Come progettare e distribuire rapidamente macchine predisposte per l'IIoT

Progettare e distribuire velocemente macchine pronte per essere integrate nell'Internet delle cose industriale (IIoT) è complicato. Le macchine abilitate all'IIoT devono supportare la rapida messa in servizio della comunicazione e del coordinamento macchina-macchina, macchina-impianto e macchina-cloud.

Tutto questo richiede una soluzione completa che deve includere una serie completa di moduli di controllo, interfaccia e comunicazione. La scalabilità è imprescindibile e l'installazione deve essere semplice per una rapida implementazione. Infine, deve integrarsi facilmente in un ambiente con prodotti di fornitori diversi, per supportare le apparecchiature esistenti.

La ricompensa è una maggiore efficienza operativa a tutti i livelli dell'organizzazione e per tutto il ciclo di vita delle macchine.

Questo articolo esamina le opzioni di controllo motori di Schneider Electric, che forniscono ai progettisti soluzioni di automazione end-to-end. Presenta le caratteristiche e i vantaggi dei dispositivi di avviamento statico Altistart, degli azionamenti Altivar, degli switch Ethernet e dei controller a logica programmabile (PLC) Modicon, dei relè di controllo Harmony e degli interruttori automatici PowerPacT.

Illustra poi come gli elementi del sistema a isola TeSys supportino soluzioni complete e si integrino facilmente con gli ambienti Rockwell Studio 5000 e TIA Portal di Siemens per supportare le macchine legacy e si conclude con l'analisi del software EcoStruxure Machine Expert di Schneider Electric che velocizza lo sviluppo, la configurazione e la messa in servizio delle macchine predisposte per l'IIoT.

Il movimento è una caratteristica fondamentale delle macchine industriali. Viene implementato in vari modi, da semplici profili di movimento in sistemi come pompe, trasportatori e gru a profili di movimento complessi in operazioni di processo e assemblaggio e nella robotica.

Le macchine con profili di movimento semplici possono trarre vantaggio dalle caratteristiche degli avviatori statici come la famiglia di dispositivi di avviamento statico Altistart, che supporta quanto segue:

• Accelerazione controllata che riduce gli shock meccanici che possono aumentare l'usura e portare a più interventi di manutenzione e tempi di inattività della macchina
• Limitazione delle correnti di inserzione per ridurre il consumo energetico
• Protezione dei motori dalle sovracorrenti transitorie che possono verificarsi durante l'avviamento, migliorando la vita utile del motore
• Maggiore affidabilità grazie al rilevamento di guasti come un motore bloccato, sottocarico o messa a terra non corretta e all'invio di un avviso agli operatori della macchina

Le macchine di base che non necessitano di una coppia di avviamento elevata possono avvalersi degli avviatori statici serie ATS01. L'attivazione dell'ingresso logico BOOST consente di applicare un boost di tensione pari al 100% della tensione nominale del motore per 200 ms per superare l'attrito meccanico iniziale del sistema. La rampa di tensione programmata inizia dopo il boost.

Il modello ATS01N232RT è destinato all'avviamento e all'arresto graduale di motori asincroni trifase fino a 15 kW (20 HP) con tempi di accelerazione e decelerazione da 1 a 10 secondi. È ottimizzato per applicazioni semplici con trasmissione a cinghia, come pompe, compressori e ventole che funzionano da 440 V_c.a. a 480 V_c.a.. Il pannello frontale presenta i comandi per impostare l'ora di avvio, la tensione iniziale e l'ora di arresto per l'installazione e la messa in servizio.

I progettisti di macchine di processo e infrastrutturali più esigenti, come miscelatori, frantoi e nastri trasportatori, possono rivolgersi alla serie di dispositivi di avviamento statico Altivar ATS480. Mentre quelli più semplici utilizzano rampe di tensione, gli avviatori ATS480 utilizzano una rampa di coppia più graduale e possono implementare una funzione di frenatura.

Il modello ATS480C11Y funziona con tensioni da 208 V_c.a. a 690 V_c.a. (Figura 1). A seconda della tensione del motore, può essere utilizzato con motori da 22 a 90 kW (da 25 a 100 HP). Dispone di una porta di comunicazione seriale Modbus con connettore RJ45. Sono disponibili schede di comunicazione opzionali per Profibus, PROFINET, Modbus TCP/EtherNet/IP e CANopen.

Figura 1: Questo dispositivo di avviamento statico Altivar è progettato per l'uso con motori asincroni da 22 a 90 kW. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Guida di macchine più avanzate

Profili di movimento complessi in macchine avanzate possono essere supportati da azionamenti a frequenza variabile (VFD) come la famiglia Altivar 320 con unità da 0,18 a 15 kW (da 0,25 a 20 HP) per applicazioni come la movimentazione dei materiali, l'imballaggio, la tessitura, il sollevamento, gli attuatori meccanici e la lavorazione dei materiali. ATV320U75M3C ha una potenza nominale di 7,5 kW e funziona con una tensione di alimentazione compresa tra 200 V_c.a. e 240 V_c.a..

