变频驱动器：开源价值打开节能新视界

优化电机和相关设备的效率是节省能源的一大机遇，既可以削减运营成本，又可以减少我们的碳排放。

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一方面，电机系统通常陈旧且效率低下，在依赖电机和驱动器的行业中占据了70%的电力需求。 另一方面，IEA强调，可以通过加强能源效率措施来实现将温室气体排放量减少40% 以上，从而在2040 年兑现《巴黎协定》承诺并实现气候目标。目前全球各行各业正在使用的电机驱动系统高达数亿，由此可见，高效设备的影响不容小觑。

1 变频驱动器与电机效率的未来

变频驱动器（VFD）通过改变电源的频率和电压来驱动电机，并已成为工厂车间极为常见的资产，出现在任何需要改变电机速度之处，例如泵、风扇和输送机系统。这些类型的控制器以能源效率为焦点不断演变发展，并与先进的算法和功能集成，以提高精度和灵活性。它们能更好地监测和控制电机速度、扭矩和整体性能，因此可以提高效率、降低消耗，并减少长期磨损。所有这些都有助于优化电机性能并降低运营成本。

此外，在包含可实现远程监控、实时分析和预测性维护的工业4.0 和5.0 系统的工业物联网中，变频驱动器的重要性日益凸显。因此，从其收集的数据可用于进一步提高整体系统性能和可靠性。尽管对于任何互联或智能工业系统而言，网络安全都是一个关键问题，但加密、身份验证协议以及其他措施等策略正在广泛实施中，用以确保变频驱动器和控制系统之间所交换数据的完整性和机密性。

最后，随着制造商开发出模块化和可扩展的变频驱动器设计，通过升级或扩展将其集成至现有系统变得越来越容易，这既增加了配置的灵活性，又使得不同规模企业更容易适应未来不断变化的需求。

当变频驱动器和可编程逻辑控制器（PLC）在工业自动化系统中协同工作时，可以监视和控制各种过程和组件，以利用来自边缘传感器、控制信号和反馈回路的数据进行实时调整和优化，从而实现最高效、最可靠的运行。此外，可编程逻辑控制器可以处理从变频驱动器收集的数据，以便在潜在问题导致资源浪费和意外停机之前将它们识别出来。

这正是位于意大利卡内利的领先封盖机制造商AROL想要实现的目标，该公司目前在世界各地安装了25000多台设备。由于生产线每小时处理多达100000 个瓶子，保持机器的速度和持续可靠性对于运营至关重要。换言之，任何停电或计划外停机均不利于完成生产指标，并给客户带来高昂的成本。

因此，他们的研发团队决定将诊断、预测和前瞻性维护功能集成到智能解决方案中，该解决方案能够从工业设备和周围环境收集数据，创建基于远程无线传感器的机器监控系统，由电池或24 伏电源供电。

该项目面临着一些具体的挑战，因为传感器节点必须安装在旋转封盖转塔中，不但要适应狭小的空间，还要始终保持与生产线底部通信单元的连接。更重要的是，他们必须在边缘执行部分数据处理，以免中央系统超载。当然，升级后的封盖机必须实现智能化，同时又不会明显增加成本。

幸运的是，AROL找出了解决方案：通过利用ArduinoPro的Nicla Sense ME和Portenta Machine Control，AROL能够加快制定可行的解决方案，该解决方案完全避免了供应商锁定，同时还升级了其高速生产设备，以实现数据监控和前瞻性维护结果。

不少于15 个封盖转塔安装了同样多的Nicla Sense ME，借助最先进的板载Bosch Sensortec 传感器以及直接在传感节点级别处理部分数据的计算能力，提供振动和温度检测。在机器底部，一个Portenta 机器控制器轻松安装在DIN 导轨上，以便通过蓝牙集中与所有传感器进行通信。

Arduino Pro 的Nicla Sense ME（其中“ME”代表“Motion”运动和“Environment”环境）是一个紧凑型模块，通过9DoF 智能运动传感器和具有AI 功能的4DoF 环境传感器实现边缘传感和智能。它计算能力高，因而减少了延迟和功耗，提供更多的隐私且需要更少的带宽，而且一切只在一个很小的物理足迹内即可实现。Arduino Pro 的Portenta 机器控制器是一个完全集中式、低功耗的工业控制单元，能够驱动设备和机械，相当于一个可以使用Arduino 框架或其他嵌入式开发平台进行编程的“大脑”，能从工厂车间收集实时数据，并支持设备的远程控制，甚至在需要时从云端进行控制。在AROL 的案例中，Portenta Machine Control 因其32 个I/O 成为最佳选择，而铰接少的系统可能会受益于Arduino Pro 的新型Opta 微型PLC 解决方案带来的增强灵活性——基于相同的STM32H747XI 双ARM® Cortex®处理器，可在Arduino 草图中使用C++ 进行编程，还可以灵活地合并IEC 61131-3 标准定义的任意或全部5种传统自动化控制语言（梯形图、功能块图、结构化文本、顺序功能图或指令表）。

2 为什么选择开源解决方案来优化变频驱动器？

Arduino 同时面向软件和硬件的开源方法使该公司区别于所有其他技术参与者。随着时间的推移，最初的哲学立场已经发展成为能为世界各地专业客户带来广泛商业利益的源泉。

例如，在确保无供应商锁定、增强互操作性和减少能源消耗方面，选择Arduino 的产品可以进一步提高解决方案的效率，这要归功于该公司对低功耗和小尺寸方案的强烈关注。例如，整个Nicla 系列将工业级传感器和计算能力封装在一个仅22.86×22.86 毫米（约拇指大小）的空间内。

此外，Arduino 的产品让边缘计算触手可及。在事发地点处理数据，可以实现我们所看到的实时监控和控制，从而提高系统的效率；就其本身而言，它还可以通过减少发送到云端的数据来直接帮助节省能源，从而降低云消耗成本。利用Arduino 生态系统和开放式架构，边缘计算变得更加经济实惠（得益于可优化物料清单的经济高效的解决方案），并且也更易于为工程师所用，为他们带来出色的易用性、广泛的公共文档和资源，以及各种可能的编码语言以供选择。

一般来说，Arduino 产品遵循广泛的行业标准，促进不同设备和系统之间的互操作性。这样可以确保更好的兼容性并避免供应商锁定，从而使开源解决方案面向未来，永不过时。

将变频驱动器和可编程逻辑控制器功能集成到复杂的自动化系统中，开源解决方案的灵活性和定制机会尤显价值，因为它们允许对控制算法、接口等进行微调，以满足特定的项目要求并适应独特的工业流程。

在安全性和可靠性至关重要的情况下，开源解决方案可以更加透明：这可以让开发人员更快地识别和修复漏洞。Arduino 的产品经过严格的质量控制并按照最高标准进行测试。例如，Arduino Pro Opta 最近接受了网络安全态势评估，并进行了升级，使其比以往更加可靠。

最后但同样重要的一点是，为电机控制解决方案选择开源技术意味着能利用这一活力社区的专业知识和支持。就Arduino 而言，该社区中的活跃用户超过3300 万。

这可以加快问题解决速度、持续改进并提供丰富的资源，包括论坛、文档和贡献的代码。

总而言之，无论节能是应对气候变化的关键全球战略，还是降低成本和保持自身竞争优势的必要条件，通过与Arduino 控制器配对使用的变频驱动器来优化电机效率都会带来诸多好处。

（本文来源于《EEPW》2024.6）