Článek popisuje několik tipů na jednoduchá opatření, která mohou být použita k úspoře energie ve výrobních zařízeních průmyslových podniků za pomoci komponent společnosti Beckhoff Automation. Nejde o ucelený návod na úsporu v jakémkoliv průmyslovém závodě. Každý podnik je jiný a mnohá opatření pro snížení energetické náročnosti již jsou realizována. Následující text je spíše k zamyšlení a pro inspiraci zejména v oblastech, kde se běžně na tento problém maximum pozornosti neklade. Každý z předložených tipů má jen určitý efekt. Realizace několika opatření menšího rozsahu však může být v součtu ekonomicky zajímavá.
Na výkonu procesoru záleží
Moderní automatizovaná průmyslová výroba se neobejde bez řídicích systémů – PLC nebo průmyslových PC. Každý takový řídicí systém obsahuje ve své centrální jednotce alespoň jeden procesor. Podívejme se nyní na to, zda může mít výkon procesoru vliv na množství spotřebované energie.
Nové procesory v průmyslových zařízeních mají až desítky miliard tranzistorů. Limit rychlosti procesoru závisí na vzdálenostech, které musí elektrický signál urazit, a tedy na rychlosti toku elektrického proudu. Díky novým technologiím tranzistorů (FinFET, GAAFET), které mají také vyšší energetickou účinnost (a mají tedy i menší požadavky na chlazení), se stále zvyšuje výkon a efektivita procesorů. U těchto moderních procesorů je jeden přechod tranzistoru tvořen pouhými čtrnácti atomy. Čím menší je tranzistor, tím méně energie spotřebuje celý procesor a tím méně chlazení bude třeba.
Jestliže není třeba zvyšovat výpočetní výkon procesoru, je výsledkem vyšší efektivita a úspora energie. Příkladem může být nový čip ASIC pro EtherCAT s označením ET1101, který používá 60nm technologii oproti původnímu čipu se 150nm technologií. Díky této inovaci ušetří každý čip výkon 250 mW. Vzhledem k tomu, že se ročně celosvětově použije asi 13 milionů těchto čipů, je celková roční úspora asi 2,6 GW·h. A to je řeč pouze o jednom jediném typu čipu. Globální efekt tohoto trendu je proto enormní.
Další možností vedoucí k úspoře energie je integrace několika procesů a funkcí do jednoho čipu. Zvýšení výpočetního výkonu CPU znamená zvýšení výpočetního výkonu celého počítače. Jedno průmyslové PC tedy může nahradit funkci několika různých řídicích subsystémů (logické řízení, řízení polohy a pohybu, HMI, databázový server, komunikační brána IoT atd.) s celkově mnohem nižší spotřebou energie než všechna tato zařízení dohromady.
Za posledních šest let se výkon nových procesorů zvýšil přibližně sedmkrát, přičemž jejich spotřeba vzrostla jen zhruba trojnásobně. Proto se během této doby efektivita (a tím i úspora – pokud se tedy tento výkon procesoru využije) zvýšila o 50 %.
V nejnovějších typech svých průmyslových PC využívá Beckhoff tzv. hybridní procesory od společnosti Intel s označením Core-i 12. a 13. generace. Uvnitř jednoho takového procesoru jsou dva typy jader:
- P-Core (Performance) – výkonná jádra,
- E-Core (Efficient) – jádra optimalizovaná pro úsporný chod.
Úsporná jádra (E-Core) přitom mají stejný výpočetní výkon jako nejvýkonnější jádra v procesoru i7-6700. Intel do těchto procesorů zabudoval tzv. Speed Shift Technology, funkci, která umožňuje zvýšení výkonu libovolného jádra. To se využívá zejména v případech, kdy není jednoduché rozčlenit úlohu na části, které jsou vykonávány na jednotlivých jádrech zvlášť (což TwinCAT umožňuje), a je třeba na jednom jádru zpracovávat např. nejnáročnější vlákno s úlohou řízení pohybu.
Není jedno, jaký napájecí zdroj se použije
Napájecí zdroje zajišťují nepřetržitou dodávku energie pro všechny komponenty, ale málokdo si uvědomuje, že jsou proto také jednou z nejkritičtějších komponent v celém rozváděči.
Na trhu je k dispozici mnoho typů a modelů napájecích zdrojů a každý z nich má specifické vlastnosti. Následující faktory jsou klíčové pro výběr správného napájecího zdroje:
- účinnost,
- spolehlivost,
- životnost,
- rozměry,
- ochrana proti vnějším vlivům,
- opatření proti šíření rušení v síti,
- vzdálené ovládání a diagnostika.
