Technika serwonapędowa
Wzrostowi wykorzystania rozwiązań serwonapędowych sprzyjają rosnące wymogi co do jakości, wydajności i precyzji działania maszyn, a także coraz większa atrakcyjność cenowa rozwiązań serwonapędowych. O ile pandemia nie wpłynęła znacząco na powiązany z nimi rynek, o tyle właśnie wymienione czynniki długoterminowe sprawiają, że serwa coraz częściej zastępują nie tylko silniki krokowe, ale też standardowe napędy AC. Dodatkowo są one nieodzownymi komponentami nowoczesnych maszyn, szczególnie obróbczych. Zapraszamy do lektury analizy.
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 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 też grupa odpowiedzi związana z aplikacjami w maszynach CNC oraz generalnie pracą w systemach pick & place.
Najczęstsze zastosowania serwonapędów
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. 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, w szczególności cenowej.
Tomasz Kłąb
Panasonic Industry Europe
- Gdzie stosowane są serwonapędy? Z czego wynika ich popularność?
Najczęstszymi zastosowaniami serwonapędów są wśród naszych klientów maszyny wymagające wysokiej precyzji oraz wydajności ruchu. Przykładami aplikacji są obrabiarki CNC, tj. wycinarki plazmowe, laserowe oraz maszyny pakujące w szeroko pojętej branży spożywczej. Współpracujemy głównie z producentami maszyn, co daje nam możliwości zaproponowania produktów również z innych kategorii automatyki znajdujących się w naszej ofercie – takich jak sterowniki PLC, panele HMI czy sensoryka.
Zwiększająca się popularność serwonapędów wynika z dwóch czynników. Pierwszym są zalety, jakie nam dają serwonapędy, tj. zmniejszenie czasu produkcyjnego, większą szybkość i wysoką precyzję, co wszystko razem wpływa na zwiększanie zysków z pracy maszyny. Drugim aspektem jest koszt serwonapędów, który zmalał wraz ze zwiększeniem ich popularności na przestrzeni ostatnich lat.
- Na co klienci zwracają uwagę? Jak ich wspieracie?
Zdecydowanie najważniejszym dla klientów elementem jest darmowe wsparcie techniczne polegające na kompleksowym doborze optymalnego rozwiązania, przeprowadzaniu szkolenia z oprogramowania i parametryzacji osi oraz pomocy w uruchomieniu pierwszej aplikacji.
Klienci coraz częściej starają się wybierać rozwiązania, które są proste w implementacji, dlatego szukają napędów z komunikacją sieciową – np. EtherCAT czy RTEX. Innymi ważnymi aspektami są też: bezpieczeństwo sieciowe – mam tu na myśli Safety over EtherCAT (FSoE), czy też łatwe podłączanie okablowania, gdzie korzysta się ze złączy sprężynowych i wspólnych przewodów silnikowo-enkoderowych. W przypadku maszyn, gdzie wykorzystywana jest duża liczba napędów, ciekawym rozwiązaniem są kompaktowe serie typu booktype – np. Minas Multi z Panasonic, gdzie do jednego serwowzmacniacza możemy podpiąć dwa silniki.
|
Krajowy rynek serwonapędów
Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na serwonapędy rośnie też wartość rynku z nimi związanego. W poprzednich badaniach branży jako średnie wartości omawianego sektora podawaliśmy kwoty od 50 do 90 mln zł. W badaniu 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 dzisiejszego 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. Dominacja producentów maszyn w tym obszarze jest właściwie stała, natomiast warto też zauważyć – porównując to z poprzednimi badaniami – wzrost w przypadku drugiej kategorii, tj. odbiorców końcowych.
Najczęstsze typy aplikacji serwonapędów
Bartłomiej Kiełczewski
Induprogress
- Jakie są trendy w obszarze technologii Motion Control?
W obecnie projektowanych systemach Motion Control możemy zaobserwować całkowite przejście w kierunku układów sieciowych opartych o szybkie sieci komunikacyjne, najczęściej na bazie Ethernetu. Aktualnie kontrolery są w stanie obsługiwać bez większych problemów kilkanaście–kilkadziesiąt napędów serwo w czasie 1 ms. Dąży się więc zatem do całkowitego przesunięcie inteligencji maszyny do sterownika motion, a same napędy traktowane są jako „końcówki ruchu”. Oczywiście po stronie serwonapędów muszą pozostać pewne funkcjonalności, jak choćby zaawansowane filtry rezonansowe, autonomiczny autotuning nastaw regulatorów, funkcje safety. Trzeba też pamiętać, że dynamiczny rozwój sieci komunikacyjnych wymusił rozwój mechanizmów serwo w kierunku wyższych rozdzielczości enkoderów stosowanych w silnikach oraz wyższej częstotliwości taktowania pętli regulacji – znacznie szybszej odpowiedzi układu napędowego. Same silniki serwo projektowane obecnie mogą uzyskiwać wyższe przeciążalności oraz prędkości obrotowe niż kilka lat temu przy jednoczesnym zmniejszeniu ich wymiarów.
