Blog

Szervohajtás

Ipari trendek a szervohajtásokban: új minőség megteremtése a Melservo J5-tel 1. rész.

15.01.20248 perc olvasás

Az iparban folyamatos a fejlődés és az evolúció, amelynek egyik kulcseleme a hajtás rendszerek, különösen a szervohajtások. A szervorendszerek a fejlett, modern gépek és berendezések szerves részét képezik, precíz vezérlést és működési hatékonyságot biztosítanak.

Bevezetés

Ebben a cikkben bemutatjuk a hajtásmegoldások vezető trendjeit, és azt, hogy a Mitsubishi Electric hogyan reagál ezekre a változásokra a szervohajtás-megoldások legújabb sorozatának - az MR-J5-nek - a bevezetésével. Megvizsgáljuk, hogy az új technológiák hogyan definiálják újra a teljesítmény- és biztonsági szabványokat az iparágban, és milyen előnyökkel járnak a gépgyártók és a felhasználók számára. Végül megtudjuk, hogy a szervohajtások miért kulcsfontosságú elemei az ipar jövőjének, és miért érdemes közelebbről is megvizsgálni megoldásainkat, hogy a forradalmi változások élére álljunk.


Az egyes ipari trendeket külön fejezetben ismertetjük. A cikk első része a következő fejezetekből áll:

  • Pontosságra és hatékonyságra való törekvés
  • Gép- és berendezésbiztonság
  • Különböző hálózati protokollok használata ugyanazon alkalmazáson belül
  • Gépméretcsökkentés

Pontosságra és hatékonyságra való törekvés

Ha röviden felvázolnánk minden ipari géptervező által követett fő célt, azt mondhatnánk, hogy "a hatékonyság maximalizálása a költségek minimalizálása mellett". Ez a logikus megközelítés azt hangsúlyozza, hogy egy gyorsabb gép nagyobb termelési teljesítményt jelent, ami magasabb nyereséget eredményez az adott vállalkozás számára. Ez a tendencia az utóbbi években különösen érezhetővé vált a piacon, amit a gépgyártók közötti fokozott verseny hajtott, és aminek következtében megnőtt a hatékony gépek iránti kereslet. Az Interact Analysis tanulmánya szerint a globális iparág 2021-ben 21,6%-kal, 2022-ben pedig 9,1%-kal növekszik. Az előrejelzések szerint 5,5%-os átlagos éves növekedés várható a következő években.

A Mitsubishi Electric-nél tisztában vagyunk ezzel a tendenciával, ezért a Melservo J5 sorozat a legversenyképesebb hajtáshatékonysági megoldások közé tartozik. Amikor azonban hatékonyságról beszélünk, az első kérdés, amit fel kell tenni, hogy hogyan mérhető ez a hatékonyság? Az egyik legfontosabb befolyásoló tényező a hajtás sebességhurok válaszideje lesz.

A hajtás fordulatszám-hurok válaszideje (gyakran frekvenciában kifejezve) annak az időnek a mértéke, amely alatt a szervohajtás a kívánt értékhez vagy terhelésváltozáshoz igazítja a fordulatszámot.  

A rövidebb válaszidő nagyobb pontosságot és hatékonyságot tesz lehetővé a hajtásrendszer működésében. Az MR-J5 sorozat büszkélkedhet a piacon elérhető leggyorsabb, 3,5 kHz-es sebességhurok válaszadással - ami azt jelenti, hogy minden változás másodpercenként 3500-szor történhet. Lényeges azonban megjegyezni, hogy a hajtáson belüli válaszidő nem feltétlenül jelenti azt, hogy a mozgásparancsot ugyanabban a tartományban tudjuk módosítani, mivel az adatcserét irányító hálózat korlátokat szab. A CC-Link IE TSN 32,5 mikromásodpercenként lehetővé teszi a ciklikus adatcserét a meghajtó és a PLC között, így biztosítva, hogy a hálózati interfész ne korlátozza a hajtást. Ma már tudjuk, hogy a gép hatékonyságát befolyásolja a hálózati késleltetés és a hajtás késleltetése. Egy másik kritikus tényező a motor, mint a gép végrehajtó eleme. Az MR-J5 sorozat PMSM (állandó mágneses szinkronmotor) technológiát alkalmaz.

Hasonló technológiákat más szervomotorgyártók is alkalmaznak, de minket az alkalmazott kialakítás különböztet meg, ami páratlan előnyt biztosít a teljesítményükben. A szervomotorok képességeit legegyszerűbben egy paraméterrel, az úgynevezett teljesítményrátával lehet bemutatni. Ez matematikailag is leírható:

A szervomotorok kulcsfontosságú paramétere a teljesítmény, amely meghatározza a meghajtó dinamikus gyorsítási és lassítási képességét. A motor névleges nyomatéka és tehetetlenségi nyomatéka négyzetének arányát jelenti. 

A grafikonból látható, hogy a mi hajtás megoldásunk a többiekhez képest átlagosan 20%-kal hatékonyabb. Ez a szervok tervezésében szerzett több mint 40 éves tapasztalatunk eredménye.