Per accelerare la configurazione e la messa in servizio, questi convertitori di frequenza dispongono di 150 funzioni e di configurazioni standard e personalizzabili. Esistono funzioni dedicate per applicazioni come la movimentazione dei materiali, la tessitura, il sollevamento e gli attuatori meccanici.

I VFD Altivar 320 sono in grado di fornire un controllo ad alte prestazioni di motori asincroni e a magneti permanenti, compresa l'accuratezza della coppia e della velocità a velocità molto basse e il movimento dinamico con controllo vettoriale del flusso senza sensore. Se utilizzati con motori sincroni e asincroni trifase, questi VFD sono caratterizzati da:

• Supporto di motori ad alta velocità
• Precisione della velocità statica per motori sincroni ad anello aperto
• Opzioni di integrazione di sistema flessibili, tra cui Ethernet, CANopen, Profibus, EtherCAT, DeviceNet e altro ancora
• Funzioni di sicurezza integrate conformi agli standard di sicurezza funzionale
• Formati come gli azionamenti compatti e a libro con gradi di protezione da IP20 a IP66 consentono l'integrazione in diversi tipi di armadi (Figura 2)

Figura 2: I VFD Altivar 320 sono disponibili in vari formati per semplificare l'installazione e massimizzare l'utilizzo dello spazio negli armadi delle apparecchiature. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Macchine multiasse ad alte prestazioni

Gli switch Ethernet e i controller a logica programmabile (PLC) Modicon possono supportare progetti ad alte prestazioni, da un singolo asse indipendente a macchine multiasse sincronizzate ad alte prestazioni che richiedono posizionamenti e movimenti precisi e ad alta velocità, come la robotica.

Questi controller edge nativi IIoT possono connettersi direttamente al cloud utilizzando Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), server e client Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) e crittografia Transport Layer Security (TLS) e dispongono di funzioni di sicurezza e sicurezza informatica integrate. La doppia porta Ethernet può supportare i protocolli Ethernet/IP e Modbus TCP. Sono inoltre presenti porte RS232 e RS485, una porta USB e uno slot per una scheda SD.

I controller TM262L sono per il controllo logico di disposizioni multiple di ingresso/uscita, compresi quattro ingressi digitali veloci e quattro uscite digitali veloci. Il modello TM262L10MESE8T ha una velocità di esecuzione di 5 ns per istruzione. Il processore dual-core gestisce in modo efficiente le applicazioni e le comunicazioni parallele (Figura 3).

Figura 3: Il PLC Modicon M262 fornisce connettività Ethernet predisposta per l'IIoT macchina-cloud e macchina-impianto. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il bus TM4 della famiglia Modicon M262 supporta fino a 3 moduli di espansione per le comunicazioni. I moduli di espansione Profibus DP (TM4PDPS1) ed Ethernet (TM4ES4) possono essere utilizzati in varie combinazioni fino a un massimo di tre moduli.

Eliminare le anomalie

A volte le macchine, comprese quelle predisposte per l'IIoT, devono essere protette da condizioni anomale. È qui che entrano in gioco i relè di controllo Harmony. Sono in grado di monitorare le condizioni elettriche e meccaniche e di identificare le anomalie relative a corrente, tensione, fase, frequenza, velocità, temperatura, controllo della pompa e persino livello del liquido.

L'identificazione rapida e accurata delle anomalie può aumentare i tempi di attività e ridurre la necessità di manutenzione non programmata in applicazioni come il pompaggio, il trattamento delle acque, i montacarichi e gli ascensori, i sistemi di imballaggio e le macchine tessili. I relè di controllo Harmony sono disponibili con un'ampia gamma di funzioni per soddisfare le esigenze di applicazioni specifiche.

Il modello RMNF22TB30 è un relè trifase con comunicazione near-field (NFC) integrata. Può monitorare sette parametri: perdita di fase, sequenza di fase, asimmetria, sottotensione, sovratensione, sottofrequenza e sovrafrequenza. Utilizzando l'app NFC, i progettisti possono utilizzare la logica AND, OR e NOT per creare combinazioni di monitoraggio personalizzate per le due uscite a relè configurabili individualmente.

Per le macchine più semplici che necessitano solo del monitoraggio della sovratensione, i progettisti possono rivolgersi al modello RM22UA21MR (Figura 4). Questo relè di controllo monofase include una funzione di memoria selezionabile e un LED integrato che indica lo stato di controllo. I trimmer a vite consentono di impostare le soglie in modo semplice e preciso e forniscono la gestione automatica dell'arresto e le informazioni sui guasti per una rapida identificazione e risoluzione dei problemi.

Figura 4: Relè di controllo della sovratensione monofase con capacità di commutazione di 2 kVA. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Protezione di base

Le applicazioni che possono beneficiare di una protezione più semplice possono rivolgersi agli interruttori automatici PowerPacT con corrente nominale da 15 a 125 A e disponibili con uno, due, tre e quattro poli. Questi disgiuntori magnetotermici hanno un'indicazione di contatto positiva e garantiscono un isolamento conforme agli standard IEC/EN60947-1 e IEC/EN60947-2 per "apparecchiature di comando e controllo a bassa tensione".

