Zwiększanie sprawności i zrównoważonego rozwoju w różnych branżach za pomocą rozwiązań odpowiadających za ruch i sterowanie

Ilustracja 1: pompy wody w dużej elektrowni. (Źródło ilustracji: Shutterstock)

W obliczu wyzwań środowiskowych i zapotrzebowania na zrównoważoną elektronikę, branże na całym świecie poszukują rozwiązań optymalizujących swoje działania i minimalizujących ślad węglowy. Bez względu na branżę istnieje potrzeba kontrolowania procesów w celu obniżenia zużycia energii, minimalizacji odpadów i maksymalizacji wydajności.

Produkty odpowiadające za ruch i sterowanie współpracują ze sobą w celu zarządzania ruchem, prędkością i położeniem elementów mechanicznych w zastosowaniach elektronicznych. Produkty te zapewniają precyzyjne, skuteczne i niezawodne sterowanie różnymi aspektami ruchu, umożliwiając maszynom i urządzeniom wykonywanie funkcji z optymalnymi parametrami działania i minimalizacją błędów.

Firma DigiKey, będąca globalnym dystrybutorem komponentów elektronicznych, oferuje szeroki wybór produktów do napędów i sterowania od wielu dostawców, co pozwala klientom na poprawę zrównoważonego rozwoju i zwiększenie sprawności ich zautomatyzowanych systemów.

Podstawowe komponenty systemów ruchu i sterowania

Sercem rozwiązań odpowiadających za ruch i sterowanie są silniki elektryczne, które stanowią główny sposób przekształcania energii elektrycznej w energię mechaniczną. W praktyce istnieje kilka ich typów, a każdy z nich ma unikalne cechy i zalety. Na przykład silniki prądu zmiennego znane są ze swojej trwałości, sprawności i zdolności do pracy z wysokimi prędkościami, dzięki czemu są odpowiednie do użycia w maszynach przemysłowych, systemach klimatyzacji i wentylacji (HVAC) i innych zastosowaniach, w których niezbędne jest niezawodne, długoterminowe działanie. Z kolei silniki prądu stałego oferują znakomite sterowanie momentem obrotowym i prędkością, dzięki czemu dobrze sprawdzają się w zastosowaniach wymagających precyzyjnych ruchów, takich jak robotyka i układy motoryzacyjne. Silniki krokowe zapewniają bardzo dokładne pozycjonowanie i są stosowane w drukarkach 3D, maszynach CNC i innych urządzeniach wymagających precyzyjnych ruchów inkrementalnych. Serwosilniki charakteryzują się krótkim czasem odpowiedzi oraz wysokim wyjściowym momentem obrotowym i są wykorzystywane w zastosowaniach wymagających szybkich i dokładnych ruchów, takich jak układy lotnicze.

Aby skutecznie kontrolować i regulować pracę silników, rozwiązania odpowiadające za ruch i sterowanie opierają się na różnych napędach i kontrolerach. Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) służą do zarządzania prędkością i momentem obrotowym silników prądu zmiennego, umożliwiając płynną, wydajną pracę oraz oszczędność energii. Serwonapędy, zaprojektowane specjalnie do serwosilników, zapewniają sterowanie w pętli zamkniętej i umożliwiają wysoce precyzyjne ruchy oraz pozycjonowanie. Kontrolery ruchu, które mogą obsługiwać wiele osi ruchu jednocześnie, są wykorzystywane w złożonych zastosowaniach, w których koordynują i synchronizują ruch różnych komponentów, zapewniając płynną i dokładną pracę.

Kluczową rolę w systemach odpowiadających za ruch i sterowanie odgrywają również aktuatory, ponieważ przekształcają energię w ruch i dostarczają siłę do poruszania komponentami mechanicznymi. Znane z dużej siły wyjściowej i zdolności do przenoszenia dużych obciążeń siłowniki hydrauliczne są wykorzystywane w sprzęcie budowlanym, maszynach przemysłowych i innych zastosowaniach, gdzie wymagana jest znaczna moc. Aktuatory pneumatyczne, które do generowania ruchu wykorzystują sprężone powietrze i zapewniają krótki czas odpowiedzi, są wykorzystywane w zastosowaniach wymagających szybkich, powtarzalnych ruchów, takich jak linie pakowania oraz linie montażowe. Aktuatory elektryczne, na przykład typu liniowego i obrotowego, zapewniają precyzyjne sterowanie w urządzeniach i sprzęcie do branży medycznej, motoryzacyjnej oraz lotnictwa i kosmonautyki.

