Cesta k energeticky efektivním obráběcím strojům

Zkusíme se společně podívat, jak to zařídit, aby produkty, které provázejí náš běžný život, byly vyráběny s minimálními dopady na životní prostředí. A pokusíme se vysvětlit, proč jsou na některých obráběcích strojích zelené a modré značky a co vlastně znamenají. Ten, kdo nám bude pomáhat při hledání správných odpovědí v modro-zeleném světě energetických úspor a rozkryje řadu tajemství, bude můj kolega pan Ing. Jiří Urban, průvodce z nejpovolanějších.

Spotřeba energie provází lidstvo od nepaměti. Vždyť je to právě energie, která nám dává teplo a světlo, pohání dopravní prostředky a výrobní i zemědělské stroje. Pro vznik a existenci prvních civilizací měla význam vpravdě zásadní. Jen si vzpomeňme na těžký úděl hlídačů ohně! Myslím, že nikdo z nás nevynechal Štorchovy „Lovce mamutů“ a v dětství držel palce Kopčemovi. Bez rozpaků lze tvrdit, že spotřeba energie je spojena s rozvojem lidstva. Vývoj civilizací s sebou zcela logicky přináší stále vyšší nároky na spotřebu energie a zejména na její zdroje. Protože ropa i uhlí patří k energetickým zásobám vyčerpatelným, upíná lidstvo své snažení ke zdrojům alternativním a to s částečnými úspěchy, ale i neúspěchy. V moderních ekonomikách spotřebovávají velkou většinu energie stroje – podíváme-li se do statistik, je na prvním místě ve spotřebě energie průmyslová výroba, dále pak doprava a třetí místo zaujímají domácnosti. Spotřeba energie ovlivňuje lidský život dvěma směry. To, že si energii můžeme užívat, je to příjemné, to nepříjemné je, že při jejím získávání bohužel pácháme jako lidský druh řadu škod, a ne zrovna kamarádsky se k okolnímu světu chováme i při její spotřebě. Právě strojírenská výroba se velkou měrou podílí na celosvětových ekologických problémech. Odpadové materiály, používání různých provozních prostředků a s tím spojených vznikajících emisí představují ohromnou zátěž pro životní prostředí. Nebudeme se na tomto místě zabývat úvahami o tom, že je opravdu vhodné třídit odpad, nebo že by nám určitě prospělo občas se projít pěšky a nejezdit autem třeba i pro noviny. Tuto část přenecháme jiným. Pokusíme se však zjistit, kam odchází energie při obráběcím procesu, a také pohlídat její kroky, případně je nasměrovat jinak a velkou část energie tak uspořit. Úkol nelehký a téma opravdu nadčasové. Úkol pro Sinumerik.

Blue Competence představuje snahu průmyslu výrobních strojů vypořádat se s energetickou efektivitou. Tento projekt spatřil světlo světa v Německu a je výsledkem práce Německého svazu výrobců obráběcích strojů (VDW). Rostoucí ceny surovin způsobují, že nové výrobky se tomuto tlaku musí přizpůsobit, jinak na trhu nemají šanci. Asi málokdo by si dnes koupil vůz se spotřebou 20 l/100 km. A přece to bylo kdysi prodejné auto. Téma energetických úspor je spojeno nejen se stoupajícími cenami energií, ale i se stále striktnějšími regulacemi v oblasti životního prostředí.

