Hệ thống điều khiển động cơ thông minh: Cách chúng cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng, sức khỏe động cơ và bảo trì dự đoán

Một động cơ có thể chạy ổn định nhưng vẫn lãng phí năng lượng. Nó có thể hoạt động ở tốc độ tối đa khi quy trình chỉ cần đầu ra một phần, duy trì trong thời gian nhàn rỗi hoặc tiêu thụ nhiều năng lượng hơn theo thời gian do các sự cố cơ học hoặc quy trình. Đồng thời, nhiều nhà máy thu thập dữ liệu dòng điện, điện áp, sự cố và thời gian chạy mà không biến thông tin đó thành quyết định bảo trì hoặc kiểm soát hữu ích.

Đó chính là giá trị thực sự của hệ thống điều khiển động cơ thông minh. Bản thân "thông minh" không tiết kiệm năng lượng. Những cải tiến về tiết kiệm và độ tin cậy đến từ việc đo lường hoạt động của động cơ và quy trình, đưa ra quyết định điều khiển đúng đắn và thay đổi hành vi vận hành khi cần thiết.

Hướng dẫn này tập trung vào chuỗi thực tế đó: dữ liệu động cơ, chẩn đoán, hành động điều khiển, kết quả về năng lượng hoặc độ tin cậy và cuối cùng là lợi tức đầu tư.

"Điều khiển động cơ thông minh" thực sự có nghĩa là gì?

Điều khiển động cơ thông minh được hiểu rõ hơn là một nhóm khả năng hơn là một loại sản phẩm phổ quát. Tùy thuộc vào ứng dụng, hệ thống có thể sử dụng bộ khởi động mềm thông minh, bộ khởi động mềmbiến tần (VFD), một thiết bị quản lý động cơ thông minh hoặc kết hợp những thiết bị này với PLC và HMI.

Bộ khởi động mềm thông minh chủ yếu quản lý việc khởi động và dừng. Nó có thể giảm dòng điện khởi động và sốc cơ học, đồng thời nhiều kiểu máy còn bổ sung tính năng bảo vệ quá tải, chẩn đoán, thông tin sự kiện và liên lạc. Tuy nhiên, khi động cơ đạt tốc độ vận hành, động cơ thường chạy ở tần số dòng. Dòng khởi động giảm không nên tự động được coi là tiết kiệm năng lượng vận hành hàng năm.

VFD kiểm soát tần số và điện áp đầu ra, do đó nó có thể điều chỉnh tốc độ động cơ trong quá trình hoạt động bình thường. Đây là sự khác biệt quan trọng đối vớiứng dụng năng lượng. Nếu máy bơm, quạt, băng tải hoặc quy trình không luôn cần công suất tối đa thì VFD có thể thay đổi điểm vận hành động cơ để phù hợp với nhu cầu thực tế.

Một thiết bị quản lý động cơ thông minh có thể tập trung ít hơn vào tốc độ mà tập trung nhiều hơn vào khả năng bảo vệ, dữ liệu dòng điện và nhiệt độ, giờ vận hành, lịch sử lỗi và khả năng hiển thị mạng. Ví dụ: đối với băng tải-có tốc độ cố định, thông tin lỗi và quá tải tốt hơn có thể có giá trị hơn tốc độ thay đổi.

Thuật ngữ này có thể gây nhầm lẫn vì các nhà sản xuất không phải lúc nào cũng sử dụng "bộ điều khiển động cơ thông minh" theo cùng một cách. Chọn theo chức năng chứ không phải bằng từ "thông minh". Nếu bạn cần so sánh thiết bị sâu hơn, hãy xemBộ điều khiển động cơ thông minh và bộ khởi động truyền thống: Sự khác biệt, ứng dụng và hướng dẫn lựa chọn.

Chất thải năng lượng động cơ thực sự đến từ đâu

Trước khi chọn bộ điều khiển, hãy xác định nơi năng lượng đang bị lãng phí.

