Использование шлюзов Industrial Ethernet для оптимизации систем частотно-регулируемых приводов (VFD)

Обзор
По данным рейтинга Международного энергетического агентства (IEA), системы, приводимые в действие электродвигателями (EMDS), потребляют больше электроэнергии, чем любые другие электрические системы. Несколько удивительным представляется тот факт, что системы EMDS потребляют примерно в два раза больше электроэнергии, чем освещение, которое занимает второе место в данном рейтинге. В глобальном масштабе на системы EMDS приходится около 45% всего потребления электроэнергии, а также 6040 мегатонн выбросов СО2 в год. Более того, по некоторым оценкам системы EMDS потребляют 70% промышленной электроэнергии. Чаще всего такими системами являются насосы, вентиляторы, линии подачи сжатого воздуха, конвейеры и двигатели других механизмов.

Суть этой статистики сводится к тому, что для сохранения энергии и повышения энергетической эффективности промышленных систем необходимо уменьшить количество энергии, потребляемое системами EMDS. В этом могут помочь частотно-регулируемые приводы (VFD). Они позволяют контролировать скорость двигателя, тем самым экономя энергию, а также уменьшать пусковой ток и регулировать крутящий момент.

VFD можно встроить в систему управления через аналоговый или цифровой интерфейс ввода/вывода, а также через интерфейс связи. Поддерживаются следующие интерфейсы связи: RS-232, RS-485, Ethernet. С их помощью операторы могут не только с легкостью управлять VFD, но и получать определенные данные, недоступные иным путем. Основная проблема заключается в том, как использовать несовместимые протоколы. Большинство VFD поддерживают только протокол Modbus RTU, т.к. он удобен и широко распространен. PLC, однако, чаще используют протоколы Industrial Ethernet, например, Modbus TCP или EtherNet/IP.

Требования к каналу связи для мониторинга и управления VFD
Система SCADA обычно включает в себя интерфейс HMI и ПК, а также PLC и RTU. ПК, как правило, используется для выдачи наблюдательных команд, а основное управление осуществляется с помощью PLC и/или RTU. Стоит отметить, что хотя PLC и RTU выполняют аналогичные функции, у них есть ключевые различия. PLC, к примеру, обладают более сложными встроенными функциями управления, что делает их более подходящими для локального использования, например, на производственных линиях. С другой стороны, RTU можно подключать к устройствам, распределенным по более широкой площади, так как они оснащены телеметрическим оборудованием, обеспечивающим передачу цифровых данных в систему контроля.
Поскольку VFD часто используются для управления двигателями насосов, вентиляторов или конвейерных лент (т.е. они являются частью локальной системы управления), крайне важна их совместимость с PLC. Например, при использовании типичной архитектуры для контроля качества воздуха в здании завода оператор SCADA должен иметь возможность определять целевой уровень СО2 в промилле (частях на миллион). Такая система управления считывает текущий уровень CO2 со специальных датчиков, а затем PLC выдает соответствующий сигнал управления, на основе которого VFD регулируют скорость вентиляторов. Для обеспечения правильной работы системы оптимизации необходимо гарантировать, что VFD и PLC используют для связи правильный промышленный протокол.

Существующие решения
В первую очередь необходимо учесть тот факт, что доступные PLC от разных производителей не обязательно поддерживают одинаковый протокол полевой шины. Например, большинство PLC от Siemens используют PROFINET, от Rockwell — Ethernet/IP, а от Schneider — Modbus TCP. Некоторые производители обеспечивают поддержку других протоколов полевой шины за счет устанавливаемых в PLC модулей связи. Преимущества модулей связи — это простота установки и надежность. Так как модули подключаются непосредственно к PLC, дополнительные провода не требуются. С другой стороны, недостатками таких модулей является их высокая стоимость и ограниченная универсальность.

На стороне VFD большинством поставщиков используется протокол Modbus RTU. Для использования других протоколов полевой шины большинство производителей предлагают PCB (печатные платы), которые подключаются непосредственно в VFD и обеспечивают необходимое преобразование. Преимущества таких модулей VFD аналогичны преимуществам модулей PLC. Кроме того, поскольку PCB подключаются непосредственно в разъем на VFD, они не занимают лишнего пространства.

При покупке только одного модуля PCB его стоимость довольно умеренна. Но если вам нужно установить два, три или больше модулей, то придется потратить в несколько раз больше денег, чтобы ваше решение заработало. Также следует учитывать количество времени, необходимое для установки всех модулей.


Шлюзы Industrial Ethernet
Привлекательной альтернативой модулям связи PLC и/или VFD являются шлюзы Industrial Ethernet. Шлюз — это автономное устройство, которое преобразует сигнал из одного протокола в другой. Например, шлюз может преобразовать сигнал Modbus RTU в Modbus TCP или Modbus RTU в PROFIBUS. Преобразование происходит с помощью встроенных CPU  и памяти. В сущности, VFD и PLC обмениваются данными со шлюзом, а не прямо друг с другом. Процесс прозрачен для VFD и PLC, т.к. шлюз выполняет все необходимые преобразования протоколов.

Преимущества шлюзов Industrial Ethernet
Если вы решите использовать шлюзы Industrial Ethernet, то сначала понадобится научиться пользоваться ими, а также обеспечить настройку и управление шлюзов при подключении к системе. Тем не менее, по сравнению с модулями связи PLC и/или VFD шлюзы обладают несколькими привлекательными преимуществами. Если вы используете шлюз с удобным пользовательским интерфейсом и управлением, дополнительные трудозатраты на его настройку и управление будут минимальными.
Давайте сравним шлюзы с модулями связи PLC/VFD с аппаратной и программной точки зрения.

Простая и выгодная аппаратная интеграция
При использовании модуля связи VFD для его установки необходимо сначала снять сам корпус VFD. Само собой, это может занять довольно много времени, особенно если у вас десятки нуждающихся в обновлении VFD. В этом случае такое решение может выйти довольно дорогостоящим. Возможно, вы просто не сможете найти системного интегратора, который согласится модернизировать существующую систему таким образом. При выборе модулей PLC установка упрощается, но вам придется пожертвовать одним разъемом, который можно было использовать для других целей. Если ваши контроллеры не находятся рядом с устройствами, то придется учитывать и тот факт, что PLC поддерживают только последовательное соединение. Использование шлюзов для подключения устройств к общей сети Ethernet обеспечивает дополнительную гибкость вашей системы. Также стоит учесть тот факт, что при работе в сети Ethernet вы сможете использовать кабель из оптоволокна, чтобы избежать электромагнитных помех.

Универсальная и удобная программная интеграция
Наиболее важным преимуществом шлюзов является их универсальность. Например, после запуска системы вы сможете контролировать различные аспекты работы ваших VFD. Также вы можете установить в систему дополнительные VFD даже после нескольких лет эксплуатации. С такой необходимостью очень часто сталкиваются инженеры, занимающиеся управлением промышленных объектов. Данное решение дает возможность зарезервировать пространство ввода-вывода в PLC и самом шлюзе для будущего расширения системы. При необходимости добавления новых VFD вам понадобится настроить только сам шлюз, а не программное обеспечение PLC. Если бы вы использовали модуль PLC, то вам бы понадобилось обновлять программное обеспечение PLC и добавлять команды для работы с модулем. Еще одним преимуществом является то, что шлюзы оснащены встроенными CPU и памятью, обеспечивающими самостоятельное преобразование протоколов без привлечения PLC. При использовании шлюзов вашу систему будет проще и легче поддерживать.

Шлюзы Industrial Ethernet от Moxa
Серия MGate от Moxa объединяет в себе различные шлюзы, которые можно использовать вместе с VFD. Шлюзы MGate имеют прочный корпус, рассчитанный на тяжелые и высокотемпературные условия эксплуатации, а также обеспечивающий максимальную защиту от электромагнитных помех. Поскольку шлюзы MGate прошли сертификацию PI и ODVA и поддерживают все основные протоколы PLC, включая Modbus TCP, EtherNet/IP, PROFIBUS, PROFINET, вы с легкостью сможете подключить свои VFD к любой из распространенных моделей PLC. Кроме того, шлюзы MGate от МОХА отличаются удобным веб-интерфейсом, имеют слот MicroSD для резервного копирования настроек, а также поддерживают функции сигнализации и имеют журнал системных событий, тем самым упрощая техническое обслуживание системы.