Elektrické pohony navržené jako náhrada hydraulických a pneumatických systémů: praktický průvodce průmyslovou automatizací

Po desetiletí dominovaly průmyslovému řízení pohybu pneumatické válce a hydraulické pohony. Jejich obliba vychází z jednoduchých metod řízení, robustního silového výkonu a snadné instalace. Ventil se aktivuje, kapalina se uvede do pohybu a pohon se vysune nebo zasune. Tento princip je snadno pochopitelný a jeho údržba je ještě jednodušší.

Moderní výrobní provozy však čelí rostoucímu tlaku na zvyšování energetické účinnosti, snižování nároků na údržbu, odstraňování úniků a dosahování vyšší přesnosti polohování. Tyto požadavky urychlily zavádění elektrických pohonů v odvětvích od balení a montáže až po výrobu polovodičů a procesní automatizaci.

Na rozdíl od tradičních kapalinových systémů poskytují elektrické pohony přesné řízení polohy, programovatelné profily pohybu, opakovatelný pohyb a diagnostické funkce v reálném čase. Inženýři mohou řídit zrychlení, rychlost, zpomalení a polohu zastavení bez použití regulátorů tlaku, průtokových ventilů nebo mechanického nastavování.

Historicky byly tyto výhody spojeny s významnou nevýhodou. Elektrické pohybové systémy často vyžadovaly servopohony, programování PLC, komunikační sítě, software pro ladění, systémy zpětné vazby enkodéru a specializované odborné znalosti v oblasti řízení pohybu.

Pro mnoho provozů, zejména těch, které nahrazují jednoduché pneumatické válce, představovala tato složitost významnou překážku přijetí.

Moderní integrované platformy elektrických pohonů se snaží tuto výzvu odstranit kombinací mechaniky pohonu, elektroniky řízení motoru a konfiguračního softwaru do jediného celku. Výsledkem je systém, který poskytuje výhody elektrického pohybu a zároveň zachovává provozní jednoduchost, díky níž se pneumatické systémy staly tak oblíbenými.

Tento článek zkoumá platformu e-Actuator společnosti SMC a ukazuje, jak integrované elektrické pohybové systémy pomáhají výrobcům přecházet od tradičních technologií kapalinového pohonu.

Pro provozy modernizující infrastrukturu automatizace tyto technologie stále více doplňují pokročilé systémy PLC a PAC, průmyslové platformy HMI a řešení řízení pohybu používané v moderních výrobních provozech.

Obrázek 1. Řada e-Actuator v demonstrační jednotce od společnosti SMC.

Proč výrobci nahrazují pneumatické a hydraulické pohony

Pneumatické systémy zůstávají jednou z nejrozšířenějších technologií pohybu v průmyslové automatizaci. Stlačený vzduch je dostupný ve většině továren a pneumatické válce nabízejí spolehlivý provoz pro mnoho aplikací.

Hydraulické systémy nadále dominují v aplikacích vyžadujících mimořádně vysokou výstupní sílu, včetně lisů, těžkých strojů, zařízení pro tváření kovů a velkých průmyslových aktuátorů.

Navzdory těmto výhodám přinášejí technologie fluidních pohonů několik provozních problémů.

Systémy stlačeného vzduchu jsou ze své podstaty neefektivní. K významným energetickým ztrátám dochází při kompresi, distribuci, skladování a vypouštění vzduchu. Ve stárnoucích provozech často vznikají úniky vzduchu, které zvyšují náklady na energii, aniž by přispívaly k užitečné práci.

Hydraulické systémy přinášejí jiné problémy. Kontaminace kapaliny, degradace těsnění, úniky, environmentální hlediska a průběžné požadavky na údržbu zvyšují náklady během životního cyklu.

Elektrické aktuátory řeší mnoho z těchto problémů přímo.

• Žádná spotřeba stlačeného vzduchu
• Žádná údržba hydraulické kapaliny
• Žádné obavy z úniků
• Nižší provozní hlučnost
• Vyšší přesnost polohování
• Programovatelné profily pohybu
• Integrovaná diagnostika
• Vyšší energetická účinnost

Snad nejdůležitější je, že elektrické aktuátory poskytují přesné řízení pohybu, místo aby se pouze pohybovaly mezi dvěma pevně danými koncovými body.

