Тенденции, влияющие на современные электрические машины и электропривода, такие же, как и на остальное оборудование для автоматизированных систем. Одним из примеров может послужить модульность, которая в значительной степени облегчает интеграцию в существующие системы, а также значительно упрощает модернизацию в будущем. Пользователи также требуют повышения эффективности систем. Это означает, что системы управления должны обрабатывать большее количество осей, обеспечивать более точное регулирование момента и скорости, а также обладать минимальными габаритными размерами.
Еще одной очень актуальной проблемой остается обеспечение безопасности, так как производственные линии наращивают мощности и увеличивают скорость работы. Кроме того, постоянное совершенствование промышленной автоматизации и внедрение промышленных интернет вещей (IIoT) увеличивает потребности в связанности модулей.
В данной статье мы постараемся рассмотреть основные тенденции изменения современного рынка электрических машин и электроприводов. В частности попытаемся рассмотреть четыре тенденции, влияющие на процессы проектирования, подключения и решения в области безопасности.
Исключение переналадки линий
Остановка производственной линии для замены инструментов или выпускаемой продукции является довольно дорогостоящей операцией. Традиционные электродвигатели переменного тока (AC) или постоянного тока (DC) могут ограничивать такие функции, как индексация или обработка деталей различных размеров производящихся на одной линии. Современные производственные линии все чаще используют передовую автоматизацию и робототехнику, которые способны приносить больше пользы при наличии информации о положении или фазе электрической машины.
Серводвигатели или шаговые электродвигатели в робототехнике могут помочь в уменьшении количества перенастроек и снизить потребность в дополнительном оборудовании. Например, роботизированная рука и машинное зрение могут работать вместе для сортировки и размещения деталей на конвейерной ленте в определенной последовательности и позиции, или же сортировать их в зависимости от размера и типа изделия.
Такая система может помочь объединить производственные линии. Если ранее один участок производственной линии мог поставлять детали на линию, а на втором участке производилась упаковка, то добавление дополнительной автоматики и установка сервопривода или шагового электродвигателя может сократить количество используемого оборудования и объединить сегментированную производственную линию в одну.
По данным PR Newswire и MarketsandMarkets.com, передовые технологии автоматизации и энергосбережения привели к росту количества сервомоторов и электроприводов. Ожидается, что рынок данных устройств увеличится с $10,26 млрд в 2015 году до $10,43 млрд в 2018 году. По данным Globe Newswire, он достигнет $15,92 млрд. к 2022 году. Передовые технологии автоматизации и робототехника являются ключевыми факторами роста рынка сервомоторов и шаговых двигателей.
Серводвигатели и шаговые электродвигатели стоят дороже традиционных машин переменного и постоянного тока. Однако их использование неуклонно растет благодаря преимуществам, которые дает усовершенствованная автоматика в приложениях для индексирования или управления положением. Как правило, непрерывные или автономные двигатели имеют конкретные применения, поэтому серводвигатели и шаговые двигатели вряд ли полностью их заменят. В целом, каждый двигатель имеет свои собственные приложения, в которых они имеют максимальную эффективность.
«В то время как обычные электродвигатели управляются приложениями, снижение затрат и добавление дополнительных функций привели к появлению серводвигателей в определенных установках и даже целых областях», — говорит Джон Коваль, директор по развитию бизнеса B & R Industrial Automation. «Поскольку стоимость сервоприводов за последние годы снизилась, а их конструкция усовершенствовалась, они могут применяться в механических системах, таких как упаковка товаров или сжимание ящиков после склеивания. Количество обрабатываемых осей растет, что делает машину более гибкой. Изменение в формате управления отбрасывает необходимость в дополнительном оборудовании (редуктора и так далее) и повышает надежность, а подобные преимущества являются существенным фактором перед стоимостью».
Замена старых электродвигателей
Многие OEM производители предлагают модульные конструкции, которые позволяют производить достаточно экономично шаговые двигатели и другие электрические машины. Кроме того, высокоскоростные коммуникационные шины позволяют системам управления обрабатывать большее количество осей с большей эффективностью. Драйверы и устройства обратной связи могут дополнительно «адаптировать» электродвигатель. Драйверы и программное обеспечение позволяют нескольким электромоторам удовлетворять целому ряду механизмов.