Chạy nhanh hơn quy trình yêu cầu

Máy bơm và quạt có nhu cầu thay đổi-là những ví dụ phổ biến. Động cơ có thể chạy ở tốc độ tối đa trong khi van hoặc van điều tiết hạn chế đầu ra. Quá trình này nhận được ít lưu lượng hơn nhưng động cơ vẫn hoạt động ở tốc độ gần như yêu cầu. Trong trường hợp quy trình cho phép điều khiển tốc độ-có thể thay đổi, việc thay đổi tốc độ động cơ có thể hiệu quả hơn việc tạo ra công suất vượt mức và hạn chế nó sau đó.

Động cơ quá khổ hoặc thiếu tải

Công suất trên bảng tên cho bạn biết công suất của động cơ chứ không phải tải thực tế trong mỗi giờ hoạt động. Một động cơ dành phần lớn thời gian hoạt động của nó với tải nhẹ có thể cần được xem xét kỹ hơn. Hiện tại, công suất, tốc độ sản xuất và đặc tính tải phải được đánh giá cùng nhau trước khi quyết định xem việc thay đổi kích thước hoặc điều khiển có hợp lý hay không.

Giờ hoạt động không cần thiết

Không phải mọi khoản tiết kiệm đều yêu cầu VFD. Một băng tải nhàn rỗi, máy bơm dự phòng hoặc quạt thông gió có thể chạy lâu hơn mức cần thiết. Lập kế hoạch, cho phép, khóa liên động và logic nhu cầu của PLC có thể loại bỏ thời gian chạy không cần thiết. Ở một số nhà máy, hành động kiểm soát năng lượng tốt nhất chỉ đơn giản là dừng thiết bị khi quy trình không cần thiết.

Sự cố cơ học hoặc quy trình

Ma sát vòng bi, tắc nghẽn, lệch trục hoặc tăng điện trở quá trình có thể làm tăng dòng điện hoặc công suất động cơ cho cùng một công suất sản xuất. Chỉ số cao hơn không chứng minh được lỗi cơ học cụ thể nhưng xu hướng lặp lại trong các điều kiện vận hành tương đương là lý do để điều tra.

Chức năng động cơ thông minh nào trực tiếp tiết kiệm năng lượng?

Một trong những điểm khác biệt quan trọng nhất là giữa chức năng thay đổi mức tiêu thụ năng lượng và chức năng chỉ cung cấp thông tin.

Chức năng tiết kiệm năng lượng-trực tiếp thay đổi cách vận hành của máy. Các ví dụ bao gồm điều khiển tốc độ-có thể thay đổi, điều khiển dựa trên nhu cầu-, lập kế hoạch tự động và điều khiển áp suất, lưu lượng hoặc nhiệt độ vòng lặp-đóng.

Hãy xem xét một-máy bơm được điều khiển áp suất. Một cảm biến đo áp suất, PLC so sánh nó với điểm đặt yêu cầu và VFD thay đổi tốc độ động cơ. Do đó, nhu cầu thấp hơn có thể tạo ra tốc độ thấp hơn thay vì tiếp tục hoạt động ở tốc độ tối đa. Việc tiết kiệm đến từ việc thay đổi điều kiện hoạt động chứ không phải từ việc thêm kết nối mạng hoặc màn hình.

Các chức năng gián tiếp bao gồm giám sát dòng điện, giám sát tải, lịch sử lỗi, xu hướng hiệu suất và giám sát tình trạng. Các chức năng này có thể tiết lộ vấn đề nhưng ai đó hoặc điều gì đó phải hành động dựa trên thông tin đó. Nếu quá trình giám sát xác định thời gian chạy không cần thiết và logic điều khiển bị thay đổi thì năng lượng có thể được tiết kiệm. Nếu cùng một dữ liệu được thu thập và bỏ qua, mức tiêu thụ sẽ không thay đổi.

Các tính năng khác là chức năng kích hoạt. Giao tiếp, màn hình LCD, quản lý chương trình cơ sở từ xa và kết nối đám mây có thể giúp hệ thống tích hợp hoặc bảo trì dễ dàng hơn nhưng bản thân chúng không phải là cơ chế tiết kiệm năng lượng.

