Sinamics – standard i speciality společnosti Siemens pro řízení pohonů
Ing. Petr Boček, Siemens, s. r. o.
Siemens nabízí produktovou skupinu Sinamics, která pokrývá celé výkonové a funkční spektrum frekvenčních i stejnosměrných měničů. Přitom klade důraz na flexibilitu, rozmanitost funkcí a efektivitu návrhu pohonu a jeho uvádění do provozu. Sinamics nastavuje nové standardy v technice pohonů a nabízí mnoho výhod, z nichž profitují zákazníci jak ve strojních aplikacích, tak i v investičních celcích od techniky budov až po náročné řízení výrobních procesů. Kromě standardizace je výrazným znakem produktové skupiny Sinamics také doplnění speciálními měniči s jedinečnými funkcemi.
Od základního řízení pohonu s jedním motorem, přes koordinované pohony až po víceosé pohony a dynamicky náročné aplikace řízení polohy (obr. 1). Cenově výhodná rekuperace či plnohodnotný čtyřkvadrantový provoz. Nejširší nabídka bezpečnostních funkcí. To vše je Sinamics. V zásadě lze celou produktovou skupinu rozdělit na dvě velké podskupiny s označením Sinamics Sxxx (Special) pro energeticky či dynamicky náročné aplikace a Sinamics Gxxx (General) pro základní aplikace.
Kromě nízkonapěťových frekvenčních měničů patří do produktové skupiny Sinamics i vysokonapěťové frekvenční měniče GM150, GL150 a SM150 a dále nabídku ve vysokém napětí doplňuje řada měničů Robicon Perfect Harmony.
Minimalizace nákladů a inovační koncepce
Ať již pro jednoosé či víceosé aplikace, jednoduchou regulaci rychlosti pohonu v otevřené smyčce či zpětnovazební servořízení s velkou dynamickou odezvou: pro celkové snížení nákladů při návrhu, realizaci a provozu regulovaného pohonu nabízí Sinamics díky své modularitě právě žádané funkce a komponenty, přičemž nezatěžuje uživatele nepotřebnými funkcemi a díly. Díky jednotnosti koncepce celé produktové skupiny se i obsluha a servis daného na míru šitého řešení vyznačuje výrazným snížením nákladů na školení personálu a cenu pohotovostních náhradních dílů.
Jak pro malé, tak i pro rozsáhlé aplikace platí, že díky moderní elektronice a promyšlené architektuře měničů je možné např. koncipovat pohony jako distribuované jednotky mimo hlavní rozváděče. Moderní součástková základna, větší koncentrace výkonu, a to jak energetického, tak i výpočetního, na menší ploše polovodiče dává šance na zmenšení rozměrů frekvenčních měničů a souvisejícího chlazení.
Standardizace
Jednotlivé řady a varianty měničů produktové skupiny Sinamics jsou založeny na společné hardwarové i softwarové platformě. Funkce, jako řízení pohonu, interface pro uživatele, diagnostika a komunikace s nadřazeným systémem, jsou implementovány v různých měničích shodným způsobem, čímž se redukuje investice do zaučení obsluhy a údržby a snižuje se počet nezbytných náhradních dílů.
Sinamics je navržen pro různé napěťové hladiny, čímž umožňuje použití kdekoliv na světě. Celá produktová skupina je také certifikována podle příslušných mezinárodních norem a předpisů, odpadá tak nutnost recertifikace u aplikací určených na export. Snadněji a levněji se vykonává i servis, dodávka náhradních dílů a technická podpora autorizovanými středisky Siemens po celém světě.
Safety Integrated
Sinamics poskytuje širokou škálu certifikovaných bezpečnostních funkcí pro zvýšení ochrany osob a zařízení. Tyto funkce vyžaduje praxe řízení strojů, neboť podstatně zvyšují jejich flexibilitu, snižují prostoje výroby a zvyšují přehlednost instalace jejich elektrického vybavení. Všechny bezpečnostní funkce jsou certifikovány podle mezinárodních norem (IEC 61508, EN 954-1, ISO 13849-1, popř. IEC 620161).
