Partendo dai puri dati sulle prestazioni,

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1 Risparmi garantiti dalla flessibilità degli inverter Potenzialità degli inverter di frequenza nell industria meccanica di Hansjörg Greve, Jürgen Staat Partendo dai puri dati sulle prestazioni, passando ai volumi costruttivi fino alla capacità di comunicazione, l hardware e il software dell elettronica di azionamento devono soddisfare requisiti pressoché infiniti. A ciò si aggiunge una mostruosa pressione dei costi, poiché la macchina si deve imporre sulla concorrenza non solo per le finezze tecniche ma anche per il suo prezzo. La capacità dei moderni inverter di frequenza di soddisfare tutti questi requisiti è dimostrata nella presente relazione sulla base del complesso sistema di regolazione di un impianto per la separazione dei rifiuti e di un estrusore di laboratorio. Coppia sempre alta Gli estrusori di laboratorio sono macchine indipendenti che vengono impiegate nell industria delle materie plastiche nonché nell industria chimica o alimentare. Un tipo di frequente utilizzo viene brevemente descritto come: Mescolatore a coclea a due alberi per la preparazione continua Figura 1: Il VCB/F 400 raffreddato a liquido richiede poco spazio nella base dell estrusore di laboratorio Figure 1: The liquid-cooled VCB/F400 only requires a small space in the underbody of the lab extruder Cost savings guaranteed by flexible inverters Performance capability of frequency inverters in the mechanical engineering industry From the bare performance data to the build volume and communication capabilities, the demands on the hardware and software of drive electronics are seemingly limitless. Add to this immense cost pressures after all, a machine needs to assert itself against its competitors not only on the strength of its technical features, but also in terms of price. This article shows how modern frequency inverters can meet all of these requirements by examining the complicated control system for a waste sorting system and a lab extruder. Continuous high torque Lab extruders are free-standing machines which are as equally at home in the plastics industry as they are in the chemical and foodstuff industries. A short description of a commonly used type of extruder reads simply: twin screw extruder for continuous processing of plastics and other viscous materials. This machine may be used on small quantities for research work in order to gain new understanding, while larger volumes are used to develop and test new mixes and develop 5

2 Semestrale di informazione aziendale - Gennaio 2006 N. 21 di materie plastiche e altri materiali viscosi. Grazie a questa macchina, con quantità minime di materiale si acquisiscono nuove conoscenze nella ricerca di base mentre con quantità maggiori si sviluppano e si testano quindi ricette, si elaborano nuovi prodotti fino alla produzione in serie e si fabbricano quindi anche piccoli lotti. Per il sistema d azionamento il compito però è tutt altro che semplice. La lavorazione delle materie prime, che possono essere granulato, polveri, paste, melasse o soluzioni in fusione, richiede a seconda degli obiettivi dell utilizzatore procedimenti molto specifici. Sono necessari processi di controllo complessi per garantire gli elevati requisiti qualitativi del prodotto finale come anche la sicurezza della macchina. Il requisito più importante: si deve garantire una coppia piena e costante nell intero intervallo di regolazione da 1800 fino a 0 min-1. Questa, regolata mediante gli inverter di frequenza, viene generata in continuo dall unità composta da motore, giunto limitatore di coppia e riduttore e trasmessa alle coclee dell estrusore, indipendentemente dal fatto che la quantità prodotta sia di 500 g o di 100 kg all ora. Frequenti cambi di materiale richiedono flessibilità Con la versione raffreddata a liquido dell inverter VCB/F400, Vectron Elektronik offre un apparecchio compatto ma comunque molto potente con tutte le caratteristiche necessarie. Le coppie dei motori da 22,30 e 60 kw impiegati per gli estrusori di laboratorio e dei corrispondenti riduttori sono costantemente calcolate e controllate dall inverter (figure 1 e 2). Valvola elettromagnetica Solenoid valve VCB/F 400 CAN-Bus Profi-Bus SPS - PLC DG X460 Tubo V 4A - V4A pipe DG KTY M 3~ SPS Giunto Clutch Riduttore Gearbox Touch-Screen Estrusore Extruder Figura 2: Schema di principio dell estrusore di laboratorio con inverter di frequenza VCB/F 400 con funzione di centrale di comando. La famiglia di riduttori raffreddata a liquido VCB/F 400 è attualmente disponibile fino a una potenza di 800 kw. Figure 2: Schematic of a lab extruder with the VCB/F400 frequency inverter as its controller. The VCB/F400 range of liquidcooled inverters is currently available for applications up to 800 kw. Oggi l hardware e il software devono soddisfare requisiti pressoché infiniti Al fine di garantire la qualità del prodotto finale richiesta, i requisiti di precisione relativi ai processi e ai valori di coppia calcolati sono molto severi. La connessione a un CAN-Bus o anche a un Profi-Bus rende possibile la visualizzazione tramite touch-screen come anche il semplice cambio dei record di dati. Quest ultima opzione, in conseguenza della realtà di laboratorio e del frequente alternarsi delle serie di esperimenti, è fondamentale per