Wie die agile und einfache Inbetriebnahme von Motorantrieben in der Industrie die Nachhaltigkeit und Produktivität erhöht

Agile Prozesse sind ein Markenzeichen von Fabriken und Logistikbetrieben für Industrie 4.0. Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, die Motoren und Antriebe mit variabler Geschwindigkeit (VSDs) mit einer Einstufung von 0,12 Kilowatt (kW) bis 30 kW (0,16 PS bis 40 PS) erfordern.

Die VSDs für diese Anwendungen müssen einfach zu installieren und für den Betrieb von -10°C bis +60°C eingestuft sein. Größere Antriebe sollten über integrierte Bremschopper verfügen und einige Anwendungen erfordern die EMV-Konformität der Kategorie C1 der Norm EN 61800-3. Die VSDs müssen einfach zu verwenden sein, in weiten Bereichen der Netzspannung arbeiten und sich automatisch an instabile Netzspannungen anpassen, um einen unterbrechungsfreien Betrieb zu gewährleisten.

Viele Anwendungen automatisieren einfache Bewegungsabläufe und benötigen keine speicherprogrammierbaren Steuerungen, sondern können mit vorprogrammierten Makros oder einfachen Geräten wie Parameterladern, einfachen Bedienpanels (BOPs) oder intelligenten Zugangsmodulen in Betrieb genommen werden.

Darüber hinaus müssen diese VSDs wirtschaftlich zu betreiben sein und integrierte energiesparende Funktionen wie die automatische Reduzierung des Motorbetriebs unter vorgegebenen Betriebsbedingungen sowie die Möglichkeit zur Überwachung und Anzeige des Energieverbrauchs in Echtzeit bieten.

Dieser Artikel beginnt mit einem Überblick über die VSD-Familie SINAMICS V20 von Siemens und die Funktionen, mit denen sie die Nachhaltigkeit und Produktivität vorbereiten. Anschließend wird erläutert, wie vorprogrammierte Makros und Komponenten wie Parameterlader, BOPs oder intelligente Zugangsmodule eine schnelle Inbetriebnahme, einen effizienten Betrieb und die laufende Wartung unterstützen können.

Die Steuerelemente SINAMICS V20 können ohne zusätzliche Module oder externe Steuerungen sofort einsatzbereit betrieben werden. Das integrierte BOP unterstützt die Inbetriebnahme vor Ort. Außerdem können sie über eine universelle serielle Schnittstelle mit den speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) von Siemens für komplexe Vorgänge vernetzt werden. Die Modbus-Schnittstelle dient der Vernetzung mit Drittanbieter-SPSen und anderen Komponenten.

Bei Einheiten mit einer Nennleistung von mehr als 10 PS kann ein Bremswiderstand direkt an den Bremschopper angeschlossen werden, und einige Modelle entsprechen der EMV-Kategorie C1 der Norm EN 61800-3. SINAMICS-V20-Steuerungen sind für den Betrieb von -10°C bis +60°C spezifiziert und mit Nennleistungen von 0,12 kW bis 30 kW erhältlich. Beispiele hierfür sind (Abbildung 1):

• Das Modell 6SL32105BB175UV1 mit einer Einstufung von 0,75 kW wird einphasig mit 230 V_AC betrieben
• Das Modell 6SL32105BB230UV1 mit einer Einstufung von 3 kW arbeitet ebenfalls einphasig mit 230 V_AC
• Das Modell 6SL32105BE322CV0 mit einer Einstufung von 22 kW wird dreiphasig mit 400 V_AC betrieben

Abbildung 1: Beispiele der Steuereinheiten SINAMICS V20 von Siemens für 0,75 kW (links) und 22 kW (rechts) (nicht maßstabsgetreu) (Bildquelle: DigiKey)

Zu den integrierten Modi der SINAMICS-Steuereinheiten gehören skalare Volt pro Hertz (U/f), programmierbare U/f-Mehrfachmodi, U²/f zur automatischen Anpassung des Motorbetriebs zur Energieeinsparung und die Motorbetriebsstromregelung (FCC), die den Ausgang der Steuereinheit automatisch an die Last anpasst.