Začlenění do světa TIA
Moderním trendem podporujícím motto společnosti Siemens ve světě automatizační techniky, totiž koncepce Plně integrované automatizace (TIA – Totally Integrated Automation), je propojení měničů jednou výkonnou komunikační sběrnicí. Řada Sinamics – s výjimkou nejmenšího zástupce, jenž je záměrně koncipován s orientací na nejnižší cenu – podporuje v celé šíři napojení na Profinet či Profibus. Důležitá je integrace s řídicími systémy na jedné straně a výkonnými prvky – motory – na straně druhé (obr. 2).
Dalším z axiomů TIA je jednotný management dat v rámci automatizovaného zařízení. Sinamics je v tomto smyslu prostředníkem přenosu údajů mezi motorem se snímači a nadřazenou úrovní řízení. Např. ve strojních aplikacích se servomotory se navíc využívá přenos údajů mezi motory, měniči a snímači pomocí komunikační sběrnice, což umožňuje výrazně efektivnější sběr dat než jednotlivé analogové přenosy údajů.
Frekvenční měniče Sinamics mohou být i přímo hardwarově integrovány v řídicích systémech tím, že řídicí jednotka měniče je součástí řídicího systému. Univerzální PLC Simatic se propojují s měniči Sinamics uvedenými otevřenými průmyslovými sítěmi a data se přenášejí systémovými funkcemi. Pro rychlou výměnu informací mezi měniči navzájem za účelem koordinace pohonů je na sběrnici Profinet či Profibus k dispozici přímá komunikace mezi měniči bez vlivu délky operačního cyklu nadřazeného řídicího systému.
Vedle integrace hardwaru přináší mnoho výhod i integrace vývojového softwaru Simatic Step 7 s modulem Drive ES, který nabízí rozšířené funkce pro řízení a diagnostiku měničů Sinamics, umožňuje ukládání parametrů a údajů o nastavení měniče do stejného adresáře, kde je program PLC, a poskytuje vzdálenou diagnostiku, je-li centrální PLC připojeno k internetu nebo je vybaveno prvky Teleservice.
Komplexní vývojové prostředí Simotion Scout má v sobě integrován nástroj Starter se všemi jeho funkcemi. Systémové knihovny pro ovládání pohonů jsou v něm samozřejmostí. Stejně tak Sinumerik SinuCom NC je plně integrován se všemi prostředky pro parametrizaci a diagnostiku podřízených pohonů.
Software Sizer pro návrh pohonů
Jedním ze základních rysů produktové skupiny Sinamics je vysoký stupeň standardizace inženýrinku.
Sizer provází kompletní návrh regulovaného pohonu s frekvenčními měniči Sinamics a poskytuje charakteristiky, technické specifikace, montážní a rozměrové výkresy a dále kompletní soupisku potřebného materiálu a jeho objednací údaje.
Pro nové uživatele je připraven průvodce návrhem pohonu. Software Sizer průběžně kontroluje správnou konfiguraci a varuje před nefunkčními kombinacemi prvků. V každém kroku je k dispozici obsáhlá nápověda, kde je nabídka či volba v daném kroku vysvětlena i s příslušnými fyzikálně-technickými odůvodněními a závislostmi.
Software Sizer je díky uvedeným vlastnostem vhodný i pro zkušené pohonáře, kteří by jinak návrh pohonu bez problému zvládli výpočtem na papíře. Jeho používání je zdarma a výstup z něj je, za předpokladu použití aktuální verze, zárukou bezproblémové kompatibility jednotlivých součástí regulovaného pohonu. Sizer je k dispozici v angličtině a němčině. Aktuální verzi softwaru uživatel vždy najde na webových stránkách Siemens.
Software Starter pro uvádění do provozu
Software Starter poskytuje podporu pro nastavení parametrů měničů, včetně jejich grafické prezentace. Součástí je též funkce importu štítkových dat z motorů a natažení aktuální konfigurace podle skutečného stavu hardwaru.
Integrované testovací funkce podporují optimální nastavení pohonů a grafická znázornění průběhů veličin umožňují jednoznačnou diagnostiku a rychlou orientaci uživatele. V režimu, kdy je pohon odpojen od řízení nadřazeným řídicím systémem, má uživatel za předpokladu nastavení určitých oprávnění možnost jej ovládat na vlastní zodpovědnost podle potřeby, a odhalit tak stavy, k nimž v automatickém provozu dochází pouze sporadicky. Starter je k dispozici v angličtině, němčině, francouzštině a italštině.