|
W tym miejscu proponujemy spojrzenie na dwie dodatkowe statystyki. Pierwsza dotyczy koniunktury na rynku, która jest obecnie oceniana jako dobra lub bardzo dobra. 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. 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 też coraz częściej standardowe napędy elektryczne. W efekcie tego, a także wzrostu zapotrzebowania ze strony odbiorców, konkurencja na rynku wzrasta.
Najpopularniejsze w Polsce marki serwosilników i serwonapędów; zestawienie nie dotyczy udziałów firm w rynku
Arkadiusz Sulenta
Elmark Automatyka
- Jakie są cechy charakterystyczne serwonapędów i rozwiązań Motion Control?
Rozwiązania Motion Control, w szczególności serwonapędy, stosowane są do aplikacji wymagających precyzyjnego pozycjonowania w połączeniu z wysoką dynamiką. Jednak w przeciwieństwie do popularnych silników krokowych wymagają specjalistycznej wiedzy – szczególnie w kwestii regulacji ruchu.
Wymieniony problem coraz bardziej niwelują: rozbudowane oprogramowania dołączane przez producentów, jak i rozwój samych algorytmów sterowania. Przykładem mogą być rozwiązania kontroli ruchu marki Unitronics, gdzie pracę z serwonapędem ułatwi możliwość odtworzenia strony mechanicznej układu (przekładnie, aktuatory itp.), prosta konfiguracja polegająca na wybraniu zakupionego modelu czy opcje diagnostyczne w czasie rzeczywistym.
- Jakie są najczęstsze zastosowania serwonapędów przez Państwa klientów? Kim są ich odbiorcy?
Odbiorcami są głównie integratorzy i producenci maszyn. Zainteresowanie rozwiązaniami Motion Control dotyczy szczególnie producentów maszyn etykietujących, pakujących czy CNC. Wybór rozwiązania w obecnych czasach zależy głównie od dostępności urządzeń i z tego względu klienci chętniej decydują się na kompletne rozwiązania od jednego producenta. Oczywiście w specjalistycznych zastosowaniach znaczenie będzie miała wymagana dokładność, szybkość cyklu i rodzaj sterowania, stąd też zainteresowanie protokołami przemysłowymi takimi jak np. EtherCAT.
|
Dostawcy serwonapędów
Serwonapędy, serwosilniki i pokrewne produkty dostarczane są zazwyczaj przez firmy specjalistyczne, które są oddziałami producentów oraz dystrybutorów branżowych. Takich podmiotów w tabelach z danymi zostało przedstawionych około 30 i oferują one szeroki asortyment urządzeń, zazwyczaj wykraczających poza technikę serwonapędową. Dostarczane przez nie 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. 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.
Aktualna sytuacja na omawianym rynku w porównaniu z ostatnimi latami
Tomasz Szewczyk
Sitaniec
- W jakich obszarach używane są serwonapędy? Jakie są ich cechy charakterystyczne?
Technologia serwonapędów ewoluuje podobnie jak cała automatyka. Możemy zaobserwować przede wszystkim zwiększanie ich wydajności, efektywności, energooszczędność oraz rozwój systemów sterowania.
Najnowsze rozwiązania pozwalają na programowanie i obsługę układów wieloosiowych z poziomu PLC, korzystając ze wspólnego środowiska. Znacząco ułatwia to i skraca czas potrzebny na uruchomienie.
Serwonapędy z powodzeniem zastępują dotychczas stosowane silniki klatkowe lub synchroniczne, jak również napędy pneumatyczne. Mnogość dostępnych rozwiązań oraz łatwość aplikowania sprawia, że możemy spotkać je dziś nie tylko w miejscach tradycyjnie stosowanych, takich jak pozycjonowanie CNC, ale również na transporterach, sorterach czy w napędach liniowych. Dotychczasowi producenci pneumatyki zachęcają do zastąpienia siłowników znormalizowanymi napędami opartymi na silnikach serwo.
- Jak wygląda krajowy rynek serwonapędów i rozwiązań Motion Control?
Tak jak niemal we wszystkich dziedzinach, również tu możemy znaleźć dostawców prezentujących określony poziom jakości, możliwości, a co za tym idzie – ceny. Obok producentów europejskich, amerykańskich czy japońskich, oferujących rozbudowane układy Motion, można znaleźć tańsze, alternatywne rozwiązania z Azji.