Sự khác biệt này cũng ngăn cản những tuyên bố về năng lượng không thực tế. Kết quả phụ thuộc vào loại tải, phương pháp điều khiển hiện có, giờ vận hành và nhu cầu quy trình thực tế.

Điều khiển động cơ thông minh cải thiện sức khỏe động cơ như thế nào

Dữ liệu tương tự được sử dụng để phân tích năng lượng cũng có thể giúp đội bảo trì hiểu được tình trạng động cơ.

Xu hướng dòng điện và phụ tải có thể cho thấy tình trạng quá tải kéo dài hoặc sự thay đổi trong nhu cầu cơ khí. Giám sát điện áp có thể xác định điện áp thấp, quá điện áp, mất cân bằng pha hoặc mất pha. Thông tin về nhiệt có thể cho biết liệu động cơ có đang tích lũy ứng suất nhiệt quá mức hay không, nhưng nhiệt độ phải luôn được giải thích cùng với tải, điều kiện xung quanh và làm mát.

Lịch sử lỗi đặc biệt hữu ích khi cùng một chuyến đi lặp lại trong các điều kiện tương tự. Một chuyến đi quá tải có thể là một sự kiện riêng biệt. Các chuyến đi quá tải lặp đi lặp lại trong quá trình sản xuất cao có thể dẫn đến sự cố về kích thước, quy trình hoặc cơ học cần được điều tra-nguyên nhân gốc rễ.

Giờ hoạt động, bắt đầu, dừng và chu kỳ làm việc cũng cải thiện việc lập kế hoạch bảo trì. Chúng giúp các nhóm chuyển từ khoảng thời gian bảo dưỡng-theo lịch sang bảo trì dựa trên việc sử dụng thiết bị thực tế.

Từ dữ liệu động cơ đến bảo trì dự đoán

Thu thập dữ liệu không phải là bảo trì dự đoán. Quy trình làm việc thực tế là: thu thập, thiết lập đường cơ sở, phát hiện sai lệch, ưu tiên và hành động.

Bắt đầu với dữ liệu có thể hỗ trợ quyết định. Đầu vào hữu ích có thể bao gồm dòng điện, điện áp, nguồn điện, nhiệt độ, tải, giờ hoạt động, khởi động và dừng cũng như lịch sử chuyến đi. Nhiều dữ liệu hơn không tự động tốt hơn nếu không ai biết nên hỗ trợ quyết định nào.

Tiếp theo, thiết lập một đường cơ sở bình thường. Chỉ số 30 A không tự động là tốt cho sức khỏe hay không tốt cho sức khỏe. Nó phải được so sánh với phạm vi bình thường của động cơ ở cùng tải, tốc độ và điều kiện sản xuất. So sánh một băng tải được tải đầy đủ với một băng tải không tải có thể tạo ra cảnh báo sai ngay cả khi cả hai kết quả đo đều đúng về mặt kỹ thuật.

Sau đó hãy tìm hai loại thay đổi: những sai lệch đột ngột và các xu hướng dần dần. Dòng điện tăng đột ngột có thể biện minh cho việc kiểm tra ngay lập tức. Việc tăng dần qua các tuần trong điều kiện sản xuất tương tự có thể hữu ích hơn cho việc lập kế hoạch bảo trì trước khi chuyến đi diễn ra.

Cuối cùng, biến báo động thành hành động. Mọi cảnh báo quan trọng đều phải có mức độ nghiêm trọng, chủ sở hữu, mức kiểm tra xác định và tình trạng khóa. Nhiều cảnh báo hơn không tạo ra việc bảo trì tốt hơn. Báo động có thể hành động được.

