A seleção do equipamento de automação industrial ideal, como motores, inversores e módulos de comunicação, requer atenção cuidadosa aos detalhes. Por exemplo, a Associação Nacional de Fabricantes Elétricos da América do Norte (NEMA) e a Comissão Eletrotécnica Internacional Europeia (IEC) apresentam inúmeras diferenças nas classificações de motores e acionamentos.
Os fatores a serem considerados ao selecionar motores, inversores e controladores incluem tensões e tolerâncias de entrada e saída, faixas de velocidade exigidas e necessidades de regulação, requisitos de torque, aceleração, ciclos de frenagem, demandas especiais como resposta rápida ou de torque e fatores ambientais, incluindo gerenciamento térmico.
Os requisitos de comunicação variam com base na posição do dispositivo na hierarquia de controle industrial. Na camada mais próxima da borda do chão de fábrica, protocolos como IO{1}}Link podem ser usados para sensores e atuadores inteligentes, enquanto EtherCAT, PROFINET, Modbus e outros protocolos conectam sistemas de movimento, segurança, E/S e visão.
A camada mais alta das redes de automação de fábrica normalmente emprega Ethernet/IP para conectar diversos controladores de automação, interfaces de programação e a nuvem, juntamente com protocolos como DisplayPort para interfaces homem-máquina (HMIs). Entre essas camadas, uma combinação de Ethernet/IP, EtherCAT e outros protocolos conecta o nível de campo do chão de fábrica às camadas operacionais e de controle.
Os detalhes são numerosos demais para serem abordados de forma abrangente em uma única discussão. Em vez disso, este artigo apresenta diversas diretrizes a serem consideradas ao especificar motores, inversores e módulos de comunicação, juntamente com exemplos de aplicação, hardware e protocolo da [Siemens], [Phoenix Contact], [Omron Automation], Panasonic [Industrial] e [Schneider Electric].
Mudando o foco
Motores e drives são elementos comuns em muitos sistemas de automação industrial. Como ponto de partida para esta discussão, é útil compreender onde a eficiência do motor se enquadra nas considerações mais amplas do desempenho do sistema de automação industrial e como o foco mudou.
O uso de motores mais eficientes pode economizar até 6% em energia. Isso é bom. No entanto, adicionar unidades-de alta eficiência e componentes de suporte pode economizar até 30% em energia.
Quando o foco muda para a otimização holística do sistema, surgem verdadeiras{0}mudanças de jogo. Ao considerar todos os componentes mecânicos e adicionar comunicação para integração com a Internet das Coisas Industrial (IIoT)-abrangendo os níveis operacional e de fábrica, atingindo, em última instância, os níveis empresarial e de nuvem,-é possível obter economias de até 60% no consumo de energia e maior produtividade energética (Figura 1).
Figura 1: Níveis aprimorados de integração e comunicação podem economizar mais energia e aumentar a produtividade. (Fonte da imagem: Siemens)Eco-projeto de sistemas motores
IEC 61800-9 Parte 2, "Eco-projeto de sistemas motores - Determinação e classificação de eficiência energética", pode servir como um recurso importante. Ele não se concentra apenas na eficiência do motor, mas detalha uma série de fatores de desempenho de nível superior para “sistemas de acionamento de motor”. Os VFDs são considerados módulos de acionamento completos (CDMs), compreendendo uma "seção de alimentação" de entrada CA, um "módulo de acionamento básico" (BDM) como o próprio VFD e "equipamentos auxiliares", incluindo filtros de entrada/saída, bobinas de linha e outros componentes de suporte.
A norma define ainda um Power Drive System (PDS) como um CDM mais um motor. Posteriormente, descreve um sistema de motor como um PDS mais equipamento de controle de motor, como contatores.
O nível mais alto é o produto estendido, ou o sistema geral da Figura 1, que adiciona equipamentos de acionamento mecânico, como caixas de engrenagens e máquinas de carga. Para uma compreensão mais detalhada do padrão de eficiência PDS IEC 61800-9-2, consulte o artigo "[Quais são os diferentes tipos de acionamentos de motores industriais de velocidade variável?]".
O ponto de partida para especificar um “sistema de acionamento do motor” é o próprio motor.
Considerações Motoras
Quando devidamente especificados e utilizados, os motores podem ser máquinas altamente eficientes. Isto torna a seleção do motor uma tarefa crítica para os projetistas de máquinas.