Dalším tlakem na úspory v tomto směru je certifikace ve shodě s mezinárodním energetickým účinnostním standardem EN16001. Podle posledních zpráv Evropské komise představovala v roce 2007 průmyslová výroba 40 % celkové energetické spotřeby evropské sedmadvacítky. Plných 70 % této spotřeby připadlo na elektrické pohony. Statistiky dokazují, že největší zátěží pro životní prostředí je vlastní běh obráběcího stroje a dominantním faktorem je spotřeba elektřiny. Na tyto skutečnosti zareagoval mezi prvními koncern Siemens a provedl energetickou analýzu jednotlivých komponent obráběcích strojů s cílem dosáhnout významných energetických úspor. Sinumerik Ctrl+Energy se hrdě zařadil do kampaně Blue Competence a podporuje tak myšlenku úsporných řešení v celém energetickém řetězci. Pod názvem Blue Competence je ukryta nejen zodpovědnost výrobců obráběcích strojů především za ekodesign, ale mnoho dalších vylepšení. Mezinárodní sdružení evropských výrobců obráběcích strojů Cecimo převzalo zodpovědnost za prezentaci této značky a oficiálně tuto iniciativu podpořilo letos v únoru na bruselském zasedání. Byla nastavena pevná pravidla pro používání značky. Například pro použití brandu existuje bodový systém, jehož maximální stupnice končí na 320 bodech. Výrobce je oprávněn použít brand pouze tehdy, pokud v nastavené hodnoticí stupnici překročí 170 bodů. Jednoduše řečeno Blue Competence je o konkurenceschopnosti výrobků, o životním prostředí a kvalitě života. Z toho vyplývá, že průmyslová výroba stále více staví konkurenční schopnost na ekologických základech. Neznamená to však odklon od tradičních hodnot, jako jsou přesnost, rychlost nebo spolehlivost, naopak tyto jsou ještě zesíleny novou vlastností – „trvalost“.

E. Klocová: Kam odchází energie? To je má první otázka pro kolegu Jiřího Urbana.

J. Urban: Společnost Siemens se jako obvykle postavila k  tomuto problému v souvislostech. Nejde jenom o to snažit se na stávajících řešeních, která mnohdy ani nekorespondují se současnými technickými trendy, o dosažení úspor. Cílem je vytvořit nová řešení, která budou energie potřebovat méně. Zde lze dobře parafrázovat klasika: „Nejlépe uspořená energie je ta, kterou nebudete potřebovat.“ Podívejme se na příklad, jak se na celkovém příkonu stroje podílejí jednotlivé agregáty (obr. 1).

Obr. 2. Matice znázorňující oblasti, které ovlivňují energetickou bilanci obráběcího stroje

Zkusme si vysvětlit alespoň základní myšlenku matice. V první řadě je nutné si uvědomit, že na celém procesu musí spolupracovat nejen výrobce stroje, ale i jeho uživatel. Jejich podíl vidíme v záhlaví matice (obr. 2). V řádcích jsou potom znázorněny prostředky, které jsou k dispozici, sloupce nám oddělují jednotlivé časové úseky životního cyklu stroje.

E. Klocová: Matice je poměrně bohatá na řadu pojmů, kde tedy začít při návrhu nového stroje při zohledňování energetické bilance?

J. Urban: Sinumerik Manufacturing Excellence – tady lze ve spolupráci s experty Siemens analyzovat existující stroj nebo stroje v různých provozních režimech a identifikovat, kam a kdy energie mizí. Při vývoji nového stroje potom tyto informace dobře poslouží k tomu, abychom řešili hlavně relevantní spotřebiče. Další významnou disciplínou při vývoji nového stroje je jeho mechatronická optimalizace. Cílem by měl být návrh mechaniky pro dynamický stroj s vysokými hodnotami rychlostí, zrychlení a ryvu. Výsledkem je potom snížení poměru spotřeba energie/obrobek.

E. Klocová: Při vysvětlování matice mi neunikla zmínka o softwarových pomocnících typu Sizer nebo Sinutrain. Jak tyto nástroje mohou přispět ke zvýšení energetické efektivnosti?

J. Urban: Tyto komponenty zdánlivě s energetickou bilancí nesouvisí, ale opak je pravdou. PC softwarová řešení (prostředky) – zde Siemens nabízí podporu ve formě projekčního softwaru Sizer. Tato pěkná věc uživatelům pomůže při vývoji nového stroje navrhnout a optimalizovat sestavu motorů, pohonových komponentů (napájecích dílů, motorových modulů) a řídicího systému Sinumerik. Sizer umožňuje využít pro návrh pohonů připravená mechanická data stroje a také vložení dat popisujících pracovní cyklus stroje. Velmi rychle jsou potom k dispozici data o energetické spotřebě jednotlivých variant sestav pohonů. Jak takové srovnání vypadá v Sizeru, vidíme na obr. 3..

