W dobie coraz powszechniejszej automatyzacji produkcji technologie napędowe okazują się niezbędnym elementem praktycznie każdego procesu. Ponieważ jednak różnorodność tych procesów jest olbrzymia, a więc i różne są wymagania co do układów napędowych i zakres wykonywanych prac, dostępne napędy różnią się diametralnie pod względem posiadanych cech, parametrów, budowy czy poszczególnych podzespołów.

Silniki elektryczne i serwonapędy

W procesach produkcyjnych coraz częściej napęd pneumatyczny bądź hydrauliczny jest zastępowany napędem elektrycznym. Wynika to z kilku czynników, m.in. oba te rozwiązania wymagają bardziej skomplikowanej infrastruktury. W zdecydowanej większości przypadków instalacja elektryczna i tak jest dostępna, a dodatkowo napęd elektryczny jest czystszym rozwiązaniem. Wśród dostępnych na rynku motorów przemysłowych dominują silniki prądu przemiennego, wśród których najczęściej używane są indukcyjne silniki trójfazowe (klatkowe) – są one stosunkowo niedrogie, niezawodne i charakteryzują się prostą konstrukcją. Rosnącym zainteresowaniem cieszą się także silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, które odznaczają się wysoką sprawnością i są przystosowane do zmiennego obciążenia.

Z każdym rokiem coraz popularniejsze stają się również serwonapędy, które są nieodzownym elementem układów sterowania wielu maszyn i urządzeń przemysłowych i pozwalają kontrolować zarówno pozycję, jak i moment siły. Dlatego też obecnie serwonapędy coraz częściej są stosowane w aplikacjach, gdzie jeszcze parę lat temu nikt nie przewidywał użycia serwo. A ich rola może jeszcze rosnąć, gdyż cały czas podlegają rozwojowi. Stają się coraz bardziej kompaktowe, dokładniejsze w działaniu, łatwe w uruchamianiu i nie wymagają długiego strojenia, co przekłada się na oszczędność czasu. Zaś długa żywotność zapewnia konkretne oszczędności finansowe.

Energooszczędne układy napędowe

Energooszczędność jest globalnym trendem, który dotyka dziś praktycznie wszystkie branże przemysłowe, a także sporo innych obszarów naszego życia. Trend ten nie tylko nie omija napędów przemysłowych, ale wręcz ma olbrzymi wpływ na ich dalszy rozwój. Powszechna obecność napędów elektrycznych w naszym codziennym życiu sprawiła bowiem, że dostrzeżono ich wpływ na środowisko naturalne. Wystarczy tylko wspomnieć, że silniki elektryczne odpowiadają obecnie nawet za ok. 60-70% zużycia energii elektrycznej w przemyśle i ok. jednej trzeciej globalnego zużycia energii (według UE w Europie silniki elektryczne odpowiadają za zużycie niemalże 50% energii elektrycznej). Dlatego też producenci silników coraz częściej są zmuszani różnymi środkami do produkcji energooszczędnych napędów, a przedsiębiorcy – do korzystania z nich.

A trzeba pamiętać, że sprawność silników wprost proporcjonalnie przekłada się na wielkość zużycia energii elektrycznej i związaną z tym wysokość emisji dwutlenku węgla oraz inne koszty eksploatacyjne. Dlatego też podnoszenie wydajności energetycznej silników to jeden z priorytetów producentów napędów przemysłowych.

Wyższą sprawność napędów wymuszają także stosowne zmiany w prawie unijnym – zgodnie z najnowszymi dyrektywami wysoką sprawnością powinny charakteryzować się również napędy, które pełnią w różnych procesach jedynie funkcję pomocniczą. Postawienie na oszczędne silniki to realne korzyści dla przedsiębiorstwa w postaci niższego o 20-30% zużycia energii elektrycznej i dla środowiska naturalnego w postaci niższej emisji do atmosfery CO2 i innych szkodliwych substancji (w samej tylko Europie można w ten sposób zaoszczędzić rocznie ok. 135 TWh energii i wyemitować o ponad 60 mln ton mniej dwutlenku węgla).