la flessibilità dell estrusore di laboratorio. Senza spese di cablaggio supplementari e costosi nodi Bus si garantisce così la massima flessibilità, una delle caratteristiche essenziali degli estrusori di laboratorio. Con una rotazione inversa rispetto all innesto del giunto, l inverter limita la coppia al fine di non causare danni alle coclee dell estrusore. Per la messa in esercizio e la new products through to series production, as well as small batch production. However, the task is anything but easy for the drive system. The processing of raw materials, which may come in granule, powder, paste, flake or even solution form, requires highly specialised procedures according to what the user wants to achieve. Complex control procedures are needed, not only to ensure that strict quality requirements for the end product are satisfied, but also to guarantee the safety and reliability of the machine. The most important requirement is that a full and continuous torque is guaranteed over the entire control range from 0 to 1800 rpm. Under the control of the frequency inverter, transmittable torque is generated continuously by the motor, safety clutch and gearbox assembly and transmitted to the extruder screws, regardless of whether the throughput rate is 500 g/h or 100 kg/h. Frequent material changes demand flexibility Through the liquid-cooled design of the VCB/F400 frequency inverter, Vectron Elektronik offers a compact yet highperformance unit which meets all of the described requirements. The inverter continuously calculates and controls the torque for the 22 kw, 30 kw and 60 kw motors used in lab extruders and the gearboxes they drive (see Figs. 1 and 2). The demands on hardware and software are seemingly limitless. The precision of the process and torque calculations is very high in recognition of the required quality of the end product. A CANbus or Profi-Bus network is used to display values via a touch-screen interface. It also allows data records to be switched as and when required. As the extruder is used in a laboratory environment on test series which change frequently, the latter also guarantees the extruder s flexibility. There is no need for additional wiring or expensive Bus nodes, thus further ensuring flexibility - a key feature of lab extruders. The frequency inverter limits the torque in reverse mode to engage the clutch and avoid damage to the extruder screws. Commissioning and accurate configuration 6

3 precisa regolazione dell inverter si collega un PC dotato di apposito software per oscilloscopi. La variante passante del VCB/F400 garantisce la piena soddisfazione dei requisiti di raffreddamento e di montaggio. La chiusura a tenuta dell armadio elettrico nel telaio dell estrusore di laboratorio è garantita dall applicazione di una guarnizione di gomma spugnosa sulla staffa di montaggio installata sull intero perimetro. In tal modo i collegamenti elettrici interni sono efficacemente separati dai collegamenti dell acqua di raffreddamento esterni con tipo di protezione IP5X. Affinché il raffreddamento a liquido potesse funzionare anche con acqua industriale, nello speciale Touch-panel Rete Network CANopen DC-Link Tamburo Fl 1 Fl 1 drum Nastro Fl 2 Fl 2 conveyor termodispersore di alluminio è stato fuso un tubo di acciaio legato V4A meandriforme. L acciaio legato è molto resistente ai mezzi aggressivi e allo stesso tempo non ha effetti dannosi sugli altri materiali utilizzati nel circuito del liquido di raffreddamento. Per evitare la formazione di condensa nel termodispersore situato all esterno dell armadio di comando in conseguenza della variante passante, la sua temperatura viene costantemente controllata dall inverter. In caso di superamento di una temperatura preimpostata, per la correzione l inverter attiva una valvola elettromagnetica nel circuito del liquido di raffreddamento. Le coppie del motore e del riduttore sono Materiale non selezionato Unsorted materials Materiale non selezionato Non-ferrous metals Altro materiale Other materials Magnetic drum Tamburo magnetico Nastro trasportatore Conveyor belt Sensore di corsa inclinata Belt tilt sensor Materiale selezionato Sorted materials Figura 3: Schema di principio dell unità centrale nastro/tamburo magnetico del separatore NE Figure 3: Schematic of the belt/magnetic drum control unit for a non-ferrous metal sorting machine. costantemente calcolate, regolate e limitate. L inverter di frequenza, funzionante con una regolazione orientata in base al campo, consente di determinare la coppia del motore in modo semplice dal punto di vista della tecnica software ma comunque sicuro, grazie al parametro selezionabile Coppia che rende superfluo un albero torsiometrico e consente così di risparmiare. Il risultato calcolato viene rappresentato come valore percentuale della coppia nominale, che a sua volta può essere utilizzato per ulteriori calcoli, ad esempio per determinare la coppia del riduttore utilizzato. Tramite un fattore da immettere, che considera le caratteristiche specifiche del riduttore, in connessione con la coppia motore calcolata si determina esattamente la coppia iniziale del riduttore. Il potenziale di rischio si approssima a zero, i requisiti relativi a prestazioni, affidabilità e sicurezza della macchina sono completamente soddisfatti. Agevole integrazione nel sistema di macchine Nel