modelowanie energochłonności procesów transportowych w
Transkrypt
modelowanie energochłonności procesów transportowych w
Technologia i Automatyzacja Montażu 4/2011 MODELOWANIE ENERGOCHŁONNOŚCI PROCESÓW TRANSPORTOWYCH W ZAUTOMATYZOWANYCH SYSTEMACH MONTAŻOWYCH Jerzy HONCZARENKO, Artur BERLIŃSKI Procesy wytwórcze charakteryzują się poborem energii różnej postaci, jednak wyjściową formą jest energia elektryczna służąca do zasilania maszyn technologicznych oraz urządzeń transportowych i montażowych. Energia elektryczna, jak wiadomo, pozyskiwana jest najczęściej na drodze przetwarzania naturalnych paliw stałych, płynnych bądź gazowych. Przetwarzanie tych paliw obarczone jest zagrożeniami ekologicznymi, a ich wykorzystanie jest ograniczone występowaniem danego surowca naturalnego. Stąd istotne zdaje się być przewidywanie i minimalizowanie ilości pochłanianej energii przez procesy wytwórcze. Ekologia i oszczędność energii są obecnie obowiązującym trendem w rozwiązaniach najnowszych obrabiarek [1]. Można stwierdzić liczne działania ze strony producentów maszyn technologicznych – szczególnie obrabiarek, idące w kierunku zmniejszania poboru energii elektrycznej wobec tendencji ciągłego zwiększania się konsumpcji energii w sektorze przemysłu. Nowe rozwiązania producentów maszyn leżą głównie w obszarze zwiększania sprawności mechanicznej i elektrycznej stosowanych układów oraz w nadzorowaniu i minimalizacji poboru energii przez układy sterowania maszyn. Wobec tendencji automatyzacji produkcji nie mniej ważnym zagadnieniem zdaje się być energochłonność procesów pomocniczych, warunkujących prawidłowy przebieg procesu montażu, takich jak transport, magazynowanie, manipulacja, kontrola, przepływ informacji itp. W literaturze spotyka się jednak nieliczne modele opisujące procesy wytwarzania od strony energetycznej, takie jak prace [2], [3], [4]. Dotyczą one przede wszystkim procesów głównych – podstawowych, których celem jest wywołanie bezpośrednich zmian w przetwarzanym materiale, tymczasem wspomniane procesy pomocnicze mogą być także źródłem oszczędności energetycznych systemu produkcyjnego. Wobec tego istotne zdają się być działania, pozwalające minimalizować wielkość zużycia energii także w obszarze czynności i operacji pomocniczych. Modelowanie energochłonności procesów pomocniczych umożliwia oszacowanie poziomu zużywanej energii np. na etapie projektowania konstrukcyjnego lub technologicznego wytwarzanego wyrobu, a tym samym optymalizację poziomu zużywanej energii, co przekłada się także na koszty wytworzenia wyrobu finalnego. Energochłonność procesu wytwarzania Przez pojęcie energochłonności produkcji należy rozumieć ilość energii zużywanej w procesie wytwarzania, odniesioną do wielkości produkcji. Na podstawie kryterium sposobu pomiaru wkładu energetycznego w proces tworzenia określonej wielkości produkcji wyróżnia się energochłonność bezpośrednią oraz energochłonność skumulowaną [5]. Energochłonność bezpośrednia oznacza zużycie nośników energii doprowadzonych bezpośrednio do procesu technologicznego wytwarzania określonego wyrobu. Jednak takie ujęcie pojęcia energochłonności nie obejmuje całej energii, niezbędnej do wytworzenia danego produktu (lub wykonania usługi). Łączne zużycie energii niezbędnej do wytworzenia produktu (lub wykonania usługi) określa się mianem energochłonności skumulowanej. Inaczej mówiąc, obejmuje ona całkowitą ilość energii pierwotnej, jaka rzeczywiście została zużyta we wszystkich procesach prowadzących kolejno do wytworzenia produktu lub usługi. Energochłonność bezpośrednią można odnieść do procesu wytwórczego wyrobu i wyróżnić energochłonność procesów podstawowych oraz energochłonność procesów pomocniczych. Przez energochłonność procesu podstawowego należy rozumieć ilość energii zużytej podczas procesu przekształcania półwyrobu w wyrób gotowy o wymaganych właściwościach, kształtach, wymiarach lub ustalania wzajemnych położeń części czy zespołów w przypadku procesów montażu. Przez energochłonność procesów pomocniczych rozumie się ilość