Aktuální vydání

celé číslo

12

2022

Automatizace výrobních, montážních a balicích strojů a linek

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Jaké místo má hydraulika a pneumatika v moderní automatizaci?

Pneumatické a hydraulické pohony a akční členy a jejich současné možnosti využití, to je téma, které jsme se rozhodli prozkoumat prostřednictvím anketních otázek rozeslaných odborníkům z firem a univerzit. Pět z nich projevilo ochotu podělit se o své zkušenosti a názory a díky tomu vznikl docela jasný obrázek o dnešní situaci v tomto oboru i jeho vyhlídkách do budoucnosti.
 
Nejsou dnes hydraulické a pneumatické pohony a akční členy v konstrukcích strojů a výrobních linek poněkud vytlačovány elektrickými? V jakých úlohách jsou nyní hydraulické a pneumatické prvky používány a kde jsou výhodnější než elektrické?
 
Jaroslav Meduna (Stasto Automation):
Nesouhlasím s tím, že by byly pneumatické mechanismy opomíjeny. Použití pneumatických mechanismů má své jasné opodstatnění a to se s vývojem elektrických systémů nemění. Spíše bych mluvil o vývoji elektropneumatických systémů, které vyzdvihují dobré vlastnosti obou typů mechanismů. Opodstatnění pneumatických mechanismů stále spočívá například v jednoduchosti jejich praktické aplikace a ovládání, nenáročnosti na údržbu. Nesmíme opomíjet i různá specifická prostředí a výhody využití pneumatických mechanismů např. v prostředí s nebezpečím výbuchu, kde by byla náhrada elektrickými systémy mnohem složitější a také nákladnější.
 
Aleš Hrdlička (SMC Industrial Automation CZ):
Já si také nemyslím, že jsou hydraulické a pneumatické prvky vytlačovány elektrickými, i když je samozřejmě zřejmý trend stále častějšího používání elektrických akčních prvků než v nedávné minulosti. To je způsobeno neustále se snižujícími cenami elektrických prvků a také zvyšující se úrovní vzdělání pracovníků v konstrukcích i ve výrobě. Hydraulické a pneumatické prvky jsou a i nadále budou využívány hlavně pro jejich jednoduchou konstrukci, nízké pořizovací náklady a jednoduchou údržbu. Hydraulické systémy budou stále nenahraditelné v aplikacích, kde je nutná velká pracovní síla, pneumatické prvky jsou cenově nenahraditelné v jednoduchých dvoustavových pohybech.
 
Jan Hrdina (Bosch Rexroth):
Menší hydraulické pohony jsou, zejména v obráběcích strojích, výhodně nahrazovány pohony elektrickými. Pro větší instalované příkony např. u tvářecích strojů vycházejí svými parametry lépe pohony hydraulické.
 
Zdeněk Haumer (Festo):
Pneumatické prvky se v porovnání s elektrickými vyznačují konstrukční jednoduchostí a vyšším výkonem vzhledem ke své hmotnosti či velikosti. Jejich nahrazování elektrickými pohony, lze-li o něm vůbec mluvit, má jasný původ v postupující globalizaci světového trhu. Ta totiž tlačí výrobce k větší přizpůsobivosti strojů, častějším změnám nastavení apod. Potřebné polohování pohonů je samozřejmě doménou (nikoliv však zcela) zejména pohonů elektrických.
 
