نوشته‌ها

کاهش هزینه و انرژی با جایگزینی موتور خطی با سیستم های پنوماتیک (2)

قسمت دوم                           قسمت اول مقاله
مقایسه قیمت سیلندرهای پنوماتیک و موتورهای خطی با استفاده از نمونه واقعی
قیمت درایوهای الکتریکی درواقع خیلی گران‌تر از سیلندرهای ساده پنوماتیک است، ولی تحلیل هزینه کلی خدمات سرویس و طول عمرشان نشان می‌دهد که به‌طور خاص، سرو موتورهای صنعتی لینموت می‌توانند تنها در چند ماه یا چند هفته، حتی درحرکت ساده نقطه‌به‌نقطه بین دو موقعیت، هزینه خریدشان را برگردانند. مثال زیر به‌خوبی این واقعیت را روشن می‌کند؛ حرکت افقی نقطه‌به‌نقطه‌ی بار ۱۵ کیلوگرمی به طول ۴۰۰ میلی‌متر را نشان می‌دهد که در هر دقیقه ۳۰ بار حرکت رفت‌وبرگشت دارد و با چرخه کار ۵۰% (۲۰۰۰ میلی‌ثانیه cycle time) کار می‌کند.

رفت ۴۰۰ میلی‌متر ۵۰۰ میلی‌ثانیه
توقف ۵۰۰ میلی‌ثانیه
برگشت -۴۰۰ میلی‌متر ۵۰۰ میلی‌ثانیه
توقف ۵۰۰ میلی‌ثانیه
کل چرخه کار ۲۰۰۰ میلی‌ثانیه
۳۰ بار رفت‌وبرگشت در دقیقه
با ۵۰۰ میلی‌ثانیه حرکت
و ۵۰۰ میلی‌ثانیه توقف
هزینه انرژی برای موتورهای خطی
زمان ۵۰۰ میلی‌ثانیه برای رسیدن به موقعیت موردنظر در نمونه‌ی بالا با شیب بالارونده ۱۰ متر بر مجذور ثانیه و سرعت ۱ متر بر ثانیه به دست می‌آید. شیب بالارونده، در شرایطی که در خلال ۱۰۰ میلی‌ثانیه انجام بشود، برای موتور خطی مفید است. بدین معنی که توان مؤثر برای جابه‌جایی فقط در یک‌پنجم زمان موقعیت‌یابی صورت می‌گیرد. موتور در زمان توقف و زمان حرکت با یک سرعت ثابت، هیچ توان اضافی و درواقع نیرویی برای غلبه بر اصطکاک، مصرف نمی‌کند. وقتی‌که ترمز به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود، انرژی جنبشی وارد می‌شود (با اثر ژنراتوری) و در خازن‌های داخل سرو کنترلر ذخیره می‌شود که می‌توان برای چرخه بعدی استفاده کرد. این کاربرد را می‌توان با استفاده از موتور خطی لینموت، سایز P01-48x240F با کنترلر سرو لینموت مدل E1100-XC یا B1100-XC که توان متناوب کمتر از ۱۰۰ وات دارند، اجرا کرد.

با فرض کار ۸۰۰۰ ساعت در سال (با سه نوبت‌کاری) و هزینه برق ۱۲/۰ یورو بر کیلووات ساعت (قیمت برای مصرف صنایع بزرگ، شامل مالیات، بر آمار یورو استات) قیمت کلی برق سالانه می‌شود ۹۶ یورو. درحالی‌که هزینه با سیلندر بادی بسیار گران‌تر خواهد شد.
هزینه انرژی برای سیلندرهای بادی
یک‌بار با وزن ۱۵ کیلوگرم که با نیروی باد جابه‌جا بشود با سرعت (ماکزیمم) ۱ متر بر ثانیه، چنان‌که در نمونه قبل آورده شده بود، با تحلیلی از مشخصه‌های مناسب نمودار برای سیلندر بادی طراحی‌شده است. در این نمونه، از محصولات یکی از کارخانه‌های معروف که تشخیص داده سیلندر بادی با فاصله ۵۰ میلی‌متر باید نصب شود، استفاده می‌شود.

