Przez dziesięciolecia siłowniki pneumatyczne i hydrauliczne dominowały w sterowaniu ruchem przemysłowym. Ich popularność wynika z prostych metod sterowania, dużej siły wyjściowej i nieskomplikowanej instalacji. Zawór zostaje zasilony, medium zaczyna przepływać, a siłownik wysuwa się lub cofa. Koncepcja jest łatwa do zrozumienia, a konserwacja jeszcze prostsza.

Jednak współczesne zakłady produkcyjne odczuwają coraz większą presję, aby poprawiać efektywność energetyczną, ograniczać wymagania konserwacyjne, eliminować wycieki i osiągać większą dokładność pozycjonowania. Wymagania te przyspieszyły wdrażanie siłowników elektrycznych w branżach od pakowania i montażu po produkcję półprzewodników i automatykę procesową.

W przeciwieństwie do tradycyjnych systemów zasilanych mediami płynnymi siłowniki elektryczne zapewniają precyzyjną kontrolę położenia, programowalne profile ruchu, powtarzalność ruchu oraz możliwości diagnostyki w czasie rzeczywistym. Inżynierowie mogą sterować przyspieszeniem, prędkością, opóźnieniem i położeniem zatrzymania bez polegania na regulatorach ciśnienia, elementach dławiących przepływ lub regulacjach mechanicznych.

Historycznie zalety te wiązały się z istotną wadą. Elektryczne systemy ruchu często wymagały napędów serwo, programowania sterowników PLC, sieci komunikacyjnych, oprogramowania do strojenia, układów sprzężenia zwrotnego z enkoderem oraz specjalistycznej wiedzy z zakresu sterowania ruchem.

W wielu zakładach, szczególnie tych zastępujących proste siłowniki pneumatyczne, złożoność ta stanowiła poważną barierę we wdrażaniu.

Nowoczesne, zintegrowane platformy elektrycznych siłowników mają na celu wyeliminowanie tego problemu poprzez połączenie mechaniki siłownika, elektroniki sterującej silnikiem i oprogramowania konfiguracyjnego w jednym urządzeniu. W rezultacie powstaje system zapewniający zalety napędu elektrycznego, a jednocześnie zachowujący prostotę obsługi, dzięki której układy pneumatyczne zyskały tak dużą popularność.

W tym artykule omówiono platformę e-Actuator firmy SMC oraz przeanalizowano, w jaki sposób zintegrowane elektryczne systemy ruchu pomagają producentom odchodzić od tradycyjnych technologii napędów wykorzystujących media płynne.

W zakładach modernizujących infrastrukturę automatyki technologie te coraz częściej uzupełniają zaawansowane systemy PLC i PAC, przemysłowe platformy HMI oraz rozwiązania do sterowania ruchem stosowane w nowoczesnych zakładach produkcyjnych.

Rysunek 1. Seria e-Actuator w jednostce demonstracyjnej firmy SMC.

Dlaczego producenci zastępują siłowniki pneumatyczne i hydrauliczne

Układy pneumatyczne pozostają jedną z najczęściej stosowanych technologii ruchu w automatyce przemysłowej. Sprężone powietrze jest łatwo dostępne w większości fabryk, a siłowniki pneumatyczne zapewniają niezawodne działanie w wielu zastosowaniach.

Układy hydrauliczne nadal dominują w zastosowaniach wymagających ekstremalnie dużej siły, w tym w prasach, maszynach ciężkich, urządzeniach do obróbki plastycznej metali i dużych siłownikach przemysłowych.

Pomimo tych zalet technologie wykorzystujące energię płynów wiążą się z szeregiem wyzwań operacyjnych.

Układy sprężonego powietrza są z natury nieefektywne. Znaczne straty energii występują podczas sprężania, dystrybucji, magazynowania i odprowadzania powietrza. W starzejących się zakładach często pojawiają się nieszczelności, zwiększając koszty energii bez wykonywania użytecznej pracy.

Układy hydrauliczne wiążą się z innymi problemami. Zanieczyszczenie cieczy, zużywanie się uszczelnień, wycieki, kwestie środowiskowe i bieżące wymagania konserwacyjne zwiększają koszty w całym cyklu życia.

Siłowniki elektryczne bezpośrednio rozwiązują wiele z tych problemów.

• Brak zużycia sprężonego powietrza
• Brak konieczności konserwacji oleju hydraulicznego
• Brak problemów związanych z wyciekami
• Niższy poziom hałasu podczas pracy
• Większa dokładność pozycjonowania
• Programowalne profile ruchu
• Zintegrowana diagnostyka
• Wyższa efektywność energetyczna

Co być może najważniejsze, siłowniki elektryczne zapewniają precyzyjne sterowanie ruchem, zamiast jedynie przemieszczania się między dwoma stałymi punktami końcowymi.

