Енергоспестяващи производствени машини и оборудване

• По пътя към следващата промишлена революция машините вече са не просто изпълнители, а пълноценни партньори на индустриалните производители
  
  
• Енергията и данните – двете основни “разменни монети” на съвременната индустрия, се обединяват, за да създадат най-ценния бизнес актив за предприятията
  
  
• Възможностите за енергоспестяване при промишленото оборудване варират в широки граници в зависимост от дизайна, модела, типоразмера и предназначението

По пътя към следващата промишлена революция с фокус върху устойчивостта и колаборацията между хората и технологиите машините вече са не просто изпълнители, а пълноценни партньори на индустриалните производители. Днес целта им е не да заместват човека, а да допълват капацитета му в гъвкавото и надеждно разрешаване на множество комплексни задачи.

С приближаването към Industry 5.0 металообработващите системи, опаковъчното оборудване, роботите, двигателите, задвижванията, генераторите, компресорите, турбините, помпите, подемно-транспортните средства и всички други типове техника, която механизира и автоматизира извършваните някога ръчно от работниците дейности, трябва да отговорят на още по-високи изисквания за енергийна, ресурсна и оперативна ефективност в комбинация с изключителна прецизност и интелигентни функции. В последното поколение системи енергията и данните – двете основни “разменни монети” на съвременната индустрия, се обединяват, за да създадат най-ценния бизнес актив за производствените предприятия.

Машините в съвременните промишлени екосистеми

Модерните производствени екосистеми се състоят от множество усъвършенствани устройства, уреди и агрегати, които са свързани и комуникират помежду си, като същевременно генерират и обменят огромни количества данни с помощта на сензори от ново поколение. Тази изобилна и многопластова информация впоследствие се обработва и анализира чрез алгоритми с изкуствен интелект за целите на иновативни приложения, като прогнозиране на повреди, превантивна поддръжка, интелигентно ресурсно планиране, дигитализиране на дейностите по ремонтите и обслужването и гъвкаво изготвяне на производствени графици. Всичко това гарантира оптимизиране на продукцията, минимизиране на нежеланите престои и свързаните с тях разходи, както и значително удължаване на експлоатационния живот на оборудването.

За да бъде интегрирана в подобна високотехнологична мрежа, една машина е необходимо не само да бъде умна, компактна и високопроизводителна, но и енергоспестяваща. Морално остарелите промишлени “бегемоти” от миналия век, които поглъщат огромни количества енергия в замяна на посредствени резултати, си остават именно там, в миналото.

Съвременните металообработващи машини и центри и другите типове индустриално оборудване дават възможност на операторите да следят статуса, работните и енергийните им показатели в реално време. Чрез подобен мониторинг могат гъвкаво да бъдат коригирани различни отклонения и отстранявани разнообразни грешки и проблеми. Значителното оптимизиране на технологичните процеси също отчетливо намалява разходите за енергия и ненужните прекъсвания. Така генерираните от интегрираните в машините сензори и измервателни инструменти данни, които така и така са налични, се превръщат в ценен допълнителен бизнес актив. Той може не само да бъде “продаван” като добавена стойност от производителите на интелигентни машини от последна генерация, но и “отдаван под наем” чрез абонамент посредством иновативния бизнес модел на “машините като услуга” (Machine-as-a-Service, MaaS).

Възможностите за енергоспестяване при съвременното промишлено оборудване варират в широки граници в зависимост от дизайна, модела, типоразмера, класа енергийна ефективност и функционалното предназначение, а също и от използвания софтуер. В епохата на петата индустриална революция усъвършенствани възможности за икономия на енергия се залагат от производителите още на ниво проектиране, а високата енергийна ефективност на машините е функция на интегрираните в тях сензори, софтуерни модули за управление, енергиен мониторинг и мениджмънт. Благодарение на тези инструменти промишлените системи днес могат гъвкаво, динамично и интелигентно, а често пъти и автономно, да се адаптират към различни производствени програми, графици, среди, работни условия и норми по отношение на производителността. Основен акцент е и редуцирането на загубите на ресурси – енергия, технологични флуиди, материали, смазочно-охлаждащи течности и т. н. Така съвременните машини отговарят на нарастващите изисквания за устойчивост и екологична пригодност, пред които е изправена индустрията в борбата с климатичните промени.

