ייעול כולל של עלויות התפעול, על ידי מעבר למערכות לינאריות חשמליות

מערכות לינאריות חשמליות, מחליפות את הבוכנה הפנאומטית הקונבנציונלית ביותר ויותר יישומים.

הסיבות לכך כוללות יעילות נמוכה, עלויות תפעול גבוהות, צורך בהגדרה מחדש בכל שינוי, עלויות תחזוקה ותיפעול, ואפשרויות הבקרה המוגבלות של מערכות פנאומטיות.
השוואת עלות מלאה שבוצעה לאחרונה, מראה שמערכות לינאריות חשמליות במחיר ממוצע לרכיבים ואנרגיה, מחזירות את ההשקעה כבר אחרי מספר חודשים. אפילו מערכות פשוטות המבצעות תנועה בין שתי נקודת קבועות. בנוסף, מערכות חשמליות מקטינות את פליטת הפחמן בצורה משמעותית ומאפשרות גמישות רבה יותר בתכנון תהליך היצור והמעקב על היצור עצמו.
מערכות פנאומטיות מתאפיינות בעלות נמוכה, עמידות בתנאי סביבה (כגון שינויי טמפרטורה אבק וכו’), ועמידות בעומסי יתר. הן פשוטות להפעלה, וגם לא מצריכות זרם עמידה כאשר מותקנות אנכית.
לחץ האוויר משמש גם עבור תהליכי ניקוי שונים ברצפת הייצור, כך שהמדחס נדרש בכל מקרה. מכאן קל להבין מדוע מערכות פנאומטיות נמצאות במגוון רחב של יישומים תעשייתיים במפעלים רבים.
למרות האמור לעיל אוויר דחוס הוא האנרגיה היקרה ביותר, מכיוון שהמדחס יכול להמיר רק כמות קטנה של אנרגיה הנכנסת להספק, הרוב הגדול של האנרגיה הופך לאיבודי חום. בעזרת הטכנולוגיות המתקדמות מדחס יוכל להגיע לנצילות מקסימלית של 30%. שיפור נוסף כמעט בלתי אפשרי להשגה, מכיוון שזה כבר קרוב לגבול היכולות הפיסיקלית. בנוסף לעלות הגבוהה של המנוע, המדחס, הפסדי הדלק ועבודה, והפסדים הנובעים מטיפול באוויר הדחוס, ישנם גם הפסדים הנובעים מנזילות במערכת הובלת האוויר.
במציאות אם נוסיף את ההפסדים בבוכנות ושאר ציודי הקצה, רק 5% מהאנרגיה הנכנסת הופכת להספק יעיל.
תכנון אופטימלי של מערכת ההובלה וציוד הקצה, טיפול מהיר למניעת נזילות ומערכת לניצול החום האבוד, יביאו לשיפור היעילות. לפי ההערכות של משרד איכות הסביבה הגרמני, ניתן להגיע לשיפור של 20-40% בנצילות.