Ta funkcja umożliwia inżynierom tworzenie elastycznych systemów produkcyjnych zdolnych do obsługi wielu produktów, receptur i trybów pracy bez konieczności wprowadzania zmian mechanicznych.

Tradycyjna złożoność elektrycznych systemów sterowania ruchem

Chociaż siłowniki elektryczne oferują znaczne korzyści w zakresie wydajności, tradycyjne systemy sterowania ruchem oparte na serwonapędach często wymagają znacznie większego nakładu pracy inżynierskiej niż instalacje pneumatyczne.

Konwencjonalne elektryczne rozwiązanie do sterowania ruchem zazwyczaj obejmuje:

• Silnik serwo
• Napęd serwo
• Sterownik ruchu
• Sprzężenie zwrotne z enkodera
• Sieć komunikacyjna
• Oprogramowanie do programowania
• Aparatura do rozdziału zasilania
• Integracja funkcji bezpieczeństwa

W wielu zakładach przemysłowych inżynierowie potrzebują po prostu siłownika, który przemieści się z pozycji A do pozycji B. Instalacja kompletnego systemu serwo dla tak prostego wymagania może wprowadzić niepotrzebną złożoność i koszty.

To wyzwanie wyjaśnia, dlaczego siłowniki pneumatyczne pozostają powszechnie stosowane mimo swoich ograniczeń.

Nakład pracy inżynierskiej wymagany do skonfigurowania, uruchomienia i utrzymania tradycyjnego systemu sterowania ruchem często przewyższa korzyści w przypadku prostych zastosowań związanych z ruchem liniowym.

Zintegrowane siłowniki elektryczne próbują wypełnić tę lukę, zapewniając dokładność pozycjonowania na poziomie serwonapędów przy zachowaniu prostoty tradycyjnych metod sterowania układami siłowymi.

Zrozumienie koncepcji e-siłownika SMC

Seria e-siłowników SMC EQFS podchodzi do sterowania ruchem z praktycznej perspektywy.

Zamiast wymagać od inżynierów zakupu osobnych silników, napędów, układów sprzężenia zwrotnego i sterowników, siłownik integruje te komponenty w kompaktowym zespole.

Ta architektura znacznie upraszcza instalację.

Zintegrowany sterownik automatycznie zarządza:

• Sterowanie położeniem
• Komutacja silnika
• Sterowanie przyspieszaniem
• Sterowanie hamowaniem
• Informacja zwrotna o położeniu
• Sekwencjonowanie ruchu
• Monitorowanie usterek

W rezultacie użytkownik obsługuje siłownik podobnie jak siłownik pneumatyczny.

Proste wejścia cyfrowe sterują ruchem, a wewnętrzny sterownik wykonuje złożone obliczenia i algorytmy sterowania działające w tle.

Rysunek 2. Zintegrowany sterownik z dedykowanymi interfejsami zasilania, wejść/wyjść i konfiguracji.

Zintegrowane sterowniki: uproszczenie wdrażania napędów elektrycznych

Jedną z najpoważniejszych barier dla wdrażania siłowników elektrycznych była historycznie złożoność sterowników.

Tradycyjne systemy serwo często wymagają rozbudowanej konfiguracji i specjalistycznej wiedzy.

Zintegrowane architektury sterowników upraszczają wdrażanie, umieszczając układy sterowania ruchem bezpośrednio w zespole siłownika.

Z punktu widzenia instalacji inżynierowie mają do czynienia głównie z trzema połączeniami:

• Wejście zasilania 24 V DC
• Cyfrowy interfejs wejść/wyjść
• Interfejs konfiguracji

Taka konstrukcja eliminuje znaczną część złożoności okablowania powszechnie związanej z autonomicznymi systemami sterowania ruchem.

Konstruktorzy maszyn korzystają ze zmniejszonego zapotrzebowania na miejsce w szafie, uproszczonej dokumentacji i szybszych procedur uruchamiania.

Personel utrzymania ruchu również odnosi korzyści, ponieważ diagnostyka staje się znacznie łatwiejsza, gdy napęd i siłownik działają jako zintegrowany system.

Zalety infrastruktury elektrycznej w porównaniu z układami płynowymi

Jedną z często pomijanych zalet siłowników elektrycznych jest infrastruktura obiektu.

Układy pneumatyczne wymagają rozbudowanego wyposażenia pomocniczego, zanim będzie mógł zadziałać choćby jeden siłownik.

Infrastruktura ta może obejmować:

• Sprężarki powietrza
• Osuszacze
• Filtry
• Regulatory ciśnienia
• Zbiorniki magazynowe
• Rurociągi dystrybucyjne
• Programy zarządzania wyciekami

Układy hydrauliczne również wymagają znacznych inwestycji w infrastrukturę.

Systemy te zazwyczaj obejmują pompy, zbiorniki, zawory, wymienniki ciepła, układy filtracji i rozbudowane sieci rurociągów.

