Mozgató- és mozgásvezérlő eszközök használata az ipari területek hatékonyságának növelése és a fenntarthatóság segítése érdekében

1. ábra: Vízszivattyúk egy nagy erőműben (kép: Shutterstock)

A környezetvédelmi kihívások és a fenntarthatóságot segítő elektronika iránti igény miatt az iparágak világszerte olyan megoldásokat keresnek, amelyekkel optimalizálhatják a működésüket, és minimálisra csökkenthetik a karbonlábnyomukat. Iparágtól függetlenül szükség van a folyamatok szabályozására az energiafelhasználás csökkentése, a hulladék minimalizálása és a teljesítmény lehető legnagyobbra növelése érdekében.

Az elektronikus berendezésekben a mozgató- és mozgásvezérlő eszközök együttesen kezelik a mechanikus elemek mozgását, sebességét és helyzetét. Ezeket a termékeket úgy tervezték, hogy a mozgás különböző paramétereinek pontos, hatékony és megbízható vezérlését kínálják, lehetővé téve a gépek és berendezések számára, hogy optimális teljesítménnyel és minimális hibával végezzék a feladatukat.

A DigiKey, az elektronikai alkatrészek globális forgalmazója több gyártótól származó mozgató- és mozgásvezérlő eszközök széles választékát kínálja, lehetővé téve az ügyfelek számára, hogy javítsák automatizált rendszereik hatásfokát, és hogy rendszereik jobban segítsék a fenntarthatóságot.

A mozgató- és mozgásvezérlő rendszerek fő alkotóelemei

A mozgató- és mozgásvezérlő berendezések középpontjában a villanymotorok állnak, amelyek a villamos energia mechanikai energiává alakítására használt legfőbb eszközök. A különféle felhasználási területeken többféle típust használnak, amelyek mindegyikének egyedi jellemzői és előnyei vannak. A váltakozó áramú motorok például tartósságukról, hatásfokukról és nagy fordulatszámukról ismertek, így alkalmasak ipari gépekben, fűtő-, szellőző- és légkondicionáló (HVAC, heating, ventilation, and air conditioning) rendszerekben és más olyan felhasználási területeken való használatra, ahol elengedhetetlen a megbízható, hosszú távú teljesítmény. Az egyenáramú motorok viszont kiváló nyomaték- és fordulatszám-szabályozást tesznek lehetővé, így jól használhatóak például az olyan pontos mozgást igénylő felhasználási területeken, mint a robotika és a gépjárműipari rendszerek. A léptetőmotorokkal rendkívül pontos helyzetbeállítást lehet megvalósítani, ezért 3D nyomtatókban, CNC-gépekben és más pontos, növekményes elmozdulásokat igénylő eszközökben használják őket. A gyors reagálású és nagy nyomatékleadású szervomotorokat olyan felhasználási területeken használják, ahol gyors és pontos mozgásra van szükség, ilyenek például a repülőgépes és az űrtechnikai rendszerek.

A villanymotorok működésének hatékony vezérlése és szabályozása érdekében a mozgató- és mozgásvezérlő eszközöknek különféle meghajtókra és vezérlőegységekre van szükségük. A frekvenciaváltók (VFD, variable frequency drive) a váltakozó áramú motorok fordulatszámának és nyomatékának szabályozására szolgálnak, lehetővé téve a sima és jó hatásfokú működést, valamint az energiatakarékosságot. A kifejezetten szervomotorokhoz tervezett szervohajtások zárt hurkú szabályozással működnek, és rendkívül pontos helyzetbeállítást és mozgatást tesznek lehetővé. A több tengely egyidejű vezérlésére képes mozgásvezérlőket összetett készülékekben használják, ahol a különböző alkatrészek mozgását koordinálják és szinkronizálják a gördülékeny és pontos működés érdekében.

