Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 11/2016 vyšlo tiskem
7. 11. 2016. V elektronické verzi na webu od 1. 12. 2016. 

Téma: Rozváděče a rozváděčová technika; Točivé stroje a výkonová elektronika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Vše pro chytré pohony od společnosti Siemens

Ing. Petr Boček, Siemens, s. r. o.
 
Společnost Siemens na území České re­publiky v oblasti pohonů, stejně jako v dal­ších oblastech průmyslové elektrotechniky nabízí kompletní sortiment produktů, sys­témů a také celých řešení strojů, popř. in­vestičních celků. Úspěšně přitom navazuje na tradici dodávek asynchronních motorů z českých výrobních závodů, na dlouhole­tou spolupráci s výrobci obráběcích strojů, a hlavně na dlouhodobou aplikační zku­šenost vlastních techniků i expertů z part­nerských firem. Především náročnější ře­šení strojů, aplikace motion control vyža­dují těsnou spolupráci a podporu výrobců nejrůznějších strojů, což je aktuální trend současnosti.
 

Strategie produktového sortimentu

 
Sortiment produktů společnosti Siemens pro úlohy typu motion control je ucelený a kompatibilní v rámci koncepce plně inte­grované automatizace, jak je vysvětleno dále v článku. Při použití měničů typu motion con­trol z produktové skupiny Sinamics (obr. 1) získává zákazník navíc univerzální řešení a podle specifik aplikace již jen zvolí přísluš­ný řídicí systém (ŘS), např. v provedení inte­grovaném přímo do řídicí jednotky měniče.
 
Na jedné straně je produktová a systémo­vá nabídka pro numerické řízení v odvětví obráběcích strojů, kde se kromě frekvenč­ních měničů objevuje tradiční řídicí systém Sinumerik, synchronní servomotory, speciální pohony pro vřetena a další doplňkové produk­ty. V současné době již i v této poněkud kon­zervativní oblasti použití dochází k nahrazo­vání tradičních řešení založených na kombi­naci řad Sinumerik Power line a frekvenčních měničů Simodrive alternativou Sinumerik Solution line a měničů Sinamics S120.
 
Na druhé straně je nabízeno řešení pro všechny ostatní stroje, kde se nepoužívají nu­merické řídicí systémy. V této oblasti je již asi pět let probíhající migrace z tradičních řad frekvenčních měničů Simovert Masterdrives Vector Control a Motion Control do jedné řady Sinamics S120 téměř dovršena. Vedle frekvenčních měničů zde figuruje také gene­račně nejmladší řídicí systém z dílny společ­nosti Siemens, tedy Simotion a – stejně jako u obráběcích strojů – i v dalších složitějších strojích nacházejí uplatnění synchronní, popř. asynchronní servomotory, momentové či line­ární motory a další doplňkové prvky. V tomto článku je podrobněji rozebírána právě oblast řešení strojů jiných než obráběcích.
 
Alternativou ke speciálním řídicím systé­mům motion control je použití univerzálního PLC Simatic. Jeho spolupráce se všemi řada­mi měničů Sinamics je dána základní koncep­cí Siemens, tedy plně integrovanou automati­zací (TIA – Totally Integrated Automation). Axiomy této koncepce jsou vyjádřeny tzv. trojí průchodností. V rámci ní je asi samozřejmostí kompatibilita po stránce komunikací – zde je stále základem komunikace prostřednictvím otevřené sítě Profibus a nyní se postupně do­stává do popředí komunikace prostřednictvím modernější sítě Profinet. Obě tyto sítě podpo­rují veškeré potřebné profily jako ProfiDrive pro komunikaci pohonů či ProfiSafe pro pře­nos bezpečnostních telegramů. Velmi důleži­té jsou však další dva axiomy plně integrova­né automatizace: datová kompatibilita a sjed­nocení programování propojených systémů.
 
Kromě základních prvků pro řešení úloh typu motion control zahrnuje sortiment pro­duktů Siemens také další prvky, jako např. kompletní sortiment spínací techniky, včet­ně rozsáhlé nabídky bezpečnostních prvků, dále kompletní senzoriku a snímání neelek­trických i elektrických veličin, operátorské panely i kompletní vizualizace a nakonec na straně pohonů i jejich mechanickou část, tedy převodovky a spojky.
 

