Blog

Zpět na přehled
Sdílet přes
Servopohony

Průmyslové trendy v servopohonech: vytváření nové kvality s Melservo J5 Část 1.

23.01.20248 minut čtení

Průmysl je místem neustálého rozvoje a evoluce, přičemž klíčovým prvkem jsou řešení pohonu, zejména servopohony. Servosystémy jsou nedílnou součástí pokročilých moderních strojů a zařízení, poskytující přesnou kontrolu a provozní výkon.

Úvod

V tomto článku představíme hlavní trendy v oblasti řešení pohonu a ukážeme, jak společnost Mitsubishi Electric reaguje na tyto změny představením nejnovější série servopohonů - MR-J5. Představíme, jak nové technologie mění výkonnostní a bezpečnostní standardy v průmyslu a jaké výhody přinášejí výrobcům strojů a uživatelům. Nakonec se dozvíme, proč jsou servopohony stěžejním prvkem budoucnosti průmyslu a proč stojí za to podrobněji se podívat na naše řešení, která vedou k těmto revolučním změnám.


Každý průmyslový trend je popsán v samostatné kapitole. První část článku se skládá z následujících sekcí:

  • Docílení přesnosti a efektivity
  • Bezpečnost strojů a zařízení
  • Použití různých síťových protokolů v rámci stejné aplikace
  • Zmenšení velikosti stroje

Docílení přesnosti a efektivity

Abychom stručně přiblížili hlavní cíl, kterého chce dosáhnout každý konstruktér průmyslových strojů, jedná se o "maximalizaci efektivity při minimalizaci nákladů". Tento logický přístup zdůrazňuje, že rychlejší stroj znamená větší produkci a následně vyšší zisky pro daný podnik. Tento trend se zejména v posledních letech stal patrným na polském trhu; byl způsoben zvýšenou konkurencí mezi výrobci strojů, která měla za následek vyšší poptávku po výkonných strojích. Podle studie společnosti Interact Analysis průmysl globálně vzrostl v roce 2021 o 21,6% a v roce 2022 o 9,1%. Předpovědi naznačují v nadcházejících letech průměrný roční růst 5,5%.

U společnosti Mitsubishi Electric jsme si tohoto trendu vědomi, a proto řada Melservo J5 nabízí jedna z nejkonkurenceschopnějších řešení pro efektivitu pohonu. Když však mluvíme o efektivitě, měli bychom se nejprve zeptat, jak lze efektivitu měřit? Jedním z nejdůležitějších faktorů, ovlivňujících efektivitu, bude čas odezvy smyčky rychlosti pohonu.

Čas odezvy smyčky rychlosti (často vyjádřený frekvencí) se měří časem, ve kterém trvá servopohonu seřídit rychlost na požadovanou hodnotu nebo změnit zatížení.

Čím kratší čas odezvy, tím je v provozu systému servopohonu lepší přesnost a efektivita. Řada MR-J5 se pyšní nejrychlejším časem odezvy smyčky rychlosti na trhu, a to 3,5 kHz – což znamená, že každá změna může nastat 3500krát za sekundu. Je však důležité poznamenat, že čas odezvy pohonu nutně neznamená, že můžeme měnit povel k pohybu ve stejném rozsahu, protože síť řídící výměnu dat má jistá omezení. CC-Link IE TSN umožňuje výměnu cyklických dat mezi pohonem a PLC každých 32,5 mikrosekund, čímž zajistí, že síťové rozhraní neomezuje pohon. Nyní víme, že efektivita stroje je ovlivněna prodlevou sítě a prodlevou pohonu. Dalším kritickým faktorem je motor jako výkonný prvek stroje. Řada MR-J5 využívá technologii PMSM (synchronní motor s permanentními magnety).

Podobné technologie používají i další výrobci servomotorů, ale my vynikáme použitým designem, který nám dává nepřekonatelnou výhodu ve výkonu. Schopnosti servomotorů lze nejsnáze reprezentovat parametrem, tzv. výkonovým poměrem. Lze jej také matematicky vyjádřit:

Výkon, který definuje schopnost pohonu dynamicky zrychlovat a zpomalovat, je klíčovým parametrem pro servomotory. Představuje poměr druhé mocniny jmenovitého momentu motoru k jeho momentu setrvačnosti.

Z grafu je patrné, že oproti jiným je naše řešení pohonu v průměru o 20 % efektivnější. To je výsledek více než 40 let zkušeností v konstrukci serva.