Il modello BDF16020 è un'unità unipolare da 20 A con una tensione nominale di impiego di 240 V_c.a. 50/60 Hz secondo la norma UL 489. Il valore di corrente nominale continua è pari all'80% del valore nominale massimo ed è classificato secondo la norma IEC 60947-2 (Figura 5). La lettura a LED VisiTrip facilita l'individuazione dell'interruttore automatico intervenuto nel quadro o nell'armadio. È inoltre dotato di un codice QR per accedere alle informazioni, tra cui il manuale di istruzioni, i codici componente e i disegni CAD.

Figura 5: Gli interruttori automatici di questo tipo offrono un'indicazione positiva del contatto e soddisfano i requisiti di isolamento della norma IEC/EN60947. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Nodi fieldbus integrati

TeSys è una soluzione di gestione del carico digitalizzata e connessa all'IIoT che funge da nodo integrato in una rete fieldbus e include i moduli necessari per implementare una macchina predisposta per l'IIoT. Si basa su dispositivi multifunzionali e avatar per applicazioni industriali con carichi fino a 80 A e può accelerare i tempi di progettazione, cablaggio e messa in servizio.

Un accoppiatore di bus come il modello TPRBCEIP è il modulo principale che fornisce la comunicazione interna con i moduli TeSys a isola tramite cavi a nastro. È anche il punto di connessione tra un'isola TeSys e un sistema di automazione esterno che utilizza la comunicazione EtherNet/IP o Modbus TCP. Un server web incorporato supporta la diagnostica e la manutenzione. Include una porta di servizio RJ45 su Ethernet, una porta per scheda Micro SD e una porta per il bus interno che collega i moduli dell'isola. Una configurazione tipica comprende (Figura 6):

1. Accoppiatore di bus
2. Modulo di ingresso/uscita analogico
3. Modulo di ingresso/uscita digitale
4. Modulo di interfaccia di tensione
5. Avviatori standard
6. Avviatore Safety Integrity Level (SIL)
7. Modulo di interfaccia SIL
8. Modulo per interfaccia di alimentazione

Figura 6: Le unità combinate nell'isola TeSys agiscono come un singolo nodo in una rete fieldbus. (Immagine per gentile concessione di Schneider Electric)

Esempi di moduli a isola TeSys includono:

• LC1DT406BL, un contattore TeSys Deca da 40 A, 4 poli, normalmente aperto, conforme a IEC60335-1 per sistemi industriali e HVAC
• LC1G115EHEN, un contattore TeSys Giga a 3 poli, normalmente aperto, da 150 A (75 kW a 440 V_c.a.), progettato per l'uso in applicazioni gravose con velocità di funzionamento fino a 600 cicli all'ora e temperatura di funzionamento fino a +60 °C
• TPRDG4X2, un modulo I/O digitale con quattro ingressi e due uscite digitali, capace di gestire motori e altri carichi elettrici fino a 65 A (37 kW, 40 HP). Tutte le regolazioni e le impostazioni sono digitalizzate, senza quadranti meccanici o interruttori DIP.
• Avviatori di motori comunicanti a isola TeSys con potenza fino a 40 HP (80 A a 480 V). Questi avviatori SIL soddisfano i requisiti delle norme IEC 61508, IEC 62061 e ISO 13849-1 e supportano PL d e SIL 2

L'isola TeSys supporta anche soluzioni complete e si integra facilmente con gli ambienti Rockwell Studio 5000 e TIA Portal di Siemens per supportare le macchine legacy.

Assemblaggio di tutti i componenti

Quando è il momento di costruire una macchina completa, i progettisti possono rivolgersi a EcoStruxure Machine Expert. Questa soluzione software supporta lo sviluppo, la configurazione, la messa in servizio, il funzionamento e la manutenzione delle macchine predisposte per l'IIoT.

EcoStruxure Machine Expert è in grado di gestire tutti i più recenti blocchi macchina IIoT, compresi i PLC Modicon M262 e il sistema di gestione digitale del carico a isola TeSys. È stato progettato per fornire macchine ottimizzate per la sicurezza, l'affidabilità, l'efficienza, la connettività e la sostenibilità. Sfrutta l'IIoT con soluzioni di mobilità, rilevamento, cloud, analisi e sicurezza informatica per svolgere questo compito complesso.

Conclusione

Le macchine abilitate all'IIoT sono un aspetto importante delle operazioni dell'Impresa 4.0. La progettazione, la messa in funzione e l'integrazione di queste macchine sono attività complesse. Schneider Electric fornisce ai progettisti di macchine una suite completa di dispositivi e strumenti software per macchine abilitate all'IIoT che consentono di migliorare l'efficienza operativa a tutti i livelli dell'organizzazione e per tutto il ciclo di vita delle macchine.