Ilustracja 2: system robotyczny wykorzystujący kamery z czujnikami wizyjnymi w inteligentnej fabryce. (Źródło ilustracji: Shutterstock)

Czujniki, urządzenia sprzężenia zwrotnego i systemy sterowania

Aby systemy odpowiadające za ruch i sterowanie działały z najwyższym poziomem dokładności oraz niezawodności, stosuje się czujniki i urządzenia sprzężenia zwrotnego w celu monitorowania, a także pomiaru różnych aspektów ruchu. Czujniki pozycji, takie jak potencjometry liniowe i obrotowe, dostarczają w czasie rzeczywistym dane dotyczące dokładnej lokalizacji elementów mechanicznych, umożliwiając precyzyjne pozycjonowanie i śledzenie. Enkodery inkrementalne i absolutne służą do określania pozycji kątowej i prędkości obracających się wałów, umożliwiając dokładną kontrolę prędkości i pozycji. Resolwery, choć podobne do enkoderów, to są przeznaczone do użytku w trudnych warunkach środowiskowych i oferują również wysoką dokładność oraz niezawodność we wrażliwych zastosowaniach.

Wszystkie wspomniane komponenty łącznie tworzą systemy sterowania, które koordynują ogólne działanie rozwiązań odpowiadających za ruch i sterowanie oraz zarządzają nimi. Programowane sterowniki logiczne (PLC) to wytrzymałe komputery przemysłowe przeznaczone do sterowania i automatyki, obsługujące wiele sygnałów wejściowych i wyjściowych jednocześnie w automatyce przemysłowej, sterowaniu procesami i innych zastosowaniach. Przemysłowe komputery PC, które oferują większą elastyczność i moc obliczeniową niż sterowniki PLC, są często używane w połączeniu z zaawansowanym oprogramowaniem do sterowania ruchami, służącym do symulacji algorytmów sterowania ruchami w złożonych układach wieloosiowych.

Komponenty odpowiadające za ruch i sterowanie w zastosowaniach przemysłowych

Rozwiązania odpowiadające za ruch i sterowanie mają kluczowe znaczenie dla zwiększenia sprawności, dokładności i produktywności w szerokim zakresie procesów przemysłowych. Zarządzają na przykład takimi urządzeniami, jak ramiona robotyczne i obrabiarki w celu usprawnienia operacji przemysłowych oraz minimalizacji błędów. W fabrykach i magazynach motoryzacyjnych systemy odpowiadające za ruch oraz sterowanie koordynują ruch robotów przemysłowych, robotów współpracujących (kobotów) i autonomicznych robotów mobilnych (AMR) w celu wykonywania zadań takich jak przenoszenie, montaż i inspekcja. Podobnie w zastosowaniach pakowania przemysłowego, rozwiązania odpowiadające za ruch i sterowanie służą do pobierania oraz przenoszenia przedmiotów, takich jak pudła i palety, za pomocą systemów przenośników, maszyn sortujących, jak również zautomatyzowanych systemów składowania/odbioru (AS/RS).

W sektorze medycznym systemy odpowiadające za ruch i sterowanie kształtują sposób świadczenia opieki zdrowotnej oraz prowadzenia badań. Umożliwiają one precyzyjne pozycjonowanie, dozowanie i automatyzację w urządzeniach oraz sprzęcie medycznym, takim jak roboty chirurgiczne, systemy obrazowania diagnostycznego, a także przyrządy laboratoryjne. Na przykład roboty chirurgiczne wyposażone w komponenty odpowiadające za ruch i sterowanie mogą wykonywać zabiegi z dużą dokładnością oraz minimalną inwazyjnością, skracając czas powrotu pacjenta do zdrowia i poprawiając ogólne rezultaty. Zautomatyzowane systemy transportu cieczy w farmaceutycznych laboratoriach badawczych również wykorzystują systemy odpowiadające za ruch i sterowanie - do dokładnego dozowania i mieszania odczynników, usprawniając proces odkrywania leków oraz przyspieszając rozwój nowych terapii.