Cách VFD, PLC và HMI phối hợp với nhau

Kiến trúc điều khiển động cơ thông minh hữu ích tách biệt việc điều khiển, ra quyết định và khả năng hiển thị.

cácVFDlà lớp điều khiển động cơ. Nó nhận lệnh và điều khiển tốc độ hoặc mô-men xoắn trong khi cung cấp dữ liệu vận hành và lỗi.

cácPLClà lớp quyết định. Nó đọc đầu vào của quá trình, so sánh chúng với các điểm đặt, thực hiện khóa liên động và trình tự, sau đó gửi lệnh đến bộ điều khiển động cơ hoặc biến tần.

cácHMIhoặc hệ thống SCADAlà lớp hiển thị. Nó cho phép người vận hành truy cập vào trạng thái, xu hướng, cảnh báo, điểm đặt và lịch sử lỗi.

Các mạng công nghiệp như PROFINET, EtherNet/IP, Modbus TCP và PROFIBUS cho phép các lệnh, trạng thái và chẩn đoán di chuyển giữa các thiết bị này. Việc lựa chọn giao thức rất quan trọng vì một ổ đĩa phù hợp về mặt kỹ thuật vẫn có thể là một trang bị bổ sung kém nếu nó không phù hợp với PLC, mạng, mô-đun truyền thông hoặc các điểm dữ liệu được yêu cầu đã cài đặt.

Để lựa chọn sản phẩm, phần này là nơi tự nhiên để kết nối người đọc với CHENTUOVFD, PLC, VàHMIThể loại. Mục tiêu không phải là chọn ba sản phẩm một cách độc lập. Nó nhằm xác nhận rằng các thiết bị có thể hoạt động như một hệ thống điều khiển.

Nơi điều khiển động cơ thông minh mang lại giá trị cao nhất

Chỉ riêng tên máy không quyết định liệu việc nâng cấp có đáng giá hay không. Hồ sơ hoạt động quan trọng hơn.

Máy bơm:Các hệ thống được điều khiển-dòng chảy hoặc áp suất-có thể thay đổi là ứng cử viên sáng giá cho việc điều khiển VFD khi nhu cầu thay đổi trong quá trình vận hành. Thay vào đó, một-máy bơm lưu lượng liên tục chỉ có vấn đề khi khởi động có thể cần một bộ khởi động mềm.

Quạt và HVAC:Khi luồng không khí hoặc áp suất thay đổi theo nhiệt độ, công suất sử dụng hoặc nhu cầu xử lý, việc kiểm soát tốc độ có thể mang lại nhiều giá trị hơn so với hoạt động ở tốc độ tối đa bằng tính năng hạn chế van điều tiết.

Băng tải:Năng lượng có thể không phải là lợi ích chính. Khả năng tăng tốc có kiểm soát, tốc độ sản xuất thay đổi, phát hiện kẹt giấy, giám sát quá tải và sắp xếp trình tự có thể quan trọng hơn.

Máy nén:Đánh giá nhu cầu áp suất, hành vi tải và dỡ tải, hạn chế vận hành tối thiểu và thiết kế máy nén cụ thể trước khi áp dụng điều khiển tốc độ-có thể thay đổi.

Máy trộn và thiết bị xử lý:Các yêu cầu về công thức, mô-men xoắn và tốc độ có thể biện minh cho việc điều khiển có thể điều chỉnh khi các sản phẩm hoặc giai đoạn xử lý khác nhau cần các điều kiện vận hành khác nhau.

Do đó, câu hỏi đúng không phải là "Máy này có sử dụng động cơ không?" Đó là "Những thay đổi nào trong quá trình hoạt động bình thường và biến điều khiển nào sẽ phản hồi?"

Cách tính xem liệu một bản nâng cấp có xứng đáng hay không

Bắt đầu với đường cơ sở được đo. Ghi lại định mức động cơ, công suất đo trung bình, số giờ vận hành, hồ sơ tải, định mức điện, lịch sử bảo trì và thời gian ngừng hoạt động có liên quan. Không coi kW trên bảng tên là công suất vận hành thực tế.

Việc tính toán năng lượng hàng năm đơn giản có thể bắt đầu bằng:

Tiết kiệm chi phí năng lượng hàng năm=(công suất đầu vào trung bình hiện tại − công suất đầu vào trung bình mới) × số giờ hoạt động hàng năm × giá điện

Bất kỳ ví dụ nào cũng nên được coi là minh họa vì kết quả thực tế phụ thuộc vào ứng dụng.