A IEC quantifica a potência do motor em quilowatts (kW), enquanto a NEMA utiliza a potência (hp), tornando a equivalência direta simples. Contudo, a IEC e a NEMA empregam cálculos de eficiência diferentes; para projetos de motores idênticos, a eficiência da placa de identificação IEC pode exceder ligeiramente as classificações NEMA.
A eficiência real do motor está intimamente ligada a aplicações específicas. Consequentemente, os padrões de eficiência do motor são normalmente discutidos em termos de perdas de energia reduzidas, em vez de valores de eficiência absolutos.
A IEC 60034-30-1 reconhece cinco classes de eficiência do motor, variando de IE1 a IE5. As perdas de energia diminuem em 20% entre classes sucessivas. Isso significa que um motor IE5 “Ultra Premium” apresenta perdas 20% menores do que um motor IE4 “Super Premium”. Fatores adicionais merecem consideração. Em certos cenários, motores de maior eficiência podem apresentar fator de potência (PF) reduzido.
Na América do Norte, as classificações de eficiência energética da NEMA são menos comuns, mas igualmente importantes. A NEMA reconhece o Fator de Serviço Motor (SF), que não está incluído nas normas IEC. Um motor NEMA com SF de 1,15 pode operar continuamente a 115% de sua capacidade nominal, embora isso resulte em temperaturas operacionais mais altas do motor, levando à redução da vida útil do rolamento e do isolamento.
A IEC identifica dez tipos de operação ou fatores de serviço (S1 a S10) com base em considerações como operação contínua versus operação intermitente, variação de velocidade e uso de freio, em vez de SF.
NEMA e IEC diferem em suas faixas de tensão e frequência, mas ambas são expressas em quantidades “por unidade” (pu). No sistema pu, as quantidades são representadas como frações de um valor base. NEMA identifica uma série de tensões e frequências do motor. A IEC identifica duas “zonas” (Figura 2).
Figura 2: Comparação das faixas de tensão e frequência CA industriais NEMA e IEC. (Fonte da imagem: NEMA)
Melhorando a eficiência do PDS
Os acionamentos do motor são componentes essenciais para a eficiência do PDS, conforme definido na IEC 61800-9-2. Eles podem ser categorizados de várias maneiras, como tensão do motor, nível de potência, tipo de movimento, aplicações suportadas e muito mais. Os tipos de movimento podem ser classificados como contínuos ou descontínuos. Com base na potência máxima necessária, eles podem ser divididos em categorias de baixo-desempenho, médio desempenho e alto desempenho.
Diferentes tipos de unidades suportam requisitos de sistema distintos. Servo drives e motores são adequados-para aplicações como robótica que exigem rápida aceleração, desaceleração e posicionamento preciso. Os soft starters são ideais para operação contínua, como transportadores que beneficiam de partidas e paradas suaves. Os VFDs são amplamente utilizados em diversas máquinas industriais.
Certas linhas de produtos VFD são otimizadas para operações como bombeamento, ventilação, compressão, aplicações móveis ou usinagem. Os inversores de uso geral da série Siemens SINAMICS G120-são classificados de 0,55 a 250 kW (0,75 a 400 HP) e são adequados para aplicações industriais gerais nos setores automotivo, têxtil e de embalagens.
O modelo [6SL32203YE340UF0] opera com alimentação trifásica-com uma faixa de tensão de entrada de 380 a 480 Vca ±10% / -20%. Na Europa, os motores de 22 a 30 kW são especificados para operação em 400 V, enquanto na América do Norte, os motores de 30 a 40 HP são especificados para operação em 480 V (Figura 3).
Figura 3: Este VFD pode ser usado com motores de 22 a 30 kW, dependendo da tensão de operação. (Fonte da imagem: DigiKey)
Os VFDs não são a única chave para um projeto eficiente de PDS. O artigo "[Quais produtos de suporte são necessários para maximizar o impacto do uso de VFDs e VSDs? - Parte 1]" analisa alguns componentes de suporte essenciais.
