變頻驅(qū)動器：開源價值打開節(jié)能新視界

優(yōu)化電機和相關設備的效率是節(jié)省能源的一大機遇，既可以削減運營成本，又可以減少我們的碳排放。

一方面，電機系統(tǒng)通常陳舊且效率低下，在依賴電機和驅(qū)動器的行業(yè)中占據(jù)了70%的電力需求。 另一方面，IEA強調(diào)，可以通過加強能源效率措施來實現(xiàn)將溫室氣體排放量減少40% 以上，從而在2040 年兌現(xiàn)《巴黎協(xié)定》承諾并實現(xiàn)氣候目標。目前全球各行各業(yè)正在使用的電機驅(qū)動系統(tǒng)高達數(shù)億，由此可見，高效設備的影響不容小覷。

1 變頻驅(qū)動器與電機效率的未來

變頻驅(qū)動器（VFD）通過改變電源的頻率和電壓來驅(qū)動電機，并已成為工廠車間極為常見的資產(chǎn)，出現(xiàn)在任何需要改變電機速度之處，例如泵、風扇和輸送機系統(tǒng)。這些類型的控制器以能源效率為焦點不斷演變發(fā)展，并與先進的算法和功能集成，以提高精度和靈活性。它們能更好地監(jiān)測和控制電機速度、扭矩和整體性能，因此可以提高效率、降低消耗，并減少長期磨損。所有這些都有助于優(yōu)化電機性能并降低運營成本。

此外，在包含可實現(xiàn)遠程監(jiān)控、實時分析和預測性維護的工業(yè)4.0 和5.0 系統(tǒng)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，變頻驅(qū)動器的重要性日益凸顯。因此，從其收集的數(shù)據(jù)可用于進一步提高整體系統(tǒng)性能和可靠性。盡管對于任何互聯(lián)或智能工業(yè)系統(tǒng)而言，網(wǎng)絡安全都是一個關鍵問題，但加密、身份驗證協(xié)議以及其他措施等策略正在廣泛實施中，用以確保變頻驅(qū)動器和控制系統(tǒng)之間所交換數(shù)據(jù)的完整性和機密性。

最后，隨著制造商開發(fā)出模塊化和可擴展的變頻驅(qū)動器設計，通過升級或擴展將其集成至現(xiàn)有系統(tǒng)變得越來越容易，這既增加了配置的靈活性，又使得不同規(guī)模企業(yè)更容易適應未來不斷變化的需求。

當變頻驅(qū)動器和可編程邏輯控制器（PLC）在工業(yè)自動化系統(tǒng)中協(xié)同工作時，可以監(jiān)視和控制各種過程和組件，以利用來自邊緣傳感器、控制信號和反饋回路的數(shù)據(jù)進行實時調(diào)整和優(yōu)化，從而實現(xiàn)最高效、最可靠的運行。此外，可編程邏輯控制器可以處理從變頻驅(qū)動器收集的數(shù)據(jù)，以便在潛在問題導致資源浪費和意外停機之前將它們識別出來。

這正是位于意大利卡內(nèi)利的領先封蓋機制造商AROL想要實現(xiàn)的目標，該公司目前在世界各地安裝了25000多臺設備。由于生產(chǎn)線每小時處理多達100000 個瓶子，保持機器的速度和持續(xù)可靠性對于運營至關重要。換言之，任何停電或計劃外停機均不利于完成生產(chǎn)指標，并給客戶帶來高昂的成本。

因此，他們的研發(fā)團隊決定將診斷、預測和前瞻性維護功能集成到智能解決方案中，該解決方案能夠從工業(yè)設備和周圍環(huán)境收集數(shù)據(jù)，創(chuàng)建基于遠程無線傳感器的機器監(jiān)控系統(tǒng)，由電池或24 伏電源供電。

該項目面臨著一些具體的挑戰(zhàn)，因為傳感器節(jié)點必須安裝在旋轉(zhuǎn)封蓋轉(zhuǎn)塔中，不但要適應狹小的空間，還要始終保持與生產(chǎn)線底部通信單元的連接。更重要的是，他們必須在邊緣執(zhí)行部分數(shù)據(jù)處理，以免中央系統(tǒng)超載。當然，升級后的封蓋機必須實現(xiàn)智能化，同時又不會明顯增加成本。

幸運的是，AROL找出了解決方案：通過利用ArduinoPro的Nicla Sense ME和Portenta Machine Control，AROL能夠加快制定可行的解決方案，該解決方案完全避免了供應商鎖定，同時還升級了其高速生產(chǎn)設備，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控和前瞻性維護結(jié)果。