Beckhoff Automation nabízí napájecí zdroje, které v těchto ohledech vynikají. Jedním z rozhodujících faktorů je účinnost, která se projeví nejen v energetických úsporách, ale také v nižších nákladech na chlazení. Důležité je rovněž použití kvalitních součástek a jejich správné umístění z pohledu odvodu tepla, což výrazně prodlužuje životnost zařízení.
Dalším důležitým faktorem je kompenzace účiníku PFC (Power Factor Compensation). Například zdánlivý výkon u 100W zdroje, ve kterém není použita žádná kompenzace, je až 220 V·A. Je-li použita pasivní kompenzace tlumivkou, sníží se zdánlivý výkon na 151 V·A. Nejefektivnější je použití aktivního obvodu pro kompenzaci (který používají zdroje Beckhoff), díky němuž je u 100W zdroje zdánlivý výkon 100 V·A.
Vysoké teploty jsou velkým nepřítelem elektronických zařízení obecně, proto je důležité použít kvalitní a dostatečné chlazení. Platí, že zvýšení okolní teploty o 10 °C zkrátí životnost zařízení až na polovinu. Beckhoff využívá nejrůznější postupy pro zlepšení chlazení: co možná nejmenší počet použitých součástek, jejich správné umístění, správně provedené konvenční chlazení atd. Ve výrobě je navíc každý vyrobený kus otestován, čímž se radikálně snižuje chybovost.
Proč záleží na každé desetině procenta účinnosti? Ukažme si to na příkladu. Kvalitní napájecí zdroj 24 V/20 A má účinnost přibližně 92 %. Oproti tomu 24V/20A zdroj Beckhoff z řady PS2 má účinnost 95,6 %. Mohlo by se zdát, že rozdíl v účinnosti „pouze“ 3,6 % je zanedbatelný. Ukažme si však, jaké tepelné ztráty je možné v obou případech očekávat: v prvním případě je ztrátový tepelný výkon 42 W, zdroj Beckhoff ale má ztrátový tepelný výkon pouze 22 W. Jde tedy téměř o dvojnásobek, přesně o 91 % více tepla, které zůstává v rozváděči.
Pro příklad výpočtu finanční úspory si vezměme následující modelovou situaci: Podnik pracuje v třísměnném provozu s pracovní dobou 22 h denně po 340 dní ročně a elektřinu kupuje za 4 Kč/kW·h. Zdroj PS2 24 V/20 A má účinnost 95,6 % a cos φ = 0,98. Celkový příkon zdroje je P = 24 V × 20 A/(0,956 × × 0,98) = 512 W. Jiný typ zdroje s účinností 92 % má příkon P = 24 V × 20 A/(0,92 × 0,98) = 532 W. Rozdíl ve spotřebě je tedy 20 W. Celoroční úspora energie je 20 W × 22 h × 340 dní = 150 kW·h. Finanční úspora je tedy 600 korun ročně, ovšem firma navíc získává vysoce kvalitní zařízení s velkou spolehlivostí a dlouhou životností.
V reálných projektech bývá použit větší počet napájecích zdrojů, proto může být celková úspora energie a finančních prostředků značná.
Terminály EtherCAT snižují náklady na prediktivní údržbu
Beckhoff má širokou nabídku I/O terminálů, které se připojují ke sběrnici EtherCAT, popř. jsou schopné převést data z jiných průmyslových sběrnic. Podívejme se nyní detailněji na použití terminálů Power Measurement určených pro měření parametrů elektrické sítě.
Jako vzorovou úlohu vezměme diagnostiku asynchronního motoru, který pohání čerpadlo. Běžné řešení diagnostiky vinutí a celkové kondice motoru využívá měření teploty motoru. Druhou obvykle měřenou veličinou jsou vibrace, pomocí kterých lze průběžně sledovat nevyváženost a opotřebení hřídele. Toto řešení je poměrně drahé, náklady včetně všech potřebných senzorů se pohybují kolem 1 300 eur.
Alternativním řešením je použití zmíněných terminálů Power Measurement pro EtherCAT, které jsou schopné – jestliže jsou správně interpretovány naměřené hodnoty – uživateli poskytnout stejné informace jako běžné řešení s vibrodiagnostikou, avšak prostřednictvím měření čistě elektrických parametrů v motorovém kabelu, kde se sleduje asymetrie fází a výskyt harmonických. Tyto terminály navíc umožňují pomocí měření výkonu detekovat přetížení či nízký výkon. K měření stačí pouze terminál a proudový transformátor, takže náklady jsou 200 až 300 eur. Znamená to enormní úsporu až 80 % nákladů na realizaci prediktivní diagnostiky uvedeného čerpadla.
