Frequentiesturing met AS-i
Verlaagt installatiekost
Het AS-interface is reeds een aantal jaren een vaste waarde op het laagste veldniveau voor het vernetten van binaire sensoren en actuatoren. Niettegenstaande dit feit wordt er op gebied van de elektrische aandrijftechniek bij industriële installaties dikwijls nog beroep gedaan op de conventionele technieken. De zinvolle combinatie van de frequentieregelaars en het AS-interface kan niet langer uitblijven. Een toelichting.
Version française
Wat is er zinvoller dan het gebruik van het AS-interface samen met frequentiesturingen voor te stellen aan de hand van een voorbeeld.
Traditionele opbouw
Een eerste figuur stelt een productielijn voor met twaalf transportbandaandrijvingen, waarbij elke transportband toerentalvariabel aangedreven wordt. De voedingsvoorziening van de frequentiesturing naar de motor is conventioneel uitgevoerd. De individuele bedrading van elke frequentiesturing van de centrale installatiekast naar elke individuele motor is duidelijk herkenbaar. Rechtstreeks daarmee verbonden is de grootte van de centrale installatiekast waarin de nodige I/O-modules voor de PLC evenals alle frequentieregelaars ondergebracht dienen te worden.
Opbouw met AS-i
In een tweede figuur ziet men eenzelfde installatie maar met een alternatieve bekabeling, waarbij de frequentiesturing decentraal ingezet wordt of zelfs in de motor geïntegreerd wordt en die over een AS-i netwerk met elkaar verbonden zijn. In tegenstelling tot de parallelle bedrading bij de conventionele opbouw, merkt men hier maar twee kabels op die de elektrische kast verlaten: een voedingskabel of voedingsbus en een AS-i-buskabel. Uit dit voorbeeld is duidelijk op te merken dat door gebruik te maken van AS-i en decentrale frequentiesturingen, al dan niet geïntegreerd in het motorhuis, de elektrische kastenbouw en de kabelboom een serieus stuk geminimaliseerd worden. Eveneens wordt het nu mogelijk de installatie modulair en eenvoudiger op te bouwen, en dit met een kortere opbouw en indienststellingstijd. De link tussen AS-i en frequentiesturing kan gebeuren door een frequentiesturing te kiezen met een directe aansluitmogelijkheid voor AS-i, of door gebruik te maken van AS-i slavemodules. Dit laatste zullen we verder uitdiepen.
AS-i-slaves
Bihl+Wiedemann, in België officieel verdeeld door Multiprox, toonde op Hannover Messe verschillende AS-i-slave modules in verschillende IP-klassen als interface om de frequentieregelaar in het AS-i-netwerk te hangen. Ze worden meestal ingebouwd in een klein kastje in de nabijheid van de motor, tezamen met de thermische beveiliging en de frequentiesturing, wanneer deze niet in de motor geïntegreerd is. Wanneer men natuurlijk opteert voor een AS-i-slave met een hoger IP-klasse, bijvoorbeeld IP65, dan kan deze gewoon mee in het veld gezet worden zonder het te moeten inbouwen. De toepassing van deze modules ligt vooral in magazijn- en transportsystemen, vul- en verpakkingsmachines.
Functionaliteit
De AS-i-slavemodule van Bihl+Wiedemann die voor de frequentieregelaar gebruikt wordt, heeft vier in- en vier uitgangen, evenals een seriële interface voor de communicatie met de frequentieregelaar. Het desbetreffende protocol van de frequentieregelaar zit geïntegreerd op de slavemodule en de seriële communicatie tussen slave en frequentieregelaar gebeurt op de achtergrond. Dit betekent dat de gebruiker via zijn sturingsprogramma de AS-i-slave ziet als een doodgewone in- en uitgangsmodule. Zoals bij de AS-i wordt ook de frequentieregelaar aangesloten met een tweedraadsleiding. Verschillende merken van frequentieregelaars kunnen worden aangesloten door middel van deze interface.