برخلاف موتور خطی، انرژی هوای فشرده باید در طول مسیر تغذیه شود. همچنین انرژی جنبشی ناشی از ترمز باید توسط کمک‌فنر جذب شود و نمی‌تواند بلافاصله برای حرکت بعدی ذخیره شود. بر طبق برگه اطلاعات (دیتا شیت) سیلندر انتخابی، ۰۲۵۲۹/۰ دسی‌متر مکعب هوا در ۶ بار، برای هر میلی‌متر جابه‌جایی با دو بار ضربه مصرف می‌کند. درنتیجه برای جابه‌جایی ۴۰۰ میلی‌متر، ۳۷/۱۰ دسی متر مکعب هوای فشرده در هر دور مصرف می‌شود. برای ۳۰ دور بر دقیقه، سیلندر بادی کلاً به ۱۵۰۰۰۰ نانومترمکعب هوای فشرده در یک سال برای کار دائم (۸۰۰۰ ساعت در سال) نیاز دارد. با توجه به افت فشار، کاهش و از دست رفتن هوا براثر نشت، بنا به درخواست ۲۵% کمپرسور، باید به‌طورکلی حدود ۱۹۰۰۰۰ نانومترمکعب، هوا در خط لوله فشرده و تغذیه شود. یک کمپرسور معمولی (موتور ۷۵۰ کیلووات، ۷۵۰۰ نانومترمکعب بر ساعت ظرفیت باد)، از ۱۳۰/۰ کیلووات ساعت انرژی الکتریکی، برای فشرده‌سازی ۱ نیوتن مترمکعب برای ۶ بار، شامل نشتی راه‌اندازی و فعال‌سازی و دستی کردن کمپرسور بادی استفاده می کند. هزینه کلی انرژی سالیانه حدود ۳۰۰۰ یورو است (۱۲/۰ یورو بر کیلووات ساعتی X 130/0 کیلووات بر مترمکعب X 190000 مترمکعب)، یا بیش از ۳۰ برابر معادل الکتریکی. در تعداد دفعات کاری زیاد، این نسبت برای سیلندر بادی حتی بدتر از این است.
محاسبه قیمت کل
در ضمن قیمت انرژی خالص، مبلغ سرمایه‌گذاری شده و هزینه نگهداری نیز باید در محاسبه قیمت کل در نظر گرفته شود. آزمایش نشان می‌دهد که درمجموع این سه عامل حدود ۲۰% از کل هزینه اجرایی را تشکیل می‌دهند. در نمونه بالا مشخص می‌شود که بااین‌وجود، حدود ۷۵۰ یورو در سال باید هزینه شود؛ بنابراین هزینه کلی به بالای ۳۷۵۰ یورو می‌رسد. کارخانه‌هایی که از سیلندرهای پنوماتیک یا بادی استفاده می‌کنند نرخ هزینه کلی‌شان (بعد از اندازه‌گیری راندمان انرژی) باید ۰۲۵/۰ یورو بر استاندارد مترمکعب از هوای فشرده باشد. در نمونه ما نتیجه باید در قیمت عملیاتی سالانه کل، ۳۷۵۰ یورو برای مقدار ۱۵۰.۰۰۰ نانومترمکعب که برای هوای فشرده یک سیلندر لازم است باشد؛ همان‌طور که در محاسبات نمونه به‌دست‌آمده است.