«Конструкторы определили, что реализация всего на одной управляющей платформе — это самый эффективный способ разработки собственного кода», — говорит Джим Уайли (Jim Wiley), менеджер по продуктам сервопривода и шагового привода Parker Hannifin Corp. « Имея гибкость и возможность выбирать электродвигатели по размеру и мощности, а также устанавливать управляющие электронные компоненты в компактные мелкогабаритные модули, дают возможность увеличить обработку большего числа осей используя меньшее количество шкафов управления. Это является важным конструкторским решением для OEM производителей».
Также существует много конструктивных особенностей для таких электрических машин, которые не позволяют запустить их в серийное производство. Возможность комбинирования и сопоставления стандартных рамок, статоров и роторов с другими компонентами обеспечивает баланс между экономичным производством и наладкой. Для упрощения производства, некоторые компании создают систему автоматизированной обработки материалов, которая будет сама собирать необходимые компоненты. С помощью программного обеспечения для планирования работы предприятия возможно перемещать необходимые материалы ближе к точке выгрузки, ускоряя тем самым доставку материалов и помогая осуществлять инвентаризацию.
Модули можно обновлять до того, как они выработают свой ресурс. Обычно автоматизированные системы рассчитываются на срок службы в 20-25 лет. За такой промежуток времени наверняка появится модуль, способный превзойти по своим характеристикам предшественника. В случае если современный электродвигатель выйдет из строя, он легко может быть заменен на «традиционную» версию.
Важно знать, какие электрические машины используются в электрооборудовании, чтобы в случае выхода из строя быстро заменить его. Если для установки требуется сложный заказной электродвигатель, то имеет смысл приобрести запасной или внедрить систему интеллектуального обслуживания. Например, тяжелые условия работы часто приводят к проблемам в мелких сервоприводах. Это создает определенные проблемы не только в стоимости электрической машины, но и в дополнительных затратах при простое производственной линии.
Уменьшение времени простоев производственных линий приоритетная задача, так как производители постоянно стараются улучшить производственные показатели. Сокращение времени простоев на быстрых производственных линиях существенно влияет на прибыль предприятия. Именно поэтому постепенно начинает набирать обороты рынок промышленных интернет вещей IIoT. Возможность получать информацию об электрической машине, ее оборотах, моменте, температуре, положении и других параметрах, позволяет улучшить рабочий цикл машины, уменьшить погрешность управления и уменьшить время простоя. Всё большее количество компаний симпатизирует системам промышленных интернет вещей IIoT, хотя что будет лучше покажет только время.
Роль длительности обратной связи электродвигатель – АСУ
Обратная связь от электродвигателя к драйверу управления, наряду с уменьшением длительности кабеля, сохраняет конкурентоспособность производственных линий. Обратная связь повышает разрешение и производительность, предоставляя больше информации об объекте управления.
Ранее протоколы управления электродвигателями имели свою специфику у каждого производителя, но появление открытых протоколов, таких как EnDat, BiSS и Hiperface, позволило внести больше гибкости и универсальности в системы автоматического управления. Использование улучшенных платформ, которые увеличивают скорость и объем передаваемых данных, лучше работают при наличии на линии шумов, позволяет уменьшить количество используемых проводов.
По факту, для обеспечения обратной связи во многих случаях достаточно одного кабеля. Наличие всего лишь одного кабеля обратной связи значительно сокращает время монтажа и стоимость при сохранении или даже добавлении функционала. В центре этой тенденции находятся коммуникационные протоколы. Никто не хочет быть ограничен лишь только одним видом обратной связи или коммуникационного протокола, поэтому вы ищите производителя, который предоставляет несколько протоколов связи. Это дает возможность разработчикам применять тот протокол, который наиболее хорошо подходит для конкретного решения.
«В настоящее время полевые шины, такие как CANopen, Profibus и DeviceNet, используются для различных устройств. Но в настоящее время активно набирает популярность связь, основанная на промышленном Ethernet» — говорит Parker Hannifin’s Wiley. «Аппаратное обеспечение выгодно во всем. Речь идет о приобретении аппаратных средств Ethernet и поиске способов удовлетворения требований в режиме реального времени, необходимых в приложениях для управления движением и сервоприводах ».