Úspory v softwaru
„Mozkem“ automatizačního řešení společnosti Beckhoff je software TwinCAT, který umožňuje vývoj aplikací pro průmyslovou automatizaci. TwinCAT je modulární, zahrnuje softwarové real-timové PLC, systém řízení polohy a pohybu, systém bezpečnosti strojů a zařízení, HMI, strojové vidění, komunikaci a mnoho dalších modulů. Jedním z nich je také modul TwinCAT Analytics – bude zde popsán podrobněji.
TwinCAT Analytics je nástroj pro sběr, vyhodnocení a zobrazení dat z procesů. Analytics podporuje uživatele v každé ze čtyř hlavních fází zpracování dat: přenesení naměřených hodnot, historizace, analýza a 24hodinové monitorování včetně obrazovek pro HMI. Díky této kompletní analýze dat mohou firmy získat mnohem větší přehled o svých procesech, a mohou se tak rozhodovat na základě aktuálních dat.
Jednou ze zásadních výhod použití TwinCAT Analytics je automatické generování kódu PLC podle předem stanovených požadavků. Analytics např. vytvoří funkce pro statistické zpracování naměřených hodnot a odeslání zpracovaných výsledků pomocí MQTT na server. Manuální programování takového kódu je možné, ale vzhledem k vytížení programátorů je každá úspora jejich cenného času velmi vítána. Finanční úspora v tomto případě míří do nákladů na vývoj celé aplikace.
Při použití analýzy dat z TwinCAT Analytics lze dosáhnout i významných přímých úspor energie. Analyzování procesních dat umožňuje identifikovat potenciál pro snížení spotřeby energie a najít způsoby, jak těchto úspor dosáhnout – např. optimalizací výkonu hořáků či elektrických ohřevů nebo vypnutím napájecích větví obvodů, které nejsou v dané době využívány.
Využití TwinCAT Analytics také napomáhá k mnohem informovanějším rozhodnutím při plánování údržby. Díky analýze dat lze lépe predikovat poruchy a naplánovat údržbu tak, aby byla co nejefektivnější a minimalizovala případné výpadky výroby.
Elektrické pohony jsou efektivnější
Jedním z nejběžnějších prvků používaných v průmyslové výrobě pro lineární pohyb jsou pneumatické válce. Ty však mají svá omezení a vyžadují energii stlačeného vzduchu, který je jedním z nejdražších médií. Tyto nevýhody dokážou překonat elektrické pohony. Společnost Beckhoff Automation nabízí novou generaci elektrických válců, které ve srovnání s pneumatickými válci mají mnoho předností.
Elektrický válec AA3000 využívá kuličkový šroub s přímým pohonem. Řízení elektrického válce zastává klasický servoměnič řady AX5000 nebo AX8000 připojený jedním kabelem (tzv. OCT – One Cable Technology). Zpětnou vazbu tvoří 24bitový absolutní snímač polohy s certifikací úrovně bezpečnosti SIL 2.
Pokud jde o provozní parametry, v závislosti na provedení může být špičková síla až 12 500 N a kontinuální síla 3 240 N. Maximální rychlost je 1 m/s, zrychlení 20 m/s2, špičkový proud je 15 A. Rozměry jsou podle ISO 15552, odpovídají tedy standardu pneumatických válců.
Pro porovnání roční spotřeby uvažujme např. šestiosý stroj na skládání kartonových krabic, v třísměnném provozu (7 500 h/rok). Výsledky srovnání jsou v tab. 1. Roční náklady na provoz všech šesti os (z pohledu napájení) jsou u pneumatických válců (0,022 euro/m3) 16 800 eur, zatímco u elektrických válců (0,18 euro/kW·h) 6 050 eur. Roční finanční úspora je tedy 10 750 eur. Přepočte-li se tato úspora na oxid uhličitý, při průměrných emisích v ČR 0,43 kg/kW·h elektrické energie se přechodem na elektrické válce uspoří 29,7 t CO2 ročně.
V porovnání s pneumatickým válcem nabízí elektrický válec vyšší účinnost při přeměně elektrické energie na pohyb, má navíc i vyšší sílu a možnost plynulé regulace polohy a rychlosti. V přímém porovnání je elektrický válec dražší, protože k němu je třeba servoměnič. Výpočet celkových nákladů, který bere v úvahu jak pořizovací, tak i provozní náklady, vychází jednoznačně ve prospěch elektrického válce.