Potud vlastnosti sjednocující celou produktovou skupinu Sinamics.
Dále jsou zmíněny tři speciální řady měničů, které do skupiny buď patří, nebo ji dlouhodobě doplňují, v každém případě však přinášejí speciální aplikační možnosti a vymykají se standardům běžně a plošně nabízeným na trhu:
- Robicon Perfect Harmony,
- Sinamics DC Master,
- distribuované měniče.
Robicon Perfect Harmony – specialista pro pohony s napětím 6 kV
Produktovou skupinu Sinamics doplňuje v oblasti vysokého napětí řada měničů (obr. 3) určených pro jednoduché aplikace s jednoduchou instalací a přísnými požadavky na provozní spolehlivost, účinnost a malé zkreslení napájecí sítě. Měniče pracují na bázi nízkonapěťových buněk (IGBT) a multipulzní šířkové modulace (Multi-level PWM). Díky této technologii lze dosáhnout nejčastěji používaného napětí motoru 6 kV bez jakýchkoliv přídavných zařízení.
Měniče se dodávají do 13,8 kV výstupního napětí. Jsou konstruovány jako komplety, včetně vstupního transformátoru, což umožňuje velmi snadnou instalaci a minimalizuje nároky na zastavěnou plochu. Na výstupu mají sinusový tvar proudu a napětí i bez použití přídavného filtru, šetří se tak další místo i finance potřebné k investici. Díky technologii měniče může mít kabeláž k motoru téměř neomezenou délku. Rovněž je možné tento měnič použít pro staré motory a nové motory specifikované pro síťové napájení bez jakýchkoliv omezení nebo dopadů na izolaci či oteplení motoru.
Velmi malé je také zkreslení odebíraného proudu a napětí, kterého je dosaženo díky osmnácti- až šestatřicetipulznímu zapojení vstupního usměrňovače, tedy opět bez dalších přídavných prvků. Unikátní patentovaná konstrukce měniče umožňuje provoz i při výpadku výkonového prvku – ten je asi do 450 ms by-passován – lze tak pokračovat v provozu bez přerušení procesu.
Typické aplikace:
- úspory energie u pohonů čerpadel, ventilátorů a turbokompresorů,
- použití měničů do nových aplikací i dodatečné vybavení starých motorů měniči,
- mlýny, extrudéry a dopravníky.
Hlavní výhody:
- možnost použití se starými motory 6 kV, S. F. 1.0 určenými pro síťový provoz – bez úprav a bez následného rizika poškození vinutí nebo zvýšeného oteplení motoru,
- velká účinnost a konstantní účiník v celém rozsahu regulace, malé harmonické zkreslení,
- možnost by-passu a zálohy výkonových dílů = výrazné navýšení provozní spolehlivosti,
- redundantní ventilátory a elektronika pro další zvýšení provozní spolehlivosti.
Sinamics DC Master – variabilní systém pro stejnosměrné aplikace
Sinamics DC Master (obr. 4) je novou generací stejnosměrných měničů. Spojuje výhody svého předchůdce – měniče Simoreg DC Master s výhodami a novými funkcemi řady Sinamics.
Řada měničů Sinamics DC Master tvoří velmi variabilní systém pro pohony jednoduché i náročné. Pro běžné řízení v uzavřené smyčce jsou vybaveny standardní řídicí jednotkou (Standard CUD). Pro aplikace vyžadující velký výpočetní výkon nebo použití rozšiřujících rozhraní lze systém doplnit o rozšířenou řídicí jednotku (Advanced CUD). Napájení je možné v rozsahu napětí 230 až 950 V (3 AC), ve speciálním provedení i jednofázově a pro napětí již od 10 V. Měniče se vyrábějí s budicím můstkem jedno- nebo dvoukvadrantovým, popř. úsporně bez budicího můstku. Jednotlivé měniče je možné řadit až šestkrát paralelně, popř. zapojit dvanáctipulzně nebo redundantně.
Stejnosměrné měniče řady Sinamics DC Master kombinují řídicí část a výkonový modul v jednom zařízení, a proto vynikají svými kompaktními rozměry, díky nimž jsou kompatibilní i s předchozími modely. Přístroje do 125 A jsou vyvinuty v provedení bez ventilátoru, čímž se zvyšuje provozní spolehlivost a snižují se nároky na údržbu. Sinamics DC Master dále vyniká schopností velké přetížitelnosti, velkou účinností a tichým provozem.
