Napędy elektrohydrauliczne zapewniają redukcję zużycia energii i poziomu hałasu

Fot. 1. Serwonapęd ACOPOS jest połączony z komputerem sterującym APC620 poprzez POWERLINK

Gdy Charles Goodyear opracował w 1893 roku proces wulkanizacji, nie mógł przewidzieć, jak wielki wpływ na świat będzie miał jego wynalazek. Wulkanizacja to chemiczny proces utwardzania kauczuku otrzymanego z żywicy naturalnej, poprawiający jego odporność na starzenie i zużycie mechaniczne przez dodanie siarki pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze. Guma wytworzona w ten sposób jest polimerem z wiązaniami poprzecznymi pomiędzy łańcuchami polimerów.

Może być rozciągana na skutek działania naprężeń rozciągających bez uszkodzeń i powracać do stanu pierwotnego, jak naturalnie kręcone włosy podczas czesania. Materiał ten ma właściwości elastyczne i sprężyste oraz ma wiele zastosowań, w których właściwości te są wymagane. Uszczelki, mieszki ochronne, podstawy i przelotki ochronne kabli i inne części wykonane z gumy, silikonu lub materiału elastomerowego są stosowane w większości instalacji i urządzeń.

Rozkwit popularności pojazdów samochodowych miał miejsce bezpośrednio w wyniku wprowadzenia opon gumowych. Części gumowe były początkowo wytwarzane w procesie formowania skorupowego. Wadą tego procesu jest nierównomierny rozkład temperatury ze względu na doprowadzanie ciepła z zewnątrz. W ciągu 50 lat formowanie wtryskowe gumy stało się standardem ze względu na lepszą kontrolę homogeniczności materiału i wyższą jakość produktu.

Jest ono realizowane w sposób podobny do metody stosowanej dla termoplastów. Przekładnia ślimakowa transportuje materiały do komory wtryskowej, skąd są one wtryskiwane do formy pod wysokim ciśnieniem. Podstawową różnicę stanowi proces chemiczny przebiegający w trakcie formowania. Trwa on dłużej w porównaniu do chłodzenia materiałów termoplastycznych oraz występuje rozszerzanie materiałów, kompensowane siłą zamykania wtryskarki.

Porównanie kosztów TABELA 1. Porównanie kosztów różnych rozwiązań Cool Drive z technologią napędu i sterowania B&R oraz hydrauliką Dorninger Hytronics zapewnia klientom Maplan znaczne oszczędności w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań napędów hydraulicznych. Poniższe porównanie jest oparte na produkcji uszczelki o czasie cyklu 73 sekundy na urządzeniu MHF400/300E2 pracującym przez 6000 godzin na rok z funkcją automatycznego usuwania z formy. Oszczędności roczne mogą osiągnąć wartość euro 3056. Dodatkowy koszt napędu Cool Drive zwraca się w bardzo krótkim czasie. W wyniku oszczędności energii, zmniejszeniu ulega także emisja CO2 o ponad 10 tys. kg na rok.

Maplan jest jednym z trzech największych dostawców wtryskarek gumy na świecie. Maszyny opracowywane, wytwarzane i montowane zgodnie z europejskimi normami jakości są eksportowane na cały świat za pośrednictwem sieci firm powiązanych w Niemczech, we Francji i Ameryce Północnej, a także przedstawicielstw i partnerów międzynarodowych. Modele obejmują wersje do wtryskiwania materiału o objętości 10 do 26000 cm³ i sile zamykania od 150 do 10000 kN.

Wersje pionowe są stosowane w przypadku ręcznej obsługi form, natomiast wersje poziome w zastosowaniach automatycznych. Dodatkowa korzyść z zastosowania maszyn Maplan to zespół wtryskiwania gumy typu FIFO, który ze względu na zwartą konstrukcję wywiera maksymalne ciśnienie wtryskiwania bezpośrednio na formę i przekazuje więcej ciepła bezpośrednio do jej kanałów oraz jest wyposażony w funkcję automatycznej optymalizacji i regulacji parametrów procesu.