Siłowniki elektryczne eliminują wiele z tych wymagań.

Infrastruktura dystrybucji energii elektrycznej istnieje już w większości obiektów przemysłowych. Doprowadzenie połączeń elektrycznych do odległych lokalizacji jest często znacznie łatwiejsze niż instalowanie nowych sieci sprężonego powietrza lub układów hydraulicznych.

Ta zaleta staje się szczególnie istotna podczas rozbudowy i modernizacji obiektów.

Inżynierowie mogą wdrażać systemy ruchu w miejscach, w których sprężone powietrze może być niedostępne lub jego instalacja może być zbyt kosztowna.

Zrozumienie połączeń zasilania i wejść/wyjść

e-Actuator wykorzystuje prosty sposób okablowania zgodny z powszechnymi praktykami stosowanymi w automatyce przemysłowej.

Złącze zasilania przyjmuje standardowe napięcie sterujące 24 V DC, zapewniając zgodność z istniejącymi przemysłowymi systemami zasilania.

Większość nowoczesnych platform automatyki wykorzystuje już architekturę zasilania 24 V DC dla czujników, sterowników, paneli HMI i urządzeń komunikacyjnych.

Ta zgodność upraszcza integrację systemu.

Rysunek 3. Przyporządkowanie pinów zasilania i cyfrowych wejść/wyjść stosowanych przez zintegrowany sterownik.

Architektura wejść cyfrowych nieznacznie różni się od architektury wielu konwencjonalnych modułów wejściowych PLC.

Ponieważ siłownik wewnętrznie odnosi się do napięcia zasilania, urządzenia zewnętrzne muszą mieć wspólny punkt odniesienia elektrycznego.

Zrozumienie tej zależności staje się istotne podczas integracji systemu.

Prawidłowe uziemienie i zarządzanie wspólnym punktem odniesienia pomagają zapewnić niezawodne działanie, jednocześnie minimalizując zakłócenia elektryczne i problemy z komunikacją.

Inżynierowie integrujący siłowniki elektryczne z systemami Allen-Bradley ControlLogix, Siemens SIMATIC S7 lub Schneider Modicon Quantum powinni podczas instalacji zweryfikować powszechnie stosowane zasady dotyczące wspólnego punktu odniesienia zasilania.

Zastosowania przemysłowe, które najbardziej korzystają z siłowników elektrycznych

Nie każda aplikacja pneumatyczna lub hydrauliczna powinna być automatycznie przekształcana w układ ruchu elektrycznego.

Jednak w niektórych zastosowaniach technologia siłowników elektrycznych może przynieść znaczące korzyści.

Przykłady obejmują:

• Maszyny pakujące
• Systemy pick-and-place
• Urządzenia montażowe
• Produkcja elektroniki
• Przetwórstwo farmaceutyczne
• Produkcja żywności i napojów
• Automatyzacja laboratoryjna
• Urządzenia do produkcji półprzewodników

Zastosowania te często wymagają powtarzalnego pozycjonowania, elastycznych profili ruchu i mniejszych wymagań konserwacyjnych.

Siłowniki elektryczne zapewniają korzyści, które trudno osiągnąć przy użyciu tradycyjnych systemów napędów płynowych.

W miarę jak środowiska produkcyjne wdrażają strategie inteligentnych fabryk, systemy ruchu sterowane elektrycznie coraz lepiej odpowiadają celom Przemysłu 4.0, koncentrującym się na łączności, diagnostyce, wydajności i widoczności operacyjnej.

Konfiguracja oprogramowania: gdzie ruch elektryczny staje się praktyczny

Dla wielu inżynierów konfiguracja oprogramowania stanowi największe wyzwanie podczas przechodzenia z cylindrów pneumatycznych na siłowniki elektryczne.

Tradycyjne platformy sterowania ruchem często wymagają rozbudowanej konfiguracji parametrów, mapowania komunikacji, konfiguracji osi, procedur strojenia oraz specjalistycznej wiedzy programistycznej.

Cel platformy e-Actuator jest zasadniczo inny.

Zamiast udostępniać setki parametrów ruchu, oprogramowanie koncentruje się wyłącznie na konfiguracji ustawień niezbędnych w typowych zastosowaniach przemysłowych.

Takie podejście znacznie skraca czas uruchomienia, zachowując jednocześnie zalety napędów elektrycznych.

Oprogramowanie konfiguracyjne automatycznie identyfikuje podłączony model siłownika i wyświetla tylko istotne parametry, które można dostosować.

W rezultacie inżynierowie spędzają mniej czasu na poruszaniu się po skomplikowanych menu, a więcej na optymalizacji wydajności maszyny.

Łączenie z narzędziem konfiguracji e-Actuator Setup Tool

Konfigurację wykonuje się za pomocą dedykowanego narzędzia konfiguracji e-Actuator Setup Tool dostarczonego przez SMC.

