Schnelle Entwicklung und Bereitstellung von IIoT-fähigen Maschinen

Die schnelle Entwicklung und Bereitstellung von Maschinen, die für die Integration in das industrielle Internet der Dinge (IIoT) bereit sind, ist eine Herausforderung. IIoT-fähige Maschinen müssen eine schnelle Inbetriebnahme der Maschine-zu-Maschine-, Maschine-zu-Anlage- und Maschine-zu-Cloud-Kommunikation und -Koordination unterstützen.

Das erfordert eine umfassende Lösung. Sie muss eine vollständige Palette von Steuerungs-, Schnittstellen- und Kommunikationsmodulen enthalten. Skalierbarkeit ist ein Muss. Sie sollte eine vereinfachte Installation für einen schnellen Einsatz unterstützen. Schließlich muss sie sich problemlos in eine Umgebung mit mehreren Anbietern integrieren lassen, um ältere Geräte zu unterstützen.

Der Lohn ist eine höhere betriebliche Effizienz auf allen Ebenen des Unternehmens und während des gesamten Lebenszyklus der Maschinen.

Dieser Artikel beschreibt, wie die Motorsteuerungsoptionen von Schneider Electric durchgängige Automatisierungslösungen bieten. Es werden die Funktionen und Vorteile von Altistart-Softstartern, Altivar-Steuereinheiten, Modicon-Ethernet-Switches und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), Harmony-Steuerrelais und PowerPacT-Schutzschaltern vorgestellt.

Anschließend wird erläutert, wie die TeSys-Inselsystemelemente umfassende Lösungen unterstützen und sich problemlos in den Umgebungen Rockwell Studio 5000 und Siemens TIA Portal integrieren lassen, um ältere Maschinen zu unterstützen. Abschließend wird gezeigt, wie die Software EcoStruxure Machine Expert von Schneider Electric die Entwicklung, Konfiguration und Inbetriebnahme von IIoT-fähigen Maschinen beschleunigt.

Bewegung ist eine grundlegende Eigenschaft von Industriemaschinen. Sie wird auf verschiedene Weise umgesetzt, von einfachen Bewegungsprofilen in Systemen wie Pumpen, Förderanlagen und Kränen bis hin zu komplexen Bewegungsprofilen in Prozess- und Montagevorgängen und in der Robotik.

Maschinen mit einfachen Bewegungsprofilen können von den Funktionen von Softstartern wie der Altistart-Softstarterfamilie profitieren. Altistart-Softstarter unterstützen die folgenden Funktionen:

• Kontrollierte Beschleunigung, die mechanische Erschütterungen reduziert, die den Verschleiß erhöhen und zu erhöhtem Wartungsbedarf und Maschinenstillstand führen können
• Begrenzung des Einschaltstroms zur Reduzierung des Energieverbrauchs
• Schutz der Motoren vor Stromstößen, die beim Anfahren auftreten können, und damit Verlängerung der Lebensdauer der Motoren
• Höhere Zuverlässigkeit durch Erkennung von Fehlern wie einem blockierten Motor, Unterlast oder falscher Erdung und Senden einer Warnung an die Maschinenbediener

Für einfache Maschinen, die kein hohes Anlaufmoment benötigen, eignen sich die Softstarter der Serie ATS01. Die Aktivierung des BOOST-Logikeingangs ermöglicht die Anwendung einer Spannungsanhebung von 100 % der Motornennspannung für 200 Millisekunden (ms), um die anfängliche mechanische Reibung im System zu überwinden. Nach der Anhebung beginnt der programmierte Spannungsanstieg.

Das Modell ATS01N232RT ist für den sanften Start und Stopp von Drehstrom-Asynchronmotoren bis zu 15 Kilowatt (kW) (20 PS) mit Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten von 1 bis 10 Sekunden geeignet. Es ist für einfache riemengetriebene Anwendungen wie Pumpen, Kompressoren und Lüfter optimiert, die mit 440 V_AC bis 480 V_AC betrieben werden. Auf der Vorderseite befinden sich Bedienelemente zur Einstellung der Startzeit, der Anfangsspannung und der Stoppzeit für die Installation und Inbetriebnahme.

Für die Entwicklung von anspruchsvolleren Prozess- und Infrastrukturmaschinen wie Mischern, Zerkleinerern und Förderanlagen können die Altivar-Softstarter der Serie ATS480 verwendet werden. Während einfachere Softstarter mit Spannungsrampen arbeiten, verwenden die ATS480-Softstarter eine weichere Drehmomentrampe und können eine Bremsfunktion implementieren.

Das Modell ATS480C11Y arbeitet mit Spannungen von 208 V_AC bis 690 V_AC (Abbildung 1). Je nach Motorspannung kann es für Motoren von 22 bis 90 kW (25 bis 100 PS) verwendet werden. Es verfügt über einen seriellen Modbus-Kommunikationsanschluss mit einem RJ45-Stecker. Optional sind Kommunikationskarten für Profibus, PROFINET, Modbus TCP/EtherNet/IP und CANopen erhältlich.

Abbildung 1: Dieser Altivar-Softstarter ist für den Einsatz mit Asynchronmotoren von 22 bis 90 kW konzipiert. (Bildquelle: DigiKey)

Betrieb modernerer Maschinen

Komplexe Bewegungsprofile in fortschrittlichen Maschinen können mit frequenzvariablen Steuereinheiten (VFDs) wie denen der Familie Altivar 320 unterstützt werden. Die Geräte mit Nennleistungen von 0,18 bis 15 kW (0,25 bis 20 PS) eignen sich für Anwendungen wie Materialhandhabung, Verpackung, Textilien, Hebevorrichtungen, mechanische Stellantriebe und Materialbearbeitung. Das Modell ATV320U75M3C ist für 7,5 kW ausgelegt und wird mit einer Versorgungsspannung von 200 V_AC bis 240 V_AC betrieben.

Um die Konfiguration und Inbetriebnahme zu beschleunigen, verfügen diese Antriebe über 150 Funktionen und sind in Standard- und anpassbaren Konfigurationen erhältlich. Es gibt spezielle Funktionen für Anwendungen wie Materialtransport, Textilien, Hebezeuge und mechanische Stellantriebe.

Die VFDs Altivar 320 bieten eine leistungsstarke Steuerung von Asynchron- und Permanentmagnetmotoren, einschließlich Drehmoment- und Drehzahlgenauigkeit bei sehr niedrigen Drehzahlen und dynamischer Bewegung mit Flussvektorsteuerung ohne Sensor. Bei Verwendung mit Drehstrom-Synchron- und Asynchronmotoren bieten diese VFDs folgende Merkmale:

• Unterstützung von Highspeed-Motoren
• Statische Drehzahlgenauigkeit für Synchronmotoren im offenen Regelkreis
• Flexible Systemintegrationsoptionen, einschließlich Ethernet, CANopen, Profibus, EtherCAT, DeviceNet und mehr
• Integrierte Sicherheitsfunktionen, die den Normen für funktionale Sicherheit entsprechen
• Formate wie kompakte und buchgroße Steuereinheiten mit Schutzarten von IP20 bis IP66 unterstützen die Integration in verschiedene Arten von Schaltschränken (Abbildung 2)

Abbildung 2: VFDs der Familie Altivar 320 sind in verschiedenen Formfaktoren erhältlich, um die Installation zu vereinfachen und den Platz in den Schaltschränken optimal zu nutzen. (Bildquelle: DigiKey)

Leistungsstarke mehrachsige Maschinen

Modicon-Ethernet-Switches und speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) unterstützen Hochleistungsdesigns von einer einzelnen unabhängigen Achse bis hin zu hochleistungsfähigen, synchronisierten Mehrachsenmaschinen, die eine schnelle und präzise Positionierung und Bewegungen wie in der Robotik erfordern.

Diese nativen IIoT-Edge-Controller können über MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), OPC-UA-Server und -Client (Open Platform Communications Unified Architecture) sowie TLS-Verschlüsselung (Transport Layer Security) direkt mit der Cloud verbunden werden und verfügen über integrierte Sicherheits- und Cybersicherheitsfunktionen. Der duale Ethernet-Anschluss unterstützt die Protokolle Ethernet/IP und Modbus TCP. Außerdem gibt es RS232- und RS485-Anschlüsse, einen USB-Anschluss und einen Steckplatz für eine SD-Karte.

TM262L-Controller sind für die logische Steuerung von Mehrfach-Eingangs-/Ausgangsanordnungen vorgesehen, einschließlich vier schneller digitaler Eingänge und vier schneller digitaler Ausgänge. Das Modell TM262L10MESE8T hat eine Ausführungsgeschwindigkeit von 5 Nanosekunden (ns) pro Befehl. Der Dual-Core-Prozessor verwaltet effizient parallele Anwendungen und Kommunikation (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Modicon-SPS M262 bietet IIoT-fähige Machine-zu-Cloud- und Machine-zu-Fabrik-Ethernet-Vernetzung. (Bildquelle: DigiKey)

Der TM4-Bus der Modicon-Familie M262 unterstützt bis zu 3 Kommunikationserweiterungsmodule. Die Erweiterungsmodule für Profibus DP (TM4PDPS1) und Ethernet (TM4ES4) können in verschiedenen Kombinationen mit bis zu drei Modulen eingesetzt werden.

Unterdrückung von Anomalien

Manchmal müssen Maschinen, einschließlich IIoT-fähiger Maschinen, vor anormalen Bedingungen geschützt werden. Hier kommen die Harmony-Steuerrelais ins Spiel. Sie können sowohl elektrische als auch mechanische Bedingungen überwachen und Anomalien in Bezug auf Strom, Spannung, Phase, Frequenz, Geschwindigkeit, Temperatur, Pumpensteuerung und sogar Flüssigkeitsstand erkennen.

Eine schnelle und genaue Identifizierung von Anomalien kann die Betriebszeit erhöhen und den Bedarf an außerplanmäßigen Wartungsarbeiten in Anwendungen wie Pumpen, Wasseraufbereitung, Hebezeuge und Aufzüge, Verpackungssysteme und Textilmaschinen reduzieren. Harmony-Steuerrelais sind mit einer breiten Palette von Funktionen erhältlich, die den spezifischen Anwendungsanforderungen entsprechen.

Das Modell RMNF22TB30 ist ein dreiphasiges Relais mit integrierter Nahfeldkommunikation (NFC). Es kann sieben Parameter überwachen: Phasenverlust, Phasenfolge, Asymmetrie, Unterspannung, Überspannung, Unterfrequenz und Überfrequenz. Mit der NFC-App können AND-, OR- und NOT-Logik verwendet werden, um benutzerdefinierte Überwachungskombinationen für die beiden individuell konfigurierbaren Relaisausgänge zu bilden.

Für einfachere Maschinen, die nur eine Überspannungsüberwachung benötigen, ist das RM22UA21MR geeignet (Abbildung 4). Dieses einphasige Steuerrelais verfügt über eine wählbare Speicherfunktion und eine integrierte LED zur Anzeige des Steuerstatus. Die Schraubentrimmer ermöglichen eine einfache und präzise Einstellung der Schwellenwerte und bieten ein automatisches Abschaltmanagement sowie Fehlerinformationen zur schnellen Fehlererkennung und -behebung.

Abbildung 4: Einphasiges Überspannungsschutzrelais mit einer Schaltleistung von 2 kVA. (Bildquelle: DigiKey)

Grundlegender Schutz

Für Anwendungen, die von einem einfacheren Schutz profitieren, können PowerPacT-Schutzschalter mit einem Nennstrom von 15 bis 125 A eingesetzt werden, die ein-, zwei-, drei- und vierpolig erhältlich sind. Diese thermisch-magnetischen Schutzschalter haben eine positive Kontaktanzeige und bieten eine Isolierung gemäß den Normen IEC/EN60947-1 und IEC/EN60947-2 für „Niederspannungsschaltgeräte und -steuerungen“.

Das Modell BDF16020 ist eine einpolige 20A-Komponente mit einer Nennbetriebsspannung von 240 V_AC bei 50/60 Hz gemäß UL 489. Seine Dauerstrombelastbarkeit beträgt 80 % der maximalen Belastbarkeit, und es ist gemäß IEC 60947-2 als „betriebsunterbrechend“ eingestuft (Abbildung 5). Die VisiTrip-LED-Anzeige macht es einfacher zu erkennen, welcher Schutzschalter im Schaltschrank oder in der Schalttafel ausgelöst wurde. Außerdem verfügt es über einen QR-Code, über den Informationen wie die Bedienungsanleitung, Teilenummern und CAD-Zeichnungen abgerufen werden können.

