La messa in funzione agile e semplice degli azionamenti per motori industriali può aumentare la sostenibilità e la produttività

I processi agili sono un segno distintivo delle fabbriche e delle operazioni logistiche che seguono i principi Impresa 4.0. Numerose applicazioni richiedono motori e azionamenti a velocità variabile (VSD) da 0,12 kW a 30 kW (0,16 ~ 40 HP).

I VSD per queste applicazioni devono essere facili da installare e adatti ad ambienti compresi tra -10 °C e +60 °C. Gli azionamenti di grandi dimensioni dovrebbero includere chopper di frenata integrati e alcune applicazioni richiedono la conformità alla categoria C1 di compatibilità elettromagnetica (EMC) della norma EN 61800-3. I VSD devono essere facili da usare, funzionare in ampi intervalli di tensione di rete e adattarsi automaticamente alle tensioni di rete instabili per garantire un funzionamento ininterrotto.

Molte applicazioni automatizzano semplici sequenze di movimento e non richiedono controller a logica programmabile, ma possono essere messe in funzione utilizzando macro preprogrammate o dispositivi semplici come caricatori di parametri, pannelli operatore di base (BOP) o moduli di accesso intelligenti.

Infine, questi VSD devono essere economici da gestire e includere funzioni integrate di risparmio energetico, come la riduzione automatica del flusso in condizioni operative predeterminate, nonché la capacità di monitorare e visualizzare il consumo energetico in tempo reale.

Questo articolo inizia con una panoramica della famiglia di VSD SINAMICS V20 di Siemens e delle loro caratteristiche che consentono di aumentare la sostenibilità e la produttività. Esamina poi come le macro e i dispositivi preprogrammati, come i caricatori di parametri, i BOP o i moduli di accesso intelligenti, possano supportare la messa in funzione agile, il funzionamento efficiente e la manutenzione continua.

Gli azionamenti SINAMICS V20 possono essere utilizzati senza moduli aggiuntivi o controller esterni. Il BOP integrato supporta la messa in funzione in loco. Inoltre, è possibile utilizzare un'interfaccia seriale universale per collegarsi ai controller a logica programmabile (PLC) SIMATIC di Siemens per operazioni complesse. L'interfaccia Modbus può collegarsi a PLC e altri dispositivi di terze parti.

Per le unità di potenza superiore a 10 CV, è possibile collegare un resistore di frenatura direttamente al chopper di frenatura e alcuni modelli sono conformi alla categoria EMC C1 della norma EN 61800-3. Gli azionamenti SINAMICS V20 sono specificati per il funzionamento da -10 °C a +60 °C e sono disponibili con potenze da 0,12 kW a 30 kW. Gli esempi includono (Figura 1):

• Il modello 6SL32105BB175UV1, con potenza nominale di 0,75 kW, funzionante con alimentazione monofase di 230 V_c.a.
• Il modello 6SL32105BB230UV1, con potenza nominale di 3 kW, anch'esso funzionante con alimentazione monofase di 230 V_c.a.
• Il modello 6SL32105BE322CV0, con potenza nominale di 22 kW, funzionante con alimentazione trifase di 400 V_c.a.

Figura 1: Esempi di azionamenti SINAMICS V20 da 0,75 kW (a sinistra) e 22 kW (a destra) (non in scala). (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Le modalità di controllo integrate degli azionamenti SINAMICS possono richiedere una varietà di funzioni di controllo, tra cui volt scalari per Hertz (V/f), V/f programmabile a più punti, V²/f che adatta automaticamente il flusso per risparmiare energia e controllo della corrente di flusso (FCC) che adatta automaticamente l'uscita dell'azionamento in base al carico.

La modalità di funzionamento continuo si adatta automaticamente per compensare l'instabilità della rete elettrica (Figura 2). In questa modalità, le fluttuazioni della tensione di rete vengono compensate internamente, la velocità del motore viene ridotta automaticamente per evitare un arresto non programmato e, se necessario, viene inviato un messaggio di errore. Ciò può essere particolarmente utile nelle applicazioni di automazione degli edifici, come pompe e ventole negli impianti di trattamento delle acque o delle acque reflue e nei sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC).

Figura 2: La modalità di funzionamento continuo dell'azionamento SINAMICS V20 supporta il funzionamento continuo del motore anche in caso di disturbi alla rete elettrica. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Massimizzazione dell'efficienza

A seconda dell'applicazione, è possibile aumentare l'efficienza regolando la velocità del motore in base al processo in atto. Ad esempio, nel caso di turbomacchine come le pompe, il funzionamento a velocità variabile può far risparmiare fino al 60% di energia rispetto al funzionamento a velocità fissa.

Gli azionamenti SINAMICS V20 sono dotati di una modalità integrata di controllo ottimizzato dell'energia (ECO) per una maggiore efficienza. In modalità ECO, il flusso del motore viene adattato automaticamente al punto di funzionamento ottimale.

