Řízení hydrauliky s Parker: pohony čerpadel, polohování a úspora energie

Hydraulika v průmyslu stále pohání ta nejtěžší břemena — lisy, tlakové licí a vstřikovací stroje, obráběcí stroje, zkušební stavy. Změnilo se však řízení kolem ní. Čerpadlo, které celý den běží naplno, a válec polohovaný koncovými spínači plýtvají energií, časem i materiálem. S moderní elektronikou polohuje tentýž hydraulický systém s přesností na zlomek milimetru, přesně drží tlak a odebírá jen tolik výkonu, kolik proces skutečně potřebuje. V tomto článku ukážeme, jak to Parker řeší na dvou úrovních — u čerpadla a u osy — a které produkty z naší nabídky k tomu potřebujete.

Dvě místa, kde hydraulika zchytrá

Každý hydraulický stroj má zdroj výkonu (čerpadlo s motorem) a spotřebiče (válce a hydromotory ovládané ventily). Elektronické řízení se vyplatí na obou stranách:

• U čerpadla frekvenční měnič nastavuje otáčky čerpadla tak, aby dodávalo přesně takový průtok nebo tlak, jaký stroj v danou chvíli potřebuje — místo čerpadla s konstantními otáčkami, jehož přebytečný olej se škrtí a mění v teplo.
• U osy řídicí jednotka uzavírá regulační smyčku polohy, síly nebo tlaku každého válce a stovkykrát za sekundu řídí proporcionální nebo servoventil.

Čerpadlo: proměnné otáčky s Parker AC30V

Frekvenční měnič Parker AC30V dokáže provozovat specializovanou aplikaci pro řízení hydrauliky (aplikace Parker RA502134U003, firmware 1.4.1 nebo novější). Měnič pak není jen regulátorem otáček motoru — stává se řídicí jednotkou samotného hydraulického agregátu. Průtok se zadává v L/min, tlak v kPa a geometrický objem čerpadla v litrech na otáčku; otáčky si pohon dopočítá sám. Typické hydraulické obvody pokrývají čtyři režimy řízení:

• Řízení akumulátoru — udržuje akumulátor nabitý mezi dolní a horní mezí tlaku, které bere buď ze dvou tlakových spínačů, nebo z tlakového snímače. Když tlak klesne, pohon přidá průtok (nastavitelná Q-kompenzace se zpožděním, rampou a maximem).
• Řízení VFPC (proměnný průtok, tlakově kompenzováno) — pro čerpadla s mechanickým tlakovým regulátorem: pohon sleduje snímač průtoku a drží nastavitelnou rezervu průtoku, takže se čerpadlo točí jen tak rychle, jak je potřeba.
• Řízení „Q“ — řízení průtoku v otevřené smyčce: pohon přepočítá požadovaný průtok na otáčky čerpadla podle geometrického objemu na otáčku. Snímač průtoku není potřeba.
• Řízení „P“ — regulace tlaku v uzavřené smyčce s PID regulátorem, žádanou hodnotou tlaku a tlakovým snímačem, s kompenzací statických ztrát čerpadla a jeho mechanické a objemové účinnosti.

Aplikace se stará i o samotný agregát: vstupy hladiny a teploty oleje zastaví pohon po nastavitelném zpoždění, až čtyři pásma přeskakovaných frekvencí drží čerpadlo mimo mechanickou rezonanci a displej zobrazuje otáčky čerpadla, zatížení, průtok, tlak, stav hydrauliky a spotřebovanou energii v kWh. Analogové výstupy hlásí řídicímu systému stroje požadované otáčky a zatížení čerpadla; relé hlásí „v chodu“ a „bez poruchy“.

Odkud pochází úspora energie

Čerpadlo s konstantními otáčkami dodává plný průtok i tehdy, když stroj čeká, drží polohu nebo potřebuje jen zlomek průtoku. Přebytek teče zpět do nádrže přes pojistný nebo škrticí ventil a mění se v teplo — které je pak nutné znovu uchladit. Pohon čerpadla s proměnnými otáčkami snižuje otáčky právě v těchto fázích: při držení a v klidu se čerpadlo točí pomalu nebo stojí, při rychlém zdvihu zrychlí. Stroj dostane stejný hydraulický výkon s nižší spotřebou elektrické energie a s menším ohřevem oleje. Kolik ušetříte, závisí na pracovním cyklu stroje; čím delší přestávky a fáze částečného zatížení, tím větší efekt.

