Ekomaszyny (2) - energooszczędna technika napędowa
Bartłomiej Juszczyk, Damian Żabicki, 2021.12.02, Ekologia w produkcji
Automatyzacja i robotyzacja produkcji nie byłaby możliwa bez techniki napędowej. Urządzenia napędowe są istotnym elementem linii i maszyn. Można je spotkać w szeregu procesów przemysłowych, takich jak transportowanie komponentów na linii produkcyjnej, rożne rodzaje montażu, obróbka mechaniczna, mechaniczne testowanie funkcjonalne czy też w różnego rodzaju urządzeniach pompujących, odciągających zanieczyszczenia czy wentylatorach. W czasie gdy ceny energii elektrycznej nie maleją a istotną kwestią w przemyśle jest ograniczanie wpływu produkcji na środowisko – znaczenia nabiera kwestia energooszczędności napędów i modernizacji procesów.
Gdzie szukać oszczędności?
Według rozmaitych źródeł napędy elektryczne mogą odpowiadać nawet za 60-70% zużycia energii elektrycznej w przemyśle. Jest więc o co walczyć jeśli chodzi o energooszczędność i innowacyjność. Przeprowadza się nawet szacunki co do możliwych do osiągnięcia poziomów oszczędności. Trudno się do nich jednoznacznie odnieść, ale jest to rząd wielkości 103 TWh rocznie. W przemyśle stosowane są głównie urządzenia napędowe elektryczne, pneumatyczne lub hydrauliczne. Ostatecznie urządzenia pneumatyczne czy hydrauliczne zasilane są kompresorami czy zasilaczami hydraulicznymi, których istotnym elementem jest silnik elektryczny. Same silniki elektryczne również są zróżnicowane w zależności od przeznaczenia. Silniki z magnesami trwałymi (PM) mogą zapewnić bardziej oszczędną pracę w aplikacjach ze zmianą prędkości niż typowe silniki asynchroniczne przez to, że sprawność silnika z magnesami trwałymi jest wyższa. Wśród zalet silników PM wymienia się również dużą przeciążalność momentem, szeroki zakres prędkości, dobre właściwości regulacyjne, mniejsze gabaryty (jeśli porównać z silnikami indukcyjnymi czy prądu stałego) czy zwiększoną niezawodność przez brak węzła szczotkowego. Współcześnie silniki z magnesami trwałymi dzieli się zasadniczo na dwie grupy – bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC) oraz silniki synchroniczne (PMSM). Trudno wyobrazić sobie dzisiejszą automatykę przemysłową bez serwonapędów. To napędy pracujące w układzie zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, gdzie elementem wykonawczym jest silnik elektryczny a elementem kontrolnym sterownik. Informacja zwrotna pochodzi z enkoderów lub czujników. Wymieniane zalety serwonapędów to: mniejsze zużycie energii, natychmiastowy rozruch, dynamiczna regulacja czy redukcja gabarytów.
Energooszczędna innowacja na przykładzie testera charakterystyki amortyzatora
W procesie produkcji amortyzatorów istotną kwestią jest ich testowanie funkcjonalne, czyli mówiąc prosto: zasymulowanie nierówności na drodze i zaobserwowanie reakcji amortyzatorów przedstawionej w postaci odpowiedniej charakterystyki. Przy próbach automatyzowania procesu testowania charakterystyki siły tłumienia amortyzatorów konieczne jest zastosowanie odpowiednich napędów, wymuszających ruch na potrzeby pomiaru zależności między amplitudą drgań a ich częstotliwością, przy uwzględnieniu różnych współczynników tłumienia. Jak pokazuje praktyka większość testerów nie jest w stanie zasymulować ruchów, będących odzwierciedleniem pracy amortyzatora w warunkach rzeczywistych. Oprócz tego przy teście charakterystyki wymaga się możliwie najmniejszego błędu pomiarowego, który w standardowych aplikacjach może wynosić aż 10 %. Ponadto koniecznością jest krótki czas cyklu oraz precyzyjny pomiar przemieszczenia w dużym zakresie. Dla właściwego wykonania testu charakterystyki amortyzatora konieczne jest wykonanie pomiaru siły z określoną precyzją.
Typowe rozwiązania rynkowe oparte są na efektorze hydraulicznym, który porusza tłoczysko amortyzatora z odpowiednią siłą. Konstrukcja napędów hydraulicznych ma swoje wady, a główną z nich jest zależność prędkości od temperatury oleju i działających obciążeń. Olej jako główny czynnik roboczy jest też bardzo wrażliwy na zanieczyszczenia, które są szkodliwe dla napędu. W zasadzie jedynym środkiem zapobiegawczym jest odpowiednio częsta wymiana oleju, co wiąże się z bardziej czaso- i zasobochłonną obsługą serwisową. Wielokrotne przekształcenia energii w napędzie hydraulicznym skutkują jego mniejszą sprawnością w stosunku do rozwiązań elektrycznych.
W stanowisku CTS - innowacyjnej konstrukcji ELPLC S.A. zdecydowano się na elektryczne silniki liniowe SIEMENS jako napęd efektora testującego. Tym sposobem uzyskano siłę kompresji (Fmax) wynoszącą 10350N. O wyborze silnika zadecydowała również jego prędkość maksymalna (Vmax) osiągająca 90m/min. Parametr ten pozwolił skrócić czas cyklu testowania. Pomiar siły jest uzupełniony kontrolą przebytej drogi w jednostce czasu. Wykorzystano do tego system pomiarowy IMS-I - Bosch Rexroth. Błąd pomiarowy uzyskano na poziomie 1,5%. Należy podkreślić, że w rozwiązaniach bazujących na napędzie hydraulicznym parametr ten wynosi nawet 10%. Uzyskano również czas cyklu na poziomie 6,8s – w przypadku napędów hydraulicznych wynosi on 7,2s. Zastąpienie klasycznego napędu hydraulicznego przyniosło wiele korzyści: brak dodatkowego układu zasilania olejem, brak konieczności kontrolowania temperatury, ciśnienia i zużycia oleju, duża dynamika sterowania przy dużej mocy. Zmiana techniki napędowej przyniosła w tym przypadku nie tylko energooszczędność ale również konkretne korzyści operacyjne i jakościowe w postaci krótszego cyklu i dokładniejszego pomiaru.
Warto podkreślić, że tester może być również jednym z elementów kompletnego, modułowego ciągu technologicznego do montażu i testowania amortyzatorów. Rozwiązanie to z kolei odpowiedź ELPLC S.A. na potrzeby producentów, oczekujących automatyzacji procesu montażu amortyzatorów z uwzględnieniem autonomicznej pracy, dużej dokładności montażu i wykonywanych testów oraz trwałości i energooszczędności. Linia wymaga tylko obsługi załadunku oraz rozładunku co docelowo mogą realizować roboty i AGV.