intralogistyka

Napędy elektryczne w intralogistyce

Trudno wyobrazić sobie współczesny, zautomatyzowany system intralogistyczny bez napędów elektrycznych stosowanych głównie w magazynach. Wszystkie układy transportowe, poczynając od transporterów pasowych i rolkowych, a na pojazdach typu AGV kończąc, wymagają napędu. W większości przypadków rolę tę pełnią silniki elektryczne, którym poświęcamy ten artykuł.

Silnik indukcyjny stał się podstawową siłą napędową współczesnego magazynu i to w dosłownym tego słowa znaczeniu. Współczesne zautomatyzowane systemy intralogistyczne zawierają w sobie dziesiątki, a czasami setki, ciągów transportowych, których zadaniem jest nie tylko przemieszczenie produktu z punku A do punktu B, ale również sprawienie, aby dana paczka lub paleta dojechała na miejsce w ściśle określonym „okienku” czasowym, w którym często istotne są dziesiąte części sekundy. 

Precyzyjne kontrolowanie prędkości i pozycji przemieszczanego ładunku możliwe jest dzięki zasilaniu silników transporterów z przemienników częstotliwości, które powoli stają się wyposażeniem obowiązkowym każdego układu transportowego. Dobór właściwego „napędu” do systemu nie jest jednak łatwym zadaniem. Dostawcy, tacy jak Siemens, oferują szeroki wachlarz przemienników częstotliwości, poczynając od SINAMICS V20 i SINAMICS G120C/G120 przeznaczonych do zabudowy w szafie, poprzez SINAMICS G110M, G110D dedykowanych do montażu bezpośrednio na silniku lub ramie maszyny (transportera), a kończąc na SINAMICS G120D. Te ostatnie oprócz zabudowy poza szafą dają m.in. możliwość pozycjonowania, uruchomienia rozszerzonych funkcji SAFETY, takich jak SS1 i SLS, jak również zapewniają opcję zwrotu energii do sieci.

Od jesieni 2020 w rodzinie SINAMICS pojawił się nowy napęd – SINAMICS G115D, który jako napęd zdecentralizowany wyposażony w szereg funkcji przydatnych w intralogistyce idealnie wpisuje się w potrzeby tego rynku.

 

Co właściwie oznacza napęd zdecentralizowany?

Jest to napęd, który nie wymaga zabudowy w szafie sterowniczej, a więc zapewnia wysoki stopień ochrony i może być swobodnie instalowany na ramie transportera lub bezpośrednio na silniku indukcyjnym. SINAMICS G115D wykonany jest w stopniu ochrony IP66 w wersji z dławikami kablowymi lub IP65 w wersji z przewodami podłączanymi poprzez wtyczki. Oznacza to, że przekształtnik ten jest w pełni zabezpieczony przed pyłem, a nawet silną strugą wody. „D” (z ang. distributed) oznacza również możliwość wygodnego łączenia napędów w układzie tzw. „daisy chain” (od jednego do drugiego) przy pomocy złącz Q4/2, MQ16. W serii G115D istnieje również możliwość wyboru podłączenia sieci z wykorzystaniem łączy typu: „QUICKON”. Nie bez znaczenia pozostaje również fakt, że G115D przystosowany jest do pracy w szerokim zakresie temperatur od -30°C do 40/55°C, co jest szczególnie istotne w przypadku magazynów spożywczych. Uzupełniając, można dodać, że przemienniki G115D mogą współpracować z również silnikami reluktancyjnymi, co daje wymierne korzyści w postaci oszczędności energii elektrycznej.

Dlaczego warto stosować przekształtniki częstotliwości montowane poza szafą?
Zastosowanie napędów zdecentralizowanych, takich jak SINAMICS G115D, daje szereg korzyści. Jedną z podstawowych jest radykalne zmniejszenie wielkości szafy sterowniczej. Zautomatyzowany magazyn bądź centrum logistyczne to nierzadko kilkadziesiąt, a czasem kilkaset napędów przekształtnikowych. Przy kilkuset przemiennikach częstotliwości w klasycznym rozwiązaniu, gdzie przemienniki montowane są w szafach sterowniczych, szafy te mogą rozrastać się do niebagatelnych rozmiarów. Także generowane przez nie dodatkowe ciepło nie pozostaje bez znaczenia. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie przemienników zabudowanych bezpośrednio na silniku lub ramie przenośnika, takich jak SINAMICS G115D. Pozwala ono:
- ograniczyć do minimum lub wyeliminować konieczność stosowania ekranowanych przewodów silnikowych, których w systemach intralogistycznych potrafią być dziesiątki kilometrów, tym samym znacząco redukując koszty,
- zmniejszyć radykalnie wielkość szaf sterowniczych lub nawet zrezygnować z części z nich,
- ograniczyć koszty związane z pracami montażowymi (SINAMICS G115D występuje w wersji montowanej bezpośrednio na silniku) oraz z prowadzeniem przewodów,
- uprościć prace związane z utrzymaniem ruchu i serwisowe: jeżeli transporter jest niesprawny, wówczas łatwo zlokalizować jego przemiennik, który znajduje się tuż obok. Dodatkowo, wyłącznik serwisowy umieszczony bezpośrednio na przemienniku daje pewność, że zasilanie jest wyłączone w przypadku konieczności podjęcia prac przy obwodzie elektrycznym silnika.

Motoreduktor z przemiennikiem czy przemiennik z motoreduktorem?

SINAMICS G115D to przemiennik, który może występować w dwóch wariantach:
- układ przeznaczony do montażu bezpośrednio na silniku – Motor Mounted
- przemiennik przeznaczony do tzw. montażu na ścianie lub ramie maszyny – Wall Mounted

Ten sam SINAMICS G115D wystpępuje w dwóch opcjach, które dzielą ten sam moduł elektroniki. Takie rozwiązanie dodatkowo ułatwia serwisowanie oraz pozwala zmiejszyć liczbę wymaganych części zamiennych, co jest szczególne istotne z punktu widzenia służb utrzymania ruchu. 

Wersja do zabudowy na silniku może być połączona z silnikami indukcyjnymi lub reluktancyjnymi, które z kolei mogą współpracować z czterema typami przekładni: walcową, walcową płaską, stożkową oraz walcowo-ślimakową – dzięki czemu konstruktorzy mechanicy mają pełną swobodę wyboru właściwego wariantu wykonania. Największe dostępne motoreduktory zapeniają do 1850Nm momentu obrotowego na wyjściu przekładni.

Sprawdzona w wielu praktycznych zastosowaniach rodzina przekładni Siemens SIMOGEAR przystosowana została do pracy w różnych warunkach środowiskowych oraz na różnych szerokościach geograficznych. Urządzenia te posiadają właściwe certyfikaty dla regionów takich jak Unia Europejska, USA, Chiny, Korea, Rosja i Indie.

Bezpieczeństwo, bezpieczeństwo i jeszcze raz bezpieczeństwo!

Po pierwsze, rozbudowane układy logistyczne powinny być nadzorowane i zarządzane z centralnego miejsca.
Zarówno producenci maszyn, jak i integratorzy systemów logistycznych, muszą dbać o zachowanie odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa swoich produktów i systemów. Zapewnienie właściwego poziomu ochrony użytkownikom bardzo rozległych systemów intralogistycznych nie jest prostym zadaniem, szczególnie gdy cały układ musi być podzielony na niezależne strefy bezpieczeństwa. Rozwiązaniem, które proponuje Siemens jest stworzenie systemu zintegrowanego bazującego na sterownikach SIMATIC Fail-Safe. Połączenie centralnego układu sterowania opartego o sterownik SIMATIC oraz zintegrowanego w tym samym PLC systemu bezpieczeństwa daje najwyższą dostępność linii i jednocześnie pozwala zapewnić ochronę użytkowników na maksymalnym poziomie. Dodatkowo wydzielenie oddzielnych stref bezpieczeństwa w takim układzie i zapewnienie ciągłości przepływu towaru, nawet gdy poszczególne strefy bezpieczeństwa są aktywowane, jest wykonalne jedynie, gdy zarządza tym centralny system taki jak SIMATIC S7-1500F.

Po drugie, funkcje bezpieczeństwa powinny być zintegrowane w urządzeniach wykonawczych. Przemienniki częstotliwości SINAMICS G115D odpowiedzialne są za kontrolę prędkości obrotowej silników do nich podłączonych oraz zapewniają odpowiedni poziom bezpieczeństwa dzięki zintegrowanej funkcji STO (Safe Torque Off). Aktywowanie STO gwarantuje, że do uzwojeń silnika nie jest dostarczana energia, a tym samym silnik pozostaje w spoczynku. STO w G115D zapewnia poziom bezpieczeństwa PL d / SIL 2 zgodnie z EN13849-1/IEC 61508. Funkcja STO dostępna jest standardowo w każdym napędzie G115D i nie wymaga dodatkowych kart lub licencji.

Po trzecie, układ bezpieczeństwa powinien być łatwy w obsłudze, konfiguracji i diagnostyce.
Spełnienie wszystkich trzech wymagań jest możliwe przy zastosowaniu centralnego sterownika Fail-Safe oraz cyfrowej wymianie informacji pomiędzy PLC, a przekształtnikami – czyli PROFIsafe.
PROFIsafe pozwala aktywować funkcje bezpieczeństwa STO w przekształtnikach SINAMICS G115D poprzez to samo fizyczne połączenie PROFINET, które służy do sterowania oraz zadawania prędkości. PROFIsafe pozwala na sterowanie, diagnozowanie i zarządzanie funkcjami bezpieczeństwa prostych oraz bardzo rozbudowanych układów automatyki, zawierających dziesiątki przekształtników SINAMICS G115D, tym samym 4-żyłowym patchcordem PROFINET. Wydzielanie poszczególnych stref bezpieczeństwa i sterowanie funkcją STO w każdym z przekształtników z osobna staje się dzięki PROFIsafe dziecinnie proste. Sterowanie funkcją STO poprzez PROFIsafe eliminuje konieczność doprowadzania dodatkowych przewodów i dokładania dodatkowych kart wejść/wyjść safety, co przekłada się na realne oszczędności przy zakupie sprzętu, zwłaszcza uwzględniając fakt, że lokalne przyciski zatrzymania awaryjnego można łączyć do bezpiecznych wejść G115D  sygnały te są dostępne do dalszego wykorzystania  w nadrzędnym systemie sterowania Fail-Safe.

Gdzie szukać oszczędności? Koszty inwestycji a koszty użytkowania

Intralogistyka to przede wszystkim transport i duża liczba napędów elektrycznych. Pomimo, że stosowane w transporterach i przenośnikach silniki elektryczne zazwyczaj nie są dużych mocy (0,25-075kW) to ich duża liczba przekłada się również na znaczne zapotrzebowanie na energię w skali całego magazynu lub linii sortowniczej. Systemy intralogistyczne nierzadko wyposażone są w setki silników napędzających poszczególne układy. Przyjmując magazyn wyposażony w 200 silników, każdy o mocy 0,25kW, uzyskujemy 50kW pobieranej energii. Przyjmując pracę 250 dni w roku w czasie 16h/dobę można założyć, że taki układ potrzebuje ok. 200 000 kWh energii, co przy koszcie energii na poziomie 0,55 zł/kWh daje 110 000 zł w skali roku.