De praktijk
Hoofdzakelijk worden poolomschakelbare motoren ingezet met een frequentiesturing, al dan niet geïntegreerd. Voor een aantal toepassingen is het gebruik van het AS-interface voorbestemd: door het zetten van een aantal bits in de PLC kunnen verschillende toerentallen en snelheden gerealiseerd worden. De aansluiting is zo voorzien dan in normaal bedrijf over de 4 AS-i-slave-uitgangsbits tot zeven instelwaarden van de frequentieregelaar zoals de draairichting etc. kunnen aangestuurd worden. Gelijktijdig worden dan via de 4 ingangsbits van de slave statussen van de regelaar aan de PLC doorgegeven. Dit maakt het mogelijk een uitlezing te krijgen van de diagnosemeldingen van de frequentieregelaar. Communicatiestoring tussen de regelaar en de slave worden eveneens vastgesteld en aangegeven. In vele gevallen is er bij een installatie niet enkel spraken van een sturing en een motor, maar wordt er ook gebruik gemaakt van een of twee binaire sensoren in de nabijheid van de motor, die bijvoorbeeld een stuk op het einde een transportband detecteren, waardoor de band dient over te schakelen naar traaggang. Dit is natuurlijk een hapklare brok voor de AS-i-slave, die zo geparametreerd kan worden dat deze binaire ingangen over de seriële interface en de AS-i aan de PLC-sturing kunnen doorgegeven worden.
Snellere back-up
Een ander criterium bij het uitvoeren van een automatiseringsconcept is het snel kunnen ontdekken en oplossen van fouten. Van op afstand kunnen meerdere parametersets van de frequentieregelaar in de AS-i-slave permanent opgeslagen worden, waardoor het uitwisselen van frequentieregelaars na defect in een kortere tijd kan geschieden. De defecte regelaar wordt vervangen door een nieuwe, waarna hij door een snelle download geparametreerd wordt.
Flessenfabriek
Een perfect voorbeeld om het gebruik en voordeel van AS-i in de aandrijfwereld aan te tonen is een flessenfabriek, waar het trouwens al een aantal malen werd toegepast. Hier worden de flessen na het eigenlijke fabricageproces door meerdere stations getransporteerd totdat zij verpakt en gepalettiseerd worden. Het transport gebeurt over een aantal transportbanden met op elkaar afgestemde loopsnelheden. Afhankelijk van de bestelling worden er verschillende soorten flessen geproduceerd en op de banden getransporteerd, waardoor er nood is aan een flexibele installatie. Concreet betekent dit dat de sturing zo geprogrammeerd is dat het aantal te produceren flessen evenals de flesdiameter telkens ingegeven dient te worden. Afhankelijk van deze gegevens worden de verschillende bandsnelheden berekend. Deze snelheden worden dan via het analoge protocol van AS-i en de slave aan de desbetreffende regelaars doorgegeven. Deze slave-modules maken het mogelijk de ganse installatie op basis van AS-i op te bouwen.
Waarom geen veldbus van hogere orde?
Deze installatie zou even goed en efficiënt zijn door gebruik te maken van een veldbussysteem van hogere orde zoals Profibus of Interbus. De nadelen hierbij zijn toch enerzijds de hogere componentkosten en anderzijds het feit dat de binaire signalen over een I/O-blok van minimum 8 I/O’s per blok aangesloten dienen te worden ook al heeft men er maar een van nodig. Dit zou eveneens een stap terug zijn in de richting van parallelle bedrading, wanneer men een aantal sensoren rechtstreeks op AS-i kan aansluiten.Ander alternatief is om de frequentieregelaars via een hoger bussysteem te verbinden en de binaire signalen door middel van gateways van AS-i naar het hoger bussysteem te leiden. Eveneens weegt het kostenplaatje van deze oplossing niet op tegen de complete AS-i-oplossing.