Petr Noskievič (VŠB – Technická univerzita Ostrava):
Hydraulické a pneumatické pohony si v rostoucí konkurenci elektrických pohonů stále udržují své místo při uplatnění ve strojních zařízeních jednak díky svým dominantním charakteristickým vlastnostem a také díky stále intenzivnějšímu využívání řídicí techniky, která vede k návrhu tekutinových pohonů jako mechatronických systémů. Tekutinové mechanismy se především uplatňují při realizaci přímočarých pohybů a regulovaných pohonů – servomechanismů s možností regulovat polohu, rychlost, popř. sílu. Silnými stránkami jsou také zatížitelnost pohonů a rozmanitost konstrukčních provedení akčních členů – pneumatických a hydraulických válců, a možnost jejich zástavby do konstrukce výrobního zařízení. Do těchto pohonů lze také elegantně zabudovat potřebné snímače veličin a realizovat regulované pohony a dostatečně je chránit před mechanickým poškozením. Přesnosti měření lze dosáhnout nezávisle na náročnosti prostředí, ve kterém pohon pracuje. Přední výrobci hydraulických a pneumatických prvků dnes nabízejí průmyslové číslicové řídicí systémy integrovatelné do hierarchických řídicích systémů strojů. Jsou vybaveny aplikačním softwarem se snadno použitelnými algoritmy pro zpětnovazební řízení, řízení v otevřeném obvodu a také pro uvádění do provozu a parametrizaci regulátorů. Díky tomu se hydraulické a pneumatické osy „tváří“ jako pohony elektrické, řízené pomocí měničů frekvence. Jejich programování a vizualizace v řídicím systému jsou díky používaným průmyslovým sběrnicím podobné a pro projektanty nepředstavují zásadně odlišné řešení. Přesto je při uvádění do provozu výhodou určitá znalost vlastností těchto pohonů.
 
V současné době se do pneumatických a hydraulických prvků stále častěji integrují elektronické bloky – vznikají mechatronické prvky. Jaké vyhlídky mají podle vašeho názoru tato komplexní řešení?
 
Petr Noskievič (VŠB – Technická univerzita Ostrava):
Je to jediná cesta udržitelnosti těchto pohonů v technických řešeních. Mechatronická řešení se uplatňují nejen při projektování originálních zařízení, vyráběných jednotlivě nebo v několika kusech, ale i při vývoji speciálních obvodů pro sériovou výrobu – např. řídicích ventilů, bloků pro mobilní techniku apod. Výsledná funkce hydraulického obvodu je zajišťována systémem, který tvoří hydraulický i mikroprocesorový řídicí systém, a stále častěji je požadováno, aby byly dodány od jednoho dodavatele. Ten garantuje funkci celého mechatronického systému, např. systému aktivního pérování, nikoliv pouze jednoho ventilu.
 
Zdeněk Haumer (Festo):
Mechatronické prvky jsou velmi zajímavé, neboť kloubí často nedostižné vlastnosti mechaniky se „zázračnými“ schopnostmi elektroniky. V pneumatice to konkrétně znamená nebývalé rozšíření oblastí pro použití výrobků; s trochou nadsázky lze říci, že pneumatika bez elektroniky už téměř neexistuje.
 
Jaroslav Meduna (Stasto):
V současnosti na trhu velmi často uplatňujeme originální řešení podle potřeb zákazníka. A právě v této oblasti vidíme vyhlídky integrace elektroniky do oblasti tekutinových mechanismů jako perspektivní. Je to určitě směr nejbližšího vývoje v tomto oboru.
 
Jan Hrdina (Bosch Rexroth):
Tato komplexní řešení mají stále větší uplatnění ve všech průmyslových oblastech, mimo jiné také při vybavování a rekonstrukcích divadel.
 
Aktuální výzvou v oboru pohonů a akčních členů je zvyšování jejich energetické účinnosti. Můžete uvést příklady, jak dosáhnout energetických úspor u pneumatických a hydraulických mechanismů?
 
Zdeněk Haumer (Festo):
Energetických úspor lze dosáhnout mnoha způsoby. V pneumatice se jako první nabízí sledování spotřeby a následné odstraňování příčin úniků. Další rezervy lze nalézt ve správném návrhu pneumatických obvodů, zejména velikostí pohonů, neboť například dnešní softwarové pomůcky mohou velmi přispět k výběru správných výrobků správné velikosti. V neposlední řadě se lze také zabývat uspořádáním konkrétních obvodů; příkladem může být využití miniaturních redukčních ventilů, které sníží tlak v pohonu při jeho návratu, různé metody pro spolehlivé vypínání tlaku či jeho uzamykání v pohonech apod.
 
