W pierwszym kwartale 2024 roku zgłosiła się do nas firma MOSTOSTAL z zapytaniem o możliwość zakupu silnika elektrycznego z hamulcem napędzającego linię produkcyjną. Firma produkuje konstrukcje stalowe dla przemysłu budowlanego, w tym kraty pomostowe.
W momencie kontaktu z nami klient pracował z napędem w trybie rozruchu bezpośredniego z sieci. Był to silnik asynchroniczny indukcyjny, klatkowy o mocy 45kW zasilany napięciem siłowym 3x400VAC bez hamulca. Konieczne jednak do przeprowadzenia modernizacji linii zmiany wymusiły zastosowanie dynamicznego zatrzymania w celu zachowania odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa. Realizację tego zadania inwestor chciał uzyskać poprzez zamianę silnika na tożsamy z hamulcem. Takie rozwiązanie niesie ze sobą jednak wiele niedogodności:
- uderzenia prądowe podczas rozruchu,
- udary mechaniczne podczas startu,
- krótka żywotność połączeń mechanicznych,
- brak kontroli prędkości,
- brak możliwości dostosowania wydajności produkcji,
- zbyt gwałtowne hamowanie powodujące olbrzymie naprężenia ograniczające w znaczącym stopniu żywotność przekładni oraz pozostałych elementów układu.
Przed dokonaniem modernizacji cała linia produkcyjna działała na stałej ustalonej prędkości, a hamowanie realizowane było wolnym wybiegiem. W układzie napędowym widnieje duża przekładnia mechaniczna oraz szereg połączeń mechanicznych. W momencie rozruchu z sieci pobierany jest znaczny prąd, na wale silnika wytwarzany jest duży moment i dochodzi do typowego szarpnięcia. Wszystkie połączenia mechaniczne ulegają wówczas dużemu stresowi oraz wielkim przeciążeniom. Sytuacja ta uległaby dodatkowo znacznemu pogorszeniu po zastosowaniu silnika z hamulcem, którego klient chciał użyć w celu dynamicznego zatrzymania procesu produkcji w przypadku powstania sytuacji niebezpiecznej. Panaceum na wszelkie niedogodności okazał się odpowiedni przemiennik częstotliwości.
Algorytm sterowania i warunkowanie napędu jakie otrzymaliśmy od klienta:
- praca linii z możliwością zmiany prędkości w celu dostosowania wydajności,
- hamowanie technologiczne, tzw. normalne w czasie około 7 sekund w związku z osiągnięciem odpowiedniej wydajności produkcji,
- dynamiczne hamowanie trwające nie dłużej niż 3 sekundy w sytuacji awaryjnej tzw. E-STOP,
- budowa prostej synoptyki – sygnalizacja pracy napędu, awarii oraz E-STOP;
- monitorowanie zmiennych silnika jak prąd, napięcie, prędkość;
- brak dodatkowych układów wspomagających hamowanie jak rezystory hamowania czy moduły zwrotu energii do sieci;
W celu sprostania wymogom inwestora, a zwłaszcza wyzwaniu polegającym na zapewnieniu stopu w czasie do 3 sekund wybraliśmy flagowy model przemiennika od Mitsubishi Electric – serię FR-A840 o mocy 45kW i prądzie 90A. Jednostka ta w wersji podstawowej jest bardzo mocno uposażona pod względem zasobów fizycznych i programowych.
Zaproponowane przez nas rozwiązanie umożliwiło:
- Pracę linii z możliwością zmiany prędkości w celu dostosowania wydajności oraz kontrola prędkości przy zmiennym obciążeniu – to jedno z głównych zadań realizowanych przez przemiennik częstotliwości. Wytypowana jednostka umożliwia zadawanie prędkości na kilka sposobów, za pomocą: wejść analogowych w standardzie 0-10VDC i 4-20mA, panelu sterowania, wejść cyfrowych i prędkości stałych lub wbudowanej komunikacji ETHERNET IP. Wybór padł na wejście analogowe 0-10VDC – sygnał zadający płynie z zewnętrznego sterownika PLC.
- Hamowanie technologiczne (normalne) przy osiągnięciu odpowiedniej wydajności produkcji w czasie około 7 sekund. Falownik A800 pozwala na hamowanie z ustawioną rampą DEC, gdzie użytkownik określa czas zatrzymywania. Dodatkowo można ustawić dohamowywanie prądem DC, wybrać hamowanie na granicy napięcia DC w układzie pośrednim, hamowanie wolnym wybiegiem lub strumieniem silnika. Biorąc pod uwagę bezwładność na wale silnika i otrzymaną wytyczną zadanie to wykonaliśmy za pomocą rampy DEC wynoszącej 7 sekund. Zatrzymanie linii realizowane poprzez zdjęcie sygnału startu. Kontrolę nad tym posiada zewnętrzny sterownik PLC.
- Dynamiczne hamowanie trwające nie dłużej niż 3 sekundy w sytuacji awaryjnej – tzw. E-STOP. Teoretycznie to najtrudniejsza wytyczna do spełnienia, którą można jednak zrealizować za pomocą dobranego przez nas falownika Mitsubishi z serii FR-A840. Jednostka posiada unikalną funkcję hamowania strumieniem elektromagnetycznym, które działa na zasadzie kontroli wytworzonego strumienia w silniku. W momencie hamowania kontrolowany jest strumień i cała energia regeneratywna wydzielana przez silnik w trakcie procesu hamowania jest rozpraszana w postaci ciepła na samym silniku. Mówiąc wprost – przemienniki Mitsubishi Electric oferują możliwość dynamicznego hamowania, bez udziału rezystora hamowania – rezystorem hamowania staje się sam silnik elektryczny. Jest to oczywiście proces skutkujący nadmiernie nagrzewającym się silnikiem. W naszym wypadku będziemy używać tego rozwiązania tylko w przypadku sytuacji niebezpiecznej, dlatego chwilowy, nieznaczny przyrost temperatury silnika nie stanowi przeszkody. Po włączeniu funkcji i odpowiednim wytrymowaniu nastaw osiągnęliśmy czas hamowania znacznie krótszy od wymaganego. Jedno z wejść cyfrowych w przemienniku ustawiono na funkcje E-STOP – zdjęcie sygnału z tego wejścia skutkuje hamowaniem awaryjnym z rampą 3 sekund. Docelowo sygnał ten powiązany został ze zestykiem wyłącznika bezpieczeństwa.
- Zbudowanie prostej synoptyki – sygnalizacja pracy napędu, awarii oraz E-STOP. W tym celu wykorzystaliśmy obecne wyjścia na przemienniku. Przekaźnik wyjściowy sygnalizuje stan awarii. Dwa kolejne wyjścia cyfrowe z kolei mówią o pracy przemiennika oraz hamowaniu awaryjnym.
- Monitorowanie zmiennych silnika jak prąd, napięcie, prędkość. Przemiennik posiada tryb monitora, gdzie można podejrzeć wszelkie zmienne z poziomu zabudowanego panelu LCD. Alternatywnie można wykorzystać wyjście analogowe lub oprogramowanie PC „FR Configurator2”.
Wynik naszego wdrożenia obrazuje krótki film, w którym pokazujemy widok linii, poszczególne składowe, gotowy produkt finalny oraz moment hamowania technologicznego oraz E-STOP.
Kolejna realizacja zakończona pełnym sukcesem i zadowoleniem klienta.