Serwonapędy umożliwiają wykonywanie ruchów obrotowych oraz liniowych w aplikacjach, gdzie wymagana jest duża dynamika działania, precyzyjne pozycjonowanie i częste zmiany szybkości ruchu. Mogą one również realizować obroty z zadaną prędkością i o określony kąt, a także utrzymywać ustaloną pozycję. Stąd też rozwiązania Motion Control stosowane są w wielu maszynach precyzyjnych, w systemach wykonujących złożone ruchy (np. obrabiarkach), a także wszędzie tam, gdzie konieczna jest synchronizacja pracy wielu osi.
Branża związana z produkcją i dystrybucją omawianych produktów przeżywała w ostatnich latach zmiany podobne, jak miało to miejsce w przypadku innych sektorów rynku automatyki przemysłowej. W momencie wystąpienia pandemii dynamicznie spadło zapotrzebowanie m.in. na maszyny produkcyjne, zmniejszył się popyt ze strony branży motoryzacyjnej, lotniczej oraz meblowej – w efekcie również w sektorze serwonapędowym wystąpiło spowolnienie. Było ono jednak tymczasowe, zaś rynek ten szybko powrócił do wzrostów. Zdaniem wielu dostawców w szczególności w 2021 roku obserwować tu można było ogromne zwiększenie popytu przy jednoczesnym wydłużeniu się czasów dostaw oraz wzroście cen. Dzisiaj sytuacja jest już bardziej stabilna, choć nadal z pewną dominacją strony popytowej.
Rosnąca popularność i powszechność serwonapędów
Rozpoczynając badanie ankietowe, zapytaliśmy dostawców o rozwój, stan oraz perspektywy rynku. Zapytaliśmy również o to, jak wygląda dzisiaj popularność i możliwości stosowania serwonapędów w odniesieniu do aplikacji, gdzie dotychczas używane były tradycyjne napędy i silniki elektryczne. Poniżej przedstawiamy zestawienie wybranych komentarzy.
Branża związana z serwonapędami rozwija się, zaś popularność tych urządzeń rośnie. "Serwonapędy stały się dużo popularniejsze, ponieważ tworzone rozwiązania są coraz bardziej inteligentne i precyzyjne. Znajdujemy się w procesie ciągłego wzrostu popularności serwonapędów, istnieje ogromna liczba miejsc, gdzie znajdą one zastosowanie. Jesteśmy jeszcze na wczesnym etapie rozwoju tego rynku", komentuje ten temat Łukasz Tomaszek z firmy Multiprojekt Automatyka. "Dziś w miejscu, gdzie powinno stosować się serwonapęd ze względu na wymagania aplikacji, używany jest właśnie serwonapęd. Nikt już nie próbuje rozwiązań zastępczych. Wynika to z dostępności i kosztów tych urządzeń oraz coraz większej wiedzy inwestorów i integratorów", uważa Michał Jurek z ANIRO. Również zdaniem innych wypowiadających się osób, m.in. z SEW-Eurodrive Polska, mamy do czynienia z rosnącą popularnością serwonapędów, co wynika z konieczności poprawy efektywności produkcji i rosnących wymagań ekologicznych. Serwonapędy niewątpliwie stają się też coraz bardziej dostępne cenowo – gdy porówna się je ze standardowymi napędami AC.
Jeżeli chodzi o drugi z wymienionych tematów, tj. porównanie branży serwonapędowej z tą związaną z klasycznymi napędami elektrycznymi, to pojawiło się tu sporo odpowiedzi wskazujących na daleko idącą popularyzację urządzeń serwo. Takich wskazań było więcej niż w poprzednich edycjach raportów. "Serwonapędy są równie popularne jak przemienniki częstotliwości AC, a ich zastosowanie zależy od specyfiki aplikacji. Ponadto w wielu systemach zawierających oba rozwiązania skutecznie mogą one pełnić funkcję napędów silników indukcyjnych, dzięki czemu można odzyskać część energii (wspólna szyna DC z serwonapędami) oraz zunifikować sprzętowo aplikację", komentuje ten temat Tomasz Trojanowski, przedstawiciel RAControls.
