Dobór rozwiązań oświetleniowych LED dla środowisk przemysłowych

Oświetlenie jest kluczowym elementem w projektowaniu bezpiecznych, wydajnych i opłacalnych środowisk przemysłowych w różnych rodzajach działalności, między innymi w logistyce, obsłudze maszyn, szafach sterowniczych, stacjach roboczych oraz liniach produkcyjnych. Diody LED mogą stanowić doskonałe rozwiązania oświetleniowe w coraz większej liczbie przypadków. W porównaniu z tradycyjnymi świetlówkami, żarówkami metalohalogenkowymi, wysokoprężnymi lampami sodowymi i innymi rozwiązaniami oświetleniowymi, oprawy LED są bardziej energooszczędne, obniżają koszty operacyjne i są trwalsze, zmniejszając koszty konserwacji. Oprawy przemysłowe są często używane w wymagających środowiskach i oprócz tego, że poprawiają bezpieczeństwo pracy oraz warunki sanitarne, mogą wymagać zapewnienia ochrony przed wnikaniem i określonych poziomów jakości energii. Równoważenie tych różnorodnych wymagań komplikuje proces doboru oprawy.

W niniejszym artykule dokonano przeglądu parametrów działania, w tym lumenów, mocy, skuteczności, luksów, strefowego rozkładu lumenów, skorelowanej temperatury barwowej, wskaźnika odwzorowania barw, znamionowej żywotności i kosztów związanych z oprawami przemysłowymi, ze szczególnym uwzględnieniem diod LED. Następnie szczegółowo opisano kwestie środowiskowe, w tym wymagania dotyczące ochrony przed wnikaniem, wymagania dotyczące całkowitych zniekształceń harmonicznych i jakości zasilania oraz oświetlenie do niebezpiecznych środowisk. Artykuł kończy się prezentacją konkretnych rozwiązań firmy Banner Engineering do oświetlenia w systemach „pick-to-light”, prowadzenia wózków widłowych i ogólnego oświetlenia stanowisk pracy, oświetlenia maszyn i szaf sterowniczych (ilustracja 1).

Ilustracja 1: oprawy LED są dostępne w wielu formatach zoptymalizowanych pod kątem szerokiej gamy zastosowań. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Parametry działania

Określenie poziomu natężenia oświetlenia jest podstawą wyboru oprawy optymalnej do danego zastosowania. Istnieje wiele parametrów, które należy wziąć pod uwagę, od sprawności operacyjnej oprawy do tego, jak dobrze imituje ona standardowe białe światło. Zaczyna się od jednej świecy czyli kandeli (Cd). Kandela (Cd) jest podstawową jednostką w układzie SI, która mierzy natężenie światła widzialnego emitowanego przez określone źródło (świeca standardowa) w określonym kierunku. Opierając się na koncepcji kandeli (Cd), oto najważniejsze wskaźniki do porównywania opraw:

• Lumen (lm) - strumień świetlny równy światłu emitowanemu w jednym steradianie przez jednorodne źródło punktowe o wartości 1Cd, z uwzględnieniem strumienia świetlnego we wszystkich kierunkach.
• Wat (W) - pobór mocy elektrycznej: dla obwodów prądu stałego, W = V₌ x A; dla obwodów prądu przemiennego, W = V_RMS x A.
• Skuteczność (lm/W) - opisuje jak skutecznie źródło światła wytwarza światło widzialne.
• Luks (lm/m²) - natężenie światła padającego na powierzchnię postrzegane przez ludzkie oko.
• Strefowy rozkład lumenów - rozkład lumenów emitowanych przez oprawę w strefach w dyskretnych płaszczyznach pionowych. Służy do określenia wymagań dotyczących odległości pomiędzy oprawami.
• Skorelowana temperatura barwowa (CCT) - temperatura w stopniach Kelvina (K) promiennika będącego ciałem doskonale czarnym o chromatyczności równej źródłu światła. CCT światła białego waha się w zakresie od 2700K do 6500K.
• Wskaźnik odwzorowania barw (CRI) - zdolność źródła światła do wiernego oddawania barw różnych obiektów w porównaniu z idealnym lub naturalnym źródłem światła. Wskaźnik CRI waha się w przedziale od 0 do 100. Lampy żarowe mają wskaźnik CRI równy 100, diody LED mają CRI od 80 do 90+.

