Komponenty automatyki przemysłowej - niezbędny element każdego systemu i instalacji we współczesnej technice

Komponenty automatyki przemysłowej - niezbędny element każdego systemu i instalacji we współczesnej technice

Zasilanie w przemyśle - dobre i wydajne zasilacze są coraz tańsze i bardziej dostępne

Zasilanie w przemyśle to tematyka bardzo szeroka, rozciągająca się na kilka dziedzin i wiele grup produktów. Takimi są przede wszystkim zasilacze małogabarytowe średniej mocy, które przeznaczone są do zasilania autonomicznych odbiorników energii i występują w postaci modułów do montażu na szynę DIN, wersji gniazdkowych, open frame i innych.

Zasilacze małej i średniej mocy stanowią standardowe, w dużej mierze katalogowe i dostępne z różnych źródeł komponenty urządzeń i systemów elektrycznych. W przemyśle oraz zastosowaniach profesjonalnych występują one często w wersjach w obudowach metalowych do montażu na szynie DIN, ewentualnie bezpośrednio w innym urządzeniu. W ostatnim przypadku stosowane są także w postaci open frame, czyli przeznaczonej do wbudowywania w maszyny i większe systemy.

Zasilacze impulsowe przetwarzają napięcie sieciowe, zwykle jednofazowe, na pojedyncze lub kilka stabilizowanych napięć stałych. Dzisiaj standardem na rynku są wersje pozwalające na zasilanie dowolną wartością napięcia sieciowego występującą na świecie, a więc od około 86 do 240 VAC oraz odpowiadającą jej wartością napięcia stałego. Wyjątkiem są wersje zdolne do pracy jeszcze w szerszym zakresie, a więc także przy zasilaniu napięciem międzyfazowym około 400 VAC, aczkolwiek obszar ich zastosowań jest ograniczony.

Omawiane urządzenia zapewniają izolację galwaniczną, co jest szczególnie istotne w przypadku zastosowań przemysłowych. Wyposażone są one też w wewnętrzne filtry przeciwzakłóceniowe oraz korektory współczynnika mocy (PFC). Dodatkowo popyt na nowoczesne jednostki kształtują wymagania co do funkcji takich jak praca równoległa, współpraca z akumulatorami, wysoki MTBF oraz zdalny monitoring stanu.

Jednym z kluczowych dzisiaj trendów jest wzrost sprawności jednostek, która w najbardziej zaawansowanych konstrukcjach sięga 95-96%. Wysoka sprawność to zarówno wymóg prawny nakładany przez UE, jak też oszczędność energii i dłuższy czas pracy przy danej pojemności akumulatora. Wysoko sprawny zasilacz się mniej grzeje i może być bardziej zminiaturyzowany, bo nie ma potrzeby rozpraszania tak dużej ilości ciepła.

Struktura głównych odbiorców zasilaczy impulsowych jest wyraźnie zdominowana przez aplikacje przemysłowe i pokrewne jak energetyka. Sporo wskazań w ankietach padło też na IT i telekomunikację, a więc wszystkie aplikacje wiążące się z komputerami i transmisją danych. Warto zauważyć, że różnice pomiędzy poszczególnymi słupkami wykresu nie są duże, co potwierdza znaną prawdę, że trafiają one do wszystkich branż i obszarów współczesnej techniki.

Sprawność zasilaczy małej mocy jest zawsze trochę mniejsza niż jednostek silniejszych, ale i tak sukcesywnie podnosi się w pobliże 90%. Dotyczy to oczywiście pracy pod pełnym obciążeniem i z dużym napięciem wejściowym - w innych warunkach może ona być znacznie mniejsza. W szczególności duże różnice występować mogą w trakcie pracy zasilacza bez obciążenia, co jest istotne zwłaszcza w jednostkach najmniejszych, które są podłączone na stałe do sieci.

Producenci starają się też wyposażać wybrane zasilacze w układy PFC, co generalnie w przypadku wersji małej mocy nie jest wymagane. Ich zadaniem jest zapewnianie, aby pobierany przez zasilacze prąd nie miał charakteru impulsowego. Poprawia to parametry systemu zasilającego, zwłaszcza w rozbudowanych instalacjach.

Ważnym trendem - i to dla całego rynku zasilania - jest rozwój tzw. sterowania cyfrowego, a więc bazowanie w zasilaczach na układach mikroprocesorowych. Zapewnia to uniwersalność i możliwość kształtowania parametrów za pomocą wymiany oprogramowania firmware. Mikrokontroler w zasilaczu pozwala też na dodawanie funkcji zabezpieczających, sygnalizacyjnych i innych, które w przypadku tradycyjnego sterownika analogowego wykonać było niełatwo.

Takimi są: komunikacja z systemem nadrzędnym (np. w celu monitoringu pracy oraz zdalnego nadzoru), możliwość połączenia kilku zasilaczy w system redundantny, autodiagnostyka, programowanie parametrów (napięcia, progi ograniczeń) za pomocą interfejsu cyfrowego, alarmy, a nawet kształtowanie charakterystyki ograniczenia prądowego. Funkcje te występują nie tylko w zasilaczach najdroższych, ale też stopniowo pojawiają się w tańszych wersjach.

W obszarze niewielkich zasilaczy ważnym tematem jest też odporność na chwilowe przeciążenia. Jest ona wyjątkowo przydatna w przemyśle - m.in. w przypadku rozruchu maszyn z silnikami elektrycznymi, włączania oświetlenia żarowego lub innych odbiorników - np. cechujących się dużą składową pojemnościową na wejściu. Wiele aplikacji pobiera też maksymalną moc przez bardzo krótki czas - kilku sekund, a przykładem mogą być tu systemy sterujące zamkiem elektromagnetycznym lub przepływem. Zakres dopuszczalnego przeciążania różni się w zależności od modelu i producenta, aczkolwiek widać, że najnowsze zasilacze pozwalają na więcej, niż było to możliwe kiedyś.