Zdaniem Marcina Sroczyńskiego z Mitsubishi Electric Europe rozwiązania serwonapędowe w części aplikacji wypierają silniki krokowe oraz typowe przemienniki częstotliwości. Powodem tego jest fakt, że "produkcja przemysłowa wymaga krótkoseryjności i zmienności – serwonapędy zapewniają tu dużą elastyczność i możliwość prostego, szybkiego przezbrojenia". Z kolei Joanna Sławińska-Tupaj z firmy WObit dodaje, że "z uwagi na spadek cen popularność serwonapędów rośnie i w wielu przypadkach silniki indukcyjne z falownikiem są wypierane, bo za niewiele większy lub podobny koszt można mieć dużo prostsze (pod względem utrzymania parametrów) rozwiązanie". Można też stwierdzić, z czym jest zgodny respondent z MPL System, że serwonapędy coraz częściej wypierają siłownikowe napędy pneumatyczne – "szczególnie dzięki wprowadzaniu przez renomowanych producentów na rynek serwonapędów tańszych o uproszczonej funkcjonalności".
Do tematu odnoszą się też przedstawiciele innych firm. "Serwonapędy stają się coraz popularniejsze i, ze względu na ich zalety w aplikacjach wymagających dużej precyzji oraz dynamiki, będą coraz częściej zastępować przemienniki częstotliwości. Rynek z roku na rok jest coraz bardziej dojrzały, stabilny", mówi Mateusz Pijanowski z firmy ASTOR. "Aktualnie serwonapędy są chętnie wybieranym rozwiązaniem do aplikacji wymagających precyzji i szybkości. Tam, gdzie nie chodzi wyłącznie o cenę komponentów, wybierane są serwonapędy zamiast sterowania z przetwornicami AC i prostym pozycjonowaniem" – to z kolei opinia Tomasza Śliwakowskiego, przedstawiciela firmy Amtek.
W odpowiedziach pojawiło się też kilka komentarzy o nieco innym wydźwięku. "Silniki serwo wypierają tradycyjne silniki asynchroniczne w wielu branżach, ale ze względu na ich wysoki koszt dla dużych mocy pozostaną popularne głównie w branży maszynowej, a przez to napędy serwo nie będą raczej tak popularne, jak obecnie są przemienniki AC" – to jedna z takich opinii. Podobnie wypowiada się Maciej Petela z firmy HYDAC, który stwierdza, że "na obecnym etapie popularność serwonapędow ustępuje miejsca rozwiązaniom opartym na typowych przemiennikach częstotliwości. Głównym powodem jest cena i jej stosunek do korzyści. Ale tendencja jest jasna – jest nią coraz bardziej powszechne stosowanie serwonapędów". Można mieć pewność co do tego, że postępujący rozwój aplikacji pod względem zaawansowania wymusza stosowanie coraz bardziej rozbudowanych systemów automatyki, w tym również do sterowania ruchem – stwierdza Arkadiusz Sulenta, przedstawiciel firmy Elmark Automatyka. Jednocześnie dodaje: "w najbliższych latach rozwój rynku zachodniego (m.in. implementacja Przemysłu 4.0) wymusi na polskich producentach stosowanie bardziej zaawansowanych układów sterowania ruchem, co znajdzie przełożenie we wzroście zainteresowania serwonapędami".
My natomiast możemy podsumować, że rynek jest zróżnicowany i taki w kolejnych latach z pewnością pozostanie. Technika serwonapędowa staje się dla polskich odbiorców coraz bardziej dostępna, a omawiane urządzenia są stosowane coraz częściej – i jest to niewątpliwie trend długoterminowy.
Maszyny wieloosiowe oraz systemy automatyzacji
Aplikacje serwonapędów obejmuje sporą i różnorodną grupę zastosowań. Według respondentów najnowszej, ostatniej ankiety najczęstszymi są te związane z synchronizacją osi, czyli zapewnianiem skoordynowanego ruchu obrotowego wielu elementów. Dotyczyć ona może w najprostszym przypadku dwóch osi lub jednej osi i systemu automatyki czy robota, ale też, co stanowi przykład biegunowo inny, kilkudziesięciu, a nawet kilkuset osi. Drugą z grup typowych aplikacji stanowią te, gdzie następuje odcinanie partii materiału będących w ruchu, co realizowane jest w systemach latająca piła / latający nóż. Ma tu znaczenie synchronizacja pracy elementu odcinającego z napędem odpowiedzialnym za liniowy przesuw materiału. Trzecim z popularnych zastosowań jest pozycjonowanie elementów, co wykorzystywane jest m.in. w maszynach oraz robotach. Częstym zastosowaniem systemów serwonapędowych jest też praca jako krzywka elektroniczna, czyli możliwość wykonywania kompleksowych przebiegów ruchu w urządzeniach pracujących cyklicznie. Pojawiła się także grupa odpowiedzi związana z aplikacjami w maszynach CNC oraz generalnie pracą w systemach pick & place (rys. 1).