Jednym z kroków na drodze oszczędności jest zastosowanie silników reluktancyjnych zamiast standardowych silników indukcyjnych. Sprawności silników reluktancyjnych w znamionowym punkcie pracy są wyższe niż silników w klasie energetycznej IE4. W przypadku pracy z niepełnym obciążeniem korzyści na rzecz silników reluktancyjnych są jeszcze wyższe.

Kolejnym parametrem, na który należy zwrócić uwagę jest moment bezwładności poszczególnych typów silników. Silniki reluktancyjne charakteryzują się wyraźnie mniejszymi momentami bezwładności wirników w porównaniu do tradycyjnych silników w klasie IE3 oraz IE4, co w przypadku aplikacji pracujących w trybie start-stop również wpływa pozytywnie na zużycie energii.


Silniki reluktancyjne charakteryzują się bardzo małymi stratami termicznymi w wirniku, co powoduje, że ich rezerwa termiczna jest wyższa w porównaniu do tradycyjnych silników indukcyjnych. Ze względu na wyższą rezerwę termiczną silniki reluktancyjne mogą pracować długotrwale przy prędkościach dochodzących nawet do 10% wartości prędkości znamionowej bez przegrzewania się – co jest niezwykle istotne w układach przenośnikowych wymagających szerokiego zakresu regulacji prędkości.

Właściwe narzędzia to skrócenie czasu doboru, uruchomienia i diagnostyki automatycznych systemów intralogistycznych

Z punktu widzenia klienta końcowego czy integratora układów intralogistycznych, pożądany jest jak najkrótszy czas wprowadzania nowych rozwiązań do zakładów produkcyjnych, automatycznych magazynów czy sortowni. Praca inżynierów mechaników przy doborze napędów elektrycznych, programistów przy ich uruchomieniu czy techników elektryków przy połączeniu elektrycznym silników i przekształtników stanowi istotną część kosztów związanych z prowadzeniem projektu automatyzacji magazynu lub sortowni. Dobór właściwych narzędzi do doboru napędów elektrycznych, ich uruchomienia oraz diagnostyki jest niezwykle istotny i może mieć znaczący wpływ na koszty całego przedsięwzięcia.

TIA Selection Tool to podstawowe narzędzie, które pozwala szybko i precyzyjnie dobrać właściwy napęd elektryczny do danej maszyny. TIA Selection Tool pomaga właściwie dostosować elementy automatyki, a także napędów SINAMICS, w tym również G115D oraz motoreduktorów SIMOGEAR. Narzędzie dostępne jest w wersji on-line oraz off-line.

TIA Portal i Startdrive
to narzędzia dobrze znane wśród automatyków i elektryków. Startdrive jest dodatkiem do TIA Portal umożliwiającym konfigurację, uruchomienie i diagnostykę napędów SINAMICS. Stanowi on pojedyncze zintegrowane środowisko inżynierskie, w którym można zaprogramować i uruchomić elementy automatyki nowoczesnego sytemu intralogistycznego.

Układy transportowe w intralogistyce to często wiele takich samych napędów przekształtnikowych wymagających podobnej lub takiej samej konfiguracji. Startdrive to narzędzie, które radykalnie usprawnia seryjne uruchomienie napędów elektrycznych.

SINAMICS SMART ACCESS to urządzenie, dzięki któremu można skonfigurować przemiennik częstotliwości z dowolnego urządzenia mobilnego poprzez przeglądarkę internetową. Do konfiguracji, uruchomienia, testowania i diagnostyki napędów SINAMICS wystarczy aktualnie dowolny smartfon i zwykła przeglądarka internetowa obsługująca HTTPS/HTTP. 

Pobierz

Elastyczność produkcji jako czynnik wspierający bezpieczeństwo biznesu – pobierz raport

Kontakt

Adam Wolkiewicz

Siemens Polska
Wyślij e-mail

Zapisz się do newslettera

Interesują Cię aktualności Siemens Polska? Zasubskrybuj nasz Newsletter