W zestawieniu kryteriów handlowych, które liczą się najbardziej w sprzedaży zasilaczy, na pierwszym miejscu znalazła się cena, co nie jest z pewnością zaskoczeniem. Podobnie jest z parametrami technicznymi, zawsze lokującymi się w czołówce tego typu analiz. Trzecia pozycja będąca czasem dostawy sugeruje, że klienci nie chcą czekać na dostawę zasilacza, raczej wolą go kupić od ręki u innego dostawcy. Małe znaczenie ma dzisiaj także dostępność wersji na zamówienie i długość gwarancji. To skutek poszerzenia się oferty produktów katalogowych, przez co, pomijając nieliczne specjalistyczne zastosowania, nie ma już potrzeby indywidualizowania takich produktów.

Do rzadziej wymienianych zmian należały m.in.: wyposażanie zasilaczy w nowe interfejsy komunikacyjne, zwiększony zakres temperatur pracy oraz wbudowywanie dodatkowych zabezpieczeń. Asortyment dostępnych na rynku urządzeń poszerza się także o wersje wyposażone we wzmocnioną izolację. Dawniej dotyczyło to głównie aplikacji medycznych, zaś obecnie jednostki takie trafiają też do zastosowań przemysłowych i precyzyjnej aparatury pomiarowej.

Oświetlenie ledowe

Przegląd ofert dostawców zasilaczy przemysłowych

Sprzedaż zasilaczy małej mocy od około pięciu lat poprawia szybko rosnąca popularność nowoczesnego oświetlenia LED-owego. Do zasilania diod potrzebne jest dopasowane pod względem właściwości źródło prądowe, które często zawiera ponadto szereg dodatkowych układów sterujących (np. jasnością) i zabezpieczających. W przypadku zasilaczy do LED stosowane są też często inne obudowy, takie, które są dopasowane do specyfiki montażu w oprawie oświetleniowej lub puszkach elektroinstalacyjnych. Obudowy takie są najczęściej hermetyczne.

Zasilacz do diod LED jest w zasadzie od strony elektrycznej taki sam jak wszystkie inne, a różnice sprowadzają się do funkcji realizowanych przez sterownik, gniazd, obudowy, przez co producenci tych komponentów mogą dość szybko wprowadzić na rynek takie urządzenia. Efektem jest spora oferta takich jednostek na rynku, potrzebnych do realizacji wszystkich mniej masowych aplikacji, np. w meblarstwie.

Skąd zasilacze?

Zasilacze impulsowe małej mocy to podstawowe źródło energii praktycznie dla całej techniki, stąd też urządzenia te oferowane są przez wielu sprzedawców - w szczególności firm dystrybucyjnych. Takimi są zarówno te działające na rynkach automatyki i pokrewnych - Astat, Eltron, Astor, Elmark Automatyka, CSI, Guru Control Systems, itd., jak też przedsiębiorstwa o bardziej specjalistycznym profilu - Amtek, Payda czy MPL Power Elektro. Najczęściej ich zaangażowanie w omawianym temacie bierze się z powiązania z silnym i znanym producentem.

Do grupy dystrybutorów zaliczyć też można firmy o szerokiej ofercie, w tym tzw. katalogowe - Conrad Electronic, RS Components, TME, Farnell element14, Micros, Maritex, Elfa Distrelec, Masters, Elhurt, Gamma oraz BNS. Zasilacze są w ich przypadku czymś typowym, a asortyment obejmuje zwykle kilka linii produktów.

Istotną grupą dostawców są przedstawicielstwa producentów spoza Polski, w szczególności specjalizujących się w automatyce oraz elektrotechnice. Takimi firmami są m.in. Delta Electronics, Phoenix Contact, Schneider Electric, Weidmüller, Siemens, Omron Electronics. W kraju działa też grupa lokalnych producentów omawianych urządzeń: Imcon-Intec, Merawex, Polwat, Tatarek, Noratel, Elplast oraz Indel. Część z nich oferuje również produkty firm zagranicznych.

Sieciowe urządzenia komunikacyjne - Ethernet jako standard bazą do harmonicznego rozwoju rynku

Głównymi zaletami, dla których warto wdrażać Ethernet, są jego kompatybilność, efektywność, uniwersalność i elastyczność konfiguracji, a także minimalizacja kosztów. Dzięki zastosowaniu odpowiednich bram możliwe jest także dołączenie do sieci urządzeń wyprodukowanych przez różnych producentów, łączenie sieci bazujących na kablach miedzianych z optycznymi i bezprzewodowymi. Ethernet, jak żaden inny standard sieci przemysłowych, oferuje możliwość podłączenia wielu tysięcy urządzeń za pomocą tej samej sieci.

Co prawda, aby tego dokonać, należy podzielić tak dużą grupę urządzeń na podgrupy logiczne (podsieci), ale znacząco nie zmniejsza to ich możliwości komunikacyjnych. Ethernet oferuje także nieporównywalnie większe, stale rosnące prędkości transferu, jednocześnie stając się coraz tańszy w utrzymaniu. Sieci o szybkości gigabitowej są niewiele droższe od poprzednich generacji.

Ethernet jest tani w instalacji i w utrzymaniu oraz praktycznie bezproblemowy. Zastąpienie nim wszelkich innych zakładowych sieci, praktycznie niweluje problem szkolenia osób personelu, które w przeciwnym razie musiałyby orientować się w diagnostyce każdego z zastosowanych standardów. Nie ma również problemu związanego z szeregowym łączeniem ze sobą urządzeń, które w razie awarii jednego z nich powodowało zatrzymanie komunikacji w całej sieci.

Struktura głównych odbiorców sprzętu sieciowego została zdominowana przez producentów związanych z przemysłem i energetyką, niemniej sporo wskazań padło również na branżę IT, kolej, monitoring oraz ochronę mienia. Sprzęt sieciowy wykorzystywany jest tam do tworzenia systemów komunikacyjnych na liniach technologicznych, sieci w maszynach oraz generalnie jako rozwiązania służące do kontroli pracy i przesyłania danych z obszaru hali produkcyjnej do systemów zarządzania. Oprócz tego ich zastosowania obejmują aplikacje w różnych innych sektorach gospodarki. Podzespoły te używane są w systemach tworzonych na potrzeby branży ochrony środowiska, w szeroko rozumianej energetyce (w tym odnawialnej), automatyce budynkowej oraz w zastosowaniach infrastrukturalnych i transporcie.

