モーター、ドライブ、通信モジュールなどの最適な産業用オートメーション機器を選択するには、細部にまで細心の注意を払う必要があります。たとえば、北米電気製造業者協会 (NEMA) と欧州国際電気標準会議 (IEC) では、モーターとドライブの定格に多くの違いがあります。
モーター、ドライブ、コントローラーを選択する際に考慮すべき要素には、入出力電圧と許容誤差、必要な速度範囲と調整のニーズ、トルク要件、加速度、制動デューティ サイクル、高速応答やトルク応答などの特別な要求、熱管理などの環境要因が含まれます。
通信要件は、産業用制御階層内のデバイスの位置によって異なります。工場の作業現場のエッジに最も近いレイヤーでは、IO- Link などのプロトコルをスマート センサーやアクチュエーターに使用でき、EtherCAT、PROFINET、Modbus、その他のプロトコルはモーション、セーフティ、I/O、ビジョン システムを接続します。
ファクトリー オートメーション ネットワークの最上位レイヤは通常、イーサネット/IP を使用して、ヒューマン マシン インターフェース（HMI）用の DisplayPort などのプロトコルとともに、さまざまなオートメーション コントローラ、プログラミング インターフェース、クラウドを接続します。{0}これらの層の間では、Ethernet/IP、EtherCAT、およびその他のプロトコルの組み合わせにより、製造現場の現場レベルが操作層および制御層に接続されます。
詳細が多すぎるため、1 回の説明で包括的に説明することはできません。代わりに、この記事では、[Siemens]、[Phoenix Contact]、[Omron Automation]、Panasonic [Industrial]、および [Schneider Electric] のアプリケーション、ハードウェア、およびプロトコルの例とともに、モーター、ドライブ、通信モジュールを指定する際に考慮すべきいくつかのガイドラインを紹介します。
焦点の移り変わり
モーターとドライブは、多くの産業オートメーション システムに共通の要素です。この議論の出発点として、産業オートメーション システムのパフォーマンスに関するより広範な考慮事項の中でモーター効率がどこに当てはまるのか、また焦点がどのように移ってきたのかを理解することが役立ちます。
より効率的なモーターを使用すると、エネルギーを最大 6% 節約できます。それは良い。ただし、高効率のドライブとサポート コンポーネントを追加すると、エネルギーを最大 30% 節約できます。-
システム全体の最適化に焦点が移ると、真の変革者が現れます。{0}すべての機械コンポーネントを考慮し、通信を追加して産業用モノのインターネット (IIoT) と統合することで、-運用レベルからプラント レベルにまで広がり、最終的にはエンタープライズ レベルやクラウド レベルに到達します-。エネルギー消費量を最大 60% 節約し、エネルギー生産性を高めることができます (図 1)。
図 1: 統合と通信のレベルが強化されると、より多くのエネルギーが節約され、生産性が向上します。 (画像出典: シーメンス)モーター システムのエコ-設計
IEC 61800-9 パート 2、「モーター システムのエコ-設計- エネルギー効率の決定と分類」は、重要なリソースとして役立ちます。モーターの効率のみに焦点を当てているのではなく、「モーター駆動システム」の一連のより高いレベルの性能要素について詳しく説明しています。 VFD は、AC 入力「フィード セクション」、VFD 自体のような「基本ドライブ モジュール」(BDM)、および入出力フィルタ、ライン チョーク、その他のサポート コンポーネントを含む「補助機器」で構成される完全なドライブ モジュール (CDM) とみなされます。
この規格ではさらに、パワー ドライブ システム (PDS) を CDM とモーターの組み合わせとして定義しています。続いて、PDS にコンタクタなどのモータ制御機器を加えたモータ システムについて説明します。
最上位レベルは拡張製品、つまり図 1 のシステム全体で、ギアボックスや負荷機械などの機械駆動装置が追加されます。 IEC 61800-9-2 PDS 効率規格の詳細については、「[可変速度産業用モータ ドライブのさまざまなタイプとは]」の記事を参照してください。
「モータ駆動システム」を指定する出発点はモータそのものです。
モーターに関する考慮事項
適切に指定して使用すると、モーターは高効率の機械になります。このため、機械設計者にとってモーターの選択は重要な作業となります。