Oprogramowanie komunikuje się za pośrednictwem dedykowanego portu konfiguracyjnego M12 znajdującego się na zintegrowanym sterowniku.

Po nawiązaniu komunikacji oprogramowanie automatycznie wykrywa:

• Typ siłownika
• Długość skoku
• Wersja sterownika
• Dostępne tryby pracy
• Bieżące ustawienia parametrów

Ten automatyczny proces wykrywania eliminuje wiele ręcznych procedur konfiguracji tradycyjnie związanych z systemami serwonapędów.

W przypadku konstruktorów maszyn wdrażających wiele siłowników funkcja ta może znacznie skrócić czas rozruchu.

Technicy uruchomieniowi mogą szybko sprawdzać konfiguracje, dostosowywać ustawienia i weryfikować działanie bez rozległej wiedzy programistycznej.

Rysunek 4. Dostępne tryby pracy w narzędziu konfiguracji e-Actuator.

Wyjaśnienie trybów pracy

Jednym z najbardziej innowacyjnych aspektów platformy jest możliwość emulowania znanego sposobu działania zaworów pneumatycznych.

Technicy utrzymania ruchu i operatorzy maszyn znają już zasadę działania pneumatycznych zaworów rozdzielających.

Odwzorowanie tych metod sterowania znacznie skraca czas nauki obsługi napędów elektrycznych.

Platforma oferuje trzy podstawowe tryby pracy.

Tryb pojedynczego elektrozaworu

Ten tryb działa podobnie jak pneumatyczny zawór ze sprężyną powrotną.

Po aktywowaniu wejścia cyfrowego siłownik przesuwa się do zadanej pozycji.

Po usunięciu sygnału siłownik automatycznie powraca do pozycji wyjściowej.

Ten tryb pracy idealnie sprawdza się w przypadku:

• Systemy wyrzucania detali
• Proste urządzenia pozycjonujące
• Mechanizmy zaciskowe
• Bramki odrzucające
• Stanowiska załadunkowe

Wiele zastosowań z siłownikami pneumatycznymi można bezpośrednio zastąpić, stosując tę metodę sterowania.

Tryb podwójnego elektrozaworu

Tryb podwójnego elektrozaworu odwzorowuje działanie zaworu rozdzielającego z podwójnym elektrozaworem, powszechnie stosowanego w automatyce pneumatycznej.

Jedno wejście cyfrowe steruje wysuwem, a drugie wejście steruje wsuwem.

Siłownik utrzymuje swoją pozycję do momentu otrzymania nowego polecenia.

To podejście zapewnia większą elastyczność sterowania i jest bardzo podobne do tradycyjnych konstrukcji maszyn przemysłowych.

Zastosowania obejmują:

• Systemy transferowe
• Urządzenia do transportu materiałów
• Zautomatyzowane stanowiska montażowe
• Mechanizmy pozycjonujące
• Urządzenia pakujące

Tryb zamkniętego środka

Tryb zamkniętego środka zapewnia funkcję niedostępną w większości konwencjonalnych siłowników pneumatycznych.

Oprócz położeń wysunięcia i wsunięcia siłownik może przemieścić się do położenia pośredniego.

Umożliwia to sterowanie trzema położeniami przy użyciu tylko dwóch wejść cyfrowych.

Możliwość zatrzymania w konfigurowalnym położeniu środkowym stwarza możliwości bardziej zaawansowanej pracy maszyny bez konieczności stosowania pełnego sterownika ruchu serwonapędu.

Zastosowania obejmują:

• Obsługa detali w wielu położeniach
• Systemy sortowania
• Stanowiska inspekcyjne
• Mechanizmy transferowe
• Systemy pozycjonowania produktów

Ta funkcjonalność podkreśla jedną z głównych zalet siłowników elektrycznych w porównaniu z konwencjonalnymi technologiami napędów płynowych.

Łączenie pneumatyki ze sterowaniem serwonapędowym

Tryby pracy pokazują ważny trend zachodzący w całej automatyce przemysłowej.

Producenci coraz częściej poszukują rozwiązań łączących prostotę tradycyjnej automatyki z elastycznością nowoczesnych technologii cyfrowych.

Siłowniki elektryczne zajmują wyjątkową pozycję w ramach tej transformacji.

Zapewniają znacznie większą funkcjonalność niż siłowniki pneumatyczne, a jednocześnie pozwalają uniknąć dużej części złożoności związanej z pełnymi serwonapędowymi platformami ruchu.

Ta równowaga jest szczególnie atrakcyjna dla producentów maszyn projektujących urządzenia dla klientów, którzy mogą nie posiadać specjalistycznej wiedzy w zakresie sterowania ruchem.

Proste polecenia cyfrowe pozostają dobrze znane personelowi utrzymania ruchu, a zaawansowane profile ruchu są nadal dostępne dla zespołów inżynieryjnych.