Der Modus „Keep Running“ passt sich automatisch an, um eine instabile Netzversorgung zu kompensieren (Abbildung 2). In diesem Modus werden Schwankungen der Netzspannung intern kompensiert, die Geschwindigkeit des Motors wird automatisch reduziert, um eine ungeplante Abschaltung zu verhindern, und bei Bedarf wird eine Fehlermeldung gesendet. Dies kann insbesondere bei Anwendungen der Gebäudeautomation wie Pumpen und Ventilatoren in Wasser- oder Abwasseraufbereitungsanlagen und HLK-Systemen (Heizung-Lüftung-Klima) von Nutzen sein.

Abbildung 2: Der Modus „Keep Running“ der SINAMICS V20 unterstützt den kontinuierlichen Betrieb des Motors auch bei Störungen der Netzversorgung. (Bildquelle: Siemens)

Maximierung des Wirkungsgrads

Je nach Anwendung kann der Wirkungsgrad erhöht werden, indem die Geschwindigkeit des Motors an den aktuellen Prozess angepasst wird. Bei Turbomaschinen wie Pumpen zum Beispiel kann der Betrieb mit variabler Geschwindigkeit bis zu 60 % der Energie im Vergleich zum Betrieb mit fester Geschwindigkeit einsparen.

Die Steuereinheiten SINAMICS V20 verfügen über einen integrierten energieoptimierten Modus (ECO) zur Steigerung des Wirkungsgrads. Im ECO-Modus wird der Motorbetrieb automatisch an den optimalen Arbeitspunkt angepasst.

Diese Steuereinheiten können in den Ruhemodus „Hibernation“ versetzt werden, der den Motor herunterfährt, während der aktuelle Zustand der Steuereinheit beibehalten wird. Der Modus „Hibernation“ reduziert den Energieverbrauch erheblich und hält die Steuereinheit in einem Zustand der Bereitschaft, bei Bedarf sofort wieder zu starten.

Die Verwendung der nachstehenden integrierten Funktionen zur Kaskadierung und Symmetrierung der Energie kann den Wirkungsgrad weiter erhöhen:

Die Kaskadierung kann in Anwendungen für Pumpen, Lüfter und Kompressoren mit hohem Durchsatz eingesetzt werden, die mehrere Motoren verwenden. Die Zu- und Abschaltung von Phasen unter Verwendung von teilweise oder vollständig gesteuerten Leistungskaskaden kann die Gesamteffizienz des Systems ohne Leistungsverlust erhöhen.

Die Symmetrierung der Energie durch gekoppelte Steuereinheiten ermöglicht den Austausch von Energie über den gemeinsamen DC-Zwischenkreis. Durch den direkten Energieaustausch zwischen Invertern können die Leistungsverluste des Gesamtsystems minimiert und der Wirkungsgrad verbessert werden.

Das BOP der SINAMICS-Steuereinheit kann den Energieverbrauch in Echtzeit anzeigen. Ein Zähler kann den Energieverbrauch während des Maschinenbetriebs im Vergleich zu einem Betrieb mit fester Geschwindigkeit berechnen, was den Bedienern eine Feinabstimmung der Prozesse und eine weitere Verbesserung der Einsparungen und der Nachhaltigkeit ermöglicht.

Erhöhte Nachhaltigkeit

Siemens hat die Umweltproduktdeklaration (EPD) für die SINAMICS V20 veröffentlicht, einschließlich einer Ökobilanz (LCIA) auf der Basis von ISO (International Standards Organization) 14021, Umweltetiketten und -deklarationen - Selbsterklärte Umweltansprüche - Umweltkennzeichnung Typ II.

Diese LCIA basiert auf dem Modell 6SL3210-5BE21-5UV0 mit einer Einstufung von 1,5 kW und einer dreiphasigen Netzspannung von 380 V_AC bis 480 V_AC. Sie berücksichtigt die Auswirkungen der Herstellung, der Verteilung, des Betriebs, der Außerbetriebnahme am Ende der Lebensdauer und der Entsorgung und des Recyclings der SINAMICS-V20-Einheiten. Die größte Auswirkung hat der Betrieb über die geschätzte Lebensdauer der Steuereinheiten von 15 Jahren. Die Analyse basierte auf 5000 Betriebsstunden pro Jahr und drei Betriebspunkten (OP):

• OP1: 20% der Zeit bei 100% Geschwindigkeit und 100% Drehmoment
• OP2: 70% der Zeit bei 50% Geschwindigkeit und 25% Drehmoment
• OP3: 10% der Zeit bei 20% Geschwindigkeit und 25% Drehmoment

Der Betrieb der Steuereinheit verursacht über 15 Jahre schätzungsweise 1059,13 kg CO₂-Äquivalent, während die Herstellung nur 40,6 kg CO₂-Äquivalent verursacht und durch Stilllegung, Entsorgung und Wiederverwertbarkeit ein Teil der Treibhausgasemissionen in Höhe von -3,6 kg CO₂-Äquivalent aufgefangen werden.