Comunicação e Otimização do Sistema
Embora os motores e acionamentos residam no primeiro nível ou no nível de campo do chão de fábrica, eles não são a camada mais baixa na hierarquia de comunicação da Indústria 4.0. Esta posição pertence às funções do Nível 0, como sensores e atuadores. Além disso, existem vários níveis acima do nível do campo. Para maximizar a eficiência geral, a produtividade e a sustentabilidade de uma planta da Indústria 4.0, é essencial uma comunicação oportuna e eficiente da hierarquia de comunicação para a nuvem. Os seguintes protocolos facilitam a conectividade na nuvem:
- O uOPC PubSub Bridge integra vários fluxos de dados de tecnologia operacional (OT).
- O MOTT Broker recebe mensagens e as encaminha aos usuários com base nos tópicos das mensagens.
O nível 1 abrange mais do que apenas inversores e motores. Unidades Mestres Fieldbus (FMUs) facilitam a comunicação e simplificam a integração de drives e outros dispositivos. As FMUs suportam vários protocolos, incluindo PROFINET, PROFIBUS, DeviceNet, CANopen e muito mais. O uso de FMUs permite conectividade-independente do fabricante.
O modelo [AFP7NPFNM] da Panasonic é um PROFINET FMU. Possui uma biblioteca de funções integrada com software de programação, reduzindo significativamente o tempo de desenvolvimento para soluções de aplicações específicas.
Sensores, atuadores e nível de segurança 0
Para maximizar a economia de energia PDS em VFDs, a conectividade deve ser reduzida ao Nível 0. A integração de sensores, atuadores e dispositivos de segurança como cortinas de luz no Nível 0 aumenta significativamente a eficiência, alcançando economias de energia superiores a 30%.
Os protocolos comuns para conectar funções de nível 0 incluem DeviceNet, HART, Modbus e IO{1}}Link. IO-Link é um protocolo-a{5}}ponto que conecta sensores e atuadores a controladores-de nível superior. Disponível nos padrões com e sem fio, ele é cada vez mais implantado na Indústria 4.0 como uma alternativa-de custo-benefício.
[NX{0}}ILM400] IO-da Omron As unidades mestres de link podem combinar E/S padrão com E/S síncrona de alta-velocidade. A E/S digital padrão oferece 16 conexões por unidade, com opções que incluem:
- Quatro sensores de 3 fios com fonte de alimentação
- Oito entradas de contato de 2 fios ou saídas de atuador
- Dezesseis conexões de 1 fio para sensores e atuadores conectados a uma fonte de alimentação comum
PDS Nível 2 e superior
A comunicação-de alto nível aprimora as operações de campo, mas é essencial para maximizar a eficiência e a produtividade organizacional. Do nível 2 aos níveis 3 e 4, a nuvem requer protocolos como Ethernet/IP, EtherCAT e Modbus TCP/IP.
Os dispositivos usados para estabelecer essas conexões incluem Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) ou Computadores Pessoais Industriais (IPCs). PLCs são computadores otimizados para automação e controle industrial. Em aplicações típicas, um PLC monitora as entradas das máquinas e dos sensores associados, toma decisões com base na sua programação e envia saídas de controle.
Embora os IPCs possam executar funções{{0}como as do PLC, eles são dispositivos de uso{{1}mais geral. Executando sistemas operacionais como Linux ou Windows, eles acessam uma gama mais ampla de ferramentas de software e normalmente se conectam a IHMs (embora muitos CLPs também se conectem a IHMs). Os PLCs tendem a ser centrados-na máquina, enquanto os IPCs oferecem mais recursos operacionais.
A distinção entre PLCs e IPCs está cada vez mais confusa. Por exemplo, o CLP [1069208] da Phoenix Contact executa o sistema operacional Linux. Assim como os CLPs tradicionais, ele pode ser programado usando Fluxograma Simbólico (SFC), Diagrama Ladder (LD), Diagrama de Blocos Funcionais (FBD) e Texto Estruturado (ST). Inclui três interfaces Ethernet independentes e pode se conectar ao PROFICLOUD.
A Schneider Electric oferece o [HMIBMIEA5DD1E01] IIoT Edge Box para aplicações que se beneficiam dos recursos IPC. Este design sem ventoinha incorpora um processador Intel Atom Apollo Lake E3930 dual-core operando a 1,8 GHz. Possui um slot de expansão mini PCIe e nove portas de comunicação.
Conclusão
Este artigo descreve brevemente algumas diretrizes que os projetistas devem considerar ao especificar motores, inversores e módulos de comunicação para instalações da Indústria 4.0. Está longe de ser exaustivo. Seu objetivo é fornecer alimento para reflexão e alguns recursos para pesquisas futuras.