Tato schopnost umožňuje inženýrům vytvářet flexibilní výrobní systémy schopné podporovat více produktů, receptur a provozních režimů bez mechanického nastavování.

Tradiční složitost elektrických systémů řízení pohybu

Ačkoli elektrické aktuátory nabízejí významné výkonnostní výhody, tradiční systémy řízení pohybu založené na servopohonech často vyžadují podstatně více technické práce než pneumatické instalace.

Konvenční elektrické řešení řízení pohybu obvykle zahrnuje:

• Servomotor
• Servopohon
• Řídicí jednotka pohybu
• Zpětná vazba z enkodéru
• Komunikační síť
• Programovací software
• Hardware pro distribuci napájení
• Integrace bezpečnostních funkcí

V mnoha průmyslových provozech inženýři jednoduše potřebují, aby se válec přesunul z pozice A do pozice B. Instalace kompletního servosystému pro takto jednoduchý požadavek může přinést zbytečnou složitost a náklady.

Tato výzva vysvětluje, proč pneumatické válce zůstávají běžné navzdory svým omezením.

Úsilí potřebné ke konfiguraci, uvedení do provozu a údržbě tradičního systému řízení pohybu často převáží přínosy u aplikací s jednoduchým lineárním pohybem.

Integrované elektrické aktuátory se snaží překlenout tuto mezeru tím, že poskytují přesnost polohování na úrovni serva při zachování jednoduchosti tradičních metod řízení fluidních pohonů.

Pochopení koncepce e-aktuátoru SMC

Řada e-aktuátorů SMC EQFS přistupuje k řízení pohybu z praktického hlediska.

Místo toho, aby inženýři museli pořizovat samostatné motory, pohony, zpětnovazební systémy a řídicí jednotky, integruje aktuátor tyto komponenty do kompaktní sestavy.

Tato architektura výrazně zjednodušuje instalaci.

Integrovaná řídicí jednotka automaticky řídí:

• Řízení polohy
• Komutace motoru
• Řízení zrychlování
• Řízení zpomalování
• Zpětná vazba polohy
• Sekvencování pohybu
• Monitorování poruch

Uživatel proto s aktuátorem pracuje podobně jako s pneumatickým válcem.

Jednoduché digitální vstupy zadávají příkazy k pohybu, zatímco interní řídicí jednotka zpracovává složité výpočty a řídicí algoritmy, které probíhají na pozadí.

Obrázek 2. Integrovaná řídicí jednotka s vyhrazenými rozhraními pro napájení, I/O a konfiguraci.

Integrované řídicí jednotky: zjednodušení nasazení elektrických pohonů

Jednou z nejvýznamnějších překážek širšího využití elektrických aktuátorů byla historicky složitost řídicích jednotek.

Tradiční servosystémy často vyžadují rozsáhlou konfiguraci a specializované znalosti.

Integrované architektury řídicích jednotek zjednodušují nasazení tím, že přímo do sestavy aktuátoru integrují inteligentní řízení pohybu.

Z hlediska instalace inženýři obvykle pracují se třemi připojeními:

• Napájecí vstup 24 V DC
• Rozhraní digitálních I/O
• Konfigurační rozhraní

Tato konstrukce eliminuje značnou část složitosti zapojení běžně spojené se samostatnými systémy řízení pohybu.

Výrobci strojů těží z menších nároků na prostor v rozváděči, zjednodušené dokumentace a rychlejších postupů uvedení do provozu.

Pracovníci údržby také těží z toho, že diagnostika problémů je výrazně snazší, když pohon a aktuátor fungují jako jednotný systém.

Výhody elektrické infrastruktury oproti kapalinovým systémům

Jednou z často přehlížených výhod elektrických aktuátorů je infrastruktura provozu.

Pneumatické systémy vyžadují rozsáhlé podpůrné vybavení, než může začít pracovat jediný aktuátor.

Tato infrastruktura může zahrnovat:

• Kompresory vzduchu
• Sušičky
• Filtry
• Regulátory tlaku
• Akumulační nádrže
• Rozvodné potrubí
• Programy řízení úniků

Hydraulické systémy vyžadují stejně rozsáhlé investice do infrastruktury.

