Servopohony sa v praxi presadzujú čoraz viac

Sám som si nevedel predstaviť, či sa s niekým dokážeme porozprávať na technicky náročnú, ale zároveň aktuálnu tému o čoraz častejšie nasadzovaných servopohonoch v priemyselnej praxi tak, aby to bolo čitateľsky zaujímavé. Po vyšpecifikovaní okruhov tém sme ich poslali do B+R automatizace, spol. s r. o., o. z. Pozvanie k redakčnému mikrofónu prijal Juraj Bielesch, ktorý aj vďaka svojim niekoľkoročným skúsenostiam poodhalil pútavým spôsobom najmä praktickú stránku výberu, využívania a trendov v oblasti servopohonov.
Servopohony sa v praxi presadzujú čoraz viac

Kedy je vhodné uprednostniť servopohon pred iným typom riadenia pohybu?

Odpoveď na túto otázku má niekoľko rovín. Jedna je tá technická, druhá finančná. V porovnaní s inými typmi motorov, ako sú jednosmerné, striedavé s frekvenčnými meničmi či krokové motory, servomotory sú ich adekvátnou náhradou a často lepším riešením, avšak za vyššiu cenu. To, kvôli čomu sa stále používajú tie iné typy motorov a pohonov, je dané celkovou cenou samotného riešenia. Je veľký rozdiel, ak v prípade asynchrónneho motora máme jednoduchý rotor a v prípade servomotora rotor s permanentným magnetom, ktorý je niekoľkonásobne drahší. Dôležité je aj to, čo od pohonu očakávame. Každý z uvedených typov má svoje výhody aj nevýhody. Asynchrónne motory sú zaujímavé cenou, krokové motory ponúkajú pri malých rozmeroch vysoký krútiaci moment. Z hľadiska dynamiky, rýchlosti, možnosti synchronizácie či životnosti je však servopohon najmodernejším riešením. Jeho ambíciou nie je nahradiť riešenia pre jednoduchšie aplikácie, napr. riadenie otáčok čerpadiel či ventilátorov. Jeho doménou sú aplikácie presného polohovania, synchronizácie viacerých osí, CNC či robotické aplikácie a pod.

Ako správne vyberať servopohon a ktoré parametre sú pri výbere rozhodujúce?

Hneď na začiatku je dôležitá dôkladná analýza aplikácie, čo od pohonu očakávame, čo by mal zabezpečovať. Nie je totiž servopohon ako servopohon. Sú servopohony, ktoré sú určené pre jednoduchšie typy aplikácií polohovania typu bod – bod. Robiť s nimi riadenie viacerých osí alebo synchronizované pohyby môže byť náročnejšie, alebo to celé musí zastrešovať nadradený riadiaci systém, čím sa stráca výhoda odbremenenia riadiaceho systému od zložitých výpočtov. Postup výberu by sa mal teda odraziť od konštrukcie zariadenia a tej jeho časti, ktorú má servopohon polohovať, od jeho hmotnosti, trenia a pod. V tomto momente musí existovať úzka spolupráca medzi výrobcom zariadenia a dodávateľom servopohonu, aby sa dosiahlo optimálne riešenie. Krútiaci moment a otáčky sú len niektorými z parametrov, ktoré sa zohľadňujú pri výbere servopohonu. Ďalším dôležitým parametrom je aj moment zotrvačnosti polohovanej sústavy, ktorý tiež do značnej miery ovplyvňuje výber servopohonu.

Niekedy totiž treba použiť aj o rád výkonnejší servopohon alebo prevodovku, aby sme dokázali vykompenzovať práve vplyv rozdielu zotrvačných hmôt na strane pohonu a samotnej polohovanej konštrukcie zariadenia. V presných aplikáciách polohovania nemožno oscilovať okolo žiadanej hodnoty, preto sa to musí správne nadimenzovať už na začiatku. V neposlednom rade je dôležité aj rozlíšenie spätnej väzby. Či si vystačíme s inkrementálnym snímačom polohy, alebo potrebujeme absolútny snímač, čo je v podstate ľahko identifikovateľné. Čomu sa však treba venovať, je rozlíšenie enkodéra vzhľadom na rýchlosť aplikácie. Na to vplývajú dva faktory. Minimálna a maximálne ustálená rýchlosť, akou sa pohon bude reálne pohybovať, a tiež rýchlosť polohovej slučky samotného regulátora. Koľko impulzov dostaneme za jednu periódu vzorkovania, určuje presnosť, ako budeme schopní pohyb motora regulovať. Takže to sú také praktické skúsenosti, s ktorými prichádzame do kontaktu pri dimenzovaní servopohonov.

Uvedené kritériá sa skôr týkali servomotora. Dajú sa definovať kritériá výberu aj pre samotnú riadiacu jednotku?

