קיים ויכוח רב מסביב ליעילות האנרגיה במפעלי ייצור מודרניים, והפיתרונות של יצרני המערכות חושפים ללא הפסקה מושגים חדשים כדי לטפל בסוגיה. מושג אחד כולל הכנסה של דרגת אוטומציה גדולה יותר, דבר המפתיע במידת-מה אך לוקח בחשבון את הדרישה ליעילות אנרגיה ומשפר אותה על-ידי הספקת רשת חזקה יותר, בעלת חיבור הדדי.
הנחיות על יעילות האנרגיה מתועדות בתקני האיחוד האירופי ומוצבים כמטרה בהספקות כגון אלה של הנחיית ה- (energy using products). תקנות חדשות הופעלו ב-1 בינואר 2015, עם הנחיות נוספות המתוכננות עבור ינואר 2017, כאשר יוכנסו סוגי יעילות אנרגיה חדשים ויופעלו יחידות הספק קטנות יותר. המטרה היא להקטין את צריכת האנרגיה ב-20% יותר בשנת 2020. אנרגיה חשמלית אחראית עבור חלק משמעותי של עלויות הייצור, כך שלא מפתיע שקיימת שאיפה לשיפור יעילות האנרגיה. מנועים במתקני ייצור צורכים עכשיו כ-46% מהאנרגיה החשמלית המיוצרת וצריכת האנרגיה של מנוע אחראית לכ-90% של העלויות הכוללות במהלך כל חיי השירות שלהם. מנועים חשמליים הם יחידת ההספק העיקרית מאחורי כמעט כל התקני האוטומציה במתקני הייצור שלנו וקשה לחזות עתיד בלעדיהם. כתוצאה, המוקד של הפיתוחים החדשים הוא כעת שיפור היעילות במאמץ להקטין את העלויות הכוללות. יתר על כן, אנחנו מזהים מגמה כללית בתעשייה לעבר ייצור ירוק יותר, ידידותי לסביבה ומרושת. איור 1 מראה דיאגרמה מלבנית של יחידת הספק כזו.
איור 1. דיאגרמה מלבנית של יחידת הספק/סרבו מרושתת
פיתוחי מוצרים חדשים משפרים באופן מתמיד את ביצועי המערכת ואת איכותה. המנוע הסינכרוני בעל המגנט הקבוע (permanent magnet synchronous motor – ) הוא התקן החדש, המחליף את מנוע ה-dc ללא מברשות (brushless dc motor – ) בתחומים רבים. התכנון של מנוע תגובה סינכרוני (synchronous reluctance motor – SynRM) הפך גם לנושא של מחקר וחקירה חדש. מושג המנוע היה במידה מסוימת לנושא בספרי ההיסטוריה מאז שהגישה הנוחה לאדמות הנדירות הפכה לזמינה עבור מגנטים. יתר על כן, ה-SynRM מעלה דרישות גבוהות על תחום הטמפרטורה של הרכיבים שבשימוש ודורש מושגי בקרה חדשים ושלבי הנחייה PWM. בקרה דיגיטלית מלאה היא המפתח ברשימת הדרישות עבור כל המערכות החדשות מאחר שלא ניתן למלא את המפרטים בלעדיה.
יצרני מוליכים למחצה אשר מייצרים את הרכיבים שבשימוש מושפעים ישירות מהמגמות שנקבעו על-ידי יצרני המערכות. הן דורשות פיתוחים חדשניים ברכישת האותות, המרת האותות והתניית האותות. אותות מוכנים טוב יותר מוזנים למעבדים ספציפיים ליישום, המפעילים לולאות סרבו מהירות יותר עם מתחים גבוהים יותר. מתחים גבוהים יותר במעגל הביניים דורשים התקני בידוד מבוקרי מתח ומוליכי שערים עבור IGBTs. בנוסף, מודולי ממשק מבודדים חדשים, המציעים יציבות גדולה יותר לטווח ארוך, דרושים כדי להגן על המערכת ועל המשתמשים ממתחים מסוכנים, כמו במקרה של החומרה. התוכנה גם עברה שיפור: אלגוריתמים חדשים, מהירים יותר, מאיצים את המעבדים החזקים ביותר אל המרב, בשעה שגישת תכנון מבוססת-דוגמה (model-based design – ) מאפשרת הפיכה לפרמטרים, ייטוב ובדיקה של המערכות עוד לפני בנייתן.