Tyto systémy obvykle zahrnují čerpadla, nádrže, ventily, výměníky tepla, filtrační systémy a rozsáhlé potrubní sítě.

Elektrické pohony odstraňují mnoho těchto požadavků.

Infrastruktura distribuce elektrické energie již existuje ve většině průmyslových provozů. Rozšíření elektrických přípojek do vzdálených míst je často výrazně snazší než instalace nových sítí stlačeného vzduchu nebo hydraulických rozvodů.

Tato výhoda je obzvláště důležitá při rozšiřování a modernizaci provozů.

Inženýři mohou nasadit pohybové systémy v místech, kde nemusí být k dispozici stlačený vzduch nebo by jeho instalace byla neúměrně nákladná.

Porozumění napájecím a I/O připojením

e-Actuator využívá jednoduchý způsob zapojení, který odpovídá běžným postupům průmyslové automatizace.

Napájecí konektor přijímá standardní řídicí napájení 24 V DC, což umožňuje kompatibilitu se stávajícími průmyslovými napájecími systémy.

Většina moderních automatizačních platforem již využívá napájecí architektury 24 V DC pro senzory, řídicí jednotky, HMI a komunikační zařízení.

Tato kompatibilita zjednodušuje integraci systému.

Obrázek 3. Přiřazení pinů napájení a digitálních I/O používané integrovaným řídicím systémem.

Architektura digitálních vstupů se mírně liší od mnoha konvenčních vstupních modulů PLC.

Protože aktuátor interně používá napájecí napětí jako referenci, externí zařízení musí sdílet společnou elektrickou referenci.

Pochopení tohoto vztahu je při integraci systému důležité.

Správné uzemnění a řízení společné reference pomáhají zajistit spolehlivý provoz a zároveň minimalizovat elektrický šum a problémy s komunikací.

Inženýři integrující elektrické aktuátory se systémy Allen-Bradley ControlLogix, Siemens SIMATIC S7 nebo Schneider Modicon Quantum by měli během instalace ověřit běžné postupy zapojení napájecí reference.

Průmyslové aplikace, které nejvíce těží z elektrických aktuátorů

Ne každá pneumatická nebo hydraulická aplikace by měla být automaticky převedena na elektrický pohon.

Některé aplikace však mohou z technologie elektrických aktuátorů výrazně těžit.

Mezi příklady patří:

• Balicí stroje
• Systémy typu pick-and-place
• Montážní zařízení
• Výroba elektroniky
• Farmaceutické zpracování
• Výroba potravin a nápojů
• Laboratorní automatizace
• Zařízení pro výrobu polovodičů

Tyto aplikace často vyžadují opakovatelnou polohovatelnost, flexibilní profily pohybu a nižší nároky na údržbu.

Elektrické aktuátory poskytují výhody, kterých je s využitím tradičních fluidních energetických systémů obtížné dosáhnout.

S tím, jak výrobní prostředí nadále zavádějí strategie chytrých továren, elektricky řízené pohybové systémy stále více odpovídají cílům Průmyslu 4.0 zaměřeným na konektivitu, diagnostiku, efektivitu a provozní přehled.

Konfigurace softwaru: kde se elektrický pohyb stává praktickým

Pro mnoho inženýrů představuje konfigurace softwaru největší obavu při přechodu z pneumatických válců na elektrické aktuátory.

Tradiční platformy pro řízení pohybu často vyžadují rozsáhlé nastavení parametrů, mapování komunikace, konfiguraci os, postupy ladění a odborné znalosti programování.

Cíl platformy e-Actuator je zásadně odlišný.

Namísto zpřístupnění stovek pohybových parametrů se software zaměřuje pouze na konfiguraci nastavení nezbytných pro běžné průmyslové aplikace.

Tento přístup výrazně zkracuje dobu uvedení do provozu a zároveň zachovává výhody elektrického pohybu.

Konfigurační software automaticky identifikuje připojený model akčního členu a zobrazí pouze relevantní parametry k úpravě.

Díky tomu tráví inženýři méně času procházením složitých nabídek a více času optimalizací výkonu stroje.

Připojení k nástroji e-Actuator Setup Tool

Konfigurace se provádí pomocí vyhrazeného nástroje e-Actuator Setup Tool od společnosti SMC.

