産業用モータドライブの迅速で容易な試運転がいかに持続可能性と生産性を高めるか

迅速なプロセスは、インダストリ4.0の工場や物流業務の特徴です。定格0.12キロワット（kW）から30kW（0.16馬力（hp）から40馬力）のモータと可変速ドライブ（VSD）を必要とするアプリケーションは幅広くあります。

これらの用途に使用されるVSDは、設置が容易で、-10°Cから+60°Cまでの運転に対応する定格でなければなりません。より大きなドライブには制動チョッパーを内蔵する必要があり、アプリケーションによってはEN 61800-3の電磁両立性（EMC）カテゴリC1に準拠する必要があります。VSDは使いやすく、広い主電源電圧範囲で動作し、不安定な主電源電圧に自動的に適応して、中断のない運転を保証する必要があります。

多くのアプリケーションは単純なモーションシーケンスを自動化するもので、プログラマブルロジックコントローラを必要としませんが、事前プログラム済みマクロや、パラメータローダ、基本操作パネル（BOP）、スマートアクセスモジュールなどのシンプルなデバイスを使用して動作させることができます。

最後に、これらのVSDは経済的な運転が可能で、所定の運転条件下での自動フラックス低減や、リアルタイムのエネルギー消費量を監視、表示する機能など、統合された省エネ機能を備えている必要があります。

この記事ではまず、SiemensのVSD SINAMICS V20ファミリの概要と、持続可能性と生産性の向上を可能にする機能について紹介します。次に、パラメータローダ、BOP、スマートアクセスモジュールなどの事前プログラム済みマクロやデバイスが、どのように迅速な試運転、効率的な運転、継続的なメンテナンスをサポートするかを掘り下げます。

SINAMICS V20ドライブは、モジュールや外部コントローラを追加することなく、そのまま使用することができます。統合BOPは現場での試運転をサポートします。さらに、ユニバーサルシリアルインターフェースを使用して、SiemensのSIMATICプログラマブルロジックコントローラ（PLC）と接続し、複雑な操作を行うことができます。Modbusインターフェースは、サードパーティのPLCやその他の機器と接続することができます。

定格出力が10馬力（hp）を超えるユニットでは、制動抵抗器を制動チョッパーに直接接続することができ、一部のモデルはEN 61800-3のEMCカテゴリC1に適合しています。SINAMICS V20ドライブは、-10°C～+60°Cの温度範囲で動作し、0.12kW～30kWの定格出力があります。例として以下のようなモデルがあります（図1）。

• モデル6SL32105BB175UV1、定格0.75kW、230V_AC単相電源で動作
• モデル6SL32105BB230UV1、定格3kW、230V_AC単相電源で動作
• モデル6SL32105BE322CV0、定格22kW、400V_AC3相電源で動作

図1：SINAMICS V20ドライブの例、0.75kW（左）と22kW（右）（正確な縮尺ではありません）。（画像提供：DigiKey）

SINAMICSドライブに統合された制御モードには、スカラーボルト/ヘルツ（V/f）、プログラム可能なV/fマルチポイント、エネルギーを節約するためにフラックスを自動的に適応させるV²/f、ドライブ出力を負荷に自動的に適応させるフラックス電流制御（FCC）などがあります。

Keep Runningモードは、不安定な主電源を補正するために自動的に適応します（図2）。このモードでは、ライン電圧の変動は内部で補正され、モータ速度は予定外のシャットダウンを防ぐために自動的に低下し、必要に応じてエラーメッセージが送信されます。これは、上下水道処理プラントのポンプやファン、暖房、換および空調（HVAC）システムなどのビルディングオートメーションアプリケーションで特に有効です。

図2: SINAMICS V20 Keep Runningモードは、主電源に障害が発生した場合でもモータの連続運転をサポートします。（画像提供：Siemens）

効率の最大化

アプリケーションによっては、現在のプロセスに合わせてモータ速度を調整することで、効率を高めることができます。たとえば、ポンプのようなターボ機械の場合、可変速運転は固定速運転に比べて最大60%のエネルギーを節約できます。

SINAMICS V20ドライブには、効率を高めるエネルギー最適化制御（ECO）モードが統合されています。ECOモードでは、モータフラックスは自動的に最適な運転ポイントに適応します。