Obrázek znázorňuje spojení motoru se servozesilovačem v absolutním režimu

Další komponentou, která se podílí na výkonu servopohonu, je snímač. Každý z motorů řady MR-J5 obsahuje 26-bitový snímač (67 108 864 pulsů na otáčku) s více otáčkami o 16 bitech, který je napájen elektromagnetickou indukcí.

Vysoké rozlišení snímače umožňuje přesný nájezd do pozice a bezbateriové zachování pozice zajišťuje, že se absolutní pozice během vykonávání údržby několika málo součástí nikdy neztratí.

Bezpečnost strojů a zařízení

Bezpečnost v průmyslových zařízeních je nezbytností, jak pro pracovníky, tak pro samotnou společnost. Výrobci a koncoví uživatelé nyní čelí vyšším požadavkům než před několika lety. Úplné uzavření stroje, které omezuje kontakt uživatele pouze na servisní zásahy, není vždy možné. V daných aplikacích je zásah člověka nezbytně nutný a k tomu je třeba zajistit odpovídající bezpečnostní opatření.

Tuto záležitost nebereme na lehkou váhu, proto série MR-J5 přináší významné změny v otázkách bezpečnosti. Každý servozesilovač v sérii je dodáván standardně s 10 bezpečnostními funkcemi, které splňují normu SIL podle IEC 61508, a to včetně:

  • STO (Safe Torque Off)
  • SS1 (Safe Stop 1)
  • SS2 (Safe Stop 2)
  • SOS (Safe Operating Stop)
  • SBC (Safe Brake Control)
  • SLS (Safely-limited Speed)
  • SSM (Safe Speed Monitoring)
  • SDI (Safe Direction)
  • SLI (Safely-limited Increment)
  •  SLT (Safely-limited Torque)

Bezpečnostní funkce jako Safe Torque Off (bezpečnostní vypnutí momentu) nebo Safe Stop 1 (bezpečnostní zastavení 1) jsou známé a velmi používané, ale je nezbytné zvážit další, méně známé bezpečnostní funkce, jako je například Safely-limited Torque (bezpečnostní omezení momentu). Tato funkce umožňuje nastavit bezpečný limit pro točivý moment a zabránit tak neúmyslným zraněním, když například pohon stlačí ruku obsluhy. Kromě toho používání motorů s dodatečným bezpečnostním snímačem (k dispozici také v řadě MR-J5) umožňuje dosažení vyšších kategorií SIL.


Vývoj bezpečnosti rovněž inicioval další potřebu – odesílání bezpečnostních signálů přes Ethernetové sítě. Pohony MR-J5 jsou také standardně vybaveny touto funkcí. Bezpečnostní signály lze aktivovat nejen prostřednictvím vlastní sítě Mitsubishi Electric (CC-Link IE TSN), ale také prostřednictvím jiných sítí, jak je popsáno později v článku.

Příklad zapojení bezpečnostních zařízení v síti CC-Link IE TSN

Použití různých síťových protokolů v rámci stejné aplikace

V dnešním dynamickém průmyslovém prostředí, kde jsou efektivita a flexibilita zásadní, je stále častější potřeba používat různé komunikační protokoly a sítě v jednom zařízení. Rostoucí počet výrobců na trhu a zvýšená konkurence v řešeních činí obtížným spoléhat pouze na jeden síťový protokol. Tento úkol zdůrazňuje důležitost zařazení různých komunikačních protokolů a sítí do jednoho stroje.

Použití více-síťových rozhraní v jedné aplikaci

Výběr správné sítě často závisí na konkrétní aplikaci, požadavcích na šířku pásma, časech odezvy nebo (zejména v posledních letech) dostupnosti zařízení na trhu. Řada MR-J5 tyto požadavky splňuje podporou více-síťových protokolů.


Kromě podpory CC-Link IE TSN nabízejí naše servopohony také plnou kompatibilitu s protokolem EtherCAT.
Co to znamená?

Plná podpora ovladačů EtherCAT: MR-J5 se snadno propojí s ovladači pohybu podporujícími síť EtherCAT. To umožňuje, například, plnou synchronizaci pohonů v rámci sítě s cyklem 125 µs. Shoda se standardem CiA402 Drive Profile zajišťuje kompatibilitu s ostatními síťovými prvky a usnadňuje programování prostřednictvím kompatibility PLCopen.