Instalując Ethernet, można dokonać wyboru topologii tworzonej sieci, aby zminimalizować koszty instalacji lub zwiększyć niezawodność poprzez redundancję. Typowo w sieciach tego typu korzysta się z topologii gwiazdy, ale poprzez odpowiednie zestawienie koncentratorów można uzyskać np. pierścień. Ponadto większość dostępnych na rynku urządzeń będących elementami łączącymi sieć pozwala na pracę z wieloma szybkościami transmisji.

Oznacza to, że w przeciwieństwie do wielu innych systemów sieci, prędkość przesyłu danych nie jest ograniczana przez najwolniejsze z podłączonych urządzeń, a jedynie do minimalnej prędkości urządzeń przełączających znajdujących się na trasie pomiędzy komunikującymi się urządzeniami. Takie rozwiązanie problemu wstecznej kompatybilności kolejnych generacji sieci pozwala na wygodną, stopniową rozbudowę infrastruktury, bez obawy o utratę funkcjonalności instalowanych elementów.

Głównymi odbiorcami omawianych podzespołów są w Polsce przedsiębiorstwa związane z szeroko rozumianym przemysłem. W tym przypadku sieci tworzą systemy komunikacyjne linii technologicznych, maszyn, stosowane są do przesyłania danych z oraz do obszaru hali produkcyjnej. Są to zarówno zakłady produkcyjne, producentów maszyn, jak też integratorów systemów. Oprócz tego komunikacja przemysłowa to też aplikacje w różnych innych sektorach gospodarki, np. transporcie i zastosowaniach infrastrukturalnych.

Wszystko powyższe składa się na atrakcyjną i szeroką tematycznie branżę. Pochodną atrakcyjności rynku jest duża konkurencja wśród firm na nim działających. Komponenty sieciowe stosunkowo łatwo jest dodawać do oferty dystrybucyjnej, występuje ich duża podaż zarówno ze strony producentów markowych, jak też dostawców "ekonomicznych", przez co bariery wejścia na rynek są stosunkowo niskie.

Przełączniki sieciowe

Korzystanie z możliwości sieci bazujących na Ethernecie jako medium komunikacyjnym wymaga stworzenia infrastruktury komunikacyjnej, do której poza okablowaniem (miedź, światłowód) wykorzystuje się przede wszystkim przełączniki (switche) i routery sieciowe, które tworzą fizyczną podwalinę sieci.

Większość producentów oferuje dziś wersje niezarządzalne (najbardziej popularne), zarządzalne o dużych możliwościach konfiguracji, jak też te wyposażone w porty pozwalające zasilać odbiorniki bezpośrednio przez sieć Ethernet (technologia PoE, a właściwie zwykle PoE+).

Klienci branżowi coraz częściej "domyślnie" korzystają również z sieci gigabitowych miedzianych, wyposażając w tego typu przełączniki swoje linie produkcyjne czy wytwarzane maszyny. Jeżeli zaś chodzi o technologię Power over Ethernet, to wykorzystywana jest ona w licznych zastosowaniach takich jak zasilanie kamer (monitoring), czytników, w ochronie mienia, ale też w aplikacjach w automatyce i robotyce. Przykładem tych ostatnich jest użycie przełączników z PoE w robotach marki Epson, gdzie za pośrednictwem sieci Ethernet zasilane są systemy wizyjne.

Jest jeszcze trzeci czynnik - jest nim wzrost wykorzystania switchy w zastosowaniach infrastrukturalnych, budynkowych, a także ich sprzedaży do klientów poza przemysłem. Trafiają one do aplikacji związanych z kontrolą dostępu i ochroną mienia, a także systemów kontroli wejść w budynkach użytku publicznego, w zakładach i podobnych obiektach.

Patrząc na omawiany rynek od strony handlowej, widzi się, że klienci poszukują przede wszystkim sprzętu o wysokiej jakości i o dużej funkcjonalności oraz zaawansowanych możliwościach technicznych. Niska cena nie jest najważniejszym kryterium selekcji i jest to fakt wart zauważenia, bo w obecnych czasach cena na pierwszym miejscu takiego zestawienia występuje praktycznie zawsze. Co więcej, można też powiedzieć, że ułożenie kryteriów selekcji produktu pokazane na rysunku jest charakterystyczne dla dojrzałych rynków, takich, gdzie świadomość klientów, co do roli i znaczenia tych produktów, jest wysoka.

Są one uzupełniane przez sprzęt bezprzewodowy, gdyż sieci, przemysłowe i te pracujące w mniej odpowiedzialnych zastosowaniach, mają charakter mieszany i są uzupełniane komunikacją bezprzewodową. Z względu na częste występowanie zaburzeń elektromagnetycznych oraz konieczność transmisji danych na większe odległości w przemyśle chętnie stosuje się sieci światłowodowe, stąd też popularność urządzeń z tego typu interfejsami oraz z portami uniwersalnymi, których funkcjonalność określa zastosowany moduł. Trendem rozwojowym jest w przypadku omawianych urządzeń rosnące obecnie wykorzystanie sieci gigabitowych, a w przyszłości - spodziewana popularyzacja rozwiązań 10 Gb/s.

Routery i konwertery

Ważną odmianą omawianych w poprzednim rozdziale przełączników sieciowych są wersje z interfejsami do sieci światłowodowych. Tego typu łącza stają się coraz powszechniejsze nie tylko ze względu na możliwość zwiększania odległości transmisji, ale też zapewniania odporności na zaburzenia elektromagnetyczne czy różnice potencjałów pomiędzy dwoma punktami w sieci - a o takie w przemyśle nietrudno.

Dostawcy oferują tu switche z portami światłowodowymi, jak też oddzielne moduły SFP do instalacji w przełącznikach. Uzupełnieniem są routery w wersjach przemysłowych - zwykle o funkcjonalności znanej z typowych routerów, aczkolwiek wytwarzane jako konstrukcje wzmocnione mechanicznie i odporne środowiskowo.