Výhodou elektrických válců je také jejich větší přesnost a opakovatelnost. Tyto parametry jsou zvláště důležité v případě, když musí být pohyb stroje přesně synchronizován s jinými procesy – jako v uváděném případě stroje na skládání kartonů s náběhem materiálu nebo s řezáním. Lepší regulovatelnost elektrických válců se rovněž výrazně projeví např. u balicích strojů, kde lze přesněji měnit rychlost pohybu v závislosti na množství baleného produktu.
Porovnají-li se provozní náklady pneumatických a elektrických válců, je nutné vzít v úvahu, že elektrické válce mají sice vyšší pořizovací cenu, ale jsou mnohem účinnější a jejich náklady na provoz jsou nižší. Elektrické válce totiž nevyžadují použití stlačeného vzduchu, který je drahý a energeticky náročný na výrobu. Navíc jsou pneumatické válce náchylnější k opotřebení a potřebují pravidelnou údržbu, což zvyšuje jejich provozní náklady.
Závěr
V současné době je efektivita hlavním faktorem průmyslové výroby. Bylo ukázáno, že použití moderních automatizačních komponent společnosti Beckhoff Automation může vést k úsporám energie a zvýšení výkonu strojů a zařízení i v případech, kde se to primárně neočekává – jako např. ve správné volbě typu a výpočetního výkonu použitého řídicího systému. Nelze podceňovat význam napájecích zdrojů a jejich vliv na tepelné ztráty v rozváděči. Dále článek poukázal na to, že měření vibrací není vždy ekonomicky výhodné a v určitých případech je možné dostat se ke stejným informacím za použití jiného, finančně mnohem méně náročného prostředku.
Použití moderních automatizačních komponent Beckhoff Automation může být jedním z kroků k úsporám energie a zvýšení produktivity výroby.
(Beckhoff Automation s. r. o.)
FinFET a GAAFET
FinFET, Fin Field-Effect Transistor, je vícebránové zařízení typu MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), kde je hradlo umístěno na dvou, třech nebo čtyřech stranách kanálu nebo kolem něj a tvoří dvojitou, nebo dokonce vícebránovou strukturu. Jde tedy o neplanární strukturu, hradla jsou tvořena nejen v ploše, ale též ve 3D. Tato zařízení dostala obecný název FinFET, protože oblast hradla tvoří tenké lamely, „žebra“, na křemíkovém povrchu (obr. 1 vlevo).
Mezi neplanární tranzistory patří i tranzistory GAAFET, Gate-All-Around FET. Z názvu vyplývá, že materiál hradla v tomto případě obklopuje kanálovou oblast ze všech stran, místo žeber jsou zde „nanodrátky“. V závislosti na konstrukci mohou mít GAAFET dvě nebo čtyři efektivní brány (obr. 1 vpravo).
Více o 3D polovodičových strukturách procesorů, včetně principů a srovnání FinFET a GAAFET, zájemci najdou např. na https://resources.system-analysis.cadence.com/blog/msa2022-comparing-finfets-vs-gaafets.
(ed)
Zdroje PS
V sortimentu napájecích zdrojů PS jsou jednofázové a třífázové zdroje na lištu DIN s výstupním napětím 24 nebo 48 V a s výstupními proudy od 2,5 A do 40 A: řada PS1000 je určena pro malé, cenově citlivé úlohy, řada PS2000 je vhodná pro většinu běžných úloh a řada PS3000 pro náročné úlohy (obr. 2). Zdroje všech řad mají velkou účinnost a malé tepelné ztráty. To má pozitivní vliv nejen na životnost a spolehlivost napájecích jednotek, ale také na spolehlivost celého stroje nebo zařízení. Sníží se rovněž náklady na energii.
V závislosti na provedení zdroje může být součástí režim hiccup, možnost krátkodobého a dlouhodobého přetížení a přesné nastavení spínání jističů, aby systém neodpojily např. při rozběhu těžké zátěže. K dispozici je také provedení do prostředí s nebezpečím výbuchu.
Obr. 1. Nové struktury tranzistorů FinFET a GAAFET
Obr. 2. Napájecí zdroje Beckhoff řady PS
Obr. 3. Náhrada vibrodiagnostiky terminály Power Measurement
Obr. 4. TwinCAT je modulární software pro kompletní automatizaci
Obr. 5. Elektrický válec AA3000
Tab. 1. Porovnání roční spotřeby