A mozgató- és mozgásvezérlő rendszerekben fontos szerepet játszanak a működtetőelemek is, mivel azok alakítják át mozgássá, illetve elmozdulássá az energiát, és szolgáltatják az erőt a mechanikus alkatrészek mozgatásához. A nagy erőkifejtésükről és nagy terhelhetőségükről ismert hidraulikus működtetőelemeket építőipari berendezésekben, ipari gépekben stb. használják, ahol nyers erőre van szükség. A sűrített levegővel működtetett, rövid reakcióidejű pneumatikus működtetőelemek olyan felhasználási területeken kapnak szerepet, ahol gyors, ismétlődő mozgásokra van szükség, például csomagoló- és szerelősorokon. A villamos működtetőelemek, beleértve az egyenes vonalban mozgó és a forgó típusokat is, pontos vezérlést tesznek lehetővé olyan felhasználási területeken, mint a gyógyászati, a gépjárműipari, a repülőgépipari és az űrkutatási eszközök és berendezések.

2. ábra: Robotok gépi látásos érzékeléséhez való kamerarendszer egy okosgyárban (kép: Shutterstock)

Érzékelők, visszacsatoló eszközök és mozgásvezérlő rendszerek

Annak érdekében, hogy a mozgató- és mozgásvezérlő rendszerek a lehető legnagyobb pontossággal és megbízhatósággal működjenek, érzékelőket és visszajelző eszközöket használunk a mozgás különböző paramétereinek figyelésére és mérésére. A helyzetérzékelők, például a lineáris és forgó potenciométerek valós idejű adatokat szolgáltatnak a mechanikus elemek pontos helyéről, lehetővé téve a pontos helyzetbeállítást és helyzetkövetést. A növekményes és abszolút helyzetjeladók a forgó tengelyek szöghelyzetének és elfordulási sebességének, illetve fordulatszámának meghatározására szolgálnak, lehetővé téve a pontos sebesség- és fordulatszám-szabályozást és helyzetbeállítást. A kódolókhoz hasonló, de zord környezetbe szánt rezolverek szintén nagy pontosságot és megbízhatóságot kínálnak a kényes berendezésekben.

Mindezeket az összetevőket a mozgató- és mozgásvezérlő eszközök teljes működését összehangoló és szabályozó mozgásvezérlő rendszerek kötik össze. A gyárautomatizálásban, folyamatirányításban és más felhasználási területeken használt PLC-k (programmable logic controller, programozható logikai vezérlő), valamint a vezérléshez és automatizáláshoz tervezett strapabíró ipari számítógépek egyszerre több be- és kimenőjelet kezelnek. A PLC-knél nagyobb rugalmasságot és feldolgozási teljesítményt nyújtó ipari számítógépeket gyakran fejlett mozgásvezérlő szoftverrel együtt használják a mozgásvezérlő algoritmusok szimulálására összetett, többtengelyű rendszerekben.

Mozgató- és mozgásvezérlő eszközök ipari felhasználási területeken

A mozgató- és mozgásvezérlő eszközök alapvető fontosságúak a hatásfok és a pontosság javításában és a termelékenység növelésében az ipari folyamatok széles skáláján. Olyan berendezéseket kezelnek, mint például a robotkarok és a szerszámgépek, hogy javítsák az ipari műveleteket, és minimálisra csökkentsék a hibákat. Az autógyárakban és raktárakban a mozgató- és mozgásvezérlő rendszerek koordinálják az ipari robotok, az együttműködő robotok (amelyeket gyakran emlegetnek röviden az angol collaborative robot kifejezésből alkotott mozaikszóval cobot vagy magyaros írásmóddal kobot néven) és az önjáró robotok (AMR, autonomous mobile robot) mozgását, hogy azok olyan feladatokat hajtsanak végre, mint az anyagmozgatás, az összeszerelés és az ellenőrzés. Hasonlóképpen az ipari csomagolási területeken a mozgató- és mozgásvezérlő eszközök szállítószalag-rendszerek, válogatógépek és automatizált raktározó- és tétellekérő rendszerek (AS/RS, automated storage/retrieval system) segítségével szedik fel és szállítják az olyan elemeket, mint a dobozok és raklapok.