Jak już wspomniano, urządzeniami niezmiennie cieszącymi się dużą popularnością są konwertery protokołów (media-konwertery). Służą one do zamiany jednego standardu komunikacyjnego (lub sygnału) na inny, wykorzystywane są jako bramy pomiędzy sieciami, używane są do modernizacji maszyn i instalacji. Podobnymi produktami są serwery portów, które zapewniają interfejsy do różnych sieci komunikacyjnych - np. mogą mieć jeden lub więcej portów szeregowych (RS-232/422/485) czy USB. Te ostatnie są przykładowo stosowane w przypadku konieczności użycia sprzętowego klucza USB zabezpieczającego oprogramowanie zainstalowane na wielu komputerach włączonych do sieci Ethernet.

Do powyższej listy należy dopisać jeszcze jedną, nieco odmienną grupę produktów, którymi są moduły wejść/wyjść. Takimi są zarówno te stanowiące elementy modułowych sterowników programowalnych, a więc ich lokalne rozszerzenia, jak i wersje zdalne, które są oddalone od systemów sterowania i montowane bezpośrednio na liniach produkcyjnych i w instalacjach technologicznych. W przypadku bieżącej analizy kluczowe są te ostatnie, które z układem nadrzędnym komunikują się z wykorzystaniem protokołów sieciowych.

Przegląd ofert dostawców komponentów sieci przemysłowych

Tego typu moduły I/O stosowane są do podłączania czujników, elementów sterujących, wykonawczych i innych, zapewniając możliwość decentralizacji systemów automatyki i ekonomicznego przesyłania sygnałów oraz danych z wielu oddalonych źródeł jednocześnie. Do najpopularniejszych na rynku układów we/wy należą niezmiennie te z wejściami i wyjściami cyfrowymi oraz wersje z wejściami analogowymi. Asortyment dostępnych produktów jest o wiele szerszy i obejmuje m.in. moduły z wejściami termoparowymi (i inne czujnikowe), licznikowymi, służące do podłączania napędów, zaworów, itd., w tym występujące w wersjach jedno- i wielokanałowych.

Sprzęt bezprzewodowy

W zastosowaniach przemysłowych komunikacja bezprzewodowa to głównie WLAN, czyli IEEE 802.11, którą we fragmencie uzupełniają sieci ZigBee, Bluetooth, sieci komórkowe 3G i radiomodemy. W omawianej grupie szczególne miejsce zajmuje IEEE802.11, czyli Wi-Fi. Obecnie produkty te praktycznie zdominowały rynek konsumencki i profesjonalny, jeżeli chodzi o bezprzewodową transmisję danych w lokalnych sieciach informatycznych.

Ich główną zaletą jest duża przepustowość - obecnie najpopularniejszy rodzaj standardu, 802.11g, pozwala na transmisję do 54 Mb/s. Na rynku dostępne są też urządzenia zgodne ze standardem 802.11n, który wykorzystuje pasma 2,4 i 5 GHz i pozwala na jeszcze szybszą transmisję. Sprzęt bezprzewodowy to przede wszystkim punkty dostępowe, łączące część przewodową sieci (najczęściej w standardzie Ethernet) oraz część bezprzewodową (standard 802.11). Funkcjonalnie jest to odpowiednik switcha po stronie przewodowej. Poza nimi są to routery spinające sieć lokalną z inną siecią lub z WAN oraz serwery portów.

Sprzęt tej kategorii przeznaczony dla przemysłu odróżnia się od wersji popularnych wykonaniem mechanicznym (obudowa) i szerokim zakresem temperatur pracy. Z uwagi na pracę w paśmie ISM i chęć uzyskania przez producentów najlepszej szybkości, wiele nowych konstrukcji pracuje jednocześnie na 2,4 i 5 GHz, co umożliwia szybkie przełączenie na drugą częstotliwość w przypadku wystąpienia zakłóceń elektromagnetycznych. Urządzenia takie są zasilane napięciem stałym z instalacji na obiekcie lub też poprzez kabel ethernetowy (PoE).

Dostawcy modułów komunikacyjnych

Tworząc ofertę podzespołów sieciowych stawia się zazwyczaj na jak największą kompletność, która pozwala na zaoferowanie klientom wersji do budowy różnego rodzaju infrastruktury sieciowej i jej budowę w optymalny sposób. Nieodzownym elementem procesu tworzenia wartości jest zapewnianie wsparcia technicznego dla klientów.

Obejmuje ono m.in. pomoc w doborze produktów, nieraz też tworzenie aplikacji na bazie wymagań odbiorców. Wiele firm rozszerza ofertę o urządzenia do komunikacji bezprzewodowej, a więc punkty dostępowe, routery bezprzewodowe (np. do zastosowań typu M2M) i inne. Stanowią one nie tylko alternatywę dla sieci przewodowych, ale są też używane jako sieci redundantne dla tych ostatnich.

Największą popularnością cieszą się produkty firm wytwarzających urządzenia dedykowane, przeznaczone właśnie do przemysłu, do aplikacji infrastrukturalnych, energetyki, transportu i podobnych. Takimi przedsiębiorstwami są zarówno firmy zachodnioeuropejskie - często dostawcy szerokiego asortymentu automatyki, jak i specjalistyczne firmy dalekowschodnie - np. oferenci komputerów przemysłowych.

Jeśli chodzi o potencjał rynkowy poszczególnych grup sprzętu sieciowego, to najbardziej atrakcyjną pozycją w ofertach są switche i routery, urządzenia bezprzewodowe oraz moduły we-wy. Z pewnością wynika to z funkcji, jakie pełnią switche w sieci, będąc głównym elementem jej infrastruktury oraz stopnia złożoności urządzeń bezprzewodowych, które są dość drogie. Moduły IO uznawane są też przez polskich dostawców za jedne z lepszych produktów pod względem możliwości zarobienia. Sprzedają się one w relatywnie dużych ilościach, do tego cechują dobrymi marżami, przez co znaleźć je można zarówno u dostawców urządzeń sieciowych, jak też producentów i dystrybutorów urządzeń automatyki i sterowania.