energii zasilającej podsystemy warunkujące prawidłowy przebieg procesu wytwarzania, takie jak podsystem transportu, magazynowania, manipulacji, kontroli, przepływu informacji itp. W pracach [2], [4], analizując cykl życia produktu, wskazano istotne obszary pobierania energii. Analiza kolejnych etapów uogólnionego procesu wytwarzania, wykorzystującego metody obróbki skrawaniem, pozwoliła autorom zbudować model zużycia energii pokazany na rys. 1. Przedstawiony w pracach model wskazuje, że na energochłonność bezpośrednią wpływa także wiele czynności pomocniczych. Energochłonność skrawania jest powiązana z wytwarzanym wyrobem poprzez obję49 4/2011 Technologia i Automatyzacja Montażu tość zdejmowanego naddatku. n Ec = k c ⋅ 10 − 3 ⋅ ∏ K i ⋅ Vi , [J] i =1 gdzie: kc – energochłonność skrawania, opór właściwy skrawania, współczynniki poprawkowe, objętość naddatku. Rys. 1. Istotne obszary pochłaniania energii w systemie produkcyjnym [4] Nakład energetyczny obrabiarki oraz procesów pomocniczych wyznacza się z zależności, która uwzględnia jedynie moc średnią napędu elektrycznego wykorzystywanego w urządzeniu [4], np.: n Et = ¦ Pi ⋅ (t g + t j ) , [J] i =1 gdzie: tj – czas biegu jałowego, tg – czas główny stanowiska produkcyjnego, Pi – średnia moc urządzenia zużywana podczas pracy. Udział zużywanej energii na zasilanie otoczenia systemu produkcyjnego, jak podają autorzy w [4], to 60 – 90%. Model analityczny energochłonności podsystemów transportowych Rys. 2. Przykład urządzenia transportowego w zautomatyzowanym systemie wytwarzania oraz elementy bilansu energetycznego: Ep – energia potencjalna, Ek – energia kinetyczna, m·g – ciężar własny, ET – energia składowej oporu toczenia Rozpatrując wyidealizowany model urządzenia transportowego (np. rys. 2), zapotrzebowanie na energię, dokładniej niż zależność w pracach [3], [4], można oszacować, analizując procesy przemiany energii w czasie przemieszczenia mas. Poszczególne składniki energochłonności ruchu transportowanej masy są wynikiem występowania w złożonym modelu tych sił, które składają się na bilans siły napędowej. Model energetyczny transportowanej masy można ująć w równaniu wyrażającym zasadę równoważności pracy i energii. Energochłonność ruchu jest to praca siły napędowej wykonana na długości drogi transportowej. Siła napędowa zwykle jest zróżnicowana pod względem równań ją opisujących dla różnych faz ruchu. Dla zmiennych warunków energetyczne równanie przemieszczanej masy można zapisać następująco: S E = ³ Fn ds Fn 0 Procesy produkcyjne wymagają ciągłego zasilania materiałowego realizowanego przez tzw. podsystem transportowy. Funkcję podsystemu transportowego realizują różne urządzenia techniczne, takie jak wózki transportowe, przenośniki rolkowe, taśmowe, podwieszane, roboty, suwnice itp. Urządzenia transportowe, które funkcjonują w systemach wytwarzania zautomatyzowanych i pracują bezobsługowo – zwykle zasilane są elektrycznie. Zużycie energii przez współczesne podsystemy zasilane elektrycznie nie jest stałe i zależy od wielu czynników, takich jak: organizacja procesu produkcyjnego, masa transportowana, masa własna środka transportowego, bezwładność układu mechanicznego, charakterystyka kinematyczna transportu (prędkość, przyspieszenia), liczba pustych przebiegów środków transportu itp. 50 gdzie: Fn – chwilowa wartość siły napędowej, s – droga elementarna, Fn – średnia wartość siły napędowej, S – droga całkowita lub jako zależność w funkcji czasu: T1 E = ³ Fn vdt s0 gdzie: t – czas fazy napędzanej. Poszczególne składniki energochłonności ruchu są wynikiem występowania w złożonym modelu tych sił, które składają się na bilans siły napędowej dla dowolnej fazy. W systemach transportowych energia najczęściej jest wydatkowana na pokonanie oporów ruchu oraz po- Technologia i Automatyzacja Montażu konanie oporu wzniesienia ciężaru masy transportowanej, co odpowiada przyrostowi energii potencjalnej. Dla ruchu przyspieszonego należy także uwzględnić energię wydatkowaną na przezwyciężenie siły bezwładności, która odpowiada