פנאומטיקה: 2/3 מעלויות התפעול מתבזבזות על אנרגיה
גם אם ניישם את כל אפשרויות החסכון הפוטנציאלי, מערכות אוויר דחוס עדיין תשארנה לא יעילות ביחס לכמות האנרגיה המושקעת, במקרה הטוב ביותר נגיע ל-10% נצילות.
ניתן לראות זאת גם במחיר בעלות כוללת (TCO) של המדחס. כאשר עלות המדחס היא כ-10% מהעלות הכוללת, עוד כ-10% יושקעו באחזקה, ו-70-80% מהעלות הכוללת של כל חיי המדחס תושקע באנרגיה.
זה לא מפתיע שהפיתוי של יותר ויותר חברות להוציא את האוויר הדחוס מהמפעלים או לפחות לצמצם את השימוש בו עולה, בעיקר בימים שעלויות האנרגיה מרקיעות שחקים וגורמות לפגיעה בסביבה
(פליטת CO2).
כיום ישנן אלטרנטיבות רבות שלא משתמשות באוויר דחוס לביצוע פעולות הנעה. לתנועות ליניאריות ביישומים רבים, מנועים ליניאריים צינוריים, אשר ידועים כרב תכליתיים ובעלי נצילות גבוהה מאד, מהווים חלופה טובה. מנועים אלו זמינים מחברת LinMot במגוון דגמים והספקים.
השוואת עלויות בין בוכנות פנאומטיות ומנועים ליניאריים בעזרת דוגמה יישומית:
מערכות חשמליות אכן יקרות יותר לרכישה מאשר בוכנות פנאומטיות פשוטות, אך ניתוח מעמיק של סך כל העלויות לאורך חיי השירות מצביע על כך שמנועים ליניאריים תעשייתיים בכלל, ושל LinMot בפרט, יכולים להחזיר את ההשקעה הראשונית תוך מספר חודשים או שבועות, אפילו אם רק על-ידי פעולת הנעה פשוטה בין שתי נקודות. הדוגמה הבאה תנסה להמחיש נקודה זו. ביישום כלשהו עם מהלך מאוזן בין שתי נקודות במרחק של 400 מ”מ, ישנו עומס של 15ק”ג בתנועה, שנע בתדירות של 30 מחזורים לדקה, עם מחזור עבודה של 50% (=2000ms למחזור):
30 מחזורים לדקה
זמן מהלך: 500ms
זמן מנוחה: 500ms בין פעולות
התארכות עצירה
נסיגה
עצירה

עלויות אנרגיה עבור פתרון המנוע הליניאירי
זמן המיצוב הדרוש, 500ms, עבור המשימה הנ”ל יכול להתקבל על-ידי תאוצה של 10 m/s² ומהירות של 1m/s. זמן התאוצה, שבו המנוע הליניאירי עושה עבודה חיונית אם כך הוא 100ms. זה אומר שצריכת החשמל האפקטיבית לוקחת רק חמישית מסך כל זמן המיצוב. בזמני העצירה והשיוט במהירות קבועה, המנוע אינו צורך חשמל מעבר למה שדרוש בכדי להתגבר על החיכוך. האנרגיה הקינטית שתיווצר בזמן התאוצה/עצירה תהפוך לאנרגיה חשמלית במנוע (כאפקט הגנרטור) ותישמר בקבלים הזמניים של מגבר הסרוו, עד שתבוא שוב לידי שימוש במחזור התנועה הבא. יישום זה יכול להתבצע
על-ידי המנוע הליניאירי של
, P01-48x240F, בשילוב עם מגבר הסרוו של
LinMot, E1100-XC/B1100-XC, עם צריכת הספק מתמשכת של פחות מ-100 וואט.
בהנחה שהמנוע פועל כ-8000 שעות בשנה (פעולה במשך שלוש משמרות), ומחיר החשמל הינו 45 אג’ לקילוואט-שעה, סך כל עלות האנרגיה השנתית לפתרון זה תהיה 360 ₪. פתרון פנאומטי לעומת זאת יהיה משמעותית יותר יקר.