Software komunikuje prostřednictvím vyhrazeného konfiguračního portu M12 umístěného na integrované řídicí jednotce.

Po navázání komunikace software automaticky rozpozná:

• Typ akčního členu
• Délka zdvihu
• Verze řídicí jednotky
• Dostupné provozní režimy
• Aktuální nastavení parametrů

Tento proces automatické detekce eliminuje mnoho manuálních postupů nastavení tradičně spojených se servosystémy.

Pro výrobce strojů nasazující více akčních členů může tato funkce výrazně zkrátit dobu uvedení do provozu.

Technici uvádějící zařízení do provozu mohou rychle ověřit konfigurace, upravit nastavení a validovat provoz bez rozsáhlých znalostí programování.

Obrázek 4. Dostupné provozní režimy v nástroji e-Actuator Setup Tool.

Vysvětlení provozních režimů

Jedním z nejinovativnějších aspektů platformy je její schopnost napodobit známé chování pneumatických ventilů.

Technici údržby a obsluha strojů již rozumějí fungování pneumatických směrových ventilů.

Napodobení těchto metod řízení výrazně zkracuje dobu potřebnou k osvojení elektrického pohybu.

Platforma nabízí tři hlavní provozní režimy.

Režim jednoduchého elektromagnetu

Tento režim funguje podobně jako pneumatický ventil s pružinovým návratem.

Po aktivaci digitálního vstupu se akční člen přesune do požadované polohy.

Po odstranění signálu se akční člen automaticky vrátí do výchozí polohy.

Tento provozní režim je ideální pro:

• Systémy pro vyhazování dílů
• Jednoduchá polohovací zařízení
• Upínací mechanismy
• Vyřazovací brány
• Nakládací stanice

Mnoho aplikací pneumatických válců lze touto metodou řízení přímo nahradit.

Režim dvojitého elektromagnetu

Režim dvojitého elektromagnetu napodobuje chování směrového ventilu s dvojitým elektromagnetem, který se běžně používá v pneumatické automatizaci.

Jeden digitální vstup ovládá vysunutí, zatímco druhý vstup ovládá zasunutí.

Akční člen udržuje svou polohu, dokud nepřijme nový příkaz.

Tento přístup nabízí větší flexibilitu řízení a velmi se podobá tradičním konstrukcím průmyslových strojů.

Mezi aplikace patří:

• Přenosové systémy
• Zařízení pro manipulaci s materiálem
• Automatizované montážní stanice
• Indexovací mechanismy
• Balicí zařízení

Režim uzavřeného středu

Režim uzavřeného středu poskytuje funkci, která není dostupná u většiny konvenčních pneumatických válců.

Kromě poloh vysunutí a zasunutí se aktuátor může přesunout do mezipolohy.

To umožňuje třípolohové řízení pouze pomocí dvou digitálních vstupů.

Možnost zastavit v konfigurovatelné středové poloze vytváří příležitosti pro sofistikovanější provoz stroje bez nutnosti plnohodnotného servopohybového řídicího systému.

Mezi aplikace patří:

• Manipulace s díly ve více polohách
• Třídicí systémy
• Kontrolní stanice
• Přenosové mechanismy
• Systémy polohování výrobků

Tato funkce zdůrazňuje jednu z hlavních výhod elektrických aktuátorů oproti konvenčním technologiím fluidní energie.

Propojení pneumatiky a řízení servopohonu

Provozní režimy ukazují důležitý trend probíhající v celé průmyslové automatizaci.

Výrobci stále častěji hledají řešení, která kombinují jednoduchost tradiční automatizace s flexibilitou moderních digitálních technologií.

Elektrické aktuátory zaujímají v rámci tohoto přechodu jedinečné postavení.

Poskytují výrazně vyšší funkčnost než pneumatické válce a zároveň se vyhýbají velké části složitosti spojené s plnohodnotnými servopohybovými platformami.

Tato rovnováha je obzvláště atraktivní pro výrobce strojů, kteří vyvíjejí zařízení pro zákazníky, jež nemusí mít specializované odborné znalosti v oblasti řízení pohybu.

Jednoduché digitální příkazy zůstávají pracovníkům údržby dobře známé, zatímco pokročilé pohybové profily jsou stále k dispozici technickým týmům.