یک درایو خطی همه ملزومات موردنیاز (مانند کابل‌ها، اینورتر و …)، را دارد. در مقابل گران‌تر از درایوهای پنوماتیک است (شامل شیرهای صنعتی، لوله‌ها و …). به‌طور خاص هزینه انرژی کمتر، به این معنی است که درایو الکتریکی هزینه خودش را در کمتر از یک سال تأمین می کند. با توجه به این نکته، ذخیره چنین سرمایه‌ای برای خرید درایو خطی بسیار قابل‌توجه است. هزینه انرژی در نمونه ما بالغ بر هزینه سرمایه‌گذاری برای سیلندرهای پنوماتیک بعد از فقط سه هفته است.
تحلیل سرمایه و هزینه انرژی در این نمونه کاربردی، نشانگر این نکته است که سرمایه‌گذاری که ناشی از استفاده از یک موتور خطی صنعتی است، در مقایسه با استفاده از یک سیلندر پنوماتیک، ۲۳۰۰ یورو و ۵۹۰۰ یورو به ترتیب در ۱۲ و ۲۴ ماه سرویس آن است.
ردپای گازکربنیک
جایگزینی پنوماتیک با درایو خطی الکتریکی می‌تواند به‌شدت انتشار گازکربنیک را کاهش دهد. مطابق با طرح‌های ابتدایی در سال ۲۰۱۱، عوامل انتشار گازکربنیک برای ترکیبی از سوخت‌ها در آلمان، با مفهوم انرژی تجدید پذیر در سطح بالا، ۵۵۹ گرم در کیلووات ساعت بود. مقدار ۲۵۰۰۰ کیلووات ساعت انرژی که سیلندرهای پنوماتیک در مثال ما لازم دارند، برابری می‌کند با ۸۰۰ کیلووات ساعت در سال برای درایو خطی الکتریکی، که با افزایش سالیانه ۱۳۳۶۰ کیلوگرم انتشار دی‌اکسید کربن برابری می‌کند. اگر یک کارخانه آلمانی با فقط یک سیلندر پنوماتیک جایگزین بشود، یک کارمند می‌تواند از جایی که نشسته در ایبیزا (بندری در اسپانیا)SE اکوموتیو را درایو کند. ۴/۱TDI(9 گرم دی‌اکسید کربن در کیلومتر) برای ۱۳۶۰۰۰ کیلومتر. یا شخصی می تواند با فراری ۶۱۲ اسکاگلیتی خود، پس از پیمودن حداقل ۲۸۵۰۰ کیلومتر (۴۷۰ گرم دی‌اکسید کربن در کیلومتر) اثری از دی‌اکسید کربن بر جای نگذارد.
محدودیت‌های پنوماتیک
افزایش قیمت انرژی و در عین حال درخواست مستقیم کاهش انتشار دی‌اکسید کربن، خیلی از تولیدکنندگان را به سمتی سوق داده که برنامه‌هایی برای افزایش بهره دستگاه‌های بادی طراحی کنند. با توجه به اینکه انرژی موردنیاز ۳۰ برابر بیشتر از نمونه کاربردی ذکرشده است، به‌هرحال حتی نزدیک شدن به بهره انرژی درایوهای خطی مستقیم خیلی سخت خواهد بود. پیشرفت‌ها حدود ۱۰-۱۵% برای کمپرسورها را ممکن کرده است، ولی همچنان محدودیت‌های فیزیکی سر راه‌اند. نشتی را می‌توان با تلاش مناسبی تا زیر ۱۰% رساند؛ و همچنین اگر کار خواسته‌شده در نمونه با سیلندر بادی کوچک‌تر از ۳۲ میلی‌متری انجام بشود، انرژی لازم و انتشار دی‌اکسید کربن همچنان افزون بر موتور خطی با فاکتورهای ۵/۱۲ یا ۱۲۵۰% است. وقتی‌که این‌ها را با قانون بهره انرژی لازم برای موتورهای آسنکرون که زیر اجرای اجباری در سال ۲۰۱۱ (مقررات قانونی برای ذخیره تنها ۲-۲۲%) است در نظر می‌گیریم، عمق تفاوت بهره انرژی بین پنوماتیک و موتورهای خطی روشن می‌شود.
آینده باثبات‌تر با خلاقیت و انعطاف‌پذیری
علاوه بر نیاز به انرژی کمتر، انواع الکتریکی موتورهای خطی، فواید دیگری هم دارند و آن انعطاف‌پذیری بالا در طراحی خط‌های تولید و دستگاه‌های مانیتورینگ است. رشته تولیدات در درایوهای خطی می‌تواند به‌طور ویژه پویاتر بوده و تکرارپذیری بالایی داشته باشد. پروفیل‌های حرکتی می‌تواند آزادانه برنامه‌ریزی بشود، بنابراین قابلیت اجرای رشته حرکتی پیچیده با سرعت بالا و بدون خطا را دارد و نیز خود را در خلال اجرا با نیازهای جدید سازگار کنند. درایوهای خطی به‌طور ویژه کم صداتر و بادوام‌ترند. این درایوهای خطی به تغییرات بار حساس نیستند و می‌توانند به نرمی شروع به حرکت و ایست کنند. تحلیل داده‌های تولید در اینورترها نیز اجازه اجرای انواع پروسه‌های در دسترس را که مانیتور شده، بدون حس‌گر اضافی می¬دهد؛ همچنین می‌توان برای سیستم‌های تشخیصی از راه دور از آن استفاده کرد. دست‌کم، قطعات مجزای کمتری نیازمند است و همان‌ها می‌تواند سرویس شده و جایگزین بشوند. بسیار ساده‌تر از آنی که برای پنوماتیک استفاده می‌شود. این عوامل بر قیمت راه‌اندازی، نگهداری و لجستیک تأثیر ‌گذارند.
خلاصه
وقتی بیش از دو موقعیت نیاز است، زمانی که حرکت‌ها باید با یک شفت اصلی همزمان (سنکرون) شوند، یا وقتی‌که پویایی یا عمر مفید سیلندرهای پنوماتیک چندان بهینه نیستند، طراحان، تمایل به درایوهای مستقیم خطی لینموت دارند. باوجود هزینه اجرایی بالای پنوماتیک، موتورهای خطی صنعتی با افزایش درجه، حتی با حرکت نقطه‌به‌نقطه و فقط با دو موقعیت نهایی هزینه خودشان را درمی‌آورند. این به‌طور خاص وقتی درست است که به‌طور منظم در حلقه اجرایی انجام می‌شود و سیلندرهای پنوماتیک نیاز دارند که به‌طور ویژه مطابق با سرعت و شرایط بار اندازه بشوند. در این مورد خاص، درایوهای خطی الکتریکی در چند هفته کوتاه هزینه خودشان را درمی‌آورند.