Sau đó thêm các lợi ích khác một cách cẩn thận. Tiết kiệm chi phí bảo trì và tránh thời gian ngừng hoạt động có thể quan trọng nhưng khó xác minh hơn chi phí điện. Sử dụng các giả định thận trọng thay vì gán cho mọi thất bại có thể xảy ra trong tương lai một khoản tiết kiệm tiền.

Đối với sàng lọc tài chính ban đầu:

Hoàn vốn đơn giản=Chi phí dự án tăng thêm ÷ Lợi ích được xác minh hàng năm

Chi phí dự án tăng thêm nên bao gồm nhiều hơn bộ điều khiển. Xem xét các thay đổi của bảng điều khiển, bảo vệ, kỹ thuật, lập trình, phần cứng truyền thông, vận hành thử và bất kỳ thay đổi nào về làm mát hoặc lắp đặt.

Các lỗi ROI phổ biến bao gồm sử dụng cấu hình tải không thực tế, giả sử công suất động cơ định mức bằng công suất thực, bỏ qua tốc độ xử lý tối thiểu và giả sử mọi ứng dụng VFD đều tiết kiệm được tỷ lệ phần trăm như nhau.

Danh sách kiểm tra trang bị thêm trước khi bạn nâng cấp

Trước khi lựa chọn hệ thống điều khiển động cơ thông minh, hãy thu thập đủ thông tin để mô tả ứng dụng chứ không chỉ động cơ.

Dữ liệu động cơ:ảnh bảng tên, điện áp, dòng điện đầy tải, kW hoặc HP, tần số, RPM, công suất và loại động cơ.

Tải dữ liệu:máy bơm, quạt, băng tải, máy nén, máy trộn hoặc loại máy khác, cộng với mô-men xoắn khởi động, phạm vi tốc độ yêu cầu, biến thể tải, số lần khởi động mỗi giờ và số giờ vận hành.

Hệ thống điện:cung cấp điện áp và tần số, bảo vệ ngược dòng, nối đất, không gian bảng điều khiển, thông gió, điều kiện môi trường xung quanh và các yêu cầu về vỏ bọc.

Hệ thống tự động hóa:Thương hiệu và model PLC, HMI hoặc SCADA, I/O có sẵn, giao thức truyền thông hiện có và kiến ​​trúc mạng.

Dữ liệu và quyền truy cập:các điểm chẩn đoán cần thiết, quy tắc truy cập từ xa, quyền của người dùng, chính sách chương trình cơ sở, yêu cầu sao lưu và quyền sở hữu dữ liệu.

Một bức ảnh bảng tên rõ ràng cộng với mô tả chính xác về tải thực hiện trong ca làm việc bình thường thường hữu ích hơn thông báo chỉ có nội dung "động cơ 30 kW".

Khi điều khiển động cơ thông minh có thể không đáng đầu tư

Thông minh hơn không tự động là một quyết định kỹ thuật tốt hơn.

Việc nâng cấp có thể có giá trị giới hạn khi động cơ có ít giờ hoạt động, tải thực sự cố định, bộ khởi động hiện có đã cung cấp sự bảo vệ đầy đủ và không có sự thay đổi về tốc độ hoặc quy trình hữu ích. Cũng có thể khó giải thích khi nào việc thay đổi bảng điều khiển và tích hợp tốn kém hoặc khi nhà máy sẽ thu thập dữ liệu mới nhưng không có kế hoạch sử dụng dữ liệu đó.

Đánh giá vấn đề trước tiên. Nếu yêu cầu chỉ là tốc độ khởi động và dừng-cố định đáng tin cậy thì giải pháp đơn giản hơn có thể vẫn là giải pháp phù hợp.