Miniaturyzacja technologii napędowej

Kolejnym globalnym trendem, który jest wszechobecny i można go dostrzec również w przypadku technologii napędowych, jest miniaturyzacja rozwiązań. Wynika ona nie tylko z potrzeby klientów i konkretnych warunków otoczenia, ale po części także z przepisów prawa. Kompaktowe czy nawet mikronapędy są koniecznością wszędzie tam, gdy mamy do czynienia z ograniczoną przestrzenią montażową. Co jednak niezwykle istotne, konieczność zmniejszania wymiarów napędów wcale nie oznacza, że ich parametry również są zmniejszane – nierzadko kompaktowy napęd musi się charakteryzować równie dużym momentem obrotowym jak znacznie większe gabarytowo rozwiązanie.

Tego typu miniaturowe technologie napędowe coraz częściej są koniecznością w przemyśle produkcyjnym i przy automatyzacji różnych procesów. Przykładem mogą być manipulatory, chwytaki, a także systemy transportowe czy urządzenia do znakowania. Masę przykładów wykorzystania niewielkich napędów znajdziemy także w innych branżach, a najlepszymi przykładami są przemysł medyczny, lotniczy oraz kosmiczny. Kompaktowe napędy oznaczają, że miniaturyzacji muszą zostać poddane wszystkie komponenty, czyli nie tylko silniki, ale również wbudowane enkodery, przekładnie, sterowniki czy hamulce.

Komunikujące się napędy

Aby napędy stanowiły pełnoprawne ogniwo zaawansowanych systemów produkcyjnych, muszą posiadać możliwości wielokierunkowej komunikacji – nie tylko z układem sterowania (np. sterownikiem PLC), ale również z innymi obszarami takiego zakładu produkcyjnego. Standardem stają się powszechnie stosowane systemy magistrali polowej działające w czasie rzeczywistym, a także możliwość komunikacji z wykorzystaniem protokołu Ethernet czy innych standardów (np. IO-Link), w tym rozwiązań komunikacyjnych do obsługi IoT.

Dostawcy rozwiązań napędowych coraz częściej rozbudowują je także o moduły komunikacji bezprzewodowej. Ponieważ najczęściej konieczna jest komunikacja na bliską odległość, popularne są np. technologie Bluetooth czy wykorzystująca fale radiowe technologia NFC.

Można spotkać także rozwiązania, w których napędy komunikują się pomiędzy sobą, tworząc coś w rodzaju małej sieci. Wówczas jeden z napędów staje się sterownikiem dla pozostałych, narzucając im np. określoną prędkość pracy. Do tego systemu mogą zostać dołączone także inne urządzenia: czujniki, kamery, skanery czy systemy wizyjne. W ten sposób napędy mogą stanowić swego rodzaju autonomiczne centra technologiczne, które poza swoimi podstawowymi zadaniami pełnią także funkcje regulacji prędkości, momentu, ciśnienia, temperatury, synchronizacji, pozycjonowania i wiele innych.

Układy napędowe jako integralna część Przemysłu 4.0 i IoT

Koncepcja czwartej rewolucji przemysłowej oraz Przemysłowego Internetu Rzeczy, która podchodzi holistycznie do procesów produkcyjnych, ma olbrzymi wpływ na rozwój technologii napędowej – bez zaawansowanych rozwiązań dalsza ekspansja tych megatrendów byłaby mocno ograniczona, a wręcz niemożliwa. Wspomniane wyżej coraz lepsze możliwości komunikacyjne są podstawą sprawnego transferu danych, zdalnego sterowania i monitorowania procesów, umożliwiają natychmiastową reakcję w momencie otrzymania niepokojących informacji, a także pozwalają przewidywać wystąpienie takich niebezpiecznych sytuacji.

Wprawdzie układy napędowe standardowo są typowym elementem wykonawczym, ale dzięki inteligentnym rozwiązaniom oraz integracji z układami kontrolnymi i interfejsami komunikacyjnymi stanowią ważny element kontrolowania i zbierania kluczowych danych procesowych. Pozyskiwane w ten sposób dane, wcześniej nieprzetwarzane, stanowią bezcenne źródło informacji o trwałości i jakości wszystkich urządzeń. Dzięki takim funkcjonalnościom napędy będą się przyczyniały do dalszego rozwoju środowiska Przemysłu 4.0, a jednocześnie mogą podnosić wskaźniki produktywności.

W przyszłości napędy będą stawały się coraz bardziej inteligentne, co pozwoli np. przyspieszyć procesy projektowania i uruchamiania maszyn czy linii produkcyjnych oraz zapewni lepszą diagnostykę i kontrolę już nie tylko podstawowych parametrów, a w konsekwencji jeszcze bardziej usprawni funkcjonowanie systemów predykcyjnego utrzymania ruchu.