Wraz z rozwojem technologii oświetleniowych proces określania optymalnego rozwiązania stał się bardziej skomplikowany. Na przykład skuteczność diod LED jest znacznie wyższa niż skuteczność świetlówek i lamp wyładowczych o dużej intensywności (HID). Podczas gdy świetlówki i lampy HID emitują światło we wszystkich kierunkach, diody LED są kierunkowe. Najważniejszy wniosek jest taki, że parametry są najbardziej przydatne do porównywania diod LED z diodami LED, lamp fluorescencyjnych z lampami fluorescencyjnymi i tak dalej. Aby porównać różne technologie oświetleniowe, użytkownicy często muszą oceniać próbki obok siebie, aby określić, która jest najlepsza.

Oprócz jakości wytwarzanego światła użytkownicy muszą być świadomi całkowitych zniekształceń harmonicznych (THD) i współczynnika mocy (PF) statecznika lub sterownika zasilającego oprawę. Całkowite zniekształcenia harmoniczne (THD) są miarą zniekształceń prądu elektrycznego wpływającego do elektronicznej przetwornicy mocy. Niższe zniekształcenia THD oznaczają niższe prądy szczytowe i większą sprawność sieci dystrybucji energii elektrycznej w budynku oraz mniejsze obciążenie lokalnej sieci energetycznej. Pomocnym punktem odniesienia dla zrozumienia harmonicznych i stosowania limitów harmonicznych w systemach elektroenergetycznych jest norma IEEE 519-2014. Zwykle wymagane są całkowite zniekształcenia harmoniczne (THD) na poziomie 20% lub mniej. Równie ważnym parametrem jest współczynnik mocy. Odbiornik (statecznik lub sterownik) o niskim współczynniku mocy pobiera więcej prądu niż odbiornik o wysokim współczynniku mocy przy jednakowej mocy wyjściowej. Współczynnik mocy to liczba bezwymiarowa z zakresu od 0 do 1. Stateczniki i sterowniki powinny mieć współczynnik mocy równy co najmniej 0,9.

Zagadnienia dotyczące czasu pracy i kosztów

Diody LED generalnie mają czas pracy przekraczający 25 tys. godzin, ale ich skuteczność i jasność spadają wraz z wiekiem. Czas pracy opraw LED określany jest na podstawie liczby godzin, po upływie których spada do 70% początkowej mocy świetlnej i nazywany jest parametrem L70. Technologie oświetleniowe inne niż LED w pewnym momencie ulegają katastrofalnym awariom. Ich czas pracy jest definiowany jako liczba godzin pracy, po której według przewidywań 50% jednostek ulegnie awarii. Strumień świetlny w lumenach w przypadku technologii innych niż LED również spada wraz z wiekiem. Zjawisko to nazywa się spadek strumienia świetlnego lampy (LLD) i przebiega różnie w zależności od technologii oświetleniowej (tabela 1).

Tabela 1: porównanie spadku strumienia świetlnego i znamionowego czasu pracy. (Źródło tabeli: Banner Engineering)

Aby porównać koszty technologii oświetleniowych, użytkownicy muszą wziąć pod uwagę początkowy koszt robocizny i sprzętu oraz koszty energii, prac konserwacyjnych i sprzętu w całym okresie eksploatacji oprawy (ilustracja 2). Początkowe koszty robocizny i sprzętu można zrekompensować dzięki zwiększonej sprawności energetycznej i niższym potrzebom konserwacyjnym, a trwalsze i wydajniejsze diody LED mogą przynieść znaczne oszczędności w całym okresie eksploatacji.

Ilustracja 2: porównanie kosztów oświetlenia w oparciu o 15-letni cykl życia. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Wymagania środowiskowe

Oprawy stosowane w obiektach przemysłowych muszą być zaprojektowane tak, aby wytrzymały niebezpieczne warunki. Normy National Electrical Code definiują trzy rodzaje niebezpiecznych stref:

• Klasa I - palne gazy lub pary
• Klasa II - palny pył
• Klasa III - łatwo zapalne włókna lub cząstki unoszące się w powietrzu

Amerykańskie przepisy federalne wymagają, aby: „sprzęt posiadał oznaczenie klasy, grupy i temperatury roboczej lub zakresu temperatur, w oparciu o pracę w temperaturze otoczenia 40°C, dla której jest zatwierdzony”.

