Como projetar e implantar rapidamente máquinas prontas para IIoT

Projetar e implantar rapidamente máquinas prontas para integração na Internet das Coisas Industrial (IIoT) é um desafio. As máquinas habilitadas para IIoT devem oferecer suporte ao comissionamento rápido da comunicação e coordenação máquina a máquina, máquina a planta e máquina a nuvem.

Isso exige uma solução abrangente. Ela precisa incluir um conjunto completo de módulos de controle, interface e comunicação. A escalabilidade é imprescindível. Ela deve dar suporte a uma instalação simplificada para uma rápida implementação. Por fim, ela deve se integrar facilmente a um ambiente de vários fornecedores para oferecer suporte a equipamentos antigos.

A recompensa é uma maior eficiência operacional em todos os níveis da organização e durante todo o ciclo de vida das máquinas.

Este artigo analisa como as opções de controle de motor da Schneider Electric fornecem aos projetistas soluções de automação de ponta a ponta. Ele apresenta os recursos e benefícios das chaves de partida conhecidas como soft starter Altistart, inversores Altivar, switches de Ethernet Modicon e controladores lógicos programáveis (CLPs)), relés de controle Harmony e disjuntores PowerPacT.

Em seguida, detalha como os elementos do sistema TeSys island oferecem suporte a soluções abrangentes e se integram facilmente aos ambientes Rockwell Studio 5000 e Siemens TIA Portal para oferecer suporte a máquinas antigas e, por fim, analisa como o software EcoStruxure Machine Expert da Schneider Electric agiliza o desenvolvimento, a configuração e o comissionamento de máquinas prontas para IIoT.

O movimento é uma característica básica das máquinas industriais. Ele é implementado de várias maneiras, desde perfis de movimento simples em sistemas como bombas, esteiras e guindastes até perfis de movimento complexos em operações de processo e montagem e robótica.

Máquinas com perfis de movimento simples podem se beneficiar dos recursos encontrados em soft starters como a família de soft starters Altistart. Os soft starters da Altistart são compatíveis com o seguinte:

• Aceleração controlada que reduz os choques mecânicos que podem aumentar o desgaste e levar a uma maior necessidade de manutenção e paralisação da máquina
• Limitação das correntes de irrupção para reduzir o uso de energia
• Proteção de motores contra picos de energia que podem ocorrer durante a partida, aumentando a vida útil do motor
• Maior confiabilidade por meio da detecção de falhas, como motor bloqueado, subcarga ou aterramento incorreto, e do envio de um alerta aos operadores da máquina

As máquinas básicas que não precisam de alto torque de partida podem recorrer aos soft starters da série ATS01. A ativação da entrada lógica BOOST permite a aplicação de um reforço de tensão igual a 100% da tensão nominal do motor por 200 milissegundos (ms) para superar o atrito mecânico inicial no sistema. A rampa ascendente programada da tensão começa após o reforço.

O modelo ATS01N232RT destina-se à partida e parada suaves de motores assíncronos trifásicos de até 15 quilowatts (kW) (20 hp) com tempos de aceleração e desaceleração de 1 a 10 segundos. Ele é otimizado para aplicações simples acionadas por correia, como bombas, compressores e ventoinhas que operam de 440 V_CA a 480 V_CA. Os controles estão no painel frontal para definir o horário de partida, a tensão inicial e o horário de parada para instalação e comissionamento.

Os projetistas de máquinas de processo e infraestrutura mais exigentes, como misturadores, trituradores e esteiras, podem recorrer à série ATS480 de soft starters da Altivar. Enquanto os soft starters mais simples empregam rampas de tensão, os soft starters ATS480 usam uma rampa de torque mais suave e podem implementar uma função de frenagem.

O modelo ATS480C11Y opera com tensões de 208 V_CA a 690 V_CA (Figura 1). Dependendo da tensão do motor, ele pode ser usado com motores de 22 a 90 kW (25 a 100 hp). Possui uma porta de comunicação serial Modbus com um conector RJ45. Estão disponíveis placas de comunicação opcionais para Profibus, PROFINET, Modbus TCP/EtherNet/IP e CANopen.

Figura 1: Esse soft starter da Altivar foi projetado para uso com motores assíncronos de 22 a 90 kW. (Fonte da imagem: DigiKey)

Acionamento de máquinas mais avançadas

Perfis de movimento complexos em máquinas avançadas podem ser suportados com o uso de inversores de frequência variável (VFDs) como a família Altivar 320, com unidades dimensionadas de 0,18 a 15 kW (0,25 a 20 hp) para aplicações como manuseio de materiais, embalagens, têxteis, içamento, atuadores mecânicos e trabalho com materiais. O ATV320U75M3C é dimensionado para 7,5 kW e opera com uma tensão de alimentação de 200 V_CA a 240 V_CA.