Se softwarem pro virtuální stroj (např. RealNC) nebo Sinutrain se dostáváme do časové oblasti, kdy je již stroj ve výrobním procesu. Obráběcí stroj je nemalá investice, a tudíž hlavní požadavek kladený na stroj je, aby vyráběl a jeho majiteli se vracely vynaložené náklady. Samozřejmě že řídicí systémy jsou vybaveny nyní již velmi efektními softwarovými doplňky v oblasti simulace (2D a 3D). Tyto nás potom svádějí k tomu, abychom se při kontrole a odlaďování programů přímo na stroji kochali, jak se nám na obrazovce NC systému řítí nástroje orientované pod různými úhly do řezu, ale co je výsledkem – tříska žádná, obrobek žádný a spotřeba energie roste. Se softwarem pro virtuální stroj RealNC, popř. Sinutrain, se nabízí možnost v klidu kanceláře provést kontrolu a simulaci technologických programů na PC. Oba produkty mají integrované VNCK, což je softwarové jádro CNC systému Sinumerik, a dávají uživateli k dispozici plnohodnotné ovládací prostředí Sinumerik Operate pro obsluhu.

Výhody použití těchto produktů lze shrnout do následujících bodů:
• kompletní verifikace NC programů;
• zkrácení seřizovacích časů;
• přesné změření času obrábění;
• optimalizace obráběcího procesu bez prostojů;
• žádné mrhání energií.

E: Klocová: Když jsme si tedy vysvětlili na první pohled docela složitou matici, můžeme se podívat na to, co se vlastně začne dít, pokud na systému zvolíme dvojhmat Ctrl+E?

J. Urban: To už se dotýkáme samotného řídicího systému Sinumerik. Ctrl+E je vlastnost systému v jeho základním provedení. Tuto vlastnost dostaly do vínku jak Sinumerik 840D sl, který je vlajkovou lodí společnosti Siemens, tak i Sinumerik 828D,který je určen pro jednoduché kompaktní stroje. Nosnou myšlenkou tohoto režimu je „měřit a řídit“. V Sinumeriku Operate jsou k dispozici funkce „Ctrl+E analýza“ pro měření a vyhodnocení spotřeby energie na stroji a funkce „Ctrl+E profil“, pomocí které lze už přímo řídit úspory energie na stroji. Další úsporné funkce, jakož i know-how výrobce stroje v této oblasti lze do systému přímo zaintegrovat.
Podívejme se nyní na tyto dvě funkce trochu podrobněji.

Ctrl+E analýza – zde dostává uživatel do rukou možnost měření a vyhodnocení spotřeby energie obráběcího stroje. Sinumerik Operate dokáže bez jakéhokoliv připojeného externího měřicího přístroje zaznamenat a na displeji indikovat výkon přímo z pohonů obráběcího stroje. Samozřejmě pouze s touto informací, i když to znamená cca 40 % celkové spotřeby energie, se uživatel těžko smíří. Chce vědět víc, na stroji jsou další agregáty, které mají nezanedbatelný podíl na energetické náročnosti stroje. Zde má možnost nainstalovat na stroj multifunkční měřicí přístroj Sentron PAC a s jeho pomocí měřit buď celkový příkon stroje, nebo se orientovat na určitý spotřebič. Všechna tato data lze potom za určitou v podstatě volně nastavitelnou periodu zaznamenat a zobrazit. Můžeme si kupříkladu udělat záznam a posléze analyzovat spotřebu energie při obrábění určité součástky, abychom mohli optimalizovat spotřebu energie.

