挑選工業自動化設備時，有哪些重要考量因素？

要挑選最佳的工業自動化設備 (如馬達、驅動器和通訊模組等)，需謹慎留意細微之處。例如，北美的美國電氣製造商協會 (NEMA) 和歐洲的國際電工委員會 (IEC)，在馬達與驅動器額定值方面差異甚大。

挑選馬達、驅動器和控制器時，要考慮輸入和輸出電壓與容差、所需的速度範圍與調節需求、扭矩要求、加速、制動工作週期、快速或扭矩響應等特殊需求以及包含熱管理等環境因素。

通訊需求會因設備在工業控制階層中的位置而有所不同。離廠區邊緣最近的層級，IO-Link 等協定可用於智慧型感測器與致動器，而 EtherCAT、PROFINET、Modbus 和其他協定則可連接動作、安全、I/O 和視覺。

工廠自動化網路的最高層級通常使用乙太網路/IP 來連接各種自動化控制器、編程介面和雲端，也常利用 DisplayPort 等協定來連接人機介面 (HMI)。至於其餘層級，則可搭配使用乙太網路/IP、EtherCAT 和其他協定，以便將廠區的現場層級連接到運作與控制層級。

由於細節過於龐雜，無法在單一討論說明清楚。本文著重說明在指定馬達、驅動器和通訊模組時應考慮的數個準則，並介紹 Siemens、Phoenix Contact、Omron Automation、Panasonic Industrial、Schneider Electric 的應用、硬體與協定範例。

轉移焦點

許多工業自動化系統中都可見馬達與驅動器的身影。為了幫助您深入瞭解，本討論將首先從工業自動化系統效能的眾多考量因素中說明馬達效率的適用性，並解釋相關的考量重點如何發生變化。

使用效率較高的馬達時，節能率可高達 6%。這固然非常不錯，但若加入高效率驅動器及其他支援元件，節能率可提升 30% 之多。

當重點轉移至整體系統最佳化時，才會出現截然不同的關鍵因素。若將所有機械元件都納入考量，並增添通訊以和工業物聯網 (IIoT) 接軌，包括運作與工廠層級，最終再連結至企業層級和雲端，節能率可高達 60%，並提高生產力 (圖 1)。

圖 1：提升整合與通訊水準，進而增強節能並提高生產力。(圖片來源：Siemens)

馬達系統的生態設計

IEC 61800-9 第 2 部分「馬達系統的生態設計 - 能效測定和分類」可成為重要資源。其不僅僅著重馬達效率，也詳述「電動馬達驅動式系統」的一系列高階效能因素。VFD 可視為完整驅動模組 (CDM) 的一部分；其中 CDM 包括 AC 輸入「饋送部分」、「基本驅動模組」(BDM) (例如 VFD) 以及「輔助元件」(包括輸入和輸出濾波器、線路扼流圈及其他支援元件)。

上述標準還將動力驅動系統 (PDS) 定義為 CDM 與馬達的組合。接著對於層級而言，上述標準將馬達系統描述為 PDS 加馬達控制設備，例如接觸器。

最高層級是延伸產品，抑或圖 1 中的整體系統，其中新增變速箱和負載機等機械驅動設備。若要詳細瞭解 IEC 61800-9-2 PDS 效率標準，請參閱文章《可調速工業馬達驅動器有哪些不同類型？》

指定「電動馬達驅動式系統」時，得先指定馬達。

馬達的重要性

只要正確指定和使用電動馬達，即能達到高效率。因此，指定馬達是機器設計人員的重要任務。

IEC 以 kW 作為馬達功率的量化單位，NEMA 則使用馬力 (hp)，兩者可輕鬆進行換算。不過，IEC 和 NEMA 使用不同的效率計算，同一馬達設計的 IEC 銘牌效率，可能會稍微高於 NEMA 額定值。

實際馬達效率與特定使用案例息息相關。因此，馬達效率標準通常會從減少能源損耗角度而非絕對效率進行討論。

IEC 60034-30-1 為馬達效率訂定五個等級，即 IE1 到 IE5。兩級之間的能源損耗下降 20%，以此類推。也就是說，IE5「特超高優級 (Ultra Premium)」馬達的損耗比 IE4「超優級 (Super Premium)」馬達低 20%。還有更多層面需要考慮。在某些情況下，馬達的效率越高，其功率因素 (PF) 便會下降。

在北美，NEMA 的能效等級較少，但重要性不相上下。NEMA 認可 IEC 標準中未包含的馬達使用係數 (SF)。一個 SF 為 1.15 的 NEMA 馬達，能在 115% 的額定蓄電量下連續運作，不過運作溫度較高，可能會縮短軸承和絕緣層的壽命。

有別於 SF，IEC 根據連續運作與間歇性運作的差異、速度變化和制動使用等考量因素，確定十種使用週期或使用係數 (S1 至 S10)。

NEMA 和 IEC 的工作電壓及頻率範圍各不相同，但皆以「每單位」(p.u.) 量化單位表示。在 p.u. 系統中，量值以基值的分數表示。NEMA 可識別一個範圍內的馬達電壓與頻率。IEC 則是分為兩個「區域 (zone)」(圖 2)。

圖 2：NEMA 和 IEC 的工業 AC 電壓與頻率範圍的比較。(圖片來源：NEMA)

推動 PDS 效率

馬達驅動器是 IEC 61800-9-2 中定義的 PDS 效率的關鍵要素。此驅動器能以幾種方式分類，例如馬達電壓、功率位準、動作類型、支援的應用等等。動作類型可分為連續型和非連續型。另外，根據所需的最大功率輸出，還能進一步分為低效能、中效能和高效能。