Сред основните стратегии за повишаване на енергийната ефективност в предприятията с цел реализиране на икономии на средства и намаляване на въглеродния отпечатък, са: провеждане на енергийни одити, инвестиране в енергоспестяващи машини и оборудване, прилагане на стратегии за интелигентно производство, прогнозен анализ и превантивна поддръжка, оптимизиране на технологичните процеси, интегриране на възобновяема енергия и др.

Аспекти във връзка с дизайна

Днес вече отдавна не е достатъчно една машина да бъде бърза, прецизна и производителна, за да се превърне в предпочитан избор за даден цех или дигитализирана фабрика. Поддържането на добър коефициент на полезно действие при приемливо качество на продукцията отново е остарял принцип, принадлежащ на миналото. В наши дни също толкова важно изискване е даденото оборудване да предлага адекватни възможности за енергоспестяване в сравнение с пазарните си аналози от същия бюджетен клас. За да подкрепят нарастващия ангажимент на индустриалните предприятия и едновременно да редуцират разходите и вредните емисии от дейността си, производителите на машини за металообработка, опаковъчни системи, помпи, компресори, генератори, турбини, подемни и транспортни системи и т. н. залагат на нов набор от принципи по отношение на дизайна. В гамите им често се обособяват отделни специализирани фамилии, линии и/или поколения системи с етикет “енергоспестяващи” или “енергийноефективни”. Проектирането на една такава машина изисква стратегическо селектиране на оптималните конструкции, компоненти, работни принципи и технологии. Ключова роля в дизайна на високоефективното оборудване имат системите за управление и средствата за автоматизация, които позволяват икономии на енергия и разходи не само във фазата на експлоатация, но и през целия жизнен цикъл на оборудването.

Енергоспестяването вече не е функция или режим, а присъща характеристика на дизайна, която е реално измерима, контролируема и регулируема в зависимост от приложението. Най-често тя е свързана с “електрифициране” на всички възможни аспекти и елементи на системата и оптимизиране на синергията между тях. Проектантите днес избират сервоуправляеми, директно задвижвани и високоефективни електродвигатели в подходящ типоразмер като алтернатива на други типове задвижващи технологии, включително хидравликата и пневматиката. Комбинират ги с иновативни честотни инвертори/регулатори, за да създадат възможности за гъвкаво управление на потреблението на енергия според натоварването. Безпроблемната им работа изисква още подбиране на специални контактори и защитни устройства, залагане на подобрени технологии за охлаждане и ефективно отвеждане на топлината при корпусите и т. н.
Ключови елементи на енергоспестяващите производствени машини и оборудване са още усъвършенстваната силова електроника, микропроцесорните управления, както и иновативните технологии за регенеративно спиране. При последните е възможно възстановяване на вече отработена енергия и връщането й към системата за повторно използване.

Критичен аспект от дизайна на всяка енергоспестяваща машина в наши дни, разбира се, е и автоматизацията. С правилната технология и/или платформа за управление на движението, подходящи контролери и инструменти за мониторинг и автоматизиране на работните операции, както и избор на адекватни решения за човеко-машинен интерфейс могат да бъдат постигнати изключително енергоспестяващи и същевременно високопроизводителни и прецизни концепции. “Гръбнак” на един такъв дизайн е подходящата архитектура за автоматизация с правилно конфигурирана логика, на чиято база впоследствие се правят и вторичните избори във връзка с компонентите.