Grupując omawiane zastosowania pod względem typów maszyn, na początku należy wskazać maszyny wieloosiowe, a więc te najbardziej zaawansowane, gdzie zachodzi konieczność synchronizacji prędkości i pracy wielu osi (rys. 2). Na nieodległym miejscu znalazły się różnorodne systemy automatyki, a na kolejnym prostsze maszyny. Do tych ostatnich serwonapędy trafiają coraz częściej, co wynika z ich rosnącej dostępności, szczególnie cenowej.
Krajowy rynek serwonapędów
Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na serwonapędy rośnie też wartość rynku z nimi związanego. W poprzednich badaniach branży, które publikowaliśmy w APA w zeszłej dekadzie, jako średnie wartości omawianego sektora podawaliśmy kwoty od 50 do 90 mln zł. Na koniec, w raporcie z 2020 roku, wartość krajowego rynku serwonapędów, serwosilników i pokrewnych produktów oszacowana została przez respondentów na kwoty od około 50 do 200 mln zł rocznie, zaś wyliczona przez nas średnia wyniosła około 100 mln zł.
Wyniki bieżącego badania wpisują się w obserwowany trend wzrostowy. Tym razem uśrednienia odpowiedzi respondentów wyniosły od 110 do 125 mln zł (zależnie od ujęcia w próbie wartości skrajnych). Typowe oszacowania podawane w ankietach zawierały się natomiast w przedziale od 50 do 250 mln zł. Na wartość sprzedaży składa się dostarczanie produktów przede wszystkim do producentów maszyn, klientów końcowych oraz integratorów systemów (rys. 3). Dominacja producentów maszyn w tym obszarze jest właściwie stała, natomiast warto też zauważyć – porównując to z poprzednimi raportami – wzrost w przypadku drugiej z kategorii, tj. odbiorców końcowych.
W tym miejscu proponujemy spojrzenie na dwie dodatkowe statystyki. Pierwsza dotyczy koniunktury na rynku, która jest obecnie oceniana jako dobra lub bardzo dobra (rys. 4). W bieżącym badaniu jedynie 4% respondentów określiło ją jako słabą, zaś ogólne oceny sytuacji są lepsze niż jeszcze dwa lata temu. Ewidentnie branży niespecjalnie zaszkodziła pandemia, a na pewno pomogły jej wzrosty odnotowywane w 2021 roku.
Z drugiej strony omawiany sektor staje się coraz bardziej konkurencyjny (statystyka na rys. 5). O ile kilka lat temu typowo 60‒70% respondentów szacowało konkurencję w tym obszarze rynku jako silną, zaś reszta uznawała ją za standardową, o tyle w ostatnim okresie było to o kilka p.p. więcej – dokładniej 72% w 2020 roku i 78% obecnie. W branży działa wielu dostawców produktów markowych, są tu też firmy oferujące rozwiązania ekonomiczne, zaś w funkcje serwonapędowe wyposażane są coraz częściej standardowe napędy elektryczne. W efekcie tego, a także wzrostu zapotrzebowania ze strony odbiorców, konkurencja na rynku wzrasta.
