Spojrzenie wstecz na 50 lat istnienia napędów o zmiennej prędkości (VSD) i maszyn, które zmieniły oblicze automatyki przemysłowej.
Pół wieku poprzedzające rok 2023 było świadkiem rewolucji technologicznej, która czasem wydaje się być niedostrzegana, choć jest to okres, w którym czołowi konstruktorzy i producenci napędów stali na czele innowacji i zmian w przemyśle.
Przyjrzymy się, jak napędy wpisują się w szerszą historię automatyki przemysłowej, by zrozumieć, jak ta historia ukształtowała nasz sposób życia.
Wyższa sprawność mechanizacji w porównaniu do człowieka sięga wieków wstecz
Wcześni ludzie zaczęli ostrzyć kamienie jako narzędzia tnące ponad 2 miliony lat temu w Wielkiej Dolinie Ryftowej we wschodniej Afryce. Od tego czasu jesteśmy zależni od coraz bardziej zaawansowanych narzędzi i urządzeń, aby wykonywać zadania bardziej wydajnie i produktywnie niż mogą to zrobić ludzie w pojedynkę. Współczesna historia automatyzacji przemysłowej, czyli tego, jak nauczyliśmy się używać maszyn zamiast ludzi do wytwarzania rzeczy, zaczyna się od rewolucji przemysłowej w XVIII-wiecznej Wielkiej Brytanii.
Nowe wynalazki, takie jak przędzarka (która mogła automatycznie prząść wiele szpulek bawełny lub wełny jednocześnie) i krosno mechaniczne (maszyna do tkania tkanin) znacznie zwiększyły szybkość i wydajność produkcji tekstyliów, a rozwój silnika parowego zapewnił nowe źródło mocy, które zastąpiło ludzkie mięśnie.
Wkrótce maszyny napędzane parą przekształciły produkcję i inne gałęzie przemysłu. Mogły one pracować w sposób ciągły i wytwarzać dobra szybciej niż ludzie pracujący ręcznie. Pozwoliło to na masową produkcję towarów w fabrykach, co doprowadziło do obniżenia cen i zwiększenia dostępności produktów dla konsumentów.
Zautomatyzowana produkcja wyznacza trendy dla nowoczesnego społeczeństwa
Nowe zautomatyzowane procesy produkcyjne rozpowszechniły się w Europie i Stanach Zjednoczonych w XIX wieku. Nastąpiła eksplozja wzrostu gospodarczego i wzrost liczby ludności. Ludzie przestawili się z pracy w rolnictwie na pracę w przemyśle, przenieśli się ze wsi do miast i miasteczek, wielopokoleniowe rodziny rozpadły się, pojawiły się zaś nowe idee i tożsamości. Nowoczesne społeczeństwo nabierało kształtów, lepszych lub gorszych.Automatyzacja poczyniła kolejny krok naprzód wraz z upowszechnieniem się linii montażowej w produkcji przemysłowej. Pomysł transportu produktu wzdłuż linii, tak by każdy pracownik mógł wyspecjalizować się w konkretnym zadaniu i wykonywać je wielokrotnie na odrębnej jednostce, nie był nowy, jednak wprowadzenie pod koniec XIX wieku zmechanizowanych przenośników taśmowych zwiększyło możliwości linii montażowych.
Linie montażowe umożliwiają masową produkcję towarów
W 1913 roku Henry Ford rozpoczął w Highland Park Ford Plant w Michigan w USA produkcję samochodu osobowego Model T Ford przy użyciu linii montażowej. Samochody zjeżdżały z linii co 3 minuty, a każdy samochód wymagał tylko 1,5 roboczogodziny na jego wyprodukowanie, w porównaniu do wcześniejszych 12 roboczogodzin. Obniżenie kosztów sprawiło, że złożone dobra produkcyjne, takie jak samochody, stały się po raz pierwszy dostępne dla zwykłych robotników, nawet jeśli sztywne procesy linii montażowej oznaczały, że wybór dla konsumentów był ograniczony - jak powiedział Ford, klient mógł kupić samochód w dowolnym kolorze, byle był czarny!Linia montażowa pozwoliła na masową produkcję towarów w znacznie szybszym tempie niż w przypadku tradycyjnych metod wytwarzania. Doprowadziło to również do rozwoju specjalistycznych maszyn i narzędzi, które mogły sekwencyjnie wykonywać określone zadania.
Napędy o zmiennej prędkości zwiększają możliwości silnika elektrycznego
Przemysł w XVIII i XIX wieku był napędzany parą, jednak postęp XX wieku zależał od bardziej wydajnej i kontrolowanej mocy energii elektrycznej. Brytyjski naukowiec Michael Faraday w 1813 r. odkrył zasadę wytwarzania energii elektrycznej za pomocą pola magnetycznego, a serbsko-amerykański wynalazca Nikola Tesla pod koniec XIX wieku wniósł znaczący wkład w rozwój działających sprawnie silników elektrycznych.Elektryczność jako źródło energii miała wiele zalet; była czysta, wydajna, łatwa w transporcie, potężna i mogła być włączana i wyłączana w jednej chwili, w przeciwieństwie do konia czy silnika parowego. Rozwój silników elektrycznych znacznie rozszerzył możliwości automatyzacji przemysłu, napędzając maszyny, które były bardziej wydajne i lepiej kontrolowane niż te napędzane parą.
