Como o comissionamento ágil e fácil de acionamentos de motores industriais pode aumentar a sustentabilidade e a produtividade

Os processos ágeis são uma marca registrada das fábricas e operações logísticas da Indústria 4.0. Há uma ampla gama de aplicações que requerem motores e acionamentos/inversores de velocidade variável (VSDs) de 0,12 quilowatt (kW) a 30 kW (0,16 cavalos de potência (hp) a 40 hp).

Os VSDs para essas aplicações devem ser fáceis de instalar e dimensionados para operação de -10°C a +60°C. Os acionamentos maiores devem incluir choppers de frenagem integrados, e algumas aplicações exigem conformidade com a categoria C1 de compatibilidade eletromagnética (EMC) da norma EN 61800-3. Os VSDs precisam ser fáceis de usar, operar em amplas faixas de tensão de rede e se adaptar automaticamente a tensões de rede instáveis para garantir uma operação ininterrupta.

Muitas aplicações automatizam sequências de movimentos simples e não exigem controladores lógicos programáveis, mas podem ser comissionadas usando macros pré-programadas ou dispositivos simples, como carregadores de parâmetros, painéis básicos de operação (BOPs) ou módulos de acesso inteligente.

Por fim, esses VSDs precisam ser econômicos para operar e incluir funções integradas de economia de energia, como a redução automática do fluxo sob condições operacionais predeterminadas, bem como a capacidade de monitorar e exibir o consumo de energia em tempo real.

Este artigo começa com uma visão geral da família SINAMICS V20 de VSDs da Siemens e os recursos que permitem que eles aumentem a sustentabilidade e a produtividade. Em seguida, ele se aprofunda em como macros e dispositivos pré-programados, como carregadores de parâmetros, BOPs ou módulos de acesso inteligente, podem dar suporte ao comissionamento ágil, à operação eficiente e à manutenção contínua.

Os inversores SINAMICS V20 podem ser operados imediatamente, sem nenhum módulo adicional ou controlador externo. O BOP integrado suporta o comissionamento no local. Além disso, uma interface serial universal pode ser usada para conexão com os controladores lógicos programáveis (CLPs) SIMATIC da Siemens para operações complexas. A interface Modbus pode se conectar com CLPs de terceiros e outros dispositivos.

Para unidades com potência nominal superior a 10 hp, um resistor de frenagem pode ser conectado diretamente ao chopper de frenagem, e alguns modelos estão em conformidade com a categoria EMC C1 da norma EN 61800-3. Os inversores SINAMICS V20 são especificados para operação de -10°C a +60°C e estão disponíveis com potências nominais de 0,12 kW a 30 kW. Os exemplos incluem (Figura 1):

• Modelo 6SL32105BB175UV1, dimensionado para 0,75 kW, opera com alimentação monofásica de 230 V_CA
• Modelo 6SL32105BB230UV1, dimensionado para 3 kW, opera também com alimentação monofásica de 230 V_CA
• Modelo 6SL32105BE322CV0, dimensionado para 22 kW, opera com alimentação monofásica de 400 V_CA

Figura 1: Exemplos de inversores SINAMICS V20, 0,75 kW (à esquerda) e 22 kW (à direita) (fora de escala). (Fonte da imagem: DigiKey)

Os modos de controle integrados nos inversores SINAMICS incluem volts escalares por Hertz (V/f), V/f multiponto programável, V²/f que adapta automaticamente o fluxo para economizar energia e controle da corrente de fluxo (FCC) que adapta automaticamente a saída do inversor à carga.

O modo de funcionamento contínuo se adapta automaticamente para compensar a energia instável da rede elétrica (Figura 2). Nesse modo, as flutuações da tensão da linha são compensadas internamente, a velocidade do motor é reduzida automaticamente para evitar um desligamento não programado e uma mensagem de erro é enviada, se necessário. Isso pode ser especialmente útil em aplicações de automação predial, como bombas e ventiladores em plantas de processamento de água ou esgoto e sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC).

Figura 2: O modo de funcionamento contínuo do SINAMICS V20 permite a operação contínua do motor, mesmo em caso de distúrbios na rede elétrica. (Fonte da imagem: Siemens)

Maximização da eficiência

Dependendo da aplicação, a eficiência pode ser aumentada com o ajuste da velocidade do motor para se adequar ao processo atual. Por exemplo, no caso de turbomáquinas como bombas, a operação em velocidade variável pode economizar até 60% da energia em comparação com a operação em velocidade constante.

Os inversores SINAMICS V20 têm um modo de controle otimizado de energia (ECO) integrado para aumentar a eficiência. No modo ECO, o fluxo do motor é automaticamente adaptado ao ponto de operação ideal.