Do pierwszej z wymienionych grup zaliczają się m.in. Siemens, Hirschmann, Phoenix Contact, HARTING oraz Antaira (firma z USA), zaś druga grupa to przede wszystkim Moxa, Advantech oraz ICPDAS. Oferują oni często duży asortyment urządzeń sieciowych, w tym moduły IO i różne produkty związane z sieciami (np. złącza, testery, oprogramowanie).

Drugą grupą są lokalni dystrybutorzy, którzy specjalizują się w tematyce sieci przemysłowych albo dostarczanie tytułowych komponentów i rozwiązań stanowi dla nich jeden w ważniejszych obszarów działalności. Do tej grupy firm zaliczyć można m.in. firmy: Acte, CSI, Elmark Automatyka, JM elektronik, NaviNet, RAControls. Przedsiębiorstwa te działają w różnych obszarach rynku - np. specjalizują się w sieciach bezprzewodowych (Acte), dostarczają komputery przemysłowe i podobne rozwiązania (CSI, Elmark Automatyka, JM elektronik) lub po prostu oferują szeroką gamę urządzeń i rozwiązań automatyki i sterowania.

Trzecią grupę firm działających na rynku stanowią tzw. dystrybutorzy katalogowi oraz podmioty, które dostarczają komponenty sieciowe, jednak te ostatnie nie są dla nich osią oferty, a jedynie jej uzupełnieniem. Takimi firmami są m.in. Dacpol, Gamma, Sitaniec Technology, TME, RS Components i Farnell element14.

Komponenty mechatroniczne - zyskują na popularności na skutek wszechobecnej elektronizacji techniki

Układy elektroniczne są dzisiaj często integrowane w jedną całość z mechaniką, bo w ten sposób daje się zapewnić większą precyzję działania, lepszą jakość i trwałość oraz możliwość kontroli stanu urządzeń. Doskonałym przykładem mogą być tutaj silniki, które obecnie powszechnie są sterowane za pomocą falowników zapewniających płynny start, regulację kierunku wirowania i obrotów. Takie rozwiązania dostępne są nie tylko dla systemów dużej mocy, ale także dla małych aplikacji stosowanych w sprzęcie AGD, medycynie, sprzęcie laboratoryjnym itp.

Podobne zjawiska można dostrzec w silnikach krokowych, silnikach bezszczotkowych wykorzystywanych do napędu pomp, wentylatorów i siłowników, które bez wsparcia elektroniki zdecydowanie miałyby gorszą funkcjonalność, a ich integracja w docelowej aplikacji byłaby wielokrotnie trudniejsza. Także w motoryzacji mechatronikę tworzy się poprzez integrację elektroniki sterującej w trójwymiarowej przestrzeni obudowy, traktując ścianki jako obwód drukowany.

Cechą współczesnych układów mechatronicznych jest oparcie konstrukcji na komputerze. Jest on jednostką centralną dla całości systemu i nadzoruje pracę wszystkich elementów, przez co wiele rozwiązań dopasowanych jest do sterowania cyfrowego oraz kontroli stanu (pozycji, szybkości działania) poprzez interfejs cyfrowy.

Elektronicy coraz częściej spotykają się dzisiaj w pracy z układami mechanicznymi i tworzą systemy mechatroniki dla aplikacji przemysłowych, automatyki czy robotyki. Praca ludzka jest coraz droższa, o wykwalifikowany personel jest coraz trudniej, dlatego, co się da, jest uwalniane od wpływu czynnika ludzkiego. Tak samo jak do budowy układów elektronicznych potrzebne są podzespoły elektroniczne, tak samo do tworzenia mechatroniki niezbędne są elementy mechaniczne. Ponieważ coraz częściej element mechaniczny jest połączony w całość z kawałkiem układu elektronicznego, światy elektroniki i mechaniki zazębiają się dzisiaj znacznie bardziej niż kiedyś. Powstanie terminu "mechatronika" jest symbolem takich przemian.

Na wykresie ilustrującym strukturę sprzedaży komponentów mechatronicznych największe pole przypadło firmom, które mają roczne obroty ze sprzedaży omawianych urządzeń na poziomie 250-500 tys. zł, druga równoważna grupa legitymuje się sprzedażą powyżej 1 mln zł. Konkretne wartości zależą zapewne od przeznaczenia, bo są one inne dla urządzeń przemysłowych, a inne dla półprofesjonalnych. Niełatwo też oddzielić małą mechatronikę (produkty o niewielkiej mocy elektrycznej) od reszty, bo nie zawsze firmy mają takie dane.

Praca konstruktora staje się coraz łatwiejsza, gdyż w handlu dostępne są liczne subkomponenty uwalniające projektanta od każdorazowego drążenia tematu wykorzystania mechaniki od zera. Specjalizowany kontroler silnika krokowego, siłownik zintegrowany ze sterownikiem w jednej obudowie, enkoder zamontowany w napędzie itp. Takie złożone komponenty są prostsze w użyciu, chętniej wykorzystywane, bo zapewniają większą funkcjonalność.

Silniki, siłowniki, enkodery i podobne komponenty można znaleźć w ofertach wielu firm związanych z elektroniką i automatyką przemysłową, ale nie da się powiedzieć, że jest to grupa asortymentowa o dużym potencjale. Jest to raczej dodatek, uzupełnienie, fragment kompletacji, który z czasem może się rozwinąć w większy fragment biznesu. Tą drogą rozwoju podąża w kraju wielu dystrybutorów, badających potencjał rynku i utrzymujących się w gotowości do obsługi, gdy otwarcie rynku stanie się szersze i wyraźniejsze.

Silniki podstawą ofert handlowych

Patrząc na oferty dostawców komponentów systemów mechatroniki (w zakresie rozwiązań o mniejszej mocy), można zaobserwować, że najpopularniejszym produktem i podstawą ofert są różnego rodzaju silniki. Wersje szczotkowe z magnesem trwałym w roli stojana są bazą najmniejszych aplikacji i służą do napędzania prostych elementów wykonawczych. Zapewniają one umiarkowane parametry napędowe i mają ograniczoną trwałość, ale z reguły są w wyborze najtańsze.

