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机械资讯 775期

智慧节能新思路助力射出成型机产业升级新方案

文/台达电子工业股份有限公司

生活用品、电子部件、汽车零件......现代人的便利生活与塑胶制品密不可分。但其实塑胶产品制程能耗极高,光是动力就要吃掉可观能源。台达长期致力于生产制造的节能,在2000年代开始着眼于高耗能的塑胶制品制程,尤其是耗能最多、涉及面最广的塑胶射出成型机,台达全面整合机、电两大领域,打造伺服节能射出成型机。

传统射出成型机用电量大,动力系统成节能关键

油压动力的功率重量比大,工作压力和流量可调性佳,是传统射出机主要动力来源。然而油压传动须经多次能量转换,过程会耗损可观能量。且锁模、射出、保压、冷却、开模、顶出等各制程所需油压不一,恒速运转的传统射出机马达往往导致动力供过于求,再加上溢流阀作用,平均会消耗40%以上的能源。遑论此机制还会增加液压油用量、散热需求、噪音伤害,也因需选用较高规格马达而导致成本浪费。从此痛点出发,台达着手打造节能动力系统。

结合电子新技术,能耗系统全面节能

以能耗的观点分析,传统射出机能耗有四大类:油压系统的油泵电力(70~80%)、加热系统的电力(10~15%)、冷却系统的水泵((5~10%)、控制系统及其他元件(1~5%)。其中,占比最大的油压系统即是节能改善的重点。为了最佳化节能效果,台达将其擅长的电气、电力电子技术与油压系统结合,推出三种节能动力系统:变频油压、油电伺服油压及全电系统。
变频油压系统在射出机加入台达变频器C2000系列,马达及油泵转速可因应各制程不同的动力需求,变化转速、减少空转。由于马达转速与能耗成三次方正比,因此能够以低成本达到大幅节能,主要常见于旧机改造。
台达 HES 油电伺服油压系统则可精确控制各制程所需的压力及流量,且动力单元可依合流/分流需求弹性选型、节省成本。因无须搭配伺服阀及溢流阀,亦无高压节流导致的能源损耗,大幅节省70%以上能耗,用油也可减少50%以上。在无油压回流及高压节流的情况下,油温可降低5~10度,显着延缓油质劣化及换油次数。台达研发电机控制技术以强化系统过载能力,使其可长时间保持高负载状态,特别适合塑胶厚壁产品的射出保压。
此外,台达电机弱磁控制技术可有效增加电机转矩工作区余量,提升油压系统供给流量,进而增加射出机运行速度。透过台达独特PID控制技术,在最佳时间响应下,压力超调可控制在3Bar以下,有效提升射出产品的重量稳定性。系统亦内建S-Curve压力/流量平滑度控制,减少模具开关模时的震动及磨损,延长模具寿命。
此系统搭配低速、高扭力的MST马达,无需搭配减速机即可慢速稳定运转,加料轴位置控制精度高,零速Holding功能更可避免射出时随塑胶料旋转,精准控制射出加料量,提升品质及良率稳定性。该马达加、减速响应快,可同步带动加料轴来缩短射出成型周期时间,进而提升约15%以上的产能,且无油路、皮带、减速机等一般马达需维护的品项,低噪音更可提升作业环境品质。
台达的全电系统注塑机则以马达取代油压,直接驱动各轴完成射出机行程。此系统采用全电专用控制器PAC MH1系列、ASDS系列伺服驱动器及伺服马达,搭配温控模组DTE系列。此系统在动力上几乎没有损耗,对比油电伺服可再节能50%以上。由于控制精准、稳定性高,还能有效提升诸如:射胶速度及慢速加料等制成稳定性,连带提高产能并缩短生产周期。

