Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Energetická efektivita v automatizaci

V roce 2007 dodala společnost B&R zákazníkům z oblasti strojní výroby více než 65 000 servopohonů. A tento trend prudce roste. Jaký je základ tohoto úspěchu? Technika pohonů s integrovaným systémem úspory energie. Pro koho je toto řešení výhodné a kdo má i nadále používat napájení „ze zdi“? Odpovědět pomůže analýza energetické efektivity.
 
Hovoří-li se o energetické efektivitě, je tím myšleno především snižování nákladů na energii. V průmyslu je rozhodující omezovat spotřebu energie pohonů (obr. 1.) Velkým hybatelem nových principů pohonů jsou současné požadavky výrobců strojů, kteří jsou na náklady velmi citliví. Je-li třeba zaručit energetickou efektivitu, je dobré již při navrhování stroje respektovat tato pravidla:
  • vhodně navrhnout koncepci řídicího systému,
  • pro řízení polohy a pohybu využívat výkonný software,
  • stanovit správnou velikost pohonu,
  • hledat cesty, jak omezit ztráty energie,
  • využívat rekuperaci energie při brzdění pohonu,
  • důkladně analyzovat řízenou soustavu a při optimalizaci jejího řízení přiřadit omezení spotřeby energie velkou váhu,
  • spolehnout se na experty z řad partnerských firem.

Koncepce řídicího systému

Než začneme probírat výběr velikosti pohonů, omezování ztrát, aktivní řízení napájení a rekuperaci energie při brzdění, podívejme se na nejdůležitější otázku: jak vybrat správnou koncepci řídicích systémů strojů a strojních zařízení?
 
Vhodná koncepce by měla být založena na multifunkčních komponentách, kde konstruktéra nelimitují výkon procesoru, velikost paměti nebo schopnosti komunikace. Základem energeticky úsporných návrhů řídicích systémů jsou deterministický multitasking, velmi krátké doby reakce a transparentní software.
 
Prvním cílem je eliminovat separátní řídicí jednotky pohonů, CNC a robotů, samostatné programovatelné automaty, nekompatibilní softwarové nástroje a sběrnice. Jednotná koncepce automatizace společnosti B&R je založena na součástech splňujících všechny požadavky na modularitu, volnost volby topologie řídicího systému a na dostatečný výpočetní výkon. Výkonná a univerzální zařízení lze použít v koncepci centralizovaného i decentralizovaného řízení. Jednotky pro řízení pohonů lze umístit v rámci řídicího systému v podstatě libovolně – o přesnou synchronizaci s rozptylem v řádu mikrosekund se postará sběrnice Ethernet Powerlink. Všechny parametry motorů a pohybů jsou všem účastníkům komunikace k dispozici v reálném čase.
 
Závěr: Bez vhodné koncepce řídicího systému nelze dosáhnout uspokojivé energetické efektivity. Multifunkční a vzájemně kompatibilní řídicí jednotky mohou omezit celkový počet potřebných komponent řídicího systému, a tím ušetřit mnoho peněz i energie.
 

Využívání výkonného softwaru pro řízení polohy a pohybu

Navrhnout energeticky efektivní pohon pro jedinou pohybovou osu obvykle není problém; s rostoucím počtem os je to ale složitější. Operace, v nichž by byl v činnosti jen jeden pohon, jsou spíše výjimkou, zpravidla je nutná součinnost několika os. V takovém případě je základem pro dosažení energetické efektivity výkonný software pro řízení polohy a pohybu s obsáhlými technologickými funkcemi.
 
Je tedy třeba mít výkonný software pro řízení a optimalizaci pohybu skupiny os s příslušnými technologickými funkcemi. Společnost B&R je důsledná: její koncepce obecného řízení polohy a pohybu (Generic Motion Control, GMC) kombinuje svět robotiky, CNC, synchronizovaných víceosých pohybů i jednoosého polohování do jednoho homogenního systému. Úspor energie je tak možné dosáhnout využitím synergických efektů, např. vzájemnou integrací původně samostatných výrobních operací.
 
Závěr: Software je důležitou součástí moderních řídicích systémů – jeho cílené využívání napomáhá efektivnímu využití pohonů.
 

