馬達工業4.0 IO-Link 乙太網路驅動器工業自動化 DigiKey

馬達/驅動器/通訊模組助攻　選對工業自動化設備打造高效系統(2)

2024-10-02

Barley Li

挑選工業自動化設備時，有需多細部考量需要額外注意。本文將著重說明在指定馬達、驅動器和通訊模組時應考慮的數個準則，並說明如何結合節能馬達和通訊元素，提高整體系統的能源及運作效率。

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提高動力驅動系統的效率

(承前文)馬達驅動器是IEC 61800-9-2中定義的動力驅動系統效率的關鍵要素。此驅動器能夠以幾種方式進行分類，例如馬達電壓、功率位準、動作類型、支援的應用等。動作類型可分為連續型和非連續型。另外，根據所需的最大功率輸出，還能進一步分為低效能、中效能和高效能。

驅動器種類繁多，可支援不同的系統需求。當機器人等應用需要快速加速、減速和精確定位時，適合使用伺服驅動器和伺服馬達；軟啟動器適用於連續型操作，例如輸送帶，有助順暢啟動和平穩減速；變頻驅動器則廣泛應用於各種工業機器。

某些變頻驅動器產品系列，針對幫浦抽送、通風、壓縮、移動或處理等操作進行優化，例如Siemens的SINAMICS G120系列通用驅動器具有0.55至250kW(0.75至400hp)的額定功率，適用於汽車、紡織和包裝操作的一般工業應用。其中，6SL32203YE340UF0型號採用三相電源，工作電壓為380至480Vac +10%/-20%。在歐洲，此型號指定用於電壓為400V、馬達額定功率為22至30kW的作業；在北美，則指定用於電壓為480V、馬達額定功率為30至40hp的作業(圖3)。

圖3　此款變頻驅動器能搭配額定功率為22至30kW的馬達一起使用，視實際工作電壓而定　(圖片來源：DigiKey)

通訊和系統最佳化

馬達與驅動器雖然位於廠區的第1層級(或現場層級)，但其並非工業4.0通訊階層的最低層級。最低層級為感測器和致動器等功能層級(第0層級)。此外，現場層級上方還具有許多層級。要讓工業4.0工廠的整體效率、生產力和永續性達到極致，從通訊階層至雲端層級之間的上下行通訊皆須及時且高效。以下協定將助雲端連線一臂之力(圖4)：

uOPC PubSub Bridge整合多個OT資料流。
MOTT BRoker接收訊息，並根據訊息主旨將訊息轉寄給使用者。

圖4　工業4.0通訊階層的所有階層皆能直接連線至雲端　(圖片來源：OPC Foundation)

第1層級不只有驅動器和馬達。現場匯流排主控裝置單元(FMU)能促進通訊，並簡化驅動器和其他元件的整合。FMU可用於各式協定，包括PROFINET、PROFIBUS、DeviceNet、CANopen等。FMU能進行獨立連接，不受任何製造商影響。舉例來說，Panasonic的AFP7NPFNM型號即為一種PROFINET FMU。此型號隨附程式設計軟體的整合式函數庫，能大幅縮短開發應用解決方案所需的時間。

第0層級

要提高變頻驅動器的動力驅動系統節能效益，必須將連接能力帶進第0層級。在第0層級整合感測器、致動器和安全裝置(例如光幕)，能顯著提高效率，並將節能率提升30%以上。

用於連接第0層級功能的常見協定包括DeviceNet、HART、Modbus和IO-Link。IO-Link是一種點對點協定，可將感測器及致動器連接至更高階的控制。此協定分為有線或無線標準，在工業 4.0中，IO-Link越來越常作為一種具成本效益的替代方案而獲得採用。例如，Omron的NX-ILM400 IO-Link主控裝置單元便能混合使用標準I/O與高速同步I/O(圖5)。

圖5　此款IO-Link主控裝置單元支援標準與高速同步I/O　(圖片來源：Omron Automation)

第2層級以上

高階通訊不僅能改善現場層級的操作品質，更是大幅提升效率與生產力的必要條件。從2級到3級、4級和雲端層級，需要採用乙太網路/IP、EtherCAT和Modbus TCP/IP等協定。

可程式設計邏輯控制器(PLC)或工業個人電腦(IPC)等設備，皆可用於建立這些連接。PLC是一種針對工業自動化和控制進行最佳化的電腦。在典型應用中，PLC會監測機器和相關感測器的輸入，根據其程式設計做出決策，並傳送控制輸出。

IPC雖然也能執行類似PLC的功能，但其為更加通用的裝置。IPC可執行Linux或Windows等作業系統，因此能夠存取一系列軟體工具，也常連接至人機介面(許多PLC也能連至人機介面)。PLC往往以機器為主，IPC則具備更多操作功能。

PLC和IPC之間的差異愈趨模糊。例如，Phoenix Contact的1069208 PLC可執行Linux作業系統，並且與傳統PLC一樣，該元件也能以符號流程圖(SFC)、階梯圖(LD)、功能方塊圖(FBD)和結構式文件程式設計語言(ST)進行程式設計。此元件配有三個獨立的乙太網路介面，並能連至PROFICLOUD；對於能從IPC獲益的應用，Schneider Electric提供HMIBMIEA5DD1E01 IIoT Edge Box，其為無風扇設計，內含執行頻率為1.8GHz的Intel Atom Apollo Lake E3930雙核心處理器，並且配有一個mini PCIe擴充槽和九個通訊埠(圖6)。