Systémy elektromotorov (často staré a neefektívne) majú významný, až 70 % podiel na spotrebe elektrickej energie v rôznych odvetviach, ktoré sa na ne spoliehajú. Z prieskumu Medzinárodnej agentúry pre energetiku (International Energy Agency, IEA) vyplýva, že viac ako 40 % zníženie emisií skleníkových plynov, ktoré je potrebné na dosiahnutie súladu s Parížskou dohodou do roku 2040 a klimatických cieľov, by sa dalo docieliť prostredníctvom opatrení na zvýšenie energetickej účinnosti. So stovkami miliónov systémov poháňaných motorom, ktoré v súčasnosti používajú priemyselné odvetvia na celom svete, nemožno ignorovať možnosti a vplyv zariadení s vyššou účinnosťou.
Frekvenčné meniče a budúcnosť účinnosti
Frekvenčné meniče (z angl. variable frequency drive, VFD) poháňajú elektromotory zmenou frekvencie a napätia na strane ich napájania a stali sa mimoriadne bežnými technickými prostriedkami v prevádzkach – všade, kde je zmena rýchlosti motora nevyhnutná, napríklad v čerpadlách, ventilátoroch a dopravníkových systémoch. Tieto typy regulátorov, ktoré sa neustále vyvíjajú so zameraním na energetickú účinnosť, sú integrované s pokročilými algoritmami a funkciami na zlepšenie ich presnosti a flexibility. Schopnosť lepšie monitorovať a kontrolovať otáčky motora, krútiaci moment a celkový výkon vedie k vyššej účinnosti a nižšej spotrebe, ako aj k menšiemu opotrebovaniu v priebehu času. To všetko prispieva k optimalizácii výkonu motora a nižším prevádzkovým nákladom.
A čo viac, frekvenčné meniče hrajú čoraz dôležitejšiu úlohu v priemyselnom internete vecí (z angl. industrial internet of things, IIoT) zahŕňajúcom systémy Priemyslu 4.0 a 5.0, ktoré umožňujú vzdialené monitorovanie, analýzu v reálnom čase a prediktívnu údržbu. Údaje zozbierané z frekvenčných meničov sa tak môžu použiť na ďalšie zvýšenie celkového výkonu a spoľahlivosti systému. A hoci je kybernetická bezpečnosť kritickým problémom akéhokoľvek pripojeného alebo inteligentného priemyselného systému, stratégie ako šifrovanie, autentifikačné protokoly a ďalšie opatrenia sa široko implementujú na zabezpečenie integrity a dôvernosti údajov vymieňaných medzi frekvenčnými meničmi a riadiacimi systémami. Okrem toho integrácia frekvenčných meničov do existujúcich systémov prostredníctvom aktualizácií alebo rozšírení je čoraz jednoduchšia, keďže výrobcovia vyvíjajú modulárne a škálovateľné vyhotovenia frekvenčných meničov, čím sa zvyšuje flexibilita konfigurácie a veľkým aj malým podnikom to uľahčuje prispôsobovať sa meniacim sa požiadavkám aj v budúcnosti.
Päť trendov vo vývoji frekvenčných meničov
- Energetická účinnosť a udržateľnosť
- Integrácia s IoT a konceptmi Priemyslu 4.0 a 5.0
- Pokročilé algoritmy riadenia motora
- Modulárne a škálovateľné vyhotovenia
- Opatrenia kybernetickej bezpečnosti
Spolupráca frekvenčných meničov a PLC s ohľadom na prediktívnu údržbu
Vďaka vzájomnej spolupráci frekvenčných meničov a programovateľných logických regulátorov (PLC) v rámci systémov priemyselnej automatizácie možno monitorovať a riadiť rôzne procesy a komponenty, aby sa dosiahla najefektívnejšia a najspoľahlivejšia prevádzka – využitie údajov pochádzajúcich z edge snímačov, riadiacich signálov a spätnoväzbových slučiek na úpravu a optimalizáciu v reálnom čase. PLC môžu okrem toho spracovávať údaje zozbierané z frekvenčných meničov, aby identifikovali potenciálne problémy skôr, ako povedú k plytvaniu zdrojmi a neplánovaným prestojom. Presne to bol cieľ AROL, popredného výrobcu uzatváracích strojov so sídlom v Canelli v Taliansku, s viac ako 25 000 kusmi zariadení nainštalovaných po celom svete.