Para acelerar a configuração e o comissionamento, esses inversores apresentam 150 funções e configurações padrão e personalizáveis. Há funções dedicadas para aplicações como manuseio de materiais, têxteis, içamento e atuadores mecânicos.

Os VFDs Altivar 320 podem fornecer controle de alto desempenho de motores assíncronos e de ímã permanente, incluindo precisão de torque e velocidade em velocidades muito baixas e movimento dinâmico com controle vetorial de fluxo sem um sensor. Quando usados com motores trifásicos síncronos e assíncronos, esses VFDs apresentam:

• Suporte a motores de alta velocidade
• Precisão de velocidade em regime permanente para motores síncronos de malha aberta
• Opções flexíveis de integração de sistemas, incluindo Ethernet, CANopen, Profibus, EtherCAT, DeviceNet e muito mais
• Funções de segurança integradas que atendem aos padrões de segurança funcional
• Formatos como inversores compactos e de bloco fino com graus de proteção de IP20 a IP66 permitem a integração em diferentes tipos de gabinetes (Figura 2)

Figura 2: Os VFDs Altivar 320 estão disponíveis em vários formatos para simplificar a instalação e maximizar a utilização do espaço em gabinetes de equipamentos. (Fonte da imagem: DigiKey)

Máquinas multieixos de alto desempenho

Os switches de Ethernet Modicon e os controladores lógicos programáveis (CLPs) podem aceitar projetos de alto desempenho, desde um único eixo independente até máquinas de vários eixos sincronizadas de alto desempenho que exigem posicionamento e movimentos precisos e de alta velocidade, como a robótica.

Esses controladores de borda nativos da IIoT podem se conectar diretamente à nuvem usando o MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), o servidor e o cliente OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) e a criptografia TLS (Transport Layer Security), além de terem funções incorporadas de segurança e cibersegurança. A porta Ethernet dupla pode trabalhar com os protocolos Ethernet/IP e Modbus TCP. Há também portas RS232 e RS485, uma porta USB e um slot para cartão SD.

Os controladores TM262L destinam-se ao controle lógico de vários arranjos de entrada/saída, incluindo quatro entradas digitais rápidas e quatro saídas digitais rápidas. O modelo TM262L10MESE8T tem uma velocidade de execução de 5 nanossegundos (ns) por instrução. O processador de dois núcleos gerencia com eficiência as aplicações paralelas e a comunicação (Figura 3).

Figura 3: Este CLP Modicon M262 fornece conectividade Ethernet de máquina-para-nuvem e de máquina-para-planta pronta para IIoT. (Fonte da imagem: DigiKey)

O barramento TM4 da família Modicon M262 suporta até 3 módulos de expansão de comunicação. Os módulos de expansão Profibus DP (TM4PDPS1) e Ethernet (TM4ES4) podem ser usados em várias combinações até um máximo de três módulos.

Eliminação de anormalidades

Às vezes, as máquinas, inclusive as prontas para IIoT, precisam ser protegidas de condições anormais. É aí que entram os Relés de Controle Harmony. Eles podem monitorar as condições elétricas e mecânicas e identificar anormalidades relacionadas à corrente, tensão, fase, frequência, velocidade, temperatura, ao controle de bomba e até mesmo o nível do líquido.

A identificação rápida e precisa de anormalidades pode aumentar o tempo de operação e reduzir a necessidade de manutenção não programada em aplicações como bombeamento, processamento de água, guinchos e elevadores, sistemas de embalagem e máquinas têxteis. Os Relés de Controle Harmony estão disponíveis com uma ampla gama de funções para atender às necessidades específicas das aplicações.

O modelo RMNF22TB30 é um relé trifásico com comunicações de campo próximo (NFC) integradas. Ele pode monitorar sete parâmetros: perda de fase, sequência de fases, assimetria, subtensão, sobretensão, subfrequência e sobrefrequência. Usando o aplicativo NFC, os projetistas podem usar a lógica AND, OR e NOT para formar combinações personalizadas de monitoramento para as duas saídas de relé configuráveis individualmente.

Para máquinas mais simples que precisam apenas de monitoramento de sobretensão, os projetistas podem usar o RM22UA21MR (Figura 4). Esse relé de controle monofásico inclui uma função de memória selecionável e um LED integral que indica o status do controle. Os trimpots com cabeça de parafuso permitem configurações simples e precisas do limiar, além de fornecer gerenciamento automático do desligamento e informações sobre falhas para identificação rápida de falhas e solução de problemas.

Figura 4: Relé de controle de sobretensão monofásico com capacidade de comutação de 2 kVA. (Fonte da imagem: DigiKey)

Proteção básica

As aplicações que podem se beneficiar de uma proteção mais básica podem recorrer aos disjuntores PowerPacT dimensionados desde 15 a 125 A e disponíveis com um, dois, três e quatro polos. Esses disjuntores termomagnéticos têm indicação de contato positivo e proporcionam isolação em conformidade com as normas IEC/EN60947-1 e IEC/EN60947-2 para "dispositivos de manobra e comandos de baixa tensão".