これらのドライブはハイバネーションモードに設定することができ、ドライブの現在の状態を維持しながらモータをパワーダウンします。ハイバネーションモードは、消費電力を大幅に削減すると同時に、ドライブを必要に応じてすぐに再起動できる状態に維持します。

以下の統合されたカスケード機能とエネルギーバランシング機能を使えば、エネルギー効率をさらに高めることができます。

カスケード接続は、複数のモータを使用する高出力のポンプ、ファン、およびコンプレッサのアプリケーションで使用できます。部分的または完全に制御された電源のカスケード接続を使用した相接続および相切り離しは、性能を損なうことなくシステム全体の効率を高めることができます。

結合ドライブを使用したエネルギーバランシングは、共通のDCリンクを通じてエネルギーの交換を可能にします。インバータ間の直接的なエネルギー交換により、システム全体の電力損失を最小限に抑え、効率を向上させることができます。

SINAMICSドライブのBOPは、エネルギー消費量をリアルタイムで表示することができます。省エネカウンタは、固定速度運転と比較した機械運転中のエネルギー消費量を計算できるため、オペレータはプロセスを微調整し、節約と持続可能性をさらに向上させることができます。

持続可能性の向上

Siemensは、国際標準化機構（ISO）14021「環境ラベルおよび宣言-自己宣言による環境主張-タイプII環境ラベル表示」に基づくライフサイクル影響評価（LCIA）を含むSINAMICS V20環境製品宣言（EPD）を発表しました。

このLCIAはモデル6SL3210-5BE21-5UV0をベースにしており、定格は1.5kW、主電源は3相380V_AC～480V_ACです。この記事では、SINAMICS V20ドライブの製造、流通、運用、使用済み廃棄、廃棄およびリサイクルによる影響を考察しています。最も重大な影響は、ドライブの推定耐用年数15年間の運転によるものです。分析は、年間5,000時間の運転と以下の3つの運転ポイント（OP）に基づいています。

• OP1：速度100%、トルク100%で20%の時間
• OP2：速度50%、トルク25%で70%の時間
• OP3：速度20%、トルク25%で10%の時間

ドライブの運転では、15年間で1,059.13kg CO₂相当が排出され、製造では40.6kg CO₂相当しか排出されず、廃止、廃棄およびリサイクルでは、-3.6kg CO₂相当の温室効果ガスが回収されました。

インダストリ4.0のオペレーションにおいて、迅速かつ柔軟な試運転は、エネルギー節約と持続可能性を最大化するための重要な要素となります。SINAMICS V20ドライブの試運転を迅速化し、迅速な切り替えをサポートするために、ユーザーにはいくつかの選択肢があります。

マクロによる迅速な試運転

試運転の短縮機能は、モータデータ、接続マクロ、アプリケーションマクロ、重要パラメータを含む4つのパラメータセットを同時に変更します。モータのデータは、まずヨーロッパまたは北米のパラメータ（kW対hpなど）、定格電圧、電流、電力、周波数、効率などを選択します。

迅速な試運転で特に重要なのは、以下の接続とアプリケーションマクロです。

• 接続マクロには、BOPを唯一の制御源として識別するか、PNP/NPN端子からの制御を有効にするか、固定速度、アナログ入力、固定周波数、外部押しボタン制御、アナログ設定値付き外部押しボタン、アナログ入力基準によるPID制御、固定値基準によるPID制御、USS制御、およびMODBUS RTU制御が含まれます。
• アプリケーションマクロの選択肢には、シンプルなポンプ、ファン、コンプレッサ、コンベヤなどがあります。たとえば、シンプルポンプマクロに含まれるパラメータには、最低周波数、制御モード、禁止周波数設定点、自動再始動、ランプアップ時間があります。

周波数セットポイント、最小および最大周波数、ランプアップおよびランプダウン時間などの個々のパラメータは、試運転の短縮中にカスタマイズできます。試運転のスピードアップに加え、統合された試運転の短縮機能を使用することで、誤ったパラメータ設定によるエラーを取り除き、展開時間をさらに短縮することができます。

