Комплексная система Beckhoff для обеспечения электропитания и мониторинга энергопотребления

Прозрачный контроль энергопотребления сокращает время простоя станков, а также снижает необходимость использования негабаритных компонентов для обеспечения работо­способности установки. Кроме того, он значительно упрощает профилактическое обслуживание оборудования и, в конечном счете, существенно повышает эффективность производства. Благодаря широкому спектру средств управления на базе ПК решение компании Beckhoff (рис. 1) для управления энергопотреблением можно оптимально адаптировать к необходимой задаче. Эти средства представлены как многочисленными трансформаторами тока SCT и EtherCAT-модулями измерения параметров электросети для интегрированного мониторинга сети переменного и постоянного тока, так и источниками питания 24/48 В постоянного тока и модулями EL922x с электронной защитой от перегрузки по току.

Рис. 1. Благодаря согласованной системе для обеспечения электропитания, защиты от перегрузки по току и мониторинга энергопотребления повышается прозрачность данных.
Все изображение предоставлено Beckhoff Automation

Универсальная система

Ни один станок или установка не могут работать без надежных источников питания и соответствующих предохранителей (рис. 2). Помимо высокопроизводительной системы регистрации данных об энергопотреблении, Beckhoff предлагает решение, которое позволяет достичь многих преимуществ уже при проектировании оборудования: дополнительное устройство измерения мощности на входах источника питания дает представление о полной мощности, с учетом всех потерь. Новые высоко­качественные источники питания серии PS обеспечивают системный подход к управлению на базе ПК, который отличается высокой эффективностью за счет оптимального подбора всех компонентов. Среди таких компонентов, в частности, — модули защиты от перегрузки по току EL922x, интегрированные непосредственно в EtherCAT-систему ввода/вывода, которые не только надежно защищают питание в отдельных контурах энергоснабжения, но и непрерывно измеряют его.

Рис. 2. Надежное питание и предохранители 24 В, включая функцию мониторинга энергопотребления для напряжения 24 В постоянного тока и 230 В переменного тока, сокращают затраты и повышают эксплуатационную готовность системы

Если производители станков предотвращают возникновение пиков мощности с помощью системного подхода, то они, например, могут уменьшить общее электропотребление производства, а также затраты на установку для конечного потребителя за счет меньшего сечения питающего кабеля. Кроме того, универсальное и встроенное в систему средство измерения электропотребления позволяет сравнивать целевое и фактическое состояние установки непосредственно в контроллере станка. Таким образом, возникающие повреждения можно выявлять на ранних стадиях, а возможности оптимизации процесса становятся более очевидными.

До сих пор непрерывный мониторинг данных, как правило, был связан со значительными инвестициями, часто требующими дорого­стоящей интеграции внешних датчиков с помощью специализированных компонентов. Однако модули измерения параметров электросети, трансформаторы тока, модули защиты от перегрузки по току и источники питания компании Beckhoff позволяют реализовать эту функцию с использованием стандартных компонентов и, следовательно, с более низкими затратами, а также меньшими требованиями к логистике (например, при хранении специальных деталей), даже при модернизации существующих станков и установок.

Прозрачность данных во всей цепочке измерений

Решение Beckhoff позволяет комбинировать необходимые компоненты электроснабжения для формирования прозрачной и целостной системы. Только такой системный подход обеспечивает полный обзор энергоснабжения станков как переменного, так и постоянного тока. Полноценная цепочка измерения параметров электросети — от записи физических измеренных значений до передачи данных в облако — начинается с трансформатора тока SCT на основном источнике питания станка. Источники питания серии PS обеспечивают бесперебойное питание напряжением 24 В постоянного тока для всех подключенных компонентов автоматизации, а модули защиты от перегрузки по току не только защищают отдельные силовые линии, но и обеспечивают непрерывный мониторинг потребления тока.