不少于15 個封蓋轉(zhuǎn)塔安裝了同樣多的Nicla Sense ME，借助最先進的板載Bosch Sensortec 傳感器以及直接在傳感節(jié)點級別處理部分數(shù)據(jù)的計算能力，提供振動和溫度檢測。在機器底部，一個Portenta 機器控制器輕松安裝在DIN 導軌上，以便通過藍牙集中與所有傳感器進行通信。

Arduino Pro 的Nicla Sense ME（其中“ME”代表“Motion”運動和“Environment”環(huán)境）是一個緊湊型模塊，通過9DoF 智能運動傳感器和具有AI 功能的4DoF 環(huán)境傳感器實現(xiàn)邊緣傳感和智能。它計算能力高，因而減少了延遲和功耗，提供更多的隱私且需要更少的帶寬，而且一切只在一個很小的物理足跡內(nèi)即可實現(xiàn)。Arduino Pro 的Portenta 機器控制器是一個完全集中式、低功耗的工業(yè)控制單元，能夠驅(qū)動設備和機械，相當于一個可以使用Arduino 框架或其他嵌入式開發(fā)平臺進行編程的“大腦”，能從工廠車間收集實時數(shù)據(jù)，并支持設備的遠程控制，甚至在需要時從云端進行控制。在AROL 的案例中，Portenta Machine Control 因其32 個I/O 成為最佳選擇，而鉸接少的系統(tǒng)可能會受益于Arduino Pro 的新型Opta 微型PLC 解決方案帶來的增強靈活性——基于相同的STM32H747XI 雙ARM^? Cortex^?處理器，可在Arduino 草圖中使用C++ 進行編程，還可以靈活地合并IEC 61131-3 標準定義的任意或全部5種傳統(tǒng)自動化控制語言（梯形圖、功能塊圖、結(jié)構化文本、順序功能圖或指令表）。

2 為什么選擇開源解決方案來優(yōu)化變頻驅(qū)動器？

Arduino 同時面向軟件和硬件的開源方法使該公司區(qū)別于所有其他技術參與者。隨著時間的推移，最初的哲學立場已經(jīng)發(fā)展成為能為世界各地專業(yè)客戶帶來廣泛商業(yè)利益的源泉。

例如，在確保無供應商鎖定、增強互操作性和減少能源消耗方面，選擇Arduino 的產(chǎn)品可以進一步提高解決方案的效率，這要歸功于該公司對低功耗和小尺寸方案的強烈關注。例如，整個Nicla 系列將工業(yè)級傳感器和計算能力封裝在一個僅22.86×22.86 毫米（約拇指大?。┑目臻g內(nèi)。

此外，Arduino 的產(chǎn)品讓邊緣計算觸手可及。在事發(fā)地點處理數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)我們所看到的實時監(jiān)控和控制，從而提高系統(tǒng)的效率；就其本身而言，它還可以通過減少發(fā)送到云端的數(shù)據(jù)來直接幫助節(jié)省能源，從而降低云消耗成本。利用Arduino 生態(tài)系統(tǒng)和開放式架構，邊緣計算變得更加經(jīng)濟實惠（得益于可優(yōu)化物料清單的經(jīng)濟高效的解決方案），并且也更易于為工程師所用，為他們帶來出色的易用性、廣泛的公共文檔和資源，以及各種可能的編碼語言以供選擇。

一般來說，Arduino 產(chǎn)品遵循廣泛的行業(yè)標準，促進不同設備和系統(tǒng)之間的互操作性。這樣可以確保更好的兼容性并避免供應商鎖定，從而使開源解決方案面向未來，永不過時。

將變頻驅(qū)動器和可編程邏輯控制器功能集成到復雜的自動化系統(tǒng)中，開源解決方案的靈活性和定制機會尤顯價值，因為它們允許對控制算法、接口等進行微調(diào)，以滿足特定的項目要求并適應獨特的工業(yè)流程。

在安全性和可靠性至關重要的情況下，開源解決方案可以更加透明：這可以讓開發(fā)人員更快地識別和修復漏洞。Arduino 的產(chǎn)品經(jīng)過嚴格的質(zhì)量控制并按照最高標準進行測試。例如，Arduino Pro Opta 最近接受了網(wǎng)絡安全態(tài)勢評估，并進行了升級，使其比以往更加可靠。

最后但同樣重要的一點是，為電機控制解決方案選擇開源技術意味著能利用這一活力社區(qū)的專業(yè)知識和支持。就Arduino 而言，該社區(qū)中的活躍用戶超過3300 萬。

這可以加快問題解決速度、持續(xù)改進并提供豐富的資源，包括論壇、文檔和貢獻的代碼。

總而言之，無論節(jié)能是應對氣候變化的關鍵全球戰(zhàn)略，還是降低成本和保持自身競爭優(yōu)勢的必要條件，通過與Arduino 控制器配對使用的變頻驅(qū)動器來優(yōu)化電機效率都會帶來諸多好處。

（本文來源于《EEPW》2024.6）