Quyết định cuối cùng: Bắt đầu với vấn đề về động cơ chứ không phải sản phẩm

Sử dụng bốn bước:

• Xác định vấn đề:năng lượng, khởi động, độ tin cậy, giám sát hoặc kiểm soát quá trình.
• Đo lường hành vi hiện tại:sử dụng dữ liệu hoạt động hơn là các giả định.
• Chọn khả năng cần thiết:khởi động mềm thông minh, VFD, quản lý động cơ hoặc tích hợp PLC/HMI.
• Xác minh kết quả:so sánh dữ liệu năng lượng, quy trình và bảo trì thực tế sau khi thay đổi.

Nếu bạn đang đánh giá một trang bị thêm hoặc ứng dụng điều khiển động cơ mới,CHENTUOcó thể giúp bạn thu hẹp loại sản phẩm và cấu hình tự động hóa. Bắt đầu với bảng tên động cơ, loại tải, giờ vận hành, phạm vi tốc độ yêu cầu, bộ điều khiển dòng điện hoặc model VFD, nhãn hiệu PLC, yêu cầu giao tiếp và số lượng.

Câu hỏi thường gặp

 

 

Bộ điều khiển động cơ thông minh có thực sự tiết kiệm năng lượng?

Một số làm trực tiếp và một số khác chỉ hỗ trợ tối ưu hóa năng lượng. VFD có thể trực tiếp giảm mức tiêu thụ khi thay đổi tốc độ động cơ làm giảm nhu cầu xử lý. Giám sát, ghi nhật ký lỗi và liên lạc là các công cụ gián tiếp vì việc tiết kiệm chỉ xảy ra sau khi dữ liệu dẫn đến thay đổi vận hành.

Bộ điều khiển động cơ thông minh có giống như VFD không?

Không. “Bộ điều khiển động cơ thông minh” có thể dùng để chỉ các loại thiết bị điều khiển động cơ thông minh. VFD đặc biệt kiểm soát tần số và điện áp đầu ra để kiểm soát tốc độ liên tục. Để so sánh chi tiết, hãy xemBộ điều khiển động cơ thông minh so với bộ khởi động truyền thốnghướng dẫn.

Ứng dụng động cơ nào được hưởng lợi nhiều nhất từ ​​khả năng điều khiển tốc độ-có thể thay đổi?

Các ứng dụng có nhu cầu thay đổi đáng kể là điểm khởi đầu tốt nhất, đặc biệt là-máy bơm lưu lượng biến đổi, quạt, hệ thống HVAC và các quy trình có tốc độ sản xuất thay đổi. Tải-tốc độ cố định không có biến thể hữu ích có thể thu được rất ít lợi ích từ việc kiểm soát tốc độ.

Những thông số động cơ nào cần được theo dõi để bảo trì dự đoán?

Các thông số phổ biến bao gồm dòng điện, điện áp, nguồn điện, trạng thái nhiệt, thời gian chạy, khởi động và dừng cũng như lịch sử chuyến đi. Thông số hữu ích nhất là thông số có thể so sánh với đường cơ sở vận hành bình thường và được liên kết với hành động bảo trì.

Hệ thống động cơ hiện có có thể được trang bị thêm bộ điều khiển thông minh không?

Thường thì có, nhưng nó không chỉ là sự thay thế bộ điều khiển. Kiểm tra dữ liệu động cơ, hoạt động tải, nguồn cung cấp, bảo vệ, không gian bảng điều khiển, làm mát, tích hợp PLC và HMI, giao thức truyền thông và yêu cầu vận hành trước khi chọn phần cứng.

Tôi nên cung cấp thông tin gì khi chọn VFD hoặc bộ điều khiển động cơ?

Cung cấp ảnh bảng tên động cơ, điện áp, dòng điện-tải đầy đủ, kW hoặc HP, loại tải, giờ vận hành, phạm vi tốc độ yêu cầu, bộ điều khiển hiện tại hoặc mẫu VFD, nhãn hiệu PLC/HMI, giao thức truyền thông, số lượng và điểm đến. Điều này cung cấp cho nhà cung cấp đủ bối cảnh để bắt đầu lựa chọn có ý nghĩa thay vì chỉ đoán từ công suất động cơ.

Tư vấn miễn phí