Nahrádzanie tradičných jednoosových pohonov! Koľko nákladov môžu podnikom ušetriť viacoosové EtherCAT riešenia?

Prečo architektúra viacoosových servopohonov prináša okamžité úspory v infraštruktúre

Odstraňovanie nadbytočných komponentov: žiadne externé prepínače, rozdeľovače (huby) ani opakovače pre daisy-chain zapojenie

Viacoosové servopohony integrujú všetky tieto funkcie riadenia do jedného balíčka namiesto potreby dodatočných sieťových komponentov, ktoré sú štandardne súčasťou starších jednoosových systémov. Keď sa všetko integruje do jedného celku, už nie je potrebné používať prepínače, rozdeľovače (huby) ani tie otravné opakovače v reťazovej topológii (daisy chain). Tieto komponenty len zbytočne komplikujú systém, vytvárajú viac miest, kde môže dôjsť k poruche, a v dlhodobom horizonte spoločnostiam výrazne zvyšujú náklady. Umiestnenie viacerých osí do jedného inteligentného pohonu umožňuje výrobcom ušetriť približne 15 až 20 percent iba na náhradných dieloch, pričom ich systémy sa stávajú výrazne menej náchylné na problémy s pripojením. Niektoré správy o efektivite automatizácie dokonca uvádzajú, že tieto konzolidované systémy znížili počet elektrických pripojení približne o tri štvrtiny v porovnaní s tradičnými prístupmi. To sa priamo prejavuje rýchlejšou inštaláciou a odstraňuje potrebu starostí o údržbu všetkého toho dodatočného sieťového vybavenia. Navyše jednoduchší dizajn znižuje čas potrebný na validáciu počas nastavovania približne o 40 percent oproti predchádzajúcim riešeniam.

Úspora priestoru v rozvádzači a zníženie počtu káblov: Pohony s dvoma a štyrmi osami znižujú plošnú náročnosť rozvádzača až o 60 %

Ak ide o pohonné systémy, konsolidované konfigurácie výrazne znížia potrebu fyzickej infraštruktúry. Dvojosové a štvorjosové modely v podstate integrujú niekoľko riadiacich jednotiek motora do jedného zariadenia, čo uvoľní približne o 60 % viac miesta v rozvádzači v porovnaní s inštaláciou samostatných pohonných jednotiek. Vďaka spoločnému DC zbernicovému zapojeniu a zabudovaným komunikačným portom je potrebné výrazne menej káblového prepojenia. Hovoríme o znížení počtu káblov o 70 až 85 percent, čo znamená menej káblových kanálikov prechádzajúcich stenami, menej práce s ukončovaním káblov na prípojných bodoch a samozrejme úsporu času a nákladov na inštalačné práce. Podľa správ technikov z terénu sa doba inštalácie zvyčajne skráti približne o 30 %. Sú tu však aj ďalšie nákladové výhody. Menšie ovládacie rozvádzače znamenajú lacnejšie materiály na ich obaly a nižšia výroba tepla znižuje požiadavky na chladenie v priestoroch. Pre výrobcov, ktorí pracujú v obmedzených priestoroch, tieto kompaktné riešenia pohonných jednotiek umožňujú dosiahnuť výnimočné výsledky v pomere 3 až 1 osí na štvorcový stopu priestoru. To zjednodušuje rozširovanie výrobných liniek bez nutnosti zásahov do existujúcich priestorov.

