Technika napędowa

Do precyzyjnego określania pozycji oraz przemieszczenia w przypadku najprostszych aplikacji wystarczające jest użycie softstarterów oraz przemienników częstotliwości. Bardziej zaawansowane aplikacje wymagają stosowania serwonapędów oraz urządzeń pomiarowych.

Softstarter

Softstarter to urządzenie, które zapewnia łagodny start i zatrzymanie silnika. Jest alternatywą dla rozrusznika gwiazda–trójkąt oferującą zdecydowanie więcej możliwości. Sterowanie napięciem zasilającym silnik pozwala na obniżanie prądu rozruchowego oraz unikanie udarów. Tym samym elementy mechaniczne ulegają wolniejszemu i mniejszemu zużywaniu. Ponadto softstartery ograniczają ryzyko naliczania potencjalnych kar za przekroczenia na rzecz dostawców energii. Softstarter sprawdzi się w aplikacjach, w których nie ma konieczności zmiany częstotliwości, a więc prędkości obrotowej silnika, np. w wentylatorach, sprężarkach, kruszarkach, podajnikach i przenośnikach. Otwierają możliwość monitorowania pracy silników oraz ich diagnozowania. Warto zauważyć, że softstartery po uruchomieniu silnika można zbocznikować, używając bypassu. Silnik jest zasilany wtedy bezpośrednio z sieci.

Firma Danfoss oferuje softstartery VLT serii MCD100, MCD201, MCD202 i MCD 600. Urządzenia z pierwszej serii są kompaktowe i ekonomiczne i mają podstawowe funkcjonalności, modele serii MCD 200 cechują się łatwym montażem na szynie DIN oraz współpracą z urządzeniami do 30 kW. Softstartery serii MCD 600 gwarantują elastyczność, w tym przypadku można korzystać z różnych komunikacyjnych kart rozszerzeń, wewnętrznego bypassa oraz wbudowanych funkcji, np. czyszczenia pompy, kalendarza, planowania opartego na czasie pracy.

Eaton Electric ma w swoim portfolio rodzinę softstarterów DS7 dostępną w zakresie prądów do 200 A. Umożliwiają korzystanie z innowacyjnego sposobu podłączenia o nazwie SmartWire-DT, bez konieczności wykonywania okablowania sterującego ani adresowego z wykorzystaniem przełączników DIP.

Schneider Electric oferuje softstartery serii Altistart. I tak Altistart 01 jest przeznaczony do prostych zastosowań w urządzaniach o mocy od 0,37 kW do 15 kW, Altistart 22 do pomp i wentylatorów o mocy od 4 kW do 400 kW, a Altistart 48 do urządzeń o mocy do 900 kW, używanych w przemyśle ciężkim.

Przemienniki częstotliwości

Gdy istnieje potrzeba zmiany prędkości obrotowej silnika, niezbędne okazuje się użycie przemienników częstotliwości. Przemienniki częstotliwości umożliwiają wykorzystywanie ramp prędkości i hamowania, co ogranicza zużycie elementów mechanicznych wynikające z naprzemiennie po sobie następujących cyklów pracy i postoju napędzanych elementów. Przemiennik umożliwia precyzyjną kontrolę prędkości obrotowej silnika podłączonego do przemiennika niezależnie od zmian momentu. Ponadto ma możliwość wpływania na przyspieszanie i hamowanie oraz potrafi dynamicznie dobierać prędkości do aktualnego zapotrzebowania. Tym samym zwiększa energooszczędność danego napędu.

Można wyróżnić dwie główne metody sterowania prędkością obrotową silnika elektrycznego – skalarną, która polega na zachowaniu stałej proporcji napięcia do częstotliwości U/f oraz wektorową – bazującą na wyliczonym modelu silnika. Metoda skalarna sprawdza się w aplikacjach z lekkimi obciążeniami silnika, wektorowa wszędzie, gdzie występujące obciążenia i momenty są duże.

Rynek przemienników częstotliwości jest dosyć bogaty i można na nim znaleźć urządzenia wielu producentów i dystrybutorów automatyki takich jak: Danfoss, Eaton Electric, EURA Drives, Nord, Mitsubishi Electric, Multiproject, Parker, Schneider Electric czy Yaskawa.