E. Klocová: Co to je Sentron PAC a co je nutno udělat při jeho instalaci?

J. Urban: Je to docela malá, sympatická krabička. Řekli jsme si, že úkolem Ctrl+E je měřit a řídit. Chceme-li změřit celkový příkon stroje nebo některého z agregátů, nevystačíme již s integrovanými měřicími možnostmi Sinumeriku a musíme použít externí měřicí přístroj. A to je právě Sentron PAC3200. Je to multifunkční měřicí přístroj určený k vestavbě do otvoru v panelu rozváděče a slouží k zjišťování a zobrazování více než 50 měřených veličin rozvodů energie, jako například napětí, proudů, výkonů, práce, účiníku, také s minimálními, maximálními a středními hodnotami. Díky kompaktní konstrukci je to ideální náhrada za všechny konvenční analogové zobrazovače.
Vedle jednoho digitálního vstupu a jednoho digitálního výstupu nabízí Sentron PAC3200 celou řadu možností komunikace. K integraci do nadřazených systémů power managementu lze použít volitelný rozšiřovací modul Profibus DP nebo modul RS485 (protokol Modbus a SEAbus). Pro instalaci a uvedení do provozu je nutno postupovat podle příslušného manuálu, jedná se o poměrně sofistikovaný přístroj.
Postup lze představit v několika bodech:
- správně namontovat přístroj a připojit ho včetně potřebných periferních modulů (komunikační moduly, měřicí transformátory aj.);
- zapnout napájecí napětí;
- nastavit parametry přístroje;
- zadat měřené napětí;
- zadat měřený proud;
- zkontrolovat změřené hodnoty;
- zkontrolovat polaritu a sled fází měřicího transformátoru.

Nastavení parametrů přístroje Sentron PAC je možné provést pomocí tlačítek a displeje přístroje nebo je možné zvolit pohodlnější cestu – připojit PC a pomocí softwaru (powerconfig), který je součástí dodávky, parametry nastavit. Po restartu přístroje a nastavení jazyka je potom přístroj připraven k provozu.

E. Klocová: Nezapomeňme ale na druhou funkčnost dvojhmatu Ctrl+E. Co si máme představit pod funkcí Ctrl+E profil?

J. Urban: Tento druhý pilíř nabízí uživateli možnost založit si profil, podle kterého se bude hospodaření s energií na stroji řídit. V základním provedení systému, tj. při jeho dodávce jsou předdefinovány tyto tři profily:
- Jednoduchý energetický úsporný profil (Machine standby) znamená, že jestliže se řídicí systém po určitý definovaný čas nachází ve stavu Reset (není spuštěn žádný obráběcí proces), potom je vydán na NC-PLC rozhraní signál. Přes PLC je potom na jeho základě možné stroj převést do předdefinované energetické hladiny, ve které lze např. provádět seřizovací práce.

- Plný energetický úsporný profil (NC standby) znamená, že jestliže po určitý definovaný čas není stisknuto žádné tlačítko na strojním panelu, je na NC-PLC rozhraní vydán signál. Přes PLC je potom na základě této informace třeba nastavit energetickou hladinu stroje, kdy je např. možné přenášet technologické programy do a z NC systému nebo tyto programy editovat.

- Maximální energetický úsporný profil (Auto Shut off) znamená, že jestliže po určitý definovaný čas není stisknuto žádné tlačítko na strojním a systémovém panelu a není aktivní komunikace s externími zařízeními, je na NC-PLC rozhraní vydán signál. Přes PLC je potom vypnut hlavní vypínač, např. přes ovládání podpěťové cívky.

Tyto energetické úsporné profily předpokládají, že se NC systém nachází ve stavu Reset a mohou být přes PLC uživatelsky zablokovány. Pro eventuální změnu, případně pro rozšíření počtu profilů až na maximálně osm je nutno mít aktivována uživatelská přístupová práva pro výrobce stroje. Aktivace a deaktivace profilů je možná přes ovládací panel řídicího systému a není chráněna žádným přístupovým heslem. Tento volný přístup je možné s výhodou flexibilně použít, např. při přestávkách na oběd stisknutím tzv. „obědového tlačítka“.

E. Klocová: A to je u Sinumeriku v oblasti Ctrl+E všechno? Není to málo?

J. Urban: Myslím, že to není málo, a jmenujme si další funkce, které možnosti magického dvojhmatu posunují do přední linie v oblasti ekodesignu:
Kompenzace jalového výkonu – napájecí moduly ALM (Active Line Modul) pohonů Sinamics S120 umožňují kompenzovat kapacitní nebo induktivní jalový proud. Standardně se tato funkce používá ke kompenzaci systémových komponent. Tuto vlastnost lze také použít ke kompenzaci i dalších spotřebičů (většinou induktivních). Pro funkci je třeba mít nainstalován přístroj Sentron PAC ve spojení s PLC.

