作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-08-28

電機、驅動器和通信模塊等工業自動化設備的最佳選擇需要仔細關注細節。例如，北美國家電氣制造商協會 (NEMA) 和歐洲國際電工委員會 (IEC) 在電機和驅動器額定值方面存在許多差異。

選擇電機、驅動器和控制器時，需要考慮的一些因素包括輸入和輸出電壓和容差、所需的速度范圍和調節需求、扭矩要求、加速度、制動占空比、快速或扭矩響應等特殊需求以及環境因素，包括熱管理。

通信需求根據設備在工業控制層次結構中的位置而有所不同。在最接近工廠車間邊緣的層面，IO-Link 等協議可用于智能傳感器和執行器，而 EtherCAT、PROFINET、Modbus 和其他協議可連接運動、安全、I/O 和視覺。

工廠自動化網絡的最高層通常使用以太網/IP來連接各種自動化控制器、編程接口和云，以及使用像DisplayPort這樣的協議來連接人機界面（HMI）。在這兩者之間，以太網/IP、EtherCAT 和其他協議的組合可以將工廠車間的現場層連接到操作和控制層。

細節太多，無法通過一次討論來全面闡述。相反，本文提出了在指定電機、驅動器和通信模塊時需要考慮的幾個指南，以及來自[西門子]、[菲尼克斯電氣]、[歐姆龍自動化]、松下[工業]和[施耐德電氣的]應用、硬件和協議示例。

轉移焦點

電機和驅動器是許多工業自動化系統的共同點。作為本次討論的起點，了解電機效率在工業自動化系統性能的更廣泛考慮中的位置以及焦點如何轉移是有幫助的。

使用效率更高的電機可節省高達 6% 的能源。那挺好的。然而，添加高效驅動器和支持組件可以節省高達 30% 的能源。

當重點轉移到整體系統優化時，真正的游戲規則改變者就會出現。考慮到所有機械組件并添加通信以與工業物聯網 (IIoT) 相結合，包括運營和工廠級別，最終到企業級別以及云，可以節省高達 60% 的能源以及更高的能耗生產力（圖 1）。

圖 1：集成和通信水平的提高可節省更多能源并提高生產率。 （圖片來源：西門子）

電機系統的生態設計

IEC 61800-9 第 2 部分“電機系統的生態設計 - 能效確定和分類”可以成為關鍵資源。它不是僅僅關注電機效率，而是詳細介紹了“電機驅動系統”的一系列更高級別的性能因素。 VFD 被視為完整的驅動模塊 (CDM)，其中包括交流輸入“饋電部分”、像 VFD 這樣的“基本驅動模塊”(BDM) 以及包括輸入和輸出濾波器、線路的“輔助設備”。扼流圈和其他支撐部件。

該標準還將動力驅動系統 (PDS) 定義為 CDM 加電機。接下來，該標準將電機系統描述為 PDS 加上接觸器等電機控制設備。

最高級別是擴展產品，或圖 1 中的整體系統，它添加了機械驅動設備，如變速箱和負載機。如需更詳細地了解 IEC 61800-9-2 PDS 效率標準，請查看文章“[可調速工業電機驅動器有哪些不同類型？”]”

指定“電動機驅動系統”的起點是電動機。

電機問題

如果正確指定和使用，電動機可以成為高效的機器。這使得指定電機成為機器設計人員的一項重要任務。

IEC 以千瓦 (kW) 為單位量化電機功率，而 NEMA 使用馬力 (hp)，很容易等同。然而，IEC 和 NEMA 使用不同的效率計算，對于相同電機設計，IEC 銘牌效率可能略高于 NEMA 額定值。

實際電機效率與特定用例密切相關。因此，電機效率標準通常是根據能量損失的減少而不是絕對效率來討論的。

IEC 60034-30-1 認可五個電機效率等級，從 IE1 到 IE5。不同班級之間的能量損失下降 20%。這意味著 IE5“Ultra Premium”電機的損耗比 IE4“Super Premium”電機低 20%。還有更多需要考慮的事情。在某些情況下，效率較高的電機的功率因數 (PF) 會下降。

在北美，NEMA 的能效等級較少，但這同樣重要。 NEMA 認可 IEC 標準中未包含的電機服務系數 (SF)。 SF 為 1.15 的 NEMA 電機可以以其額定容量的 115% 連續運行，盡管電機運行溫度更高，這會導致軸承和絕緣壽命縮短。

IEC 根據連續操作與間歇操作、速度變化和制動的使用等考慮因素，而不是 SF 來識別十種工作類型或服務系數（S1 至 S10）。

NEMA 和 IEC 的工作電壓和頻率范圍有所不同，但均以“每單位”(pu) 數量表示。在 pu 系統中，數量以基值的分數表示。 NEMA 可識別一系列電機電壓和頻率。 IEC 識別兩個“區域”（圖 2）。

圖 2：NEMA 和 IEC 工業交流電壓和頻率范圍的比較。 （圖片來源：NEMA）

提高 PDS 效率

電機驅動器是 IEC 61800-9-2 中定義的 PDS 效率的關鍵要素。它們可以通過多種方式進行分類，例如電機電壓、功率水平、運動類型、支持的應用程序等。運動類型可以分為連續或不連續。根據所需的最大功率輸出，它們可以進一步分為低性能、中性能和高性能。

