Aktuální vydání

celé číslo

03

2024

Automatizační technika v energetice a teplárenství, úspory energie

Snímače teploty

celé číslo

Cesta k úsporám energie

Inovační uspořádání vstřikovacích strojů umožněné využitím elektrických pohonů s rekuperací energie a řídicí techniky značky Siemens výrazně zvyšuje energetickou hospodárnost a flexibilitu procesu zpracování plastů.

 
Zatímco ve starověku šlo o sílu svalů, v současnosti Archimed – jak je nazvána řada vstřikovacích strojů nejnovější generace od firmy Heitz – šetří energii v podobě elektrického proudu a páry. Označení Archimed je odvozeno od jména známého starověkého řeckého matematika Archiméda, který mj. formuloval princip páky a objevil, že i nepatrná síla působící v patřičném bodě dokáže pohnout objektem o sebevětší hmotnosti. Firma Heitz, sídlící v německém Grünstadtu, ví, kde se tento bod nachází. Vstřikovací stroje, které vyrábí, šetří energii díky svému inovačnímu upořádání a současně použitím nejmodernější automatizační techniky a techniky pohonů od společnosti Siemens.
 

Vstřikovací stroje: princip činnosti

Pěnový polypropylen (expandovaný polypropylen – EPP) i extrudovaný polystyren (expandovaný polystyren – EPS, často prodávaný pod obchodním názvem Styropor) jsou materiály s téměř nesčetnými možnostmi využití. Většinou se s nimi lze setkat jako s izolačními a obalovými materiály, pro svou malou měrnou hmotnost a tuhou strukturu se nicméně uplatňují také v mnoha nejrůznějších funkčních výrobcích, jako jsou např. cyklistické přilby, různá pouzdra a kryty, včelí úly, modely letadel atd. Všechny tyto produkty jsou vyráběny ve vstřikovacích strojích sekundárním vypěňováním suroviny. Ekonomická výroba produktů z EPP i EPS vyžaduje vstřikovací stroje provozně co nejvšestrannější a současně úsporné. Stroje řady Archimed splňují oba tyto požadavky ve vrcholné míře.
 
Druh produktu vyráběného strojem je dán použitými vstřikovacími formami, které lze podle potřeby jednoduše vyměňovat. Jde o dvoudílné vstřikovací formy z lehké slitiny, skládající se z tzv. dutiny a tvárníku. Tvárník je obvykle namontován na stacionární opěrné desce pevně spojené s ložem stroje a dutina je upevněna na pohyblivé desce stroje. Předpěněné polystyrenové perle jsou pneumaticky dopraveny do formy, kde na ně působí vodní pára tak, že se perle navzájem spojí v kompaktní kus materiálu tvaru daného formou. Při tomto sekundárním vypěňování dosahuje tlak v autoklávech až 0,5 MPa. Potřebné pohyby pohyblivé desky a pevné a bezpečné spojení obou částí formy během vypěňovací části výrobního cyklu obstarává propracovaný pákový uzavírací a přidržovací mechanismus (obr. 1). Separační vrstvu umožňující snadno uvolnit zhotovený výrobek tvoří voda kondenzující na pracovním povrchu chlazené formy. Hotové výrobky po otevření formy vyjímá a na stohovací stůl u stroje rovná robot.
 
Prostředky a metody, díky jejichž použití mohou stroje řady Archimed i jiná obdobná zařízení nabídnout mimořádnou energetickou hospodárnost a snadnou obsluhu, jsou souhrnně popsány v následujících odstavcích.
 

Pohony: energeticky hospodárné a tiché

Všechny pohybové osy vstřikovacího stroje řady Archimed jsou poháněny elektrickými servomotory. Stroj tak pracuje patřičně tiše. Tedy už žádné hydraulické či pneumatické systémy. Kompaktní motory řady Simotics S umožňují dosahovat velkého zrychlení i rychle brzdit. Pět měničů Sinamics S120 se sdíleným napájením a s rekuperací brzdné energie zajišťuje chod stroje s mimořádně malou spotřebou energie (obr. 2). Nevyužitý proud je veden zpět do elektrorozvodné sítě.
 
Největší část energie k rekuperaci se uvolňuje při brzdění pohyblivé desky stroje. Energii ale také rekuperuje a kladně k energetické bilanci stroje přispívá stohovací robot. Potřebný příkon vstřikovacího stroje Archimed a robotu dohromady není v žádném okamžiku větší než 750 W. Nová koncepce vstřikovacího stroje umožňuje zkrátit periodu výrobního cyklu až o 25 %. Dimenzi přívodu a spotřebu elektrické energie se podařilo zmenšit o 80 %.
 