Výhody integrovaných pohybových profilů

Jedním z největších omezení pneumatických válců je nedostatek přesné kontroly pohybu.

Ačkoli lze rychlost ovlivnit regulací průtoku, dosažení opakovatelných profilů zrychlení a zpomalení zůstává obtížné.

Pneumatické válce se obvykle pohybují tak rychle, jak dovolují tlak v systému a podmínky zatížení.

To často vede k:

• Mechanický ráz
• Poškození výrobků
• Vznik hluku
• Opotřebení součástí
• Snížená přesnost polohování

Elektrické aktuátory tyto problémy řeší pomocí programovatelných pohybových profilů.

Řídicí jednotka průběžně reguluje výkon motoru, aby bylo dosaženo řízeného pohybu po celé dráze pojezdu.

Výsledkem je plynulejší provoz, lepší opakovatelnost a delší životnost zařízení.

V prostředí vysokorychlostní výroby může snížení rázových sil výrazně zlepšit spolehlivost strojů a kvalitu výrobků.

Tento přínos sám o sobě často ospravedlňuje přechod z pneumatických systémů na elektrické technologie pohybu.

Konfigurace parametrů rychlosti, zrychlení a polohy

Snad největší výhodou elektrických aktuátorů oproti fluidním systémům je úplná kontrola charakteristik pohybu.

U pneumatických válců konstruktéři obvykle upravují ventily pro regulaci průtoku a nastavení regulátorů, aby ovlivnili rychlost. Tento přístup funguje pro mnoho aplikací, ale výkon se může lišit v závislosti na zatížení, kolísání tlaku vzduchu a opotřebení komponent.

Elektrické aktuátory eliminují tyto proměnné tím, že umožňují definovat parametry pohybu přímo v řídicí jednotce.

Místo spoléhání na omezení tlaku a průtoku mohou konstruktéři stanovit přesné hodnoty pro:

• Míra zrychlení
• Maximální rychlost pohybu
• Míra zpomalení
• Cílové polohy
• Mezilehlé polohy
• Časování pohybů

Tato úroveň řízení výrazně zlepšuje konzistenci mezi výrobními cykly.

Každý pohyb se řídí stejným profilem bez ohledu na drobné změny prostředí nebo provozních podmínek.

Obrázek 5. Nastavení polohy, rychlosti, zrychlení a zpomalení lze konfigurovat pomocí nastavovacího softwaru.

Proč jsou profily pohybu důležité v moderní výrobě

S vývojem výrobních systémů nabývá kvalita pohybu stále většího významu.

Starší výrobní zařízení často upřednostňovala rychlost nade vše. Pokud se válec rychle vysunul a zasunul, systém splnil svůj účel.

Dnešní výrobní prostředí vyžaduje mnohem více.

Výrobní linky nyní zpracovávají choulostivé produkty, lehké materiály, přesné sestavy a vysoce přizpůsobené varianty produktů.

Nadměrné rázové síly mohou poškodit produkty, snížit jejich kvalitu a urychlit opotřebení zařízení.

Programovatelné profily pohybu pomáhají tyto problémy eliminovat.

Místo nárazu do mechanických dorazů mohou elektrické aktuátory postupně zrychlovat, udržovat řízenou rychlost pohybu a plynule zpomalovat před dosažením cílové polohy.

Mezi výhody patří:

• Menší mechanické rázy
• Nižší úroveň vibrací
• Vyšší kvalita produktů
• Delší životnost stroje
• Nižší náklady na údržbu
• Vyšší přesnost polohování

Tyto výhody jsou obzvláště důležité v odvětvích, jako je výroba elektroniky, farmaceutická výroba, výroba polovodičů a automatizované montážní operace.

Konfigurovatelné polohování za mechanickými koncovými dorazy

Tradiční pneumatické válce obvykle pracují mezi dvěma pevnými mechanickými limity.

Pokud je vyžadována jiná poloha, konstruktéři často musí nainstalovat mechanické dorazy, přepracovat hardware nebo zvolit aktuátor s jinou délkou zdvihu.

Elektrické aktuátory poskytují výrazně větší flexibilitu.

Software umožňuje konstruktérům definovat provozní polohy nezávisle na fyzických limitech zdvihu aktuátoru.

