Možnosti využití vizualizace v ekodesignu

Výrobci tak budou muset hledat způsoby, jak efektivně přispět nejen ke snižování spotřeby elektrické energie ve fázi používání výrobků, ale i ke snižování emisí skleníkových plynů již od rané fáze těžby surovin, jejich zpracování na konstrukční materiál, využití vhodných konstrukčních materiálů ve stavbě vyvíjeného výrobku a mimo jiné i způsobu ekologické likvidace či recyklace těchto materiálů na konci životního cyklu výrobku.

Existuje celá řada způsobů, pomocí nichž lze dopady na životní prostředí identifikovat a kvantifikovat. Nicméně zorientovat se správně v množství dat, která charakterizují tuto problematiku, není zcela jednoduché. Pro transparentní prezentaci výsledků je vhodné využívat vizualizační nástroje, které dokážou poskytnout efektivní podporu vedoucím pracovníkům při rozhodovacím řízení (tzv. decision making).

V rámci problematiky ekodesignu se na FSI VUT v Brně na pracovišti Sekce výrobních strojů a zařízení Divize mechatroniky při Netme Centre využívá několik způsobů vizualizace, které mají za cíl jasně identifikovat potenciální místo snížení dopadů na životní prostředí. Z hlediska kategorizace do životních fází je pak zvláštní důraz kladen na fázi vývoje produktu a na fázi užití produktu, respektive posuzovaného stroje. Dále pak v rámci posuzování celého životního cyklu posuzovaného zařízení pomocí LCA analýzy a interpretace výsledků této analýzy.

V této životní fázi nedochází u strojního zařízení k velkým emisím skleníkových plynů a energetickým nákladům. Zde můžeme fyzicky hovořit o elektrické energii spotřebované pracovními stanicemi konstruktérů, což je vzhledem k jiným životním fázím stroje téměř zanedbatelná záležitost. Nicméně rozhodnutí, která v této fázi proběhnou, mají zásadní vliv na celý životní cyklus stroje. Jednou z možností přístupu ekodesignu je kontrola za pomoci zobrazovacího zařízení pro virtuální realitu, dalším přístupem je simulace spotřeby energie během fáze užití.

Kontrola prototypu pomocí imerzní virtuální reality

Aktuálními oblastmi nasazení virtuální reality jsou zejména vizualizace a ověřování konstrukčních návrhů, virtuální uvádění produktů do provozu, plánování montážních operací včetně analýzy kolizí. V oblastech zaškolování obsluhy a údržby vytvářejí virtuální scény ideální nástroj před samotným náběhem výroby. Jako novým směrem se též jeví nasazení v oblasti ekodesignu, jelikož tato platforma je využívána nejen v počátečních fázích návrhů zařízení. V dalších fázích je například možné vizualizovat naměřenou spotřebu energií na již vyrobeném stroji. Využitím imerzní virtuální reality lze dosáhnout výrazného snížení nákladů při budování prototypů a tím pádem i zamezení plýtvání nerostného bohatství. Na základě možnosti realistického prostorového zobrazení digitálních modelů v měřítku 1:1 umožňuje konstrukčnímu týmu nahlédnout na připravený virtuální prototyp a následně mohou být včas lokalizovány a odstraněny konstrukční nedostatky.

Simulace spotřeby elektrické energie

Problematika energeticky efektivních obráběcích strojů je v současnosti velice aktuálním tématem. A to zejména díky energetickému plánu EU, podle nějž má být do roku 2020 snížena celková spotřeba elektrické energie v EU o 20 %. Pro dosažení tohoto cíle je nezbytné řešit rovněž energetickou účinnost průmyslové výroby včetně strojních zařízení, mezi které náleží i obráběcí stroje. Aby bylo možné začít s energetickou optimalizací u obráběcího stroje, je nejprve vhodné udělat energetickou bilanci v celém rozsahu jeho životního cyklu. Jelikož předchozí výzkum prokázal, že největší podíl na spotřebě energie v rámci životního cyklu obráběcího stroje má fáze jeho užívání, bude disertační práce zaměřena právě na tuto fázi životního cyklu obráběcího stroje.

Pro možnost simulace energetické náročnosti chodu obráběcího stroje je potřebné mít data, která dostatečně charakterizují posuzovaný obráběcí stroj. V tomto případě jde o CAD data charakterizující geometrii stroje a materiály, ze kterých je stroj vyroben. Pomocí výpočetních programů je pak možné získat další důležité charakteristiky, jako jsou momenty setrvačnosti a hmotnosti jednotlivých dílů. Další důležitou proměnnou, která do simulace vstupuje, je účinnost jednotlivých komponent podílejících se na rotačním a lineárním pohybu (tedy účinnosti kuličkových šroubů, lineárních vedení a ložisek). Dráha nástroje je charakterizována požadovaným NC kódem, na jehož základě stroj koná práci. Výsledkem je vizualizace průběhu aktuálního výkonu stroje, který je složen z výkonu mechanického a dalších dílčích výkonů, pro které jsou charakteristické ztráty třením, elektrické ztráty.

Porovnání simulace a měření spotřeby elektrické enegie. Pro zvětšení klikněte na obrázek

Blokové schéma simulace spotřeby elektrické energie. Pro zvětšení klikněte na obrázek

Měření pomocí wattmetru

V rámci projektu FR-TI3/655 – Ecodesign v konstrukci obráběcích strojů byla vyvinuta a uvedena do provozu wattmetrická soustava, pomocí níž je možné měřit spotřebu elektrické energie a aktuálního výkonu strojů. Měření probíhá jak na patě stroje, tak přímo mezi frekvenčním měničem a motorem lineární osy nebo vřetena. Tím lze dosáhnout poměrně komplexního pohledu na spotřebu měřeného stroje. Lze porovnávat dílčí výsledky jednotlivých lineárních os a vřetena s naměřenými výsledky na patě stroje. Zde je patrný vliv periferních zařízení, která se třeba přímo nepodílejí na primární funkci stroje, ale jsou důležitá pro dosažení požadované přesnosti obrábění, kvality povrchu, dosažení bezpečnosti práce nebo jsou důležitá pro samotný chod stroje.

