Hoe agile en eenvoudige inbedrijfstelling van industriële motordrives de duurzaamheid en productiviteit kan verhogen

Agile processen zijn een kenmerk van Industry 4.0-fabrieken en logistieke operaties. Er is een breed scala aan toepassingen die motoren en variable speed drives (VSD’s) vereisen van 0,12 kilowatt (kW) tot 30 kW (0,16 paardenkracht (pk) tot 40 pk).

De VSD’s voor deze toepassingen moeten eenvoudig te installeren zijn en geschikt zijn voor een bedrijfstemperatuur van -10 °C tot +60 °C. Grotere drives moeten geïntegreerde remchoppers bevatten en sommige toepassingen vereisen dat ze aan categorie C1 elektromagnetische compatibiliteit (EMC) van EN 61800-3 voldoen. De VSD’s moeten gebruiksvriendelijk zijn, over een breed netspanningsbereik werken en zich automatisch aanpassen aan onstabiele netspanningen om een ononderbroken werking te garanderen.

Voor veel toepassingen zijn eenvoudige bewegingssequenties geautomatiseerd waardoor ze geen programmeerbare logische controllers meer nodig hebben. Ze kunnen in bedrijf worden gesteld met behulp van voorgeprogrammeerde macro’s of eenvoudige apparaten zoals parameterladers, basic operator panels (BOP’s) of slimme toegangsmodules.

Tot slot moeten deze VSD’s zuinig te bedienen zijn en geïntegreerde energiebesparende functies hebben, zoals automatische fluxreductie onder vooraf bepaalde bedrijfsomstandigheden en de mogelijkheid om het energieverbruik in realtime te bewaken en weer te geven.

Dit artikel begint met een overzicht van de VSD’s in de SINAMICS V20-serie van Siemens en de functies waarmee ze de duurzaamheid en productiviteit kunnen verbeteren. Vervolgens wordt besproken hoe voorgeprogrammeerde macro's en apparaten zoals parameterladers, BOP’s en slimme toegangsmodules, een agile inbedrijfstelling, efficiënte werking en doorlopend onderhoud kunnen ondersteunen.

SINAMICS V20-drives kunnen zo uit de doos worden gebruikt zonder extra modules of externe controllers. De geïntegreerde BOP ondersteunt de inbedrijfstelling ter plaatse. Daarnaast kan een universele seriële interface worden gebruikt om verbinding te maken met Siemens SIMATIC programmeerbare logische controllers (PLC’s) voor complexe bewerkingen. De Modbus-interface kan verbinding maken met PLC’s en andere apparaten van derden.

Bij eenheden met een vermogen van meer dan 10 pk kan een remweerstand rechtstreeks op de remchopper worden aangesloten en sommige modellen voldoen aan EMC-categorie C1 van EN 61800-3. SINAMICS V20-drives zijn geschikt voor een bedrijfstemperatuur van -10 °C tot +60 °C en zijn verkrijgbaar met vermogens van 0,12 kW tot 30 kW. Voorbeelden zijn (afbeelding 1):

• Model 6SL32105BB175UV1, geschikt voor 0,75 kW, werkt op 230 V_AC eenfasespanning.
• Model 6SL32105BB230UV1, geschikt voor 3 kW, werkt ook op 230 V_AC eenfasespanning.
• Model 6SL32105BE322CV0, geschikt voor 22 kW, werkt op 400 V_AC eenfasespanning.

Afbeelding 1: Voorbeelden van SINAMICS V20-drives, 0,75 kW (links) en 22 kW (rechts) (niet op schaal). (Bron afbeelding: DigiKey)

Geïntegreerde regelmodi in SINAMICS-drives zijn onder andere scalaire volt per Hertz (V/f), programmeerbare V/f meerpuntsregeling, V²/f die automatisch de flux aanpast om energie te besparen en fluxstroomregeling (FCC) die automatisch de uitgang van de drive aanpast aan de belasting.

De ‘Keep Running-modus’ past zich automatisch aan om een onstabiele netspanning te compenseren (afbeelding 2). In deze modus worden schommelingen in de netspanning intern gecompenseerd, wordt het motortoerental automatisch verlaagd om een ongeplande uitschakeling te voorkomen en wordt indien nodig een foutmelding verzonden. Dit kan vooral nuttig zijn in gebouwautomatiseringstoepassingen zoals pompen en ventilatoren in water- of afvalwaterverwerkingsinstallaties en verwarmings-, ventilatie- en airconditioningsystemen (HVAC).

Afbeelding 2: De ‘Keep Running-modus’ van SINAMICS V20 ondersteunt een continue werking van de motor, zelfs bij storingen in de netvoeding. (Bron afbeelding: Siemens)

Maximale efficiëntie

Afhankelijk van de toepassing kan de efficiëntie worden verhoogd door het motortoerental aan te passen aan het huidige proces. In het geval van turbomachines zoals pompen kan het variabele toerental bijvoorbeeld tot 60% energie besparen in vergelijking met een vaste snelheid.