Řada měničů Sinamics DC Master zahrnuje:
- vestavný DC měnič pro proudy 15 až 3 000 A, 230 až 950 V,
- Control Module (CM) určený pro modernizaci stávajících zařízení a systémů,
- skříňové měniče pro jmenovité proudy 3 600 až 5 500 A (v přípravě).
Pro lokální ovládání lze použít víceřádkový komfortní grafický, do češtiny přeložený ovládací panel AOP30 či základní numerický ovládací panel BOP. Rozhraní řídicích desek CUD a počty digitálních vstupů/výstupů mohou být rozšířeny využitím doplňkových modulů, jako jsou např. TM15 a TM31. Komunikace mezi těmito moduly je zajištěna rozhraním Drive CLiQ. Pro komunikaci s řídicími systémy vyšší úrovně lze použít standardní konfiguraci s komunikačním rozhraním Profibus DP nebo měnič rozšířit o rozhraní Profinet kartou CBC20.
Pomocí Drive Control Charts (DCC) je možné naprogramovat klasické zpětnovazební řízení. Navíc lze související řídicí úlohy v otevřené/uzavřené smyčce integrovat přímo do samotného pohonu. Výhodou je zajištění velké flexibility a optimálního přizpůsobení požadavkům na pohon a jeho automatizaci.
Typické aplikace:
- válcovny: válcovací stolice, letmé nůžky, navíječky,
- papírenské stroje,
- tiskařské stroje,
- extrudéry a odstředivky,
- jeřáby.
Hlavní výhody:
- kompaktní rozměry kompatibilní se staršími řadami,
- dvou- a čtyřkvadrantové provedení, velká přetížitelnost,
- bezventilátorové provedení do 125 A,
- tichý provoz, velká účinnost,
- možnost redundantní konfigurace,
- volné programování pomocí DCC.
Distribuované pohony, Sinamics G110D
Nový frekvenční měnič s vysokým stupněm krytí IP65, Sinamics G110D (obr. 5), je po měniči Sinamics G120D, oceněném zlatou medailí MSV 2007, dalším příspěvkem společnosti Siemens k modernímu, a především flexibilnímu řešení distribuovaných pohonů. Do této skupiny se řadí kromě zmíněných dvou zástupců z moderní produktové skupiny Sinamics také starší osvědčené produkty, jako jsou měnič do decentrální periferie ET 200S-FC či dvě starší produktové řady – měnič Combimaster CM411 pro montáž na svorkovnici motoru a kompaktní servomotor Simodrive Posmo s měničem a převodovkou. Základní podmínkou úspěšného použití těchto zařízení je redukce kabeláže k více pohonům jen na společný silový přívod a ovládání po společné komunikační sběrnici. Sinamics G110 však jde ve výbavě právě pro jednoduché pohony dále a flexibilitu dopravníkových pohonů zvyšuje ve prospěch jejich výrobce i uživatele.
Zatímco měnič Sinamics G120D je určen pro náročnější aplikace především v automobilovém průmyslu, a to typicky s využitím rekuperace či integrovaných bezpečnostních funkcí, měnič Sinamics G110D je navržen pro řízení jednoduchých pohonů, čemuž je přizpůsobena i cena těchto měničů na průměrné úrovni kolem 70 % ceny odpovídajících měničů Sinamics G120D. S ohledem na cenu byla též pro komunikaci místo sběrnice Profibus či Profinet (Sinamics G120) nově zvolena sběrnice AS-Interface, tedy otevřená sběrnice s velkou odolností proti elektromagnetickému rušení, poskytující pohodlí datového přenosu spolu s napájením elektroniky měničů a dalších komunikujících zařízení po jedné dvoulince nebo při větším odběru po dvou dvoulinkách. Komunikace prostřednictvím AS-Interface dává možnost ovládání, ale také předávání stavových informací do nadřazeného řídicího systému.