Zjednodušene sa dá povedať, že podľa tabuľky vyberieme ku konkrétnemu typu motora aj riadiacu jednotku. Často to však nie je optimálne riešenie. Malo by to byť o prepočítaní, aký reálny prúd vrátane rezervy budeme potrebovať na polohovanie záťaže a až k tomu si nadimenzujeme pohon. Ďalej výber riadiacej jednotky determinuje aj to, aké máme k dispozícii napájanie – jedno- alebo trojfázová sústava, alebo to budeme napájať priamo cez DC zbernicu. Či ide o osamelý pohon alebo sústavu pohonov, kedy má zmysel použiť riešenie s viacerými servomeničmi, ktoré využívajú spoločnú DC zbernicu, brzdné odpory a pod., podľa toho, čo je pre danú aplikáciu výhodné.

Riadiacu jednotku možno umiestniť priamo na motor alebo v jeho blízkosti, alebo štandardne do rozvádzača s pripojením cez káble k motoru. Pokiaľ teda ide o aplikáciu s viacerými motormi a pohonmi, je z technického aj finančného hľadiska výhodnejšie použiť viacosový systém. Tým máme len jedno pripojenie na napájanie a zaberá to menej miesta v rozvádzači. Vďaka riešeniu so spoločnou DC zbernicou možno väčšinu prebytočnej energie, ktorá vzniká pri brzdení motora spätne po zbernici, využiť pre motory, ktoré zrýchľujú pohyb. Vďaka takémuto riešeniu sa nielen šetrí energia, ktorú by sme na zrýchlenie pohybu motora museli odobrať zo siete, ale sa v rámci brzdných odporov negeneruje teplo, ktoré nie je pri činnosti elektronických zariadení práve vítané, či už sú umiestnené v rozvádzači, alebo v exteriéri.

Je dôležité pri výbere servopohonu orientovať sa aj v tom, kto bude jeho výrobcom, dodávateľom?

Veľmi dobrá otázka, pretože si myslím, že v dnešnej dobe je to jeden z najdôležitejších parametrov. Jedna vec je servopohon dodať, ale tým sa celý proces len začína. Zákazník však bude pri jeho nasadzovaní a riešení vznikajúcich problémov potrebovať podporu. Veľa veciam sa dá predísť práve tým, že dodávateľ dokáže kompetentne poradiť a pomôcť s výberom správneho servopohonu pre konkrétnu aplikáciu vrátane pomocných prepočtov a pod. Možno sa dá v prípade zle navrhnutého riešenia nejaký komponent vymeniť, ale stratený čas sa vrátiť nedá.

Aké možnosti ponúkajú servopohony z hľadiska náhleho výpadku napájania?

To je práve výhoda umiestnenia servopohonov na jednu DC zbernicu, keď po výpadku energie a brzdení motory samy generujú energiu, ktorú dokážu využiť na svoje bezpečné núdzové odstavenie; túto energiu zároveň dokáže zužitkovať aj riadiaci systém, ktorý môže synchronizovane odstaviť motory aj bez prítomnosti hlavného napájania. Servopohony sa v praxi presadzujú čoraz viac sám som si nevedel predstaviť, či sa s niekým dokážeme porozprávať na technicky náročnú, ale zároveň aktuálnu tému o čoraz častejšie nasadzovaných servopohonoch v priemyselnej praxi tak, aby to bolo čitateľsky zaujímavé. po vyšpecifikovaní okruhov tém sme ich poslali do B+r automatizace, spol. s r. o., o. z. pozvanie k redakčnému mikrofónu prijal juraj Bielesch, ktorý aj vďaka svojim niekoľkoročným skúsenostiam poodhalil pútavým spôsobom najmä praktickú stránku výberu, využívania a trendov v oblasti servopohonov.

Čo všetko prináša digitálne riadenie servopohonov?

Vďaka digitálnemu riadeniu sa nám ponúka podstatne viac informácií o servomotore ako kedykoľvek do teraz. Dnes je už štandardom mať k dispozícii teplotu motora, ovládacej jednotky, poznať hodnotu krútiaceho momentu a prúdu a pod. Navyše môžeme mať k dispozícii aj ďalšie diagnostické informácie, napr. nielen to, že servomotor má poruchu, ale čo bolo príčinou zastavenia a pod. V našom prípade používame v oblasti servopohonov komunikačnú zbernicu Ethernet Powerlink, ktorú sme vyvinuli práve na spracovanie veľkého objemu údajov v reálnom čase. Podstatný je v tomto prípade časový determinizmus.

Aké sú praktické prínosy využívania diagnostiky, resp. autodiagnostiky servopohonov?

Od roku 1999 máme v našom produktovom rade servopohonov ACOPOS definované teplotné modely motorov. Systém v prípade dosiahnutia hraničnej teploty nereaguje okamžitým vypnutím motora, ale na základe matematického modelu vieme povedať, že keď bude motor zaťažený stále tým istým spôsobom, tak sa prehreje v konkrétnom momente. No vďaka modelu vieme zabezpečiť aj to, že servopohon si priebeh nárastu teploty sleduje a aj keby už bol na hraničnej hodnote, ale trend to vyhodnotí ako ochladzovanie, tak motor automaticky nevypne. Nie je tam teda jednoduchý časovač, ale prepracovaný matematický model.

