如何快速設計並部署 IIoT 就緒機器

快速設計和部署可立即整合至工業物聯網 (IIoT) 的機器並非易事。支援 IIoT 的機器必須能為「機器對機器」、「機器對工廠」，以及「機器對雲端」的通訊和協作，支援快速試運轉，

這需要全面的解決方案才能做到。需要包括一套完整的控制、介面和通訊模組。可擴充性必不可少。安裝作業需要簡便，以便快速部署。最後，還必須能輕鬆整合到多廠商環境中，以支援舊型設備。

這麼做的回報是，在機器的整個生命週期內，提高企業組織所有層級的營運效率。

本文將探討 Schneider Electric 的馬達控制選品項，說明為設計人員提供的多種端對端自動化解決方案。接著介紹 Altistart 軟啟動器、Altivar 驅動器、Modicon 乙太網路交換器，以及可編程邏輯控制器 (PLC)、Harmony 控制繼電器和 PowerPacT 斷路器的特點及優勢。

然後詳細說明 TeSys 孤島系統元件如何支援全面的解決方案，並與 Rockwell Studio 5000 和 Siemens TIA Portal 環境輕鬆整合，以支援老式機器。最後再說明 Schneider Electric 的 EcoStruxure Machine Expert 軟體如何加快 IIoT 就緒機器的開發、設定和試運轉。

動作是工業機器的基本特徵。動作有多種實作方式，包括幫浦、輸送機和起重機等系統中的簡單動作軌跡，到製程和組裝操作及機器人當中的複雜動作軌跡。

具有簡單動作軌跡的機器，可以運用 Altistart 軟啟動器系列等軟啟動器的功能。Altistart 軟啟動器支援以下功能：

• 受控的加速則可減少機械衝擊，以避免因磨損和撕裂導致增加維護需求和機器停機時間
• 限制湧入電流，以降低能源使用量
• 保護馬達免受啟動期間可能產生的電力突波影響，延長馬達使用壽命
• 偵測馬達堵轉、欠載或接地不正確等故障，向機器操作人員傳送警報，進而提高可靠性

不需要高起動轉矩的基本機器可選擇採用 ATS01 系列軟啟動器。啟動 BOOST 邏輯輸入後，可在 200 ms 的時間內施加等於 100% 額定馬達電壓的升壓，以克服系統啟動時的初始機械摩擦。升壓後，可編程電壓也會開始隨之上升。

ATS01N232RT 型號適用於軟啟動和停止高達 15 kW (20 hp) 的三相非同步馬達，而加速和減速時間則為 1 至 10 秒。本產品經過最佳化，適合用於幫浦、壓縮機和風扇等簡單的皮帶驅動式應用，操作範圍則為 440 V_AC 至 480 V_AC。控制項位於前面板上，可用於設定安裝和試運轉的啟動時間、初始電壓和停止時間。

對於更高要求的製程和基礎設施機器 (如混合器、壓碎機、輸送機)，設計人員可選擇採用 Altivar ATS480 系列軟啟動器。較簡單的軟啟動器採用電壓斜坡，ATS480 軟啟動器則使用較緩和的轉矩斜坡，並可實作制動功能。

ATS480C11Y 型號的工作電壓範圍為 208 V_AC 至 690 V_AC (圖 1)。此型號可搭配 22 至 90 kW (25 至 100 hp) 的馬達一起使用，依馬達電壓而定，且具有一個含 RJ45 連接器的 Modbus 序列通訊連接埠。選配的通訊卡可用於 Profibus、PROFINET、Modbus TCP/乙太網路/IP 和 CANopen。

圖 1：Altivar 軟啟動器旨在與 22 至 90 kW 的非同步馬達搭配使用。(圖片來源：DigiKey)

驅動更先進的機器

若搭配 Altivar 320 系列變頻器 (VFD) 及額定功率為 0.18 至 15 kW (0.25 至 20 hp) 的裝置，可支援先進機器的複雜動作軌跡，用於物料搬運、包裝、紡織、起重、機械致動器及物料加工等相關應用。ATV320U75M3C 的額定功率為 7.5 kW，操作電源電壓為 200 V_AC 至 240 V_AC。