Przemienniki regeneracyjne

Efektywność energetyczna przemiennika częstotliwości może być znacząco wyższa, gdy możliwe jest odzyskiwanie energii hamowania. Urządzenia z taką funkcjonalnością, zwane regeneracyjnymi, podczas zatrzymywania napędzanych elementów efektywnie zagospodarowują energię hamowania. Nie jest ona tracona w postaci zbędnego wydzielania ciepła w rezystorach hamujących. W związku z dużym udziałem przemienników częstotliwości w zapotrzebowaniu procesu produkcyjnego na energię elektryczną, w przedsiębiorstwach przywiązuje się coraz większą uwagę do aspektu efektywności energetycznej i kosztów z tym związanych.

Rezystory hamujące wykorzystywane w przemiennikach napędzających silniki, które często i szybko się zatrzymują muszą radzić sobie z dużą ilością ciepła, co powoduje, że wymagają solidnego chłodzenia. To z kolei wiąże się z niepożądanymi kosztami. Oprócz korzyści ekonomicznych stosowanie przemienników regeneracyjnych w aplikacjach z częstym i nagłym zatrzymywaniem napędzanych elementów, tj. dźwigi, suwnice czy przenośniki, należy pamiętać, że jest to rozwiązanie przyczyniające się do ochrony środowiska.

Oszczędzoną energię można wykorzystać na dwa sposoby – albo oddać ją z powrotem do sieci zasilającej, albo wykorzystać do zasilenia układów napędzanych za pomocą innych przemienników częstotliwości. Stopień wyjściowy przemienników regeneracyjnych jest podobny do stopnia wejściowego dla umożliwienia dwukierunkowego przepływu energii.

Przykładowe serie modułów, które umożliwiają odzysk energii podczas hamowania w przemiennikach częstotliwości to propozycje firm Yaskawa – R1000 oraz Induprogress – REG2000.

Serwonapędy

W branży automatyki i robotyki często spotykanymi urządzeniami w technice napędowej są serwonapędy. Są one wykorzystywane do precyzyjnej kontroli ruchu w aplikacjach, w których precyzyjne pozycjonowanie odgrywa znacząco rolę dla zachowania dobrej jakości. Serwonapędy pracują w zamkniętych pętlach ze sprzężeniem zwrotnym i składają się z serwo­wzmacniacza, sterownika i serwosilnika z enkoderem. Wzmacniacz porównuje wartości zadawane przez sterownik z wartościami zmierzonymi na obiekcie, otrzymana w ten sposób odchyłka jest podstawą do podejmowania odpowiednich działań prowadzących do jej zmniejszania. Serwonapędy mogą w zależności od aplikacji regulować położenie, prędkość, moment obrotowy lub różne ich kombinacje. Układ sterowania serwonapędem ma wielopętlową strukturę z zagnieżdżeniami.

Tryb sterowania momentowy jest stosowany do realizowania takich zadań jak nawijanie – wymagane jest utrzymanie stałego naprężenia nawijanego materiału oraz wtryskiwanie – konieczna jest niezmienna siła docisku do formy. Z kolei tryb prędkościowy stosowany jest w przenośnikach, dozownikach i maszynach sterowanych numerycznie do obróbki i cięcia termicznego materiałów. Ze względu na charaktery tych procesów konieczne jest utrzymywanie stałej prędkości dla zachowania wysokiej jakości obróbki. Tryb pozycyjny sterowania jest stosowany w aplikacjach, w których element jest przesuwany w z góry zaplanowany i znany sposób po określonym wcześniej torze.

Bezpieczeństwo

Ważnym aspektem związanym z serwonapędami jest bezpieczeństwo. Najczęściej spotykaną w sterownikach napędów wbudowaną funkcją bezpieczeństwa jest STO, czyli bezpieczne wyłączenie momentu. Jest absolutną podstawą do tego, aby układ napędowy mógł być zastosowany w linii produkcyjnej. Zatrzymanie silnika następuje przez wybieg. Aktywacja funkcji powoduje natychmiastowe zaprzestanie generowania momentu przez sterownik.