עלויות אנרגיה עבור פתרון הבוכנה הפנאומטית
אותו העומס של 15 ק”ג שנע במהירות של 1 מטר לשנייה, יידרש כעת לנוע באופן פנאומטי. ניתוח של עקומות האיפיון ובחירת בוכנות פנאומטיות (של יצרנים מוכרים) מצביעות על כך שנצטרך בוכנה בקוטר 50 מ”מ.
בניגוד למנועים הליניאריים, האנרגיה בפנאומטיקה (אוויר דחוס) דרושה לאורך כל תהליך התנועה. האנרגיה הקינטית בזמן הבלימה צריכה להיספג במנגנון כלשהו לבלימת זעזועים, ואינה יכולה להישמר באופן זמני לשימוש חוזר. על-פי דף הנתונים, הבוכנה הפנאומטית שבחרנו צורכת 0.02529dm³ של אוויר בלחץ של 6 בר עבור כל מילימטר של תנועה במהלך כפול. למהלך של 400 מ”מ, הצריכה אם כך היא 10.37dm³ עבור כל מחזור. ב-30 מחזורים לדקה, הבוכנה הפנאומטית תצרוך 150,000Nm³ של אוויר דחוס בשנה כל עוד היא בשימוש רציף (8000 שעות/שנה). אם נקח בחשבון ירידות בלחץ ודליפת אוויר בשיעור של כ-25%, על המדחס יהיה לפצות ולספק כמות של כ-190,000Nm³ אוויר דחוס אל תוך המערכת. מדחס סטנדרטי (750kW, 7500Nm³/h) מסוגל לצרוך 0.130 קילווואט-שעה של אנרגיה חשמלית בכדי לדחוס 1Nm³/h ל-6 בר,כולל כל הפסדי ההדלקה/העבודה והטיפול באוויר בדחוס. סך כל עלות האנרגיה השנתית היא כ-3,000 יורו (0.12 Euro/kWh*0.130kWh/m³*190,000 m³),או פי 30 מעלות השימוש בבוכנה החשמלית. בעבודה עם מספר מחזורים גבוה יותר, יחס העלות יהיה גרוע עוד יותר עבור הבוכנה הפמאומטית.

חישוב עלות כוללת
בנוסף לעלויות האנרגיה הבסיסיות, יש להתחשב גם בעלויות ההשקעה והתחזוקה בחישוב התפעול הכללי. מבדקים שנערכו מצאו שסך כל עלויות אלו מסתכמות בכ-20% מסך עלויות התפעול. לכן על פי הדוגמה שהוצגה, יש לקחת בחשבון עלות שנתית נוספת של כ-750 יורו, כך שעלות התפעול הכוללת היא למעשה 3,750 יורו. העלות הכוללת אותה מציינים יצרני הפתרונות הפנאומטיים הינה 0.025 יורו למטר מעוקב של אוויר דחוס (לאחר התחשבות בנצילות האנרגיה). עבור דוגמתינו, נתון זה מוביל לעלות תפעול שנתית של 3,750 יורו ל-150,000Nm³ של אוויר דחוס עבור בוכנה אחת, נתון שתומך בחישובים הנ”ל.
לעומת זאת, מערכת ליניארית חשמלית וכל מה שכרוך בה (כבלים, מגבר, וכו’), עולה יותר מאשר מערכת פנאומטית (כולל שסתומים, צינורות, וכו’). אולם עלויות האנרגיה אשר משמעותית נמוכות יותר, תורמות לכך שהמערכת החשמלית מחזירה את ההשקעה הראשונית תוך פחות מחצי שנה. לאחר נקודה זו החסכון נהיה משמעותי! עלויות האנרגיה בדוגמה שלנו עולות על ההשקעה הראשונית במערכת הפנאומטית לאחר שלושה שבועות בלבד. ניתוח של ההשקעה הראשונית ועלויות האנרגיה ביישום זה מראים שהחסכון בשימוש במנוע ליניארי תעשייתי בהשוואה לשימוש בבוכנה פנאומטית, הינו 8,625 ₪ לאחר 12 חודשים, ו-22,125 ₪ לאחר 24 חודשים.