Ovládání: moderní operátorské rozhraní s ikonami nezávislými na jazyku

Na otočně uloženém nosném rameni je na stroji namontován robustní operátorský panel s dotykovým ovládáním Simatic TP1500 ze skupiny produktů Simatic HMI Comfort Panel (obr. 3). Vedoucí projektu vývoje automatizačního systému stroje Archimed Ulf Hambel z firmy Heitz říká: „S použitím nástroje WinCC ve vývojovém prostředí TIA Portal jsme schopni vytvářet ikony podobající se těm, které uživatel zná z ovládání mobilního telefonu nebo tabletu. Jsou mu tudíž ihned srozumitelné. Není tedy třeba pojmenovávat ovládací klávesy – což by znamenalo dodatečné náklady na překlad.“ Mnozí uživatelé také přenášejí operátorské rozhraní na své mobilní telefony nebo tablety, což umožňuje aplikace pro zařízení připojená prostřednictvím sítě Profinet (PN). Další předností použitého typu operátorského zařízení je podle Ulfa Hambela skutečnost, že je k dispozici v různých velikostech a přitom se stejnými funkčními schopnostmi. Jakmile je uživatelské rozhraní jednou zkonfigurováno, není třeba je při přechodu na panel jiného rozměru nijak upravovat. Zákazník má tedy při volbě velikosti panelu naprostou volnost bez jakýchkoliv dodatečných nákladů.
 

Řídicí jednotka: robustní a s výkonnými komunikačními funkcemi

Starší vstřikovací stroje značky Heitz používají řídicí systém s PLC Simatic S7-300 a snímači a akčními členy připojenými tradičně provedenou kabeláží. Ulf Hambel k tomu říká: „Při poměrně malých rozměrech stroje jsme dříve nepovažovali za účelné vynakládat dodatečné náklady na sběrnici Profibus. U strojů řady Archimed je to poprvé, co používáme PLC Simatic S7-1500. Jeho vestavěná rozhraní Profinet jsou pro nás velmi přínosná. Jeden sběrnicový kabel namísto velkého počtu tradičních kabelů znamená výrazné zjednodušení kabeláže. Vysoce hodnotíme také robustní způsob připojení zbývajících centralizovaných I/O.“
 
Za rozhodující přínos vestavěných rozhraní Profinet lze nicméně považovat podstatně rozšířené možnosti diagnostiky. Prostřednictvím operátorského panelu řady Simatic Comfort Panel lze diagnostikovat jak řídicí jednotku a měniče frekvence, tak i motory. „Možnost detailně diagnostikovat zařízení na dálku může ušetřit dlouhé a nákladné cesty – nám a možná i servisním pracovníkům našich zákazníků. Potenciál úspor je v tomto ohledu značný, neboť stroje jsou instalovány po celém světě, často i ve velmi vzdálených oblastech,“ pokračuje Hambel.
 

Software: otevřený a transparentní

Ulf Hambel používá ke konfigurování řídicích jednotek Simatic, operátorských panelů řady Simatic Comfort Panel a měničů Sinamics S120 vývojové prostředí TIA Portal. Programovací prostředí Step 7 a vizualizační nástroj WinCC jsou v rámci nástroje TIA Portal součástmi nového jednotného vývojového prostředí Engineering Framework. Měniče pro servomotory jsou začleněny do automatizačního projektu vytvořeného v prostředí TIA Portal prostřednictvím dodávaných souborů typu GSD (General Station Description). Takto se vytvoří integrovaný projekt automatizačního systému.
 
Nový software svým snadným ovládáním inspiroval Ulfa Hambela k realizaci dalších provozních diagnostických funkcí, jako je např. detekce přerušení vodiče nebo překročení zadaných mezních hodnot provozních veličin apod. To bylo možné i dříve. Ovšem díky možnosti opakovaně používat funkční bloky dostupné v softwarových knihovnách a snadno nastavovat komunikační sběrnice v prostředí TIA Portal lze takováto rozšíření a úpravy aplikačního softwaru nyní provést mnohem snáze. „Vedle standardních diagnostických funkcí dostupných v rámci systému Siemens nyní navíc nabízíme další možnosti diagnostiky pomáhající našim zákazníkům trvale udržovat vysokou úroveň provozuschopnosti strojů, které používají,“ uzavírá vedoucí projektu.
 

Nákladová efektivita jako důležitá konkurenční výhoda

Mnoho výrobků z extrudovaného polystyrenu nebo polypropylenu patří mezi poměrně levné masově vyráběné zboží. Při jejich výrobě je tudíž kladen velký důraz na co nejnižší náklady. Výkonné vstřikovací stroje řady Archimed od firmy Heitz jsou pro svou robustnost, vysokou úroveň provozuschopnosti a malou spotřebu energie žádány po celém světě.

Obr. 1. Potřebné pohyby pohyblivé desky ve stroji a pevné a bezpečné spojení obou částí formy při přetlaku ve fromě až 0,5 MPa obstarává
propracovaný pohybový mechanismus s elektrickým pohonem (foto: Siemens AG)
Obr. 2. Z hlediska úspory energie jsou rozhodujícím prvkem stroje Archimed měniče Sinamics S120 se sdíleným napájením a schopností rekuperovat brzdnou energii (foto: Siemens AG)
Obr. 3. Stroj Archimed je ovládán prostřednictvím operátorského panelu řady Simatic Comfort Panel umístěného na nastavitelném nosném rameni (foto: Siemens AG)