Jaroslav Meduna (Stasto):
Snaha o energetické úspory v našem průmyslu v současnosti nevede k vývoji nových konstrukcí pneumatických prvků nebo zefektivnění výroby stlačeného vzduchu, které je už z fyzikálního hlediska hodně omezené. Podniky se spíše zaměřují na zlepšení stavu stávajících technologií zkvalitněním jejich údržby a inovací, a tím snižují spotřebu vzduchu a zvyšují efektivitu mechanismů.
 
Jan Hrdina (Bosch Rexroth):
Energetických úspor můžeme dosáhnout snižováním energetické náročnosti nového zařízení. Při řešení hydraulických pohonů se s výhodou používají regulační čerpadla s regulací na konstantní výkon.
 
Aleš Hrdlička (SMC):
Při využívání stlačeného vzduchu lze dosáhnout úspor užitím speciálních ofukovacích trysek, škrticích a regulačních ventilů apod. K úsporám energie může přispět také provedení energetického auditu pneumatických a elektropneumatických systémů.
 
Petr Noskievič (VŠB – Technická univerzita Ostrava):
Energetická úspornost je tématem v oblasti tekutinových a zejména hydraulických pohonů již několik desítek let. Jejich energetická náročnost je dána také přeměnami energie – nejdříve se energie zpravidla elektrická, u mobilních strojů energie dodaná nejčastěji vznětovým motorem přemění na tlakovou potenciální energii kapaliny, která je přes vedení a řídicí obvody přiváděna kapalinou ke spotřebiči, kde se přemění zpět na mechanickou energii a vykoná požadovanou práci. První ztráty vznikají v hydraulických agregátech při dodávání tlakové energie do hydraulického obvodu, další přenosem energie a při řízení samotného akčního členu řídicími ventily. Proto se energetická náročnost hydraulických pohonů řeší již při jejich projektování, výzkumu a vývoji. Pro řízení hydraulických agregátů jsou používány různé energeticky úsporné koncepce řízení (viz vložený rámeček).
 
V průmyslové automatizaci se v současné době stále více prosazuje mezinárodní standardizace používaných komponent. Pozorujete tento trend také v oblasti tekutinových mechanismů?
 
Petr Noskievič (VŠB – Technická univerzita Ostrava):
Standardizace v tekutinových systémech má velkou tradici. Všichni znají symboly CETOP, ISO pro označení připojovacích rozměrů řídicích ventilů a dalších prvků. Pro řízení jsou zase používána standardní průmyslová rozhraní – Profibus, CAN. Dalším příkladem je používání programovaní v G-jazyce apod.
 
Jaroslav Meduna (Stasto):
V oboru pneumatických prvků tento trend nijak zvlášť nepozorujeme, neboť jistý stupeň standardizace je v tomto oboru běžný již řadu let. V současném trendu užívání „stavebnicových“ dílů se uplatňují normy ISO, např. při výrobě pracovních prvků, stejně jako u ventilové techniky. Dnes se však na trhu prosazujeme originálními řešeními, vycházejícími z konkrétních jednoúčelových potřeb zákazníka, kde standardizace nepřichází v úvahu.
 
Jan Hrdina (Bosch Rexroth):
Standardizace stále více proniká do nových projektů, týká se to samozřejmě i oblasti tekutinových mechanismů, zejména z důvodu snadné vyměnitelnosti nebo náhrady. Firma Bosch Rexroth již před lety přikročila k důsledné standardizaci v této oblasti.
 
Zdeněk Haumer (Festo):
Ano, stále větší počet skupin výrobků má svoji normu. Opět je zde patrná souvislost s potřebnou produktivitou nebo disponibilitou strojů, neboť výrobky jsou snáze zaměnitelné.
 
Jak se podle vašeho názoru bude obor pneumatiky a hydrauliky dále vyvíjet? Může se na rozvoji tohoto oboru projevit například rostoucí zájem na zlepšování kvality životního prostředí či jiné vlivy?
 
