Dlaczego maszyny przemysłowe wykorzystują pneumatykę zamiast elektryki?

Dlaczego w maszynach przemysłowych zastosowano pneumatykę zamiast elektryki?

 

Rozwiązania pneumatyczne mają szczególną przewagę nad rozwiązaniami elektrycznymi pod względem gęstości mocy, niezawodności, higieny, ochrony przeciwwybuchowej i odporności na wilgoć. W niektórych specyficznych sytuacjach przemysłowych rozwiązania pneumatyczne będą tańsze, bardziej niezawodne lub bezpieczniejsze niż rozwiązania elektryczne.

 

Jeśli jednak zostaną usunięte powyższe specjalne wymagania, takie jak rozmiar i waga, odporność na trudne warunki użytkowania, zabezpieczenie przeciwwybuchowe i odporność na wilgoć, napęd elektryczny będzie wygodniejszy w ogólnych scenariuszach przemysłowych:

 

① Sterowanie jest bardzo wygodne (gaz jest ściśliwy, pneumatyka jest zbyt miękka i trudna do kontrolowania; ciśnienie hydrauliczne jest w porządku);

 

② Przewody są wygodniejsze i zajmują mniej miejsca niż rury i nie ma potrzeby rozważania uszczelniania;

 

③ System sterowania jest ogólnie prostszy i ma zalety kosztowe. Na przykład wielokanałowe siłowniki przełączające napędzane elektrycznie mogą być bezpośrednio sterowane przez sterownik PLC, podczas gdy zasilanie pneumatyczne musi najpierw wykorzystywać sterownik PLC do sterowania wieloma elektrozaworami (czyli wyspami zaworowymi), a następnie elektrozawory sterują siłownikami, tworząc jeszcze jeden poziom kontroli. System jest złożony i kosztowny.

 

 

 

W wielu projektach przemysłowych w jakich brałem udział zalety pneumatyki są następujące:

 

1. Wysoka gęstość mocy, lekka i kompaktowa.

 

Przy tej samej masie i rozmiarze systemu moc, jaką mogą przenosić układy pneumatyczne i hydrauliczne, jest na ogół większa niż w przypadku układów elektrycznych. Dzieje się tak głównie dlatego, że siłowniki cieczy, takie jak cylindry i cylindry hydrauliczne, mają prostą konstrukcję i przeważnie obciążenia z napędem bezpośrednim. Jednak silniki o tej samej mocy mają dużą masę magnesów i drutów miedzianych, dlatego należy wziąć pod uwagę odprowadzanie ciepła. Ogólnie rzecz biorąc, pomiędzy silnikiem a obciążeniem musi być zapewniona dodatkowa przestrzeń. Objętość i masa reduktora są na ogół większe niż siłownika gazowo-cieczowego o tej samej mocy.

 

2. Prosty, niezawodny i trwały.

 

Główny powód jest taki, jak wspomniano w punkcie 1. Ogólnie rzecz biorąc, mechanizm przekładni w układach pneumatycznych jest prostszy niż w układach elektrycznych. Oprócz tego, że jest kompaktowy i lekki, jak wspomniano w punkcie 1, ma także inną zaletę: mniej potencjalnych punktów awarii i wyższą niezawodność systemu.

 

Ponadto przenoszenie płynów wiąże się z wrodzoną umiejętnością: ochroną przed przeciążeniem. Narzędzia pneumatyczne na ogół nie uszkadzają narzędzi, ale elektryczne śrubokręty i wiertarki elektryczne spalą silnik, jeśli będą zablokowane przez długi czas; urządzenia uruchamiające pneumatyczne i hydrauliczne są również bardzo odporne na uderzenia mechaniczne, takie jak nagłe, nagłe hamowanie. Lub jeśli się o coś uderzysz, układ wykonawczy rzadko ulega uszkodzeniu, ale elektryczny układ napędowy napędzany silnikiem i reduktorem z dużym prawdopodobieństwem uszkodzi przekładnie.

 

Funkcja zabezpieczenia przed przeciążeniem układu przenoszenia płynu wynika z dwóch aspektów: 1. Płyn jest naturalnie elastyczny i elastyczny, a układ ma naturalne możliwości buforowania; 2. Obieg płynu jest zazwyczaj zaprojektowany z elementami zabezpieczającymi płyn, takimi jak zawory nadmiarowe ciśnienia, które automatycznie podejmują działania ochronne, aby automatycznie ograniczyć maksymalną moc wyjściową systemu.

 

Wrodzona umiejętność zabezpieczenia przed przeciążeniem dodatkowo poprawia niezawodność systemu. Jest to główny powód, dla którego urządzenia pneumatyczne i hydrauliczne są na ogół mocniejsze i trwalsze niż urządzenia elektryczne.