為加快設定和試運轉速度，這些驅動器配備 150 種函數，均是標準且可客製化的設定。其中包括適用於物料搬運、紡織品、起重和機械致動器等應用的專用功能。

Altivar 320 VFD 可高效能控制非同步和永磁馬達，其中包括極低速度下的轉矩和轉速準確度，以及在無感測器磁通向量控制下的動態動作。當這些 VFD 與三相同步和非同步馬達搭配使用時，則具備以下功能：

• 支援高速馬達
• 開迴路同步馬達的靜態轉速準確度
• 靈活的系統整合選項，包括乙太網路、CANopen、Profibus、EtherCAT、DeviceNet 等
• 符合功能安全性標準的整合式安全功能
• 小型和書本型尺寸的驅動器，具有 IP20 到 IP66 的防護等級，可以整合至不同類型的機櫃中 (圖 2)

圖 2：Altivar 320 VFD 具有各種尺寸，可簡化安裝，並讓設備機櫃達到最佳空間利用率。(圖片來源：DigiKey)

高效能多軸機器

Modicon 乙太網路交換器和可編程邏輯控制器 (PLC) 可以支援高效能設計，從單一獨立軸到高效能同步多軸機器，而這些機器需要像機器人一樣，可進行高轉速精確定位和移動。

這些 IIoT 原生邊緣控制器可使用訊息佇列遙測傳輸 (MQTT)、開放平台通訊統一架構 (OPC UA) 伺服器和用戶端以及傳輸層安全性 (TLS) 加密，直接連接到雲端，並具有嵌入式安全性和網路安全功能。雙乙太網路連接埠可支援乙太網路/IP 和 Modbus TCP 協定。另外還有 RS232 和 RS485 連接埠、一個 USB 連接埠和一個 SD 卡插槽。

TM262L 控制器可用來對多個輸入／輸出配置進行邏輯控制，包括四個快速數位輸入和四個快速數位輸出。TM262L10MESE8T 型號的執行速度為每個指令 5 ns。此款雙核心處理器可高效率管理並聯應用與通訊 (圖 3)。

圖 3：此 Modicon M262 PLC 可提供 IIoT 就緒的「機器對雲端」和「機器對工廠」的乙太網路連接。(圖片來源：DigiKey)

Modicon M262 系列上的 TM4 匯流排可支援多達 3 個通訊擴充模組。Profibus DP (TM4PDPS1) 和乙太網路 (TM4ES4) 擴充模組可以多種組合方式使用，最多可達三個模組。

阻止異常

有時候，必須對機器 (包括 IIoT 就緒機器) 進行保護，以避免發生異常狀況。此時便要藉助 Harmony 控制繼電器。這類繼電器可監控電氣與機械狀況，並能識別與電流、電壓、相位、頻率、轉速、溫度、幫浦控制，甚至液位相關異常狀況。

快速準確地識別異常狀況可以延長運作時間，減少與泵送、水處理、起重和升降等應用、包裝系統以及紡織機器相關的非排程維護需求。Harmony 控制繼電器具備眾多功能，可滿足特定的應用需求。

RMNF22TB30 型號是一款三相繼電器，內建近場通訊 (NFC) 功能。此型號可以監控七個參數：欠相、相位序列、非對稱、欠壓、過壓、欠頻、過頻。藉助 NFC 應用程式，設計人員可以使用 AND、OR 和 NOT 邏輯運算元，為兩個可單獨可設定的繼電器輸出建立客製化監控組合。

對於只需過壓監控的簡易型機器，設計人員可選擇採用 RM22UA21MR (圖 4)。此單相控制繼電器包括可選的記憶體功能，及指示控制狀態的內建 LED。藉助螺桿微調器，可進行簡單精確的閾值設定，並提供自動停機管理和故障資訊，以便快速識別故障並進行故障排除。

圖 4：單相過壓控制繼電器，切換容量為 2 kVA。(圖片來源：DigiKey)

基本防護

若應用需更基本的防護，則可以選擇採用額定電流為 15 至 125 A 的 PowerPacT 斷路器，有單極、雙極、三極和四極可供選擇。這些熱磁斷路器具有正極觸點指示，並提供符合 IEC/EN60947-1 和 IEC/EN60947-2 標準中適用「低電壓配電盤和控制裝置」的隔離要求。