Conclusie
Het AS-interface, dat origineel opgezet is om binaire sensoren en actuatoren te verenigen in een netwerk, biedt met de aansluitingsmogelijkheden voor frequentieregelaars ook de mogelijkheid in combinatie met decentraal ingezette frequentieregelaars, al dan niet in de motor geïntegreerd, nieuwe installatiestructuren op gebied van de aandrijftechniek te realiseren. Grote voordeel van het gebruik van AS-i in de aandrijfwereld ligt vooral op gebied van bedrading.
AS-i is slechts één van de veldbussystemen die Multiprox (lid van de vzw AS-interface Belgium) in België verdeelt.
www.multiprox.be
AS-i sur le régulateur de fréquence
réduit les frais d’installation
L’interface AS-i est depuis quelques années une valeur sûre au niveau le plus bas du terrain, mettant en réseau les capteurs et actionneurs binaires. Nonobstant cela, la technique d’entraînement électrique des installations industrielles a souvent recours aux techniques classiques. La combinaison sensée des régulateurs de fréquence et de l’interface AS-i ne peut plus se faire attendre. Explications. La meilleure façon de présenter l’utilisation de l’interface AS-i avec des régulateurs de fréquence est de partir d’un exemple.
La première figure présente une ligne de production comprenant douze entraînements de convoyeurs, chacun équipé d’un entraînement à vitesse variable. L’alimentation du convertisseur de fréquence vers le moteur est classique. Le câblage individuel de chaque convertisseur de fréquence, qui part de l’armoire d’installation centrale vers chaque moteur individuel, se reconnaît clairement. La taille de l’armoire d’installation centrale dans laquelle sont hébergés les modules d’E/S nécessaires au PLC ainsi que tous les régulateurs de fréquence, y est directement liée.
Construction avec AS-i
La deuxième figure montre la même installation avec un câblage alternatif. Dans ce cas, le régulateur de fréquence est utilisé de façon décentralisée ou intégré dans le moteur et relié par un réseau AS-i. Contrairement au câblage parallèle de la construction classique, nous n’apercevons ici que deux câbles partant de l’armoire électrique : un câble d’alimentation appelé aussi bus d’alimentation et un câble bus AS-i. Cet exemple nous montre clairement que l’utilisation d’AS-i et de convertisseurs de fréquence décentralisés, intégrés ou non dans le boîtier du moteur réduit considérablement la construction des armoires électriques et le toron de câble. La construction de l’installation devient modulaire et gagne en simplicité. Résultat : un gain de temps en termes de construction et de mise en service. L’AS-i peut être relié au convertisseur de fréquence en choisissant un variateur de fréquence permettant un raccordement direct à l’AS-i ou en utilisant des modules esclaves AS-i. Nous allons approfondir ce dernier point.
Esclaves AS-i
Bihl+Wiedemann présentait à la foire d’Hanovre différents modules esclaves AS-i dans différentes classes IP permettant de raccorder un régulateur de fréquence au réseau AS-i. Ces esclaves sont généralement intégrés dans une petite armoire à proximité du moteur, avec la protection thermique et le régulateur de fréquence, lorsque celui-ci n’est pas intégrée au moteur. Si l’on opte naturellement pour un esclave AS-i d’une classe IP supérieure, par exemple IP65, celui-ci peut être placé simplement sur le terrain sans nécessiter de mise en coffret. Ces modules sont surtout utilisés dans les systèmes de magasin et de transport ou dans les machines de remplissage et d’emballage.
Fonctionnalité
Le module esclave AS-i de Bihl+Wiedemann, utilisé pour un régulateur de fréquence, a quatre entrées et sorties ainsi qu’une interface série afin de communiquer avec le régulateur de fréquence. Le protocole du régulateur de fréquence est intégré sur le module esclave et la communication sérielle entre l’esclave et le régulateur de fréquence se fait à l’arrière plan. Cela signifie que l’utilisateur considère l’esclave AS-i au travers de son programme de commande comme un simple module d’entrée et de sortie. A l’instar de l’AS-i, le régulateur de fréquence est également raccordé par un câble à deux fils. Différentes marques de régulateurs de fréquence peuvent être raccordées à l’aide de cette interface.
La pratique
Ce sont surtout des moteurs à commutation de pôles qui sont utilisés avec un variateur de fréquence, intégré ou non. L’utilisation de l’interface AS-i est prédestinée à plusieurs applications : en modifiant quelques bits dans le PLC, il est possible de réaliser différents régimes et vitesses. Ce raccordement permet de modifier, en fonctionnement, jusqu’à sept valeurs de réglage du régulateur de fréquence, comme par exemple le sens de rotation, avec les 4 bits de sortie des esclaves AS-i. Simultanément, les états du régulateur sont transmis au PLC via les 4 bits d’entrée de l’esclave. Ceci permet un affichage du diagnostic du régulateur de fréquence. Les perturbations de communication entre le régulateur et l’esclave sont également constatées et communiquées. Outre la commande et le moteur, une telle installation nécessite souvent un ou deux capteurs binaires à proximité du moteur. Ceux-ci peuvent alors par exemple détecter une pièce à la fin du convoyeur, impliquant la nécessité de ralentir le convoyeur. Ces capteurs sont tout naturellement câblés sur l’esclave AS-i, qui peut être paramétré afin que ces entrées binaires puissent être transmises au travers de l’interface sérielle et de l’AS-i à la commande PLC.
Sauvegarde plus rapide
Un autre critère étudié lors de la réalisation d’un concept d’automatisation est la détection et résolution rapide d’erreurs. Plusieurs sets de paramètres du régulateur de fréquence peuvent être stockés en permanence dans l’esclave AS-i, permettant l’échange rapide de régulateurs de fréquence en cas de panne. Le régulateur défectueux est remplacé par un nouveau. Il est ensuite paramétré grâce à un téléchargement rapide.
Usine de bouteilles
Un exemple parfait démontrant l’utilisation et l’avantage d’AS-i dans le monde de l’entraînement est l’usine d’embouteillage où il a d’ailleurs déjà été utilisé à plusieurs reprises. Ici, les bouteilles sont transportées après le processus de fabrication à travers plusieurs stations jusqu’à ce qu’elles soient emballées et palettisées. Le transport se déroule sur plusieurs convoyeurs à des vitesses d’avance synchronisées les unes aux autres. Selon la commande, on produit et transporte différents types de bouteilles, ce qui requiert une installation flexible. Concrètement, la commande est programmée de telle façon qu’il faut systématiquement introduire le nombre de bouteilles à fabriquer et le diamètre de la bouteille. Ces vitesses sont ensuite transmises par le biais du protocole analogique de l’AS-i et de l’esclave aux régulateurs concernés. Ces modules esclaves permettent la construction de toute l’installation sur la base de l’AS-i.
Pourquoi ne pas recourir à un bus de niveau supérieur ?
Cette installation serait tout aussi bonne et tout aussi efficace si elle utilisait un système de bus de niveau supérieur comme Profibus ou Interbus. Néanmoins, cela entraîne des inconvénients tels que le coût supérieur des composants et la modularité des blocs. En effet, même si l’application ne nécessite qu’un seul signal, il est nécessaire de recourir à des blocs d’E/S comprenant au minimum huit signaux binaires. Ceci pourrait également constituer une tendance à un retour vers le câblage parallèle, alors qu’il est possible de raccorder directement les capteurs sur l’AS-i. Une autre alternative consiste à relier les régulateurs de fréquence à un bus plus évolué et à récupérer les signaux binaires au moyen de passerelles de l’AS-i vers le système de bus supérieur. Le prix de cette solution n’est toutefois pas avantageux par rapport à la solution AS-i complète.
Conclusion
L’interface AS-i, développée au départ pour récupérer les capteurs et actionneurs binaires sur un réseau, permet, grâce aux possibilités de raccordement des régulateurs de fréquence, de réaliser de nouvelles structures d’installation en matière de technique d’entraînement, en combinaison avec des régulateurs de fréquence décentralisés, intégrés ou non au moteur. L’utilisation d’AS-i dans le monde de l’entraînement est surtout intéressante en matière de câblage.
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