Kolejną popularną funkcją bezpieczeństwa dostępną w napędach jest SS1 – bezpieczne zatrzymanie silnika. Hamowanie jest wykonywane po rampie, po czym wywoływana jest funkcja STO. Funkcja jest niezbędna w przypadku, gdy ruch napędzanego elementu musi być zatrzymany w kontrolowany sposób.

Inne popularne wbudowane funkcje bezpieczeństwa to: SLS, SSR, SBC, SDI. SLS zapobiega przekroczeniu przez silnik zdefiniowanego limitu prędkości, jest użyteczna w trakcie prac konserwacyjnych i konfiguracyjnych na pracującym urządzeniu. SSR ogranicza bezpieczny zakres osiąganych prędkości. Funkcja SBC służy do kontrolowania mechanicznego hamulca i jest przydatna w przypadku obecności aktywnego obciążenia np. wiszącego ładunku. SDI jest funkcją kontrolującą kierunek obrotu wału silnika. Staje się użyteczna, gdy jest wymagany ruch tylko w jedną stronę.

Napędy specjalne

Na rynku automatyki są dostępne napędy z zabezpieczeniami przed przegrzaniem. Taką ochronę można osiągnąć poprzez monitorowanie pobieranego przez silnik prądu, zastosowanie czujników zaników fazy, wbudowanie zabezpieczeń zwarciowych i przeciążeniowych, zadbanie o bezpośrednią kontrolę temperatury na obudowie silnika i jego uzwojeniach. Wszystkie z wymienionych sposobów to przykłady realizacji wspomnianej funkcji zabezpieczenia przed przegrzewaniem.

Wśród napędów dostępnych na rynku automatyki można wyróżnić grupę napędów zintegrowanych, które charakteryzują się występowaniem wszystkich składowych elementów napędu w jednej obudowie. Takie podejście znacząco obniża koszty montażu oraz uruchamiania napędu ze względu na znaczącą redukcję okablowania. Wymaga jednak odpowiedniej przestrzeni do montażu, czego nie można zapewnić w przypadku każdego projektu konstrukcji.

Kolejną grupą są napędy wieloosiowe, które pozwalają napędzać kilka osi za pomocą jednego wzmacniacza. Taka koncepcja ułatwia synchronizację poszczególnych osi, redukuje ilość okablowania i ułatwia utrzymanie przejrzystości w szafie sterującej.

Koncepcja decentralizacji

Na rynku automatyki można również wyróżnić grupę napędów zdecentralizowanych. Te znajdują zastosowanie przede wszystkim w rozbudowanych systemach automatyki, szczególnie takich, które zajmują duże powierzchnie. Wtedy niepraktycznym i nieergonomicznym staje się umieszczanie wszystkich komponentów napędów w jednej szafie, w jednej lokalizacji. Z koncepcją decentralizacji wiąże się modułowość rozwiązania. Łatwiej jest rozbudować dany system automatyki bez konieczności znacznej ingerencji we wnętrze szafy sterowniczej oraz okablowanie. Używanie napędów zdecentralizowanych najczęściej wiąże się z wykorzystaniem sieci przemysłowych, które zapewniają szybką, sprawną i niezawodną wymianę danych pomiędzy poszczególnymi elementami układu napędowego rozmieszczonymi w różnych punktach systemu automatyki. Koncepcja decentralizacji sprawdza się m.in. w oczyszczalniach ścieków, przepompowniach oraz centralach klimatyzacyjnych.

Za przykład napędu zdecentralizowanego może posłużyć przemiennik częstotliwości EURA EP-66 o mocy maksymalnej z zakresu 0,75–90 kW, znajdujący się w ofercie firmy HF Inverter. Komponent charakteryzuje się wysokim stopniem ochrony IP66 oraz obecnością dodatkowej przestrzeni w obudowie, umożliwiającej umieszczenie dodatkowych elementów automatyki w jej wnętrzu. Wspomniane rozwiązanie nosi nazwę Opti-Box Concept. Przemiennik jest wyposażony w filtr przeciwzakłóceniowy oraz dławik.

Firma Nord oferuje przemienniki zdecentralizowane SK 250E NORDAC LINK o mocy z zakresu 0,37–7,5 kW ze zintegrowanym trybem pozycjonowania, pracą synchroniczną oraz możliwością komunikacji z użyciem wielu różnych protokołów komunikacyjnych.

