作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-08-14

快速設計和部署可直接集成到工業物聯網 (IIoT) 的機器并非易事。IIoT 就緒型機器必須能為機器對機器、機器對工廠和機器對云的通信和協調提供快速調試支持。

這就需要一種全面的解決方案。此解決方案要包括一整套控制、接口和通信模塊。可擴展性必不可少。還應支持簡便安裝，以實現快速部署。最后一點，其必須能夠輕松集成到多供應商環境中，為舊式設備提供支持。

這么做的回報是，在企業組織所有層級以及機器的整個生命周期內提高運營效率。

本文將回顧 [Schneider Electric] 的電機控制方案如何為設計人員提供端到端的自動化解決方案，并介紹 Altistart 軟起動器、Altivar 驅動器、Modicon 以太網交換機和可編程邏輯控制器 (PLC)、Harmony 控制繼電器和 PowerPacT 電路斷路器的特性和優勢。

隨后詳細說明為了支持舊式機器，TeSys island 系統元件如何支持全面的解決方案，并與 Rockwell Studio 5000 和 Siemens TIA Portal 環境輕松集成。最后探討了 Schneider Electric 的 EcoStruxure Machine Expert 軟件如何加快 IIoT 就緒型機器的開發、配置和調試。

運動是工業機器的基本特征。其實現方式多種多樣，從泵、傳送帶和起重機等系統中的簡單運動曲線，到流程和裝配操作以及機器人技術中的復雜運動曲線。

具有簡單運動曲線的機器可受益于 Altistart 軟起動器系列等軟起動器的功能。Altistart 軟起動器支持以下功能：

• 控制加速度，可減少機械沖擊，而機械沖擊會增加磨損，導致維護需求和機器停機時間增加
• 限制浪涌電流，減少能耗
• 保護電機免受啟動時可能發生的電涌影響，延長電機壽命
• 通過檢測電機堵轉、欠載或接地錯誤等故障并向機器操作員發出警報來提高可靠性

不需要大起動轉矩的基礎型機器可以使用 ATS01 系列軟起動器。激活 BOOST 邏輯輸入，就可以施加相當于 100% 電機標稱電壓的升壓并持續 200 ms，以克服系統內的初始機械摩擦。此升壓過后，即開始程序設定的電壓升壓。

[ATS01N232RT]型軟起動器可用于功率高達 15 kW (20 HP) 的三相異步電機的軟起動和停止，加速和減速時間為 1 到 10 秒。該啟動器針對簡單的皮帶驅動應用進行了優化，例如工作電壓為 440 VAC 至 480 VAC 的泵、壓縮機和風扇。控制裝置位于前面板上，可設置起動時間、初始電壓和停止時間，以便于安裝和調試。

對于攪拌機、破碎機和輸送機等要求更高的過程和基礎設施機器，設計人員可以采用 Altivar ATS480 系列軟起動器。雖然較簡單的軟啟動器采用電壓斜坡，但 ATS480 軟啟動器則使用較緩和的轉矩斜坡，并可實現制動功能。

[ATS480C11Y] 型軟起動器的工作電壓為 208 VAC 至 690 V AC （圖 1）。根據電機電壓的不同，可用于 22 至 90 kW（25 至 100 hp）的電機。該起動器配備 Modbus 串行通信端口及 RJ45 連接器。可選配 Profibus、PROFINET、Modbus TCP/EtherNet/IP 和 CANopen 通信卡。

圖 1：這款 Altivar 軟起動器設計用于 22 至 90 kW 的異步電機。（圖片來源：DigiKey）

驅動更先進的機器

先進機器中的復雜運動曲線可以使用變頻驅動器 (VFD) 來支持，例如 [Altivar 320]系列，額定功率從 0.18 到 15 kW（0.25 至 20 hp），適用于物料搬運、包裝、紡織、起重、機械致動器和材料加工等應用。[ATV320U75M3C]的額定功率為 7.5 kW，工作電源電壓為 200 VAC 至 240 V AC 。