secondo esempio, un separatore di metalli non ferrosi (metalli NE) per impianti di selezione dei rifiuti, i requisiti interessano maggiormente l integrazione della macchina all interno dell impianto. Anche se i metalli NE, come p.e. alluminio, rame, piombo e altri metalli non magnetizzabili, rappresentano una percentuale molto ridotta dei rifiuti domestici, lo sforzo di recuperarli è tuttavia giustificato dal loro valore. Un trasportatore a scossa azionato da due vibrodine separa i rifiuti, distribuisce e dosa il flusso di materiale che quindi viene trasferito a of the inverter are provided via a PC connection with special oscilloscope software. The through-mounting variant of the VCB/F400, satisfies all of the technical requirements for cooling and installation. The seal for the control cabinet in the frame of the lab extruder is made from rubber foam and seals the all-around assembly bracket. The internal electrical connections are therefore effectively isolated from the external cooling water connections (protection system IP5X). To allow industrial water to be used in the cooling system, a meander-bent V4A stainless steel pipe is cast in the special aluminium heat exchanger. The stainless steel pipe is highly resistant to aggressive materials, and at the same time does not damage other materials used in the cooling circuit. In order to prevent condensation from forming in the heat exchanger, which is located outside the control cabinet on the through-mounting variant, its temperature is continuously monitored by the frequency inverter. If the temperature rises above a fixed threshold, the inverter actuates a solenoid valve in the cooling fluid circuit. The torque values for the motor and gearbox are continuously calculated, regulated and limited. The inverter uses field-oriented control to determine the motor s transmittable torque quickly and safely through its software by applying a selectable transmittable torque parameter that eliminates the need for a torque metering shaft and its associated costs. The calculated result is displayed as a percentage of the rated torque value. This value in turn can be used for further calculations, for example, to determine the torque of the gearbox used. By entering a coefficient to allow for the technical characteristics of the gearbox, transmittable torque at the gearbox output can be established with great precision in conjunction with the transmittable torque from the motor. The potential risk is virtually zero, and the requirements in terms of the machine s power, reliability and safety are all fully satisfied. Cost-effective integration into existing installations In our second example, a machine for separating non-ferrous metals in waste sorting 7

4 Semestrale di informazione aziendale - Gennaio 2006 N. 21 Figura 4: La famiglia di convertitori Active è attualmente disponibile fino a una potenza di 18,5 kw Figura 4: The ACTIVE range of inverters is currently available up to 18.5 kw. un nastro trasportatore. Nel tamburo del nastro non condotto si trova un tamburo magnetico che viene azionato ad un numero di giri essenzialmente maggiore rispetto al nastro trasportatore (figura 3). Il tamburo magnetico dotato di magneti permanenti e rotante a velocità elevata genera, tramite l alta frequenza della variazione del campo magnetico, forti correnti di Foucault nelle parti metalliche NE. In tal modo queste parti generano a loro volta campi magnetici che agiscono in opposizione a quello esterno. Di conseguenza i metalli NE vengono respinti ed espulsi dal restante flusso di materiale. Contenitori di raccolta opportunamente posizionati raccolgono i metalli NE separati. I requisiti del sistema di macchine, che da una parte deve consentire una perfetta integrazione nell impianto generale e allo stesso tempo deve essere robusto e realizzabile senza spese eccessive, sono molteplici. L aumento dell affidabilità e delle funzioni di sicurezza in relazione all arresto guidato, al funzionamento in caso di guasti di rete e al funzionamento in sicurezza in caso di anomalie del Bus sono al primo posto. Seguono il collegamento a un sistema di visualizzazione, il miglioramento delle funzioni di sicurezza, la rinuncia al comando tramite relè nonché l eliminazione della fonte di calore rappresentata dalla resistenza di frenatura dall armadio di comando. Un ulteriore obiettivo è l aumento della concorrenzialità tramite il risparmio dei costi. plants, the requirements are biased more towards integration of the machine in the overall installation. Although non-ferrous metals like aluminium, copper, lead and other non-magnetizable metals only make up a very small proportion of domestic refuse, their value is such to warrant their separation. An oscillating conveyor which is driven by two vibrodynes, separates the refuse, spreads it out and meters the flow of material, which is then transferred to a conveyor belt. Inside the non-driven belt drum a magnetic drum is driven at a significantly higher speed than the conveyor belt (see Fig. 3). The fast-rotating magnetic drum is fitted with permanent magnets which induce strong eddy currents in the non-ferrous metal parts as a result of the high frequency with which the magnetic field changes. As a result, these parts in turn generate magnetic fields which oppose the external magnetic field. The non-ferrous