Задвижвания – последни технологични тенденции

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 8/2021 • 24.11.2021

Съвременните двигатели и задвижвания стават все по-мощни, компактни и ефективни

Новаторски комуникационни концепции като IIoT качествено надграждат възможностите им за управление и експлоатация

Нараства търсенето на по-лесни и интуитивни за използване решения с усъвършенствани функции за персонализиране и интеграция

Светкавичните темпове, с които съвременната индустрия възприема всяко следващо поколение технологични иновации в хода на четвъртата промишлена революция, задължават производителите на задвижвания неотлъчно да следват последните тенденции, за да запазят конкурентните си позиции. В резултат на този динамичен процес съвременните решения за задвижване стават все по-мощни, компактни и ефективни, а новаторски концепции като IIoT качествено надграждат възможностите им за управление и експлоатация. В настоящата статия ще направим детайлен обзор на направленията в развитието на индустриалните задвижвания, които пазарните анализатори определят като водещи, както и на някои от най-интересните им прогнози за бъдещето на системите в този сегмент.

 

По-мощни, интегрирани и безопасни

Макар пазарът на промишлени мотори и задвижвания в наши дни да търпи множество сътресения вследствие на пандемията и други икономически фактори, влияещи негативно върху веригите на доставките, няколко водещи технологични тенденции обещават да се превърнат в “двигатели” на бъдещия пазарен ръст. Сред тях са търсенето на по-лесни за използване решения, опциите за персонализиране и възможностите за интеграция, сочи актуално проучване на сп. Control Design, базирано на допитвания до представители на някои от водещите компании производители на индустриални задвижващи системи.

Експертите, взели участие в анкетата, определят като най-значима посоката на развитие към по-интуитивни и клиентски ориентирани технологии, които активно направляват потребителя през целия процес на първоначална настройка. Подобна функционалност тепърва предстои да се наложи при сервосистемите, поясняват анализаторите. А пионерите сред производствените предприятия, които успеят да предложат оптимален баланс между богат набор от възможности и лесно конфигуриране и управление, със сигурност ще спечелят допълнителни точки в тази конкурентна надпревара.

По-малките и леки компоненти са ключови в редица приложения, включително в мобилната роботика и портативното медицинско оборудване. Тази тенденция поставя поредната доза високи изисквания пред разработчиците, които са изправени пред и без това сложното предизвикателство да създадат компактно поколение задвижвания, осигуряващо същата или по-голяма мощност в умален корпус и то в съчетание с функции за по-прецизно управление на движението. Нараства търсенето и на интегрирани функции за безопасност като аварийно спиране, режими на безопасна скорост и позициониране – в добавка към стандартизираната възможност за безопасно спиране на въртящия момент (safe torque off, STO), която отдавна се предлага при голяма част от моделите. Този набор от функции е задължително условие при производството на новата генерация машини, покриващи по-високи стандарти за безопасност (до степен/категория SIL3/Ple).

Сред водещите технологични тенденции при задвижванията, обобщени от анализаторите, е и все по-целенасоченото пазарно търсене на специализирани решения за конкретни приложения. Типични примери са моделите за помпено оборудване за питейни и отпадъчни води, ОВК системи, елеватори и кранове. Инвестицията в специално проектирано за целта решение създава по-голяма доза увереност у потребителите, които са убедени, че така могат да разчитат на оптимизиран хардуер, фърмуер и техническа документация, отговаряща точно на приложната област.

Много производители на оригинални компоненти за машини (ОЕМ) биват натоварени със задачата да разработят нови, по-компактни, бързи и интелигентни продуктови линии, адекватно покриващи изискванията на водещите съвременни автоматизирани приложения. Сред тях са умните складове и логистични центрове, чийто брой непрекъснато нараства с бума на електронната търговия. В допълнение към динамично променящите се пазарни условия идват и настойчивите очаквания на клиентите развойният цикъл на даден модел да отнеме минимално количество време, например няколко месеца, вместо няколко години. Тези фактори тласкат производителите на оригинално оборудване към разработването на двигатели и задвижвания с опростен процес на проектиране, каквито са например системите, които интегрират все по-голям брой хардуерни и софтуерни функции в единно решение. Примери са двигатели с вградено задвижване и управляваща електроника, интегрирани комбинации от двигатели и задвижвания с интегрирани функции за безопасност и задвижвания с вградена Industrial Ethernet свързаност за директна връзка към машинната мрежа.

 

Иновациите трансформират сегмента

Маркетолозите отбелязват, че сред най-генералните пазарни тенденции е търсенето на все по-гъвкави машини, които могат бързо да се адаптират към различни продуктови програми и партиди с различен обем, като позволяват производството на персонализирани изделия в малки и дори единични серии. Сервозадвижванията и серводвигателите са основни градивни блокове на това ново поколение машини, което разкрива огромен потенциал пред производителите в редица промишлени отрасли.