Osa: polohování v uzavřené smyčce s PAC120 a PACHC

Pro samotné válce nabízí Parker modulární systém, který se nacvakne na 35 mm DIN lištu v rozvaděči:

• PAC120 — Parker Automation Controller pro hydrauliku. Kompaktní řídicí systém s CODESYS V3.5 (IEC 61131-3), EtherCAT masterem v reálném čase, webovou vizualizací a OPC UA, běžící na Linux RT s procesorem i.MX6 1 GHz. K nadřazenému řízení linky nebo buňky se připojuje jako PROFINET IO/IRT slave (PAC120-PWP01), EtherNet/IP adaptér (PAC120-PWE01) nebo EtherCAT slave (PAC120-PWT01); rozhraní CAN je přímo na desce.
• PACHC — elektrohydraulický řídicí modul: karta, která z PAC120 udělá regulátor hydraulických os. Každý PACHC-460-01 řídí 1–2 hydraulické osy v poloze, síle nebo tlaku včetně přepínání mezi řízením polohy a síly, s cyklem regulátoru 250 µs. Má 4 analogové vstupy (0–10 V, volitelně 0/4–20 mA, 12 bit) pro snímače tlaku a síly, 4 analogové výstupy (±10 V, volitelně 0/4–20 mA, 16 bit) pro ventily a digitální zpětnou vazbu polohy pro SSI, EnDat 2.1 a inkrementální snímače (RS422, 5/24 V).
• PACIO — systém vzdálených vstupů/výstupů pro zbytek stroje: digitální a analogové vstupy a výstupy, teplotní (Pt/Ni) a čítačové moduly, sběrnicové spojky a extendery. Moduly sdílejí tutéž sběrnici EtherCAT E-bus, takže lokální i distribuované I/O vypadají pro program stejně.

Moduly se jednoduše řadí na lištu vedle řídicí jednotky. Jeden PAC120 řídí až 20 hydraulických os — dvě na každý modul PACHC. Přes extender PACIO dokáže PAC120 ovládat i další zařízení EtherCAT, například čerpadlo poháněné měničem Parker nebo ventily s EtherCAT, takže čerpadlo i osy běží z jedné řídicí jednotky.

Software, který zkracuje uvedení do provozu

Programuje se v jednom prostředí pro logiku, I/O, vizualizaci i pohyb. Parker dodává knihovnu pohybových funkcí a bezplatné aplikační šablony — synchronizace 2 os, synchronizace 4 os, přepínání řízení poloha/síla a tabulka záznamů — takže typické lisovací a polohovací úlohy není nutné psát od nuly. Všechny parametry zařízení se bezpečně ukládají do flash paměti. Pro stroje řízené PLC Siemens publikuje Parker popis zařízení GSDML a funkční bloky pro TIA Portal, takže PAC120 zapadne do stávající architektury S7 jako zařízení PROFINET. Stejně dobře může PAC120 pracovat jako samostatný řídicí systém stroje.

Co regulátor os přinese stroji

• kratší časy cyklu díky rychlému a přesnému řízení polohy místo koncových spínačů a pomalých dojezdových rychlostí
• vyšší přesnost a opakovatelnost procesu — poloha, síla i tlak v uzavřené regulační smyčce
• méně zmetků, protože síla a poloha se v každém cyklu přesně zopakují
• nižší spotřeba energie a snadné propojení s dalšími systémy přes PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus TCP a OPC UA

Typické aplikace

• hydraulické lisy — lisování s řízením polohy a přidržování s řízením síly s přepínáním
• tlakové licí a vstřikovací stroje
• obráběcí stroje, upínací a posuvové osy
• synchronizované válce — 2 nebo 4 hydraulické osy v synchronním pohybu
• hydraulické agregáty s akumulátory, kde má čerpadlo běžet jen tehdy, když je olej potřeba

Který produkt pro jakou úlohu

Ceny, dokumentace a pomoc s výběrem

Všechny zde zmíněné produkty najdete v našem obchodě s ceníkovými cenami, technickými údaji a kompletní dokumentací Parker — katalogy, návody k obsluze, prohlášení o shodě, makra EPLAN a tam, kde je Parker zveřejňuje, i 3D data — na záložce Dokumentace u produktu. Nevíte si rady, která kombinace se hodí pro váš stroj? Pošlete nám krátký popis úlohy a pomůžeme vám vybrat pohon, řídicí systém i moduly.

Produkty v tomto článku

• Frekvenční měniče Parker AC30V — pohony čerpadel s aplikací pro řízení hydrauliky
• Řídicí systémy Parker PAC120 — hydraulické (PAC120-P…) a pohybové (PAC120-M…) verze
• Elektrohydraulický řídicí modul Parker PACHC — 1–2 hydraulické osy na modul
• Systém vzdálených I/O Parker PACIO — sběrnicové spojky, extendery, digitální, analogové, teplotní a čítačové moduly
• Řídicí systémy pohybu Parker PAC340 — pro větší stroje s elektrickými a hydraulickými osami