przyrostowi energii kinetycznej. W ogólnym przypadku ruchu bilans sił wzdłużnych dla dowolnej fazy ruchu wyraża zależność: Fn = T + Fw + Fk gdzie: Fn – siła napędowa, T – składowa siły oporu tarcia toczenia, Fw – składowa siły oporu wzniesienia, Fk – składowa siły oporu bezwładności. Energochłonność stanowi więc sumę energii wydatkowanej na przezwyciężenie poszczególnych składników prawej strony równania: E = E t + Ew + E k gdzie: Et – wydatek energii związany z oporami tarcia, Ew – energia związana z oporem wzniesienia, Ek – energia wydatkowana na pokonanie oporów bezwładności. Postać bilansu sił wzdłużnych działających na dowolny środek transportowy zależy głównie od sposobu wymuszenia ruchu oraz jego parametrów kinematycznych, a więc może zawierać składniki o różnym znaku algebraicznym. Podczas przejazdu urządzenia transportowego profil prędkości składa się z szeregu stanów obejmujących kolejno przyspieszanie, ruch ustalony oraz hamowanie. W fazie przyspieszania energia jest wydatkowana na przezwyciężenie wszystkich składowych sił oporowych oraz siły bezwładności. Dla ruchu ustalonego – tylko siły oporowe. Proces hamowania sprowadza się w znacznej części do rozpraszania uzyskanej wcześniej energii kinetycznej. Zwykle tę funkcję realizują nowoczesne napędy elektryczne. Jednocześnie pozostała część tej energii jest zużywana na pokonywanie statycznych oporów ruchu. Wobec zróżnicowania bilansu energii, w zależności od sposobu wymuszenia ruchu, określenie energochłonności ruchu urządzenia transportowego, poruszającego się według trzech stanów: przyspieszanie, ruch ustalony, hamowanie, wymaga odpowiedniego uwzględnienia wydatków energii podczas tych trzech stanów: E = E t + E w + ΔE ka − ΔE ku gdzie: ΔE ka – przyrost energii kinetycznej podczas stanu przyspieszania, ΔE ku – zmiana energii kinetycznej podczas stanu zatrzymywania. Poszczególne składniki wydatkowanej energii wyrażają zależności: 4/2011 H E w = mg ³ dh = mgH 0 sa ΔE ka = −ΔE ku = m ³ ads = o m 2 m (v 1 − v 02 ) = v 2 2 2 gdzie: m – masa, ft – współczynnik oporu toczenia, ds – droga elementarna, L – odległość transportowa, s – droga przyspieszania (zatrzymywania), g – przyspieszenie ziemskie, H – wysokość wznoszenia, a – przyspieszenie, v – prędkość. Energia wydatkowana na przezwyciężenie sił bezwładności, odpowiadająca energii kinetycznej, będzie też zależna od sposobu przeniesienia napędu oraz zamiany ruchu obrotowego na prostoliniowy urządzenia transportowego. Siła bezwładności obiektu poruszającego się w ruchu postępowym, na mocy II zasady dynamiki, wynosi: Fb = m ⋅ a gdzie: m – masa obiektu, a – przyspieszenie. Jeżeli ruch postępowy związany jest także z ruchem elementów obrotowych, należy uwzględnić energię kinetyczną takiego układu. Siła bezwładności działająca na taki obiekt wynosi: Fb = δ ⋅ m ⋅ a gdzie: δ – współczynnik mas wirujących, uwzględniający bezwładność układu przeniesienia napędu: δ = 1+ 4 ⋅ Ik m⋅r2 Wielkość energii kinetycznej uwzględniającej bezwładność układu przeniesienia napędu wyraża zależność: sa E k = m ⋅ δ ³ ads o Pominięcie współczynnika mas wirujących (δ = 1) może być uzasadnionym uproszczeniem w przypadku nowoczesnych napędów elektrycznych, gdzie łańcuch kinematyczny jest bardzo krótki (np. pojedyncza przekładnia pasowa zębata). Uwzględniając powyższe rozważania, zapotrzebowanie energetyczne pojedynczej czynności transportowej pomiędzy dwoma punktami drogi wyraża następująca zależność: E = mgf t L + m w gH + m δv 2 L E t = mg ³ f t ds = mgf t L 0 gdzie: mw – masa podlegająca oporom potencjalnym (masa transportowa plus masa własna części urządzenia transportowego odpowiedzialnych za wznoszenie). 