In Industrie-4.0-Betrieben kann eine schnelle und flexible Inbetriebnahme ein wichtiger Aspekt sein, um Energieeinsparungen und Nachhaltigkeit zu maximieren. Zur Beschleunigung der Inbetriebnahme von SINAMICS-V20-Einheiten stehen dem Anwender mehrere Möglichkeiten zur Verfügung, um schnelle Umstellungen zu unterstützen.

Agile Inbetriebnahme mit Makros

Die Schnellinbetriebnahme-Funktion ändert vier Parametersätze gleichzeitig, darunter Motordaten, Verbindungsmakros, Anwendungsmakros und wichtige Parameter. Die Motordaten beginnen mit der Auswahl europäischer oder nordamerikanischer Parameter (d. h. kW vs. PS), Nennspannung, Strom, Leistung, Frequenz, Wirkungsgrad usw.

Die Anbindung und die Anwendungsmakros sind besonders wichtige Aspekte der agilen Inbetriebnahme:

• Zu den Verbindungsmakros gehören die Identifizierung des BOP als einzige Steuerquelle oder die Freigabe der Steuerung über PNP/NPN-Klemmen, Festdrehzahlen, Analogeingang, Festfrequenz, externe Drucktastensteuerung, externe Drucktaste mit analogem Sollwert, PID-Steuerung mit analogem Eingangssollwert, PID-Steuerung mit Festwertsollwert, USS-Steuerung und MODBUS-RTU-Steuerung.
• Als Anwendungsmakro stehen eine einfache Pumpe, ein Lüfter, ein Kompressor und ein Förderband zur Verfügung. Zu den Parametern des einfachen Pumpen-Makros gehören beispielsweise die Mindestfrequenz, der Modus der Steuerung, der Sollwert für die Sperrfrequenz, der automatische Wiederanlauf und die Zeit für die Rampe.

Individuelle Parameter wie Frequenz-Sollwert, minimale und maximale Frequenzen und Rampenzeiten können während der Schnellinbetriebnahme angepasst werden. Die integrierte Funktion zur Schnellinbetriebnahme kann nicht nur die Geschwindigkeit der Inbetriebnahme beschleunigen, sondern auch Fehler durch falsche Parametereinstellungen ausschließen und so die Bereitstellungszeiten weiter verkürzen.

Klonen von Parametern auf mehrere Steuereinheiten

Sobald die Parametersätze komplett sind, kann ein Parameterlader Parametersätze von der V20 auf eine SD-Karte schreiben oder von der SD-Karte in die V20 lesen. Der Parameterlader und die SD-Karte können zum Klonen von Parametersätzen über mehrere Steuereinheiten hinweg verwendet werden. Die Parameter können auf die Steuereinheiten heruntergeladen werden, noch bevor diese in die Fabrikhalle geliefert werden, was den gesamten Inbetriebnahmeprozess weiter beschleunigt und den Bedarf an technischer Unterstützung reduziert.

Zusätzlich zum Steckplatz für SD-Karten verfügt der V20-Parameterlader über einen Platz für zwei primäre Batterien der Größe AA, die die Steuereinheit während des Herunterladens von Parametern mit Strom versorgen können, ohne an eine Netzstromquelle angeschlossen zu sein. Der V20-Parameterlader verfügt außerdem über eine Micro-USB-Schnittstelle, die mit einer externen 5-V_DC-Spannungsversorgung vernetzt werden kann, so dass die primären Batterien nicht mehr benötigt werden (Abbildung 3).