To znamená, že jediný aktuátor může podporovat více konfigurací stroje bez mechanických úprav.

Mezi příklady patří:

• Receptury specifické pro produkt
• Více velikostí balení
• Flexibilní montážní operace
• Automatizované přestavby
• Adaptivní výrobní systémy

S tím, jak výrobci stále více prosazují strategie flexibilní výroby, stává se tato schopnost významnou konkurenční výhodou.

Místo fyzického nastavování strojního zařízení mezi výrobními sériemi mohou obsluha jednoduše zvolit nový recept prostřednictvím rozhraní stroje.

Aktuátor se automaticky pohybuje podle nových konfiguračních parametrů.

Přínosy Průmyslu 4.0 a chytré výroby

Přechod od kapalinové energetiky k elektrickému pohybu úzce souvisí s širšími iniciativami Průmyslu 4.0.

Moderní továrny jsou stále více závislé na propojených zařízeních schopných poskytovat přehled o provozu, diagnostické informace a analytiku výkonu.

Pneumatické válce obecně poskytují omezenou zpětnou vazbu.

V nejlepším případě mohou technici nainstalovat externí senzory pro zjištění vysunuté a zasunuté polohy.

Elektrické aktuátory přirozeně generují mnohem bohatší provozní data.

Mezi příklady patří:

• Zpětná vazba polohy
• Stav pohybu
• Počty cyklů
• Chybové stavy
• Časování pohybů
• Trendy výkonnosti
• Historie provozu

Tyto informace mohou podporovat iniciativy prediktivní údržby a zlepšovat celkovou efektivitu zařízení.

Při integraci s moderními průmyslovými komunikačními sítěmi a platformami průmyslové výpočetní techniky se elektrické aktuátory stávají cennými zdroji dat v propojených výrobních prostředích.

Porovnání energetické účinnosti: elektrické vs. pneumatické systémy

Energetická účinnost zůstává jedním z nejsilnějších argumentů pro zavádění elektrických aktuátorů.

Stlačený vzduch je často označován za jednu z nejdražších utilit ve výrobním závodě.

Výroba stlačeného vzduchu vyžaduje značné množství elektrické energie.

K dalším ztrátám dochází v důsledku:

• Neefektivita komprese
• Ztráty v rozvodném potrubí
• Poklesy tlaku
• Úniky vzduchu
• Ztráty na ventilech
• Ztráty výfukem

Průmyslové studie často odhadují, že významné procento stlačeného vzduchu vyrobeného v továrnách nikdy nevykoná užitečnou práci.

Elektrické aktuátory přímo převádějí elektrickou energii na mechanický pohyb.

Tento proces přímé konverze obecně dosahuje mnohem vyšší celkové účinnosti systému.

U provozů se stovkami aktuátorů rozmístěných na více výrobních linkách mohou kumulativní úspory energie dosáhnout značné výše.

Tyto úspory často zlepšují výpočet celkových nákladů na vlastnictví při porovnávání elektrických a pneumatických technologií.

Snižování nároků na údržbu

Aspekty údržby přesahují rámec spotřeby energie.

Systémy kapalinové energetiky vyžadují průběžnou péči, aby byl zachován spolehlivý provoz.

Mezi běžné údržbové činnosti patří:

• Detekce úniků
• Výměna těsnění
• Servis filtru
• Nastavení tlaku
• Řízení mazání
• Monitorování kvality vzduchu
• Výměna hydraulické kapaliny

Elektrické pohony odstraňují mnoho těchto požadavků.

Ačkoli mechanické součásti stále vyžadují pravidelné kontroly, absence stlačeného vzduchu a hydraulických kapalin zjednodušuje dlouhodobé strategie údržby.

Mnoho provozů zavádějících programy údržby zaměřené na spolehlivost stále častěji vnímá elektrické pohybové systémy jako způsob, jak omezit neplánované prostoje a objem údržby.

Obrázek 6. Parametry pohybu lze zapisovat přímo do pohonu, což zjednodušuje uvedení do provozu a budoucí změny konfigurace.

Průmyslové aplikace, kde elektrické pohony přinášejí největší hodnotu

Ačkoli elektrické pohony mohou nahradit mnoho pneumatických válců, nejvyšší návratnosti investic se často dosahuje u aplikací vyžadujících flexibilitu, přesnost a opakovatelnost.