איור 2. דיאגרמה מלבנית של ארכיטקטורת ADSP CM40x
ברור שיעילות האנרגיה בייצור מערכות אוטומטיות היא בעיה מורכבת, רב-ממדית. להלן אתגרי מפתח אחדים לתכנון הכרוכים בייטוב יעילות האנרגיה:
ראשית, הגדלת המוצא של המערכת ו/או מספר היחידות המעובדות במתקן בשעה. דבר זה דורש אלגוריתמים חדשים ויותר מדויקים, המספקים תוצאות בזמן מחשוב מהיר יותר, מקטינים את זמן מיצוב הכלים ומאפשרים מהירויות ראשי-כלים גבוהות יותר.
שנית, פיתוח רכיבים חדשים דוגמת מעבדים יותר משולבים, חזקים וחוסכי אנרגיה, בנוסף למניעי שערים (gate drivers) חדשים, שניתן לפרוס במערכות שוטפות אך הם מתוכננים במיוחד עבור IGBTs חדשים בעלי מתח גבוה המשתמשים בטכנולוגיה של GaN או SiC.
שלישית, לעשות את השימוש הטוב ביותר באנרגיה מעשית באמצעות מדידות חוסכות אנרגיה במלוא ההינע של המהפך (inverter) או הסרבו, כמו גם להקטין את ההפסדים במצב הסרק (standby), תוך שימוש באנרגיית הבלימה של יחידת ההספק ולבסוף רישות מורחב של מודולי העיבוד בתוך מתקן הייצור.
ל-Analog Devices יש רכיבים חדשים המספקים פתרונות עבור האתגרים הקודמים והופכים את יעילות האנרגיה המיוטבת למציאות:
מעבדים חזקים אך יעילים (קצב שעון של 240 מגה-הרץ) ממשפחת ADSP-CM40x המבוססת על ארכיטקטורת
ARM® Cortex®-M4F, בעלת זיכרונות פנימיים גדולים (2MB הבזק, 384kB SRAM) וממשקים גמישים. היחידה האריתמטית בעלת תמיכה של נקודה צפה מסוגלת לעבד במהירות ובמדויק את האלגוריתמים מבוססי-הדוגמה בפורמט הנתונים הטבעי. ADCs ביט מדויקים, רבי-ערוצים (14-bit ENOB) ומסנני סנכרון מהירים בעלי קצבי דסימציה ניתנים לתכנות לשם שחזור זרמים מודגמים Δ-Ʃ, בצירוף יחידות PWM בעלי מיתוג מהיר, מגדילים את דיוק לולאת הסרבו של הזרם. השילוב המתוחכם של היחידות מקטין את זמני הכמיסות והמחשוב. שילוב הזיכרון הגמיש ויחידה לחישוב הרמוניות הרשת (HAE-harmonic analysis engine) מאפשרים אלגוריתמים נוספים, במיוחד לשם שימוש בקצה הסופי האקטיבי, תוך החזרת אנרגיה מאפיק ה-dc לתוך סריג ההספק המקומי. הממשקים המתאימים מבטיחים שילוב קל לתוך הרשתות התעשייתיות הקיימות. איור 2 מראה את הדיאגרמה המלבנית של ה-ADSP-CM40BE.