 

 

 

 

3. Zdrowie dotyczy głównie żywności i medycyny.

 

Silniki na ogół nie spełniają wymogów bezpieczeństwa i higieny pracy dopuszczonych do kontaktu z żywnością i lekami: różnych farb izolacyjnych, klejów i stopów metali ziem rzadkich. Istnieją również różne pomocnicze urządzenia elektryczne, przewody, sterowanie elektroniczne, złącza; wspieranie mechanicznych urządzeń do transmisji, reduktorów i elementów przekładni. Oprócz różnych materiałów stosowanych w urządzeniach elektrycznych, które wydzielają toksyczny zapach, różne smary, uszczelki i kleje stosowane w maszynach nie spełniają norm bezpieczeństwa żywności i leków.

 

Ze względu na ograniczenia inżynierii materiałowej istniejące systemy elektromechaniczne są z natury trudne do zapewnienia bezpieczeństwa na poziomie spożywczym, a nawet farmaceutycznym, jeśli mają spełniać wymagania dotyczące wydajności: Materiały toksyczne są trudne do ominięcia. Jeśli musisz to zrobić, możesz polegać tylko na uszczelnieniu: uszczelnij cały sprzęt, którego nie można wykonać z bezpiecznych materiałów, a w przypadku odsłoniętych części użyj materiałów dopuszczonych do kontaktu z żywnością i lekami.

 

Jednakże tego typu linie produkcyjne działają w sposób ciągły, a wiele linii produkcyjnych pracuje nawet nieprzerwanie przez 24 godziny. Czy te uszczelki są w stanie wytrzymać tak intensywne użytkowanie, spełniając jednocześnie wymogi bezpieczeństwa na poziomie żywności i leków? Na przykład uszczelnienie wału silnika o dziesiątkach tysięcy obrotów musi nie tylko charakteryzować się dobrą wydajnością, wysoką niezawodnością i wytrzymywać ciągłą pracę 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, ale materiały użyte w całym systemie uszczelnienia muszą również być pochodzenia spożywczego i klasa leku. Spełnienie wymagań dotyczących jakości żywności i leków jest bardzo trudne, a nawet jeśli jest to możliwe, jest to nadal bardzo kosztowne.

 

Maszyny pneumatycznezazwyczaj wykorzystuje stal nierdzewną lub stop aluminium, kilka pierścieni uszczelniających i kilka rur z tworzyw sztucznych. Nie ma wielu rodzajów wymaganych materiałów, a wymagania elektryczne, takie jak izolacja i magnetyzm, nie są brane pod uwagę. Wymagania mechaniczne dotyczące uszczelek ze względu na działanie przerywane nie są zbyt duże. Jest surowy pod względem materiałów i łatwiej jest całemu systemowi spełnić wymogi bezpieczeństwa i higieny pracy dla żywności i leków. Jest to obecnie najbardziej dojrzałe rozwiązanie.

 

Co więcej, nie przepali się na skutek przeciążenia, co jednocześnie eliminuje ogromne zagrożenie dla zdrowia i bezpieczeństwa. Sam materiał spełnia normy BHP. Nawet jeśli coś się stłucze, do produktu dostanie się żużel lub wycieknie gaz, istnieje duże prawdopodobieństwo, że nie wystąpią żadne wypadki związane z jakością i bezpieczeństwem spowodowane zanieczyszczeniem. Nazywa się to bezpieczeństwem wewnętrznym. Dlatego łatwiej i taniej jest osiągnąć bezpieczeństwo na poziomie spożywczym i farmaceutycznym za pomocą układów pneumatycznych niż za pomocą układów elektrycznych, dlatego elementy pneumatyczne są szeroko stosowane na liniach produkcyjnych tych dwóch branż.

 

 

4. Przeciwwybuchowy.

 

Wiele urządzeń elektrycznych teoretycznie może powodować iskrzenie podczas użytkowania, na przykład podczas podłączania, odłączania i rozluźniania złączy. Różne cewki będą generować siłę przeciwelektromotoryczną, a kondensatory na płytkach drukowanych mogą nagle eksplodować. Byłoby bardzo niebezpieczne, gdyby pożar powstał w środowisku łatwopalnym i wybuchowym, takim jak rafineria ropy naftowej lub kopalnia węgla. Dlatego sprzęt elektryczny używany w takich przypadkach ma poziom techniczny zwany „poziomem przeciwwybuchowym”. Sprzęt elektryczny spełniający wymagania tego poziomu musi być specjalnie zaprojektowany, aby zapewnić, że żadne ogniwo elektryczne nie będzie iskrzyć, lub aby zapewnić, że nawet jeśli jest szczelne i izolowane, zapłon jest również odizolowany od środowiska wybuchowego. Wykonanie takich projektów i przejście odpowiednich poziomów certyfikacji wymaga zaangażowania dużej siły roboczej i zasobów materiałowych. Dlatego sprzęt elektryczny w wykonaniu przeciwwybuchowym jest na ogół znacznie droższy niż zwykły sprzęt elektryczny o tych samych specyfikacjach, a nawet może być kilka razy gorszy.

