Comment la mise en service simple et agile des variateurs moteurs industriels peut améliorer la durabilité et la productivité

Les processus agiles sont une caractéristique des opérations logistiques et des usines de l'Industrie 4.0. De nombreuses applications exigent des moteurs et des variateurs de vitesse (VSD) répertoriés de 0,12 kilowatt (kW) à 30 kW (0,16 HP à 40 HP).

Les VSD destinés à ces applications doivent être faciles à installer et répertoriés pour fonctionner de -10°C à +60°C. Les variateurs plus grands doivent intégrer des hacheurs de freinage, et certaines applications nécessitent la conformité à la catégorie C1 de compatibilité électromagnétique (CEM) de la norme EN 61800‑3. Les VSD doivent être faciles à utiliser, fonctionner sur de larges plages de tension secteur et s'adapter automatiquement aux tensions secteur instables pour garantir un fonctionnement ininterrompu.

De nombreuses applications automatisent des séquences de mouvements simples et ne nécessitent pas d'automates programmables, mais peuvent être mises en service à l'aide de macros préprogrammées ou de dispositifs simples tels que des chargeurs de paramètres, des panneaux de commande BOP (Basic Operator Panel) ou des modules d'accès intelligents (Smart Access).

Enfin, ces VSD doivent être économiques à exploiter et inclure des fonctions intégrées d'économie d'énergie telles que la réduction de flux automatique en conditions de fonctionnement prédéterminées ainsi que la capacité de surveiller et d'afficher la consommation d'énergie en temps réel.

Cet article débute par une présentation de la famille de VSD SINAMICS V20 de Siemens et des fonctionnalités leur permettant d'améliorer la durabilité et la productivité. Il explique ensuite comment des macros préprogrammées et des dispositifs tels que les chargeurs de paramètres, les BOP ou les modules Smart Access peuvent prendre en charge une mise en service agile, un fonctionnement efficace et une maintenance continue.

Les variateurs SINAMICS V20 peuvent être utilisés directement sans modules supplémentaires ni contrôleurs externes. Le BOP intégré prend en charge la mise en service sur site. De plus, une interface série universelle peut être utilisée pour la connexion aux automates programmables (PLC) SIMATIC de Siemens pour des opérations complexes. L'interface Modbus peut se connecter à des PLC tiers et à d'autres dispositifs.

Pour les unités d'une puissance nominale supérieure à 10 HP, une résistance de freinage peut être connectée directement au hacheur de freinage, et certains modèles sont conformes à la catégorie CEM C1 de la norme EN 61800-3. Les variateurs SINAMICS V20 sont spécifiés pour un fonctionnement de -10°C à +60°C, et ils sont disponibles avec des puissances nominales de 0,12 kW à 30 kW. Les exemples incluent (Figure 1) :

• Le modèle 6SL32105BB175UV1, répertorié pour 0,75 kW, fonctionne sur une alimentation monophasée de 230 V_CA
• Le modèle 6SL32105BB230UV1, répertorié pour 3 kW, fonctionne également sur une alimentation monophasée de 230 V_CA
• Le modèle 6SL32105BE322CV0, répertorié pour 22 kW, fonctionne sur une alimentation triphasée de 400 V_CA

Figure 1 : Exemples de variateurs SINAMICS V20, 0,75 kW (à gauche) et 22 kW (à droite) (non à l'échelle). (Source de l'image : DigiKey)

Les modes de commande intégrés dans les variateurs SINAMICS incluent : volts scalaires par Hertz (V/f), multipoint V/f programmable, V²/f adaptant automatiquement le flux pour économiser de l'énergie, et contrôle de courant de flux (FCC) ajustant automatiquement la sortie du variateur à la charge.

Le mode de fonctionnement continu « Keep Running » s'adapte automatiquement pour compenser l'instabilité de l'alimentation secteur (Figure 2). Dans ce mode, les fluctuations de la tension secteur sont compensées en interne, la vitesse du moteur est automatiquement réduite pour éviter un arrêt imprévu et un message d'erreur est envoyé si nécessaire. Ce mode peut être particulièrement utile dans les applications immotiques telles que les pompes et les ventilateurs dans les usines de traitement de l'eau ou des eaux usées et les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC).

Figure 2 : Le mode Keep Running du SINAMICS V20 prend en charge le fonctionnement continu du moteur même en cas de perturbations sur l'alimentation secteur. (Source de l'image : Siemens)

Optimiser le rendement

Selon l'application, le rendement peut être augmenté en ajustant la vitesse du moteur au processus en cours. Par exemple, dans le cas des turbomachines comme les pompes, le fonctionnement à vitesse variable permet d'économiser jusqu'à 60 % d'énergie par rapport au fonctionnement à vitesse fixe.

Les variateurs SINAMICS V20 disposent d'un mode de contrôle optimisé en énergie (ECO) intégré pour un rendement accru. En mode ECO, le flux du moteur est automatiquement adapté au point de fonctionnement optimal.

