Zastępowanie tradycyjnych napędów jednoosiowych! Ile kosztów mogą zaoszczędzić przedsiębiorstwa dzięki wieloosiowym rozwiązaniom EtherCAT?

Dlaczego architektura wieloosiowych napędów serwo zapewnia natychmiastowe oszczędności infrastrukturalne

Eliminacja nadmiarowych komponentów: brak zewnętrznych przełączników, koncentratorów lub powielaczy połączeń łańcuchowych

Wieloosiowe napędy serwo integrują wszystkie te funkcje sterowania w jednym urządzeniu, eliminując konieczność stosowania dodatkowego sprzętu sieciowego, który jest standardowym wyposażeniem starszych, jednoosiowych układów. Gdy wszystko jest zintegrowane, nie ma już potrzeby stosowania przełączników, koncentratorów ani uciążliwych powielaczy połączonych szeregowo. Te komponenty jedynie komplikują system, tworząc więcej punktów potencjalnych awarii i powodując długoterminowo znaczne dodatkowe koszty dla firm. Umieszczenie wielu osi w jednym inteligentnym napędzie pozwala producentom zaoszczędzić około 15–20 procent wyłącznie na kosztach części, jednocześnie znacznie zmniejszając podatność systemów na problemy z połączeniami. Niektóre raporty dotyczące efektywności automatyki wykazały, że takie zintegrowane układy skracają liczbę połączeń elektrycznych o około trzy czwarte w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań. Przekłada się to bezpośrednio na szybsze montaże oraz brak konieczności dbania o utrzymanie dodatkowego sprzętu sieciowego. Ponadto uproszczona konstrukcja skraca czas walidacji podczas uruchamiania o około 40 procent w porównaniu do poprzednich rozwiązań.

Oszczędność miejsca w szafie i zmniejszenie liczby przewodów: napędy dwu- i czteroosiowe zmniejszają powierzchnię zajmowaną przez szafę o do 60%

Gdy chodzi o układy napędowe, zintegrowane konfiguracje znacznie zmniejszają potrzebę infrastruktury fizycznej. Modele z dwoma i czterema osiami zawierają w jednej jednostce kilka sterowników silników, co pozwala zwolnić około 60% więcej przestrzeni w szafie sterowniczej w porównaniu do montażu oddzielnych napędów. Dzięki wspólnym szynom stałego napięcia (DC bus) oraz wbudowanym portom komunikacyjnym ogólna ilość okablowania jest znacznie mniejsza. Mówimy o redukcji liczby kabli w zakresie od 70 do 85%, co oznacza mniej rur okablowaniowych przebiegających przez ściany, mniej prac związanych z zakończeniem kabli w punktach połączeń oraz – oczywiście – oszczędność czasu i kosztów związanych z pracami montażowymi. Zgodnie z raportami techników serwisowych, czasy instalacji skracają się średnio o około 30%. Istnieją także inne korzyści finansowe: mniejsze szafy sterownicze oznaczają niższe koszty materiałów na obudowy, a mniejsza ilość generowanego ciepła redukuje wymagania dotyczące chłodzenia obiektu. Dla producentów pracujących w warunkach ograniczonej przestrzeni te kompaktowe rozwiązania napędowe pozwalają osiągnąć imponujące rezultaty przy stosunku 3 osie na 1 stopę kwadratową (ok. 0,093 m²) powierzchni. Umożliwia to łatwiejsze rozbudowywanie linii produkcyjnych bez konieczności wprowadzania istotnych zmian w istniejącej infrastrukturze.

Deterministyczna wydajność EtherCAT jako bezpośredni mechanizm oszczędzania kosztów

Drgania o wartości mniejszej niż submikrosekunda oraz rozproszone zegary umożliwiające precyzyjną synchronizację napędów serwo wieloosiowych – zmniejszające błędy ruchu i kosztowne powtórne próby implementacji sprzętu