Zalety zintegrowanych profili ruchu

Jednym z największych ograniczeń siłowników pneumatycznych jest brak precyzyjnej kontroli ruchu.

Chociaż regulatory przepływu mogą wpływać na prędkość, uzyskanie powtarzalnych profili przyspieszania i zwalniania pozostaje trudne.

Siłowniki pneumatyczne zazwyczaj poruszają się tak szybko, jak pozwalają na to ciśnienie w układzie i warunki obciążenia.

Często powoduje to:

• Wstrząsy mechaniczne
• Uszkodzenia produktu
• Generowanie hałasu
• Zużycie komponentów
• Zmniejszona dokładność pozycjonowania

Siłowniki elektryczne rozwiązują te problemy dzięki programowalnym profilom ruchu.

Sterownik stale reguluje moc silnika, aby zapewnić kontrolowany ruch na całej drodze przesuwu.

Skutkuje to płynniejszą pracą, lepszą powtarzalnością i dłuższą żywotnością urządzeń.

W środowiskach produkcyjnych o dużej prędkości zmniejszenie sił udarowych może znacznie poprawić niezawodność maszyn i jakość produktów.

Już sama ta korzyść często uzasadnia przejście z układów pneumatycznych na elektryczne technologie ruchu.

Konfigurowanie parametrów prędkości, przyspieszenia i położenia

Być może największą zaletą siłowników elektrycznych w porównaniu z układami zasilanymi cieczą jest pełna kontrola nad charakterystyką ruchu.

W przypadku siłowników pneumatycznych inżynierowie zazwyczaj regulują zawory sterujące przepływem i ustawienia regulatorów, aby wpływać na prędkość. Chociaż takie podejście sprawdza się w wielu zastosowaniach, wydajność może się różnić w zależności od obciążenia, wahań ciśnienia powietrza i zużycia podzespołów.

Siłowniki elektryczne eliminują te zmienne, umożliwiając definiowanie parametrów ruchu bezpośrednio w sterowniku.

Zamiast polegać na ograniczeniach ciśnienia i przepływu, inżynierowie mogą ustalić precyzyjne wartości dla:

• Tempo przyspieszania
• Maksymalna prędkość ruchu
• Tempo hamowania
• Pozycje docelowe
• Pozycje pośrednie
• Czas przejazdu

Taki poziom kontroli znacznie poprawia spójność kolejnych cykli produkcyjnych.

Każdy ruch odbywa się zgodnie z tym samym profilem, niezależnie od niewielkich zmian warunków środowiskowych lub roboczych.

Rysunek 5. Ustawienia pozycji, prędkości, przyspieszenia i hamowania można konfigurować za pomocą oprogramowania konfiguracyjnego.

Dlaczego profile ruchu mają znaczenie we współczesnej produkcji

Wraz z rozwojem systemów produkcyjnych jakość ruchu staje się coraz ważniejsza.

Starsze urządzenia produkcyjne często stawiały szybkość ponad wszystko. Dopóki siłownik szybko się wysuwał i cofał, system spełniał swoje zadanie.

Współczesne środowiska produkcyjne wymagają znacznie więcej.

Linie produkcyjne obsługują obecnie delikatne produkty, lekkie materiały, precyzyjne zespoły i wysoce spersonalizowane warianty produktów.

Nadmierne siły udarowe mogą uszkadzać produkty, obniżać jakość i przyspieszać zużycie urządzeń.

Programowalne profile ruchu pomagają wyeliminować te problemy.

Zamiast gwałtownie uderzać w ograniczniki mechaniczne, siłowniki elektryczne mogą stopniowo przyspieszać, utrzymywać kontrolowaną prędkość ruchu i płynnie zwalniać przed osiągnięciem pozycji docelowej.

Zalety obejmują:

• Mniejsze udary mechaniczne
• Niższy poziom drgań
• Wyższa jakość produktu
• Dłuższa żywotność maszyny
• Niższe koszty konserwacji
• Większa dokładność pozycjonowania

Zalety te stają się szczególnie istotne w branżach takich jak produkcja elektroniki, produkcja farmaceutyczna, wytwarzanie półprzewodników i zautomatyzowane operacje montażowe.

Konfigurowalne pozycjonowanie poza mechanicznymi ogranicznikami krańcowymi

Tradycyjne siłowniki pneumatyczne zazwyczaj pracują między dwoma stałymi ogranicznikami mechanicznymi.

Jeśli wymagana jest inna pozycja, inżynierowie często muszą zamontować ograniczniki mechaniczne, przeprojektować podzespoły lub wybrać siłownik o innej długości skoku.

Siłowniki elektryczne zapewniają znacznie większą elastyczność.

Oprogramowanie umożliwia inżynierom definiowanie pozycji roboczych niezależnie od fizycznych ograniczeń skoku siłownika.

