Schnelle Installation, Anschluss und Integration von einachsigen VSDs in Automatisierungssysteme für Industrie 4.0

Einachsige Antriebe mit variabler Geschwindigkeit (VSDs) sind in industriellen Anwendungen wie Pumpen, Lüftern, Kompressoren, Förderbändern und Verarbeitungsprozessen wie Mühlen und Mischern unverzichtbar. Diese Anwendungen weisen einfache Bewegungsabläufe auf und erfordern effiziente VSDs, um eine schnelle und wirtschaftliche Implementierung der grundlegenden Antriebsfunktionen mit kurzen Inbetriebnahmezeiten zu ermöglichen.

Sie können eine Vielzahl von Steuerungsfunktionen erfordern, darunter skalare Volt pro Hertz (U/f), programmierbare U/f-Mehrpunktsteuerung, U²/f, die den Fluss automatisch anpasst, um Energie zu sparen, und Flussstromsteuerung (FCC), die die Antriebsleistung automatisch an die Last anpasst. Kosteneffiziente Bereitstellung und Integration sind der Schlüssel für industrielle Systeme und profitieren von Merkmalen wie:

• Vorkonfigurierte Anwendungsauswahl
• Kompakte Größe
• Voreingestellte Kommunikationsparameter
• Effiziente Übertragung von Parametereinstellungen auf mehrere Einheiten
• Drahtlose Inbetriebnahme, Bedienung und Diagnose
• Verbindungs- und Anwendungsmakros zur Vereinfachung der I/O-Verbindung und -Konfiguration

In diesem Artikel wird eine Familie von robusten und energieeffizienten einachsigen VFDs von Siemens vorgestellt, die die Installation vereinfachen sollen. Darüber hinaus werden verschiedene integrierte Funktionen, grundlegendes Systemzubehör und eine Reihe speziellerer und moderner Zusatzmodule sowie Integrationsvorschläge für Siemens-Steuerungen vorgestellt. Abschließend werden einige Überlegungen zur Integration dieser VFDs in EMI-konforme Schaltschränke und industrielle Antriebssysteme vorgestellt.

Die Digitalisierung der Motorsteuerung bietet zahlreiche Vorteile für industrielle einachsige Bewegungssysteme. Das Ersetzen einfacher mechanischer Steuerungen durch einen VSD ermöglicht es dem System, sofort auf Situationen des Teillastbetriebs zu reagieren und kann den Stromverbrauch um 50 % oder mehr senken. Der Betrieb mit variabler Drehzahl kann auch den Verschleiß von Motoren und mechanischen Komponenten minimieren, was den Wartungsbedarf reduziert und die Verfügbarkeit verbessert.

Die Plattform SINAMICS V20 von Siemens ist in neun Baugrößen erhältlich und deckt einen Leistungsbereich von 0,12 kW bis 30 kW (0,16 PS bis 40 PS) ab (Bild 1). Beispiele für SINAMICS-V20-VFDs sind die 0,12 kW 6SL3210-5BB11-2UV1 für bis zu 3 kW, die Modelle 6SL3210-5BB23-0UV1 mit einphasigem 230 V_AC-Eingang und die 0,37 kW 6SL3210-5BE32-2UV0 für bis zu 30 kW mit dreiphasigem 480 V_AC-Eingang.

Abbildung 1: Die neun Baugrößen der SINAMICS-V20-Umrichter von FSAA bis FSE (0,16 bis 40 PS). (Bildquelle: Siemens)

Die Effizienz ist ein wesentlicher Vorteil der SINAMICS-V20-Antriebe. Sie sind kompakt und nutzen den Platz effizient aus; sie ermöglichen eine schnelle Installation und Inbetriebnahme, wodurch Zeit und Geld gespart werden, und sie sind energieeffizient und tragen zu einem grüneren Planeten bei. Einige der vielen Funktionen sind:

• Wirtschaftlicher Betrieb durch mehrere Steuerungsmodi, einschließlich U/f, U²/f, FCC und U/f-Multipunkt
  • Die Energieeinsparungen können durch den ECO-Modus für U/f, U²/f und einen Ruhezustand verbessert werden
  • Die Energieeinsparungen können ohne externe Leistungsmessgeräte überwacht und in kWh, CO2 oder Währung angezeigt werden
• Einphasiger oder 3-phasiger Netzstrom
  • Einphasige 200 bis 240 V_AC (-10% / +10%) können auch an zwei Phasen eines 3-phasigen 120 / 240 V_AC-Netzes angeschlossen werden
  • Dreiphasig 380 bis 480 V_AC (-15% / +10%)
• Vorkonfigurierte Anwendungsmakros reduzieren die Inbetriebnahmezeit
• Voreingestellte Kommunikationsparameter beschleunigen die Inbetriebnahme durch Standardbibliotheken und Verbindungsmakros
• Die automatische Anpassung an instabile Netzspannungen gewährleistet einen stabilen Betrieb, verhindert Unterbrechungen und trägt zu einer höheren Produktivität bei
• Überlastbarkeit bis zu 150% für 60 s bei einer Zykluszeit von 300 s
• Die maximale Ausgangsspannung beträgt 100% der Eingangsspannung
• Das Laden von Parametern ohne Stromversorgung ermöglicht eine schnelle Konfiguration mehrerer Geräte
• Inbetriebnahme mit mobilem Gerät oder Laptop mit Smart-Access-Webserver
• Integrierte Anwendungs- und Verbindungsmakros

Integrierte Funktionen

Die SINAMICS-V20-Antriebe verfügen über mehrere integrierte Funktionen, die den Einsatz beschleunigen und die Integration vereinfachen, wie z. B. einen Proportional-Integral-Differential-Regler (PID) für Prozesssteuerungsaufgaben, einen integrierten Brems-Chopper bei den beiden größten Baugrößen und eine DC-Kopplungsfunktion, mit der zwei gleich große Antriebe im Tandembetrieb arbeiten können, um Energie zu sparen. Der PID-Regler kann für einfache Prozessaufgaben wie die Regelung von Druck, Füllstand oder Durchfluss in Abhängigkeit von einem Sollwert eingesetzt werden.

Die PID-Funktion umfasst Autotuning für einen optimalen Betrieb und kann Motorstaffelung unterstützen. Die Motorstaffelung ermöglicht die Steuerung von bis zu 2 zusätzlichen gestaffelten (kaskadierten) Motoren. In diesem Fall besteht das System aus dem vom Umrichter gesteuerten Hauptmotor und zwei weiteren Motoren, die über Schütze oder Anlasser gesteuert werden, die von digitalen Ausgängen des Umrichters gesteuert werden.

Die Rahmengrößen FSD und FSE haben einen integrierten Brems-Chopper; für andere Rahmengrößen ist ein externes Bremsmodul erhältlich (siehe unten). Der Motor kann elektrisch oder mechanisch gebremst werden.

• Elektrische Bremsoptionen
  • Die Statorwicklung wird mit Gleichstrom gebremst, was zu einem erheblichen Bremsmoment führt. Der Strom eignet sich zwar nicht zum Halten hängender Lasten, kann aber die Welle nach dem Stillstand der Drehung festhalten.
  • Bei der Compound-Bremsung wird die Gleichstrombremsung mit der Nutzbremsung (regeneratives Bremsen) überlagert, bei der der Umrichter während des Bremsvorgangs Energie in die Zwischenkreisversorgung zurückspeist.
  • Beim dynamischen Bremsen wird regenerative Energie in Wärme umgewandelt. Für die Umsetzung der dynamischen Bremsung ist ein externer Bremswiderstand erforderlich, um die Energie abzubauen.
• Ein mechanischer Motor, der die Bremse hält, kann durch eine interne Logik gesteuert werden, um zu verhindern, dass sich der Motor dreht, wenn der Umrichter ausgeschaltet wird.

Die SINAMICS-V20-Antriebe verfügen außerdem über eine DC-Kopplungsfunktion, mit der zwei gleich große Umrichter über ihre Zwischenkreisanschlüsse elektrisch gekoppelt werden können. Gegebenenfalls kann die DC-Kopplung die Energiekosten senken, da ein Wechselrichter die vom anderen Wechselrichter bezogene regenerative Energie nutzen kann. Die Wechselrichter können sich ein einziges dynamisches Bremssystem teilen, was die Installationskosten reduziert. In einigen Fällen kann die Gleichstromkopplung ein dynamisches Bremsmodul und einen dynamischen Bremswiderstand überflüssig machen.

Grundlegendes Systemzubehör

Zusätzlich zu den integrierten Funktionen kann der Nutzen der SINAMICS-V20-Umrichter durch einige Systemzubehörteile wie ein Basis-Bedienfeld (BOP) und eine BOP-Schnittstelle, ein Smart-Access-Modul und einen Parameterloader erweitert werden (Bild 2):

• Das SINAMICS V20 verfügt über ein integriertes Bedienfeld, aber bei einigen Anwendungen kann ein BOP zur Fernsteuerung des Geräts von Vorteil sein. Das BOP ist für die verteilte Montage ausgelegt und hat eine UL Typ 1 Gehäuseklassifizierung.
• Der Anschluss des BOP an das SINAMICS V20 erfolgt über ein spezielles BOP-Schnittstellenmodul, das in den Erweiterungsport des Umrichters eingesteckt wird und über eine RS232-Schnittstelle zur Verbindung mit dem BOP verfügt.
• Das Smart-Access-Modul verfügt über einen integrierten Webserver, der die Inbetriebnahme und Bedienung des SINAMICS V20 über ein Smartphone, Laptop oder Tablet vereinfacht. Zu den Funktionen dieses Moduls gehören:
  • Inbetriebnahme-Assistent zur Beschleunigung der Inbetriebnahme
  • Einstellung und Speicherung von Parametern oder Wiederherstellung der Werkseinstellungen
  • Motortests
  • Überwachung der Betriebsdaten
  • Durchführung von Systemdiagnosen
• Der Parameter Loader kann bis zu 100 Parametersätze in das SINAMICS V20 laden oder Parametersätze vom Gerät herunterladen. Der batteriebetriebene Parameterlader kann verwendet werden, ohne dass der Umrichter eingeschaltet wird.

Abbildung 2: Der 0,16 PS FSAA SINAMICS V20 mit vier gemeinsamen Erweiterungsmodulen. (Bildquelle: Siemens)

Weiteres Zubehör

Netzfilter können bei Bedarf hinzugefügt werden. Zur Erfüllung der Norm EN 61800-3 Kategorie C2 für gestrahlte und leitungsgebundene Störaussendung sind für die Umrichter SINAMICS V20 externe EMV-Filter erforderlich (gefilterte und ungefilterte 400V-Modelle sowie ungefilterte 230V-Modelle). Das Modell 6SL32030BE177BA0 ist zum Beispiel für die Verwendung mit FSA-Wechselrichtern für 400 V vorgesehen.

Zur Glättung von Spannungsspitzen oder zur Überbrückung von Kommutierungseinbrüchen stehen Netzdrosseln zur Verfügung. Diese Drosseln reduzieren auch die Auswirkungen von Oberschwingungen auf die Netzversorgung und den Umrichter.

Die Bremsung kann mit dem Bremsmodul 6SL32012AD208VA0 (Bild 3) mit den Baugrößen FSAA bis FSC realisiert werden. Die Rahmengrößen FSD und FSE haben einen integrierten Brems-Chopper und benötigen kein externes Modul. In allen Fällen kann die Bremsperformance und die Verzögerung verbessert werden, indem ein externer Bremswiderstand wie das Modell 6SE64004BC050AA0 hinzugefügt wird, um die vom Motor erzeugte regenerative Energie abzuführen.

Abbildung 3: Bremsmodul für SINAMICS-V20-Motorantriebe. (Bildquelle: DigiKey)

Für Anwendungen, die Eingänge oder Ausgänge benötigen, kann das SINAMICS-V20-I/O-Erweiterungsmodul hinzugefügt werden (Abbildung 4). Das Modul wird direkt auf Wechselrichtern der 400V-Reihe montiert und verfügt über zwei digitale Eingänge und zwei digitale Relaisausgänge. Die I/O-Erweiterungsbaugruppe kann z. B. in der Mehrpumpenregelung eingesetzt werden, so dass bis zu vier Pumpen mit einem SINAMICS-V20-Antrieb gesteuert werden können. Das Modul ist auch nützlich, wenn mehrere Lüfter oder Verdichter gesteuert werden müssen. Es verfügt über Anschlüsse auf der Vorder- und Rückseite und kann mit anderem Zubehör wie der BOP-Schnittstelle und den Smart-Access-Modulen kombiniert werden. Es kann jedoch nicht gleichzeitig als Parameterlader-Modul verwendet werden.

Abbildung 4: Erweiterungsmodul montiert auf der Vorderseite eines SINAMICS-V20-Antriebs. (Bildquelle: Siemens)

Ausgangsdrosseln, wie das Modell 6SL3202-0AE16-1CA0 für die Baugröße FSA, können die Spannungsbelastung der Motorwicklungen verringern (Abbildung 5). Diese Ausgangsdrosseln reduzieren auch die kapazitiven Lade- und Entladeströme, die den Umrichter bei Verwendung langer Motorkabel belasten können.

Abbildung 5: Ausgangsdrossel für 3-phasige 0,5 PS, 380 V_AC bis 480 V_AC SINAMICS-V20-Antriebe (6,1 A, FSA-Rahmen). (Bildquelle: Siemens)

Integration in größere Systeme

SINAMICS-V20-Antriebe sind für die Steuerung durch eine SINAMICS-Steuerung S7-1200 oder S7-1500, wie das Modell 6ES75173FP000AB0, über die RS485-Schnittstelle und das USS-Protokoll (Universal Serial Interface) ausgelegt. Es sind Beispielprojekte verfügbar, die zeigen, wie diese Steuerungen mit einem SINAMICS V20 konfiguriert und programmiert werden können. USS ist die Standardeinstellung, aber ein SINAMICS V20 kann auch das MODBUS-RTU-Protokoll verwenden.

Ein Master-Controller kann mit maximal 31 VFDs verbunden werden.

Das Gesamtbild

Der Zusammenbau der oben beschriebenen Komponenten zu einem kompletten System kann eine Herausforderung darstellen, insbesondere wenn die Einhaltung der EMV-Richtlinien eine wichtige Rolle spielt. Die Isolierung potenzieller Störquellen ist in der Regel der schnellste und kostengünstigste Ansatz. Dies kann erreicht werden, indem der Schaltschrank und der Rest des Systems in eine Reihe von vier isolierten Zonen unterteilt werden, wie in Abbildung 6 dargestellt. Überlegungen bei der Einrichtung der Isolationszonen:

• Die elektromagnetische Entkopplung der Zonen kann durch geerdete Trennplatten oder separate Metallgehäuse erreicht werden.
  • Die SINAMICS V20 befindet sich in Zone B und eine SIMATIC-Steuerung S7-1200 oder S7-1500 in Zone C.
• Zur Verbesserung der EMV-Performance können Filter und Kopplungsmodule an den Schnittstellen der Zonen hinzugefügt werden.
• Die Verbindungskabel zwischen den Zonen müssen getrennt sein, um EMV-Kopplungen zu vermeiden, und dürfen sich nicht im selben Kabelkanal oder Kabelbaum befinden.
• Kommunikationsnetz- und Signalkabel wie RS485, die in den Schrank ein- oder ausgehen, müssen abgeschirmt sein.

Abbildung 6: Elektromagnetisch entkoppelte Zonen können die EMV-Performance von SINAMICS-V20-Anlagen verbessern. (Bildquelle: Siemens)

Fazit

Die SINAMICS-V20-Umrichter sind äußerst vielseitig, kompakt und unterstützen verschiedene industrielle Anwendungen mit variabler Drehzahl in einer Achse. Sie verfügen über eine breite Palette an integrierten Funktionen und Möglichkeiten. Zusätzliches Zubehör wie ein Basis-Bedienfeld, ein Fernzugriffsmodul und ein Parameter-Loader können den Nutzen erhöhen. Darüber hinaus sind diese Antriebe mit einer breiten Palette von Zusatzmodulen erhältlich, die erweiterte Systemfunktionen unterstützen, und sie sind für den Einsatz mit Siemens-Steuerungen optimiert. Schließlich wurde gezeigt, wie diese VFDs in EMI-konforme Schaltschränke und industrielle Antriebssysteme integriert werden können.