Az egészségügyben a mozgató- és mozgásvezérlő rendszerek befolyásolják az egészségügyi ellátás és a kutatás módját. Lehetővé teszik az gyógyászati eszközökben és berendezésekben, például a sebészeti robotokban, a diagnosztikai képalkotó rendszerekben és a laboratóriumi műszerekben a pontos helyzetbeállítást és adagolást, valamint az automatizálást. A mozgató- és mozgásvezérlő eszközökkel felszerelt sebészeti robotok például képesek a beavatkozásokat pontosan és a lehető legkisebb sebet ejtve elvégezni, csökkentve a betegek felépülési idejét, és javítva az általános eredményeket. A gyógyszerkutató laboratóriumokban az automatizált folyadékkezelő rendszerek szintén mozgató- és mozgásvezérlő rendszereket használnak a vegyszerek pontos adagolására és keverésére, ami egyszerűsíti a gyógyszerkutatási folyamatot, és felgyorsítja az új gyógymódok kifejlesztését.

A repülőgépipar, az űrkutatás és a haditechnika is a nagy pontosságú mozgató- és mozgásvezérlő rendszerektől függ az olyan kritikus fontosságú felhasználási területeken, mint a műholdas helyzetmeghatározás, a repülőgépek mozgásvezérlő rendszerei és a rakétairányítás. Ezekben az ágazatokban a tervezett mozgástól vagy helyzettől való legkisebb eltérés is katasztrofális hatással járhat. A mozgató- és mozgásvezérlő eszközök teszik lehetővé, hogy ezek a rendszerek kivételes pontossággal és megbízhatósággal működjenek, lehetővé téve a műholdak pályán tartását, a repülőgépek biztonságos repülését és a rakéták számára a célok eltalálását. Ezen túlmenően ezek a megoldások módot adnak új repülőgépes, űrkutatási és haditechnikák kifejlesztésére és tesztelésére, lehetővé téve a mérnökök számára az összetett rendszerek szimulálását és kiértékelését, mielőtt élesben vetnék be azokat.

A DigiKey több gyártótól való beszerzési stratégiájának lényege

A DigiKey a több gyártóval való partnerség révén biztosítja, hogy a mérnökök és a rendszertervezők a termékek széles választékához férjenek hozzá. Ez a stratégia nemcsak a termékválasztékot növeli, hanem javítja a rendelkezésre állást, elősegíti a versenyképes árképzést, és bőséges műszaki szakértelemhez ad hozzáférést. A DigiKey több gyártótól való beszerzési stratégiájának egyik egyértelmű előnye, hogy sokféle ipari igényt ki tud elégíteni. Legyen szó kis méretű léptetőmotorról a nagy pontosságú műszerekhez vagy nagy nyomatékú szervohajtásról a nagy igénybevételt jelentő rendszerek automatizálásához, a DigiKey termékválasztéka minden felhasználási területre kínál megoldást. Ez a sokféleség lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy megtalálják az egyedi igényeiknek leginkább megfelelő termékeket, amelyekkel optimalizálhatják a rendszer általános teljesítményét és hatásfokát. Ezenkívül a több gyártótól való beszerzéssel a DigiKey minimálisra csökkenti az ellátási lánc megszakadásának kockázatát – ha egy gyártó termelési problémákkal vagy késésekkel küzd, helyettesítő termékeket lehet beszerezni más gyártóktól, így biztosítva a vásárlók számára a megbízható és következetes ellátást. Ez a rugalmasság sokat számít az ipari létesítményekben, ahol még a minimális leállások is jelentős hatással lehetnek az erőforrásokra, a költségvetésre és a működésre.

Fejlett mozgató- és mozgásvezérlő berendezések az iparág vezető cégeitől

A DigiKey vezető gyártókkal, például a Schneider Electric, a Siemens és az Omron céggel való partnersége a vállalatnak a minőség és az újítások iránti elkötelezettségét mutatja. Ezek az iparági óriások híresek élvonalbeli mozgató- és mozgásvezérlő berendezéseikről, amelyek a hatásfokot javító és a fenntarthatóságot segítő korszerű funkciókat és technikákat adnak a mérnökök kezébe.

A Schneider Electric Altivar™ Soft Starter ATS480 (3. ábra) a korábbi ismétlődő munkafázisok indítási és leállítási folyamataira épít, hogy tovább növelje a berendezések élettartamát, és maximalizálja az alkalmazás rendelkezésre állását nagy igénybevételt jelentő környezetben. Az egyenáramú villanymotorokhoz való Altivar 212 VSD frekvenciaváltó rendkívül egyszerű használatot és nagyfokú biztonságot kínál a fűtő-, szellőző- és légkondicionáló rendszerek rendszer-összeépítői és végfelhasználói számára, energiát takarít meg, és javítja az épületek komfortját és irányítását. Ehhez hasonlóan a váltakozó áramú villanymotorokhoz való ATV320 VFD frekvenciaváltók biztonságot, megbízhatóságot és egyszerűséget nyújtanak kis méretben az egyszerűbb kiépítés és a hatékony helykihasználás érdekében.