משפחת ה-AD740x של ה-ADCs
איור 3. מודול RapiD מבוסס על מתג ה-Ethernet fido5000 REM
Δ-Ʃ ביט המבודדים שודרגה בעזרת רכיבים מדויקים יותר (14.2ENOB) ומרווח רעש אות מוגדל. הם מוגדרים על-פני כל תחום התדרים ועונים לדרישות הבידוד המוגברות של המתח המודגם עד 1250 וולט. יציבות נחשול (surge) ו-ESD מבטיחה שלרכיב יהיו חיי שירות ארוכים. ניתן להפיק את השעון פנימית (AD7402) או לספקו חיצונית (AD7403). האות המאופנן Ʃ-Δ המתקבל ניתן להזנה ישירה אל המסנן sinc במעבד ADSP-CM40x ואינו דורש FPGA לשם סינון השחזור. קיים גם רכיב בעל אותות מוצא הפרשיים על נתיבי – (AD7405), במקרה שאורך העקבה יוגדל משמעותית. בנוסף, קיימים דוחפי (drivers) שער מבודדים, המתאימים הן עבור טכנולוגיית ה-MOSFET וה-IGBT הקיימת, ופותחו במיוחד עבור המוליכים למחצה של הספק GaN ו-SiC.
פיתוחי מוצרים חדשים במרווח הבידוד של ממשקים דיגיטליים ויותר ספציפית עבור USB, CAN, RS-232 ו-LVDS, מיועדים לסוגיית האבטחה של בידוד הממשק. פיתוחים אלה עונים לדרישות הבידוד המחמירות יותר והם יציבים בטווח הארוך.
הרכיבים החדשים מאפשרים לחסוך אנרגיה בצורה מקומית. אולם, המהפך הפרטי עדיין מכיל גורם הפסד עיקרי: זמני סרק ללא נקיטת אמצעים של חיסכון באנרגיה צורכים ללא צורך כמויות גדולות של אנרגיה. שילוב יותר גדול ויותר חכם של מערכת הייצור היה מאפשר תזמון נכון של זמני הפעולה עם רמות גבוהות של פעילות. מנגנוני חיסכון האנרגיה התואמים יכלו לכן להיות מופעלים בזמנים בהם יחידת ההספק איננה בשימוש. נעשית התקדמות מתמדת במונחים של רישות מערכות פרטניות תוך שימוש ב-Ethernet תעשייתי, והדבר מחליף מערכות fieldbus בעלות קצבי נתונים נמוכים יותר. בתור שכאלה, הוא לא רק מייצר נתונים המועברים דרך ה-Ethernet; נתוני מיקום משוגרים גם כן וכל קו הייצור מסונכרן. המעבד ADSP-CM40x המשולב בתוך רשתות Ethernet דרך המודול Innovasic’s RapID, המשתמש ב-Ethernet בזמן-אמת fido5000, מתג רב-פרוטוקולים (REM) התומך בתקנים ובפרוטוקולים המשמשים בצורה הרחבת ביותר של ה-Ethernet התעשייתי: POWERLINK, Modbus, Ethernet/IP (DLR), PROFINET RT/IRT , SERCOS ו-EtherCAT, כל אחד מהם עם דרישות גוברות במונחים של יכולת בזמן-אמת וסנכרון המערכת. איור 3 מראה את המודול ואת פרוטוקולי הרשת הזמינים על-ידי Innovasic בתור מחסניות (stacks).
בעזרת השיפורים שנקבעו קודם לכן, ADI מתכוונת לקדם מושג בר-קיימא לשם שיפור יעילות האנרגיה של מתקני ייצור ומממשת חזון הממקם רכיבים חזקים בסביבה מרושתת. קבלה של האתגרים השאפתניים הכרוכים לדיוק ולשילוב האיתן של רכיבים חדשים תספק קרקע פורייה עבור התחדשות. כעת תלוי בך להפוך רעיונות אלה למושגים חדשים עבור חלקים פרטניים ופתרונות מערכת מלאים, כמו גם לממש גישה טובה יותר תוך שימוש ברכיבים ומודולים אלה.
Stefan Hacker הוא מומחה לבקרת מנועים ב-Industrial and Instrumentation Segment של Analog Devices, גרמניה.