Базовата производителност на променливотоковите задвижвания остава непроменена, но приложенията и възможностите им непрекъснато се увеличават. Чрез добавяне на функции за IIoT свързаност, тези устройства осигуряват по-прецизно управление, по-безопасна работа и повишена процесна ефективност, редуцирайки оперативните разходи и консумацията на енергия. Клиентите търсят решения за своите промишлени устройства, които са по-гъвкави и по-лесни за използване.

Същевременно наблюдаваме нарастващ брой на приложенията, в които задвижванията с променлива честота (VFD) могат да осигурят конкурентни предимства, тъй като потребителите стават все по-запознати с инверторната технология, отбелязват експертите. Вземайки предвид усъвършенстваното управление и ефективност, които съвременните VFD системи предоставят, специалистите очакват този ръст в търсенето им да се запази устойчив и през идните години.

Друга ключова технология, дефинираща посоките на развитие при индустриалните двигатели и задвижвания, е роботиката. Роботизираните системи намират все по-масово приложение в големите промишлени халета и дистрибуционни центрове, но прогнозите твърдят, че в рамките на следващото десетилетие те постепенно ще завладеят и транспорта под формата на полу- и изцяло автономни превозни средства. Очаква се тази повсеместна технологична трансформация да породи множество позитивни ефекти по отношение на пътната безопасност, ефективността и екологичната пригодност. Роботите играят важна роля в прилагането на стратегиите за зелен, интелигентен и интегриран транспорт, а двигателите и задвижванията в сегмента ще отговорят на прогнозния ръст в приложенията чрез нов еволюционен скок във функциите и възможностите, убедени са пазарните анализатори.

Съществено поле за технологично развитие при съвременните индустриални задвижвания дава и съвременното селско стопанство. В този доста напреднал в техническо отношение сектор непрекъснато се увеличава търсенето на безпилотни трактори и друго моторно земеобработващо оборудване, роботизирани системи за изпълнение на различни дейности като жътва и прибиране на реколтата, подрязване, плевене, наблюдение от въздуха, сортиране, засяване, пръскане, обработка на насипни материали и т. н. В решенията от сегмента намират приложение усъвършенствани сензори и хардуерни компоненти, както и технологии за работа в мрежа и високопрецизна локализация.

 

Ролята на IIoT

С налагането на индустриалния Internet of Things (IIoT) като водещ комуникационен стандарт в промишлената автоматизация оперативната съвместимост въз основа на отворени платформи се превръща по-скоро в правило, отколкото в изключение. Ръстът в IIoT приложенията налага интегрирането на повече гъвкавост и възможности за свързаност във всеки компонент, включително в задвижванията. Машиностроителите се опитват да извлекат максимално много ползи от IIoT чрез подобрения на ниво продукт и добавена стойност за клиентите. OEM производителите от своя страна настояват за задвижващи системи, които функционират безпроблемно както в стандартни, така и в персонализирани конфигурации и са способни да комуникират с множество различни мрежи и платформи.

Бързите темпове на дигитализация в производството изискват от двигателите и задвижванията да могат да се свързват директно с останалите машинни компоненти. Колкото по-скоро тези системи бъдат снабдени с възможности за работа под всички налични комуникационни протоколи, толкова по-бързо IIoT ще достигне етап на масово внедряване в автоматизираните приложения, обясняват специалистите. И тъй като крайните потребители вземат окончателното решение за това кои мрежови протоколи да използват в производствата си, отговорността да им предоставят оборудване, което е съвместимо с тези протоколи, пада върху производителите на машини. Доставчиците на двигатели и задвижвания с поддръжка за най-широк набор от мрежови опции – включително Profinet, EtherCAT, EtherNet/IP, Modbus, IO-Link и MQTT – могат да предложат на OEM компаниите различни предимства по отношение на мрежовите изисквания на крайните потребители. Една универсализирана гама от двигатели и задвижвания, които работят еднакво ефективно във всяка индустриална Ethernet мрежа например, прави процеса по избор на продукти много по-лесен.

В основата на Industry 4.0 стоят големите обеми данни и тяхното непрекъснато събиране от всяко възможно устройство, а обработката, анализът и съхранението им все по-често се прехвърлят към специално създадени за целта облачни платформи. Лесният достъп от всяка точка до информацията, събрана от сервоустройствата в експлоатация предлага на промишлените предприятия множество допълнителни конкурентни предимства. За да им осигурят такива възможности, производителите на свързани двигатели и задвижвания се нуждаят от две относително прости технологични решения. Първото прави възможно споделянето на данни посредством крайно устройство, което извлича данните от интелигентните компоненти и ги изпраща към сървъра на клиента. Второто е свързано с осигуряване на достъп до данните на ниво полево устройство. Сервозадвижванията например могат да споделят информация за въртящия момент и скоростта на двигателя, която би могла да бъде ефективно използвана за прогнозен мониторинг и превантивна диагностика и поддръжка.

Оказва се, че IIoT не е резервирана само за най-напредналите производствени платформи технология. Комуникационна свързаност с цел трансфер на критична информация от устройствата може бъде постигната и чрез своеобразен ретрофит на по-старите системи по стандартите на Индустрия 4.0. Анализът на данни от свързани компоненти като честотните задвижвания дава много по-добра цялостна представа за работата на машините и технологичните процеси, отбелязват експертите.