Pri výrobných linkách, ktoré spracúvajú až 100 000 fliaš za hodinu, je udržiavanie rýchlosti a nepretržitej spoľahlivosti strojov rozhodujúce pre ich prevádzkovateľov. Inými slovami, akýkoľvek výpadok alebo neplánované prestoje by boli škodlivé pre plnenie výrobných kvót a nákladné pre ich klientov. Preto sa ich výskumný a vývojový tím rozhodol integrovať možnosti diagnostiky, prognostickej a prediktívnej údržby do inteligentného riešenia schopného zhromažďovať údaje z priemyselných zariadení a okolitého prostredia, čím vytvoril systém monitorovania strojov založený na vzdialených bezdrôtových snímačoch, ktoré by mohli byť napájané z batérie alebo 24 V.
Projekt čelil špecifickým výzvam v tom, že uzly snímačov museli byť namontované v otočných uzatváracích vežičkách, ktoré sa zmestili do malého priestoru a napriek tomu vždy zostali pripojené ku komunikačnej jednotke na základni linky. Navyše museli časť spracovania údajov vykonávať priamo na mieste ich vzniku, aby nepreťažili centrálny systém. A samozrejme, modernizovaný uzatvárací stroj musel byť vyrobený inteligentne bez toho, aby sa citeľne zvýšila cena.
Našťastie bolo po ruke riešenie: využitie Arduino Pro Nicla Sense ME a Portenta Machine Control pomohlo spoločnosti AROL urýchliť úsilie o fungujúce riešenie – také, ktoré sa úplne vyhlo zablokovaniu dodávateľov a zároveň aktualizovalo ich vysokorýchlostné výrobné zariadenie, aby umožnilo monitorovať údaje a výsledky prediktívnej údržby. Pätnásť uzatváracích veží bolo vybavených toľkými zariadeniami Nicla Sense ME, umožňujúcimi snímanie vibrácií a teploty vďaka najmodernejším integrovaným snímačom Bosch Sensortec, aby sa dosiahol potrebný výpočtový výkon na spracovanie časti údajov priamo na úrovni uzlov snímačov. V rozvádzači priamo na stroji bol na DIN lištu jednoducho nainštalovaný modul Portenta Machine Control, vďaka čomu bolo možné zrealizovať komunikáciu so všetkými snímačmi cez Bluetooth®.
ME Arduino Pro (ME znamená Motion – pohyb a Environment – prostredie) je kompaktný modul, ktorý prináša snímanie a inteligenciu prostredníctvom inteligentného snímača pohybu 9DoF a snímača prostredia 4DoF s funkciami umelej inteligencie priamo na miesto vzniku údajov (edge). Vďaka vysokému výpočtovému výkonu znižuje oneskorenie a spotrebu energie, ponúka vyššiu úroveň bezpečnosti a vyžaduje menšiu šírku pásma – to všetko pri malých rozmeroch. Arduino Pro Portenta Machine Control je plne centralizovaná priemyselná riadiaca jednotka s nízkou spotrebou, schopná riadiť zariadenia a stroje – „mozog“, ktorý možno naprogramovať pomocou rámca Arduino alebo iných zabudovaných vývojových platforiem na zhromažďovanie údajov v reálnom čase z prevádzky a ktorý podporuje diaľkové ovládanie zariadení, dokonca aj z cloudu, ak je to potrebné.
V prípade spoločnosti AROL bol Portenta Machine Control najlepšou voľbou vďaka svojim 32 vstupom/výstupom, zatiaľ čo menej členité systémy by mohli ťažiť zo zvýšenej flexibility nových riešení Opta micro PLC Arduino Pro. Tie sú založené na rovnakom procesore STM32H747XI Dual ARM® Cortex® a programovateľné pomocou C++ s možnosťou výberu z hľadiska ktoréhokoľvek alebo všetkých piatich tradičných programovacích jazykov automatizácie definovaných v norme IEC 61131-3 (rebrík, funkčný blokový diagram, štruktúrovaný text, sekvenčná tabuľka funkcií alebo zoznam inštrukcií).
Prečo si vybrať Open Source na optimalizáciu svojho frekvenčného meniča?