Řídicí systémy pro aplikace motion control

 
Projděme si tedy nyní postupně celý ře­tězec elektrovýzbroje, obecně řečeno složi­tějších strojů. Dá se v zásadě počítat, jak již bylo shrnuto, se třemi řídicími systémy:
  1. Simatic S7-300, spíše výjimečně S7-400, častěji pak S7-300 ve variantě s technolo­gickým koprocesorem (tzv. T-CPU). Frekvenční měni­če se řídí po sběrnici Pro­fibus či Profinet a některé rychlé vazby mezi pohony lze přenechat přímo komu­nikaci mezi měniči navzá­jem. Vstupy a výstupy bý­vají řešeny povětšinou de­centrálními periferiemi, což platí i při použití dále zmí­něných řídicích systémů.
  2. Sinumerik pro numeric­ké řízení nejčastěji kovoob­ráběcích, ale také dřevoob­ráběcích strojů či strojů pro obrábění kamene a keramiky. Řídicí systém je zde ty­picky integrován do řídicí jednotky pohonů či do ope­rátorského panelu a jeho úlo­hou jsou především interpo­lace v prostoru s interakcí ně­kolika řízených os.
  3. Simotion (obr. 2) je gene­račně nejmladší řídicí sys­tém určený pro nejrozma­nitější stroje kromě obrábě­cích. K tomu je přizpůsobena jeho filozofie multitaskingu. Protože jsou cílové aplika­ce opravdu velmi rozmani­té, existuje Simotion hned na třech hardwarových plat­formách:
    Simotion C (Controller) – stavební forma podobná ří­dicím systémům S7-300 – vhodný pro použití s větším počtem centrálních vstupů/výstupů, na něž se použijí běžné karty od systému Simatic S7-300. Izochronní sběrnicí Profibus DP (profil Profidrive) se připojí frekvenční mě­niče pro servopohony či výkonové jednot­ky pro pohony s krokovými motory. Přes druhé rozhraní Profibus DP komunikuje obvykle nadřazená řídicí úroveň, operátor­ské panely apod. Samozřejmostí je rozhra­ní Industrial Ethernet pro sběr dat, vizuali­zaci apod. K dispozici jsou dva výkonové stupně procesoru – C230-2 a C240. Liší se funkčností integrovaných periferií a veli­kostí paměti.
    Simotion P (PC) – průmyslový panelový počítač s rozhraním pro frekvenční měni­če přes izochronní Profibus DP. Výhodou je integrovaný displej a dále to, že na vý­konném počítači mohou kromě aplikace Simotion paralelně běžet další programy. Z hlediska procesoru je k dispozici jen jed­na varianta P350-3. Lišit se mohou operá­torské panely svou velikostí (12" či 15") a dále provedením typu touch či ovládáním klávesnicí a myší.
    Simotion D (Drive) – stavební provede­ní řídicí jednotky měniče Sinamics S120 v modulárním provedení (tzv. velikost booksize). Přes Profibus, Ethernet nebo Profinet se připojí nadřazená úroveň či operátorský panel a veškeré operace jsou vykonávány přímo ve frekvenčním měni­či. Existují čtyři výkonově odstupňované procesory – D410, D425, D435 a D445, které se liší počtem ovládaných os poho­nů. Podle složitosti řízení jednotlivých os a vazeb mezi nimi se však maximální po­čet os mění.
V principu však v sobě Simotion vždy sdružuje tyto funkce:
  • PLC funkce podle normy IEC 61131-3 (Programovatelné řídicí jednotky – Část 3: Programovací jazyky),
  • MC funkce (polohování, synchronizace, vačkové operace),
  • technologické funkce (např. řízení tlaku, teploty apod.).
Aktuální verze Simotion V4.1 přinesla kromě zlepšení pohodlí obsluhy a progra­mování především integraci dalšího grafic­kého programovacího jazyka Drive Control Chart (DCC) a technologickou knihovnu Top-loading.
 