Ponieważ dla wielu zastosowań ich prędkość wirowania jest dość duża, w handlu można znaleźć wersje z wbudowaną przekładnią wykonaną na kołach zębatych lub planetarną. Spotyka się też rozwiązania z enkoderem dostarczającym informacji o pozycji wału. Oddzielną grupę komponentów stanowią mikrosilniki, a więc wersje o mocy do 1 wata, które wykorzystuje się do regulacji systemów optycznych, w precyzyjnej aparaturze laboratoryjnej. Trudno ocenić ich potencjał rynkowy, z pewnością są one wąską niszą dla świata nauki i innowacji. Warto zauważyć, że takie miniatury bazują często na unikalnych technologiach, jak np. napęd piezoelektryczny.

Drugą grupę silników stanowią wersje bezszczotkowe na napięcie stałe typu BLDC (Brushless Direct Current) bazujące się na wirniku zawierającym magnesy stałe i stojanem z cewkami elektromagnesów. Zamiast szczotek silnik taki ma elektrycznie sterowany komutator, przez co zapewniono wyższą trwałość i niezawodność wynikającą z wyeliminowania z konstrukcji szczotek, będących najczęstszą przyczyną awarii oraz najszybciej zużywającym się elementem mechanicznym "zwykłych" silników.

Eliminacja szczotek zapewnia też cichszą pracę silnika oraz wyższą sprawność, co w świetle coraz bardziej restrykcyjnych przepisów jest zaletą coraz bardziej zyskującą na znaczeniu. Dodatkowo konstrukcja silników BLDC umożliwia zastosowanie szczelniejszych obudów, gdyż ciepło z cewek może być odprowadzane bezpośrednio poprzez obudowę, co eliminuje konieczność zapewnienia cyrkulacji powietrza. Kolejną zaletą silników BLDC jest możliwość kontroli prędkości obrotowej prawie niezależnie od momentu silnika.

Udział komponentów mechatronicznych w całej sprzedaży firm. Jest to zatem pośrednio ocena stopnia specjalizacji w tytułowej tematyce pozwalająca sprawdzić, jak wiele firm traktuje mechatronikę jako biznes kluczowy, a dla ilu jest to niewielki dodatek do czegoś innego i relatywnie znacznie większego. Jak widać, 60% przedsiębiorstw uzyskuje ze sprzedaży mechatroniki niewiele, do 10% swoich obrotów. Innymi słowy, dwie trzecie firm to dostawcy, dla których produkty te są drobnym dodatkiem, uzupełnieniem lub nawet przypadkową pozycją w ofercie handlowej. Specjalizację ma co dziesiąta firma, co oznacza, że nasz rynek jest za mały, aby dało się oprzeć biznes wyłącznie na mechatronice.

Główną wadą silników bezszczotkowych jest konieczność zastosowania sterownika elektronicznego, ale jak wspomniano wcześniej, na rynku jest coraz więcej gotowych rozwiązań. Takie silniki mogą mieć wbudowany sterownik lub zawierają czujniki umożliwiające realizację elektronicznego komutatora. Dostępne wersje pokrywają dość szeroki zakres mocy, od małych do średnich, co sprzyja popularności.

Silniki krokowe

Silnik krokowy (skokowy) to rozwiązanie, w którym wirnik nie obraca się ruchem ciągłym, lecz wykonuje za każdym razem ruch obrotowy o ściśle ustalony kąt. Dzięki temu położenie wirnika można kontrolować w zależności od liczby dostarczonych impulsów prądowych. Kąt obrotu wirnika pod wpływem działania jednego impulsu może mieć różną wartość, zależnie od budowy silnika - jest to zwykle wartość od ułamka stopnia do kilkudziesięciu stopni w zależności od tego, ile faz ruchu mają uzwojenia. Silniki krokowe, zależnie od przeznaczenia, są przystosowane do wykonywania od ułamków obrotu na minutę do kilkuset obrotów na minutę.

Przegląd ofert krajowych dostawców komponentów mechatronicznych

Są trzy podstawowe typy silników krokowych pod względem budowy: z magnesem trwałym, o zmiennej reluktancji i wersje hybrydowe. Inny podział wyróżnia silniki bipolarne (4 wyprowadzenia) i unipolarne (5 lub 6 wyprowadzeń). Silniki krokowe są stosowane wszędzie tam, gdzie kluczowe znaczenie ma możliwość precyzyjnego sterowania ruchem: pozycjonowania, regulacji itd. Silniki krokowe mają wiele zalet, między innymi precyzję działania i powtarzalność. Działają szybko, zapewniają duży moment i są trwałe. Z tej przyczyny są one bardzo popularne na rynku, a wraz z coraz większą dostępnością sterowników ich aplikowanie przestało być też trudne.

Pomocą jest też to, że asortyment tych produktów jest bardzo szeroki. Wiele wersji o różnych wymiarach (średnicy) i mocy, także z wbudowaną przekładnią, uszczelnione itd. Od strony elektrycznej są dostępne wersje klasyczne 2-fazowe oraz bardziej złożone 3- i 5-fazowe, które kosztem komplikacji sterownika zapewniają większą precyzję działania. Zakres zastosowania tych elementów jest bardzo szeroki, bo elementy te trafiają do większości sektorów techniki.

Tomasz Haliniak

Eldar

  • Jak wyglądają preferencje klientów w zakresie produktów dla mechatroniki?

Klienci chętniej wybierają dostawców, którzy są w stanie zapewnić im kompleksową dostawę. Rozwiązanie takie daje im poczucie bezpieczeństwa, ponieważ pozwala uniknąć problemów wynikających z ewentualnego braku kompatybilności. W przypadku napędów często bywa tak, że dostawcy wręcz nie zalecają stosowania silników i sterowników od różnych producentów. Jest to tym bardziej uzasadnione, kiedy mówimy o napędach zintegrowanych z elementami mechaniki precyzyjnej, jak przekładnie, stoły obrotowe, krzyżowe, cylindry elektryczne, itp.

