Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Elektrohydraulické pohony zmenšují spotřebu energie a hlučnost

Tradičně řešený hydraulický pohon vstřikovacího lisu na zpracování kaučuku spotřebovává třetinu energie celkem potřebné na provoz stroje. Přechodem na elektrohydraulický způsob pohonu realizovaný společnostmi Dorninger Hytronics a B&R, který je založen na řízení otáček zubových čerpadel při použití servopohonů Acopos od B&R, se výrobci strojů Maplan podařilo zmenšit spotřebu pohonu na pětinu a současně snížit hladinu hluku v okolí stroje na polovinu původních hodnot. Také se o 10 až 15 % zkrátila doba chodu stroje naprázdno, což vše dohromady zajišťuje rychlou návratnost investice vložené do změny.
 
Firma Maplan je jedním ze tří největších dodavatelů vstřikovacích lisů na zpracování kaučuku na světě. Tyto stroje, vyvinuté, vyráběné a montované v centrále firmy v Ternitzu na jihu Dolního Rakouska, vyváží firma prostřednictvím dceřiných společností v Německu, Francii a Severní Americe i s využitím sítě mezinárodních zástupců a servisních partnerů do celého světa.
 

Potenciál pro úspory díky menší spotřebě energie

 
V rámci celkové optimalizace svých nově vyvíjených produktů firma Maplan zaměřila svou pozornost také na zmenšení jejich spotřeby energie. Analýza provedená Ing. Rudolfem Eisenhuberem, vedoucím oddělením vývoje ve firmě Maplan, odhalila, že asi třetinu energie potřebné na provoz vstřikovacího lisu spotřebovává hydraulický pohon stroje. Vstřikovací lis obvykle odpracuje asi 6 000 provozních hodin za rok. Za tu dobu vykoná až několik set tisíc pracovních cyklů s dobou trvání od 30 s do až několika minut. Součástí pracovního cyklu stroje jsou nezbytné technologické přestávky, během kterých jsou hlavní činné části stroje v klidu. Dříve dodávalo proměnné množství tlakové hydraulické kapaliny pohánějící činné části stroje tlakem řízené pístové čerpadlo s proměnným geometrickým objemem poháněné indukčním motorem. Čerpadlo běželo nepřetržitě, a tudíž v přestávkách během pracovního cyklu naprázdno. Spouštět a zastavovat je při každém pracovním cyklu stroje nebylo možné jednak proto, že hrozilo přehřátí motoru, a jednak proto, že pístová čerpadla nejsou pro takový režim provozu vhodná. Přebytečná energie se měnila v teplo, které bylo nutné odvádět při použití chladicích jednotek, což vyžadovalo další dodávku energie. Částečný provoz bez zatížení a proplachovací procesy velmi snižovaly celkovou účinnost pohonného systému. Dané zatížení pohonu rovněž vyvolávalo nemalou spotřebu jalové elektrické energie. To vše jsou důvody, proč trend v oboru strojů na vstřikování plastů směřuje k čistě elektrickým pohonům. Při zpracování kaučuku toto ovšem není ideální řešení, a to z důvodu speciálních technologických požadavků.
 

100% výkon s pouze 20 % energie

 
Moderní řešení vstřikovacího lisu na zpracování kaučuku spočívá v použití čerpadel s konstantním geometrickým objemem a proměnnými otáčkami, která jsou poháněna servopohony. Použitá zubová čerpadla s vnitřním ozubením mají při tomtéž geometrickém objemu až o 60 % menší vnější rozměry než axiální pístová čerpadla a jsou také mnohem výkonnější díky větším dosažitelným otáčkám až 4 000 min–1 (v porovnání s konstantními standardními otáčkami 1 500 min–1 u indukčních motorů a čerpadel s variabilním průtokem).
 
Úspory energie se dosahuje přizpůsobením činnosti čerpadla (tj. otáček motoru) aktuálně požadovanému výkonu (množství tlakové hydraulické kapaliny). Protože během technologických přestávek v činnosti hydraulických spotřebičů je požadovaný tok hydraulické kapaliny nulový, pohon čerpadla se v těchto fázích automaticky zastaví. Naměřená úspora energie činí až 70 % původní spotřeby. Energie se dále šetří tím, že stačí méně časté výměny hydraulické kapaliny a odpadá celý dosavadní systém jejího chlazení. Tím také klesá spotřeba vody a celkem se v této oblasti oproti dřívějšku ušetří až 50 % energie (tab. 1).
 