Jednak pełny potencjał silników elektrycznych w automatyce mógł zostać wykorzystany dopiero po wynalezieniu w latach 50. ubiegłego wieku napędu o zmiennej prędkości (VSD). Napędy VSD sterują prędkością i momentem obrotowym (dostępną siłą skręcającą) silników elektrycznych, co umożliwia precyzyjne sterowanie ruchami maszyn i innych zautomatyzowanych systemów, niezbędnych w złożonych procesach i przy obróbce delikatnych materiałów.
Napędy były brakującym ogniwem do zautomatyzowania bardziej skomplikowanych procesów, dzięki precyzyjnej kontroli prędkości i momentu obrotowego silników. Umożliwiały również znaczne oszczędności energii poprzez regulację prędkości silników w celu zapewnienia wymaganego obciążenia tylko wtedy, gdy jest to konieczne, a także zwiększyły niezawodność systemu i wydłużyły żywotność sprzętu poprzez zmniejszenie zużycia silników.
Napędy stają się tańsze, bardziej niezawodne i mocniejsze
Wczesne napędy były nieporęczne i zawodne, lecz zaczęły się zmieniać, gdy na rynek wprowadzano serię mniejszych, tańszych, bardziej niezawodnych, mocniejszych i bardziej inteligentnych napędów, pozwalających sprostać rosnącym wymaganiom konsumentów. W tym czasie opracowano i wprowadzono na rynek pierwszy na świecie w pełni sterowany mikroprocesorowo napęd. Moc, elastyczność i kontrola nowych napędów zmieniły możliwości silników elektrycznych w automatyce przemysłowej. Zastosowanie napędów jest obecnie powszechne i prawie każde zadanie, niezależnie od stopnia skomplikowania, może być obecnie zautomatyzowane.Nowoczesne napędy posiadają zaawansowane możliwości obliczeniowe i komunikacyjne, co pozwala na pełną integrację ze złożonymi autonomicznymi systemami produkcyjnymi wykorzystującymi sztuczną inteligencję (SI). Algorytmy SI wykorzystywane są do analizy danych, dokonywania przewidywań i podejmowania decyzji o działaniach w czasie rzeczywistym, umożliwiając maszynom bardziej niezależne działanie i łatwe dostosowywanie się do zmieniających się warunków. Pomaga to zoptymalizować procesy produkcyjne, poprawić kontrolę jakości i zmniejszyć koszty. SI ma coraz większe znaczenie w produkcji przemysłowej i wyniosła automatyzację na nowy poziom. W istocie, niektórzy eksperci uważają, że w przyszłości istnieje realne ryzyko, że maszyny SI wymkną się spod kontroli człowieka i spróbują przejąć kontrolę!
Innym ważnym wydarzeniem w latach 60. było wprowadzenie do produkcji robotów. Roboty są obecnie w stanie wykonywać zadania z dużą precyzją i szybkością, stanowiąc ważną część wielu zautomatyzowanych procesów. Mogą one pracować w sposób ciągły, zwiększając efektywność i wydajność, i są szczególnie przydatne w sytuacjach niebezpiecznych dla człowieka. Właściciele domowych robotów odkurzających wiedzą, że mogą one być również przydatne do wykonywania nudnych i powtarzalnych prac!
Automatyzacja wpływa na każdy aspekt naszego społeczeństwa
Jaka jest przyszłość automatyki przemysłowej? Sformułowanie Internet rzeczy (IoT) opisuje sieć inteligentnych urządzeń z czujnikami i możliwościami przetwarzania, które mogą się ze sobą komunikować. Integracja SI i IoT z automatyką przemysłową będzie oznaczać, że systemy produkcyjne będą mogły wykrywać, analizować i podejmować decyzje same za siebie, a napędy zapewnią kluczowe połączenie między cyfrowym mózgiem a fizycznymi mięśniami silnika elektrycznego.
W ciągu tych 250 lat, od wynalezienia Spinning Jenny na początku rewolucji przemysłowej, przeszliśmy bardzo długą drogę. Potęga i zakres automatyki przemysłowej wpłynęły na każdy aspekt naszego społeczeństwa i nadal będą wpływać. Maszyny są obecnie w stanie zrobić prawie wszystko, co może zrobić człowiek. Ale tylko my możemy zdecydować, czy wykorzystamy tę moc, aby uczynić życie lepszym, czy gorszym dla nas samych i reszty planety.