La selección del equipo de automatización industrial óptimo, como motores, variadores y módulos de comunicación, requiere una cuidadosa atención a los detalles. Por ejemplo, la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos de América del Norte (NEMA) y la Comisión Electrotécnica Internacional Europea (IEC) exhiben numerosas diferencias en las clasificaciones de motores y variadores.
Los factores a considerar al seleccionar motores, variadores y controladores incluyen tolerancias y voltajes de entrada y salida, rangos de velocidad requeridos y necesidades de regulación, requisitos de torque, aceleración, ciclos de trabajo de frenado, demandas especiales como respuesta rápida o de torque, y factores ambientales, incluida la gestión térmica.
Los requisitos de comunicación varían según la posición de un dispositivo dentro de la jerarquía de control industrial. En la capa más cercana al borde del taller de fábrica, se pueden usar protocolos como IO-Link para sensores y actuadores inteligentes, mientras que EtherCAT, PROFINET, Modbus y otros protocolos conectan sistemas de movimiento, seguridad, E/S y visión.
La capa más alta de redes de automatización industrial suele emplear Ethernet/IP para conectar diversos controladores de automatización, interfaces de programación y la nube, junto con protocolos como DisplayPort para interfaces hombre{0}}máquina (HMI). Entre estas capas, una combinación de Ethernet/IP, EtherCAT y otros protocolos conecta el nivel de campo del taller con las capas operativas y de control.
Los detalles son demasiado numerosos para abarcarlos exhaustivamente en una sola discusión. En cambio, este artículo presenta varias pautas a considerar al especificar motores, variadores y módulos de comunicación, junto con ejemplos de aplicaciones, hardware y protocolos de [Siemens], [Phoenix Contact], [Omron Automation], Panasonic [Industrial] y [Schneider Electric].
Enfoque cambiante
Los motores y variadores son elementos comunes en muchos sistemas de automatización industrial. Como punto de partida para esta discusión, es útil comprender dónde encaja la eficiencia del motor dentro de consideraciones más amplias del rendimiento del sistema de automatización industrial y cómo ha cambiado el enfoque.
Utilizar motores más eficientes puede ahorrar hasta un 6% de energía. Eso es bueno. Sin embargo, agregar unidades de alta-eficiencia y componentes de soporte puede ahorrar hasta un 30 % de energía.
Cuando la atención se centra en la optimización holística del sistema, surgen verdaderos cambios-. Al considerar todos los componentes mecánicos y agregar comunicación para integrarse con el Internet industrial de las cosas (IIoT)-que abarca niveles operativos y de planta y, en última instancia, alcanzar niveles empresariales y de nube-se pueden lograr ahorros de hasta un 60 % en el consumo de energía y una mayor productividad energética (Figura 1).
Figura 1: Los niveles mejorados de integración y comunicación pueden ahorrar más energía y aumentar la productividad. (Fuente de la imagen: Siemens)Eco-diseño de sistemas motores
IEC 61800-9 Parte 2, "Eco-diseño de sistemas de motores - Determinación y clasificación de la eficiencia energética", puede servir como un recurso clave. No se centra únicamente en la eficiencia del motor, sino que detalla una serie de factores de rendimiento de nivel superior para los "sistemas de accionamiento del motor". Los VFD se consideran módulos de accionamiento completos (CDM), que comprenden una "sección de alimentación" de entrada de CA, un "módulo de accionamiento básico" (BDM) como el propio VFD y un "equipo auxiliar" que incluye filtros de entrada/salida, bobinas de línea y otros componentes de soporte.
El estándar define además un Power Drive System (PDS) como un CDM más un motor. Posteriormente, describe un sistema de motor como un PDS más un equipo de control de motor como por ejemplo contactores.
El nivel más alto es el producto ampliado, o el sistema general de la Figura 1, que agrega equipos de accionamiento mecánico como cajas de cambios y máquinas de carga. Para obtener una comprensión más detallada del estándar de eficiencia PDS IEC 61800-9-2, consulte el artículo "[¿Cuáles son los diferentes tipos de variadores de velocidad para motores industriales?]".
El punto de partida para especificar un "sistema de accionamiento de motor" es el propio motor.
Consideraciones del motor
Cuando se especifican y utilizan correctamente, los motores pueden ser máquinas muy eficientes. Esto hace que la selección del motor sea una tarea crítica para los diseñadores de máquinas.