不同類型的驅動器支持不同的系統需求。當機器人等應用需要快速加速、減速和精確定位時，伺服驅動器和電機非常適合。軟啟動器適用于連續運行，例如受益于平穩啟動和減速的輸送機。 VFD 廣泛用于各種工業機器。

一些 VFD 產品系列針對泵送、通風、壓縮、移動或加工等操作進行了優化。西門子 SINAMICS G120 系列通用驅動器的額定功率為 0.55 至 250 kW（0.75 至 400 hp），適用于汽車、紡織和包裝行業的一般工業應用。

型號[6SL32203YE340UF0]使用三相電源，工作電壓范圍為 380 至 480 Vac +10 % / -20 %。在歐洲，其額定功率為 22 至 30 kW 的電機指定為 400 V 運行，在北美，額定功率為 30 至 40 hp 的電機為 480 V（圖 3）。

圖 3：該 VFD 可與額定功率為 22 至 30 kW 的電機一起使用，具體取決于工作電壓。 （圖片來源：DigiKey）

VFD 并不是高效 PDS 設計的唯一關鍵。文章“[需要哪些支持產品才能最大限度地發揮使用 VFD 和 VSD 的影響？” - 第 1 部分]”回顧了一些必需的支持組件。

通訊和系統優化

雖然電機和驅動器位于工廠車間的第 1 層或現場層，但它們并不是工業 4.0 通信層次結構的最低層。該位置屬于 0 級的傳感器和執行器等功能。此外，現場級之上還有多個級別。為了最大限度地提高工業 4.0 工廠的整體效率、生產力和可持續性，從通信層次結構到云端的及時、高效的通信是必要的。使用如下協議來促進云連接：

• uOPC PubSub Bridge 整合了多種操作技術 (OT) 數據流。
• MOTT BRoker 接收消息并根據消息主題轉發給用戶。

1 級不僅僅是驅動器和電機。現場總線主單元 (FMU) 可以促進通信并簡化驅動器和其他設備的集成。 FMU 可用于各種協議，包括 PROFINET、PROFIBUS、DeviceNet、CANopen 等。使用 FMU 可以實現獨立于制造商的連接。

[Panasonic 的AFP7NPFNM]型號是 PROFINET FMU。它配備了編程軟件的集成函數庫，大大減少了開發特定應用解決方案所需的時間。

傳感器、執行器和安全等級為 0 級

要提高 VFD 的 PDS 節能收益，需要將連接性降低到 0 級。在 0 級集成傳感器、執行器和光幕等安全設備可以顯著提高效率，并將節能效果提高到 30% 以上。

用于連接 0 級功能的常見協議包括 DeviceNet、HART、Modbus 和 IO-Link。 IO-Link 是一種點對點協議，可將傳感器和執行器連接到更高級別的控制裝置。它可作為有線或無線標準使用，并作為一種經濟高效的替代方案越來越多地部署在工業 4.0 中。

[Omron 的NX-ILM400] IO-Link 主站單元可以將標準 I/O 與高速同步 I/O 混合在一起。標準數字 I/O 每個單元有 16 個連接，可供選擇：

• 四個 3 線傳感器與電源連接
• 八個 2 線觸點輸入或執行器輸出
• 十六個 1 線連接，用于連接到公共電源的傳感器和執行器

PDS 2 級及以上

高層溝通有助于改善現場運營，但為了最大限度地提高組織效率和生產力，高層溝通是必需的。從 2 級到 3、4 級，云需要以太網/IP、EtherCAT 和 Modbus TCP/IP 等協議。

用于建立這些連接的設備包括可編程邏輯控制器 (PLC) 或工業個人計算機 (IPC)。 PLC 是針對工業自動化和控制而優化的計算機。在典型應用中，PLC 監視來自機器和相關傳感器的輸入，根據其編程做出決策，并發送控制輸出。

雖然 IPC 可以執行類似 PLC 的功能，但它們是更通用的設備。它們運行 Linux 或 Windows 等操作系統，使它們能夠訪問一系列軟件工具，并且通常連接到 HMI（許多 PLC 也可以連接到 HMI）。 PLC傾向于以機器為中心，而IPC則具有更多操作功能。

PLC 和IPC 之間的區別越來越模糊。例如， Phoenix Contact 的[1069208]PLC 運行 Linux 操作系統。與傳統PLC一樣，它可以用符號流程圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能塊圖（FBD）和結構化文本（ST）進行編程。它包括三個獨立的以太網接口，可以連接到PROFICLOUD。

施耐德電氣為可受益于 IPC 的應用提供[HMIBMIEA5DD1E01] IIoT Edge Box。這種無風扇設計包括運行頻率為 1.8 GHz 的 Intel Atom Apollo Lake E3930 雙核處理器。它具有一個 mini PCIe 擴展插槽和九個通信端口。

結論

本文簡要概述了設計人員在為工業 4.0 安裝指定電機、驅動器和通信模塊時應考慮的一些指南。這遠非詳盡無遺。其目的是為進一步研究提供思考和一些資源。

審核編輯 黃宇