為了加快配置和調試，這些驅動器提供 150 種功能，并提供標準配置和可定制配置。其中包括針對物料搬運、紡織、起重和機械致動器等應用的專用功能。

Altivar 320 VFD 可為異步電機和永磁電機提供高性能控制，包括極低轉速下的轉矩和轉速精度，以及無需傳感器即可通過磁通矢量控制實現動態運動。用于三相同步和異步電機時，這些 VFD 具備以下特性：

• 支持高速電機
• 實現開環同步電機的靜態速度精度
• 靈活的系統集成選項，包括以太網、CANopen、Profibus、EtherCAT、DeviceNet 等
• 符合功能安全標準的集成安全功能
• 緊湊型和書本式驅動器等類型的驅動器防護等級從 IP20 到 IP66 不等，可集成到不同類型的機柜中（圖 2）

圖 2：Altivar 320 VFD 具有多種外形尺寸，可簡化安裝并最大限度提高設備機柜中的空間利用率。（圖片來源：DigiKey）

高性能多軸機器

Modicon 以太網交換機和可編程邏輯控制器 (PLC) 可支持高性能設計，從單一獨立軸機器到要求高速精確定位和運動的高性能同步多軸機器，如機器人。

這些 IIoT 原生邊緣控制器可使用消息隊列遙測傳輸 (MQTT)、開放平臺通信統一架構 (OPC UA) 服務器和客戶端以及傳輸層安全 (TLS) 加密技術直接連接到云平臺，并具有嵌入式安全和網絡安全功能。雙以太網端口可支持 Ethernet/IP 和 Modbus TCP 協議。此外，還配備了 RS232 和 RS485 端口、USB 端口和 SD 卡插槽。

TM262L 控制器可用于多種輸入/輸出裝置的邏輯控制，包括四個快速數字輸入和四個快速數字輸出。[TM262L10MESE8T]型控制器的執行速度為每條指令 5 ns。雙核處理器可有效管理并行應用和通信（圖 3）。

圖 3：Modicon M262 PLC 提供 IIoT 就緒型機器對云以及機器對工廠的以太網連接。（圖片來源：DigiKey）

Modicon M262 系列的 TM4 總線最多支持 3 個通信擴展模塊。Profibus DP ([TM4PDPS1]) 和以太網 ([TM4ES4]) 擴展模塊可以多種組合方式使用，最多可使用三個模塊。

防范異常

有時，必須保護機器（包括 IIoT 就緒型機器），使其免受異常條件的影響。這正是 [Harmony 控制繼電器]的用武之處。這些器件們可以監控電氣和機械狀況，并識別與電流、電壓、相位、頻率、速度、溫度、泵控制，甚至液位有關的異常。

在泵送、水處理、升降機、包裝系統和紡織機械等應用中，快速準確地識別異常條件可以延長正常運行時間，減少計劃外維護的需求。Harmony 控制繼電器提供廣泛的功能，可滿足特定應用需求。

[RMNF22TB30] 型三相繼電器集成了近場通信 (NFC) 功能。其可監控七個參數：缺相、相序、不對稱、欠壓、過壓、欠頻和過頻。利用 NFC 應用程序，設計人員可以使用 AND、OR 和 NOT 邏輯為兩個可單獨配置的繼電器輸出構建自定義監控組合。

對于只需要過壓監控的簡單機器，設計人員可以使用 [RM22UA21MR]（圖 4）。這款單相控制繼電器具有可選的記憶功能，內置 LED 指示燈可顯示控制狀態。螺旋微調器可實現簡單精確的閾值設置，并提供自動關機管理和故障信息，支持快速故障識別和排除。

圖 4：開關容量為 2 kVA 的單相過壓控制繼電器。（圖片來源：DigiKey）

基本保護

若應用可從更基本的保護受益，則可以選擇采用額定電流為 15 至 125 A 的 PowerPacT 斷路器，其中有單極、雙極、三極和四極可供選擇。這些熱磁斷路器具有正極觸點指示，并能提供符合 IEC/EN60947-1 和 IEC/EN60947-2“低壓開關設備和控制裝置”標準的隔離。