DCC je grafické programování tzv. vol­ných funkčních bloků, které umožňují reali­zovat logické či aritmetické funkce potřebné pro řízení pohonu buď přímo ve frekvenč­ním měniči Sinamics S120, nebo toto říze­ní přenést do ŘS Simotion, a zachovat tak přehledné, graficky vyjádřené vazby v říze­ní pohonů. Sama grafická reprezentace je založena na jazyku CFC (Continuous Func­tion Chart) známém z nadstavby vývojové­ho prostředí Step 7.
 
Knihovna technologických funkcí pod ná­zvem Top-loading obsahuje výpočet fyzic­kých os kloubů či pojezdů manipulátorů. In­tegrací těchto funkcí vstupuje ŘS Simotion na rozhraní řízení robotů. Nekonkuruje kla­sickým robotickým ŘS, ale pro funkci mani­pulátorů nabízí podstatně výhodnější poměr ceny k výkonu, než bylo dosud obvyklé. ŘS Simotion poskytuje pro účely manipulace několik základních kinematik (obr. 3), po­jmenovaných jako portál, Scara-robot, člán­kové rameno, soustava kladek či delta ki­nematika. Kromě těchto předdefinovaných kinematik lze nadefinovat další uživatelské kinematiky a v souřadném systému popsat chování jednotlivých fyzických os s ohledem na výsledný po­hyb břemena. Pohyb v sou­řadných systémech 2D či 3D po zadané trajektorii lze řešit s konstantní nebo pro­měnnou rychlostí.
 
V ČR se použití řídicí­ho systému Simotion počí­tají každoročně ve stovkách kusů, což je v poměru k ve­likosti trhu a dominantní­mu postavení řídicího sys­tému Simatic úspěch hodný pozornosti. Možná i proto byl Simotion vyznamenán v kategorii pohonů cenou Produkt roku 2008 časo­pisu Control Engineering Česko. Množství různých aplikací generačně stá­le ještě mladého řídicího systému Simotion součas­ně poskytuje dostatek zpět­né vazby nejen technikům Siemens ČR, ale i mateřské­mu koncernu v Německu.
 

Chytré frekvenční měniče

Do této poněkud zjed­nodušeně vymezené oblas­ti patří vlajková loď pro­duktové skupiny Sinamics S120 (obr. 4) – z hlediska rozsahu výkonů nejuniver­zálnější (od kompaktního
 
měniče až po skříňové provedení, jednoosé i víceosé varianty) a z hlediska funkcí nejvy­bavenější frekvenční měnič. Levnější alterna­tivou pro jednodušší otáčkové řízení pohonu je Sinamics G120. Pro jednoosé servořízení je určena nejnovější řada frekvenčních mě­ničů skupiny Sinamics, a to Sinamics S110.
 
O měničích Sinamics S120 i G120 již bylo napsáno velmi mnoho a jejich současný vý­voj se zabývá spíše dolaďováním softwaru, zpříjemňováním práce uživatele a zaváděním různých podpůrných funkcí. Proto bude smysluplnější podívat se spíše blíže na novinku Sinamics S110 (obr. 5). Jde o výkonný měnič pro standardní polohové úlohy, kam patří např. strojní osy s vel­kou dynamikou, které obsluhu­jí primární proces stroje nebo zařízení. Avšak měnič je stejně vhodný i pro časově méně ná­ročné posuvové osy.
 
Sinamics S110 je ideálním polohovacím pohonem pro pou­žití v kombinaci s automatizač­ním systémem Simatic. Všech­ny komponenty automatizačního řešení lze programovat a parame­trovat pomocí standardního vý­vojového prostředí. I tento jed­noduchý servoměnič má integro­vány bezpečnostní funkce (viz zmínka dále v článku). Především však integruje všechny potřebné polohovací funkce (obr. 6), a ovlá­dá tak řízení nejen synchronních servomo­torů, ale také asynchronních motorů s výko­nem až 90 kW. Podporuje rozmanitost typů snímačů nejčastěji používaných v praxi. Pro připojení na nadřazené řízení je k dispozici analogové rozhraní ±10 V, ale také různá ko­munikační rozhraní.
 
Pro všechny měniče produktové skupiny Sinamics jsou určeny dva softwary: Sizer pro návrh kompletního pohonu a Starter k uvede­ní do provozu.
 