从落地到云端,完整解决方案连接物联新趋势

除了从能耗系统切入,随着智慧制造的浪潮方兴未艾,机台数据的数位化及可视化,让提升生产效益、节省成本及能源不再对立。对此,台达的油电及全电系统射出机,也提供从元件到系统的完整物联解决方案。
针对油电射出成型机,台达解决方案整合CSJ专用控制器、HES油电伺服节能系统及MST直驱加料系统。除了内建IO控制点与温控点直接满足射出机应用,以PLC为基础的编程介面可轻松上手,而使用者则可透过触控萤幕直觉设定,也可透过熟悉的键盘操作、设定,机台数据、设备状态、生产及警报资讯均一目了然。
控制器预留Internet介面串联上位机(如台达射出机IIoT平台DIAeBox)之网路通讯或远端监视功能,并透过CANopen串接油电伺服节能系统及直驱加料系统,方便电控工程师直接在控制器上调整参数。使用者则可全面掌握油压及加料系统资讯,了解动力系统当前运转状态。异常记录有助于即时诊断错误,降低意外的维护时间。
针对全电射出成型机,台达的解决方案包含:分散式架构控制器PAC、高精高速高响应伺服马达ASDA及自主技术感测器Load Cell。不同于市场常见的集中式架构,台达分散式架构可让系统在完整采用台达产品的前提下,使各设备无须透过控制主机,即可各司其职,节省下的主机效能还能进一步提升产出效益。
例如:可用于内建的「专家系统」,提供简易健康诊断、初始参数建议、改善成型品质等功能。另一内建的「制程管理功能」则可提供SPC数据及图表,也能建议生产对策,协助工厂自动化管理。此外,控制器的「黑盒子功能」,有助于问题分析资料的采集,管理者可一手掌握影像、射出控制波形、IO状态等资讯。控制器因应数位化和资讯化的需求,提供通讯整合和联网功能,除了可整合取出臂、中央供料系统、模温机及热浇道等周边辅机通讯,使用者还能享有「云端加值服务」的各式增强功能与即时服务,藉由连结工厂资讯系统满足机联网、IOT的需求。
解决方案采用高精、高速、高响应的伺服马达ASDA系列,各轴所需运动控制功能直接整合于伺服马达驱动器,由伺服马达驱动射出机的射胶、送料、合模、顶针轴。除了可以提高响应,也能有效降低系统内部总线速度及频宽的负载。例如,Load Cell信号不需经过控制器,直接将讯号传递至射胶轴驱动器进行判断,再带动相对应马达动作。另一方面,控制器也只需要下达单一命令,驱动器便可直接执行内建的运动控制曲线、锁模防撞、射压抑制等功能,提升控制性能。
台达更针对关键零组件开发感测器,以更加契合塑胶制程的需求。以负责侦测射胶及加料压力的Load Cell为例,其运作对全电系统的运作至关重要,若受到干扰而无法提供精确讯息,机台就无法正确判断需进行的动作。在业界,此讯息多使用类比讯号传送,易受到电气干扰而产生杂讯。有鉴于此,台达自行开发感测器及讯号转换晶片,把讯号转换成数位讯号来避免此问题。此外,台达也针对温度敏感的应变规则,将温度变化进行讯号补偿,以确保压力讯息精确度,避免射出机受到环境温度、上下午西晒、季节变化等环境因素影响,确保机台产出的品质一致。

针对台湾制造产业生态特性量身打造二次开发平台突显差异化优势

在电控或专用控制器的部分,现今台湾机械厂多采用欧、日品牌,不仅无法掌握电控开发权,规格也十分受限,难以实现市场差异化,变相牺牲市场竞争力。若想客制化机台,将自己独特的工艺Know-how放进控制器,无论是付费合作或是以大量订单换取客制化服务,对于中小企业而言,不仅成本高,甚至还有技术经验外流的风险。
对此困境,台达打造控制器二次开发平台。无论是CSJ油电控制器还是PAC MH1全电控制器,皆不需付费客制化或预购大量订单,即可享有标准使用者介面、流程控制模板程式,以及开放原始码。从上控到底层的闭环控制程式设计,
使用者可全盘掌握。二次开发平台采用泛用PLC及HMI程式开发介面,不仅可以自主开发应用程式,更能保障机密技术安全。

结语

台达以自身在电子制造的深厚经验,结合产业特性与需求,携手台湾中小企业突破产业瓶颈。
从节能趋势到工业联网技术、开发主控权的需求,台达提供完整而全面的解决方案,助力中小企业打造差异化优势,实现产业竞争力的升级。
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