Questi azionamenti possono essere impostati in modalità di ibernazione, che spegne il motore mantenendo lo stato attuale dell'azionamento. La modalità di ibernazione riduce notevolmente il consumo energetico, mantenendo l'unità in uno stato di prontezza per il riavvio immediato in caso di necessità.

L'utilizzo di funzioni integrate di cascata e di bilanciamento energetico può migliorare ulteriormente l'efficienza energetica:

L'effetto cascata può essere utilizzato nelle applicazioni con pompe, ventole e compressori ad alta potenza che utilizzano più motori. La connessione e la disconnessione delle fasi tramite cascate di potenza parzialmente o completamente controllate possono aumentare l'efficienza complessiva del sistema senza perdita di prestazioni.

Il bilanciamento dell'energia mediante azionamenti accoppiati consente di scambiare energia attraverso il DC-Link comune. Lo scambio diretto di energia tra gli inverter può ridurre al minimo le perdite di potenza complessive del sistema e migliorare l'efficienza.

Il BOP dei convertitori SINAMICS può visualizzare il consumo energetico in tempo reale. Un contatore di risparmio energetico può calcolare il consumo durante il funzionamento della macchina rispetto al funzionamento a velocità fissa, consentendo agli operatori di mettere a punto i processi e migliorare ulteriormente i risparmi e la sostenibilità.

Per una migliore sostenibilità

Siemens ha pubblicato la Dichiarazione ambientale del prodotto (EPD) per SINAMICS V20, che include una valutazione dell'impatto del ciclo di vita (LCIA) basata sull'Organizzazione Normativa Internazionale (ISO) 14021, Etichette e dichiarazioni ambientali - Dichiarazioni ambientali autodichiarate - Etichettatura ambientale di tipo II.

Questa LCIA si basa sul modello 6SL3210-5BE21-5UV0, con potenza nominale di 1,5 kW e alimentazione di rete trifase da 380 V_c.a. a 480 V_c.a.. Prende in considerazione gli impatti della produzione, della distribuzione, del funzionamento, dello smantellamento a fine vita, dello smaltimento e del riciclaggio degli azionamenti SINAMICS V20. L'impatto più significativo è dovuto al funzionamento nell'arco dei 15 anni di vita stimata degli azionamenti. L'analisi si è basata su 5.000 ore di funzionamento all'anno e tre punti operativi (OP):

• OP1: 20% del tempo al 100% della velocità e al 100% della coppia
• OP2: 70% del tempo al 50% della velocità e al 25% della coppia
• OP3: 10 % del tempo al 20 % della velocità e al 25% della coppia

Si stima che il funzionamento dell'unità abbia prodotto 1.059,13 kg di CO₂ equivalente in 15 anni, mentre la produzione ha prodotto solo 40,6 kg di CO₂ equivalente e lo smantellamento, lo smaltimento e il riciclaggio hanno contribuito al recupero di alcune emissioni di gas serra pari a -3,6 kg di CO₂ equivalente.

Nelle operazioni Impresa 4.0, la messa in funzione rapida e flessibile può essere un aspetto importante per massimizzare il risparmio energetico e la sostenibilità. Gli utenti hanno diverse scelte per accelerare la messa in funzione degli azionamenti SINAMICS V20 per supportare cambi rapidi.

Messa in funzione agile con le macro

La messa in funzione rapida modifica contemporaneamente quattro set di parametri, tra cui i dati del motore, le macro di connessione, le macro di applicazione e i parametri importanti. I dati del motore iniziano con la selezione dei parametri europei o nordamericani (ad esempio, kW o HP), della tensione nominale, della corrente, della potenza, della frequenza, dell'efficienza, ecc.

Le macro di connessione e di applicazione sono aspetti particolarmente importanti della messa in funzione agile:

• Le macro di connessione includono l'identificazione del BOP come unica sorgente di controllo o l'abilitazione del controllo da terminali PNP/NPN, velocità fisse, ingresso analogico, frequenza fissa, controllo a pulsante esterno, pulsante esterno con setpoint analogico, controllo PID con riferimento all'ingresso analogico, controllo PID con riferimento al valore fisso, controllo USS e controllo MODBUS RTU.
• Le scelte delle macro applicative comprendono una semplice pompa, una ventola, un compressore e un trasportatore. Ad esempio, i parametri inclusi nella macro pompa semplice sono la frequenza minima, la modalità di controllo, il setpoint della frequenza di inibizione, il riavvio automatico e il tempo di rampa.

I singoli parametri, come il setpoint di frequenza, le frequenze minime e massime e i tempi di rampa in salita e discesa, possono essere personalizzati durante la rapida messa in funzione. Oltre a velocizzare la messa in funzione, ciò consente di eliminare gli errori dovuti a impostazioni errate dei parametri, riducendo ulteriormente i tempi di implementazione.