3. ábra: Schneider Electric Altivar™ Soft Starter ATS480 lágyindító (kép: Schneider Electric)

A Schneider Electric Easy TeSys termékcsaládjába az alábbiak tartoznak: kézi villanymotor-indító megszakítók a legnagyobb motorterhelőáram-beállítás 13-szorosának megfelelő mágneses védelemmel, csavaros rögzítésű csatlakozókkal ellátott hőtúlterhelési relék és körülbelül egymillió villamos kapcsolásnyi élettartamot kínáló hárompólusú kontaktorok. Ezeket a készülékeket a hétköznapi villanymotoros berendezések motorjának kapcsolására és védelmére tervezték. A TeSys™ island kommunikáló villanymotor-indító megszakítók egyetlen szalagkábel bepattintásával kiküszöbölik a vezérlőkábelek és a PLC be- és kimenetek bekötését, és ipari kommunikációs protokollokon keresztül biztosítanak hozzáférést az adatokhoz.

A Siemens SINAMICS V20 vezérlőegységek kis méretükkel, erős és strapabíró kialakításukkal ideálisak a megmunkáló- és gyártóüzemekben szükséges számos alapvető meghajtási feladatra. Ezenfelül a SIRIUS 3RA23 sorozatú irányváltó kontaktorok megakadályozzák a vezetékezési hibákat a fő- és a vezérlőáramkörökben. A SIRIUS vezérlőkontaktorok rugalmas lehetőségeket kínálnak az villamos terhelések kapcsolására, és hagyományos és félvezetős működtetőmechanizmusokkal is el vannak látva.

Az Omron MX2 sorozatú frekvenciaváltók korszerű villanymotor- és gépvezérlést kínálnak, frekvenciaváltós megoldást használva a pontos működés, az energiatakarékosság és a hibavédelem érdekében. Fejlett kialakításával és algoritmusaival az MX2 egyenletes vezérlést kínál egészen nulla fordulatszámig, valamint nyílt hurkú nyomatékszabályozási képességet.

4. ábra: Schneider Electric TeSys hőtúlterhelési relé (kép: Schneider Electric)

A fenntarthatóság hatékonyabb segítése az automatizált gyártósorokon

A mozgató- és mozgásvezérlő berendezések fenntarthatóságra gyakorolt hatásának szemléltetésére tekintsünk meg egy automatizált gyártósort egy gyártóüzemben. Ezek az alkatrészek a szállítószalagok sebességének és a csomagológépek villanymotorjainak pontos vezérlésétől a robotkarok mozgatásáig és a biztonsági rendszerek megvalósításáig lehetővé teszik a gyártók számára, hogy elérjék a fogyasztás és a hulladék minimálisra csökkentésére vonatkozó céljaikat, miközben garantálják a műveletek biztonságát és megbízhatóságát:

Szállítószalag-rendszerek: Az automatizált gyártósoron a szállítószalag-rendszerek kulcsszerepet játszanak az anyagoknak és termékeknek a gyártási folyamat különböző szakaszai közötti szállításában. A Schneider Electric Altivar 212 VSD vagy az Omron MX2 sorozatú frekvenciaváltó beépítésével a szállítószalagok villanymotorjainak fordulatszáma a gyártási sebességhez szükséges módon szabályozható. Azáltal, hogy a szállítószalag optimális sebességgel fut, kisebb lesz a fogyasztás, és kevésbé kopnak a mechanikus alkatrészek. Emellett az olyan lágyindítók, mint a Schneider Electric Altivar™ Soft Starter ATS480, biztosítják a szállítószalag-motorok sima indítását és leállítását, csökkentve a mechanikai igénybevételt, és meghosszabbítva a berendezés élettartamát.

