī)控制設(shè)備。 最高層級(jí)是擴(kuò)展產(chǎn)品或圖 1 中的整體系統(tǒng)，其增加了變速器和裝載機(jī)等機(jī)械驅(qū)動(dòng)設(shè)備。有關(guān) IEC 61800-9-2 PDS 能效標(biāo)準(zhǔn)的更多詳情，請(qǐng)參閱文章“可調(diào)速工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有哪些不同類型？” 指定“電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”的出發(fā)點(diǎn)是電機(jī)。 電機(jī)很重要 如果指定和使用得當(dāng)，電機(jī)可以是非常高效的機(jī)器。因此，指定電機(jī)是機(jī)器設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)重要任務(wù)。 IEC 以 kW 為單位量化電機(jī)功率，而 NEMA 則使用 hp，這兩者可以輕松進(jìn)行換算。不過(guò)，IEC 和 NEMA 采用不同的能效計(jì)算方法，對(duì)于相同的電機(jī)設(shè)計(jì)，IEC 銘牌能效可能略高于 NEMA 額定值。 電機(jī)的實(shí)際能效與具體用例密切相關(guān)。因此，電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)通常是從減少能量損耗而非絕對(duì)能效的角度來(lái)討論。 IEC 60034-30-1 確定了五個(gè)電機(jī)能效等級(jí)，從 IE1 到 IE5。各等級(jí)之間的能量損耗下降 20%。這意味著 IE5“超超高效”電機(jī)的損耗比 IE4“超高效”電機(jī)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(jī)的功率因數(shù) (PF) 會(huì)下降。 在北美，NEMA 的能效等級(jí)更少，但同樣重要。NEMA 認(rèn)可 IEC 標(biāo)準(zhǔn)中未包含的電機(jī)服務(wù)系數(shù) (SF)。SF 為 1.15 的 NEMA 電機(jī)能夠以 115% 的額定功率連續(xù)運(yùn)行，但電機(jī)運(yùn)行溫度較高，會(huì)導(dǎo)致軸承和絕緣材料壽命縮短。 IEC 不使用 SF，而是根據(jù)連續(xù)運(yùn)行與間歇運(yùn)行、速度變化及制動(dòng)使用等因素，確定了十種工作制或服務(wù)系數(shù)（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(tǒng)中，量值以基準(zhǔn)值的分?jǐn)?shù)表示。NEMA 認(rèn)可一種電機(jī)電壓和頻率范圍。IEC 認(rèn)可兩個(gè)“區(qū)”（圖 2）。
圖 2：NEMA 和 IEC 工業(yè)交流電壓和頻率范圍的對(duì)比。（圖片來(lái)源：NEMA） 提高 PDS 能效 根據(jù) IEC 61800-9-2 的定義，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是提高 PDS 能效的關(guān)鍵因素。這些驅(qū)動(dòng)器可以從幾個(gè)方面進(jìn)行分類，例如電機(jī)電壓、功率水平、運(yùn)動(dòng)類型、支持的應(yīng)用等。運(yùn)動(dòng)類型可分為連續(xù)運(yùn)動(dòng)和非連續(xù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)所需的最大輸出功率，它們可進(jìn)一步分為低、中和高性能。 不同類型的驅(qū)動(dòng)器支持不同的系統(tǒng)需求。伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)非常適合機(jī)器人等需要快速加速、減速和精確定位的應(yīng)用場(chǎng)合。軟起動(dòng)器適用于輸送機(jī)等連續(xù)作業(yè)場(chǎng)合，這些場(chǎng)合可受益于平穩(wěn)起動(dòng)和減速。VFD 廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)機(jī)器。 一些 VFD 產(chǎn)品系列針對(duì)泵送、通風(fēng)、壓縮、移動(dòng)或加工等作業(yè)進(jìn)行了優(yōu)化。Siemens SINAMICS G120 的通用驅(qū)動(dòng)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(yè)等一般工業(yè)應(yīng)用。 型號(hào) 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(hào)指定用于電壓為 400 V、電機(jī)額定功率為 22 至 30 kW 的作業(yè)；在北美，則指定用于電壓為 480 V、電機(jī)額定功率為 30 至 40 hp 的作業(yè)（圖 3）。
圖 3：該 VFD 可與額定功率為 22 至 30 kW 的電機(jī)結(jié)合使用，具體取決于工作電壓。（圖片來(lái)源：DigiKey） VFD 并非高效 PDS 設(shè)計(jì)的唯一關(guān)鍵因素。文章“需要哪些輔助產(chǎn)品才能最大限度地發(fā)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(tǒng)優(yōu)化 雖然電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器所處的工廠車間屬于第 1 層級(jí)或現(xiàn)場(chǎng)層級(jí)，但它們并非處于工業(yè) 4.0 通信層級(jí)的最底層。最底層屬于第 0 層級(jí)中的傳感器和執(zhí)行器等功能。此外，在現(xiàn)場(chǎng)層級(jí)之上還有多個(gè)層級(jí)。要最大限度提高工業(yè) 4.0 工廠的整體效率、生產(chǎn)率和可持續(xù)性，就必須在直至云端的通信層級(jí)中實(shí)現(xiàn)及時(shí)、高效的上下級(jí)通信。云端連接可通過(guò)以下協(xié)議實(shí)現(xiàn)（圖 4）： · uOPC PubSub Bridge，該協(xié)議可整合多個(gè)運(yùn)營(yíng)技術(shù) (OT) 數(shù)據(jù)流。 · MOTT BRoker，該協(xié)議可接收消息并根據(jù)消息主題將其轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。
圖 4：工業(yè) 4.0 通信層級(jí)的所有級(jí)別都可以直接連接到云端。（圖片來(lái)源：OPC 基金會(huì)） 第 1 層級(jí)不只有驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)總線主站單元 (FMU) 能促進(jìn)通信，并簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)器與其他器件的集成。FMU 可用于各種協(xié)議，包括 PROFINET、PROFIBUS、DeviceNet、CANopen 等。使用 FMU 可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于制造商的連接。 Panasonic 的型號(hào) AFP7NPFNM 是一款 PROFINET FMU。該型號(hào)提供用于編程軟件的集成功能庫(kù)，能夠大幅縮短開(kāi)發(fā)應(yīng)用特定解決方案所需的時(shí)間。 傳感器、執(zhí)行器和安全裝置為第 0 層級(jí) 要提高 VFD 的 PDS 節(jié)能收益，就必須將連接性降低到第 0 層級(jí)。在第 0 層級(jí)集成傳感器、執(zhí)行器和安全裝置（如光幕）可大幅提高效率，并將節(jié)能率提高到 30% 以上。 用于連接第 0 層級(jí)功能的常用協(xié)議包括 DeviceNet、HART、Modbus 和 IO-Link。IO-Link 是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議，可將傳感器和執(zhí)行器連接到上一級(jí)控制裝置。該協(xié)議提供有線和無(wú)線兩種標(biāo)準(zhǔn)，其作為一種具有成本效益的替代方案，越來(lái)越多地部署在工業(yè) 4.0 中。 Omron 的 NX-ILM400 IO-Link 主站單元可混合使用標(biāo)準(zhǔn) I/O 和高速同步 I/O。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 I/O 每個(gè)單元有 16 個(gè)連接，可選擇（圖 5）： · 四個(gè)帶電源的 3 線傳感器連接 · 八個(gè) 2 線觸點(diǎn)輸入或執(zhí)行器輸出 · 十六個(gè)單線連接，用于連接到共用電源的傳感器和執(zhí)行器
圖 5：該 IO-Link 主站單元支持標(biāo)準(zhǔn)和高速同步 I/O。（圖片來(lái)源：Omron Automation） PDS 及其他為第 2 層級(jí) 更高層級(jí)的通信不僅有助于改善現(xiàn)場(chǎng)層級(jí)的作業(yè)，更是最大限度提高組織效率和生產(chǎn)率的必要條件。從第 2 層級(jí)到第 3、4 層級(jí)和云端，需要使用以太網(wǎng)/IP、EtherCAT 和 Modbus TCP/IP 等協(xié)議。 用于實(shí)現(xiàn)此類連接的設(shè)備包括可編程邏輯控制器 (PLC) 或工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī) (IPC)。PLC 是專為工業(yè)自動(dòng)化和控制而優(yōu)化的計(jì)算機(jī)。在典型應(yīng)用中，PLC 可監(jiān)測(cè)來(lái)自機(jī)器和相關(guān)傳感器的輸入，根據(jù)其編程做出決策，然后發(fā)送控制輸出。 雖然 IPC 可執(zhí)行類似 PLC 的功能，但它們是更通用的設(shè)備。IPC 運(yùn)行 Linux 或 Windows 等操作系統(tǒng)，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(jī)器為中心，而 IPC 則有更多操作功能。 PLC 與 IPC 之間的區(qū)別越來(lái)越模糊。例如，Phoenix Contact 的 1069208 PLC 運(yùn)行 Linux 操作系統(tǒng)。與傳統(tǒng) PLC 類似，該 PCL 可使用符號(hào)化流程圖 (SFC)、梯形圖 (LD)、功能區(qū)塊圖 (FBD) 和結(jié)構(gòu)化文本 (ST) 進(jìn)行編程。其包括三個(gè)獨(dú)立的以太網(wǎng)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(yīng)用。其采用無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)，包括一個(gè)運(yùn)行頻率為 1.8 GHz 的 Intel Atom Apollo Lake E3930 雙核處理器。該產(chǎn)品有一個(gè) mini PCIe 擴(kuò)展插槽和九個(gè)通信端口（圖 6）。
圖 6：帶 mini PCIe 擴(kuò)展插槽和多種通信選項(xiàng)的無(wú)風(fēng)扇 IPC。（圖片來(lái)源：Schneider Electric） 結(jié)語(yǔ) 本文簡(jiǎn)要概述了設(shè)計(jì)人員在為工業(yè) 4.0 設(shè)施指定電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和通信模塊時(shí)應(yīng)考慮的一些指導(dǎo)原則。其內(nèi)容并非詳盡無(wú)遺。旨在引人思考和提供一些用于進(jìn)一步調(diào)查的資源。 |