Stopień ochrony (IP) jest ważny i oznaczony dwiema cyframi. Pierwsza opisuje odporność sprzętu na ciała obce stałe, takie jak kurz, druga opisuje stopień ochrony przed wodą. Oprawy o stopniu ochrony IP67 są odporne na kurz i wodę, dzięki czemu nadają się do wielu środowisk przemysłowych i mogą wytrzymać krótkotrwałe zanurzenie w wodzie. Oprawy o stopniu ochrony IP68g zapewniają dodatkową ochronę i są bardziej odporne na przenikanie oleju i wody.

W środowiskach przemysłowych często występują wibracje i ekstremalne temperatury. Cienkie włókna, delikatne elementy i szklane powłoki stosowane w niektórych technologiach oświetleniowych mogą być szczególnie podatne na uszkodzenia spowodowane wibracjami. Diody LED nie posiadają delikatnych elementów i są znacznie bardziej odporne na wibracje oraz uderzenia. Są one wytrzymałe mechanicznie, jednak wysokie temperatury otoczenia mają tendencję do zmniejszania ich skuteczności i skracania ich czasu pracy. Z drugiej strony, w porównaniu z innymi technologiami oświetleniowymi, diody LED lepiej sprawdzają się w magazynach chłodniczych i innych obiektach, w których występują temperatury spadające do -40°C.

Oprawy do systemów „pick-to-light”

Systemy „pick-to-light” mogą obniżyć koszty kompletacji w magazynie dzięki zwiększonej wydajności, produktywności i dokładności. Na potrzeby systemów typu „pick-to-light” firma Banner oferuje serię opraw EZ-LIGHT® K50L, w tym K50LGRASXPQ (ilustracja 3). Oprawy K50L oferowane są w zależności od modelu z jedną diodą (zielona), dwiema diodami (zielona i czerwona) lub trzema diodami (zielona, czerwona i żółta) i są odporne na wibracje. Oprawa K50LGRASXPQ zapewnia zielone i czerwone oświetlenie LED oraz wielotonowy alarm dźwiękowy. Cechy serii K50L:

• Łatwość instalacji, jasne wskaźniki LED i alarm dźwiękowy
• Wytrzymałość i całkowita szczelność. Stopień ochrony IP67 lub IP69K zgodnie z normą DIN 40050-9, w zależności od modelu
• Niezależne oprawy nie wymagają zewnętrznego kontrolera
• Odporność na zakłócenia o częstotliwościach radiowych (RFI) i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI)
• Alarm dźwiękowy w modelach IP67 ma regulowaną intensywność - może być ciągły lub przerywany
• Elastyczna instalacja z wejściami od 12V₌ do 30V₌ i zabezpieczenie przed odwróconą biegunowością

Ilustracja 3: oprawy oświetleniowe K50 do systemów „pick-to-light” firmy Banner Engineering są zasilane prądem stałym, mają stały lub przerywany sygnał dźwiękowy oraz 1, 2 lub 3 kolorowe wskaźniki LED, w zależności od modelu. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Oprawy i czujniki do prowadzenia wózków widłowych

Operatorzy wózków widłowych mogą mieć utrudnioną widoczność, co wymaga wielokrotnego wysiadania podczas umieszczania trudnych ładunków. Wydajność operacji przeładunkowych można zwiększyć, stosując oprawy i czujniki do prowadzenia wózków widłowych. Na przykład model oprawy WLS27PXRGBW285DSQ firmy Banner należy do serii WLS27 Pro i ma 285mm długości, stopień ochrony IP66, IP67 i IP69K oraz zawiera czerwone, zielone, niebieskie i białe diody LED (ilustracja 4).