Aký je význam a dôležitosť snímačov v servopohonoch?

Aspoň v prípade našej spoločnosti vnímame ich využívanie v čoraz menšom rozsahu, nakoľko naše systémy už namiesto nich využívajú sofistikované matematické modely. Samozrejme v aplikáciách, ktoré to umožňujú. Matematický model umožňuje v týchto prípadoch riadiť servomotor bez spätnej väzby, čo ešte nedávno vôbec nebolo možné. Model motora je priamo implementovaný v servopohone, pričom dokáže s vysokou presnosťou riadiť motor. Matematické modely sa budú neustále vylepšovať a k dispozícii bude aj čoraz vyšší výpočtový výkon. Z pohľadu výrobcu zariadení šetrí matematický model náklady na inštaláciu snímačov, čo sú pri stovkách vyrobených strojov za rok nemalé úspory. V súčasnosti je trend taký, že okrem modelu motora sa do servopohonu dá zadať aj matematický model regulovanej sústavy.

A moderné servopohony sú v súčasnosti osádzané aj nejakým typom spätnej väzby, aj matematickými modelmi. Aký je príspevok servopohonov k energetickej účinnosti a bez - pečnosti? Pekným príkladom je porovnanie riadenia krokového motora a servopohonu. Ak v prípade krokového motora nastavíme riadiaci prúd napr. na 3 A a či pôjde otáčkami 100, 200 alebo 500 za minútu, stále bude riadiaca jednotka budiť motor prúdom 3 A, či to je, alebo nie je potrebné. Servopohon si na rozdiel od toho zoberie zo siete len toľko prúdu, koľko reálne potrebuje na dosiahnutie stanoveného krútiaceho momentu. Servopohon môže navyše dosiahnuť definovaný krútiaci moment aj pri nulových otáčkach, čo je veľmi náročné pri asynchrónnych aj krokových motoroch. Ďalšou výhodou je aj existencia rezervy nominálneho krútiaceho momentu oproti maximálnemu, keď to predstavuje niekoľkonásobnú hodnotu nominálneho momentu, pokiaľ to dovoľuje teplota motora.

Čo sa týka bezpečnosti, osobne som ešte na trhu nevidel bezpečnostný krokový pohon, ale bezpečnostných servopohonov je už niekoľko. Majú v sebe zakomponované bezpečnostné funkcie, ako je bezpečne monitorovaná rýchlosť, krútiaci moment, poloha či bezpečné zastavenie, a je ich oveľa viac. Benefit pre koncového používateľa je v tom, že aby sme mohli vyhlásiť servopohon za bezpečný, nie vždy je nutné jeho odpojenie od elektrickej energie. Pri bezpečnom zastavení pojazdu nejakého stroja riadeného viacerými servomotormi sa snažíme o to, aby brzdenie servomotorov prebiehalo po nejakej naprogramovanej trajektórii, jednak aby sa pojazd zastavil čo najrýchlejšie v takej polohe, ktorá je bezpečná, jednak aby sa motory zastavili tak synchrónne, aby pri znovuspustení aplikácie plynule nabehli do synchrónneho chodu.

Kde sa uberá trend v servopohonoch, alebo už je takmer všetko vyriešené?

Myslím si, že ľudská túžba neustále napredovať a zlepšovať veci okolo seba sa nevyhne ani oblasti servopohonov. Hovoril som o matematických modeloch, prídu nové možnosti z hľadiska nových softvérových aplikácií, nové materiály a spôsoby odvodu tepla, čo umožní ďalej zvyšovať výkon servopohonov. Z môjho pohľadu určite budú trendom pohony s dlhými, rozvinutými statormi, ktoré sa svojimi vlastnosťami podobajú na servopohony. Táto nová technológia, ktorú máme už aj v našom portfóliu pod označením ACOPOStrack, umožňuje umiestniť na jeden dlhý stator viacero „rotorov“, v skutočnosti vozíkov s permanentnými magnetmi. Ide tu o rýdzo mechatronické riešenie, keď môžu vozíky prechádzať medzi viacerými vzájomne prepojenými statormi. Prax si od týchto riešení sľubuje veľa. A to ešte teraz ani nevieme, z ktorého odboru nám prihrajú nejakú technológiu, ktorá pomôže možno skokovo posunúť aj oblasť servopohonov. Stále aj v praktických aplikáciách narážame na obmedzenia, ktoré nevyriešia ani samotné servopohony, ale keby sme mali ešte niečo navyše, riešenie danej aplikácie by bolo elegantné. Priestor na zlepšenia teda určite existuje.

Ďakujeme za rozhovor.