Oznacza to, że jeden siłownik może obsługiwać wiele konfiguracji maszyn bez modyfikacji mechanicznych.

Przykłady obejmują:

• Receptury dostosowane do produktu
• Wiele rozmiarów opakowań
• Elastyczne operacje montażowe
• Automatyczne przezbrojenia
• Adaptacyjne systemy produkcyjne

W miarę jak producenci coraz częściej dążą do wdrażania elastycznych strategii produkcyjnych, możliwość ta staje się istotną przewagą konkurencyjną.

Zamiast fizycznie regulować maszyny między seriami produkcyjnymi, operatorzy mogą po prostu wybrać nową recepturę za pośrednictwem interfejsu maszyny.

Siłownik automatycznie przemieszcza się zgodnie z nowymi parametrami konfiguracji.

Korzyści Przemysłu 4.0 i inteligentnej produkcji

Przejście z hydrauliki siłowej na napęd elektryczny jest ściśle związane z szerszymi inicjatywami Przemysłu 4.0.

Nowoczesne fabryki w coraz większym stopniu polegają na połączonym wyposażeniu zdolnym do zapewniania wglądu w działanie, informacji diagnostycznych i analiz wydajności.

Siłowniki pneumatyczne zazwyczaj oferują ograniczone informacje zwrotne.

W najlepszym razie inżynierowie mogą zainstalować zewnętrzne czujniki w celu określenia położeń wysunięcia i wsunięcia.

Siłowniki elektryczne z natury generują znacznie bogatsze dane operacyjne.

Przykłady obejmują:

• Informacja zwrotna o położeniu
• Stan ruchu
• Liczba cykli
• Stany błędów
• Czas przejazdu
• Trendy wydajności
• Historia pracy

Informacje te mogą wspierać inicjatywy konserwacji predykcyjnej i poprawiać ogólną efektywność wyposażenia.

Po zintegrowaniu z nowoczesnymi przemysłowymi sieciami komunikacyjnymi i platformami przemysłowych systemów komputerowych siłowniki elektryczne stają się cennymi źródłami danych w połączonych środowiskach produkcyjnych.

Porównanie efektywności energetycznej: układy elektryczne i pneumatyczne

Efektywność energetyczna pozostaje jednym z najsilniejszych argumentów przemawiających za stosowaniem siłowników elektrycznych.

Sprężone powietrze jest często opisywane jako jeden z najdroższych mediów w zakładzie produkcyjnym.

Wytwarzanie sprężonego powietrza wymaga znacznych ilości energii elektrycznej.

Dodatkowe straty powstają w wyniku:

• Nieefektywność sprężania
• Straty w rurociągach dystrybucyjnych
• Spadki ciśnienia
• Wycieki powietrza
• Straty na zaworach
• Straty na wylocie

Badania branżowe często szacują, że znaczny odsetek sprężonego powietrza wytwarzanego w fabrykach nigdy nie wykonuje użytecznej pracy.

Siłowniki elektryczne bezpośrednio przekształcają energię elektryczną w ruch mechaniczny.

Ten proces bezpośredniej konwersji zazwyczaj zapewnia znacznie wyższą ogólną sprawność systemu.

W obiektach, w których na wielu liniach produkcyjnych pracują setki siłowników, skumulowane oszczędności energii mogą stać się znaczące.

Oszczędności te często poprawiają kalkulację całkowitego kosztu posiadania podczas porównywania technologii elektrycznych i pneumatycznych.

Ograniczanie wymagań konserwacyjnych

Kwestie związane z konserwacją wykraczają poza zużycie energii.

Układy hydrauliki siłowej wymagają stałej uwagi, aby zapewnić niezawodne działanie.

Typowe czynności konserwacyjne obejmują:

• Wykrywanie nieszczelności
• Wymiana uszczelnienia
• Serwisowanie filtrów
• Regulacja ciśnienia
• Zarządzanie smarowaniem
• Monitorowanie jakości powietrza
• Wymiana płynu hydraulicznego

Siłowniki elektryczne eliminują wiele z tych wymagań.

Chociaż elementy mechaniczne nadal wymagają okresowych przeglądów, brak sprężonego powietrza i płynów hydraulicznych upraszcza długoterminowe strategie utrzymania.

Wiele zakładów wdrażających programy utrzymania ruchu ukierunkowanego na niezawodność coraz częściej postrzega systemy napędów elektrycznych jako sposób na ograniczenie nieplanowanych przestojów i nakładów pracy związanych z konserwacją.

Rysunek 6. Parametry ruchu można zapisywać bezpośrednio w siłowniku, co upraszcza uruchomienie oraz późniejsze zmiany konfiguracji.

Zastosowania przemysłowe, w których siłowniki elektryczne zapewniają największą wartość

Chociaż siłowniki elektryczne mogą zastąpić wiele siłowników pneumatycznych, największy zwrot z inwestycji często występuje w zastosowaniach wymagających elastyczności, dokładności i powtarzalności.