Abbildung 3: Ein optionaler Parameterlader kann zum Hoch- oder Herunterladen von V20-Umrichterparametern auf/von eine/r SD-Karte verwendet werden und ermöglicht das schnelle Klonen von Parametern auf mehrere Steuereinheiten. (Bildquelle: Siemens)

Externes BOP

Ein optionales externes BOP kann für die Fernbedienung von V20-Steuereinheiten verwendet werden. Das externe BOP ist für die Befestigung an der Außenseite des Schaltschranks und die Verbindung mit einem an der Steuereinheit angebrachten Schnittstellenmodul vorgesehen. Das externe BOP und das Schnittstellenmodul unterstützen die Anbindung an RS232 und können mit einem bis zu 3 m langen Kabel verbunden werden.

Bei ordnungsgemäßer Befestigung kann das externe BOP die Einstufungen IP54 und UL/cUL Typ 1 erfüllen und bietet somit Schutz für das Personal vor dem Zugriff auf gefährliche Spannungen und Schutz der V20 vor festen Fremdkörpern wie Schmutz und Staub. Das externe BOP dupliziert die integrierte BOP-Schnittstelle des V20 (Abbildung 4).

Abbildung 4: Ein externes BOP kann V20-Einheiten in bis zu 3 Metern Entfernung und außerhalb des Schaltschranks steuern. (Bildquelle: Siemens)

Drahtlose Steuerung

Um die größtmögliche Flexibilität bei der Inbetriebnahme zu erreichen, kann der Anwender auf das Modul SINAMICS V20 Smart Access zurückgreifen (Abbildung 5). Das intelligente Zugangsmodul „Smart Access“ wird direkt an der Vorderseite des V20 angeschlossen und ist ein Webserver-Modul mit integrierter Wi-Fi-Vernetzung. Es unterstützt die webbasierte Inbetriebnahme und Überwachung von V20-Einheiten über Computer wie Laptops mit einem drahtlosen Netzwerkadapter, Tablets oder Smartphones. Es kann mit jedem Betriebssystem und jedem HTML5-fähigen Webbrowser wie Chrome, Internet Explorer (IE) und Safari verwendet werden.

Abbildung 5: Das intelligente Zugangsmodul „Smart Access“ bietet eine Wi-Fi-Verbindung für die Inbetriebnahme, Steuerung, Überwachung und Diagnose von V20-Einheiten. (Bildquelle: DigiKey)

SINAMICS V20 Smart Access ermöglicht einen einfachen Zugriff auf die Steuereinheit, auch in einem schwer zugänglichen Bereich. Die intuitive grafische Benutzeroberfläche (GUI) und der Inbetriebnahme-Assistent sorgen für eine einfache Bedienung. „Smart Access“ unterstützt den gleichen Einrichtungsassistenten wie das BOP für eine schnelle und einfache Inbetriebnahme, einschließlich:

• Eingabe von Motordaten
• Verbindungsmakros können aktiviert werden
• Anwendungsmakros können ausgewählt und aktiviert werden
• Häufig verwendete Parameter können eingestellt werden

„Smart Access“ kann so konfiguriert werden, dass Fehlercodes direkt per E-Mail für die Fernüberwachung übermittelt werden, und es enthält zahlreiche Funktionen zur Kontrolle des Zugriffs auf die Daten und Kontrollfunktionen. Smart Access bietet umfassende drahtlose, webbasierte Funktionen, darunter:

• Schnelle Inbetriebnahme
• Wandler-Parametrierung
• Motorbetrieb im JOG/HAND-Modus
• V20-Statusüberwachung
• Diagnose von Fehlern und Alarmen
• Sicherung und Wiederherstellung von Daten

Fazit

Im Fokus der Steuereinheiten SINAMICS V20 von Siemens stehen Nachhaltigkeit und Flexibilität. Mit mehreren Betriebsmodi und energiesparenden Funktionen können diese Steuereinheiten den Wirkungsgrad in einem breiten Bereich von einfachen Motoranwendungen von 0,12 kW bis 30 kW maximieren. Der Keep-Running-Modus gewährleistet den kontinuierlichen Betrieb kritischer Infrastrukturen wie Abwasser- und Wasseraufbeitung und HLK-Systeme in der Gebäudeautomation. Die Flexibilität wird durch die zahlreichen Möglichkeiten der Schnellinbetriebnahme mit dem integrierten BOP, einem ferngesteuerten BOP, der drahtlosen Verbindung mit einem intelligenten Zugangsmodul sowie vorprogrammierten Anwendungsmakros und anderen Werkzeugen unterstützt.