Innym interesującym obszarem są napędy dostarczane przez niezależnych producentów z Europy, których możliwości wystarczają do typowych aplikacji, a mają korzystną cenę. Warto również poszukać wyspecjalizowanych producentów gotowych rozwiązań z wykorzystaniem silników serwo np. chwytaków, układów kinematycznych, przegubów czy przekładni.
|
Bezpieczeństwo, integracja, komunikacja
W badaniu ankietowym tradycyjnie zapytaliśmy dostawców również 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 połączenia jednokablowe (One Cable Technology, OCT). Wprawdzie nie jest absolutną nowością, jednak na pewno popularyzuje się i jest stosowane coraz częściej.
dr inż. Marek Łęc
Lenze Polska
- Jakie są powody rosnącej popularności serwonapędów i układów Motion Control? Jakie są trendy technologiczne w tym obszarze?
Od kilku dekad możemy obserwować nieustanny rozwój techniki napędowej i przekształtnikowej. Rozwój ten w znacznej mierze jest motywowany oczekiwaniami rynku maszynowego oraz odbiorców co do wydajności i funkcjonalności urządzeń napędowych. Producenci maszyn od lat podążają w kierunku, gdzie stosowane do tej pory mechaniczne powiązanie ruchów zostaje zamienione na pojedyncze osie napędowe synchronizowane przez nadrzędny system centralnego sterowania ruchem. Dzięki takiemu podejściu zdecydowanie zwiększa się elastyczność w zakresie asortymentu, który może być produkowany na jednej i tej samej maszynie. Wtedy też zmiana asortymentu wiąże się z wyborem odpowiedniego podprogramu w PLC, podczas gdy dawnej wymagało to mozolnego przezbrojenia układu mechanicznego.
Powyższe tendencje wymogły na producentach przemienników częstotliwości wykonywanie wieloosiowych systemów napędowych, które mogą sterować dowolną liczbą osi przy jednoczesnym zachowaniu synchronizacji ruchów między poszczególnymi podzespołami na maszynie. Na rynku nieustannie występuje oczekiwanie wzrostu wydajności i dokładności maszyn. Wraz z tym zmniejsza się zapotrzebowanie na stosowanie silników indukcyjnych i tradycyjnych przemienników częstotliwości na rzecz silników serwo połączonych ze specjalizowanymi przemiennikami serwo.
- Jakie są cechy charakterystyczne rozwiązań Motion Control?
W przypadku wieloosiowych układów napędowych z centralnym system sterowania ruchem, tj. Central Motion Automatic, szczególny nacisk został położony na wprowadzenie do systemu bloków opisujących gotowe moduły maszynowe. Każda maszyna może być złożona z określonych funkcji połączonych w moduły technologiczne. Przy takim podejściu odbiorca w znaczącym stopniu skraca czas potrzebny na wdrożenie i uruchomienie centralnego systemu sterowania ruchami maszyny. Dodatkowym atutem jest fakt, że korzystanie z gotowych bloków funkcyjnych zwiększa niezawodność systemu i minimalizuje ryzyko pojawienia się błędów programistycznych na etapie produkcji maszyny.
|
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.
Konkurencja na polskim rynku serwonapędów
- Algorytmy – czwartą z grup najczęstszych wskazań stanowiły te dotyczące stosowanych w serwonapędach algorytmów, rzadziej dostępności gotowych szablonów aplikacyjnych. Jeżeli chodzi o algorytmy, 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 wydajność energetyczna.
Motion control i serwonapędy w świecie 4.0
Nowoczesne serwonapędy zapewniają dużą dokładność i dynamikę ruchu. Zwiększa się także ich atrakcyjność cenowa i wprowadzane są ulepszenia ułatwiające programowanie oraz obsługę. W efekcie zyskują one na popularności, stając się niezbędnym komponentem maszyn i wyposażenia linii produkcyjnych. Aby w pełni wykorzystać ich możliwości, trzeba jednak najpierw dobrze skompletować cały system. Zapraszamy do lektury artykułu technicznego "Motion control i serwonapędy w świecie 4.0", który dotyczy tych zagadnień. Został on opublikowany w wydaniu APA 1/23 i jest dostępny na stronie www.automatykaB2B.pl w dziale "tematy numeru". W publikacji przedstawiono również przykłady popularnych zastosowań serwonapędów oraz perspektywy użycia rozwiązań motion control w fabrykach przyszłości.
|
Kontynuując omawianie tematów technicznych, przedstawiamy jeszcze jedną statystykę. W ankiecie zapytaliśmy o najpopularniejsze standardy komunikacji sieciowej w systemach serwonapędowych. Wyniki są podobne do tych prezentowanych w poprzednich analizach 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 danych 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.