Stanovení správné velikosti pohonu

Předimenzované pohony jsou neefektivní z hlediska pořizovacích nákladů i spotřeby energie. Průzkum mezi zákazníky B&R prokázal, že přibližně 20 % dosud používaných pohonů na strojích a strojních zařízeních bylo předimenzovaných a pracovalo výrazně pod jmenovitými hodnotami. Výsledkem je malá efektivita a velké náklady na energii – náklady, které platí provozovatel strojů a zařízení, a nikoliv jejich dodavatel.
 
Společnost B&R se stará o to, aby měla pro všechny zákazníky optimální pohony. Ke správnému výběru pohonu je nezbytné po podrobné analýze úlohy sestavit kompletní soubor požadavků na kinematiku a dynamiku pohonu vyplývajících z požadovaného průběhu dráhy a rychlosti a ze zatížení pohonu, navrhnout mechanické připojení pohonu a určit pracovní podmínky prostředí, zvláště pracovní teplotu. Za vhodný pomocný softwarový nástroj se nabízí software Servo-Soft, který umožňuje vybrat elektrické i mechanické části pohonu a používá se k určení velikosti pohonu a modelování úplných servosystémů od společnosti B&R.
 
Závěr: Volba vhodné velikosti pohonu je relativně jednoduchá a lze ji bez problémů zvládnout, a přitom snižuje pořizovací náklady i náklady na spotřebovanou energii.
 

Omezení ztrát energie

Efektivita pohonů neustále roste, ale ztráta energie, která se přemění na neužitečné teplo, je stále významným problémem. Tyto ztráty lze omezit:
  • aktivními napájecími moduly, zlepšujícími účiník a omezujícími vliv vyšších harmonických složek,
  • rekuperací: energie se při brzdění nepřemění na teplo, ale vrací se do sítě,
  • vhodným chlazením, které samo o sobě nemá velkou spotřebu,
  • použitím moderních, efektivních elektromotorů.

Aktivní napájecí moduly

Aktivní napájecí moduly s korekcí účiníku zajišťují přísně sinusový odběr proudu ze zdroje. Poměr efektivního a zdánlivého výkonu je téměř roven jedné (obr. 2). Provozovatel platí pouze za efektivní odebraný výkon, takže aktivní korekce účiníku nesnižuje přímé náklady na elektřinu. Přináší však velké výhody z hlediska nepřímých nákladů: umožňuje snadnou rekuperaci energie, tepelnou optimalizaci, zmenšení požadované velikosti pohonu, jističů a transformátorů a zmenšení potřebného průřezu vodičů.
 

Rekuperace energie

Všechny napájecí moduly ACOPOSmulti mají schopnost rekuperovat energii, aby se kinetická energie z brzdění nepřeměňovala na teplo, ale vracela se zpět do sítě. Integrovaný regenerační systém je efektivní a životní prostředí chránící prvek, který navíc zmenšuje množství tepla, které je třeba z pohonu odvést chladičem.
 

Chlazení

I nejmodernější a nejefektivnější pohony je nutné chladit. Je-li řídicí jednotka pohonu instalována v rozváděči, je nutné s chlazením počítat a podle potřeby skříň rozváděče vybavit ventilátorem nebo klimatizační jednotkou. Podobně je nutné počítat i se ztrátovým teplem vyzařovaným motorem a zajistit mu dostatečné chlazení. Chlazení výrazně zvyšuje náklady na energii a na údržbu. Metoda studené desky, používaná u pohonů od společnosti B&R, situaci ulehčuje (obr. 3). Vyzařované teplo se chladicí vodou nebo olejem odvádí mimo rozváděč a v ideálním případě i mimo výrobní halu. Toto uspořádání je mnohem efektivnější a energeticky účinnější než běžné chlazení.
 

Moderní, efektivní elektromotory

Moderní výrobní stroje vyžadují kompaktní motory s malým momentem setrvačnosti, dobrou dynamikou a velkou účinností. Ideálním řešením jsou synchronní servomotory s permanentními magnety, které jsou zřetelně efektivnější než indukční motory. Vykazují nižší zdánlivý výkon a mají menší tepelné ztráty než asynchronní nebo stejnosměrné elektromotory.
 

Využívání energie z brzdění

Možnost rekuperovat energii prostřednictvím aktivního napájení je lákavá, ale jsou zde dvě podmínky.
 