Така чрез интегрирането на модерни VFD устройства в съществуващи производствени системи потребителите получават възможността да извличат големи обеми ключова оперативна информация от оборудването, каквато не е било възможно да бъде събирана и обработвана преди това. Дигитализацията в индустрията дава поле за непрекъснати технологични подобрения и модернизации, но едно такова сравнително просто допълнение към производственото оборудване може значително да спомогне за ускоряване на прехода към четвъртата промишлена революция и да гарантира нови нива на прозрачност за потребителите.

 

Технологиите преди и сега

Преходът към комуникация посредством мрежи на ниво машина всъщност е само началото на технологичната трансформация. Следват подобрения на хардуерно ниво в интерфейсите между програмируемите логически контролери и честотните задвижвания посредством допълнителни блокове памет в обмена на данни.

Съвременните VFD устройства могат да разполагат с набор от 400 или дори повече програмируеми параметри. Възможностите за достъп до настройките им през машинната мрежа се основават именно на такъв мрежов интерфейс, който осигурява връзка със самото софтуерно приложение за конфигуриране.
Както във всички останали сегменти на индустриалната автоматизация, по-високата производителност в по-малък корпус, съчетана с непрекъснато усъвършенстване на функциите за конфигуриране и комуникация при стъпковите и серводвигатели също води до отчетлив ръст в приложенията им в дигитализирани платформи. Сред ключовите иновации при сервоустройствата се оказват именно управлението с отворен контур и стъпковото управление.

С помощта на сензори и известен контрол върху скоростта и ускорението може да се постигне много, но без обратна връзка ролята на управлението с отворен контур се изчерпва дотук. Интегрирането на честотни задвижвания в мрежата на ниво машина създава възможности за използване на линейни или ротационни енкодери за предоставяне на обратна връзка по отношение на позицията, което се явява своеобразен метод за частично затваряне на цикъла. Макар теоретично подобна конфигурация да не представлява същинско управление със затворен контур, опцията за използване на енкодери вместо цифрови сензори създава достъпен начин за оползотворяване потенциала на VFD устройствата в прецизното управление на движението.

През последните няколко години придоби популярност и друг метод за управление посредством VFD решения. Вследствие комерсиализацията на технологията на пазара се появиха продукти от ново поколение, размиващи границите между честотните и сервозадвижванията. На практика те представляват задвижващи системи с променлива честота, които приемат обратната връзка от енкодера директно в полевото устройство. Така самият контрол на движението се измества на ниво устройство, вместо да се използва PLC алгоритъм за приблизително управление със затворен контур. Продуктите в този сегмент са на далеч по-достъпни цени от сервозадвижванията, но реално използват същия набор от контролни команди.

 

Как би изглеждало бъдещето?

Водещите производители на двигатели и задвижвания, участвали в допитването на сп. Control Design, се обединяват около тезата, че ключовите Industry 4.0 технологии като изкуствен интелект и машинно самообучение ще изиграят фундаментална роля в развитието и на модерните задвижвания в промишлената автоматизация. Потребителите вече очакват от всяко устройство да притежава интелигентни функции, но самоцелното им интегриране само по себе си не води до сериозен технологичен напредък, смятат експертите. Истинските победители в надпреварата ще бъдат тези производствени компании, които успеят да впрегнат иновации като машинното самообучение в събирането на данни за производителността от честотните задвижвания в реално време. Възможностите за автоматизирано адаптиране на работните параметри и процеси “в движение” на база събраната информация ще се окажат реалното печелившо предимство пред конкуренцията.

Сред останалите технологични тенденции, които се очаква допълнително да оформят бъдещия облик на задвижванията в умните фабрики, са все по-богатата интегрирана функционалност, т. нар. “зелена електрификация”, както и усъвършенстваните опции за персонализиране, обобщават специалистите.

Те очакват устойчив ръст в приложенията на линейни задвижвания и системи в микроелектрониката, разработката на лекарствени продукти, естествените науки и прецизната автоматизация. Водещите посоки на развитие при линейната техника отново ще бъдат свързани с подобряване на интелигентните функции и възможностите за създаване на персонализирани продукти съгласно изискванията на конкретното приложение и заданието на клиента.

Пазарните анализатори прогнозират ръст в използването и на интуитивни уеб базирани платформи за избор и комбиниране на компоненти, които дават пълна свобода на ОЕМ производителите при проектирането на персонализирани решения. Мобилните и онлайн приложения за оразмеряване и селекция, генериране на CAD модели, конфигуриране на нестандартни продукти според персоналните потребности, както и тяхната поръчка и доставка ще осигурят водещи пазарни позиции на компаниите, които съумеят да предложат и поддържат такава функционалност за клиентите си. Огромна роля в дигитализацията на задвижванията е отредена и на цифровите двойници, които се очаква да превърнат виртуалното онлайн програмиране на системите за управление на движението в проста ежедневна практика, достъпна за всеки желаещ, вярват още специалистите в бранша.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top