O modelo BDF16020 é uma unidade unipolar de 20 A com uma tensão operacional nominal de 240 V_CA 50/60 Hz, de acordo com a UL 489. Sua corrente contínua nominal é de 80% do dimensionamento máximo e é avaliada como "interrupção de serviço" de acordo com a norma IEC 60947-2 (Figura 5). A leitura de LED do VisiTrip facilita a visualização de qual disjuntor disparou no gabinete ou no painel. Também tem um código QR para acessar informações, incluindo o manual de instruções, números de peças e desenhos CAD.

Figura 5: Disjuntores como esse oferecem indicação de contato positivo e atendem aos requisitos de isolação da norma IEC/EN60947. (Fonte da imagem: DigiKey)

Nós integrados de barramento de campo

O TeSys é uma solução digitalizada de gerenciamento de carga conectada à IIoT que atua como um nó integrado em uma rede Fieldbus e inclui os módulos necessários para implementar uma máquina pronta para a IIoT. Ele se baseia em dispositivos multifuncionais e avatares para aplicações industriais com cargas de até 80 amperes e pode agilizar os prazos de projeto, fiação e comissionamento.

Um acoplador de barramento como o TPRBCEIP é o módulo central que fornece comunicação interna com os módulos de TeSys island por meio de cabos de fita. É também o ponto de conexão entre um TeSys island e um sistema de automação externo que usa comunicação EtherNet/IP ou Modbus TCP. Um servidor da Web incorporado oferece suporte a diagnósticos e manutenção. Ele inclui uma porta de serviço RJ45 sobre Ethernet, uma porta para cartão micro SD e uma porta para o barramento interno que interconecta os módulos da ilha. Uma configuração típica inclui (Figura 6):

1. Acoplador de barramento
2. Módulo de entrada/saída analógica
3. Módulo de entrada/saída digital
4. Módulo de interface de tensão
5. Partidas padrão
6. Partida do nível de integridade de segurança (SIL)
7. Módulo de interface SIL
8. Módulo de interface de energia

Figura 6: As unidades combinadas na TeSys island atuam como um único nó em uma rede Fieldbus. (Fonte da imagem: Schneider Electric)

Alguns exemplos de módulos de TeSys island incluem:

• LC1DT406BL, contator TeSys Deca de 40 A, 4 polos, normalmente aberto, com conformidade IEC60335-1 para sistemas industriais e HVAC
• LC1G115EHEN, contator TeSys Giga de 150 A (75 kW a 440 V_CA), 3 polos, normalmente aberto, projetado para uso em aplicações exigentes com taxas de operação de até 600 ciclos por hora e temperatura de operação de até +60°C
• TPRDG4X2, módulo de E/S digital com quatro entradas digitais e duas saídas digitais que pode gerenciar motores e outras cargas elétricas de até 65 A (37 kW, 40 hp). Todos os ajustes e configurações são digitalizados, e não há mostradores mecânicos ou chaves dip
• Partidas de motor com comunicação TeSys Island dimensionadas até 40 hp (80 A a 480 V). Essas partidas SIL atendem aos requisitos das normas IEC 61508, IEC 62061 e ISO 13849-1 e suportam PL d e SIL 2

O TeSys island também oferece suporte a soluções abrangentes e se integra facilmente aos ambientes Rockwell Studio 5000 e Siemens TIA Portal para dar suporte a máquinas antigas.

Juntando tudo

Quando chega a hora de construir a máquina completa, os projetistas podem recorrer ao EcoStruxure Machine Expert. Essa solução de software oferece suporte ao desenvolvimento, à configuração, ao comissionamento, à operação e à manutenção de máquinas prontas para a IIoT.

O EcoStruxure Machine Expert pode lidar com todos os mais recentes blocos de construção de máquinas IIoT, incluindo CLPs Modicon M262 e o sistema de gerenciamento de carga digital TeSys Island. Ele foi projetado para fornecer máquinas otimizadas para segurança, confiabilidade, eficiência, conectividade e sustentabilidade. Ele aproveita a IIoT com soluções de mobilidade, sensoriamento, nuvem, análise e segurança cibernética para realizar essa tarefa complexa.

Conclusão

As máquinas habilitadas para IIoT são um aspecto importante das operações da Indústria 4.0. O projeto, o comissionamento e a integração dessas máquinas são tarefas complexas. A Schneider Electric fornece aos projetistas de máquinas um conjunto abrangente de dispositivos e ferramentas de software para máquinas habilitadas para IIoT que proporcionam maior eficiência operacional em todos os níveis da organização e durante todo o ciclo de vida das máquinas.