Přínosem nového uspořádání je navíc příznivý vedlejší efekt – menší hlučnost stroje. „Chod čerpadla během pracovních pohybů stroje je mnohem klidnější a výsledkem je pokles hlučnosti až o 10 dB,“ uvádí Gert Kain, autorizovaný obchodní zástupce firmy Maplan.
 

Propracované řešení – vyrobeno v Rakousku

 
Na základě jasné technické představy začal Rudolf Eisenhuber hledat odpovídající systém pro řízenou dodávky hydraulické
kapaliny a řízení vstřikovacích lisů a jeho dodavatele. „Požadovali jsme kompletní integrovaný systém se známou a ověřenou výkonností,“ vzpomíná si. „Současně jsme také požadovali systém slučitelný s našimi mimořádně modulárními stroji, které je často nutné sestavovat a konfigurovat podle požadavků dodaných až krátce před sjednaným termínem expedice stroje. A technici zabývající se ve firmě Maplan elektrickými rozvody a automatizací musí také mít snadný přístup k potřebným vývojovým nástrojům, aby ve firmě zachovali softwarovou odbornost.“
 
Ve vypsaném výběrovém řízení zvítězila společnost B&R, přicházející z elektronické oblasti, společně s firmou Dorninger Hytronics jako svým partnerem pro hydrauliku. Partneři uspěli díky nabídce kompletního elektrohydraulického systému s názvem Hybrid Drive Control, který již předtím představili na gumárenské konferenci v Německu v roce 2009. Základem tohoto systému jsou zubová čerpadla s vnitřním ozubením poháněná servopohonem. Servopohon se skládá z třífázového synchronního motoru řady 8LS s ventilátorem, který je napájen přes inteligentní servopohon Acopos od B&R. Velmi rychlý algoritmus řídící ve zpětnovazební smyčce tlak a dodávané množství hydraulické kapaliny je realizován v měniči Acopos v jazyce SPT (Smart Process Technology). Jde o knihovnu volně konfigurovatelných programových modulů pracujících se symbolickými proměnnými a zajišťujících, díky synchronnímu zpracování dat a krátkým dobám odezvy, vždy rychlé a přesné provedení řídicího algoritmu.
 
Servopohon Acopos je prostřednictvím komunikační sběrnice Powerlink připojen k nadřazenému řídicímu počítači APC620
(obr. 1). V řídicím počítači jsou v prostředí Automation Runtime AR10 k dispozici softwarová řídicí jednotka (soft PLC), vizualizační software navržený v prostředí Visual Components a instance windows, která je uživateli skrytá, ale je nezbytná např. k zobrazení podrobných údajů o produktech, servisní dokumentace a obsažné nápovědy uložených v systému. Potřebných 50 až 120 signálů I/O ze stroje (přesný počet je dán celkovou konfigurací stroje) je k řídicímu počítači připojeno přes odpovídající I/O moduly systému X20. Obslužný personál má k dispozici ovládací jednotku PC5000touch Automation Panel, tvořenou operátorským panelem AP900 s 15" dotykovým displejem a zákaznickou klávesnicí (obr. 2).
 
„I když stále nabízíme všechny své stroje také s konvenčními pohonnými systémy, zákazníci v současnosti objednávají téměř výlučně modely s hybridním pohonem od společností B&R a Dorninger Hytronics,“ říká Gert Kain.
 
Obr. 1. Servopohon řady Acopos je s řídicím počítačem APC620 propojen sběrnicí Powerlink
Obr. 2. Vizualizace běží na ergonomicky nastavitelné speciálně zkonstruované ovládací jednotce s operátorským panelem B&R AP900 s 15“ dotykovým displejem; systém zahrnuje ovládání i diagnostiku, čímž je opět dosaženo vyšší úrovně komfortu při ovládání stroje
 

Tab. 1. Příklad kalkulace úspory energie při použití hybridního elektrohydraulického pohonu místo tradičního hydraulického pohonu vstřikovacího lisu na zpracování kaučuku (stroj Maplan MHF400/300E2, 6 000 provozních hodin za rok, doba trvání pracovního cyklu 73 s, automatické vytlačování výrobku z formy)