Výkonný databázový nástroj Sizer podpo­ruje uživatele ve všech fázích návrhu pohonu:
  • kalkulace zátěže,
  • dimenzování motoru a výkonových kom­ponent,
  • konfigurace pomocných komponent.
Výstupem z projektu v softwaru Sizer jsou výsledky konfigurace (charakteristiky, tech­nické specifikace, montážní a rozměrové vý­kresy) a dále vygenerovaná soupiska potřeb­ného materiálu a objednacích údajů.
 
Pro nové uživatele je v rámci prostře­dí softwaru Sizer nachystán průvodce návr­hem pohonu. Software průběžně kontroluje správnou konfiguraci a varuje před nefunkč­ními kombinacemi prvků. V každém kroku je k dispozici obsáhlá nápověda, kde je nabídka či volba vysvětlena i s příslušnými fyzikál­ně-technickými odůvodněními a závislostmi.
 
Software Sizer je díky uvedeným vlast­nostem vhodný i pro zkušené pohonáře, kteří by jinak návrh pohonu bez problému zvlád­li výpočtem na papíře. Jeho užívání je bez­platné a výstup z něj je, za předpokladu po­užití aktuální verze, zárukou bezproblémové kompatibility jednotlivých součástí regulo­vaného pohonu. Sizer je k dispozici v ang­ličtině a v němčině. Aktuální verzi softwaru uživatel vždy najde na webových stránkách společnosti Siemens.
 
Software Starter, ať již v provedení standalone či integrovaný do vývojového prostředí řídicího systému, poskytuje podporu pro na­stavení parametrů měničů, včetně jejich gra­fické prezentace. Součástí je též funkce importu štítkových dat z motorů a natažení ak­tuální konfigurace podle skutečného stavu hardwaru. Integrované testovací funkce pod­porují optimální nastavení pohonů a grafická znázornění průběhů veličin umožňují uživate­li rychlou orientaci a jednoznačnou diagnosti­ku. V režimu, kdy je pohon odpojen od říze­ní nadřazeným řídicím systémem, má uživa­tel podle potřeby – za předpokladu nastavení určitých oprávnění – možnost ovládat pohon na vlastní zodpovědnost, a odhalit tak sta­vy, k nimž v automatickém provozu dochází pouze sporadicky. Starter je k dispozici v an­gličtině, němčině, francouzštině a italštině.
 

Safety Integrated

Sinamics poskytuje v řadách k tomu ur­čených širokou nabídku certifikovaných bez­pečnostních funkcí (obr. 7). Ke standardní funkci bezpečný stop (Safe Standstill) při­bylo např. bezpečné ovládání brzdy (Safe Brake Control), bezpečně snížená rychlost (Safe Limited Speed) a další. Tyto funkce (viz tabulka) vyžaduje praxe řízení strojů již v současnosti, neboť podstatně zvyšují jejich flexibilitu, snižují prostoje výroby a zvyšují přehlednost instalace jejich elektrického vy­bavení. Všechny bezpečnostní funkce jsou certifikovány podle mezinárodních norem (IEC 61508, EN 954-1).
 

Servomotory a lineární motory Siemens

Servomotory jsou nedílnou součástí kom­pletní nabídky společnosti Siemens v oblas­ti pohonů. Synchronní i asynchronní servomotory mají široký rozsah výkonů a točivých momentů, velké maximální otáčky a vynika­jící dynamickou odezvu. To vše s ohledem na co nejmenší rozměry a moment setrvač­nosti motoru. Vedle klasických servomoto­rů s převodovkami Alpha nebo Stöber či bez převodovek jsou v sortimentu tzv. momento­vé motory s velkým točivým momentem při malých otáčkách bez převodovky a dále line­ární motory s moderní konstrukcí.
 
V oblasti synchronních servomotorů s per­manentními magnety na rotoru jsou v nabíd­ce motory řady 1FK a 1FT. Tyto servomoto­ry dávají velký dynamický výkon, flexibilitu, univerzálnost, široký rozsah vybavení a mají u motorů řady 1FT6 stupeň krytí IP68.
 