Csomagológépek: A csomagológépek az automatizált gyártósor szerves részét képezik, és a termékek csomagolásáért, lezárásáért és címkézéséért felelősek. Ezek a gépek a következetes és pontos csomagolás lehetővé tétele érdekében gyakran igénylik a villanymotor fordulatszámának és nyomatékának pontos szabályozását. A Schneider Electric ATV320 VFD frekvenciaváltók használatával a csomagológépek villanymotorjait nagy pontossággal lehet vezérelni, ami növeli a rendszer általános teljesítményét és hatásfokát.

Robotkarok: A robotkarokat széles körben használják automata gyártósorokon olyan feladatokra, mint az anyagmozgatás, az összeszerelés és a minőség-ellenőrzés. Ezek a szerszámok több mozgástengely pontos vezérlését igénylik a feladatok pontos és hatékony elvégzéséhez. A Schneider Electric TeSys island kommunikáló villanymotor-indító megszakítói robotkarok motorjainak vezérlésére is alkalmasak. A TeSys island villanymotor-indító megszakítók a bonyolult kábelezés és a PLC be- és kimenetek szükségességének elkerülése révén a robotkar mozgásvezérlő rendszerének gyorsabb kiépítésére és egyszerű beállítására is módot adnak. A beépített digitális illesztőfelület és az intelligens beállítóeszköz leegyszerűsíti az üzembe helyezést és a beállítást, míg a legfontosabb adatok kommunikációs protokollokon keresztül történő elérésének képessége lehetővé teszi a távfelügyeletet és a megelőző karbantartást.

Szivattyúk és ventilátorok: A szivattyúk és ventilátorok létfontosságúak az automata gyártósorok különböző részein, például a hűtőrendszerekben, a hidraulikus motorokban és a szellőzőrendszerekben. Ezen alkatrészek teljesítményének optimalizálásával csökkenthető a fogyasztás, és biztosítható a lehető legnagyobb üzemidő. A Siemens SINAMICS V20 vezérlőegységek kis méretűek, és strapabíró kialakításukkal alkalmasak szivattyúk és ventilátorok ipari környezetben történő vezérlésére. A SINAMICS V20 vezérlőegységek különböző funkciókat tesznek lehetővé, beleértve a PID-vezérlést (PID: proportional-integral-derivative, arányos-integrál-derivált), több szivattyú vezérlését és az energiatakarékos üzemmódokat.

Biztonsági rendszerek: A gyártólétesítményekben rendkívül fontos a személyzet és a berendezések biztonságának megteremtése. A biztonsági besorolással rendelkező kontaktorokkal a gyártósorok magas szintű biztonságát lehet elérni, csökkentve a balesetek és a leállások kockázatát. A Siemens SIRIUS 3RA23 sorozatú irányváltó kontaktorokkal biztonsági funkciókat lehet megvalósítani a villanymotor-vezérlő rendszerekben. Ezek a szerelvények problémamentesen illeszkednek az IEC 61508, az ISO 13849-1 és más hasonló nemzetközi szabványoknak megfelelő funkcionális biztonsági rendszerekbe. A 3RA23 sorozat beépített mechanikus és villamos reteszelési jellemzőinek köszönhetően elkerülhetőek a bekötési hibák, és garantálható a villanymotorok irányváltó áramköreinek biztonságos működése.

5. ábra: A digitális gyárak gyártósorán használt intelligens iparirobot-karok (kép: Shutterstock)

Összegzés

A fejlett mozgató- és mozgásvezérlő rendszerek sok iparágban kritikus tényezőnek számítanak a hatékonyság és a fenntarthatóság segítése terén. Ezeket a technikákat az automata gyártósorokba beépítve a gyártók javíthatják a működési hatékonyságot, csökkenthetik a fogyasztást, a minimalizálhatják az anyagpazarlást, és meghosszabbíthatják a berendezések élettartamát. A DigiKey több gyártótól származó termékválasztéka lehetővé teszi a mérnökök és a tervezők számára, hogy nagy teljesítményű, ugyanakkor környezetbarát rendszereket hozzanak létre. A DigiKey olyan platformot kínál, ahol a mérnökök megismerhetik és összehasonlíthatják a mozgató- és mozgásvezérlő eszközöket, és beszerezhetik a készülékükhöz legmegfelelőbbet.