Deterministický výkon EtherCATu ako priamy nástroj na úsporu nákladov

Jitter pod mikrosekundu a distribuované hodiny umožňujú presnú synchronizáciu viacosiachových servopohonov – čím sa znížia chyby pohybu a drahé opakované pokusy s hardvérom

Systém distribuovaných hodín v EtherCATe dosahuje synchronizáciu s presnosťou lepšou ako jedna mikrosekunda, čo v podstate eliminuje časové problémy, ktoré narušujú zarovnanie v viacosiachových pohybových systémoch. Vďaka tejto presnosti sa chyby polohovania servopohonov znižujú približne o 90 % v porovnaní so staršími fieldbusovými technológiami, čo znamená menej opakovaných pokusov spôsobených hardvérovými problémami a výrazne menej odpadu materiálu. Aj reálne výsledky sú pôsobivé. Spoločnosti v oblasti balenia zaznamenali približne o 40 % menej výpadkov súvisiacich s pohybom od okamihu prechodu na servopohony riadené prostredníctvom EtherCATu. Podľa správy Ponemon Institute z roku 2023 o nákladoch na výpadky v priemyselnej automatizácii to zodpovedá ročným úsporám približne 740 000 USD na jednej výrobnej linke.

Komunikácia s jedným káblom a jedným rámom, škálovateľná na viac ako 10 000 uzlov – zníženie komunikačného zaťaženia na osi o približne 70 %

Funkcia spracovania v reálnom čase (on the fly) technológie EtherCAT umožňuje postupne prepojiť až 65 tisíc a viac zariadení pomocou len jedného kábla pri každom ich koncovom pripojení. Tým sa namiesto zložitých sieťových usporiadaní v tvare hviezdy dosahuje oveľa jednoduchšie riešenie, ktoré vyžaduje výrazne menej vybavenia celkovo. Podniky uvádzajú úsporu káblov v rozmedzí od 60 do 80 percent v porovnaní s tradičnými point-to-point spojeniami, zároveň sa skracuje doba prenosu správ cez systém. Komunikačné oneskorenia klesajú na približne 30 mikrosekúnd na každých tisíc vstupno-výstupných bodov a inžinieri teraz strávia približne polovicu času pri nastavovaní týchto sietí. Aj známe výrobné spoločnosti dosiahli pozoruhodné výsledky: niektoré uvádzajú, že zaťaženie komunikácie kleslo približne o sedemdesiat percent pri škálovaní systémov nad desaťtisíc uzlov bez potreby dodatočného hardvéru, ako sú prepínače alebo opakovače. Tieto zlepšenia sa prejavujú aj v reálnych finančných úsporách – jedna továreň po piatich rokoch prevádzky vysokoosových robotických systémov nahlásila úsporu takmer dvoch miliónov dolárov.

Celkové náklady na vlastníctvo: viacoosový servoregulátor vs. jednoosové fieldbusové nasadenia

Úspory pri káblovani a práci: o 60–80 % menej kábla, káblových kanálikov a ukončení v porovnaní s CANopen/PROFIBUS

Keď ide o viacoosové servoregulátory, tieto systémy integrujú riadenie približne 2 až 4 osí do jednej kompaktnej jednotky. Toto usporiadanie výrazne zníži potrebu fyzickej infraštruktúry. Hovoríme o nasadeniach, ktoré vyžadujú o 60 % až 80 % menej káblov ako staršie systémy založené na CANopen alebo PROFIBUS. Čo to znamená? Už nie je potrebné ťahať kilometre káblových kanálikov, zaoberať sa stovkami miest ukončenia káblov ani bojovať s komplikovanými káblovými zväzkami, ktoré bolo predtým veľmi náročné zostaviť. Vezmime si napríklad typickú výrobnú linku s 50 osami. Úspory sú tu významné – iba na nákladoch na medené káble sa ušetrí približne 18 000 USD. A nezabudnime ani na úsporu času pri montáži. Inštalatéri teraz musia pripojiť len jeden napájací kábel a jeden kábel EtherCAT na každý regulátor namiesto toho, aby museli pre každý motor viesť samostatné vodiče, ako to bolo v prípade starších systémov. Montáž rozvádzačov sa tiež dokončí výrazne rýchlejšie, čím sa skráti doba zostavy o 40 % až 65 %. To znamená, že celý systém je prevádzkyschopný rýchlejšie ako kedykoľvek predtým.