[BDF16020]型為 20 A 單極裝置，額定工作電壓為 240 VAC 50/60 Hz，符合 UL 489 標準。其連續額定電流為最大額定電流的 80%，根據 IEC 60947-2 標準，達到“服務分斷”等級（圖 5）。VisiTrip LED 讀出器可讓您更容易地看到外殼或面板中哪個斷路器跳閘。其還有一個二維碼，可用于獲取信息，包括說明手冊、部件號和 CAD 圖紙。

圖 5：這類斷路器提供正極觸點指示，符合 IEC/EN60947 規定的隔離要求。（圖片來源：DigiKey）

集成現場總線節點

TeSys 是一種數字 IIoT 連接負載管理解決方案，可在現場總線網絡中充當一個集成節點，其中包括實施 IIoT 就緒型機器所需的模塊。此解決方案依托多功能器件和虛擬用戶，適用于負載高達 80 A 的工業應用，可縮短設計、布線和調試時間。

像 [TPRBCEIP]之類的總線耦合器是核心模塊，通過帶狀電纜與 TeSys island 模塊進行內部通信。該模塊也是 TeSys island 與使用 EtherNet/IP 或 Modbus TCP 通信的外部自動化系統之間的連接點。一個嵌入式 Web 服務器提供診斷和維護支持。其中包括一個以太網 RJ45 服務端口、微型 SD 卡端口和一個用于連接 island 內各個模塊的內部總線端口。典型配置包括（圖 6）：

1. 總線耦合器
2. 模擬輸入/輸出模塊
3. 數字輸入/輸出模塊
4. 電壓接口模塊
5. 標準起動器
6. 安全完整性等級 (SIL) 起動器
7. SIL 接口模塊
8. 電源接口模塊

圖 6：TeSys island 中的組合單元在現場總線網絡中充當單一節點。（圖片來源：Schneider Electric）

典型的 TeSys island 模塊包括：

• [LC1DT406BL]40 A、四極常開 TeSys Deca 接觸器，符合 IEC60335-1 標準，適用于工業和 HVAC 系統
• [LC1G115EHEN] 150 A（440 VAC 時功率 75 kW）、三極常開 TeSys Giga 接觸器，設計用于要求苛刻的應用場合，工作頻率高達 600 次/小時，工作溫度高達 +60°C
• [TPRDG4X2] 數字 I/O 模塊，有四個數字輸入和兩個數字輸出，可管理高達 65 A（37 kW，40 hp）的電機和其他電氣負載。所有調節和設置均實現數字化，沒有機械式刻度盤或 DIP 開關
• [TeSys island 通信電機起動器]，額定功率高達 40 hp（480 V 下 80 A）。這些 SIL 起動器符合 IEC 61508、IEC 62061 和 ISO 13849-1 的要求，支持 PL d 和 SIL 2。

TeSys island 還支持綜合解決方案，并可與 Rockwell Studio 5000 和 Siemens TIA 門戶環境輕松集成，以支持舊式機器。

全部整合在一起

當需要制造完整的機器時，設計人員可以使用 EcoStruxure Machine Expert。該軟件解決方案支持 IIoT 就緒型機器的開發、配置、調試、運行和維護。

EcoStruxure Machine Expert 可以處理所有最新的 IIoT 機器構建模塊，包括 Modicon 的 M262 PLC 和 TeSys Island 數字負載管理系統。其旨在提供針對安全性、可靠性、效率、連接性和可持續性進行了優化的機器。該解決方案將 IIoT 與移動性、傳感、云平臺、分析和網絡安全解決方案相結合，來完成這項復雜的任務。

結語

IIoT 就緒型機器是工業 4.0 運營的一個重要環節。設計、調試和集成這些機器是一項復雜的任務。Schneider Electric 為機器設計人員提供了一整套適用于 IIoT 就緒型機器的器件和軟件工具，可在組織的各個層級和機器的整個生命周期內提高運營效率。

審核編輯 黃宇