51 4/2011 Technologia i Automatyzacja Montażu W badaniach nad efektywnością transportu wewnętrznego, jako istotne kryterium można także przyjąć energochłonność jednostkową, wyrażoną stosunkiem wydatku energii do drogi Ψ= E L lub iloczynu masy i drogi (energochłonność przebiegowa): Φ= E m⋅L Przykład obliczeniowy W tabeli 2 i 3 przedstawiono przykładowe obliczenia energochłonności operacji transportowych dla układarki magazynu wysokiego składowania, przedstawionego na rys. 2. W rozpatrywanym magazynie występuje 15 operacji transportowych związanych z przemieszczaniem ładunków od stacji załadowczej do kolejnych komórek magazynowych, rozmieszczonych w układzie 3 x 15, oraz tyle samo w kierunku przeciwnym – z magazynu do stacji załadowczej. W magazynie materiał jest składowany na paletach transportowych o masie 3,2 kg. Każda z operacji transportu składa się z pojedynczego elementarnego ruchu w osi poziomej – długości magazynu oraz pionowej – jego wysokości. Tabela 1. Parametry przykładowego modelu energochłonności – układarki regałowej Masa [kg] Układarka pionowa Układarka pozioma Ładunek 14,4 6,04 3,20 Współczynnik oporu toczenia 0,025 Prędkość transportu [m/s] 0,5 Przemieszczenie pionowe w górę [mm] Przemieszczenie poziome [mm] 200 400 600 800 1000 400 0,011 0,011 0,011 0,012 0,012 250 0,007 0,007 0,007 0,008 0,008 100 0,003 0,003 0,004 0,004 0,004 Tabela 3. Wartości energochłonności operacji transportowych z magazynu do stacji załadowczej Energochłonność ruchu [Wh] Przemieszczenie pionowe w dół [mm] Przemieszczenie poziome [mm] 200 400 600 800 1000 400 0,0003 0,0007 0,0010 0,0013 0,0016 250 0,0003 0,0007 0,0010 0,0013 0,0016 100 0,0003 0,0007 0,0010 0,0013 0,0016 Parametrami modelu są wielkości fizyczne urządzenia, takie jak: masa układarki pionowej, poziomej oraz 52 PODSUMOWANIE Metoda oceny energochłonności może posłużyć, jako narzędzie przy analizie różnych wariantów strategii sterowania urządzeniami transportowymi w funkcji parametrów ruchu, takich jak prędkość i przyspieszenie, tak aby realizować transport z minimalnym zużyciem energii, jednak z założoną wydajnością. Przedstawione podejście umożliwi także oszacowanie energochłonności innych procesów występujących w produkcji, np. w procesie skrawania na obrabiarce, gdy znane są parametry masowe i kinematyczne układu obrabiarki. Zaprezentowana metoda jest pierwszym krokiem na drodze do modelowania i projektowania zapotrzebowania energetycznego procesów wytwórczych. LITERATURA Tabela 2. Wartości energochłonności operacji transportowych od stacji załadowczej do magazynu Energochłonność ruchu [Wh] transportowa, przyspieszenie ziemskie, współczynnik tarcia tocznego, rozwijana prędkość w ruchu poziomym (tabela 1), a także odległości transportu w kierunkach poziomym i pionowym (tabela 2, 3). W rozpatrywanym zadaniu uwzględniono jedynie masę pustych palet transportowych, czyli tę samą wartość dla wszystkich miejsc w magazynie. Obliczone wartości energochłonności operacji transportowych świadczą o tym, że w rozpatrywanym przypadku istotnym czynnikiem jest wysokość i kierunek składowania. Energochłonność operacji transportowych do wyższych półek magazynowych jest większa niż do półek oddalonych w kierunku poziomym. To spostrzeżenie może być istotne dla planowania rozdziału w magazynie ładunków o różnej masie. 1. Honczarenko J.: Rozwój i automatyzacja obrabiarek skrawających w świetle EMO 2009, Mechanik 83, nr 2/2010, s. 16-19. 2. Pieńkowski G., Krzyżanowski J., Mączka J.: Problem oceny energochłonności wyrobów wytwarzanych metodami obróbki ubytkowej, Przegląd Mechaniczny nr 11/2005, s. 20. 3. Schulz H.: Abschätzen des Zerspanungs-energiebedarfs aus der Werkstückgestalt, Zeitschrift für wirtschaftliche Fertigung, nr 11/1997, s. 596 – 599. 4. Schulz H., Schiefer E.: Prozeßführung und Energiebedarf bei spannenden Fertigungsverfahren, Zeitschrift für wirtschaftliche Fertigung, nr 6/1998, s. 266. 5. Wąsikiewicz-Rusnak U.: Zmiany i przeobrażenia poziomu energochłonności produktu krajowego brutto w Polsce w okresie reform społeczno-gospodarczych, Zeszyty Naukowe nr 668 Akademii Ekonomicznej w Krakowie, Kraków 2005, s. 25 – 33. __________________ Prof. dr hab. inż. Jerzy Honczarenko jest pracownikiem Instytutu Technik Wytwarzania Politechniki Warszawskiej, dr inż. Artur Berliński jest pracownikiem Instytutu Technologii Mechanicznej Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego.