Effektivitet och hållbarhet i industrin med lösningar för rörelse- och styrsystem

Figur 1: Vattenpumpar i ett stort kraftverk. (Bildkälla: Shutterstock)

Med tanke på miljöutmaningarna och behovet av hållbar elektronik letar branscher i hela världen efter lösningar för att optimera sin verksamhet och minimera sitt koldioxidavtryck. Oavsett bransch finns det ett behov av att styra processer för att minska energiförbrukningen, minimera avfallet och maximera produktionen.

Produkter för rörelse och styrning arbetar tillsammans för att hantera mekaniska delars rörelse, hastighet och position i elektroniska tillämpningar. Produkterna är utformade för att tillhandahålla en noggrann, effektiv och tillförlitlig styrning av rörelsers olika aspekter, för att göra det möjligt för maskiner och utrustning att utföra sina funktioner med optimal prestanda och en minimal mängd fel.

DigiKey, en global distributör av elektronikkomponenter, har ett brett urval av produkter för rörelse och styrning från flera leverantörer, så att kunder kan förbättra hållbarheten och effektiviteten i sina automatiserade system.

Viktiga komponenter i system för rörelse och styrning

Kärnan i lösningar för rörelse och styrning är elektriska motorer, som utgör det primära sättet att omvandla elektrisk energi till mekanisk energi. Det finns flera olika typer som används för olika tillämpningar, var och en med unika egenskaper och fördelar. Växelströmsmotorer är exempelvis kända för sin hållbarhet, effektivitet och förmåga att arbeta i höga hastigheter, vilket gör dem lämpliga för användning i industrimaskiner, luftbehandlingssystem och andra tillämpningar där tillförlitlig, långsiktig prestanda är avgörande. Likströmsmotorer har å andra sidan utmärkt vridmoment och varvtalsreglering, vilket gör dem väl lämpade i tillämpningar som kräver noggranna rörelser, som t.ex. robot- och fordonssystem. Stegmotorer har mycket exakt positionering och används i 3D-skrivare, CNC-maskiner och andra enheter som kräver noggrann, stegvis rörelse. Servomotorer, med sina snabba svarstider och höga vridmoment, används i tillämpningar som kräver snabba och noggranna rörelser, som t.ex. inom flygindustrin.

För att kunna styra och reglera driften av motorerna på ett tillförlitligt sätt, förlitar sig lösningar för rörelse och styrning på en mängd olika driv- och styrenheter. Frekvensomriktare (VFD:er) används för att reglera växelströmsmotorers varvtal och vridmoment, vilket ger en jämn och effektiv drift samt energibesparingar. Servodrivenheter, som är särskilt utformade för servomotorer, har reglering med en sluten slinga och möjliggör mycket noggrann positionering och rörelse. Enheter för rörelsestyrning, som kan hantera flera rörelseaxlar samtidigt, används i komplexa tillämpningar där de koordinerar och synkroniserar rörelsen hos olika komponenter för smidig och noggrann drift.

Ställdon har också en avgörande roll i system för rörelse och styrning, eftersom de ansvarar för att omvandla energi till rörelse och ge kraft för att förflytta mekaniska komponenter. Hydrauliska ställdon är kända för sin höga kraft och förmåga att hantera tunga laster och används i bygg- och anläggningsmaskiner, industrimaskiner etc. där rå kraft krävs. Pneumatiska ställdon, som förlitar sig på tryckluft för att generera rörelse och ge snabba svarstider, används i tillämpningar som innebär snabba, repetitiva rörelser, t.ex. förpacknings- och monteringslinjer. Elektriska ställdon, inklusive linjära och roterande typer, ger noggrann styrning i tillämpningar som medicinteknisk utrustning, fordonsutrustning och utrustning för flyg- och rymdindustrin.

Figur 2: Kamerasystem för robotseende i en smart fabrik. (Bildkälla: Shutterstock)

Sensorer, återkopplingsenheter och styrsystem

För att säkerställa att rörelse- och styrsystem fungerar med högsta möjliga noggrannhet och tillförlitlighet används sensorer och återkopplingsenheter för att övervaka och mäta rörelsens olika aspekter. Positionssensorer, som linjära potentiometrar och vridpotentiometrar, ger realtidsinformation om mekaniska delars exakta position, vilket möjliggör exakt positionering och spårning. Kodare, som t.ex. inkrementella och absoluta, används för att bestämma vinkelposition och hastighet för roterande axlar, vilket möjliggör noggrann hastighets- och positionsstyrning. Resolvers, som liknar pulsgivare men är konstruerade för användning i tuffa miljöer, har också hög noggrannhet och tillförlitlighet i känsliga tillämpningar.

Alla dessa komponenter binds samman av de styrsystem som styr och hanterar den övergripande driften av rörelse- och styrlösningarna. Programmerbara logiska styrenheter (PLC), robusta industridatorer avsedda för styrning och automation, hanterar flera in- och utsignaler samtidigt i fabriksautomation, processtyrning och andra tillämpningar. Industridatorer, som erbjuder större flexibilitet och mer processorkraft än PLC:er, används ofta tillsammans med avancerad mjukvara för rörelsestyrning för att simulera rörelsestyrningsalgoritmer i komplicerade system med flera axlar.

Rörelse- och styrkomponenter i industriella tillämpningar

Rörelse- och styrlösningar är viktiga för att förbättra effektiviteten, noggrannheten och produktiviteten i ett brett spektrum av industriella processer. De hanterar t.ex. utrustning som robotarmar och verktygsmaskiner för att förbättra den industriella verksamheten och minimera mängden fel. I fordonsfabriker och lager samordnar rörelse- och styrsystem rörelsen hos industrirobotar, samarbetande robotar (cobots) och autonoma mobila robotar (AMR) för att utföra uppgifter som hantering, montering och inspektion. I industriella förpackningstillämpningar, plockar och transporterar rörelse- och styrlösningar artiklar som lådor och pallar med hjälp av transportsystem, sorteringsmaskiner och automatiserade lagrings- och återvinningssystem (AS/RS).

Inom den medicintekniska sektorn är det rörelse- och styrsystem som avgör hur sjukvård ges och forskning bedrivs. De möjliggör noggrann positionering, dosering och automatisering i medicintekniska produkter och utrustning, t.ex. kirurgiska robotar, diagnostiska bildsystem och laboratorieinstrument. Kirurgiska robotar utrustade med rörelse- och styrkomponenter kan exempelvis utföra ingrepp med noggrannhet och minimal invasivitet, vilket minskar patientens rehabiliteringstid och förbättrar det övergripande resultatet. Automatiserade system för vätskehantering i farmaceutiska forskningslaboratorier använder också rörelse- och styrsystem för att dosera och blanda reagenser exakt, vilket effektiviserar processen vid framställning av nya läkemedel och påskyndar utvecklingen av nya behandlingar.

Flyg-, rymd- och försvarsindustrin är också beroende av lösningar för noggranna rörelse- och styrningslösningar i uppdragskritiska tillämpningar som satellitpositionering, styrsystem för flygplan och missiler. Inom dessa sektorer kan även den minsta avvikelse från den avsedda rörelsen eller positionen få katastrofala följder. Rörelse- och styrteknik säkerställer att dessa system fungerar med exceptionell noggrannhet och tillförlitlighet, så att satelliter kan hålla sina banor, flygplan kan flyga säkert och missiler kan nå sina mål. Dessutom möjliggör dessa lösningar utveckling och testning av ny flyg- och försvarsteknik, vilket gör det möjligt för ingenjörer att simulera och validera komplexa system innan de används i fält.