Ces variateurs peuvent être réglés en mode hibernation, qui met le moteur hors tension tout en maintenant l'état en cours du variateur. Le mode hibernation réduit considérablement la consommation d'énergie tout en maintenant le variateur en état de redémarrer immédiatement en cas de besoin.

L'utilisation des fonctions intégrées de mise en cascade et d'équilibrage de l'énergie ci-dessous peut améliorer encore davantage le rendement énergétique :

La mise en cascade peut être utilisée dans les applications de pompes, de ventilateurs et de compresseurs à haut rendement qui utilisent plusieurs moteurs. La connexion et la déconnexion des phases à l'aide de cascades de puissance partiellement ou entièrement contrôlées peuvent augmenter le rendement global du système sans perte de performances.

L'équilibrage d'énergie à l'aide de variateurs couplés permet d'échanger de l'énergie via la liaison CC commune. Cet échange d'énergie direct entre les onduleurs peut minimiser les pertes de puissance globales du système et améliorer le rendement.

Le BOP sur les variateurs SINAMICS peut afficher la consommation d'énergie en temps réel. Un compteur d'économies d'énergie peut calculer la consommation d'énergie pendant le fonctionnement de la machine par rapport à un fonctionnement à vitesse fixe, permettant ainsi aux opérateurs d'affiner les processus et d'améliorer davantage les économies et la durabilité.

Améliorer la durabilité

Siemens a publié la déclaration Environmental Product Declaration (EPD) SINAMICS V20, y compris une évaluation de l'impact du cycle de vie (LCIA) basée sur la norme 14021 de l'Organisation internationale de normalisation (ISO), Marquage et déclarations environnementaux — Autodéclarations environnementales (Étiquetage de type II).

Cette évaluation LCIA est basée sur le modèle 6SL3210-5BE21-5UV0, répertorié pour 1,5 kW et une alimentation secteur triphasée de 380 V_CA à 480 V_CA. Elle prend en compte les impacts de la fabrication, de la distribution, de l'exploitation, de la mise hors service en fin de vie, et de l'élimination et du recyclage des variateurs SINAMICS V20. L'impact le plus important est lié à l'exploitation pendant la durée de vie estimée à 15 ans des variateurs. L'analyse repose sur 5000 heures de fonctionnement par an et trois points de fonctionnement (OP) :

• OP1 : 20 % du temps à 100 % de vitesse et 100 % de couple
• OP2 : 70 % du temps à 50 % de vitesse et 25 % de couple
• OP3 : 10 % du temps à 20 % de vitesse et 25 % de couple

Il a été estimé que l'utilisation du variateur produisait 1059,13 kg d'équivalent CO₂ sur 15 ans, tandis que la fabrication ne produisait que 40,6 kg d'équivalent CO₂, et que la mise hors service, l'élimination et le recyclage avaient permis de récupérer une partie des émissions de gaz à effet de serre équivalant à -3,6 kg d'équivalent CO₂.

Dans les opérations de l'Industrie 4.0, une mise en service rapide et flexible peut être un aspect important pour maximiser les économies d'énergie et la durabilité. Les utilisateurs disposent de plusieurs choix pour accélérer la mise en service des variateurs SINAMICS V20 afin de prendre en charge des changements rapides.

Mise en service agile avec des macros

La fonction de mise en service rapide permet de modifier simultanément quatre jeux de paramètres, notamment les données du moteur, les macros de connexion, les macros d'application et les paramètres importants. Les données du moteur commencent par la sélection des paramètres européens ou nord-américains (c'est-à-dire kW ou HP), de la tension nominale, du courant, de la puissance, de la fréquence, du rendement, etc.

Les macros de connexion et d'application sont des aspects particulièrement importants de la mise en service agile :

• Les macros de connexion incluent : identification du BOP comme seule source de contrôle ou activation du contrôle à partir des bornes PNP/NPN, vitesses fixes, entrée analogique, fréquence fixe, commande par bouton-poussoir externe, bouton-poussoir externe avec point de consigne analogique, contrôle PID avec référence d'entrée analogique, contrôle PID avec la référence de valeur fixe, contrôle USS et contrôle MODBUS RTU.
• Les choix de macros d'application incluent une pompe simple, un ventilateur, un compresseur et un convoyeur. Par exemple, les paramètres inclus dans la macro de pompe simple sont la fréquence minimum, le mode de contrôle, le point de consigne de fréquence d'inhibition, le redémarrage automatique et le temps de montée en puissance.

Les paramètres individuels tels que le point de consigne de fréquence, les fréquences minimum et maximum ainsi que les temps de montée et de descente peuvent être personnalisés lors d'une mise en service rapide. En plus d'accélérer la mise en service, l'utilisation de la fonction de mise en service rapide intégrée peut éliminer les erreurs dues à des réglages de paramètres incorrects, réduisant ainsi encore davantage les temps de déploiement.