Ассортимент трансформаторов тока серии SCT (рис. 3) охватывает все возможные области применения — для силы тока 1–5000 А,  а также включает варианты с кольцевым и разъемным сердечниками и комплекты трехфазных трансформаторов. Устройства отличаются высокой масштабируемостью благодаря различным конструкциям и классам производительности и, таким образом, подходят для множества вариантов применений: от недорогих комплектов трехфазных трансформаторов (в том числе для инженерных коммуникаций зданий) и стандартных промышленных трансформаторов для систем автоматического управления до решений для испытательных стендов с особо высокими требованиями к точности. Сфера применения является решающим фактором при выборе подходящего варианта трансформатора.

Рис. 3. Трансформаторы тока SCT, рассчитанные на ток 1–5000 А, выпускаются как с кольцевым сердечником (два слева), так и с разъемным сердечником (два справа)

Сбор данных, особенно в новых системах, экономически эффективно и с высокой точностью измерений можно реализовать с помощью трансформаторов тока с кольцевым сердечником. В свою очередь, трансформаторы тока с разъемным сердечником благодаря простоте монтажа прекрасно подходят для использования в качестве простого решения для модернизации.

Управление энергопотреблением промышленного или энергетического предприятия включает самые разнообразные задачи — от простого мониторинга сети электропитания и контроля технологических процессов до высокопроизводительного мониторинга потребляемой мощности. Решить часть задач помогают EtherCAT-модули, которые также производит компания Beckhoff. Расширенный четырьмя новыми модулями ввода/вывода, ассортимент EtherCAT-модулей Beckhoff характеризуется высокой масштабируемостью с точки зрения цены и производительности. Новые EtherCAT-модули EL34x3 (рис. 4) для управления энерго­потреблением совместно с хорошо зарекомендовавшими себя модулями мониторинга электросети с супер­дискретизацией EL37x3 (и соответствующей программной библиотекой TF3650 TwinCAT Power Monitoring) образуют широкий диапазон продуктов, оптимально адаптирующихся к конкретным условиям применения в самых разных областях.

Рис. 4. Модули EtherCAT EL34x3 для управления энергопотреблением

Распределенное измерение параметров электросети

Новая концепция распределенного измерения параметров электросети предлагает эффективный и недорогой способ получения точных значений параметров электросети даже в сложных системах. Центральным элементом служит 6-канальный модуль токовых входов EL3446 для измерения силы переменного/постоянного тока до 1 A. Он может использоваться для определения точных значений мощности, даже если измерения напряжения и тока пространственно разделены. В данном случае решающим фактором является то, что все релевантные электрические параметры питающей сети, включая реальные измеренные значения мощности, можно определить с помощью EL3446 в качестве модуля измерения силы тока. Значения напряжения, необходимые для расчета данных мощности, передаются (точно синхронизированные распределенными часами EtherCAT) через модуль измерения параметров трехфазной сети EL3443, который устанавливается только один раз для каждой системы. Затем в EL3446 рассчитываются активная мощность и энергопотребление для каждой из шести подключаемых фаз. Таким образом, пользователю доступны эффективные значения напряжения и тока, а также активной, полной и реактивной мощности или частоты, угла сдвига фаз и гармоник, что позволяет проводить комплексный анализ сети и управлять энерго­потреблением.

Благодаря этой концепции распределенного измерения параметров электросети — с помощью одного модуля EL3443 и произвольного количества EL3446 — можно минимизировать затраты на оборудование и монтаж. Устраняется необходимость в затратах на прокладку кабелей для распределения напряжения. Кроме того, стоимость одного канала измерения снижается почти на 50% без необходимости снижать частоту дискретизации по мере увеличения количества точек измерения (рис. 5). Еще одно преимущество — только модуль измерения параметров электросети EL3443 необходимо оборудовать предохранителями. Для всех последующих измерений предохранители, необходимые для обычного измерения параметров электросети, не используются.