Dostawcy serwonapędów
Serwonapędy, serwosilniki i pokrewne produkty dostarczane są zazwyczaj przez firmy specjalistyczne, którymi są oddziały producentów oraz dystrybutorów branżowych. Takich podmiotów w tabelach raportowych przedstawionych zostało około 30 i oferują one szeroki asortyment urządzeń, zazwyczaj wykraczających poza technikę serwonapędową. Dostarczane przez nich produkty pochodzą przede wszystkim z dwóch obszarów – z krajów europejskich, co dotyczy firm takich jak Siemens, Lenze, Bosch Rexroth, SEW-Eurodrive i B&R (obecnie ABB), a także z Dalekiego Wschodu. W tym przypadku jest to głównie Japonia (Omron Electronics, Mitsubishi Electric, Panasonic, Yaskawa), Tajwan i Chiny (Delta Electronics, Lite-On, Kinco) oraz Korea Południowa. Pojawiają się tu również przedsiębiorstwa amerykańskie (Rockwell Automation z marką Allen-Bradley) czy izraelskie (Servotronix).
W omawianej branży prym wiodą przede wszystkim dostawcy produktów markowych. Większość nazw pojawiających się w statystyce na rysunku 6 to właśnie takie firmy. Są to zwykle koncerny oferujące szeroką gamę urządzeń automatyki, jak też dostawcy specjalistyczni średniej wielkości działający w obszarach techniki napędowej i sterowania. Wśród najpopularniejszych są m.in.: Siemens, Omron, Mitsubishi Electric, Bosch Rexroth, B&R, SEW-Eurodrive, Panasonic, Allen-Bradley, Beckhoff, Lenze, Schneider Electric oraz Delta Electronics i Yaskawa. Są to również marki, które pojawiały się w tego typu dotychczasowych statystykach.
Jakie cechy i parametry są kluczowe?
Serwonapędy przez lata uznawane były za produkty zaawansowane, ale też relatywnie drogie. Dzisiaj wymogi nabywających je klientów niezmiennie dotyczą przede wszystkim atrakcyjnej ceny zakupu oraz m.in.: spełniania parametrów technicznych, łatwości kompletacji systemu i dostępnych w serwonapędach interfejsów komunikacyjnych. Wskazania te uzyskały najwięcej głosów w statystyce przedstawiono na rysunku 7. Kolejne istotne dla lokalnych odbiorców cechy to: dynamika pracy, stosowane algorytmy sterowania, zintegrowane bezpieczeństwo oraz marka. Zaprezentowana statystyka ma charakter zbiorczy i można spodziewać się, że zależnie od aplikacji, rodzaju tworzonej maszyny i wymogów odbiorców końcowych, jej zawartość będzie różna.
Oferentów serwonapędów poprosiliśmy o liczbowe określenie w skali od 1 do 10 popularności cech dostarczanych urządzeń. Dotyczyło to wskazania, czy są one standardowe, niejako typowe dla większości produktów dostępnych na rynku (a także oczekiwane przez większość klientów), czy może są czymś wyjątkowym, nowością. Na wykresie na rysunku 8 podano zarówno wartości średnie dla uzyskanych wyników, jak też zobrazowano odchylenia standardowe odpowiedzi w danych grupach.
Szczegółową analizę wskazań pozostawiamy czytelnikom, dodając, że co do ogółu są one zbliżone do omawianych w poprzednich raportach. Jednocześnie wiele pasków przesunęło się w lewą stronę (w stosunku do poprzednich takich statystyk), co oznacza coraz większą popularyzację technologii i dostępność określonych parametrów w standardzie. W prawo przesunęły się wyniki dotyczące odpowiedzi: "algorytmy sterowania" oraz "możliwości pracy z dowolnymi silnikami".
Bezpieczeństwo, integracja, komunikacja
W badaniu ankietowym tradycyjnie zapytaliśmy dostawców o największe nowości ostatnich lat oraz o kluczowe tendencje technologiczne na rynku. Najważniejsze (najczęstsze) spośród kilkudziesięciu odpowiedzi to:
- Bezpieczeństwo – serwonapędy wyposażane są w zintegrowane rozwiązania i funkcje bezpieczeństwa. Respondenci podawali tu przede wszystkim hasła takie jak: Integrated Safety, zintegrowane funkcje bezpieczeństwa (np. STO), a także wykorzystanie bezpiecznych sieci komunikacyjnych. Rozwiązania zintegrowane pozwalają m.in. na łatwe dodawanie kolejnych elementów do systemu przy zapewnieniu wymaganego poziomu bezpieczeństwa.