Förstå DigiKeys strategi med flera leverantörer

Genom att samarbeta med flera leverantörer ser DigiKey till att ingenjörer och systemkonstruktörer har tillgång till ett stort sortiment av produkter. Denna strategi ökar inte bara produktutbudet utan förbättrar även tillgängligheten, främjar konkurrenskraftig prissättning och ger tillgång till en stor mängd teknisk expertis. En klar fördel med DigiKey:s strategi med flera leverantörer är möjligheten att tillgodose en mängd olika branschers krav. Oavsett om det handlar om en kompakt stegmotor för precisionsinstrument eller en servodrivenhet med högt vridmoment för tung automation, har DigiKey en lösning för alla tillämpningar. Denna mångfald gör det möjligt för ingenjörer att hitta de produkter som passar bäst för deras specifika behov och kan optimera systemets totala prestanda och effektivitet. Genom inköp från flera leverantörer minimerar DigiKey dessutom risken för störningar i leveranskedjan - när en tillverkare har produktionsproblem eller förseningar kan alternativa produkter köpas in från andra leverantörer, vilket säkerställer en tillförlitlig och konsekvent leverans till kunderna. Denna tålighet gör hela skillnaden i fabriksläggningar där även minimala driftstopp kan ha en betydande inverkan på resurser, budget och drift.

Avancerade produkter för rörelse- och styrningsteknik från branschledare

DigiKey:s partnerskap med ledande tillverkare som Schneider Electric, Siemens och Omron visar på företagets engagemang för kvalitet och innovation. Dessa storföretag inom branschen är kända för sina banbrytande lösningar inom rörelse och styrning, som innehåller avancerade funktioner och tekniker för att öka effektiviteten och hållbarheten.

Altivar™ Soft Starter ATS480 (figur 3) från Schneider Electrics bygger vidare på start/stopp-prestandan från tidigare versioner för att ytterligare förlänga utrustningens livslängd och maximera tillgängligheten i krävande miljöer. Altivar 212 VSD ger maximal användarvänlighet och säkerhet för systemintegratörer och slutanvändare i luftbehandlingssystem, vilket sparar energi och förbättrar byggnadens komfort och förvaltning. På samma sätt ger ATV320 VFD:er säkerhet, tillförlitlighet och enkelhet i kompakta format för förenklad installation och effektiv användning av utrymme.

Figur 3: Schneider Electric Altivar™ mjukstartare ATS480. (Bildkälla: Schneider Electric)

Serien Easy TeSys från Schneider Electric omfattar manuella motorstartare med magnetiskt skydd vid 13 gånger den maximala inställningen, termiska överbelastningsreläer med skruvanslutningar och 3-poliga kontaktorer med en livslängd på cirka en miljon elektriska operationer. Enheterna är är konstruerade för att koppla om och skydda vanliga motortillämpningar. De kommunicerande motorstartsystemen TeSys™ island eliminerar styrkablage och PLC I/O med ett enda bandkabelklick och ger tillgång till data via industriella kommunikationsprotokoll.

Frekvensomriktarna SINAMICS V20 från Siemens har en kompakt, robust och tålig design och är perfekta för användning i en mängd olika grundläggande frekvensomriktartillämpningar i process- och tillverkningsanläggningar. Dessutom förhindrar serien 3RA22 från SIRIUS kabeldragningsfel i huvud- och styrkretsarna. Kontaktorerna SIRIUS från Controls erbjuder flexibla alternativ för att växla elektriska laster, med konventionella styrmekanismer och solid state.

Frekvensomriktarserien MX2 från Omron har avancerad motor- och maskinstyrning med VFD-teknik för noggrann drift, energibesparingar och felskydd. Med sin avancerade design och algoritmer har MX2 jämn styrning ner till nollvarv och vridmomentreglering i öppen slinga.

Figur 4: Det termiska överbelastningsreläet TeSys från Schneider Electric. (Bildkälla: Schneider Electric)

Förbättrad hållbarhet i en automatiserad produktionslinje

För att illustrera hur rörelse- och styrteknik påverkar hållbarheten kan vi titta på en automatiserad produktionslinje i en tillverkningsanläggning. Från exakt styrning av transportörssystemens hastigheter och förpackningsmaskiners motorer till integration av robotarmar och implementering av säkerhetssystem, gör dessa komponenter det möjligt för tillverkare att uppnå sina mål att minimera energiförbrukningen och avfallet, samtidigt som de garanterar verksamhetens säkerhet och tillförlitlighet:

Transportörssystem: I den automatiserade produktionslinjen spelar transportörssystem en nyckelroll när det gäller att transportera material och produkter mellan olika steg i tillverkningsprocessen. Genom att integrera frekvensomriktarna Altivar 212 från Schneider Electrics eller MX2-serien från Omron kan hastigheten på transportörssystemens motorer styras så att den motsvarar den önskade produktionshastigheten. Genom att se till att transportörssystemet körs med optimal hastighet blir energiförbrukningen lägre och slitaget på de mekaniska komponenterna mindre. Dessutom ger mjukstartare som Altivar™ Soft Starter ATS480 från Schneider Electrics smidigt start och stopp av transportörssystemens motorer, vilket minskar den mekaniska belastningen och förlänger utrustningens livslängd.