Ilustracja 4: oprawy o długości 285mm zawierają czerwone, zielone, niebieskie i białe diody LED oraz mogą być używane do prowadzenia wózków widłowych. Występują w wersjach o stopniach ochrony IP66, IP67 i IP69K. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Wszystkie oprawy z serii WLS27 Pro mogą wyświetlać wielokolorowe animacje z różnymi prędkościami i wzorami oraz być podzielone na segmenty, dzięki czemu są dobrze dopasowane do systemów prowadzenia wózków widłowych. Dzięki nietłukącej się obudowie z kopoliestru w aluminiowej ramie, oprawy WLS27 Pro są odporne na stłuczenia i uderzenia. Stopień ochrony IP69K umożliwia ich zastosowanie w miejscach wymagających intensywnego opłukiwania i w warunkach zewnętrznych. Zintegrowane funkcje układu czasowego i licznika umożliwiają wyświetlanie informacji o czasie lub ilości, w tym odległości i pozycji, za pomocą sygnalizacji impulsowej.

Oprawy WLS27 Pro można łączyć z wielofunkcyjnym czujnikiem laserowym Q5X w celu realizacji systemów prowadzenia wózków widłowych (ilustracja 5). Czujnik Q5X ma zasięg od 50mm do 5m. Niektóre z pozostałych funkcji:

• Pewne wykrywanie przezroczystych i odblaskowych obiektów, obiektów wielokolorowych, obiektów czarnych na błyszczącym metalicznym tle, obiektów czarnych na czarnym tle i obiektów ciemnych (obiektów czarnych odbijających <0,1%)
• W trybie podwójnego programowania pomiar zarówno natężenia światła, jak i odległości
• Obrót o 270 stopni pozwala sprostać różnym ograniczeniom montażowym
• Możliwość programowania przez IO-link, zdalny programator, wbudowany interfejs użytkownika lub opcjonalny zdalny wyświetlacz czujnika

Ilustracja 5: do realizacji systemów prowadzenia wózków widłowych można wykorzystać wielofunkcyjne czujniki laserowe, takie jak Q5X firmy Banner Engineering. (Ilustracja: Banner Engineering)

Ogólne opcje oświetlenia

Oprawa WLB32ZC285PBQMB firmy Baner to bardzo jasna oprawa LED o długości 285mm, która zapewnia równomierny strumień świetlny 750lm i nieoślepiający „blask” (ilustracja 6). Należy do grupy WLB32, w skład której wchodzą oprawy o długości od 285 do 1130mm i strumieniu znamionowym od 750 do 3000lm. Oprawy te są projektowane do stanowisk pracy, oświetlenia maszyn, szaf sterowniczych i linii produkcyjnych.

Ilustracja 6: ultrajasna listwa LED WLB32ZC285PBQMB firmy Banner o długości 285mm do ogólnych potrzeb oświetleniowych. (Ilustracja: Banner Engineering)

Dostępne są listwy oświetleniowe WLB32, które można wykorzystać do tworzenia długich ciągów oświetleniowych dzięki połączeniu łańcuchowemu przy zachowaniu minimalnego okablowania i przy niezależnej pracy każdej listwy. Niektóre z pozostałych funkcji:

• Przełącznik trójpozycyjny: włącz/niska intensywność/wyłącz
• Odporne na rozbicie okno i metalowa obudowa
• Elastyczna instalacja za pomocą uchwytów magnetycznych lub kątowych lub zacisków zatrzaskowych
• Niektóre modele wyposażono w osłonę przeciwolśnieniową po bokach
• Niektóre modele posiadają funkcję detekcji ruchu

Podsumowanie

Przy doborze rozwiązań oświetlenia przemysłowego należy wziąć pod uwagę szeroki zakres parametrów działania, kosztów i czynników środowiskowych. Oprawy LED stanowią atrakcyjną opcję w coraz większej liczbie przypadków. W porównaniu z tradycyjnymi technologiami oświetleniowymi, oprawy LED oferują większą elastyczność i niezawodność oświetlenia, a diody LED zapewniają wyższą sprawność energetyczną, dłuższy czas pracy i mają niższe potrzeby w zakresie konserwacji. W rezultacie, chociaż początkowe koszty instalacji diod LED mogą być wyższe niż w przypadku innych technologii oświetleniowych, diody LED stanowią doskonałe rozwiązanie oświetleniowe, oferując niższe koszty eksploatacji.