Nie każda maszyna odnosi takie same korzyści z napędów elektrycznych.

Proste zastosowania polegające na ciągłym, szybkim wysuwaniu i wsuwaniu mogą nadal preferować technologię pneumatyczną ze względu na niższe koszty początkowe.

Jednak zastosowania wymagające kontrolowanego pozycjonowania, przezbrajania pod różne produkty lub wielu trybów pracy często odnoszą znaczne korzyści z zastosowania rozwiązań elektrycznych.

Do najbardziej udanych wdrożeń należą:

• Zautomatyzowane systemy montażowe
• Maszyny pakujące
• Urządzenia do pakowania kartonów
• Stanowiska kontroli produktów
• Zrobotyzowane systemy transferowe
• Linie do produkcji elektroniki
• Produkcja urządzeń medycznych
• Urządzenia do przetwarzania półprzewodników

W tych środowiskach możliwość modyfikowania parametrów ruchu za pomocą oprogramowania zamiast regulacji sprzętowych zapewnia znaczące korzyści operacyjne.

Modernizacja maszyn pakujących

Urządzenia pakujące stanowią jedną z największych możliwości zastosowania siłowników elektrycznych.

Tradycyjne systemy pakowania często zawierają dziesiątki siłowników pneumatycznych odpowiedzialnych za:

• Pozycjonowanie produktów
• Przenoszenie kartonów
• Obsługa bram
• Odrzucanie wadliwych produktów
• Załadunek kartonów
• Pozycjonowanie etykiet

Wraz ze wzrostem różnorodności produktów producenci często mają trudności z długotrwałymi procedurami przezbrajania.

Zmiana wymiarów opakowania powoduje konieczność wykonania regulacji mechanicznych.

Siłowniki elektryczne umożliwiają automatyczne przeprowadzanie tych regulacji.

Zamiast ręcznie przestawiać ograniczniki i prowadnice, operatorzy po prostu wybierają nową recepturę produktu.

Następnie maszyna automatycznie dostosowuje położenie siłowników zgodnie z zapisanymi parametrami konfiguracji.

Możliwość ta znacznie skraca czas przezbrajania, jednocześnie zwiększając powtarzalność.

Wielu producentów OEM maszyn pakujących łączy obecnie siłowniki elektryczne z przemysłowymi systemami HMI, aby tworzyć przyjazne dla użytkownika interfejsy konfiguracji, które upraszczają obsługę maszyn.

Zautomatyzowane systemy montażowe

Operacje montażowe często wymagają znacznie większej precyzji pozycjonowania, niż mogą niezawodnie zapewnić cylindry pneumatyczne.

Komponenty muszą być dokładnie wyrównane przed rozpoczęciem wkładania, mocowania, spawania lub kontroli.

Siłowniki elektryczne zapewniają powtarzalne pozycjonowanie, które wspiera:

• Wkładanie komponentów
• Montaż wciskany
• Pozycjonowanie elementów złącznych
• Montaż złączy
• Operacje przenoszenia części

Ponieważ pozycjonowanie jest definiowane programowo, inżynierowie mogą łatwo modyfikować profile ruchu wraz z rozwojem produktów.

Elastyczność ta staje się coraz cenniejsza w środowiskach produkcyjnych wytwarzających wiele wariantów produktów na wspólnym wyposażeniu produkcyjnym.

Produkcja żywności i napojów

Zakłady produkcji żywności nieustannie poszukują alternatyw dla systemów pneumatycznych zarówno ze względów operacyjnych, jak i środowiskowych.

Sprężone powietrze jest nadal powszechnie stosowane w zakładach przetwórstwa spożywczego, jednak ograniczenie całkowitego zużycia powietrza może znacząco poprawić efektywność energetyczną.

Siłowniki elektryczne zapewniają dodatkowe korzyści, w tym:

• Mniejsze zużycie energii
• Lepsza spójność pozycjonowania
• Mniejsze wymagania konserwacyjne
• Uproszczone procedury sanitarne
• Lepsza powtarzalność procesu

Zastosowania takie jak napełnianie, sortowanie, pakowanie i transport materiałów często korzystają z precyzyjnych właściwości sterowania oferowanych przez elektryczne systemy ruchu.

Zalety projektowe dla konstruktorów maszyn i producentów OEM

Konstruktorzy maszyn nieustannie muszą ograniczać nakład pracy inżynieryjnej, jednocześnie poprawiając wydajność maszyn.

Zintegrowane siłowniki elektryczne pomagają osiągnąć oba te cele.

Tradycyjne systemy ruchu często wymagają koordynacji między wieloma dostawcami, w tym producentami siłowników, dostawcami napędów, dostawcami przewodów i dostawcami systemów sterowania.