Lotnictwo i kosmonautyka oraz obronność także polegają na precyzyjnych rozwiązaniach odpowiadających za ruch i sterowanie - w zastosowaniach o znaczeniu krytycznym, takich jak pozycjonowanie satelitów, systemy sterowania samolotami i naprowadzanie pocisków. W tych sektorach nawet najmniejsze odchylenie od zamierzonego ruchu lub pozycji może mieć katastrofalne skutki. Technologie odpowiadające za ruch i sterowanie zapewniają, że omawiane systemy będą działać z wyjątkową dokładnością oraz niezawodnością, umożliwiając satelitom utrzymanie orbity, samolotom bezpieczny lot, a pociskom dotarcie do celu. Ponadto wspomniane rozwiązania umożliwiają opracowywanie i testowanie nowych technologii w dziedzinie lotnictwa i kosmonautyki oraz obronności, umożliwiając inżynierom przeprowadzanie symulacji i walidacji złożonych systemów przed ich wdrożeniem w terenie.

Zrozumienie strategii firmy DigiKey obejmującej wielu dostawców

Dzięki współpracy z wieloma dostawcami firma DigiKey zapewnia inżynierom i projektantom systemów dostęp do szerokiego asortymentu produktów. Strategia ta nie tylko zwiększa różnorodność produktów, ale także poprawia ich dostępność, sprzyja konkurencyjnym cenom i zapewnia dostęp do bogatej wiedzy technicznej. Niewątpliwą zaletą podejścia firmy DigiKey polegającego na korzystaniu z wielu dostawców, jest możliwość zaspokojenia wielu wymagań przemysłowych. Firma DigiKey oferuje rozwiązania do wszelkich zastosowań, niezależnie od tego, czy chodzi o kompaktowy silnik krokowy do precyzyjnego oprzyrządowania, czy też serwonapęd o wysokim momencie obrotowym do automatyki przemysłowej w trudnych warunkach. Ta różnorodność umożliwia inżynierom znalezienie produktów najbardziej odpowiednich do konkretnych potrzeb, które mogą zoptymalizować ogólne parametry działania i sprawność układu. Ponadto, dzięki zaopatrywaniu się u wielu dostawców, firma DigiKey minimalizuje ryzyko zakłóceń w łańcuchu dostaw - gdy jeden z producentów doświadcza problemów z produkcją lub opóźnień, istnieje możliwość pozyskania alternatywnych produktów od innych dostawców, co zapewnia klientom niezawodne i niezakłócone dostawy. Taka elastyczność ma znaczenie w obiektach przemysłowych, w których nawet minimalne przestoje mogą mieć znaczący wpływ na zasoby, budżet i działalność.

Zaawansowane produkty odpowiadające za ruch i sterowanie od liderów branży

Współpraca firmy DigiKey z wiodącymi producentami, takimi jak Schneider Electric, Siemens oraz Omron pokazuje jej zaangażowanie w jakość i innowacyjność. Wspomniani giganci branżowi słyną z najnowocześniejszych rozwiązań w zakresie ruchu i sterowania, które wykorzystują zaawansowane funkcje i technologie zwiększające wydajność i zrównoważony rozwój.

Układ Altivar™ Soft Starter ATS480 firmy Schneider Electric (ilustracja 3) bazuje na parametrach start-stop z poprzednich iteracji, aby jeszcze bardziej wydłużyć okres użytkowania sprzętu i zmaksymalizować gotowość operacyjną w wymagających środowiskach. Napęd o zmiennej prędkości (VSD) Altivar 212 zapewnia maksymalną łatwość użycia i bezpieczeństwo dla integratorów systemów oraz użytkowników końcowych w systemach klimatyzacji i wentylacji, generując oszczędności energii oraz poprawiając komfort, jak również zarządzanie budynkiem. Podobnie napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) ATV320 zapewniają bezpieczeństwo, niezawodność i prostotę, a ich kompaktowe rozmiary upraszczają instalację oraz pozwalają efektywnie wykorzystać przestrzeń.