IEC はモーター出力をキロワット (kW) で定量化しますが、NEMA は馬力 (hp) を使用するため、直接の等価性が簡単になります。ただし、IEC と NEMA では異なる効率計算が採用されています。同一のモーター設計の場合、IEC 銘板の効率は NEMA 定格をわずかに超える場合があります。
実際のモーター効率は特定の用途と密接に関係しています。したがって、モーターの効率基準は通常、絶対的な効率値ではなく、エネルギー損失の削減という観点から議論されます。
IEC 60034-30-1 は、IE1 から IE5 までの 5 つのモーター効率クラスを認識しています。エネルギー損失は、連続するクラス間で 20% 減少します。これは、IE5「ウルトラプレミアム」モーターは、IE4「スーパープレミアム」モーターよりも損失が 20% 低いことを意味します。追加の要因も考慮する必要があります。特定のシナリオでは、高効率モーターにより力率 (PF) が低下する場合があります。
北米では、NEMA のエネルギー効率評価はそれほど一般的ではありませんが、同様に重要です。 NEMA は、IEC 規格には含まれていないモーターサービスファクター (SF) を認めています。 SF が 1.15 の NEMA モーターは、定格容量の 115% で連続的に動作できますが、その結果、モーターの動作温度が高くなり、ベアリングと絶縁体の寿命が短くなります。
IEC は、SF ではなく、連続運転と断続運転、速度変化、ブレーキの使用などの考慮事項に基づいて、10 の運転タイプまたはサービス係数 (S1 から S10) を特定します。
NEMA と IEC は電圧範囲と周波数範囲が異なりますが、どちらも「単位当たり」(pu) の量で表されます。 pu システムでは、数量は基本値の分数として表されます。 NEMA は、一連のモーターの電圧と周波数を識別します。 IEC は 2 つの「ゾーン」を識別します (図 2)。
図 2: NEMA と IEC の産業用 AC 電圧および周波数範囲の比較。 (画像出典: NEMA)
PDS効率の向上
モーター ドライブは、IEC 61800-9-2 で定義されているように、PDS 効率にとって重要なコンポーネントです。これらは、モーター電圧、電力レベル、動作タイプ、サポートされているアプリケーションなど、さまざまな方法で分類できます。動きのタイプは連続または不連続に分類できます。必要な最大出力に基づいて、低パフォーマンス、中パフォーマンス、高性能のカテゴリにさらに分類できます。-
ドライブの種類が異なれば、異なるシステム要件がサポートされます。サーボ ドライブとモーターは、急速な加速、減速、正確な位置決めが必要なロボット工学などのアプリケーションに適しています。-ソフトスターターは、スムーズな始動と停止によるメリットが得られるコンベアなどの連続運転に最適です。 VFD はさまざまな産業機械で広く使用されています。
特定の VFD 製品ラインは、ポンピング、換気、圧縮、モバイル アプリケーション、機械加工などの操作に最適化されています。 Siemens SINAMICS G120 シリーズ汎用ドライブ-の定格は 0.55 ～ 250 kW (0.75 ～ 400 hp) で、自動車、繊維、包装業界の一般産業用途に適しています。
モデル [6SL32203YE340UF0] は、入力電圧範囲 380 ～ 480 Vac ±10% / -20% の三相電源で動作します。-。ヨーロッパでは、定格 22 ～ 30 kW のモーターは 400 V での動作が指定されていますが、北米では、定格 30 ～ 40 hp のモーターは 480 V での動作が指定されています (図 3)。
図 3: この VFD は、動作電圧に応じて定格 22 ～ 30 kW のモーターで使用できます。 (画像出典: DigiKey)
VFD だけが効率的な PDS 設計の鍵ではありません。記事「[VFD および VSD の使用の影響を最大化するにはどのようなサポート製品が必要ですか? - パート 1]」では、いくつかの重要なサポート コンポーネントについて説明します。
通信とシステムの最適化
モーターとドライブは工場フロアの第 1 レベルまたは現場レベルに存在しますが、インダストリー 4.0 通信階層の最下層ではありません。この位置は、センサーやアクチュエーターなどのレベル 0 機能に属します。さらに、フィールド レベルの上には複数のレベルが存在します。インダストリー 4.0 プラントの全体的な効率、生産性、持続可能性を最大化するには、通信階層からクラウドへのタイムリーかつ効率的な通信が不可欠です。次のプロトコルはクラウド接続を容易にします。
- uOPC PubSub Bridge は、複数のオペレーショナル テクノロジー (OT) データ ストリームを統合します。