System rozproszonych zegarów w EtherCAT zapewnia synchronizację z dokładnością lepszą niż jedna mikrosekunda, co praktycznie eliminuje problemy związane z czasem, które zakłócają wzajemne ustawienie w systemach ruchu wieloosiowego. Dzięki tej dokładności błędy pozycjonowania serwo spadają o około 90% w porównaniu do starszych technologii magistrali polowej, co oznacza mniej powtórzeń wynikających z problemów sprzętowych oraz znacznie mniejsze marnowanie materiałów. Rzeczywiste rezultaty są również imponujące. Firmy zajmujące się opakowaniami odnotowały około 40% mniejszą liczbę wyłączeń związanych z ruchem po przejściu na napędy serwo sterowane przez EtherCAT. Zgodnie z raportem Instytutu Ponemon z 2023 roku dotyczącym kosztów przestoju w automatyce przemysłowej, przekłada się to na oszczędności w wysokości około siedmiuset czterdziesięciu tysięcy dolarów rocznie na pojedynczej linii produkcyjnej.

Komunikacja jednokablowa, jednoramkowa skalowalna do ponad 10 000 węzłów – obniżenie narzutu komunikacji na oś o ok. 70%

Funkcja przetwarzania w locie protokołu EtherCAT umożliwia połączenie nawet ponad 65 tysięcy urządzeń za pomocą jednego kabla przy każdym połączeniu ich końców do siebie. Zastępuje to skomplikowane sieci o topologii gwiazdy czymś znacznie prostszym i wymagającym ogólnie znacznie mniej sprzętu. Firmy zgłaszają oszczędności na kablach w zakresie od 60 do 80 procent w porównaniu do tradycyjnych połączeń punkt-punkt, jednocześnie skracając czas przesyłania komunikatów przez system. Opóźnienia komunikacyjne spadają do około 30 mikrosekund na każde tysiąc punktów wejścia/wyjścia, a inżynierowie poświęcają obecnie mniej więcej połowę czasu na konfigurację takich sieci. Duże firmy produkcyjne również odnotowały korzyści: niektóre z nich stwierdzają, że obciążenie komunikacyjne zmniejszyło się o około siedemdziesiąt procent przy skalowaniu systemów przekraczających 10 tysięcy węzłów, bez konieczności stosowania dodatkowego sprzętu, takiego jak przełączniki lub powielacze. Te ulepszenia przekładają się na rzeczywiste oszczędności finansowe: jedna fabryka zgłosiła oszczędności prawie dwóch milionów dolarów po pięciu latach pracy z robotycznymi systemami o dużej liczbie osi.

Całkowity koszt posiadania: napędy serwo wieloosiowe vs. wdrożenia napędów jednoosiowych z magistralą polową

Oszczędności na okablowaniu i pracy: o 60–80% mniej kabli, rur osłonowych i zakończeń w porównaniu do CANopen/PROFIBUS

Gdy chodzi o wieloosiowe napędy serwo, te systemy integrują sterowanie dla około 2–4 osi w jednej zwartej jednostce. Takie rozwiązanie znacznie zmniejsza potrzebę stosowania infrastruktury fizycznej. Mówimy o wdrożeniach wymagających o 60–80% mniej okablowania niż starsze systemy oparte na CANopen lub PROFIBUS. Co to oznacza? Nie ma już konieczności przeciągania kilometrów rur kablowych, radzenia sobie ze setkami punktów zakończeniowych ani walki z skomplikowanymi wiązkami przewodów, które kiedyś zajmowały wiele czasu przy montażu. Weźmy na przykład typową linię produkcyjną z 50 osiami. Oszczędności są tutaj bardzo istotne – same koszty miedzianego okablowania wynoszą około 18 000 USD. Nie należy również zapominać o czasie pracy. Instalatorzy teraz muszą połączyć każdy napęd tylko jednym przewodem zasilającym i jednym przewodem EtherCAT zamiast prowadzić osobne przewody do każdego silnika, jak to było wcześniej w przypadku starszych systemów. Montaż szafy sterowniczej również przebiega znacznie szybciej, skracając czas budowy o 40–65%. Oznacza to, że uruchomienie całego systemu odbywa się szybciej niż kiedykolwiek wcześniej.