Рис. 5. В распределенных системах измерения параметров электросети с одной точкой измерения напряжения можно связать через цифровой протокол любое количество точек измерения тока и при минимальных затратах регистрировать точные значения параметров электросети в каждой точке

Источники питания с оптимизированным конвекционным охлаждением

Источники питания новых серий PS1000, PS2000 и PS3000 (рис. 6) представляют собой основу для эффективного и безопасного электроснабжения на предприятии. Они подходят практически для всех областей применения (в диапазоне как 24 В, так и 48 В постоянного тока), а также могут использоваться в системах управления перемещением с высокими требованиями к обратной ЭДС. Отличная конвекция, минимальные потери мощности и высокий КПД, до 96,3%, обеспечивают оптимальный срок службы и надежность устройств. Пиковый ток 150% от номинального позволяет в течение короткого времени обеспечивать выходную мощность до 1,44 кВт. В сочетании с компактной конструкцией и высокой устойчивостью к импульсным помехам и перенапряжению это гарантирует эффективное и экономичное использование устройств даже в жестких промышленных условиях. Кроме того, благодаря функции точного отключения предохранителя источники питания могут быстро и точно отключать автоматические выключатели, что позволяет избежать длительных простоев оборудования.

Рис. 6. Новая серия блоков питания PS с выходными напряжениями 24 В и 48 В

Устройства специально разработаны с оптимальными характеристиками конвекционного охлаждения. Наиболее чувствительные к температуре и подверженные быстрому износу компоненты размещаются в нижней части устройства, т. е. как можно ближе к поступающему холодному воздуху. Благодаря такой оптимизированной по температуре конструкции все используемые компоненты подвергаются меньшим тепловым нагрузкам, и срок их службы увеличивается. Помимо этого, компоненты, подвергающиеся меньшим нагрузкам, дольше сохраняют свои технические характеристики, а внешнее тепловое воздействие сводится к минимуму. Все это положительно влияет на уровень надежности оборудования.

Аналоговый модуль с функцией предохранителя

В компактном корпусе EtherCAT-модулей серии EL922x (рис. 7) компания Beckhoff объединила функции комплексного мониторинга электросети с электронной защитой от перегрузки по току, обеспечив защиту компонентов оборудования, рассчитанного на 24 В постоянного тока. Эти модули позволяют непрерывно регистрировать значения тока и напряжения для мониторинга энергопотребления. Также благодаря полученным данным можно проводить подробный анализ электропотребления и следить за предельными значениями напряжения, отображать информацию о состоянии (включено, выключено, триггер), триггерных событиях (перегрузка, короткое замыкание) и предварительные предупреждения.

Рис. 7. В серии EtherCAT-модулей EL922x, ширина которых составляет всего 12 мм, предусмотрена электронная защита от перегрузки по току, встроенная непосредственно в EtherCAT-систему ввода/вывода

За счет интеграции электронной защиты от перегрузки по току непосредственно в систему ввода/вывода EtherCAT снижаются затраты и уменьшается занимаемая площадь в шкафах управления (по сравнению с другими предохранителями), а также исключается необходимость использования традиционного электронного решения — негибкой автономной системы. EtherCAT-модули EL9227 отвечают самым разнообразным требованиям благодаря большому количеству настроек и параметров данных процесса, позволяющих осуществлять прозрачный мониторинг системы. Всего доступно 19 различных 1- и 2-канальных модулей защиты от перегрузки по току для токовых нагрузок максимум до 10 A.

Встроенная в систему защита от перегрузки по току обладает множеством практических преимуществ, таких как, например, сокращение объема электромонтажных работ (поскольку питание соседних модулей ввода/вывода подается автоматически при подключении модуля). Кроме того, конструкция шкафа управления значительно экономит пространство и снижает затраты благодаря отсутствию дополнительного соединительного устройства и других цифровых модулей ввода/вывода или питания. Также технология EtherCAT предоставляет доступ к многочисленным данным технологического процесса, таким как нагрузка, нагрузочный ток,