Bosch Rexroth oferuje serię napędów zdecentralizowanych IndaDrive Mi. Protokół bezpieczeństwa CIP Safety umożliwia przesyłanie sygnałów bezpieczeństwa jednym połączeniem sieciowym wraz z pozostałymi sygnałami i danymi. W skład omawianych napędów wchodzą serwosilniki synchroniczne z nadbudowanymi sterownikami oraz zasilaczami ze zwrotem energii do sieci.

Napędy liniowe

Gdy dynamika serwonapędu obrotowego okazuje się niewystarczająca, zastosowanie znajdują silniki liniowe. Duże przyspieszenia oraz dopuszczalne prędkości maksymalne sprawiają, że są one coraz częściej stosowane w systemach pozycjonujących, manipulatorach i obrabiarkach. Silniki liniowe nie generują ruchu obrotowego w napędzanych obiektach, zaś płynnie, dynamicznie, poruszają nimi wzdłuż określonych krzywych. Składają się z dwóch części – ruchomej z uzwojeniami silnika i ścieżki magnetycznej z magnesami trwałymi. Kilka ruchomych elementów na jednej ścieżce umożliwia zwiększenie siły ciągu, gdy są one połączone równolegle. Elementy mogą pracować również niezależnie. Istnieje możliwość łączenia ścieżek w dłuższe odcinki umożliwiające realizację przejazdów o dowolnej długości. Silniki liniowe wprawiają w ruch bez udziału elementów przełożenia takich jak: przekładnie, pasy napędowe, koła zębate, zębatki, mechanizmy korbowe czy łańcuchy. Energia prądu jest bezpośrednio zamieniana na energię kinetyczną ruchu postępowego. Przykładami serii silników liniowych dostępnych na rynku automatyki są: LMSA, LMFA, LMC, LMFB (wszystkie HIWIN), Sl2 (SEW-EURODRIVE) i DM01 (Multiproject).

Kontrola pozycji i przemieszczenia

Niezbędnym elementem precyzyjnego układu napędowego jest komponent odpowiedzialny za kontrolę pozycji i przemieszczenia. Najczęściej tym elementem jest enkoder. Wśród enkoderów można wyróżnić modele inkrementalne oraz absolutne. Inne kryterium podziałowe wyróżnia wśród enkoderów modele optyczne i magnetyczne. Na enkoder optyczny składają się układ nadajnika i odbiornika oraz tarcza obrotowa ze szczelinami, przez które przechodzi wiązka nadawana do odbiornika. Liczba szczelin wpływa na rozdzielczość urządzenia. Enkodery magnetyczne mogą być zlokalizowane w większej odległości od tarczy, tym samym umożliwiając oddzielenie sekcji mechanicznej od elektronicznej, co wpływa na zwiększenie żywotność całego układu. Pole magnetyczne umożliwia wykonywanie pomiarów metodą bezdotykową, nie ma konieczności stosowania przekładni mechanicznej i zasilania bateryjnego.

Przykładem enkoderów mogą być absolutne enkodery AVM78E z oferty firmy Pepperl+Fuchs. Są to komponenty w wersji wieloobrotowej wykonane zgodnie z dyrektywami ATEX, a więc mogą pracować w strefach zagrożonych wybuchem. Ich ognioszczelna obudowa została wykonana z aluminium lub stali nierdzewnej, a dostępna rozdzielczość maksymalna wynosi 16 bitów, a 14 bitów jest użytych dodatkowo do określania liczby zrealizowanych obrotów.

Inny przykład enkoderów to seria OCE-EC00B dostępna w ofercie firmy Positial Fraba. W jej skład wchodzą wieloobrotowe, absolutne urządzenia z interfejsem EtherCAT o szesnastobitowej rozdzielczości i liczbie obrotów zakodowanych na 14 bitach. Część modeli jest dostępna w wersji przeciwwybuchowej.

Kolejne przykładowe enkodery to: jednoobrotowy absolutny enkoder HS58 EP z interfejsem Ethernet/IP, który oferuje Eldar i absolutny, wieloobrotowy, osiemnastobitowy enkoder 842E wykonany w stopniu ochrony IP67 oferowany przez Rockwell Automation.