EtherCAT, Profinet, Ethernet IP и Powerlink являются общими способами передачи данных с вашего устройства управления на ваш диск. Все они обеспечивают высокоскоростную связь в режиме реального времени и одновременно увеличивают объем информации, которая может быть передана от накопителя до системы управления.
CANopen — одна из высокоуровневых коммуникационных шин, которая может хорошо работать при управлении двигателем. Этот протокол был разработан для встроенных сетей. В одном из примеров, Crouzet Motors предлагает коммуникационную шину CANopen на своих бесщеточных электродвигателях постоянного тока. В зависимости от применения, возможно управлять до 127 двигателями с помощью одного экранированного двухпроводного кабеля. «Система CANopen — это очень надежная система, идеально подходящая для управления движением, управления положением, скоростью, крутящим моментом и прочими параметрами электрической машины», — говорит Роберт Деррингер, директор по маркетингу Crouzet Motors.
Посредством протоколов связи блоки управления на некоторых электродвигателях также могут обрабатывать несколько входных сигналов безопасности. В случае отказа дополнительные входы безопасности могут заблокировать управление электрической машиной. Например, отключить питание обмоток электродвигателя, тем самым отправив машину в режим выбега. Чтобы обеспечить высокое быстродействие и максимально возможный уровень безопасности, это действие не должно проходить через микроконтроллер, тем самым обеспечивая высокий уровень безопасности.
Не злоупотребляйте нажатием на кнопку «Аварийный стоп»!
Кто-нибудь нажимал кнопку «Аварийный останов», последствием чего было полная перенастройка сервоприводов перед повторным пуском линии? Часто причиной этого становится энкодер, который реализует обратную связь от электрической машины к системе управления электроприводом. Абсолютные энкодеры популярны, потому что они отслеживают конкретное положение или фазу электрической машины. Питание машины с абсолютным энкодером может быть отключено и двигатель при повторном запуске начнет вращаться с того момента, где он остановился.
С другой стороны, инкрементный энкодер будет измерять только направление и расстояние, в котором вращается электрическая машина. Следовательно, инкрементные энкодеры должны быть откалиброваны перед запуском. В случае применения аварийного останова электрическая машина с инкрементным энкодером не может просто возобновить работу. Хотя в случае угрозы жизни и здоровью работников применение аварийного останова не избежать, не стоит применять эту кнопку для случая когда «нужно было просто остановить механизм». Такие прецеденты привели к появлению более интеллектуальных электроприводов.
Сегодня все больше можно услышать о функциональной безопасности. Этот подход не отключает электрическую машину от сети, а переводит ее в безопасный режим, в котором происходит ограничение скорости, направления, крутящего момента и положения, что позволяет системе электропривода продолжить работу с уменьшенной производительностью. Это важные конструктивные ограничения, применяемые при программировании АСУ, и они должны следовать всем стандартам, сохраняя при этом производственные перемещения и безопасность сотрудников предприятия.
Некоторые энкодеры стали предлагать дополнительные крепления, которые снижают вероятность выхода его из строя. Надежность соединения вал-энкодер стала очень важной, поскольку информация обратной связи в современных АСУ стала критичной для безопасности и производственных процессов. Знание типа энкодера (абсолютный или инкрементный), применяемого в системе автоматического регулирования , будет иметь решающее значение в случае возможных отключений электрических машин, возможных аварийных отключений или пропадания питания по каким-либо причинам.
По мере роста скорости работы производственных линий важно поддерживать безопасность рабочего персонала при минимизации простоев оборудования. Стремление к повышению функций безопасности и более широкое использование передовых средств автоматизации и робототехнике будет продолжать укреплять рынок шаговых электродвигателей и сервоприводов. На рынке будет все больше появляться электродвигателей с протоколами связи более высокого уровня и более надежной интеллектуальной обратной связью. В целом рынок электрических машин и электроприводов определяется потребностями клиентов. Производители, которые смогут предложить более высокий крутящий момент, выше точность регулирования скорости за меньшую стоимость будут лидировать на современном рынке электрических машин и электроприводов.