- Integracja – dotyczy łączenia serwonapędów ze sterownikami logicznymi (PLC), kontrolerów ruchu z serwowzmacniaczami, popularne stają się również całościowe systemy mechatroniczne obejmujące zintegrowany serwosilnik, serwoprzekładnię i serwosterownik. Część respondentów wskazywała również na wzrost potrzeby stosowania rozwiązań wieloosiowych.
- Możliwości komunikacyjne – w tym przypadku najczęściej wymieniano nowe standardy, czego przykładem jest połączenie jednokablowe (One Cable Technology, OCT). Wprawdzie nie jest absolutną nowością, jednak na pewno popularyzuje się i jest stosowane coraz częściej. Wskazywano też dostępność różnorodnych interfejsów i protokołów komunikacyjnych, w szczególności bazujących na Ethernecie przemysłowym. Zwracano również uwagę na funkcje pozwalające na integrację układów serwonapędowych w większych systemach.
- Algorytmy – czwartą z grup najczęstszych wskazań stanowiły te dotyczące stosowanych w serwonapędach algorytmów, rzadziej dostępności gotowych szablonów aplikacyjnych. Jeżeli chodzi o algorytmy, to były to m.in.: auto-tuning, adaptive tuning, adaptive filtering oraz algorytmy tłumienia drgań.
- Na omawianej liście znalazły się też: funkcje wspomagane algorytmami sztucznej inteligencji (AI), zagadnienia związane z autodiagnostyką oraz czujnikami wirtualnymi. Dostawcy zwracali również uwagę, choć rzadziej niż dawniej, na kompaktowość i miniaturyzację, modułowość oraz krótkie czasy cyklu pracy. Pojawiły się też wskazania dotyczące możliwości obsługi silników firm trzecich, współpracy z serwosilnikami na niskie napięcie oraz wersji liniowych. Finalne dwa wskazania to: zwiększanie sprawności i wydajności energetycznej.
Kontynuując omawianie tematów technicznych, przedstawiamy jeszcze jedną statystykę. W ankiecie zapytaliśmy o najpopularniejsze standardy komunikacji sieciowej w systemach serwonapędowych. Wyniki, które przedstawiono na rysunku 9, są podobne do tych prezentowanych w APA w poprzednich raportach dotyczących serwonapędów. Najpopularniejsze są: EtherCAT, Profibus, Ethernet/IP, a także CANopen i sterowanie analogowe. Warto tu wskazać fakt wzrostu o dalsze kilka punktów procentowych odsetka odpowiedzi dotyczących pierwszego ze standardów (w stosunku do raportu z 2020 roku). Niewątpliwie EtherCAT, z powodu ekstremalnie krótkich czasów przesyłu danych oraz innych korzystnych cech, wiedzie prym w omawianym zakresie. Pozwala na synchronizację osi z bardzo dużą dokładnością, umożliwia łatwą integrację serwonapędów w większym systemie, a także łatwe wdrażanie kontrolerów programowych, czyli tzw. PC-based. W efekcie stanowi jeden z podstawowych protokołów komunikacyjnych nie tylko dla firm takich jak Beckhoff czy Omron, ale też dla rosnącej grupy innych dostawców techniki serwonapędowej.
Spojrzenie w przyszłość
Przedstawiony w raporcie sektor serwonapędowy to niewątpliwie rynek o dużym potencjale rozwojowym. Sprzyjają temu rosnące wymogi producentów maszyn i ich odbiorców, a także podaż samych urządzeń oraz ich popularyzacja wśród projektantów. Kluczowe przyszłe aplikacje serwonapędów oraz branże, do których będą trafiały maszyny z serwonapędami, to sektory: metalowy, obrabiarkowy (CNC), motoryzacyjny, spożywczy, a także opakowaniowy i generalnie maszynowy. W zestawieniu na rysunku 10 pojawiły się też branże: poligraficzna, elektroniczna i przemysł drzewny, choć były rzadziej typowane niż te poprzednie. Porównując statystykę z poprzednimi analizami publikowanymi w APA, można w tym przypadku mówić o zmianach o charakterze kosmetycznym.
Źródłem wszystkich danych przedstawionych w tabelach oraz na wykresach są wyniki uzyskane w badaniu ankietowym przeprowadzonym wśród firm działających w polskich branżach związanych z produkcją i dystrybucją serwosilników i serwonapędów.