Prístup Arduina s otvoreným zdrojom k softvéru aj hardvéru odlišuje jeho riešenie od všetkých ostatných hráčov v technologickej oblasti. To, čo sa začalo ako filozofický postoj, sa postupom času vyvinulo ako zdroj širokej škály obchodných výhod pre profesionálnych klientov na celom svete. Pokiaľ ide napríklad o zaistenie neviazanosti na predajcu, väčšiu interoperabilitu a zníženú energetickú stopu, výber produktov Arduino môže ďalej zvýšiť efektivitu riešení vďaka silnému zameraniu spoločnosti na možnosti s nízkou spotrebou a malými rozmermi. Celá rodina Nicla napríklad obsahuje priemyselné snímače a výpočtový výkon do veľkosti iba 22,86 x 22,86 mm.
Okrem toho ponuka Arduino prináša edge technológie takmer pre každého. Spracovanie údajov priamo na mieste umožňuje taký druh monitorovania a riadenia v reálnom čase, ktorý môže mať vplyv na efektívnosť systému; sám o sebe tiež pomáha priamo šetriť energiu znížením množstva údajov odosielaných do cloudu, čím sa znižujú náklady na spotrebu cloudu. Využitím ekosystému Arduina a otvorenej architektúry sa edge computing stáva dostupnejším vďaka nákladovo efektívnym riešeniam, ktoré optimalizujú zoznam potrebných prvkov. Zároveň je dostupnejší pre technikov, ktorí sa môžu spoľahnúť na veľmi jednoduché použitie, rozsiahlu verejnú dokumentáciu a zdroje a výber z množstva možných programovacích jazykov. Vo všeobecnosti produkty Arduino dodržiavajú rozšírené priemyselné štandardy a podporujú interoperabilitu medzi rôznymi zariadeniami a systémami.
To zase zaisťuje lepšiu kompatibilitu a zabraňuje zablokovaniu dodávateľov, vďaka čomu je riešenie s otvoreným zdrojovým kódom odolné voči budúcnosti. Flexibilita a príležitosť na prispôsobenie riešení s otvoreným zdrojom môže byť obzvlášť cenná pri integrácii funkcií frekvenčných meničov a PLC do komplexných automatizačných systémov, pretože umožňujú jemné ladenie riadiacich algoritmov, rozhraní a pod. s cieľom splniť špecifické požiadavky projektu a prispôsobiť sa jedinečným priemyselným procesom.
Tam, kde je bezpečnosť a spoľahlivosť prvoradá, môžu byť riešenia s otvoreným zdrojovým kódom transparentnejšie: to vývojárom umožňuje rýchlejšie identifikovať a opraviť slabé miesta. Produkty Arduino prechádzajú prísnymi kontrolami kvality a sú testované podľa najvyšších štandardov.
Napríklad Arduino Pro Opta bol nedávno podrobený hodnoteniu kybernetickej bezpečnosti, výsledkom čoho sú inovácie, vďaka ktorým je spoľahlivejší než kedykoľvek predtým. V neposlednom rade výber technológie s otvoreným zdrojom pre riešenia riadenia motorov znamená aj využitie množstva odborných znalostí a podpory od živej komunity, ktorú v prípade Arduina tvorí viac ako 33 miliónov aktívnych používateľov. To môže viesť k rýchlejšiemu riešeniu problémov, neustálemu zlepšovaniu a dostupnosti veľkého množstva zdrojov vrátane fór, dokumentácie a dodaného kódu. Celkovo vzaté, či už je úspora energie kľúčovou globálnou stratégiou v kontraste s klimatickými zmenami alebo potrebou znížiť náklady a udržať si vlastnú konkurenčnú výhodu, optimalizácia účinnosti motora pomocou frekvenčných meničov prepojených s riadiacimi systémami Arduino otvára množstvo výhod, ktoré si nemôžete dovoliť ignorovať.
Päť dôvodov, prečo zvoliť riešenie s otvoreným zdrojom na efektívne riadenie motora
- Nákladovo efektívny vývoj
- Podpora komunity a zdieľanie vedomostí
- Flexibilita a prispôsobenie
- Interoperabilita a súlad s normami
- Transparentnosť a bezpečnosť
Získajte viac informácií o inteligentnom snímaní Nicla na priemyselnej úrovni a rodine Portenta s funkciami priemyselného internetu vecí na optimalizáciu účinnosti motora.
Zdroj: VFDS: Open to energy savings. In: eTech Journal, Farnell, 2024, č. 8, pp. 4 – 9. [online].
-tog-