Kupowanie napędów w komplecie jest zatem zupełnie naturalne. Wyjątkiem są sytuacje, kiedy poszukiwane jest rozwiązanie bardzo proste, np. konwencjonalny silnik krokowy pracujący w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. Wtedy można sobie pozwolić, aby silnik i sterownik pochodziły od różnych dostawców. W przypadku bardziej zaawansowanych napędów takie rozwiązanie nie ma racji bytu, ponieważ silnik i sterownik stanowią nierozerwalną parę.

  • Jaka jest rola wsparcia technicznego w sprzedaży silników, napędów i enkoderów?

W dzisiejszych czasach sprzedaż jakichkolwiek podzespołów automatyki bez zapewnienia odpowiedniego wsparcia technicznego jest bardzo trudna. Takie są realia rynku i tego oczekują klienci. Napędy są coraz bardziej zaawansowane technologicznie, nieustannie dochodzą nowe funkcje. Na rynku pojawiają się też nowi dostawcy. Klientom trudno jest nadążać za tymi wszystkimi nowinkami. Szczególnie że w zaawansowanym napędach czy innym sprzęcie pewne szczegóły nie zawsze są oczywiste, jest sporo niuansów.

Oczywiście można to wszystko doczytać w szczegółowej dokumentacji technicznej, ale dużo prościej poprosić o pomoc doradcę technicznego, która w takiej sytuacji jest przydatna. Duża konkurencja powoduje, że również sami dostawcy dokładają starań, aby swoim klientom zapewnić jak najwięcej w ramach tzw. wartości dodanej. Zdarza się, że to już nie jest tylko pomoc w doborze podzespołów, posprzedażowe wsparcie techniczne czy sprawnie działający serwis.

Czasami dostawcy uczestniczą w realizacji projektu, wdrożeniu i wreszcie w uruchomieniu. Taki model współpracy powoduje, że z jednej strony odbiorca może liczyć na kompleksowe wsparcie na wszystkich etapach realizacji projektu, a z drugiej strony dostawca zaskarbia sobie lojalność kontrahenta przy kolejnych projektach. Krótko mówiąc: bez dobrego wsparcia technicznego nie ma dobrej sprzedaży.

Enkodery, przekładnie, czyli osprzęt

Dostawcy rozwiązań napędowych w znakomitej większości mają w ofertach także dodatki pozwalające na budowę kompletnych rozwiązań. Od strony mechanicznej są to różnego rodzaju przekładnie, sprzęgła, hamulce i elementy montażowe dopasowane konstrukcyjnie do montażu z silnikiem lub enkodery różnych typów, dostarczające informacji o pozycji wirnika i pozwalające przekształcić zwykły silnik w precyzyjny serwomechanizm.

Rzadziej pojawiają się elementy wykonawcze, jak zawory, elektromagnesy, siłowniki i pompy. W tym obszarze oferta zwykle wynika ze współpracy z konkretnym producentem i jest najczęściej wiernym odbiciem tego, co on wytwarza. Ale podobnie jak w wielu innych sektorach techniki, zarówno producenci, jak i dystrybutorzy rozwijają się, poszerzając portfolio w stronę kompleksowości ofert i takie drobiazgi udaje się kupić razem z całą resztą.

Zestawienie cech handlowych ofert w zakresie komponentów mechatronicznych, które są w największym stopniu brane pod uwagę w trakcie selekcji dostawcy. Jest to szczególnie istotne w sytuacji, gdy poszukiwany jest produkt bez cech szczególnych, taki, który ma wiele odpowiedników i może być nabyty w wielu miejscach. Przy takich warunkach zaczynają się liczyć jakość i niezawodność poszczególnych rozwiązań, która jest decydująca aż w 87% przypadków. To dość zaskakujące, bo z reguły najważniejsza jest niska cena, a w sektorach rynku z aktywną konkurencją z Azji jest to praktycznie reguła, że cena jest na samej górze. Na kolejnych miejscach w hierarchii ulokowały się wysokie parametry techniczne, a także renomowana marka producenta, która, jak należy domniemywać, jest często synonimem klasy tych podzespołów.

Elementy wykonawcze, takie jak pompy różnych typów, zawory dozujące, siłowniki i podobne produkty, są na tyle uniwersalne, że nierzadko stają się zalążkiem aplikacji tworzonych przez firmy elektroniczne nie tylko dla odbiorców z przemysłu, ale także świata nauki, chemii, motoryzacji i podobnych. Można nawet pokusić się o twierdzenie, że z jednej strony to dobrze, ponieważ front sprzedaży jest szeroki, z drugiej strony trudno wskazać konkretnego odbiorcę lub nawet dominującą grupę, do której można adresować przekaz i pod nią się specjalizować.

Zjawiska na rynku

Popytowi na mechatronikę sprzyja ogólna automatyzacja wszystkiego, chęć zmniejszenia kosztów wytwarzania, zapewnienia większego komfortu, ergonomii i ciągły rozwój techniki. Są to bardzo ogólne czynniki, niemniej w tym obszarze nie ma nic dominującego i wybijającego się ponad resztę trendu. Stąd liczy się w zasadzie wszystko, łącznie ze wzrostem kultury technicznej, naciskiem na jakość i precyzję, powiększającą się świadomością użytkowników, że coś można osiągnąć albo że są komponenty pozwalające usprawnić daną aplikację. To samo dotyczy przepływu koncepcji z branży do branży, czego przykładem może być motoryzacja będąca w omawianej tematyce źródłem inspiracji dla innych.

Zdaniem specjalistów pytanych w ankietach, w rozwoju rynku komponentów mechatronicznych przeszkadza dalekowschodnia konkurencja, która powiększa znacząco konkurencję na rynku. Brakuje kompleksowych rozwiązań i interdycyplinarnej wiedzy pozwalającej na połączenie tego tematu w uniwersalną całość, bo aplikacje w różnych sektorach rynku są nierzadko diametralnie różne.