Ukryte czynniki wpływające na całkowity koszt posiadania (TCO): czas inżynierów, cykle walidacji, zapasy części zamiennych oraz długoterminowa konserwacja

Ponad oszczędnościami wynikającymi z niższych kosztów sprzętu, wieloosiowe napędy serwo skracają ukryte koszty w całym cyklu eksploatacyjnym:

• Nakład pracy inżynierskiej zmniejsza się o 30–50% dzięki znormalizowanym topologiom i ograniczeniu niestandardowego programowania
• Cykle walidacji skracają się poprzez wyeliminowanie ryzyka utraty integralności sygnału wynikającego z połączeń szeregowych (daisy-chain)
• Zapasy części zamiennych zmniejszają się o 60% — jeden napęd zastępuje 2–4 jednoosiowe jednostki
• Konserwacja predykcyjna staje się prostsza dzięki scentralizowanemu monitorowaniu stanu urządzenia za pośrednictwem diagnostyki EtherCAT

Zakłady zgłaszają 35% niższe roczne koszty konserwacji ze względu na mniejszą liczbę potencjalnych punktów awarii. Liczba nieplanowanych przestoju spada znacznie — co ma kluczowe znaczenie dla branż wymagających bardzo wysokiej dostępności systemów, takich jak przemysł opakowań, gdzie koszt jednej godziny przestoju szacowany jest na 740 tys. USD/godz. (Ponemon Institute, Raport benchmarkowy dotyczący kosztów przestoju w automatyce przemysłowej , 2023).

Przekraczanie barier przyjęcia rozwiązania: dlaczego producenci maszyn OEM wahają się przed jego wdrożeniem — i jak pokonać tę barierę

Choć badania wykazują całkowite oszczędności kosztów w zakresie od 35 do 42 procent przy wdrażaniu wieloosiowych napędów serwo, wiele producentów sprzętu oryginalnego (OEM) nadal ma trudności z wprowadzeniem tych systemów w swoich operacjach. Istnieje zasadniczo cztery główne przeszkody utrudniające ich wdrożenie. Po pierwsze – kłopoty związane z integracją nowej technologii ze starszym wyposażeniem, które korzysta z innych standardów komunikacji. Następnie pojawia się zawsze niełatwe pytanie o finansowanie: przedsięwzięcia wymagają znacznych inwestycji początkowych, których zwrot nie jest widoczny w ciągu kilku miesięcy. Zespół konserwacyjny często nie posiada odpowiedniego szkolenia z zakresu technologii EtherCAT, co stanowi kolejną barierę. I nie należy zapominać o najgorszym koszmarze każdego – przestoju produkcji podczas modernizacji istniejących maszyn za pomocą tej nowszej technologii. Wszystkie te czynniki razem powodują poważne wahania i niechęć do działania, mimo długoterminowych korzyści finansowych czekających na końcu tunelu.

Najlepszym podejściem jest rozpoczęcie od małych kroków — wdrożenie zmian najpierw na mniej krytycznych liniach produkcyjnych. Pozwala to firmom przetestować, jak dobrze nowe rozwiązania działają, zanim zostaną wdrożone w pełni, co pomaga ograniczyć potencjalne ryzyka. Współpraca z certyfikowanymi partnerami również ma sens. Tacy specjaliści doskonale znają się na integracji nowych systemów oraz na właściwym szkoleniu personelu. Ich doświadczenie w zakresie sterowania ruchem może znacznie przyspieszyć cały proces. Przy analizie kosztów w dłuższej perspektywie warto zwrócić uwagę na różnicę między napędami serwo wieloosiowymi a jednoosiowymi. Badania wykazują oszczędności w zakresie ok. 60–80% wyłącznie w kosztach okablowania i pracy ręcznej. Takie oszczędności szybko się sumują. Większość projektów pilotażowych, jakie obserwowaliśmy, spłaca się zwykle w ciągu około półtora roku dzięki niższym zapotrzebowaniom na zapasy oraz mniejszej liczbie godzin koniecznych na konserwację i usuwanie usterek. Nie należy także zapominać o modułowych konstrukcjach napędów — umożliwiają one łatwą wymianę podczas regularnych okresów konserwacji bez konieczności całkowitego zatrzymania produkcji. Ponadto są one kompatybilne z istniejącym sprzętem, więc nie ma potrzeby pozbywania się obecnie używanych urządzeń już teraz.