A motor és a szervoerősítő csatlakoztatását abszolút üzemmódban bemutató ábra

A nagy felbontású enkóder pontos pozicionálást tesz lehetővé, az elem nélküli pozíciótartás pedig biztosítja, hogy az abszolút pozíció soha ne vesszen el, miközben a karbantartó részlegeknek kevesebb karbantartási alkatrészre van szüksége.

Gép- és berendezésbiztonság

Az ipari létesítmények biztonsága alapvető fontosságú mind a munkavállalók, mind a vállalat számára. A gyártók és a végfelhasználók ma már több követelménnyel szembesülnek, mint néhány évvel ezelőtt. Egy gép teljes körülzárása, hogy a felhasználó érintkezését csak a szervizhelyzetekre korlátozzuk, nem mindig lehetséges. Egyre inkább szükséges az emberi interakció egy adott alkalmazással, és ehhez megfelelő biztonsági megoldásokra van szükség. 

Felismerve a probléma súlyosságát, az MR-J5 sorozat jelentős változásokat vezet be a biztonságot illetően. A sorozat minden szervoerősítője alapfelszereltségként 10 biztonsági funkcióval rendelkezik, amelyek megfelelnek az IEC 61508 szabványnak, többek között:

  • STO (Safe Torque Off / Biztonságos nyomaték kikapcsolás) 
  • SS1 (Safe Stop 1 / Biztonságos leállítás 1) 
  • SS2 (Safe stop 2 / Biztonságos leállítás 2) 
  • SOS (Safe Operating Stop / Biztonságos üzemi leállítás) 
  • SBC (Safe Brake Control /Biztonságos fékvezérlés) 
  • SLS (Safely-limited Speed / Biztonságosan korlátozott sebesség) 
  • SSM (Safe Speed Monitoring / Biztonságos sebességfigyelés) 
  • SDI (Safe-Limited Direction / Biztonságos irány)
  • SLI (Safely-limited Increment / Biztonságosan korlátozott lépésköz) 
  • SLT (Safely-limited Torque / Biztonságosan korlátozott nyomaték)

Az olyan biztonsági funkciók, mint a Biztonságos nyomaték kikapcsolás vagy a “biztonságos leállítás 1” már régóta ismertek és széles körben használatosak, de fontos figyelembe venni további, kevésbé ismert biztonsági funkciókat is, mint például a “biztonságosan korlátozott nyomaték”. Ez a funkció lehetővé teszi egy biztonságos nyomatékhatár beállítását, hogy megelőzze a véletlen sérüléseket, amelyeket például a felhasználó kezét nyomó hajtás okoz. Ezenkívül a kiegészítő biztonsági enkóderrel ellátott motorok használata (az MR-J5 sorozatban is elérhető) lehetővé teszi a magasabb SIL-kategóriák elérését.

A biztonság fejlesztése egy másik igényt is elindított - a biztonsági jelek Ethernet-hálózatokon keresztül történő küldését. Az MR-J5 hajtások alapfelszereltségként ezzel a funkcióval is fel vannak szerelve. A biztonsági jelek nemcsak a Mitsubishi Electric saját hálózatán (CC-Link IE TSN), hanem más hálózatokon keresztül is aktiválhatók, amint azt a cikk későbbi részében tárgyaljuk.

A CC-Link IE TSN hálózaton lévő biztonsági eszközök csatlakozási példája

Különböző hálózati protokollok használata ugyanazon alkalmazáson belül

A mai dinamikus ipari környezetben, ahol a hatékonyság és a rugalmasság alapvető kihívás, egyre gyakrabban van szükség különböző kommunikációs protokollok és hálózatok használatára egy gépen belül. A piacon jelenlévő gyártók növekvő száma és a megoldások terén megnövekedett verseny miatt, kihívás egyetlen hálózati protokollra támaszkodni. Ez a kihívás rávilágít a különböző kommunikációs protokollok és hálózatok egy gépen belüli alkalmazásának fontosságára.

Több hálózati interfész használata egyetlen alkalmazásban

A megfelelő hálózat kiválasztása gyakran függ az adott alkalmazástól, a sávszélességi követelményektől, a válaszidőtől vagy (különösen az utóbbi években) az eszközök piaci elérhetőségétől. Az MR-J5 sorozat több hálózati protokoll támogatásával megfelel ezeknek a követelményeknek.


A CC-Link IE TSN támogatás mellett szervohajtásaink az EtherCAT protokollal is teljes mértékben kompatibilisek.
Mit jelent ez?


EtherCAT-vezérlők teljes körű támogatása: az MR-J5 könnyedén csatlakozik az EtherCAT hálózatot támogató mozgásvezérlőkhöz. Ez lehetővé teszi például a hajtások teljes szinkronizálását a hálózaton belül 125 µs-os ciklussal. A CiA402 Drive Profile szabványnak való megfelelés biztosítja a kompatibilitást más hálózati elemekkel, és a PLCopen kompatibilitás révén megkönnyíti a programozást.