Ne každý stroj využívá elektrický pohyb stejně efektivně.

Jednoduché aplikace s nepřetržitým vysouváním a zasouváním při vysoké rychlosti mohou i nadále upřednostňovat pneumatickou technologii kvůli nižším pořizovacím nákladům.

Aplikace vyžadující řízené polohování, přestavbu na jiné produkty nebo více provozních režimů však často těží z elektrických řešení.

Mezi nejúspěšnější implementace patří:

• Automatizované montážní systémy
• Balicí stroje
• Zařízení pro balení do krabic
• Stanice pro kontrolu produktů
• Robotické transferové systémy
• Elektronické výrobní linky
• Výroba zdravotnických prostředků
• Zařízení pro zpracování polovodičů

V těchto prostředích přináší možnost upravovat parametry pohybu prostřednictvím softwaru namísto hardwarových úprav významné provozní výhody.

Modernizace balicích strojů

Balicí zařízení představují jednu z největších příležitostí pro zavedení elektrických pohonů.

Tradiční balicí systémy často obsahují desítky pneumatických válců určených pro:

• Polohování produktů
• Manipulace s kartony
• Ovládání vrat
• Vyřazování vadných dílů
• Nakládání krabic
• Umístění etiket

S rostoucí rozmanitostí produktů se výrobci často potýkají s dlouhými postupy přestavby.

Mechanické úpravy jsou nutné vždy, když se změní rozměry balení.

Elektrické pohony umožňují, aby tyto úpravy probíhaly automaticky.

Místo ručního přemisťování dorazů a vodítek obsluha jednoduše vybere novou recepturu produktu.

Stroj poté automaticky upraví polohy pohonů podle uložených konfiguračních parametrů.

Tato funkce výrazně zkracuje dobu přestavby a zároveň zvyšuje opakovatelnost.

Mnoho výrobců OEM balicích zařízení nyní kombinuje elektrické pohony se systémy průmyslového HMI a vytváří uživatelsky přívětivá rozhraní pro nastavení, která zjednodušují obsluhu strojů.

Automatizované montážní systémy

Montážní operace často vyžadují podstatně vyšší přesnost polohování, než mohou pneumatické válce spolehlivě zajistit.

Komponenty musí být před vložením, upevněním, svařováním nebo kontrolou přesně zarovnány.

Elektrické aktuátory nabízejí opakovatelné polohování, které podporuje:

• Vkládání komponent
• Lisovací montáž
• Polohování spojovacích prvků
• Instalace konektorů
• Operace přenosu dílů

Protože je polohování definováno softwarem, mohou konstruktéři snadno upravovat profily pohybu podle vývoje produktů.

Tato flexibilita nabývá na hodnotě ve výrobních prostředích, kde se na společném výrobním zařízení vyrábí více variant produktů.

Výroba potravin a nápojů

Potravinářské výrobní závody nadále hledají alternativy k pneumatickým systémům z provozních i ekologických důvodů.

Stlačený vzduch zůstává v potravinářských závodech běžný, ale snížení celkové spotřeby vzduchu může výrazně zlepšit energetickou účinnost.

Elektrické aktuátory nabízejí další výhody, mezi které patří:

• Nižší spotřeba energie
• Lepší konzistence polohování
• Nižší nároky na údržbu
• Zjednodušené sanitační postupy
• Lepší opakovatelnost procesů

Aplikace, jako je plnění, třídění, balení a manipulace s materiálem, často těží z přesných regulačních vlastností elektrických pohybových systémů.

Výhody pro výrobce strojů a návrh OEM zařízení

Výrobci strojů čelí neustálému tlaku na snižování konstrukčních a vývojových nároků při současném zvyšování výkonu strojů.

Integrované elektrické aktuátory pomáhají dosáhnout obou cílů.

Tradiční pohybové systémy často vyžadují koordinaci mezi více dodavateli včetně výrobců aktuátorů, dodavatelů pohonů, dodavatelů kabelů a poskytovatelů řídicích systémů.

Integrovaná platforma aktuátoru soustřeďuje velkou část této složitosti.