驅動器種類繁多，可支援不同的系統需求。當機器人等應用需要快速加速、減速和精確定位時，非常適合使用伺服驅動器和伺服馬達。軟啟動器適用於連續型操作，例如輸送帶，有助順暢啟動和平穩減速。VFD 則廣泛應用於各種工業機器。

某些 VFD 產品系列，針對泵送、通風、壓縮、移動或處理等操作經過最佳化。Siemens 的 SINAMICS G120 系列通用驅動器的額定功率為 0.55 至 250 kW (0.75 至 400 hp)，適用於汽車、紡織和包裝操作的一般工業應用。

6SL32203YE340UF0 型號採用三相電源，工作電壓為 380 至 480 Vac + 10%/-20%。在歐洲，此型號指定用於電壓為 400 V、馬達額定功率為 22 至 30 kW 的作業；在北美，則指定用於電壓為 480 V、馬達額定功率為 30 至 40 hp 的作業 (圖 3)。

圖 3：這款 VFD 能搭配額定功率為 22 至 30 kW 的馬達一起使用，視實際工作電壓而定。(圖片來源：DigiKey)

VFD 並非高效率 PDS 設計的唯一關鍵要素。《哪些支援產品可以讓 VFD 和 VSD 發揮最佳效果？- 第 1 篇》文章中，探討一些必要的支援元件。

通訊和系統最佳化

馬達與驅動器雖然位於廠區的第 1 層級 (或現場層級) 上，但其並非工業 4.0 通訊階層的最低層級。該位置位於感測器和致動器等功能層級 (第 0 級)。此外，現場層級上方還有許多層級。要讓工業 4.0 工廠的整體效率、生產力和永續性達到極致，從通訊階層至雲端層級之間上下通訊皆須及時且高效率。使用以下協定，助雲端連線一臂之力 (圖 4)：

• uOPC PubSub Bridge 整合多個操作技術 (OT) 資料流。
• MOTT BRoker 會接收訊息，並根據訊息主旨將訊息轉寄給使用者。

圖 4：工業 4.0 通訊階層的所有階層皆能直接連線至雲端。(圖片來源：OPC Foundation)

第 1 級不光只有驅動器和馬達。現場匯流排主控裝置單元 (FMU) 能促進通訊，並簡化驅動器和其他元件的整合。FMU 可用於各式協定，包括 PROFINET、PROFIBUS、DeviceNet、CANopen 等。FMU 能進行獨立連線，不受任何製造商影響。

Panasonic 的 AFP7NPFNM 型號即為一種 PROFINET FMU。此型號隨附編程軟體的整合式函數庫，能大幅縮短開發應用解決方案所需的時間。

第 0 級 - 感測器、致動器與安全性

要提高 VFD 的 PDS 節能效益，必須將連線能力降到第 0 級。在第 0 級整合感測器、致動器和安全裝置 (例如光幕)，能顯著提高效率，並將節能率提升 30% 以上。

用於連接第 0 級功能的常見協定，包括 DeviceNet、HART、Modbus 和 IO-Link。IO-Link 是一種點對點協定，可將感測器及致動器連接到更高階的控制。此協定分為有線或無線標準，且越來越常作為一種具成本效率的替代方案部署於工業 4.0 活動。

Omron 的 NX-ILM400 IO-Link 主控裝置單元，能混合使用標準 I/O 與高速同步 I/O。標準數位 I/O 每個單元有 16 個連接，並提供如下選擇 (圖 5)：

• 四個 3 線感測器連接，附帶電源供應器
• 八個雙線觸點輸入或致動器輸出
• 十六個單線連接，用於連至共用電源供應器的感測器和致動器

圖 5：這款 IO-Link 主控裝置單元支援標準與高速同步 I/O。(圖片來源：Omron Automation)

第 2 級 - PDS 及以上層級

高階通訊不僅能改善現場層級的操作品質，更是最大程度提升效率與生產力的必要條件。從 2 級到 3 級、4 級和雲端層級，皆必須採用乙太網路/IP、EtherCAT 和 Modbus TCP/IP 等協定。

可編程邏輯控制器 (PLC) 或工業個人電腦 (IPC) 等設備，都能用於建立這些連接。PLC 是一種針對工業自動化和控制進行最佳化的電腦。在典型應用中，PLC 會監測機器和相關感測器的輸入、根據其編程做出決策，並傳送控制輸出。

雖然 IPC 能執行類似 PLC 的功能，但其是更為通用的裝置。IPC 可執行 Linux 或 Windows 等作業系統，因此能存取一系列軟體工具，也常連接至 HMI (許多 PLC 也能連至 HMI)。PLC 往往以機器為主，IPC 則具備更多操作功能。

PLC 和 IPC 之間的差異愈趨模糊。例如，Phoenix Contact 的 1069208 PLC 可執行 Linux 作業系統。與傳統 PLC 一樣，此元件也能以符號流程圖 (SFC)、階梯圖 (LD)、功能方塊圖 (FBD) 和結構式文件編程語言 (ST) 進行編程。此元件配有三個獨立的乙太網路介面，並能連至 PROFICLOUD。

對於能從 IPC 獲益的應用，Schneider Electric 提供 HMIBMIEA5DD1E01 IIoT Edge Box。這款無風扇設計，內含執行頻率為 1.8 GHz 的 Intel Atom Apollo Lake E3930 雙核心處理器。其配有一個 mini PCIe 擴充槽和九個通訊埠 (圖 6)。

圖 6：這款無風扇 IPC 配有 mini PCIe 擴充槽和多個通訊選項。(圖片來源：Schneider Electric)

結論

本文簡要概述設計人員在為工業 4.0 設備指定馬達、驅動器和通訊模組時，應考慮哪些準則。以上所列並非詳盡無遺，僅為引發思考，並提供一些可幫助進一步研究的資源。