metals are consequently rejected and expelled from the main refuse flow. Containers are carefully positioned to collect the separated non-ferrous metals. The requirements demanded by the machine system are varied, as they not only need to ensure perfect integration in the overall plant, but must also be rugged and cost-effective to implement. Increased reliability and safety functions in relation to guided shutdown procedures, operation after mains failure and operational safety in the event of bus faults take the highest priority. Next in importance is the connection to a display system, improved safety functions, exclusion of relay control and elimination of the braking resistor from the control cabinet which acts as a heat source. A further objective is to increase competitiveness through cost savings. Inverters save on parts and problems A touch-screen interface with integrated PLC and CAN-Bus connection is the main control centre of the machine. By connecting all actuators and sensors to the Vectron ACTIVE inverters (see Fig. 4) and monitoring them via the CAN-Bus, there is no need for additional Bus nodes. A further example of the cost savings which can be achieved using a BUS connection is parameterisation and control of 8

5 Gli inverter consentono di risparmiare elementi costruttivi e stress Come centro direttivo della macchina si utilizza un touch-screen con SPS incorporato e collegamento CAN-Bus. Grazie alla possibilità di poter collegare agli inverter Active Vectron installati (figura 4) tutti gli attuatori e i sensori e di poterli valutare tramite CAN-Bus, non sono necessari ulteriori nodi Bus. Come ulteriore effetto di risparmio derivante dal collegamento BUS è da citarsi la parametrizzazione e il controllo degli apparecchi Active standard tramite SPS. In tal modo oltre 1000 parametri degli inverter possono essere gestiti centralmente. Il collegamento tramite un Bus a due circuiti garantisce un basso consumo energetico e la possibilità di utilizzare per gli assi motori l energia frenante che si viene a creare. All arresto del trasportatore a scossa risulta evidente il know-how approfondito del produttore degli inverter. L energia del tamburo magnetico in frenata viene usata per vuotare il nastro trasportatore del separatore NE. Le ulteriori energie sono controllate tramite la funzionalità del chopper motore e convertite tramite i motori collegati. La famiglia di inverter Active, il cui campo di impiego è ampliato dalla configurazione software, sono usati nell applicazione del convogliatore a scosse e del tamburo magnetico come inverter di frequenza sensorless field-oriented e nell azionamento del nastro come inverter di frequenza sensorless regolati. In quest ultimo caso l inverter Active valuta anche gli impulsi del sensore di corsa inclinata che controlla costantemente la posizione del nastro trasportatore. All arresto del trasportatore a scosse risulta evidente il know-how approfondito: i settori a forte risonanza che causano duri urti meccanici sono separati molto semplicemente. In questa applicazione l intelligenza della tecnica di trasmissione risiede nel comando Bus, che provvede al collegamento delle macchine a monte e a valle. Una copia di sicurezza dell intero set di parametri viene memorizzata sulla scheda Compact-Flash, per una semplice gestione nell inverter degli ingressi e delle uscite digitali. L inverter è inoltre in grado di fronteggiare in modo molto efficace brevi interruzioni di rete ed è pertanto predestinato all impiego in aree con frequenti anomalie di rete; non si pongono quindi limiti all esportazione. standard ACTIVE units via PLC. This makes it possible to control over 1000 inverter parameters centrally. The connection via a DC bus link results in lower energy consumption and makes it possible to use the braking energy generated for the motor shafts. The inverter manufacturer s extensive knowhow really comes into play when stopping the oscillating conveyor. The energy of the braking magnetic drum is used to empty the conveyor belt of the nonferrous metal separator. Energy levels beyond this are controlled by the motor chopper function and dissipated via the connected motors. The ACTIVE range of inverters can be widely used thanks to the available software configuration options. In oscillating conveyor and magnetic drum applications, they are used as encoderless field-oriented frequency inverters, while in the belt drive application they are used as encoderless regulated frequency inverters. In the latter case, the ACTIVE inverter also monitors the pulses from the belt tilting sensor, which continuously monitors the position of the conveyor belt. The inverter manufacturer s extensive know-how really comes into play when stopping the oscillating conveyor: heavy resonance zones which cause harsh mechanical shock loads are simply suppressed. In this application, the intelligence of the drive technology lies in the Bus controller, which provides the connection to the machines upstream and downstream. A backup copy of the entire set of parameters is saved to a Compact Flash card, for simple management of the inverter s digital inputs/outputs. The inverter also effectively handles temporary mains failures, which makes it the ideal solution for applications in areas prone to mains failure - so in terms of exports, the sky s the limit! 9