Snížení magnetizačního toku – toto je další možnost úspory energie a současně také ukázka smysluplnosti nasazení moderních pohonů Sinamics S120. Nastavením parametrů pohonu je možno redukovat magnetizační proud u asynchronních motorů. Tímto nastavením lze v klidovém stavu redukovat magnetizační ztráty. Tuto funkčnost lze aplikovat i při obrábění, kdy vystačíme se sníženým výkonem.

Implementace uživatelského know-how – jak jsme si již řekli, v režimu Ctrl+E lze zobrazit záznam spotřeby energie ve formě činného výkonu, v různých situacích. Někdy jsou výrobci stroje postaveni před požadavky zákazníků zobrazit i jiné údaje, např. jalový výkon a další. I na tuto eventualitu je Sinumerik Operate připraven. K tomu je třeba splnit dvě podmínky – mít nainstalován multifunkční měřicí přístroj Sentron PAC a mít vyprojektovány příslušné uživatelské obrazovky pomocí produktu Easy screen.

E. Klocová: Myslíš si, že je v souvislosti se stále se zvyšující cenou základních surovin ta správná cesta vydat se cestou investic do nových strojů? Jak bys srovnal stroje třeba před dvaceti lety a nyní? Co bylo středem pozornosti v minulém století a kam se díváme teď?

J. Urban: Investice do nových strojů je určitě správná cesta, vždyť to je to, co nás živí a je to také hybná síla růstu HDP. Ale jak na růst a jak z krize, to je téma pro ekonomické experty. Vraťme se ke strojům. V minulosti hlavní strategií při vývoji nových strojů bylo dosažení výkonových parametrů, nikoliv však ve vztahu ke spotřebě energie, ale dovolím si použít citaci „jak v co nejkratším čase sešrotovat co největší množství materiálu“. Toto nás provází dodnes. Ekonomičnost konstrukce byla také významným kritériem. Bylo to dáno možnostmi, které nabízela výpočetní technika – pohybovali jsme se v oblasti přesných výpočtů s nepřesnými čísly a také možností, které byly k dispozici ve výběru řídicích systémů a pohonů, jež jsou srdcem obráběcích strojů. V poslední době přibylo další kritérium, které se skrývá pod názvem ekodesign. Tím se dostáváme zpět na začátek našeho povídání, a sice k matici, kde jsme se snažili ukázat, že v podstatě všechno souvisí se vším.

Na mezinárodním veletrhu Industrie Paris 2012, který se konal letos v březnu, získal Sinumerik Ctrl-Energy hlavní cenu v kategorii inovace pro životní prostředí. Naši kolegové z Paříže, měli tu čest převzít cenu Throphées de I´Innovation. Co bylo ve velké konkurenci rozhodujícím hlediskem pro výběr vítěze? Na to mi odpověděl můj kolega Francois Chevalier. Porota ocenila zejména široké spektrum funkcí, které výrazným způsobem redukují spotřebu energie obráběcích strojů a to všichni členové hodnoticí komise považují za významný příspěvek pro životní prostředí. Nepochybně velký význam pro udělení ocenění má i vývoj celé koncepce, který je jasně cílený na potřeby koncových uživatelů, přičemž zohledňuje především jednoduchý způsob obsluhy. Do Paříže míří naše upřímné gratulace, tato prestižní cena je mimo jiné i jasným dokladem toho, že vítězem soutěžního klání nemusí být vždy jen exponát, který lze uchopit nebo vyfotit na titulní stránky časopisů. Některé myšlenky jsou totiž nadčasové a po pravdě vyfotit dost dobře nejdou. Sinumerik jich má pro své příznivce připraveno dost a my je čtenářům rádi v některém z následujících vydání MM Průmyslového spektra představíme.

Ing. Eva Klocová

Siemens

www.siemens.cz
eva.klocova@siemens.com