IEC cuantifica la potencia del motor en kilovatios (kW), mientras que NEMA utiliza caballos de fuerza (hp), lo que simplifica la equivalencia directa. Sin embargo, IEC y NEMA emplean cálculos de eficiencia diferentes; Para diseños de motores idénticos, la eficiencia de la placa de identificación IEC puede exceder ligeramente las clasificaciones NEMA.
La eficiencia real del motor está estrechamente ligada a aplicaciones específicas. En consecuencia, los estándares de eficiencia de los motores generalmente se analizan en términos de pérdidas de energía reducidas en lugar de valores de eficiencia absoluta.
IEC 60034-30-1 reconoce cinco clases de eficiencia de motor, que van desde IE1 a IE5. Las pérdidas de energía disminuyen un 20% entre clases sucesivas. Esto significa que un motor IE5 "Ultra Premium" presenta pérdidas un 20% menos que un motor IE4 "Super Premium". Hay factores adicionales que merecen consideración. En ciertos escenarios, los motores de mayor eficiencia pueden presentar un factor de potencia (PF) reducido.
En Norteamérica, las clasificaciones de eficiencia energética de NEMA son menos comunes pero igualmente importantes. NEMA reconoce el factor de servicio del motor (SF), que no está incluido en las normas IEC. Un motor NEMA con un SF de 1,15 puede funcionar continuamente al 115 % de su capacidad nominal, aunque esto da como resultado temperaturas de funcionamiento del motor más altas, lo que reduce la vida útil de los rodamientos y el aislamiento.
IEC identifica diez tipos de operación o factores de servicio (S1 a S10) basados en consideraciones tales como operación continua versus operación intermitente, variación de velocidad y uso de frenos, en lugar de SF.
NEMA e IEC difieren en sus rangos de voltaje y frecuencia, pero ambos se expresan en cantidades "por unidad" (pu). En el sistema pu, las cantidades se representan como fracciones de un valor base. NEMA identifica una serie de voltajes y frecuencias del motor. IEC identifica dos "zonas" (Figura 2).
Figura 2: Comparación de rangos de frecuencia y voltaje de CA industrial NEMA e IEC. (Fuente de la imagen: NEMA)
Mejora de la eficiencia del PDS
Los variadores de motor son componentes clave para la eficiencia del PDS, tal como se define en IEC 61800-9-2. Se pueden clasificar de varias maneras, como voltaje del motor, nivel de potencia, tipo de movimiento, aplicaciones compatibles y más. Los tipos de movimiento se pueden clasificar en continuos o discontinuos. Según la potencia máxima requerida, se pueden dividir en categorías de bajo-rendimiento, rendimiento medio y alto rendimiento.
Los diferentes tipos de unidades admiten distintos requisitos del sistema. Los servoaccionamientos y motores-son muy adecuados para aplicaciones como la robótica que requieren aceleración y desaceleración rápidas y un posicionamiento preciso. Los arrancadores suaves son ideales para el funcionamiento continuo, como los transportadores que se benefician de arranques y paradas suaves. Los VFD se utilizan ampliamente en diversas maquinarias industriales.
Ciertas líneas de productos VFD están optimizadas para operaciones como bombeo, ventilación, compresión, aplicaciones móviles o mecanizado. Los variadores de uso general-de la serie SINAMICS G120 de Siemens tienen una potencia nominal de 0,55 a 250 kW (0,75 a 400 hp) y son adecuados para aplicaciones industriales generales en las industrias automotriz, textil y de embalaje.
El modelo [6SL32203YE340UF0] funciona con alimentación trifásica-con un rango de voltaje de entrada de 380 a 480 Vca ±10%/-20%. En Europa, los motores con una potencia de 22 a 30 kW están especificados para un funcionamiento de 400 V, mientras que en América del Norte, los motores con una potencia de 30 a 40 hp están especificados para un funcionamiento de 480 V (Figura 3).
Figura 3: Este VFD se puede utilizar con motores de 22 a 30 kW, según el voltaje de funcionamiento. (Fuente de la imagen: DigiKey)
Los VFD no son la única clave para un diseño eficiente de PDS. El artículo "[¿Qué productos de soporte se necesitan para maximizar el impacto del uso de VFD y VSD? - Parte 1]" revisa algunos componentes de soporte esenciales.
Comunicación y optimización del sistema.