SINAMICS V20-drives hebben een geïntegreerde energie-geoptimaliseerde regelmodus (ECO) voor meer efficiëntie. In de ECO-modus wordt de motorflux automatisch aangepast aan het optimale werkpunt.

Deze drives kunnen in de slaapstand worden gezet, waardoor de motor wordt uitgeschakeld terwijl de huidige status van de drive behouden blijft. De slaapstand verlaagt het energieverbruik aanzienlijk, terwijl de drive in een staat van paraatheid blijft om zo nodig onmiddellijk opnieuw op te starten.

Het gebruik van geïntegreerde cascade- en energiebalansfuncties hieronder kan de energie-efficiëntie verder verbeteren:

Cascadering kan worden gebruikt in high-output pomp-, ventilator- en compressortoepassingen waarbij meerdere motoren worden gebruikt. Faseaansluitingen en -ontkoppelingen met behulp van gedeeltelijk of volledig geregelde vermogenscascades kunnen de algehele systeemefficiëntie verhogen zonder prestatieverlies.

Energiebalancering met gekoppelde drives maakt het mogelijk om energie uit te wisselen via de gemeenschappelijke DC-link. Die directe energie-uitwisseling tussen omvormers kan de totale vermogensverliezen van het systeem minimaliseren en de efficiëntie verbeteren.

De BOP op SINAMICS-drives kan het energieverbruik in realtime weergeven. Een energiebesparingsmeter kan het energieverbruik van de machine in bedrijf berekenen in vergelijking met de werking bij een vast toerental, zodat operators processen nauwkeurig kunnen afstellen en de besparingen en duurzaamheid verder kunnen verbeteren.

Duurzaamheid verhogen

Siemens heeft de SINAMICS V20 Environmental Product Declaration (EPD) gepubliceerd, waaronder een levenscycluseffectbeoordeling (LCIA) op basis van International Standards Organization (ISO) 14021, milieulabels en -verklaringen - zelfverklaarde milieuclaims - type II milieulabelling.

Deze LCIA was gebaseerd op het model 6SL3210-5BE21-5UV0, geschikt voor 1,5 kW en 380 V_AC tot 480 V_AC 3-fasenetspanning. Het beschouwt de effecten van de productie, distributie, werking, buitengebruikstelling aan het einde van de levensduur evenals de afvoer en recycling van SINAMICS V20-drives. De belangrijkste impact is de geschatte levensduur van 15 jaar van de drives. De analyse was gebaseerd op 5000 bedrijfsuren per jaar en drie werkpunten (OP):

• OP1: 20% van de tijd bij 100% toerental en 100% koppel
• OP2: 70% van de tijd bij 50% toerental en 25% koppel
• OP3: 10% van de tijd bij 20% toerental en 25% koppel

De werking van de drive produceerde naar schatting 1059,13 kg CO₂-equivalent over 15 jaar, terwijl de productie slechts 40,6 kg CO₂-equivalent produceerde en buitengebruikstelling, afvoer en recycling werden gecrediteerd voor het terugwinnen van een deel van de broeikasgasemissies van -3,6 kg CO₂-equivalent.

In Industry 4.0 kan een snelle en flexibele inbedrijfstelling een belangrijk aspect zijn om energiebesparingen en duurzaamheid te maximaliseren. Gebruikers hebben verschillende keuzes voor het versnellen van de inbedrijfstelling van SINAMICS V20-drives om snelle omschakelingen te ondersteunen.

Agile inbedrijfstelling met macro’s

De snelle inbedrijfstellingsfunctie wijzigt vier parametersets tegelijkertijd, inclusief motorgegevens, aansluitingsmacro’s, toepassingsmacro’s en belangrijke parameters. Motorgegevens beginnen met het selecteren van Europese of Noord-Amerikaanse parameters (d.w.z. kW vs. pk), nominale spanning, stroom, vermogen, frequentie, efficiëntie enz.

De aansluitings- en toepassingsmacro’s zijn uiterst belangrijke aspecten van agile inbedrijfstelling:

• Aansluitmacro’s omvatten het identificeren van de BOP als enige besturingsbron of het inschakelen van besturing vanaf PNP/NPN-klemmen, vaste toerentallen, analoge ingang, vaste frequentie, externe drukknopbesturing, externe drukknop met analoog setpoint, PID-besturing met analoge ingangsreferentie, PID-besturing met de vaste-waardereferentie, USS-besturing en MODBUS RTU-besturing.
• De macrokeuzes voor toepassingen omvatten een eenvoudige pomp, ventilator, compressor en transportband. Parameters in de eenvoudige pompmacro zijn bijvoorbeeld minimumfrequentie, regelmodus, instelpunt voor blokkeerfrequentie, automatische herstart en aanlooptijd.

Individuele parameters zoals het frequentie-instelpunt, de minimum- en maximumfrequenties en de aanloop- en aflooptijden kunnen worden aangepast tijdens een snelle inbedrijfstelling. Naast het versnellen van de inbedrijfstelling kan het gebruik van de geïntegreerde snelle inbedrijfstellingsfunctie fouten als gevolg van onjuiste parameterinstellingen elimineren, waardoor de implementatietijd nog verder wordt verkort.