Abbildung 5: Schutzschalter wie dieser bieten eine positive Kontaktanzeige und erfüllen die Isolationsanforderungen der IEC/EN60947. (Bildquelle: DigiKey)

Integrierte Feldbusknoten

TeSys ist eine digitalisierte IIoT-verbundene Lastmanagementlösung, die als integrierter Knoten in einem Feldbusnetzwerk fungiert und die Module enthält, die für die Implementierung einer IIoT-fähigen Maschine erforderlich sind. Es basiert auf multifunktionalen Geräten und Avataren für industrielle Anwendungen mit Lasten bis zu 80 Ampere und kann die Zeiten für Entwurf, Verkabelung und Inbetriebnahme verkürzen.

Ein Buskoppler wie der TPRBCEIP ist das Kernmodul, das die interne Kommunikation mit den TeSys-Inselmodulen über Flachbandkabel ermöglicht. Es ist auch der Verbindungspunkt zwischen einer TeSys-Insel und einem externen Automatisierungssystem mit EtherNet/IP- oder Modbus-TCP-Kommunikation. Ein integrierter Webserver unterstützt Diagnose und Wartung. Es umfasst einen RJ45-Service-Port über Ethernet, einen Micro-SD-Karten-Port und einen Port für den internen Bus, der die Module der Insel miteinander verbindet. Eine typische Konfiguration umfasst (Abbildung 6):

1. Bus-Koppler
2. Analog-I/O-Modul
3. Digital-I/O-Modul
4. Spannungsschnittstellenmodul
5. Standard-Starter
6. Sicherheitsintegritätslevel(SIL)-Starter
7. SIL-Schnittstellenmodul
8. Leistungsschnittstellenmodul

Abbildung 6: Die kombinierten Einheiten in der TeSys-Insel verhalten sich wie ein einziger Knoten in einem Feldbusnetzwerk. (Bildquelle: Schneider Electric)

Beispiele für TeSys-Inselmodule sind:

• LC1DT406BL, 40 A, 4-polig, Schließer, TeSys-Deca-Schütz mit IEC60335-1-Konformität für Industrie- und HLK-Systeme
• LC1G115EHEN, 150 A (75 kW bei 440 V_AC), 3-polig, Schließer, TeSys-Giga-Schütz, konzipiert für den Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen mit einer Schalthäufigkeit von bis zu 600 Zyklen pro Stunde und einer Betriebstemperatur von bis zu +60°C
• TPRDG4X2, digitales I/O-Modul mit vier digitalen Eingängen und zwei digitalen Ausgängen, kann Motoren und andere elektrische Lasten bis zu 65 A (37 kW, 40 PS) steuern. Alle Anpassungen und Einstellungen sind digitalisiert, es gibt keine mechanischen Drehknöpfe oder Dip-Schalter
• Kommunizierende TeSys-Island-Motorstarter mit einer Leistung von bis zu 40 PS (80 A bei 480 V). Diese SIL-Starter erfüllen die Anforderungen von IEC 61508, IEC 62061 und ISO 13849-1 und unterstützen PL d und SIL 2

TeSys Island unterstützt auch umfassende Lösungen und lässt sich problemlos in die Umgebungen Rockwell Studio 5000 und Siemens TIA Portal integrieren, um ältere Maschinen zu unterstützen.

Das Gesamtbild

Wenn es an der Zeit ist, die fertige Maschine zu bauen, kann die Software EcoStruxure Machine Expert verwendet werden. Diese Softwarelösung unterstützt die Entwicklung, Konfiguration, Inbetriebnahme, den Betrieb und die Wartung von IIoT-fähigen Maschinen.

EcoStruxure Machine Expert kann alle aktuellen IIoT-Maschinenbausteine verarbeiten, darunter Modicon-SPSen M262 und das digitale Lastmanagementsystem TeSys Island. Es wurde entwickelt, um Maschinen zu liefern, die für Sicherheit, Zuverlässigkeit, Effizienz, Vernetzung und Nachhaltigkeit optimiert sind. Es nutzt das IIoT mit Lösungen für Mobilität, Sensorik, Cloud, Analyse und Cybersicherheit, um diese komplexe Aufgabe zu bewältigen.

Fazit

IIoT-fähige Maschinen sind ein wichtiger Aspekt des Industrie-4.0-Betriebs. Konstruktion, Inbetriebnahme und Integration dieser Maschinen sind komplexe Aufgaben. Schneider Electric bietet ein umfassendes Angebot an Geräten und Software-Tools für IIoT-fähige Maschinen, die die betriebliche Effizienz auf allen Unternehmensebenen und während des gesamten Lebenszyklus der Maschinen verbessern.