פליטת פחמן דו-חמצני (CO2)
החלופה למנוע ליניארי חשמלי יכולה גם להוביל להפחתה משמעותית בפליטת הפחמן דו-חמצני. על-פי נתונים ראשוניים מ-2011, מקדם פליטת ה-CO2 ממגוון מקורות האנרגיה בגרמניה, כולל נתח גבוה של אנרגיות מתחדשות, היה 559 גרם/קילוואט-שעה. הכמות של 25,000 הקילוואט-שעה שהבוכנה הפנאומטית מהודגמה שלנו צרכה, בהשוואה ל-800 קילוואט-שעה שתצרוך המערכת החשמלית בשנה שלמה, מקביל לעלייה שנתית של 13,360 ק”ג בפליטת הפחמן הדו-חמצני.
מגבלות הפנאומטיקה
בעקבות עליית מחירי האנרגיה והדרישות להפחתה דרסטית של פליטת ה-CO2, מגוון ספקים התחילו להציע פתרונות עבור שיפור הנצילות של המערכות הפנאומטיות. אולם בהתחשב בדרישות אנרגיה של פי 30 בדוגמה שהוצגה, נראה שעדיין יהיה קשה למצוא פתרון שיתקרב לנצילות האנרגיה שמציע הפתרון הליניארי חשמלי. ייתכנו שיפורים של כ-10-15% ביכולות המדחסים, אבל אז נתקלים בגבול היכולות הפיסיקליים. דליפת האוויר יכולה אף היא להשתפר לפחות ב-10% במידת המאמצים. אפילו אם היישום הנ”ל יתבצע על-ידי בוכנה פנאומטית קטנה יותר בקוטר של 32 מ”מ, דרישות האנרגיה ופליטת
ה-CO2 עדיין יעלו על אלו של המנוע הלינאירי בפקטור של 12.5, או 1250%. כאשר משווים נתון זה לרגולציות שנכנסו לחוק ב-2011 לגבי נצילות אנרגיה של מנועים אסינכרונים (רגולציות בחוק לשמירה של “רק” 2-22%), ההבדלים בנצילות האנרגיה בין הפנאומטיקה למנועים הליניאריים נהיים ברורים.
חדשנות וגמישות עם ראייה לטווח ארוך
מעבר לדרישות האנרגיה הנמוכות יותר, לפתרון החשמלי יש יתרון בגמישות של תכנון רצף היצור והפיקוח על המערכות. רצף התנועה במערכות ליניאריות חשמליות יכול להיות משמעותית יותר דינמי, עם חזרתיות גבוהה הרבה יותר. ניתן לתכנת את פרופיל התנועה באופן חופשי, כך שאפילו רצף תנועות מסובכות יכולות לצאת לפועל במהירות וללא תקלות. מערכות אלו גם יכולות להסתגל לתנאים חדשים, אפילו בעת הפעולה. מערכות ליניאריות משמעותית יותר שקטות (ללא צורך במדחס) ועמידות יותר במבחן הזמן. הם אינן רגשיות לשינויים בעומס, ויכולות להתחיל ולסיים את התנועה באופן חלק. בעזרת ניתוח של נתונים בזמן אמת על-ידי המגבר (דרייבר), ניתן לפקח על מגוון תהליכים ללא צורך בסנסורים נלווים, ואף ניתן לאבחן ולפקח על המערכת מרחוק. בנוסף, דרוש מספר מרכיבים קטן יותר, והם כולם יכולים לעבור תחזוקה או החלפה בקלות גדולה הרבה יותר מאשר אלו בפנאומטיקה. נקודה זו תורמת לעלויות ההתקנה, התחזוקה, והלוגיסטיקה הזולות יותר בפתרון החשמלי.

סיכום
כאשר יש צורך ביותר מתנועה אחת בין יותר משתי נקודות, ותנועות צריכות להיות מסונכרנות לציר ראשי (מאסטר), או כאשר הדינמיות או אורך החיים של הבוכנות הפנאומטיות כבר אינם מספקים, המנועים הליניאריים של LinMot יכולים להוות פתרון מצויין. לנוכח עלויות התפעול הגבהות של הפנאומטיקה, נמצא שהשימוש במנועים ליניאריים תעשיתיים משתלם יותר ויותר לאורך זמן השימוש, אפילו לפעולות תנועה פשוטות ביותר (בין שתי נקודות למשל). מנועים אלו משתלמים עוד יותר כאשר התנועות מבוצעות באופן מחזורי, ואף מכיוון שבוכנות פנאומטיות צריכות להיות מוגדרות מחדש עבור כל שינוי (לעיתים בוחרים בוכנה מופרזת עם מרחב עבודה רחב בכדי להישאר בטוחים). במקרה זה, המערכת הלינארית החשמלית מחזירה את ההשקעה תוך מספר שבועות בלבד.

לפרטים נוספים בקרו באתר החברה.