POTENCJALNE OSZCZĘDNOŚCI PRZEZ REDUKCJĘ ZUŻYCIA ENERGII

Rys. 1. Porównanie trzech dostępnych rodzajów napędów

Większość potencjalnych obszarów optymalizacji została już wykorzystana, dlatego też firma Maplan podczas opracowywania nowych produktów postanowiła skupić wysiłki na redukcji zużycia energii. Analiza przeprowadzona przez menedżera ds. rozwoju Maplan, Rudolfa Eisenhubera, wykazała, że około jednej trzeciej energii jest wykorzystywana przez napęd wtryskarki. Przy 6 tys. godzin pracy na rok, wtryskarki realizują kilkaset tysięcy cykli produkcyjnych, przy czym czas cyklu wynosi od 30 sekund do nawet kilku minut.

Proces wymaga przerw, w trakcie których napędy hydrauliczne przełączają się na stan jałowy. Dotychczas stosowane były napędy wyposażone w pompę o zmiennym wydatku z regulacją ciśnienia, napędzaną silnikiem indukcyjnym. Pompy tego typu pracują w trybie ciągłym, ponieważ stałe włączanie i wyłącznie w trakcie cyklu nie jest możliwe ze względu na niebezpieczeństwo przegrzania silnika.

Nadmiar energii jest przekształcany w ciepło, które jest usuwane przez zespoły chłodzące, wymagające dodatkowej energii. Praca jałowa i procesy płukania w znacznym stopniu ograniczają ogólną wydajność systemu napędowego. Praca napędu wymaga także znacznej ilości mocy biernej. Obecnie w większości zastosowań wykorzystywane są wyłącznie napędy elektryczne.

100% WYDAJNOŚCI PRZY 20% WYMAGANEJ ENERGII

Fot. 2. System wizualizacji uruchamiany na ergonomicznym panelu B&R AP900 Automation Panel z ekranem dotykowym 15”. Działanie i diagnostyka zostały zintegrowane, a łatwość obsługi osiągnęła niespotykany dotąd poziom

Alternatywą dla pomp o zmiennym wydatku jest zastosowanie pomp zębatych o stałym wydatku z serwonapędami. Przy 60% mniejszym rozmiarze w stosunku do osiowych pomp tłokowych, pompy te zapewniają takie same parametry przepływu. Ponadto, pompy zębate są dużo bardziej wydajne ze względu na wyższą prędkość do 4000 obr./min w porównaniu do standardowej prędkości 1500 obr./min dla silników indukcyjnych i pomp o zmiennym wydatku.

Precyzyjna regulacja ciśnienia jest możliwa dzięki wyższej sprawności objętościowej i niższemu poziomowi hałasu. Rzeczywista oszczędność energii wynika z dostosowania wydatku pompy (i tym samym prędkości silnika) do rzeczywiście wymaganej mocy. Ponieważ ta wartość jest równa zero w trakcie przerw w cyklu pracy odbiorników hydraulicznych, napęd jest automatycznie zatrzymywany. Oszczędność energii może wynieść nawet 70%.

Dodatkową ilość energii można oszczędzić przez ograniczenie częstotliwości wymiany oleju hydraulicznego i ograniczenie liczby wymaganych zespołów chłodzenia oleju. Pozwala to także na redukcję zużycia wody i całkowitej wymaganej energii nawet o 50%. "Rozwiązanie to zapewnia także redukcję poziomu hałasu. Pompy pracują płynniej, co zapewnia redukcję hałasu nawet o 10dB" - mówi Gert Kain, autoryzowany przedstawiciel odpowiedzialny za sprzedaż produktów Maplan.

W trakcie przerw w cyklu pracy hydrauliki, wzrost ciśnienia nie generuje hałasu. "Zapewnia to całkowitą redukcję hałasu nawet o 50%, co znacznie poprawia jakość pracy" - dodaje. Technologia elektrohydrauliczna Cool Drive Maplan zapewnia dodatkową korzyść dzięki zwiększonej dynamice technologii serwomechanizmów. "Wydajność dotychczas stosowanych maszyn Maplan wzrosła o 10% przy jednoczesnej znacznej redukcji ceny jednostkowej" -mówi Kain.