Ilustracja 3: urządzenie Altivar™ Soft Starter ATS480 firmy Schneider Electric. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Linia Easy TeSys firmy Schneider Electric obejmuje ręczne rozruszniki silników z zabezpieczeniem magnetycznym przy 13-krotności maksymalnego ustawienia pokrętła, termiczne przekaźniki nadmiarowe z zaciskami śrubowymi oraz styczniki 3-biegunowe oferujące okres użytkowania odpowiadający około milionowi operacji elektrycznych. Urządzenia te są przeznaczone do przełączania i ochrony typowych rozwiązań silnikowych. Wyspowe rozruszniki silników z komunikacją TeSys™ eliminują potrzebę stosowania oprzewodowania sterującego oraz wejścia-wyjścia programowanego sterownika logicznego (PLC) poprzez wpięcie pojedynczego kabla taśmowego, zapewniającego dostęp do danych za pośrednictwem przemysłowych protokołów komunikacyjnych.

Napędy SINAMICS V20 firmy Siemens, dzięki kompaktowej, wytrzymałej i wzmocnionej konstrukcji, idealnie sprawdzają się w różnorodnych podstawowych zastosowaniach napędowych w zakładach technologicznych oraz produkcyjnych. Ponadto zespoły styczników nawrotnych serii SIRIUS 3RA23 zapobiegają błędom oprzewodowania w obwodach głównych i sterujących. Styczniki sterujące SIRIUS oferują elastyczne opcje przełączania obciążeń elektrycznych, przy czym istnieje możliwość wyboru pomiędzy konwencjonalnymi i półprzewodnikowymi mechanizmami roboczymi.

Napędy o zmiennej częstotliwości serii MX2 firmy Omron oferują zaawansowane sterowanie silnikami i maszynami z wykorzystaniem technologii napędów o zmiennej częstotliwości (VFD), zapewniając precyzję działania, oszczędność energii oraz ochronę przed usterkami. Dzięki zaawansowanej konstrukcji i algorytmom, urządzenia MX2 zapewniają płynne sterowanie prędkością aż do prędkości zerowej oraz możliwość sterowania momentem obrotowym w pętli otwartej.

Ilustracja 4: termiczny przekaźnik nadmiarowy TeSys firmy Schneider Electric. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Poprawa zrównoważonego rozwoju zautomatyzowanych linii produkcyjnych

Aby zilustrować wpływ technologii odpowiadających za ruch i sterowanie na zrównoważony rozwój, przyjrzyjmy się zautomatyzowanej linii produkcyjnej w zakładzie produkcyjnym. Od precyzyjnego sterowania prędkością w przenośnikach i silnikach maszyn pakujących po integrację ramion robotycznych i wdrażanie systemów bezpieczeństwa, omawiane komponenty pozwalają producentom osiągać cele polegające na minimalizacji zużycia energii i odpadów, przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa oraz niezawodności działania:

Systemy przenośnikowe: na zautomatyzowanej linii produkcyjnej systemy przenośnikowe odgrywają kluczową rolę w transporcie materiałów i produktów pomiędzy różnymi etapami procesu produkcyjnego. Dzięki wykorzystaniu napędu o zmiennej prędkości (VSD) Altivar 212 lub napędu o zmiennej częstotliwości (VFD) serii MX2 firmy Schneider Electric można sterować prędkością silników przenośników w celu dostosowania ich pracy do wymaganej wydajności produkcji. Dzięki zapewnieniu optymalnej prędkości przenośnika, zmniejsza się zużycie energii oraz zużycie komponentów mechanicznych. Ponadto układy płynnego uruchamiania, takie jak Altivar™ Soft Starter ATS480 firmy Schneider Electric, zapewniają łagodne uruchamianie i zatrzymywanie silników przenośników, zmniejszając naprężenia mechaniczne oraz wydłużając okres użytkowania sprzętu.