Aunque los motores y variadores residen en el primer nivel o nivel de campo de la fábrica, no son la capa más baja en la jerarquía de comunicación de la Industria 4.0. Esta posición pertenece a funciones de Nivel 0 como sensores y actuadores. Además, existen varios niveles por encima del nivel del campo. Para maximizar la eficiencia, productividad y sostenibilidad generales de una planta de Industria 4.0, es esencial una comunicación oportuna y eficiente desde la jerarquía de comunicación hasta la nube. Los siguientes protocolos facilitan la conectividad en la nube:
- uOPC PubSub Bridge integra múltiples flujos de datos de tecnología operativa (OT).
- MOTT Broker recibe mensajes y los reenvía a los usuarios según los temas de los mensajes.
El nivel 1 abarca mucho más que accionamientos y motores. Las unidades maestras de bus de campo (FMU) facilitan la comunicación y simplifican la integración de variadores y otros dispositivos. Las FMU admiten varios protocolos, incluidos PROFINET, PROFIBUS, DeviceNet, CANopen y más. El uso de FMU permite una conectividad independiente del fabricante-.
El modelo [AFP7NPFNM] de Panasonic es una FMU PROFINET. Cuenta con una biblioteca de funciones integrada con software de programación, lo que reduce significativamente el tiempo de desarrollo para soluciones de aplicaciones específicas.
Sensores, actuadores y nivel de seguridad 0
Para maximizar el ahorro de energía de los PDS en VFD, la conectividad debe reducirse al nivel 0. La integración de sensores, actuadores y dispositivos de seguridad como cortinas de luz en el nivel 0 aumenta significativamente la eficiencia, logrando ahorros de energía superiores al 30 %.
Los protocolos comunes para conectar funciones de nivel 0 incluyen DeviceNet, HART, Modbus e IO-Link. IO-Link es un protocolo-a-punto que conecta sensores y actuadores a controladores-de nivel superior. Disponible como estándar cableado e inalámbrico, se implementa cada vez más en la Industria 4.0 como una alternativa rentable-.
[Las unidades maestras IO-Link NX-ILM400] de Omron pueden combinar E/S estándar con E/S síncronas de alta-velocidad. La E/S digital estándar ofrece 16 conexiones por unidad, con opciones que incluyen:
- Cuatro sensores de 3 hilos con fuente de alimentación.
- Ocho entradas de contacto de 2 hilos o salidas de actuador
- Dieciséis conexiones de 1 cable para sensores y actuadores conectados a una fuente de alimentación común
PDS Nivel 2 y superior
La comunicación de alto-nivel mejora las operaciones de campo, pero es esencial para maximizar la eficiencia y la productividad de la organización. Desde el nivel 2 hasta los niveles 3 y 4, la nube requiere protocolos como Ethernet/IP, EtherCAT y Modbus TCP/IP.
Los dispositivos utilizados para establecer estas conexiones incluyen controladores lógicos programables (PLC) o computadoras personales industriales (IPC). Los PLC son computadoras optimizadas para la automatización y el control industrial. En aplicaciones típicas, un PLC monitorea las entradas de las máquinas y los sensores asociados, toma decisiones basadas en su programación y envía salidas de control.
Si bien los IPC pueden realizar funciones similares a las de un PLC-, son dispositivos de uso más general-. Al ejecutar sistemas operativos como Linux o Windows, acceden a una gama más amplia de herramientas de software y normalmente se conectan a HMI (aunque muchos PLC también se conectan a HMI). Los PLC tienden a centrarse-en las máquinas, mientras que los IPC ofrecen más capacidades operativas.
La distinción entre PLC e IPC es cada vez más borrosa. Por ejemplo, el PLC [1069208] de Phoenix Contact ejecuta el sistema operativo Linux. Al igual que los PLC tradicionales, se puede programar utilizando un diagrama de flujo simbólico (SFC), un diagrama de escalera (LD), un diagrama de bloques de funciones (FBD) y un texto estructurado (ST). Incluye tres interfaces Ethernet independientes y se puede conectar a PROFICLOUD.
Schneider Electric ofrece la IIoT Edge Box [HMIBMIEA5DD1E01] para aplicaciones que se benefician de las capacidades de IPC. Este diseño sin ventilador incorpora un procesador Intel Atom Apollo Lake E3930 de doble-núcleo que funciona a 1,8 GHz. Cuenta con una ranura de expansión mini PCIe y nueve puertos de comunicación.
Conclusión
Este artículo describe brevemente algunas pautas que los diseñadores deben considerar al especificar motores, variadores y módulos de comunicación para instalaciones de Industria 4.0. Está lejos de ser exhaustivo. Su propósito es proporcionar elementos de reflexión y algunos recursos para futuras investigaciones.