Novinkou je ekonomicky výhodná vari­anta synchronního servopohonu, spočívající v kombinaci servomotoru 1FK7 s měničem Sinamics S110. Dohromady mají velmi dobrý poměr ceny k výkonu a pomáhají šetřit nákla­dy na synchronní pohony u výrobních strojů. Jsou vhodné pro jednouché polohové aplikace u balicích strojů, robotů, manipulátorů či po­mocných os obráběcích strojů i jako náhrada za krokové motory.
 
Je-li požadován vysoký výkon motorů v malém zastavěném prostoru, je možné mís­to klasických asynchronních motorů použít asynchronní servomotory řady 1PH7, 1PH4 nebo 1PL6. Jde o vzduchem či, v případě 1PH4, vodou chlazené motory. Vodní chlaze­ní předurčuje tyto motory pro použití v pro­středích, kde kvůli prašnosti, agresivní atmo­sféře či obecně vysoké teplotě není vzducho­vé chlazení možné.
 
Novinkou jsou motory nové řady 1PH8 (obr. 8), tedy nástupce asynchronních i synchronních servomotorů 1PH4, 1PH7 a 1FT6 Big Servo. Jejich velkou výhodou je mo­dulární provedení, širší rozsah výkonů od 2,8 do 1 340 kW, dále různé možnos­ti chlazení a zvýšení maximální rychlosti na 20 000 min–1. Tyto motory jsou vhodné pro hlavní pohony výrobních strojů a linek v papírenských, tiskařských, textilních a dře­vařských provozech a také pro zdvihy jeřábů či navíjecí a odvíjecí stroje.
 
Lineární motory jsou určeny pro použití s požadavkem na velkou dynamiku a přesnost polohování, jako jsou např. podavače mate­riálu pro lisy, manipulátory, dlouhé transfery materiálu nebo dělicí linky. Vedle stávající­ho lineárního motoru 1FN3 s klasickou kon­strukcí a největší dynamikou byl vyvinut lineární motor nové generace 1FN6 (obr. 9).
 
Tento lineární motor je vyráběn jako vzdu­chem chlazený a mezi jeho hlavní přednosti patří zcela nová konstrukce, kde sekundární část neobsahuje žádné permanentní magnety, jako je tomu u všech ostatních lineárních mo­torů. Tato konstrukce umožňuje snížit pořizo­vací náklady a zjednodušuje montáž, a pře­devším údržbu stroje. Lineární motor 1FN6 je vhodný zejména pro aplikace s dlouhou délkou pojezdu a také tam, kde je nezbyt­ná úspora místa, protože není nutná ochrana sekundární části proti prachu a vniknutí ko­vových pilin. Tato nová jedineč­ná konstrukce získala na veletrhu Amper 2009 cenu Zlatý Amper.
 

Závěr

Jak již bylo uvedeno a jak ukazují zkušenosti, ani komplet­ní sortiment, ani koncepce plně integrované automatizace, dokon­ce ani nadstavbové přednosti typu integrované bezpečnosti by neby­ly dostatečné pro úspěšné aplika­ce typu motion control u výrobců strojů. Společnost Siemens proto kromě kompletního produktové­ho sortimentu nabízí navíc mo­derní řešení pro různé tvářecí, balicí, sklář­ské, textilní, tiskařské, plastikářské a jiné stroje. S nabídkou řešení jde ruku v ruce také nabídka aplikační podpory zákazníků zajišťovaná vlastními kapacitami společnosti Siemens, ale také ve spolupráci s partnerský­mi firmami, které jako certifikovaní partneři v programu Solution Partner ovládají použi­tí systémů Siemens a obohacují knihovnu ře­šení o vlastní příspěvky, jež poté společnost Siemens propaguje.
 
Obr. 1. Frek­venční měniče Sinamics v rámci plně integrované automatizace
Obr. 2. Hardwarové platformy řídicího systému Simotion
Obr. 3. Předprogramované základní kinematiky ŘS Simotion
Obr. 4. Různá stavební provedení měniče Sinamics S120
Obr. 5. Ekonomická kombinace pro servopohon: Sinamics S110 + motor 1FK7
Obr. 6. Přehled funkcí měniče Sinamics S110
Obr. 7. Vybra­né přístroje ze široké nabídky bezpečnost­ních produk­tů značky Siemens
Obr. 8. První zástupci nové platformy servomotorů 1PH8
Obr. 9. Nová konstrukce lineárního motoru 1FN6