Maszyny pakujące: maszyny pakujące są integralną częścią zautomatyzowanej linii produkcyjnej i odpowiadają za pakowanie, uszczelnianie oraz etykietowanie produktów. Maszyny te często wymagają precyzyjnego sterowania prędkością i momentem obrotowym silnika w celu zapewnienia spójnego oraz dokładnego procesu pakowania. Dzięki integracji napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) ATV320 firmy Schneider Electric silniki maszyn pakujących mogą być sterowane z wysoką precyzją, co zwiększa ogólne parametry układu i sprawność energetyczną.

Ramiona robotyczne: ramiona robotyczne są szeroko stosowane na zautomatyzowanych liniach produkcyjnych do zadań takich jak przenoszenie materiałów, montaż i kontrola jakości. Narzędzia te wymagają precyzyjnego sterowania wieloma osiami ruchu, aby wykonywać swoje zadania dokładnie i wydajnie. Sterowanie silnikami ramion robotycznych umożliwiają wyspowe rozruszniki silników z komunikacją TeSys firmy Schneider Electric. Dzięki wyeliminowaniu konieczności stosowania skomplikowanego oprzewodowania oraz wejścia-wyjścia programowanego sterownika logicznego (PLC), wyspa TeSys ułatwia również szybszą instalację i łatwą konfigurację systemu sterowania ramienia robotycznego. Wbudowany interfejs cyfrowy i inteligentne narzędzie konfiguracyjne upraszczają przekazanie do użytkowania oraz regulację, a możliwość dostępu do krytycznych danych za pośrednictwem protokołów komunikacyjnych pozwala na zdalne monitorowanie i konserwację predykcyjną.

Pompy i wentylatory: pompy i wentylatory mają kluczowe znaczenie w różnych aspektach zautomatyzowanych linii produkcyjnych, takich jak układy chłodzenia, jednostki zasilania hydraulicznego i systemy wentylacyjne. Optymalizacja parametrów działania tych komponentów pozwala obniżyć zużycie energii i zapewnić maksymalny czas pracy bez przestojów. Do sterowania pompami i wentylatorami w środowiskach przemysłowych, dzięki swojej kompaktowej, wzmocnionej konstrukcji, odpowiednie są napędy SINAMICS V20 firmy Siemens. Napędy SINAMICS V20 oferują różne funkcje, w tym sterowanie proporcjonalno-całkująco-różniczkujące (PID), sterowanie wieloma pompami oraz tryby oszczędzania energii.

Systemy bezpieczeństwa: zapewnienie bezpieczeństwa personelu i sprzętu ma ogromne znaczenie w zakładach produkcyjnych. Dzięki zespołom styczników bezpiecznych linie produkcyjne mogą osiągnąć wysoki poziom bezpieczeństwa, co zmniejsza ryzyko wypadków oraz przestojów. W systemach sterowania silnikami, funkcje bezpieczeństwa mogą być realizowane przez zespoły styczników nawrotnych serii SIRIUS 3RA23 firmy Siemens. Zespoły te bezproblemowo integrują się z systemami bezpieczeństwa funkcjonalnego zgodnymi z międzynarodowymi normami, takimi jak IEC 61508 i ISO 13849-1. Zintegrowane mechaniczne i elektryczne blokady współzależne z serii 3RA23 zapobiegają również błędom podłączania przewodów oraz zapewniają bezpieczną pracę obwodów silnika nawrotnego.

Ilustracja 5: inteligentne ramiona robotów przemysłowych do cyfrowej produkcji przemysłowej. (Źródło ilustracji: Shutterstock)

Podsumowanie

Zaawansowane rozwiązania ruchu i sterowania mają kluczowe znaczenie dla sprawności i zrównoważonego rozwoju w wielu branżach. Integrując wspomniane technologie w zautomatyzowanych liniach produkcyjnych, producenci poprawiają sprawność operacyjną, zmniejszają zużycie energii, minimalizują straty materiałowe i wydłużają okres użytkowania urządzeń. Portfolio produktów firmy DigiKey pochodzących od wielu dostawców umożliwia inżynierom i projektantom tworzenie systemów o wysokich parametrach działania, a jednocześnie przyjaznych dla środowiska. Firma DigiKey zapewnia platformę, na której inżynierowie mogą wyszukiwać, porównywać i pozyskiwać odpowiadające za ruch i sterowanie produkty najbardziej pasujące do swoich zastosowań.