Používá stroj brzdu?

Tato otázka zní velmi jednoduše, ale u motoru pracujícího v trvalém zatížení (S1 podle ČSN EN 60034-1) rekuperací žádnou energii uspořit nelze. Rekuperační jednotka ušetří náklady na energii, pracuje-li pohon při přerušovaném zatížení (pohon zrychluje a poté brzdí). Při regeneraci 25 % energie se vyšší cena za aktivní napájecí zdroj s možností rekuperace vrátí za rok a půl, a to už má smysl. Další výhodou je, že není třeba odvádět ztrátové teplo, které vzniká při brzdění.
 

Jak velké jsou ztráty v pohonu?

Energie získaná rekuperací musí být větší než součet ztrát energie v soustavě pohonu, jinak by žádná úspora nevznikala. U pohonů AcoposMulti jsou ztráty energie na filtrech, tlumivce, napájecím modulu a doplňkovém zdroji 24 V minimální, a proto jsou tyto pohony pro možnost využít rekuperaci správnou volbou.
 

Analýza a optimalizace řízení polohy a pohybu

Kolik výrobců strojů investuje po vytvoření prototypů čas a námahu do optimalizace dimenzování pohonů? Kolik provozovatelů systémů využívá analýzu efektivního a zdánlivého výkonu nebo kvality napájení ze sítě? Rozhodující je, že vlastní analýza i získání podkladů pro ni vyžadují čas a námahu – avšak se správným softwarovým nástrojem jsou tyto investice minimální.
 
V nástroji B&R Automation Studio jsou k dispozici všechna aktuální a historická data pro diagnostiku realizovanou nadřazenou řídicí jednotkou. Nástroj Power Meter integrovaný v softwaru Automation Studio je komplexní nástroj pro analýzu napájení, který umožňuje měřit efektivní, reaktivní a zdánlivý výkon.
 

Experti z partnerských firem

Dodavatelé strojů obvykle instalují zákazníkům stroje, které jsou pro ně výhodné z hlediska ceny a splňují všechny jejich požadavky. Když však náklady na energii začnou převyšovat původní cenu stroje již po třech letech od jeho uvedení do provozu, je třeba zamyslet se nejen nad pořizovacími náklady, ale i nad celkovými provozními náklady stroje (obr. 4).
 
Může být extrémně nevýhodné, když zákazníci požadují po výrobcích strojů, aby využívali techniku od konkrétních subdodavatelů: jestliže subdodavatel nenabídne efektivní pohony, nemá výrobce šanci vybrat si jiného.
 
Závěr: Dodavatelé strojů, kteří jsou odborníci na energetickou efektivitu, jsou také dobrými partnery pro další podnikání.
 
Je důležité spolehnout se na dodavatele pohonů, kteří zákazníkům poradí, jak vybrat optimální typ a velikost pohonu, a inovativními výrobky a řešeními zajistí energetickou efektivitu i výhodnost z hlediska nákladů. Například aktivní napájecí zdroj je pro zákazníka výhodný, když se zvýšené náklady vrátí přibližně po dvou letech.
 
Prodejní a aplikační technici společnosti B&R pomohou s výběrem, zajistí optimální nastavení a uvedení pohonů do provozu. Konzultanti společnosti B&R navíc nabízejí provozovatelům systémů a výrobním firmám komplexní poradenství v oblasti zlepšování energetické efektivity.
Ralf Henkel, B&R, Německo
 
Obr. 1. Spotřeba energie v německém průmyslu v roce 2002 – potenciál úspor v technice pohonů je zřetelný (zdroj: ZVEI)
Obr. 2. Energetická efektivita elektrických pohonů: u pohonů AcoposMulti je díky funkci PFC (Power Factor Correction) účiník φ = 1
Obr. 3. Chlazení studenou deskou odvede vyzařované teplo chladicí vodou nebo olejem mimo rozváděč a v ideálním případě mimo výrobní halu
Obr. 4. Příklad nákladů životního cyklu pro 9kW servopohon v plničce jogurtů – potenciál úspor díky aktivnímu napájení, montáži studené desky, účiníku φ = 1 je 27 900 eur (43 % celkových nákladů; výpočet: B&R)