Skryté faktory celkových nákladov na vlastníctvo (TCO): inžiniersky čas, cykly overovania, zásoby náhradných dielov a dlhodobá údržba

Okrem úspor na hardvéri viemosové servopohony znížia skryté náklady počas celého prevádzkového životného cyklu:

• Inžinierske zaťaženie klesne o 30–50 % vďaka štandardizovaným topológiám a zníženému množstvu prispôsobeného programovania
• Cykly overovania sa skrátia elimináciou rizík integrity signálov pri kaskádových pripojeniach
• Zásoby náhradných dielov sa znížia o 60 % – jeden pohonný motor nahradí 2–4 jednoosové jednotky
• Prediktívna údržba sa zjednoduší prostredníctvom centrálneho monitorovania stavu cez diagnostiku EtherCAT

Prevádzky uvádzajú ročné náklady na údržbu o 35 % nižšie v dôsledku menšieho počtu miest porúch. Neplánovaná výpadková doba spôsobená koróziou konektorov alebo poškodením káblov výrazne klesá – čo je kritické pre odvetvia s vysokou dostupnosťou systémov, ako je napríklad balenie, kde výpadková doba predstavuje odhadované náklady vo výške 740 000 USD/hodinu (Ponemon Institute, Referenčná správa o nákladoch na výpadkovú dobu v priemyselnej automatizácii , 2023).

Prekonávanie bariér pri prijímaní technológie: Prečo OEM výrobcovia váhajú – a ako preklenúť túto medzeru

Aj keď štúdie ukazujú celkové úspory nákladov v rozmedzí od 35 do 42 percent pri zavádzaní viacoosových servopohonných systémov, mnohým výrobným firmám (OEM) stále robí problém tieto systémy zaviesť vo všetkých oblastiach svojich prevádzok. V podstate existujú štyri hlavné prekážky, ktoré tomu bránia. Prvou je problém integrácie novej technológie so starým vybavením, ktoré využíva iné komunikačné štandardy. Potom sa vždy objaví otázka financií – nikto nechce hovoriť o počiatočných investíciách, ktoré sa zdajú veľmi vysoké, keď sa výnosy z investícií v priebehu niekoľkých mesiacov neprejavujú. Údržbové tímy často nemajú dostatočné odborné znalosti v oblasti technológie EtherCAT, čo predstavuje ďalšiu prekážku. A nezabudnime ani na každého najväčší košmar – výpadky výroby počas modernizácie existujúcich strojov touto novou technológiou. Všetky tieto faktory spoločne vyvolávajú vážnu rezervu, napriek dlhodobým finančným výhodám, ktoré čakajú na konci tunela.

Najlepší prístup? Začať pomaly a zaviesť zmeny najprv na menej kritických výrobných linkách. Tým si firmy môžu otestovať, ako dobre fungujú novinky, než sa plne angažujú, čo pomáha znížiť potenciálne riziká. Zmysluplné je tiež spolupracovať s certifikovanými partnermi. Tí majú skutočné odborné znalosti v oblasti integrácie nových systémov a správneho školenia personálu. Ich skúsenosti s riadením pohybu môžu výrazne urýchliť celý proces. Pri pohľade na náklady v dlhodobom horizonte stojí za zmienku rozdiel medzi viacoosovými a jednoosovými servopohonnými jednotkami. Štúdie ukazujú úsporu približne 60 až 80 percent iba na nákladoch na káblové prepojenia a prácu. Tieto úspory sa veľmi rýchlo nahromadia. Väčšina pilotných projektov, ktoré sme videli, sa obvykle vráti približne za rok a pol vďaka nižšej potrebe zásob a menšiemu počtu hodín údržby strávených opravou problémov. A nezabudnime ani na modulárne konštrukcie pohonných jednotiek. Tie umožňujú jednoduchú výmenu počas bežných údržbových prestávok bez úplného vypnutia prevádzky. Navyše sú kompatibilné aj so starším vybavením, takže zatiaľ nie je potrebné vyhadzovať to, čo už máte.