Esses inversores podem ser configurados para o modo de hibernação, que desliga o motor enquanto mantém o estado atual do inversor. O modo de hibernação reduz substancialmente o consumo de energia e mantém o inversor em um estado de prontidão para ser reiniciado imediatamente, conforme necessário.

O uso das funções integradas de cascata e balanceamento de energia abaixo pode aumentar ainda mais a eficiência energética:

O arranjo em cascata pode ser usado em aplicações de bombas, ventiladores e compressores de alto rendimento que usam vários motores. A conexão e a desconexão de fases usando cascatas de potência, parcial ou totalmente controladas, podem aumentar a eficiência geral do sistema sem perda de desempenho.

O balanceamento de energia usando acionamentos acoplados permite que a energia seja trocada por meio do filtro CC comum. Essa troca direta de energia entre os inversores pode minimizar as perdas gerais de energia do sistema e melhorar a eficiência.

O BOP nos inversores SINAMICS pode exibir o consumo de energia em tempo real. Um contador de economia de energia pode calcular o consumo de energia durante a operação da máquina em comparação com a operação em velocidade constante, permitindo que os operadores façam o ajuste fino dos processos e aumentem ainda mais a economia e a sustentabilidade.

Elevando a sustentabilidade

A Siemens publicou a Declaração Ambiental de Produto (EPD) do SINAMICS V20, incluindo uma avaliação do impacto do ciclo de vida (LCIA) com base na Organização Internacional de Normalização (ISO) 14021, rótulos e declarações ambientais - Alegações ambientais autodeclaradas - Rotulagem ambiental tipo II.

Essa LCIA foi baseada no modelo 6SL3210-5BE21-5UV0, dimensionado para 1,5 kW e alimentação trifásica de 380 V_CA a 480 V_CA. Ela considera os impactos da fabricação, distribuição, operação, descomissionamento no fim da vida útil, descarte e reciclagem dos inversores SINAMICS V20. O impacto mais significativo é causado pela operação durante os 15 anos de vida útil estimada dos inversores. A análise foi baseada em 5.000 horas de operação por ano e três pontos de operação (OP):

• OP1: 20% do tempo a 100% de velocidade e 100% de torque
• OP2: 70% do tempo a 50% da velocidade e 25% do torque
• OP3: 10% do tempo a 20% da velocidade e 25% do torque

Estima-se que a operação do inversor produziu 1.059,13 kg de CO₂ equivalente ao longo de 15 anos, enquanto a fabricação produziu apenas 40,6 kg de CO₂ equivalente, e o descomissionamento, o descarte e a reciclagem foram creditados por recapturar algumas emissões de gases de efeito estufa equivalentes a -3,6 kg de CO₂ equivalente.

Nas operações da Indústria 4.0, o comissionamento rápido e flexível pode ser um aspecto importante para maximizar a economia de energia e a sustentabilidade. Os usuários têm várias opções para acelerar o comissionamento dos inversores SINAMICS V20 para dar suporte a trocas rápidas.

Comissionamento ágil com macros

A função de comissionamento rápido altera quatro conjuntos de parâmetros simultaneamente, incluindo dados do motor, macros de conexão, macros de aplicação e parâmetros importantes. Os dados do motor começam com a seleção de parâmetros europeus ou norte-americanos (ou seja, kW vs. hp), tensão nominal, corrente, potência, frequência, eficiência, etc.

As macros de conexão e aplicação são aspectos especialmente importantes do comissionamento ágil:

• As macros de conexão incluem a identificação do BOP como a única fonte de controle ou a habilitação do controle a partir de terminais PNP/NPN, velocidades constantes, entrada analógica, frequência fixa, controle externo por botão de pressão, botão de pressão externo com ponto de ajuste analógico, controle PID com referência de entrada analógica, controle PID com referência de valor fixo, controle USS e controle MODBUS RTU.
• As opções de macro de aplicação incluem uma bomba simples, um ventilador, um compressor e um transportador. Por exemplo, os parâmetros incluídos na macro de bomba simples são frequência mínima, modo de controle, ponto de ajuste da frequência de inibição, reinício automático e tempo de rampa.

Parâmetros individuais, como ponto de ajuste de frequência, frequências mínima e máxima e tempos de subida e descida da rampa, podem ser personalizados durante o rápido comissionamento. Além de acelerar o comissionamento, o uso da função de comissionamento rápido integrado pode eliminar erros de configurações incorretas de parâmetros, reduzindo ainda mais o tempo de implementação.