Do pomiaru przemieszczeń liniowych służą enkodery liniowe. Składają się one z głowicy i taśmy magnetycznej. Głowica zawiera sensor magnetyczny, który podczas przemieszczania się względem taśmy, na której znajdują się naprzemiennie umieszczone bieguny N i S, generuje sinusoidalny sygnał elektryczny, który jest następnie przez obwody elektroniczne przetwarzany na przebiegi prostokątne. Liczba impulsów w otrzymanym przebiegu jest proporcjonalna do przesunięcia, zaś ich częstotliwość do prędkości posuwu.

Przemysł 4.0

Rewolucja przemysłowa w zakresie procesów produkcyjnych wiąże się z rozwojem techniki napędowej. Nowatorskie rozwiązania proponowane przez producentów i dystrybutorów systemów napędowych mają na celu sprostanie wyzwaniom stawianym branży automatyki w związku z postępującym rozwojem Przemysłu 4.0. Główny nurt zmian dotyczy analizy danych. Nieuniknione jest również wykorzystanie sztucznej inteligencji, której rozwój jest coraz bardziej dynamiczny. Na podstawie analizy danych archiwalnych zbieranych z napędów i odpowiednich algorytmów oraz dokonań sztucznej inteligencji można projektować aplikacje służące optymalizacji procesów produkcyjnych. Niezbędna jest ścisła współpraca inżynierów oraz programistów.

Wszystkie dotychczasowe metody optymalizacji są wzbogacane zautomatyzowanymi działaniami. Działania te są dyktowane wnioskami wyciągniętymi z obserwacji i analizy zachowań urządzeń napędowych w przeszłości. Cały czas sposób działania napędów jest doskonalony. Dodatkowo łatwiej jest prowadzić działania prewencyjne. Na podstawie archiwalnych danych można ustalić jakie parametry i okoliczności poprzedzały awarie i uszkodzenia urządzeń. Pojawienie się takich symptomów może generować odpowiednie ostrzeżenia, które zapobiegną awarii, skrócą lub wyeliminują czas postoju, zredukują koszty związane z ewentualną usterką.

Niezbędnym działaniem związanym z zainicjowaniem wprowadzania do przedsiębiorstwa Przemysłu 4.0 jest zintegrowanie maszyn i urządzeń w jedną sieć. Dzięki temu zbierane dane są kompletne i prezentują pełen obraz realizacji procesu produkcyjnego. Obrazowo ujmując, nowoczesne urządzenia, podzespoły i komponenty są w stanie same się konfigurować oraz dopasowywać do otoczenia i panujących warunków, w tym integrować z działającymi już systemami. Ich cechą jest samodoskonalenie.

Ludzie, systemy IT i napędy automatycznie wymieniają się informacjami w trakcie trwania procesów produkcyjnych. Ważną cechą charakteryzującą napędy działające zgodnie z założeniami Przemysłu 4.0 jest dostęp do wszystkich informacji z dowolnego miejsca, w dowolnym czasie. Dzięki integracji systemów produkcyjnych łatwiej jest zarządzać produkcją, zwiększa się potencjał przedsiębiorstwa, można dostosowywać się do potrzeb klientów i realizować produkcję małoseryjną.

Napędy inteligentne potrzebują wyłącznie sygnału z systemu sterującego o potrzebie wykonania określonego ruchu lub sekwencji ruchów. Same mogą kontrolować sytuację i adaptować się do zastanych warunków. Modyfikacje linii technologicznej związane ze zmianą produkowanego komponentu są dokonywane w sposób zautomatyzowany, nie wymagają ingerencji mechaników. Do identyfikacji produktów oraz aktualnych potrzeb służą czujniki.

Podsumowanie

Rynek techniki napędowej ulega ciągłej ewolucji. Wprawianie w ruchu elementów wykonawczych wymaga weryfikowanie aktualnych potrzeb i dostosowywania oferty do bieżącego zapotrzebowania. Każda aplikacja jest inna i wymaga stosowania innych rozwiązań. Niniejszy przegląd miał na celu nakreślenie aktualnej sytuacji na rynku napędów, wskazanie przykładowych produktów i wyszczególnienie wybranych zagadnień związanych z tematyką.

źródło: Automatyka 10/2024