Kompatibilita s komunikačními funkcemi CoE, FoE, EoE,
jmenovitě CANopen s EtherCAT, File s EtherCAT a Ethernet s EtherCAT. Každý protokol umožňuje využití různých síťových funkcí, jako je přenos souborů nebo dat, např. diagnostických dat. Řada MR-J5 vyhledává pro tyto protokoly i další aplikace, často nepodporované výrobci pohonů EtherCAT, jako je např. schopnost spouště automatické ladění servopohonu po síti (možné díky kompatibilitě s EoE).


Kompatibilita s Fail Safety over EtherCAT (FSoE)
. Jak bylo uvedeno v předchozí části, bezpečnost strojů a zařízení má v průmyslu prioritu. MR-J5 nabízí podporu FSoE, což umožňuje používat funkční bezpečnost přímo přes síť EtherCAT. To otevírá dveře pokročilým monitorovacím funkcím a nouzovým zastavením zabudovaným do našich řad pohonů bez nutnosti pevného kabelového připojení.

Zmenšení velikosti stroje

V dnešním průmyslu roste trend kompaktnějších řešení, která zabírají méně prostoru ve výrobním závodě. To vyplývá z potřeby maximalizovat využití dostupného prostoru a zároveň usilovat o snížení nákladů na výrobu a údržbu průmyslových strojů zvýšením jejich integrační flexibility a přizpůsobivosti stávající infrastruktuře. V této souvislosti se klíčovým aspektem návrhu stalo zmenšení rozměrů zařízení v aplikaci, a to jak v pracovním prostoru, tak v elektrické skříni.

Řada servopohonů MR-J5 byla vytvořena s cílem minimalizovat prostor, který pohonné zařízení zaujímá. Jak se vyřešily problémy spojené s kompaktností?

Zmenšení prostoru v elektrické skříni lze provést využitím více-osých zesilovačů (pro menší aplikace) nebo systémů sdílejících stejnosměrnou sběrnici. V případě použití tří-osých zesilovačů může zmenšení prostoru v rozvaděči dosáhnout až 40 % ve srovnání se standardním řešením.

Využití systémů společné stejnosměrné sběrnice
, jako je MR-J5D, umožňuje ještě větší úsporu prostoru díky modularitě zařízení a dostupnosti 2- a 3-osých zesilovačů v rámci systému. 50% redukce, kterou toto řešení zaručuje, umožňuje vměstnat do jedné elektrické skříně dvojnásobný počet pohonů, a tím je zmenšena polovinu.


Níže je uvedeno srovnání prostoru, který zabírají jedno-osé zesilovače ve srovnání s více-osými (například u pohonů o výkonu 400 W):


Srovnání prostoru, který zabírají jedno-osé zesilovače ve srovnání se systémem společné stejnosměrné sběrnice:

Kromě toho použití pohonů řady MR-J5D vede k dalším úsporám prostoru v rozvaděči. Potřeba pouze jednoho napájecího zdroje (převodník pro obnovu energie) pro celý systém snižuje počet ochranných zařízení pouze pro ochranu nainstalovaných před napájecím zdrojem.

Kromě toho stačí nainstalovat pouze jeden filtr rušení EMC/EMI. Nepochybně je menší elektrický rozvaděč značnou výhodou, ale často chybí prostor v pracovním prostoru aplikace. Jak se vypořádat s tímto problémem? Prostě instalujte menší pohony! Motory řady MR-J5 jsou dokonce o 40 % kratší než obdobná řešení dostupná na trhu. Použitá technologie konstrukce cívky a snímače umožňuje navrhnout jedna z nejkompaktnějších řešení na trhu.

Ploché typy motorů se používají v aplikacích, kde je velmi málo místa pro instalaci pohonu. Navíc díky zvýšené přírubě mají také zvýšenou setrvačnost rotoru, což je v některých případech umožňuje použít bez mechanické převodovky, čímž se dále snižuje potřebný instalační prostor. 

Stále nedostatek prostoru? Naštěstí jsou pohony řady MR-J5 vybaveny jediným konektorem kabelu, což znamená, že z každého pohonu vychází pouze jeden kabel. To značně snižuje množství kabeláže ve stroji; nejen že uvolňuje kabelové žlaby, ale také zkracuje a zjednodušuje proces instalace.

Srovnání délek motorů z portfolia společnosti Mitsubishi Electric, shora dolů: HG-KR z předchozí řady servopohonů MR-J4, HK-KT a HK-KT_U z řady MR-J5:


Témata

Servopohony