ZAAWANSOWANE ROZWIĄZANIE "MADE IN AUSTRIA"

Rys. 2. Wyniki pomiarów eksploatacyjnych potwierdzają: Maplan Cool Drive z technologią B&R i hydrauliką Dorninger Hytronics pozwala zredukować ilość energii wymaganej przez napęd nawet o 70% przy utrzymaniu dotychczasowej mocy

Z myślą o specjalnych wymaganiach Rudolf Eisenhuber rozpoczął poszukiwania odpowiedniego rozwiązania systemowego. "Potrzebowaliśmy pełnego, zintegrowanego rozwiązania o znanej i potwierdzonej wydajności. Szukaliśmy także rozwiązania kompatybilnego z urządzeniami modułowymi, które wymagają montażu i konfiguracji zgodnie ze specyfikacjami dostarczanymi często tuż przed dostawą. Jednocześnie, chcieliśmy zapewnić pracownikom możliwość użycia własnych narzędzi programistycznych" - mówi.

Ostateczny wybór ograniczał się do dwóch dostawców o różnych filozofiach, z których jeden jest doświadczonym producentem hydrauliki. Firma z branży elektronicznej B&R, wraz z partnerem z branży hydraulicznej Dorninger Hytronics, osiągnęli sukces kompletnym rozwiązaniem elektrohydraulicznym o nazwie Hybrid Drive Control, opartym na pompach zębatych sterowanych serwomechanizmami.

Zgodnie z rozwiązaniem przedstawionym na konferencji w 2009 roku w Niemczech, inteligentny serwonapęd ACOPOS kontroluje pracę trójfazowego silnika synchronicznego prądu zmiennego z serii 8LS chłodzonego powietrzem. Dynamiczny system kontroli ciśnienia hydraulicznego i wydatku pompy w układzie zamkniętym zrealizowany został w napędach ACOPOS z wykorzystaniem funkcji SPT (Smart Process Technology).

Ta swobodnie programowalna biblioteka wykorzystuje zmienne pośrednie procesu i zapewnia wysoką wydajność i precyzję dzięki przetwarzaniu synchronicznemu i krótkiemu czasowi reakcji. Serwonapęd ACOPOS jest połączony poprzez sieć POWERLINK z nadrzędnym komputerem sterującym APC620, na którym w systemie czasu rzeczywistego AR010 pracuje sterownik programowalny Soft - PLC oraz system wizualizacji zaprojektowany w Visual Components.

Fot. 3. CoolDrive to rewolucja w wydajności wtryskarek gumy

Rozwiązanie to umożliwia wyświetlenie szczegółowej dokumentacji produktu przechowywanej w systemie i dostęp do zaawansowanego systemu pomocy. Zaawansowane moduły systemu sterowania i wej/wyj X20 zapewniają komunikację z 50 do 120 punktów wej/wyj urządzenia (w zależności od funkcji urządzenia). Personel serwisowy ma dostęp do panelu PC5000touch Automation Panel obejmującego B&R AP900 z ekranem dotykowym 15“ i klawiaturą dopasowną do potrzeb aplikacji.

"Porównywane rozwiązania oferują podobny bilans energetyczny" - stwierdza Alois Pichler, menedżer działu inżynierii elektrycznej Maplan. - "Rozwiązanie B&R przyjęto ze względu na postępy w opracowywaniu systemu". Poza szerokim asortymentem produktów, które są dostosowane do różnych maszyn oferowanych przez Maplan, rozwój zintegrowanego oprogramowania (kontrola procesu, technika napędowa i wizualizacja w jednym środowisku programowania) umożliwia integrację diagnostyki z interfejsem użytkownika.

W przypadku technologii napędów B&R dotyczy to także silników. Zainteresowanie klientów świadczy o tym, że napęd Cool Drive to dobre rozwiązanie. "Dodatkowy koszt nowej technologii napędu zwraca się w bardzo krótkim czasie" - mówi Gert Kain. "Pomimo że oferujemy wszystkie urządzenia z konwencjonalnym systemem napędowym, dostarczane są praktycznie wyłącznie modele z technologią hybrydową B&R i Dorninger Hytronics we wszystkich wersjach, dla których napęd Cool Drive jest dostępny" - dodaje.

B&R Automatyka Przemysłowa Sp. z o.o.
www.br-automation.com