- MOTT Broker はメッセージを受信し、メッセージ トピックに基づいてユーザーに転送します。
レベル 1 には、ドライブやモーターだけが含まれません。フィールドバス マスター ユニット (FMU) は通信を容易にし、ドライブやその他のデバイスの統合を簡素化します。 FMU は、PROFINET、PROFIBUS、DeviceNet、CANopen などのさまざまなプロトコルをサポートします。 FMU を使用すると、メーカーに依存しない接続が可能になります。{4}
パナソニックの [AFP7NPFNM] モデルは PROFINET FMU です。プログラミング ソフトウェアを備えた統合関数ライブラリが特徴で、特定のアプリケーション ソリューションの開発時間を大幅に短縮します。
センサー、アクチュエーター、安全性レベル 0
VFD の PDS エネルギー節約を最大化するには、接続をレベル 0 に下げる必要があります。レベル 0 でセンサー、アクチュエーター、ライト カーテンなどの安全デバイスを統合すると、効率が大幅に向上し、30% を超えるエネルギー節約が達成されます。
レベル 0 機能を接続するための一般的なプロトコルには、DeviceNet、HART、Modbus、IO-Link などがあります。 IO-リンクは、センサーとアクチュエーターを上位レベルのコントローラに接続するポイントツーポイント プロトコルです。-有線と無線の両方の標準として利用できるため、コスト効率の高い代替手段としてインダストリー 4.0 での導入が増えています。-
[オムロンの NX-ILM400] IO- リンク マスター ユニットは、標準 I/O と高速同期 I/O を組み合わせることができます。-標準デジタル I/O は、ユニットあたり 16 の接続を提供し、次のようなオプションがあります。
- 電源付き 4 つの 3 線式センサー
- 8つの2線式接点入力またはアクチュエータ出力
- 共通の電源に接続されたセンサーとアクチュエーター用の 16 個の 1 線式接続
PDS レベル 2 以上
高レベルのコミュニケーションは現場業務を強化しますが、組織の効率と生産性を最大化するためには不可欠です。レベル 2 からレベル 3 および 4 まで、クラウドには Ethernet/IP、EtherCAT、Modbus TCP/IP などのプロトコルが必要です。
これらの接続を確立するために使用されるデバイスには、プログラマブル ロジック コントローラー (PLC) や産業用パーソナル コンピューター (IPC) が含まれます。 PLC は、産業用オートメーションおよび制御用に最適化されたコンピューターです。一般的なアプリケーションでは、PLC は機械および関連するセンサーからの入力を監視し、プログラミングに基づいて決定を行い、制御出力を送信します。
IPC は PLC のような機能を実行できますが、-より汎用的なデバイスです。- Linux や Windows などのオペレーティング システムを実行すると、さまざまなソフトウェア ツールにアクセスし、通常は HMI に接続します (ただし、多くの PLC も HMI に接続します)。 PLC はマシン中心である傾向がありますが、IPC はより多くの運用機能を提供します。{4}}
PLC と IPC の区別はますます曖昧になってきています。たとえば、フエニックス・コンタクトの[1069208] PLCはLinuxオペレーティング・システムを実行します。従来の PLC と同様に、シンボリック フローチャート (SFC)、ラダー ダイアグラム (LD)、ファンクション ブロック ダイアグラム (FBD)、およびストラクチャード テキスト (ST) を使用してプログラムできます。 3 つの独立したイーサネット インターフェイスが含まれており、PROFICLOUD に接続できます。
シュナイダーエレクトリックは、IPC 機能の恩恵を受けるアプリケーション向けに [HMIBMIEA5DD1E01] IIoT エッジ ボックスを提供します。このファンレス設計には、1.8 GHz で動作するデュアルコア Intel Atom Apollo Lake E3930 プロセッサが組み込まれています。{4} 1 つの Mini PCIe 拡張スロットと 9 つの通信ポートを備えています。
結論
この記事では、インダストリー 4.0 の設置に向けてモーター、ドライブ、通信モジュールを指定する際に設計者が考慮すべきいくつかのガイドラインについて簡単に説明します。網羅的とは程遠いです。その目的は、思考の材料とさらなる研究のためのリソースを提供することです。