Clonagem de parâmetros para vários inversores

Depois que os conjuntos de parâmetros forem finalizados, um carregador de parâmetros poderá fazer upload e download de conjuntos de parâmetros entre o V20 e um cartão SD. O carregador de parâmetros e o cartão SD podem ser usados para clonar conjuntos de parâmetros em vários inversores. Os parâmetros podem ser baixados para os inversores antes mesmo de eles serem entregues no chão de fábrica, acelerando ainda mais o processo geral de comissionamento e reduzindo a necessidade de suporte técnico.

Além do slot para cartão SD, o carregador de parâmetros V20 tem um espaço para duas pilhas primárias tamanho AA que podem alimentar o inversor durante o download de parâmetros sem estar conectado a uma fonte de alimentação da rede. O carregador de parâmetros V20 também tem uma interface micro USB que pode ser conectada a uma fonte de alimentação externa de 5 V_CC, eliminando a necessidade das pilhas primárias (Figura 3).

Figura 3: Um carregador de parâmetros opcional pode ser usado para fazer upload ou download dos parâmetros do inversor V20 para um cartão SD e permite a clonagem rápida de parâmetros para vários inversores. (Fonte da imagem: Siemens)

BOP externo

Um BOP externo opcional pode ser usado para o controle remoto dos inversores V20. O BOP externo foi projetado para ser montado na parte externa do gabinete do equipamento e vinculado a um módulo de interface conectado ao inversor. O BOP externo e o módulo de interface suportam a conectividade RS232 e podem ser conectados usando um cabo de até 3 m de comprimento.

Com a montagem adequada, o BOP externo pode oferecer classificações de gabinete IP54 e UL/cUL Tipo 1, fornecendo proteção para o pessoal contra o acesso a tensões perigosas e proteção contra corpos estranhos sólidos, como sujeira e poeira, para o inversor V20. O BOP externo duplica a interface BOP integrada no V20 (Figura 4).

Figura 4: Um BOP externo pode controlar os inversores V20 a até 3 metros de distância e fora do gabinete de controle. (Fonte da imagem: Siemens)

Controle sem fio

Para obter o máximo de flexibilidade no comissionamento, os usuários podem recorrer ao módulo SINAMICS V20 Smart Access (Figura 5). O módulo Smart Access se conecta diretamente à parte frontal do V20 e é um módulo de servidor da Web com conectividade Wi-Fi integrada. Ele suporta o comissionamento e o monitoramento baseados na Web dos inversores V20 a partir de dispositivos do usuário, como um laptop com um adaptador de rede sem fio, um tablet ou um smartphone. Ele pode ser usado com qualquer sistema operacional e qualquer navegador da Web compatível com HTML5, como Chrome, Internet Explorer (IE) e Safari.

Figura 5: Esse módulo Smart Access fornece conectividade Wi-Fi para comissionamento, controle, monitoramento e diagnóstico de inversores V20. (Fonte da imagem: DigiKey)

O SINAMICS V20 Smart Access fornece acesso fácil ao inversor, mesmo em uma área de difícil acesso. A interface gráfica do usuário (GUI) intuitiva e o assistente de comissionamento facilitam o uso. O Smart Access suporta o mesmo assistente de configuração rápida que o BOP para um comissionamento rápido e fácil, incluindo:

• Inserção de dados do motor
• As macros de conexão podem ser ativadas
• As macros de aplicações podem ser selecionadas e ativadas
• Os parâmetros comumente usados podem ser definidos

O Smart Access pode ser configurado para fornecer códigos de falha por e-mail para monitoramento remoto direto e inclui vários recursos de segurança para controlar o acesso aos dados e às funções de controle. O Smart Access oferece funcionalidade sem fio abrangente baseada na Web, incluindo:

• Rápido comissionamento
• Parametrização do conversor
• Operação do motor no modo JOG/HAND
• Monitoramento do status do V20
• Diagnóstico de falhas e alarmes
• Backup e restauração de dados

Conclusão

Os inversores SINAMICS V20 da Siemens têm como foco a sustentabilidade e a flexibilidade. Com vários modos de operação e funções de economia de energia, esses acionamentos podem maximizar a eficiência em uma ampla gama de aplicações de movimento simples de 0,12 kW a 30 kW. O modo de funcionamento contínuo garante a operação contínua de infraestruturas críticas, como processamento de água e esgoto e HVAC em sistemas de automação predial. A flexibilidade é apoiada pelas diversas maneiras de implementar o comissionamento rápido usando o BOP integrado, um BOP localizado remotamente, conectividade sem fio com um módulo Smart Access, além de macros de aplicações pré-programadas e outras ferramentas.