Cloner des paramètres sur plusieurs variateurs

Une fois les jeux de paramètres finalisés, un chargeur de paramètres peut télécharger des jeux de paramètres entre le V20 et une carte SD. Le chargeur de paramètres et la carte SD peuvent être utilisés pour cloner des jeux de paramètres entre plusieurs variateurs. Les paramètres peuvent être téléchargés sur les variateurs avant même que ceux-ci ne soient livrés à l'usine, ce qui accélère encore le processus global de mise en service et réduit le besoin d'assistance technique.

En plus de l'emplacement de carte SD, le chargeur de paramètres V20 dispose d'un logement pour deux batteries primaires de type AA qui peuvent alimenter le variateur pendant le téléchargement des paramètres sans connexion à une source d'alimentation secteur. Le chargeur de paramètres V20 dispose également d'une interface Micro USB qui peut être connectée à une alimentation externe de 5 V_CC, éliminant ainsi le recours à des batteries primaires (Figure 3).

Figure 3 : Un chargeur de paramètres en option peut être utilisé pour télécharger les paramètres du variateur V20 sur une carte SD. Il permet le clonage rapide des paramètres sur plusieurs variateurs. (Source de l'image : Siemens)

BOP externe

Un BOP externe en option peut être utilisé pour le contrôle à distance des onduleurs V20. Le BOP externe est conçu pour être monté à l'extérieur de l'armoire d'équipements et relié à un module d'interface connecté au variateur. Le BOP externe et le module d'interface prennent en charge la connectivité RS232 et peuvent être reliés à l'aide d'un câble mesurant jusqu'à 3 m de long.

Avec un montage approprié, le BOP externe peut fournir des caractéristiques de boîtier IP54 et UL/cUL Type 1, ce qui permet de protéger le personnel contre l'accès à des tensions dangereuses et de protéger le variateur V20 contre des corps étrangers solides tels que la saleté et la poussière. Le BOP externe duplique l'interface BOP intégrée sur le V20 (Figure 4).

Figure 4 : Un BOP externe peut contrôler les variateurs V20 jusqu'à 3 m de distance et à l'extérieur de l'armoire de commande. (Source de l'image : Siemens)

Commande sans fil

Pour atteindre une flexibilité ultime lors de la mise en service, les utilisateurs peuvent se tourner vers le module SINAMICS V20 Smart Access (Figure 5). Le module Smart Access se connecte directement à l'avant du V20 et est un module de serveur Web avec connectivité Wi-Fi intégrée. Il prend en charge la mise en service basée Web et la surveillance des variateurs V20 à partir de dispositifs utilisateur tels qu'un ordinateur portable équipé d'un adaptateur réseau sans fil, une tablette ou un smartphone. Il peut être utilisé avec n'importe quel système d'exploitation et n'importe quel navigateur Web compatible HTML5 comme Chrome, Internet Explorer (IE) et Safari.

Figure 5 : Ce module Smart Access fournit une connectivité Wi-Fi pour la mise en service, le contrôle, la surveillance et le diagnostic des variateurs V20. (Source de l'image : DigiKey)

Le SINAMICS V20 Smart Access fournit un accès aisé au variateur, même dans une zone difficile d'accès. L'interface utilisateur graphique (GUI) intuitive et l'assistant de mise en service facilitent son utilisation. Le module Smart Access prend en charge le même assistant de configuration rapide que le BOP pour une mise en service simple et rapide, y compris :

• Saisie des données du moteur
• Activation des macros de connexion
• Sélection et activation des macros d'application
• Configuration des paramètres fréquemment utilisés

Le module Smart Access peut être configuré pour fournir des codes d'erreur par e-mail pour une surveillance directe à distance, et il comprend de nombreuses fonctionnalités de sécurité pour contrôler l'accès aux données et aux fonctions de commande. Smart Access fournit des fonctionnalités Web sans fil complètes, y compris :

• Mise en service rapide
• Paramétrage du convertisseur
• Fonctionnement du moteur en mode JOG/HAND
• Surveillance de l'état V20
• Diagnostic des défaillances et des alarmes
• Sauvegarde et restauration des données

Conclusion

Les variateurs SINAMICS V20 de Siemens mettent l'accent sur la durabilité et la flexibilité. Avec plusieurs modes de fonctionnement et fonctions d'économie d'énergie, ces variateurs peuvent maximiser le rendement dans de nombreuses applications de mouvements simples de 0,12 kW à 30 kW. Le mode Keep Running garantit le fonctionnement continu des infrastructures critiques telles que les installations de traitement de l'eau et des eaux usées et le CVC dans les systèmes immotiques. La flexibilité est prise en charge par les nombreuses possibilités de mise en service rapide grâce au BOP intégré, à un BOP à distance, à la connectivité sans fil avec le module Smart Access, aux macros d'application préprogrammées et à d'autres outils.