Förpackningsmaskiner: Förpackningsmaskiner är en integrerad del av den automatiserade produktionslinjen som har till uppgift att förpacka, försluta och märka produkter. Maskinerna kräver ofta exakt styrning av motorernas varvtal och vridmoment för att garantera en jämn och exakt paketering. Genom att integrera frekvensomriktarna ATV320 från Schneider Electric, kan förpackningsmaskinernas motorer styras med hög noggrannhet, vilket förbättrar systemets övergripande prestanda och energieffektivitet.

Robotarmar: Robotarmar används ofta i automatiserade produktionslinjer för uppgifter som materialhantering, montering och kvalitetsinspektion. Verktygen kräver noggrann styrning av flera rörelseaxlar för att utföra sina uppgifter på ett korrekt och effektivt sätt. Den kommunicerande motorstartaren TeSys island från Schneider Electrics erbjuder styrning av robotarmars motorer. Genom att undvika behovet av komplicerad kabeldragning och PLC-I/O möjliggör TeSys island även snabbare installation och enkel konfiguration av robotarmens styrsystem. Det inbyggda digitala gränssnittet och det smarta konfigurationsverktyget förenklar driftsättning och justering, medan möjligheten att få tillgång till viktiga data via kommunikationsprotokoll möjliggör fjärrövervakning och förebyggande underhåll.

Pumpar och fläktar: Pumpar och fläktar är viktiga i olika delar av en automatiserad produktionslinje, som t.ex. kylsystem, hydrauliska kraftaggregat och ventilationssystem. Genom att optimera dessa komponenters prestanda kan man sänka energiförbrukningen och garantera maximal drifttid. Frekvensomriktarna SINAMICS V20 från Siemens, med sin kompakta och robusta design, är lämpliga för styrning av pumpar och fläktar i industriella miljöer. Frekvensomriktarna SINAMICS V20 har olika funktioner, bland annat PID-reglering, styrning av flera pumpar och energisparlägen.

Säkerhetssystem: Att garantera säkerheten för personal och utrustning är av yttersta vikt i tillverkningsanläggningar. Med säkerhetsklassificerade kontaktorer kan produktionslinjer uppnå en hög säkerhetsnivå, vilket minskar risken för olyckor och driftstopp. Serien SIRIUS 3RA23 med omvända kontaktorer från Siemens kan implementera säkerhetsfunktioner i motorns styrsystem. Enheterna integreras sömlöst i funktionella säkerhetssystem enligt internationella standarder som IEC 61508 och ISO 13849-1. De integrerade mekaniska och elektriska förreglingsfunktionerna i serien 3RA23 gör att man även undviker kopplingsfel och garanterar en säker drift av reverserande motorkretsar.

Figur 5: Smarta industrirobotarmar för digital fabrikstillverkning. (Bildkälla: Shutterstock)

Sammanfattning

Avancerade lösningar för rörelse och styrning är avgörande för effektivitet och hållbarhet inom en rad olika branscher. Genom att integrera dessa tekniker i automatiserade produktionslinjer kan tillverkarna förbättra driftseffektiviteten, minska energiförbrukningen, minimera materialavfallet och förlänga utrustningens livslängd. Produktsortimentet från DigiKey med produkter från flera leverantörer gör det möjligt för ingenjörer och konstruktörer att skapa system som ger hög prestanda samtidigt som de är miljövänliga. DigiKey tillhandahåller en plattform där ingenjörer kan utforska, jämföra och köpa de lämpligaste produkterna för rörelse och styrning för sina tillämpningar.