Dalšími specifickými elektrickými parametry je integrace odrušovacího filtru třídy A a brzdného střídače určeného pro spolupráci s moduly brzdných odporníků, provedených stejně jako samotný měnič ve vysokém stupni krytí. Integrováno je i řízení mechanické brzdy. Vodiče k ní, stejně jako silové přívody motoru i signály z čidel teploty motoru, jsou zakončeny jedním společným konektorem podle normy ISO 23570. Druhý, již jednodušší standardizovaný konektor, je použit na síťovém vstupu měniče pro přívod silového napájení. Vstupy a výstupy měniče stejně jako rozhraní AS-Interface jsou připojeny konektory M12. Stejně jako Sinamics G120D se i Sinamics G110D vyznačuje jednotným půdorysem a vrtacím schématem pro instalaci měniče, a to v celé řadě výkonů 0,75 až 7,5 kW. Podle výkonů se tedy mění pouze hloubka měniče.
Frekvenční měnič Sinamics G110D navíc v souladu s oblastí svého využití umožňuje místní ovládání – klasický otočný vypínač přívodu silového napájení s možností zabezpečení proti zapnutí použitím visacích zámků, jež si mohou zavěsit technici aktuálně pracující na dané poháněné sekci. Dále je k dispozici zamykatelný spínač ručního řízení měniče pomocí tlačítek pro lokální ovládání pohonu. Oba zmíněné spínače jsou při příslušné výbavě měniče umístěny přímo na jeho těle. Z důvodu ceny měniče však existuje i varianta bez možnosti lokálního ovládání (obr. 6). Měnič je vestavěn v odolném, převážně hliníkovém pouzdru s chlazením žebry podle výkonu bez ventilátoru či s ventilátorem, což umožňuje značnou variabilitu montážních poloh měničů, včetně těsné montáže měničů vedle sebe.
Volitelným příslušenstvím je dále karta MMC s držákem k instalaci dovnitř měniče umožňující rychlou parametrizaci nově instalovaného přístroje či stažení konfigurace z běžícího měniče – to vše bez nutnosti použití počítače. K inteligentnímu operátorskému panelu (IOP) v provedení handheld či k PC se lze připojit přes integrované optické rozhraní. IOP (obr. 7) je určen k intuitivní parametrizaci měničů použitím průvodců pro nastavení podle charakteru pohonů s možností grafického sledování veličin, použití integrované nápovědy a dalších pokročilých funkcí. K ovládání a nastavování měničů pomocí počítače se používá jednotný software Starter pro celou produktovou skupinu Sinamics. Rovněž pro návrh pohonu je určen jednotný software Sizer.
Souběžně s frekvenčním měničem Sinamics G110D je na trh uváděn produkt s podobným těžištěm použití, a to motorový spouštěč Sirius M200D (obr. 8). Analogii lze nalézt především ve vlastnostech přizpůsobených filozofii distribuovaných pohonů. Jde především o řízení prostřednictvím sběrnice AS-Interface, vysoký stupeň krytí, připojení motoru, silové sítě i vstupů/výstupů stejnými standardizovanými konektory jako u Sinamics G110D. Volitelně je k dispozici opět vypínač silového napájení a uzamykatelný přepínač provozu s lokálním či dálkovým ovládáním a k tomu provedení bez reverzace či s reverzací a varianty s polovodičovými nebo kontaktními stykači. Veškeré diagnostické údaje o ovládaném pohonu se, stejně jako u měniče Sinamics G110D, i u motorového spouštěče Sirius M200D přenášejí do nadřazeného řídicího systému prostřednictvím sběrnice AS-Interface.
Závěr
Produktová skupina Sinamics přesvědčuje uživatele sjednocením základních vlastností, na něž se lze spolehnout, kompletností nabídky z výkonového i funkčního hlediska a také integrací ve směru k řídicím systémům i k regulovaným pohonům. Přístup k řešení pohonů spočívající především v jednotnosti inženýrinku je s výjimkou vysokonapěťových měničů Robicon v oblasti regulovaných pohonů jedinečný a současně speciality v nabídce Sinamics odlišují nabídku společnosti Siemens v oblasti pohonů od konkurentů.
Obr. 1. Kompletní produktová skupina Sinamics
Obr. 2. Začlenění do světa TIA
Obr. 3. Robicon Perfect Harmony
Obr. 4. Sinamics DC Master
Obr. 5. Sinamics G110D
Obr. 6. Varianta měniče bez místního ovládání a s odkrytým slotem pro paměťovou kartu
Obr. 7. Inteligentní operátorský panel (IOP)
Obr. 8. Varianty motorového spouštěče Sirius M200D