BDF16020 型號是一款 20 A 單極裝置，且根據 UL 489，其額定操作電壓為 240 V_AC 50/60 Hz。其連續額定電流為最大額定值的 80%，且根據 IEC 60947-2 被分類成「服務熔斷」(圖 5)。VisiTrip LED 讀數可更輕鬆地查看外殼或面板中的哪個斷路器跳脫。此外，還具有 QR 碼，可用於存取資訊，包括說明手冊、零件編號和 CAD 圖檔。

圖 5：此類斷路器可提供正極觸點指示，並符合 IEC/EN60947 的隔離要求。(圖片來源：DigiKey)

整合式現場匯流排節點

TeSys 是一種數位 IIoT 連接負載管理解決方案，可在現場匯流排網路中充當一個整合節點，並包含實作 IIoT 就緒機器所需的模組。此解決方案採用多功能裝置和虛擬使用者，適用於負載高達 80 A 的工業應用，可加快設計、佈線和試運轉的時間。

TPRBCEIP 等匯流排耦合器是核心模組，可透過帶狀纜線提供與 TeSys 孤島模組的內部通訊。此模組也是 TeSys 孤島和外部自動化系統 (使用乙太網路/IP 或 Modbus TCP 通訊) 之間的連接點。嵌入式 Web 伺服器可支援診斷和維護。此伺服器包括一個乙太網路 RJ45 服務連接埠、一個 micro SD 卡連接埠，以及一個用於互連孤島模組的內部匯流排連接埠。典型設定包括 (圖 6)：

1. 匯流排耦合器
2. 類比輸入／輸出模組
3. 數位輸入／輸出模組
4. 電壓介面模組
5. 標準啟動器
6. 安全完整性等級 (SIL) 啟動器
7. SIL 介面模組
8. 電源介面模組

圖 6：TeSys 孤島中的組合裝置可充當現場匯流排網路中的單一節點。(圖片來源：Schneider Electric)

典型 TeSys 孤島模組包括：

• LC1DT406BL：40 A、4 極、常開型；TeSys Deca 接觸器符合 IEC60335-1，適用於工業與 HVAC 系統
• LC1G115EHEN：150 A (440 V_AC 下為 75 kW)、3 極、常開型；TeSys Giga 接觸器旨在與高要求應用搭配使用，其中運作速率最高可達每小時 600 個循環，工作溫度最高達 +60°C
• TPRDG4X2：數位 I/O 模組，具備四個數位輸入和兩個數位輸出，可管理最高可達 65 A (37 kW，40 hp) 的馬達及其他電氣負載。所有調整和設定都已數位化，且沒有機械刻度盤或 DIP 開關
• TeSys 孤島通訊馬達啟動器額定功率為 40 hp (480 V 下為 80 A)。這些 SIL 啟動器符合 IEC 61508、IEC 62061 和 ISO 13849-1 等要求，並支援 PL d 和 SIL 2

TeSys 孤島還支援全面的解決方案，並能與 Rockwell Studio 5000 和 Siemens TIA Portal 環境輕鬆整合，以支援舊式機器。

組合各個項目

在需要建置完整的機器時，設計人員可以選擇採用 EcoStruxure Machine Expert。該軟體解決方案可支援 IIoT 就緒機器的開發、設定、試運轉、操作和維護。

EcoStruxure Machine Expert 可以處理所有最新的 IIoT 機器建置組塊，包括 Modicon M262 PLC 和 TeSys 孤島數位負載管理系統。其旨在為機器提供最佳安全性、可靠性、高效率、連接性和永續性，並且利用 IIoT 的行動性、感測、雲端、分析和網路安全等多種解決方案，來完成這一複雜任務。

結論

IIoT 功能的機器與工業 4.0 的運作息息相關。設計、試運轉和整合這些機器相當複雜。Schneider Electric 為機器設計人員提供一套完整的裝置與軟體工具套件，以用於啟用 IIoT 的機器，進而提高企業組織所有層級以及機器的整個生命週期內的營運效率。