Wszechstronne i uniwersalne napędy

Jeszcze nie wszystkie przedsiębiorstwa znajdują się na etapie wdrażania koncepcji Industry 4.0 i inteligentne rozwiązania napędowe nie są dla nich przeznaczone, co jednak nie oznacza, że nie mają one potrzeby stawiania na zaawansowane technologie napędowe. Rosnące potrzeby i oczekiwania ze strony użytkownika wymuszają wdrażanie nowych funkcjonalności, które mają zapewnić, że produkcja stanie się szybsza, bardziej wydajna i oszczędniejsza.

Oczekiwania użytkowników dotyczą również wielu opcji montażu i przyłączy, możliwości elastycznego dopasowania do każdej aplikacji, również w dużo bardziej skomplikowanych i wymagających środowiskach, przy zachowaniu przyjaznej obsługi, a także wyboru spośród różnych wariantów obciążenia.

Jednym z ważniejszych trendów panujących w obszarze technologii napędowych jest tworzenie takich rozwiązań, które są w jak największym stopniu uniwersalne, co zapewnia użytkownikowi możliwość ich łatwego zoptymalizowania pod konkretne potrzeby. Widoczne jest również odchodzenie producentów napędów od rozwiązań dedykowanych tylko np. jednej branży czy konkretnemu procesowi. Napędy muszą stać się takimi urządzeniami, które będzie można szybko, w łatwy sposób i tanim kosztem dostosować do własnych, często unikalnych potrzeb.

Choć często mamy do czynienia z koniecznością miniaturyzacji napędów, to jednak wciąż zdarzają się sytuacje, w których użytkownicy oczekują, że w napędach zintegrowane zostaną dodatkowe podzespoły, co przełoży się na ich większą funkcjonalność. Mowa tu np. o module odzyskiwania energii, dodatkowych filtrach czy hamulcach bądź innych elementach zwiększających bezpieczeństwo użytkowania.

Napędy – specjalne potrzeby i innowacyjne rozwiązania

Olbrzymia różnorodność aplikacji wyposażonych w napędy sprawia, że w ofercie rynkowej producentów technologii napędowych muszą się znaleźć bardzo różnorakie rozwiązania, często dość nietypowe. Jednym z takich przykładów są napędy do robotów mobilnych czy pojazdów AGV pracujących w cichych lokalizacjach, jak np. szpitale, hotele, muzea czy inne obiekty użyteczności publicznej.

Całkowitym przeciwieństwem powyższych napędów są te, które pracują np. w kopalniach czy w innych ekstremalnych warunkach. W tym przypadku hałas nie ma żadnego znaczenia, a liczy się przede wszystkim odporność na trudne warunki pracy, w tym pył, błoto, wilgoć czy wysoką temperaturę. Stąd istotny jest wysoki poziom szczelności, zwłaszcza w miejscach newralgicznych, jak np. przyłącze elektryczne. Często takie napędy przez długi okres (liczony nawet w latach) są poddawane uderzeniom, drganiom czy działaniu innych sił mocno obciążających konstrukcję napędu. Dlatego też w takich przypadkach podstawowymi wymaganiami stają się solidny korpus o grubych ściankach oraz odporna na wstrząsy i drgania konstrukcja wewnętrzna.

Ważna jest jednak nie tylko wytrzymałość mechaniczna, ale również elektryczna napędów – w ich pobliżu często występuje np. pole elektromagnetyczne wytwarzane przez nieekranowane przewody. Warto też wspomnieć o ochronie przeciwkorozyjnej, na którą składa się odpowiedni dobór materiałów i powłok.

W produkcji napędów stosowane są coraz częściej nowe materiały, które zmniejszają np. ich masę lub podnoszą ich odporność. Lekkie obudowy aluminiowe mogą ograniczyć łączną masę napędu nawet o 25%. Z kolei coraz częściej stosowany w napędach grafen nie tylko ogranicza masę, ale może też zastąpić powłoki antykorozyjne.

Nowoczesne napędy, podobnie jak i inne komponenty automatyki przemysłowej, stają się coraz bardziej zaawansowanymi urządzeniami, które nierzadko pełnią także dodatkowe funkcje. Przy ich projektowaniu zaczynają do głosu dochodzić takie cechy jak komunikacja, samodiagnostyka, energooszczędność, integracja z innymi systemami, bezpieczeństwo, a nawet autonomiczność, a niedaleka już przyszłość bez wątpienia będzie należeć do jeszcze bardziej inteligentnych napędów.