Jaroslav Meduna (Stasto):
Základní sortiment pneumatických prvků je standardizován řadu let a vývoj se v současné době určitě soustřeďuje na zlepšování kvality materiálů a jejich technologického zpracování. Tím se zvyšuje užitná hodnota a prodlužuje se životnost prvků. Druhým směrem vývoje pneumatických mechanismů je integrace elektroniky.
 
Petr Noskievič (VŠB – Technická univerzita Ostrava):
Hlavní směry vývoje už byly zmíněny, souvisejí s použitím elektroniky a řídicí techniky v tekutinových systémech a vývojem nových komplexních systémů zajišťujících požadovanou funkci.
 
Aleš Hrdlička (SMC):
Budoucnost pneumatických systémů vidím ve spojení jednoduchých mechanických prvků s relativně složitými a technologicky náročnými řídicími procesy.
 
Jan Hrdina (Bosch Rexroth):
Obor hydrauliky a pneumatiky se bude zaměřovat na zlepšování kvality a úrovně řízení s vyšším uplatněním elektroniky s ohledem na snižování zátěže životního prostředí.
 
Zdeněk Haumer (Festo):
Pneumatika je v dohledné době na své existenci ohrožena přibližně stejně jako celá naše civilizace. Snad malá paralela: nikdo nepochybuje o tom, že se musí zvýšit účinnost motorů v automobilech nebo přejít na jiné palivo – umíte si ale představit svět bez nich?
 
anketu vedla Eva Vaculíková
 
 
Zdeněk Haumer, vedoucí technik Festo, s. r. o.
Společnost Festo vyrábí a dodává pneumatické a elektrické pohony s příslušenstvím, ventily, pneumatickou a elektrickou spojovací techniku, zařízení na úpravu stlačeného vzduchu, čidla a systémy strojového vidění a řídicí a síťové systémy a periferie.
 
Petr Noskievič, VŠB – Technická univerzita Ostrava
Je profesorem na katedře automatizační techniky a řízení FS VŠB-TU Ostrava a předsedou odborné sekce Hydraulika a pneumatika České strojnické společnosti. Přednáší předměty identifikace systémů, modelování a simulace, řízení akčních členů, jeho odborná činnost je zaměřena na řízení hydraulických pohonů.
 
Jan Hrdina, Bosch Rexroth, spol. s r. o.
Firma Bosch Rexroth je výrobcem komponent a systémů potřebných pro realizaci řízených pohonů od mechanických zařízení, přes hydrauliku a pneumatiku až po elektronické řídicí systémy.
 
Aleš Hrdlička, SMC Automation CZ s. r. o.
Společnost SMC Industrial Automation CZ je součástí mezinárodního koncernu SMC Corporation Japan. Hlavním oborem firmy je výroba a prodej pneumatických prvků pro průmyslovou automatizaci včetně poradenství v průmyslové automatizaci.
 
Jaroslav Meduna, Stasto Automation s. r. o.
Společnost Stasto Automation působí v oboru průmyslové automatizace více než 30 let a dodává tři kategorie výrobků: pneumatické prvky, automatizační komponenty a speciální armatury.
 

Energeticky úsporné koncepce řízení hydraulických soustav
Mezi energeticky úsporné koncepce patří použití hydrogenerátoru s tlakovou regulací a také s výkonovou regulací. K úsporám vede i řešení s proměnným systémovým tlakem, který se mění podle aktuálního zatížení pohonu. Tento systém, označovaný jako load-sensing, byl nejdříve realizován hydraulicko-mechanicky a poprvé byl použit v době první ropné krize (asi před 35 lety) v mobilní technice – v zemědělských strojích. V současné době jsou rovněž známy koncepce elektrohydraulického systému load-sensing, které se uplatňují ve stacionárních hydraulických zařízeních. Další koncept, jehož předlohou je elektrická napájecí síť, je sekundární regulace, kterou lze velmi stručně charakterizovat tak, že jsou hydraulické spotřebiče připojeny na síť s tlakovou kapalinou. V síti se vesměs používá objemová regulace a při přechodu do generátorového režimu spotřebiče dodávají energii zpět do sítě.

Petr Noskievič