複数ドライブへのパラメータのクローン作成

パラメータセットが確定すると、パラメータローダは、V20とSDカード間でパラメータセットのアップロードとダウンロードを行うことができます。パラメータローダとSDカードは、複数のドライブにまたがるパラメータセットのクローンの作成に使用できます。パラメータは、ドライブが工場に納品される前でもドライブにダウンロードできるため、試運転プロセス全体がさらにスピードアップし、技術サポートの必要性が減少します。

SDカードスロットに加え、V20パラメータローダには単3形1次電池2本用のスペースがあり、主電源に接続することなくパラメータダウンロード中にドライブに電力を供給することができます。V20パラメータローダは、外部5V_DC電源に接続できるMicro USBインターフェースも備えているため、1次電池は不要です（図3）。

図3：オプションのパラメータローダを使用すると、V20ドライブのパラメータをSDカードにアップロードまたはダウンロードでき、複数のドライブにパラメータを迅速にクローニングできます。（画像提供：Siemens）

外部BOP

オプションの外部BOPは、V20インバータのリモート制御に使用できます。外部BOPは、機器のキャビネットの外側に取り付けられ、ドライブに取り付けられたインターフェースモジュールに接続するように設計されています。外部BOPとインターフェースモジュールはRS232接続に対応しており、最大3mのケーブルで接続できます。

適切な取り付けにより、外部BOPはIP54およびUL/cULタイプ1のエンクロージャ定格を実現し、危険な電圧へのアクセスに対する人員の保護と、V20ドライブの汚れやほこりなどの固体異物からの保護を提供します。外部BOPは、V20の内蔵BOPインターフェースと重複しています（図4）。

図4：外部BOPは、最大3メートル離れた制御盤外部のV20ドライブを制御できます。（画像提供：Siemens）

ワイヤレス制御

試運転において究極の柔軟性を実現するために、ユーザーはSINAMICS V20スマートアクセスモジュールを利用することができます（図5）。スマートアクセスモジュールは、V20の前面に直接接続し、Wi-Fi接続機能を内蔵したウェブサーバモジュールです。ワイヤレスネットワークアダプタを搭載したラップトップコンピュータ、タブレット、スマートフォンなどのユーザーデバイスから、ウェブベースでV20ドライブの試運転や監視を行うことができます。あらゆるオペレーティングシステムと、Chrome、Internet Explorer（IE）、SafariなどのHTML5対応ウェブブラウザで使用できます。

図5：このスマートアクセスモジュールは、V20ドライブの試運転、制御、監視、診断のためのWi-Fi接続を提供します。（画像提供：DigiKey）

SINAMICS V20スマートアクセスは、アクセスしにくい場所でもドライブに簡単にアクセスできます。直感的なグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）と試運転ウィザードにより、簡単に使用できます。スマートアクセスは、BOPと同じクイックセットアップウィザードをサポートし、以下のような迅速で簡単な試運転を可能にします。

• モータデータの入力
• 接続マクロの有効化
• アプリケーションマクロの選択と起動が可能
• よく使われるパラメータを設定可能

スマートアクセスは、遠隔監視のために電子メールで故障コードを直接配信するように設定でき、データと制御機能へのアクセスを制御するための多数のセキュリティ機能を備えています。スマートアクセスは、以下のような包括的なワイヤレスウェブベース機能を提供します。

• 試運転の短縮
• コンバータのパラメータ化
• JOG/HANDモードでのモータ動作
• V20の状態監視
• 故障およびアラーム診断
• データのバックアップと復元

まとめ

SiemensのSINAMICS V20ドライブは、持続可能性と柔軟性に重点を置いています。複数の動作モードと省エネ機能を備えたこれらのドライブは、0.12kWから30kWまでの幅広い単純なモーションアプリケーションで効率を最大化できます。Keep Runningモードは、ビルオートメーションシステムにおける上下水道処理、HVACのような重要なインフラの連続運転を保証します。柔軟性は、統合BOP、遠隔BOP、スマートアクセスモジュールによるワイヤレス接続、さらに事前プログラム済みアプリケーションマクロやその他のツールを使用して、迅速な試運転を実施するための多くの方法によってサポートされています。