Clonazione dei parametri su più azionamenti

Una volta finalizzati i set di parametri, un caricatore di parametri può caricare e scaricare i set di parametri tra l'azionamento V20 e una scheda SD. Il caricatore di parametri e la scheda SD possono essere utilizzati per clonare i set di parametri su più unità. I parametri possono essere scaricati sugli azionamenti anche prima che questi vengano consegnati in fabbrica, accelerando ulteriormente la messa in funzione complessiva e riducendo la necessità di assistenza tecnica.

Oltre allo slot per scheda SD, il caricatore di parametri V20 è dotato di uno vano per due batterie primarie di tipo AA che possono alimentare l'unità durante il download dei parametri senza che sia collegato a una fonte di alimentazione di rete. Il caricatore di parametri V20 dispone anche di un'interfaccia Micro USB che può essere collegata a un alimentatore esterno da 5 V_c.c., eliminando la necessità di batterie primarie (Figura 3).

Figura 3: Un caricatore di parametri opzionale può essere utile per caricare o scaricare i parametri dell'unità V20 su una scheda SD e consente di clonare rapidamente i parametri su più unità. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

BOP esterno

Per il controllo remoto degli inverter V20 è possibile utilizzare un BOP esterno opzionale. Il BOP esterno è progettato per il montaggio all'esterno dell'armadio dell'apparecchiatura e collegato a un modulo di interfaccia montato sull'azionamento. Il BOP esterno e il modulo di interfaccia supportano la connettività RS232 e possono essere collegati con un cavo lungo fino a 3 metri.

Se montato in modo appropriato, il BOP esterno può garantire il grado di protezione IP54 e UL/cUL Type 1, assicurando la protezione del personale dall'accesso a tensioni pericolose e la protezione dell'azionamento V20 da materia estranea solida, come polvere e sporcizia. Il BOP esterno riproduce l'interfaccia BOP integrata dell'azionamento V20 (Figura 4).

Figura 4: Un BOP esterno può controllare gli azionamenti V20 fino a 3 metri di distanza e all'esterno del quadro comandi. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Controllo wireless

Per la massima flessibilità nella messa in funzione, gli utenti possono utilizzare il modulo SINAMICS V20 Smart Access (Figura 5). Il modulo Smart Access si collega direttamente alla parte anteriore dell'azionamento V20 ed è un modulo server Web con connettività Wi-Fi integrata. Supporta la messa in funzione e il monitoraggio via Web degli azionamenti V20 da dispositivi dell'utente come un laptop con scheda di rete wireless, un tablet o uno smartphone. Può essere utilizzato con qualsiasi sistema operativo e qualsiasi browser web compatibile con HTML5, come Chrome, Internet Explorer (IE) e Safari.

Figura 5: Il modulo Smart Access fornisce la connettività Wi-Fi per la messa in funzione, il controllo, il monitoraggio e la diagnosi degli azionamenti V20. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

SINAMICS V20 Smart Access consente di accedere facilmente all'azionamento, anche se installato in un'area di difficile accesso. L'interfaccia grafica intuitiva (GUI) e la procedura guidata di messa in funzione ne facilitano l'uso. Smart Access supporta la stessa procedura guidata di configurazione rapida del BOP per una messa in funzione facile e veloce, che comprende:

• Immissione dei dati del motore
• Attivazione delle macro di connessione
• Selezione e attivazione delle macro applicative
• Impostazione dei parametri più comuni

Smart Access può essere configurato per fornire codici di guasto via e-mail per il monitoraggio remoto diretto e include numerose funzioni di sicurezza per controllare l'accesso ai dati e alle funzioni di controllo. Smart Access offre funzionalità wireless complete basate sul web, tra cui:

• Rapida messa in funzione
• Parametrizzazione del convertitore
• Funzionamento del motore in modalità JOG/HAND
• Monitoraggio dello stato V20
• Diagnostica dei guasti e degli allarmi
• Backup e ripristino dei dati

Conclusione

Gli azionamenti SINAMICS V20 di Siemens puntano sulla sostenibilità e sulla flessibilità. Grazie alle molteplici modalità operative e alle funzioni di risparmio energetico, questi azionamenti sono in grado di massimizzare l'efficienza in un'ampia gamma di applicazioni a movimento semplice da 0,12 kW a 30 kW. La modalità di funzionamento continuo garantisce le operazioni ininterrotte di infrastrutture critiche come il trattamento delle acque reflue e delle acque e gli impianti HVAC nei sistemi di automazione degli edifici. La flessibilità è supportata dai numerosi modi per implementare una rapida messa in funzione utilizzando il BOP integrato, un BOP da remoto, la connettività wireless con un modulo Smart Access, oltre a macro applicative preprogrammate e altri strumenti.