Vývoj wattmetru je postaven na mechatronickém přístupu založeném na model base designu a využití V-cyklu.

Pro vývoj wattmetru vzorku byla zvolena platforma CompactRIO firmy National Instruments, s ohledem na zkušenosti s vývojem předchozích projektů. Platformu tvoří real-time počítač spojený s FPGA obvodem, který obsluhuje jednotlivé připojené periferie. Vyvinutý software je proveden ve vývojovém prostředí NI LabVIEW, které umožňuje vývoj software jak pro FPGA, tak pro real-time počítač, dokonce i pro PC, které může komunikovat s real-time počítačem.

Největší výhodou této platformy je použití FPGA, které umožňuje paralelně obsluhovat jak připojené periferie včetně jejich synchronizace, tak i provádět paralelně některé výpočty a tím významně snížit zatížení real-time počítače. Pro realizaci prototypu je použit modul sbRIO, který je OEM řešením platformy CompactRIO. Periferiemi wattmetru jsou 3x měření napětí, 3x měření proudu a komunikační modul.

Vizualizace pomocí Sankey diagramu

Sankey diagram je vyvinut pro účel zobrazování energetických toků v zařízení. Díky vizualizaci je možné určit dominantní energetický tok, což slouží jako cenný podklad pro možnou optimalizaci z hlediska zvýšení energetické účinnosti. V rámci výzkumu na ÚVSSR byl vyvinut software, pomocí kterého je možné Sankey diagram realizovat v reálném čase během měření pomocí wattmetrické soustavy. Tímto způsobem lze v daném časovém okamžiku sledovat energetické toky ve stroji a v určitém časovém okamžiku identifikovat dominantní spotřebič nebo spotřebič s největším potenciálem pro redukci spotřeby elektrické energie.

2D Sankey diagram během měření s wattmetrickou soustavou. Pro zvětšení klikněte na obrázek

Life Cycle Assessment (LCA) je metoda hodnocení možných environmentálních dopadů souvisejících s životním cyklem výrobku. LCA tedy používá přístupu „od kolébky po hrob“, při kterém jsou brány v úvahu všechny fáze životního cyklu od získávání surovin až po konečné odložení odpadu do země. Metoda LCA má pevně danou strukturu a provádí se podle mezinárodních norem řady ISO 14040.

Grafické znázornění životního cyklu výrobku podle ISO 14040. Pro zvětšení klikněte na obrázek

Podle ISO 14040 je rámec posuzování životního cyklu výrobku rozdělen do následujících čtyř fází.

Definice cílů a rozsahu studie

Cíle studie by měly být jednoznačné, zcela jasné a transparentní, a to nejen z hlediska stanovení toho, co má být uděláno, ale také z hlediska správného pochopení důvodů provádění studie. Definováním rozsahu studie se rozumí, co vše bude do studie zahrnuto a jak dlouhý časový rámec bude ve studii obsažen. Měly by také být stanoveny, zdůvodněny a zaznamenány časové a prostorové hranice studie, hranice ekonomických procesů, environmentálních zásahů a dopadů.

Inventarizační analýza (LCI)

Hlavním výstupem z inventarizační analýzy je tzv. inventarizační tabulka. Obsahuje kvantifikované vstupy a výstupy k životnímu prostředí spojené s funkční jednotkou z hlediska množství oxidu uhličitého v kg, fenolu v mg, železné rudy v kg, přírodního plynu v m3 apod. Vstupy představují parametry týkající se problémů spojených s ochranou zdrojů a výstupy parametry týkající se znečištění.

Posuzování dopadů životního cyklu (LCIA)

LCIA (Life Cycle Impact Assessment) je fází, ve které výsledky inventarizační analýzy se dále zpracovávají, vyhodnocují se z hlediska jejich potenciálních dopadů na životní prostředí a zařazují se do kategorií dopadů. Mezi základní kategorie dopadů patří například vyčerpání abiotických zdrojů, dopady využití půdy, klimatické změny, úbytek stratosférického ozonu, toxicita pro lidstvo, ekotoxicita, tvorby fotooxidantů, acidifikace a eutrofizace.

Interpretace životního cyklu

Jde o systematický postup identifikace, kvalifikace, kontroly a vyhodnocování výsledků LCI a/nebo LCIA produktového systému a jejich prezentace za účelem dosažení požadavků popsaných v cílech a rozsahu studie. Do této fáze patří také kontrola kompletnosti, citlivosti a konzistence, analýza neurčitosti a kritické přezkoumání studie Life Cycle Assessment (LCA).

Studie LCA může sloužit k identifikaci možnosti zlepšení posuzovaného produktu ve všech jeho fázích od těžby surovin až po jeho odstranění. Mezi další možnosti použití patří srovnávání alternativních produktů, interní zlepšování výrobních systémů, komunikace s veřejností, environmentální značení produktů (EPD), odpadové hospodářství, ekodesign apod.

Příklad aplikace výsledků LCA na gantry frézce. Pro zvětšení klikněte na obrázek

Petr Blecha, Jiří Tůma, Maria Iskandirova, Zdeněk Tůma, Jan Augste

Netme Centre při FSI VUT v Brně

blecha@fme.vutbr.cz