Kompatibilitás a CoE, FoE, EoE kommunikációs funkciókkal
, nevezetesen CANopen over EtherCAT, File over EtherCAT és Ethernet over EtherCAT. Az egyes protokollok különböző hálózati funkciók használatát teszik lehetővé, mint például a fájlátvitel vagy az adatátvitel, pl. diagnosztikai adatok. Az MR-J5 sorozat további, az EtherCAT-hajtások gyártói által gyakran nem támogatott alkalmazásokat is megtalálhatóak, mint például a szervohajtások hálózaton keresztüli önbeállításának/autotuning kiváltása (az EoE-kompatibilitás miatt lehetséges).


Kompatibilitás a Fail Safety over EtherCAT (FSoE) rendszerrel

Ahogy az előző szakaszban említettük, a gép- és berendezésbiztonság prioritást élvez az iparban. Az MR-J5 támogatja az FSoE-t, lehetővé téve a funkcionális biztonság használatát közvetlenül az EtherCAT hálózaton keresztül. Ez megnyitja az utat a hajtás sorozatainkba beépített fejlett felügyeleti funkciók és vészleállítások előtt, hardveres kábelezés/bekötés nélkül.

Gépi méretcsökkentés

A mai iparban egyre nagyobb a trend a kompakt megoldások felé, amelyek kevesebb helyet foglalnak el a gyártóüzemben. Ez abból az igényből fakad, hogy maximalizálni kell a rendelkezésre álló hely kihasználását, miközben az ipari gépek gyártási és karbantartási költségeinek csökkentésére törekszenek az integrációs rugalmasság és a meglévő infrastruktúrához való alkalmazkodóképesség növelésével. Ebben az összefüggésben az alkalmazásban lévő eszközök méretének csökkentése, mind a munkatérben, mind az elektromos szekrényben, a tervezés kulcsfontosságú szempontjává vált.

Az MR-J5 szervohajtás-sorozatot azzal a céllal hozták létre, hogy a hajtások által elfoglalt helyet minimalizálják. Hogyan oldották meg a kompaktsággal kapcsolatos kihívásokat? 

Az elektromos szekrényben elfoglalt helynek a csökkentése többtengelyes erősítő megoldások használatával lehetséges (kisebb alkalmazásokhoz) vagy közös DC buszos rendszerekkel. A 3 tengelyes erősítők használata esetén a szekrényben a helycsökkentés elérheti akár a 40%-ot is a standard megoldásokhoz képest.

A közös DC buszos rendszerek, mint például az MR-J5D használata még nagyobb helytakarékosságot tesz lehetővé az eszközök modularitása és a rendszeren belüli 2 és 3 tengelyes erősítők elérhetősége miatt. Az ezzel a megoldással garantált 50%-os csökkentés lehetővé teszi, hogy egy elektromos szekrénybe kétszer annyi hajtásvezérlőt illesszenek be, ezáltal felére csökkentve azt.

Az alábbiakban összehasonlítjuk az egytengelyes erősítők helyigényét a többtengelyesekkel szemben (400 W-os hajtásokkal példaként):

Az egytengelyes erősítők helyigényének összehasonlítása egy közös DC buszrendszerrel összehasonlítva:

Az MR-J5D sorozatú hajtások használata további helytakarékosságot eredményez a szekrényben. Mivel a teljes rendszerhez csak egy tápegységre (energia-visszanyerő átalakító) van szükség, csökken a védőeszközök száma, kizárólag a tápegység előtt telepített védelmek esetében.

Ezenkívül csak egy EMC/EMI-zavarszűrőt kell felszerelni. Kétségtelenül jelentős előnyt jelent a kisebb elektromos szekrény, de gyakrabban előfordul, hogy az alkalmazás munkarészében helyhiány van. Hogyan kezelhető ez a probléma? Egyszerűen telepítsen kisebb motorokat! Az MR-J5 sorozatú motorok akár 40%-kal rövidebbek, mint a piacon kapható egyenértékű megoldások. Az alkalmazott tekercs- és enkóder szerkezeti technológia lehetővé teszi a piacon kapható egyik legkompaktabb megoldás kialakítását.

A lapos típusú motorokat olyan alkalmazásokban használják, ahol nagyon kevés hely áll rendelkezésre a hajtás beépítéséhez. Emellett a megnövelt peremnek köszönhetően a rotor tehetetlensége is megnövekedett, ami lehetővé teszi, hogy bizonyos esetekben mechanikus hajtómű nélkül is használhatók legyenek, tovább csökkentve a szükséges beépítési helyet. 

Még mindig nem elég a hely? Szerencsére az MR-J5 sorozatú hajtások egykábeles csatlakozóval vannak felszerelve, ami azt jelenti, hogy minden hajtásból csak egy kábel jön ki. Ez jelentősen csökkenti a gépen belüli kábelezés mennyiségét, és nemcsak a kábeltálcákat tehermentesíti, hanem a telepítési folyamatot is lerövidíti és egyszerűsíti.  

A Mitsubishi Electric portfóliójában szereplő motorhosszúságok összehasonlítása, fentről lefelé: HG-KR a korábbi MR-J4 szervohajtás-sorozatból, HK-KT és HK-KT_U az MR-J5 sorozatból:


Témák

Szervohajtás

Elérhetőségek