 

Dopóki gaz w urządzeniach pneumatycznych jest odpowiednio oczyszczony, gaz palny nie jest zmieszany i nie dochodzi do bezpośredniego zderzenia metali, w zasadzie nie ma możliwości iskrzenia. To samo dotyczy urządzeń hydraulicznych. Dlatego też w sytuacjach, w których występują wymagania przeciwwybuchowe, wykorzystanie ciśnienia gazu lub oleju hydraulicznego jako źródła zasilania oraz umieszczenie pomp, zaworów elektromagnetycznych i innego sprzętu elektrycznego napędzającego siłowniki w odległej pompowni odizolowanej od środowiska wybuchowego pozwala uniknąć kosztownych eksplozji. - sprzęt dowódczy. urządzeń elektrycznych, osiągając w ten sposób cel polegający na obniżeniu kosztów systemu.

 

Co więcej, w przypadku niektórych niestandardowych zastosowań specjalnych, gotowy sprzęt elektryczny w wykonaniu przeciwwybuchowym może nie być dostępny. W tym przypadku jedyną opcją może być napęd gazowo-cieczowy.

 

 

5. Wodoodporny i odporny na wilgoć.

 

Sprzęt elektryczny stosowany w środowiskach automatyki przemysłowej jest na ogół nierozerwalnie związany z prądem stałym o niskim napięciu. Takie jak sterowanie elektrozaworami, sterowanie przekaźnikami, napędzanie małych silników, nie wspominając o samym mikrokontrolerze. Istnieje jednak duży problem z energią elektryczną prądu stałego: jest ona podatna na korozję elektrochemiczną.

 

Obwody prądu stałego narażone na działanie wilgotnego środowiska są podatne na taką sytuację: wilgoć skrapla się na przewodach, tworząc lokalne zbiorniki roztworu, a w przewodach występuje korozja elektrochemiczna napędzana napięciem stałym. Na przykład, chociaż prąd sterujący zaworu elektromagnetycznego jest falą PWM, jeśli go przefiltrujesz dolnoprzepustowo, okaże się, że ma on dużą składową stałą. W sterowaniu przemysłowym, oprócz obwodu mocy, w innych obwodach nie ma wielu ścisłych prądów prądu stałego. Większość z nich to sygnały o kształcie fali, takie jak PWM. Jednakże te przebiegi, zwłaszcza przebiegi obwodu mocy, zawierają dużą składową stałą, więc wilgoć będzie miała na nie wpływ. W środowisku występuje korozja elektrochemiczna. Najbardziej prawdopodobnym miejscem wystąpienia tego typu korozji elektrochemicznej są różne złącza przewodów. Dlatego podczas okablowania obwodów prądu stałego należy w miarę możliwości stosować spawanie. Bezpośrednie owijanie razem metalowych drutów jest bardzo zawodne. Albo rdzewieje i pęka po kilku dniach, albo po pewnym czasie powoduje słaby kontakt. Wręcz przeciwnie, czysty obwód prądu przemiennego ma dużą odporność na korozję.

 

Urządzenia pneumatyczne i hydrauliczne naturalnie nie mają tego problemu. Zasadniczo jest naturalnie odporny na wilgoć:

 

① Nie jest naładowany, nie występuje problem korozji elektrochemicznej napędu elektrycznego i nie ma potrzeby uwzględniania przewodności. Wszystkie materiały metalowe mogą być wykonane ze stali nierdzewnej lub stopu aluminium odpornego na rdzę;

 

② Środowisko wewnętrzne wypełnione jest czynnikiem roboczym (sprężonym powietrzem, olejem hydraulicznym) i znajduje się pod dodatnim ciśnieniem, a obieg płynu roboczego jest połączony ze sprzętem suszącym i osuszającym (takim jak zimna suszarka), dzięki czemu wnętrze domu nie będzie być pod wpływem wilgoci z otoczenia zewnętrznego. Pod wpływem. Dlatego wiele mechanizmów uruchamiających myjnie automatyczne ma charakter hydrauliczny, ponieważ woda jest wszędzie. Podobnie jest w przemyśle spożywczym, jednak aby uniknąć zanieczyszczeń powodowanych przez media hydrauliczne, stosuje się pneumatykę.

 

Nie jest tak, że sprzętu elektrycznego nie można przekształcić w sprzęt odporny na wilgoć, ale za uszczelnienie trzeba zapłacić cenę: sprzęt wodoszczelny jest zdecydowanie znacznie droższy niż sprzęt niewodoszczelny. W połączeniu z zaletami wymienionymi powyżej (takimi jak higiena), pneumatyka może mieć przewagę kosztową w określonych scenariuszach zastosowań (np. w niektórych warsztatach przetwórstwa żywności o wysokiej wilgotności).

 

Krótko mówiąc, głównym trendem jest sterowanie elektroniczne. Rozwiązania na rynku są bogate i dojrzałe, a w przyszłości staną się bardziej dojrzałe i tańsze. Układ pneumatyczny ma przewagę komparatywną tylko w niektórych przypadkach przy specjalnych wymaganiach. Dlatego też, o ile nie ma specjalnych wymagań, takich jak higiena żywności, odporność na uderzenia, ochrona przeciwwybuchowa i odporność na wilgoć, instalacja elektryczna powinna być nadal traktowana priorytetowo przy projektowaniu systemu.