Zintegrowana platforma siłowników pozwala ograniczyć znaczną część tej złożoności.

Korzyści dla producentów OEM obejmują:

• Mniejsza liczba komponentów
• Uproszczony projekt elektryczny
• Szybszy montaż
• Mniejsze wymagania dotyczące przestrzeni w szafie sterowniczej
• Uproszczona dokumentacja
• Krótsze cykle uruchamiania

Zalety te mogą znacząco obniżyć koszty opracowywania maszyn, jednocześnie poprawiając standaryzację na różnych platformach urządzeń.

Integracja z nowoczesnymi platformami PLC

Jednym z powodów, dla których siłowniki elektryczne zyskują coraz większą popularność, jest ich kompatybilność z nowoczesnymi systemami sterowania przemysłowego.

Prosta architektura wejść cyfrowych umożliwia bezproblemową integrację praktycznie z każdą platformą PLC.

Do popularnych platform integracyjnych należą:

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

Ponieważ sterownik siłownika wykonuje obliczenia ruchu wewnętrznie, sterownik PLC musi jedynie dostarczać proste sygnały sterujące.

Ta architektura minimalizuje wymagania programistyczne, zachowując jednocześnie kompatybilność z istniejącą infrastrukturą automatyki.

Kiedy systemy pneumatyczne nadal mają sens

Pomimo zalet siłowników elektrycznych technologia pneumatyczna nadal doskonale sprawdza się w wielu zastosowaniach przemysłowych.

Inżynierowie powinni obiektywnie oceniać wymagania, zamiast zakładać, że nowsze technologie automatycznie zapewniają najlepsze rozwiązanie.

Siłowniki pneumatyczne często pozostają korzystnym rozwiązaniem, gdy:

• Wymagane są niezwykle wysokie częstotliwości cykli
• Dokładność pozycjonowania nie ma kluczowego znaczenia
• Dostępna jest istniejąca infrastruktura sprężonego powietrza
• Najważniejszym czynnikiem jest koszt początkowy
• Warunki środowiskowe są trudne
• Wystarcza prosty ruch od początku do końca

Najtrafniejsze decyzje inżynierskie wynikają z oceny całkowitych kosztów cyklu życia, a nie z koncentrowania się wyłącznie na cenie zakupu.

W wielu zakładach optymalne rozwiązanie zapewnia połączenie technologii napędów pneumatycznych, hydraulicznych i elektrycznych.

Przyszłość sterowania napędami przemysłowymi

Przyszłość automatyki przemysłowej prawdopodobnie będzie wiązać się z coraz szerszym wdrażaniem inteligentnych systemów napędów elektrycznych.

Kilka trendów branżowych nadal napędza tę transformację:

• Inicjatywy Przemysłu 4.0
• Programy konserwacji predykcyjnej
• Cele w zakresie efektywności energetycznej
• Wymagania dotyczące elastycznej produkcji
• Projekty transformacji cyfrowej
• Niedobór wykwalifikowanych pracowników

Zintegrowane siłowniki elektryczne pozwalają jednocześnie sprostać wielu z tych wyzwań.

Zapewniają lepszą diagnostykę, pracę konfigurowaną programowo, wyższą efektywność energetyczną i uproszczoną konserwację, a przy tym pozostają przystępne dla techników znających tradycyjne systemy automatyki.

W miarę dalszego rozwoju technologii sterowników siłowniki elektryczne prawdopodobnie będą jeszcze łatwiejsze we wdrażaniu, oferując jednocześnie coraz bardziej zaawansowane możliwości.

Wnioski

Siłowniki elektryczne nie są już ograniczone do złożonych zastosowań sterowanych serwonapędami. Nowoczesne zintegrowane rozwiązania, takie jak platforma SMC e-Actuator, pokazują, że napędy elektryczne mogą zapewniać prostotę tradycyjnie kojarzoną z systemami pneumatycznymi, a jednocześnie oferować zalety nowoczesnej technologii sterowania silnikami w zakresie precyzji, elastyczności i efektywności.

Dzięki bezpośredniej integracji sterowników z zespołem siłownika, uproszczeniu wymagań dotyczących okablowania i udostępnieniu intuicyjnych narzędzi programowych do konfiguracji systemy te eliminują wiele barier, które wcześniej zniechęcały do wdrażania napędów elektrycznych.

Dla producentów dążących do zwiększenia wydajności, ograniczenia konserwacji, poprawy dokładności pozycjonowania i większej elastyczności produkcji siłowniki elektryczne stanowią atrakcyjną alternatywę dla konwencjonalnych układów napędów płynowych. Technologie pneumatyczne i hydrauliczne nadal będą odgrywać ważną rolę w przemyśle, jednak zintegrowane rozwiązania z zakresu napędów elektrycznych stają się coraz atrakcyjniejszą opcją dla systemów automatyzacji nowej generacji.