Mezi výhody pro výrobce OEM patří:

• Menší počet komponent
• Zjednodušený návrh elektroinstalace
• Rychlejší montáž
• Menší požadavky na prostor v rozváděči
• Zjednodušená dokumentace
• Kratší doba uvádění do provozu

Tyto výhody mohou výrazně snížit náklady na vývoj strojů a zároveň zlepšit standardizaci napříč platformami zařízení.

Integrace s moderními platformami PLC

Jedním z důvodů, proč elektrické aktuátory stále získávají na oblibě, je jejich kompatibilita s moderními průmyslovými řídicími systémy.

Jednoduchá architektura s digitálními vstupy umožňuje snadnou integraci prakticky s jakoukoli platformou PLC.

Mezi běžné integrační platformy patří:

• Allen-Bradley ControlLogix
• Allen-Bradley CompactLogix
• Siemens SIMATIC S7
• Mitsubishi MELSEC iQ-R
• Omron řady CJ
• Schneider Modicon Quantum

Protože řídicí jednotka aktuátoru provádí výpočty pohybu interně, PLC musí poskytovat pouze jednoduché řídicí signály.

Tato architektura minimalizuje požadavky na programování a zároveň zachovává kompatibilitu se stávající infrastrukturou automatizace.

Kdy mají pneumatické systémy stále smysl

Navzdory výhodám elektrických pohonů zůstává pneumatická technologie vysoce účinná pro mnoho průmyslových aplikací.

Inženýři by měli požadavky posuzovat objektivně a neměli by předpokládat, že novější technologie automaticky představují nejlepší řešení.

Pneumatické válce často zůstávají výhodné, když:

• Jsou vyžadovány mimořádně vysoké frekvence cyklů
• Přesnost polohování není kritická
• Je k dispozici stávající rozvod stlačeného vzduchu
• Hlavním hlediskem jsou počáteční náklady
• Provozní podmínky jsou náročné
• Postačuje jednoduchý pohyb od začátku do konce

Nejúspěšnější technická rozhodnutí vycházejí z hodnocení celkových nákladů životního cyklu, nikoli výhradně z počáteční pořizovací ceny.

V mnoha provozech poskytuje optimální řešení kombinace pneumatických, hydraulických a elektrických technologií pohybu.

Budoucnost řízení průmyslového pohybu

Budoucnost průmyslové automatizace bude pravděpodobně spojena s rostoucím zaváděním inteligentních systémů elektrického pohybu.

Tento přechod nadále podporuje několik průmyslových trendů:

• Iniciativy Průmyslu 4.0
• Programy prediktivní údržby
• Cíle energetické účinnosti
• Požadavky na flexibilní výrobu
• Projekty digitální transformace
• Nedostatek kvalifikovaných pracovníků

Integrované elektrické pohony řeší mnohé z těchto výzev současně.

Nabízejí pokročilou diagnostiku, provoz konfigurovatelný prostřednictvím softwaru, vyšší energetickou účinnost a zjednodušenou údržbu, přičemž zůstávají dostupné technikům obeznámeným s tradičními automatizačními systémy.

S dalším rozvojem řídicí techniky bude pravděpodobně nasazení elektrických pohonů ještě jednodušší a zároveň budou nabízet stále pokročilejší funkce.

Závěr

Elektrické pohony již nejsou omezeny na složité aplikace řízené servopohony. Moderní integrovaná řešení, jako je platforma SMC e-Actuator, ukazují, jak může elektrický pohyb dosáhnout jednoduchosti tradičně spojované s pneumatickými systémy a současně nabídnout výhody moderní technologie řízení motorů v podobě přesnosti, flexibility a energetické účinnosti.

Integrací řídicích jednotek přímo do sestavy pohonu, zjednodušením požadavků na kabeláž a poskytováním intuitivních nástrojů pro konfiguraci softwaru tyto systémy odstraňují mnohé překážky, které dříve bránily zavádění elektrického pohybu.

Pro výrobce usilující o vyšší efektivitu, nižší nároky na údržbu, lepší přesnost polohování a větší flexibilitu výroby představují elektrické pohony přesvědčivou alternativu ke konvenčním fluidním energetickým systémům. Pneumatické a hydraulické technologie budou i nadále plnit důležité průmyslové úlohy, integrovaná elektrická řešení pohybu se však stávají stále atraktivnější volbou pro automatizační systémy nové generace.