Производствени и потребителски подходи и стратегии

Подходите за повишаване на енергийната ефективност и подобряване на възможностите за енергоспестяване не са свързани само с дизайна, но и с експлоатацията на оборудването. Автоматизацията най-често попада в групата стратегии от страна на производителите, но тя може да бъде прилагана и от потребителите – предприятията, като отделна инвестиция и допълнителна мярка за оптимизиране на производителността и редуциране на енергийното потребление. Пазарът предлага множество възможности за функционално надграждане на съществуващи машини и линии със системи и роботи за автоматизирана смяна на инструменти, зареждане и разтоварване на заготовки и други типове подобни конфигурации. Така със сравнително малко капиталовложение на фона на очакваните ползи в дългосрочен план цеховете могат да постигнат впечатляващи резултати по отношение на енергоспестяването. Те стават възможни благодарение на съкращаване на времето за извършване на дадени задачи и съответно периодите на изчакване, престой или работа на празен ход на машината. Друга полза е опростяването на работните траектории и елиминирането на дадени етапи от технологичния процес, например прехвърлянето на един и същи детайл през повече на брой работни станции.

Икономии на енергия от престоя на машината в периодите между отделните работни цикли, необходими за смяна на заготовката или инструмента, могат да бъдат реализирани и чрез конфигурации, при които едновременно се манипулира с два детайла – единият се обработва, докато другият се подготвя, фиксира, довършва или разтоварва от машината.

Потребителите могат да заложат и на друг иновативен подход – комбиниране на две отделни машини в обща технологична линия със споделени периферни устройства, например управление, охлаждане, хидравлика и т. н. Една такава споделена конфигурация консумира значително по-малко енергия от две цели окомплектовки. По-нататъшни спестявания на енергия и разходи се постигат чрез т. нар. мултифункционални системи. При металообработващото оборудване тази роля най-често изпълняват обработващите центри, които могат да извършват различни операции за изработката на желаното изделие – от многоосно отнемане на материал, например чрез фрезоване, до довършителни дейности като полиране – с едно захващане. Пазарът предлага и т. нар. хибридни центри, които съчетават конвенционалната механична обработка чрез отнемане на материал с лазерна, както и с адитивно производство с цел изработване на готово изделие “от нулата” в рамките на един-единствен цикъл. Понеже тези системи традиционно са високоспециализирани, те обикновено подлежат и на детайлно персонализиране според потребностите на приложението, а максималното енергоспестяване е водещ приоритет.

Важна роля в контекста на енергийната ефективност и устойчивостта на индустриалното оборудване от последно поколение играе и софтуерът. Производителите разработват както патентовани фирмени платформи, предназначени за работа с конкретна серия или фамилия машини, така и универсални решения с отворена архитектура, които могат да бъдат адаптирани към потребностите на модели от различни брандове. Богатият функционален инструментариум на тези решения неизменно включва модули за мониторинг, управление и документиране на енергийното потребление – както самостоятелно, за нуждите на вътрешен или регулаторен одит, така и холистично, в по-широкия контекст на ресурсното планиране и производственото изпълнение.

Изборът на оптимален софтуер за тази цел включва задълбочен анализ на конкретното приложение и избраната за изпълнението му машина, както и на интегрираните в нея възможности за събиране на данни – сензори, измервателни уреди и устройства. Посредством такъв продукт могат да бъдат конфигурирани, автоматизирани и оптимизирани с времето (например с помощта на изкуствен интелект и машинно самообучение) различни функции, режими и програми. Такива са: известия при влошаване на работните и/или енергийните характеристики, аларми за грешки и аварии, опции за стартиране, изключване или смяна на режима по график или при определено събитие, препоръчителни мерки за енергоспестяване, обслужване и т. н.

Преимущество на специализирания софтуер за управление на металообработващо оборудване са и “помощниците” за оптимизиране на работната траектория, ъгъла на заход на инструмента, честотата и продължителността на смазването, охлаждането, стружкоотвеждането и други параметри на машинната конфигурация, чрез които могат да бъдат постигнати не само по-висока прецизност и производителност, но и значителни икономии на енергия.