Parameters naar meerdere drives klonen

Zodra de parametersets zijn bepaald, kan een parameterloader parametersets uploaden en downloaden tussen de V20 en een SD-kaart. De parameterloader en SD-kaart kunnen worden gebruikt voor het klonen van parametersets op meerdere drives. Parameters kunnen naar drives worden gedownload nog voordat de drives op de fabrieksvloer worden afgeleverd, waardoor het algehele inbedrijfstellingsproces nog sneller verloopt en er minder technische ondersteuning nodig is.

Naast de SD-kaartsleuf heeft de V20-parameterlader ruimte voor twee AA-formaat primaire batterijen die de drive van stroom kunnen voorzien tijdens het downloaden van parameters zonder aangesloten te zijn op een netvoedingsbron. De V20-parameterlader heeft ook een micro-USB interface die aangesloten kan worden op een externe voeding van 5 V_DC, waardoor de primaire batterijen niet meer nodig zijn (afbeelding 3).

Afbeelding 3: Een optionele parameterloader kan worden gebruikt om V20-driveparameters te uploaden of downloaden naar een SD-kaart en om parameters snel naar meerdere drives te klonen. (Bron afbeelding: Siemens)

Externe BOP

Een optionele externe BOP kan worden gebruikt voor afstandsbediening van V20-omvormers. De externe BOP is ontworpen om aan de buitenkant van de apparatuurkast gemonteerd te worden en gekoppeld te worden aan een interfacemodule die aan de drive bevestigd is. De externe BOP en interfacemodule ondersteunen RS232-connectiviteit en kunnen gekoppeld worden met een 3 meter lange kabel.

Met de juiste montage zorgt de externe BOP voor IP54- en UL/cUL type 1-behuizingsclassificaties, waardoor personeel wordt beschermd tegen toegang tot gevaarlijke spanningen en de V20-drive wordt beschermd tegen vaste vreemde materialen zoals vuil en stof. De externe BOP dupliceert de geïntegreerde BOP-interface op de V20 (afbeelding 4).

Afbeelding 4: Een externe BOP kan tot op 3 meter afstand en buiten de schakelkast V20-drives besturen. (Bron afbeelding: Siemens)

Draadloze bediening

Voor ultieme flexibiliteit bij de inbedrijfstelling kunnen gebruikers gebruikmaken van de SINAMICS V20 Smart Access-module (afbeelding 5). De Smart Access-module wordt rechtstreeks op de voorkant van de V20 aangesloten en is een webservermodule met geïntegreerde wifi-connectiviteit. Het ondersteunt webgebaseerde inbedrijfstelling en bewaking van V20-drives vanaf gebruikersapparaten zoals een laptop met een draadloze netwerkadapter, een tablet of een smartphone. Het kan worden gebruikt met elk besturingssysteem en elke webbrowser die HTML5 ondersteunt, zoals Chrome, Internet Explorer (IE) en Safari.

Afbeelding 5: Deze Smart Access-module biedt wifi-connectiviteit voor inbedrijfstelling, besturing, bewaking en diagnose van V20-drives. (Bron afbeelding: DigiKey)

SINAMICS V20 Smart Access biedt eenvoudige toegang tot de drive, zelfs in een moeilijk toegankelijke ruimte. De intuïtieve grafische gebruikersinterface (GUI) en inbedrijfstellingswizard maken het gebruik eenvoudig. Smart Access ondersteunt dezelfde snelle installatiewizard als de BOP voor een snelle en eenvoudige inbedrijfstelling, zoals:

• het invoeren van motorgegevens
• verbindingsmacro’s kunnen worden geactiveerd
• toepassingsmacro’s kunnen worden geselecteerd en geactiveerd
• veelgebruikte parameters kunnen worden ingesteld

Smart Access kan worden geconfigureerd om foutcodes via e-mail te versturen voor directe bewaking op afstand. Bovendien bevat het talloze beveiligingsfuncties om de toegang tot de gegevens en besturingsfuncties te regelen. Smart Access biedt ook uitgebreide draadloze webgebaseerde functionaliteit, waaronder:

• snelle ingebruikname
• omvormerparametrisatie
• motorbediening in JOG/HAND-modus
• V20-statusbewaking
• diagnose van storingen en alarmen
• back-up en herstel van gegevens

Conclusie

SINAMICS V20-drives van Siemens zijn gericht op duurzaamheid en flexibiliteit. Dankzij meerdere bedrijfsmodi en energiebesparende functies kunnen deze drives de efficiëntie maximaliseren in een breed scala van eenvoudige bewegingstoepassingen van 0,12 kW tot 30 kW. De ‘Keep Running-modus’ garandeert een continue werking van kritieke infrastructuur zoals afvalwater- en waterverwerking en HVAC in gebouwautomatiseringssystemen. Flexibiliteit wordt ondersteund door de vele manieren waarop een snelle inbedrijfstelling kan worden geïmplementeerd met behulp van de geïntegreerde BOP, een op afstand geplaatste BOP, draadloze connectiviteit met een Smart Access-module, plus voorgeprogrammeerde applicatiemacro’s en andere tools.