Ocena, które z komponentów określanych wspólnym terminem mechatronika mają największy potencjał biznesowy dla dostawców. Czołowe miejsce zajęły enkodery, a w dalszej kolejności silniki DC i krokowe, za pomocą których buduje się układy wykonawcze. Duże znaczenie enkoderów to podzwonne dużych wymagań technicznych, jakie kieruje się w stosunku do tych komponentów. Dostarczają one informacji zwrotnej dla sterownika o położeniu wału i w praktyce decydują o wielu kluczowych właściwościach, takich jak dokładność pozycjonowania lub powtarzalność. Stale powiększające się wymagania co do precyzji mechanicznej, postępująca miniaturyzacja i podobne czynniki, powodują, że enkodery są bardzo często niezbędne, ale są relatywnie drogie na skutek komplikacji i precyzji ich konstrukcji.

Wielu specjalistów ma problemy ze spojrzeniem na problem jednocześnie z perspektywy mechanicznej i elektronicznej. Mocno zakorzeniony jest w świadomości podział na mechanikę i elektrykę, jest on utrwalany od lat i tworzy niepotrzebne bariery oraz jest odpowiedzialny za stereotypowe podejście specjalistów do wielu zagadnień, którzy nierzadko rozwiązują problemy metodami, jakie znają, a nie tylko które są w danym obszarze najskuteczniejsze.

Nadchodząca kolejna rewolucja przemysłowa związana z Przemysłem 4.0 i IIoT z pewnością zwiększy popyt i znacznie systemów mechatronicznych, bo to leży u jej podstaw. Wydaje się, że w zakresie podstawowym automatyzację mamy już za sobą i za pomocą klasycznych metod i narzędzi osiągnęliśmy większość tego, co jest możliwe.

Stąd biorą się zapowiedzi rewolucji i oczekiwania, że obejmie ona większość rynku. Taki plan wymaga odpowiednich narzędzi jak IoT po stronie komunikacyjno- procesorowej oraz czujników i elementów wykonawczych w zakresie otoczenia tych systemów. Skoro znaczenie obu tych koncepcji ma szybko rosnąć w przyszłości, wydaje się, że musi się to przenieść jako impuls rozwojowy na rynek komponentów mechatronicznych.

Dostawcy mechatroniki

Dostawcami komponentów mechatronicznych są z pewnością firmy katalogowe, jak Elfa Distrelec, TME, Farnell element14, które obsługują tzw. utrzymanie ruchu i mają oferty produktów z różnych kategorii na tyle szerokie, że pozwalające wszystko kupić u jednego dostawcy. Są też dystrybutorzy, u których omawiane produkty widać wyraźnie w ofercie, jak AET, Semicon, WObit.

Trzecią grupę tworzą przedsiębiorstwa związane ściśle z rynkiem automatyki przemysłowej i oferujące napędy, silniki, przekładnie. Do tej grupy można zaliczyć Bosch Rexroth, Demero, Eldar, Festo, Kubler, Linak.

Komputery przemysłowe - najważniejszy element każdego systemu sterowania

Komputery przemysłowe (IPC) należą do produktów uniwersalnych aplikacyjnie i stosowanych w wielu branżach. Przemysł korzysta z ich pełnej gamy - wersji Box PC, embedded, komputerów panelowych, urządzeń jednopłytkowych oraz dużych systemów kasetowych. Jednocześnie dostawcy, którzy obsługują od dawna ten rynek, obecnie coraz częściej wychodzą ze swoimi produktami do klientów z innych sektorów, nieraz odległych od przemysłu.

Komputer przemysłowy stanowi praktycznie zawsze część większego systemu, którego zadaniem może być zbieranie i analiza danych, akwizycja obrazów, kontrola parametrów procesowych czy sterowanie innymi urządzeniami, przez co on sam wymaga uprzedniej integracji. Jest ona wykonywana przez firmy zewnętrzne, dostawców, jak też mogą się nią zajmować wewnętrzne zespoły inżynierskie w zakładach przemysłowych.

W przypadku takich klientów końcowych komputery są też kupowane na potrzeby serwisowe (wymiany w momencie zaistnienia awarii), aczkolwiek dotyczy to bardziej podzespołów niż kompletnych systemów. Gdy zachodzi potrzeba wymiany tych ostatnich, zazwyczaj ma miejsce całkowita modernizacja, co oznacza użycie zupełnie nowego komputera - najczęściej z układami kolejnej generacji. Co czwartym odbiorcą IPC jest producent OEM, którym może być firma wytwarzająca maszyny, ale też urządzenia elektroniczne, różnego rodzaju automaty sprzedażowe, bankomaty, kioski informacyjne, kasy itd.

Co na rynku?

Omówienie oferty dostępnych komputerów można zacząć od miniaturowych systemów wbudowanych, a więc różnego rodzaju urządzeń embedded. Przeznaczone są one do wykorzystania w większych systemach i urządzeniach, które są projektowane przez nabywcę i mają typowo postać niewielkiej, nieobudowanej płytki drukowanej z wydajnym procesorem lub mikrokontrolerem (Single Board Computer - SBC).

Takimi SBC są m.in. moduły SOM (System-on-Module) oraz COM (Computer-on-Module), które zawierają zazwyczaj bezwentylatorowy układ procesorowy, graficzny, elementy pomocnicze, pamięć i interfejsy komunikacyjne. Do omawianej grupy zaliczyć można zarówno popularne komputery z rodziny PC/104, jak też różnego rodzaju wersje jednopłytkowe o wymiarach 3,5 i 5,25".

Przemysł przyjął w tym zakresie wiele standardów związanych z wielkościami, z których najpopularniejszymi są m.in. EBX, EPIC, Nano-ITX oraz Pico-ITX. Szczególną rolę, choć może bardziej w zakresie urządzeń elektronicznych, odgrywają komputery oparte o platformy open source - głównie wersje bazujące na procesorach ARM. Ostatnie lata przyniosły prawdziwy wysyp takich produktów i zaliczyć tu można choćby Raspberry Pi i BeagleBoard.

Najczęstsze zastosowania komputerów przemysłowych wiążą się z aplikacjami przemysłowymi w tym także pokrewnymi obszarami o charakterze profesjonalnym, jakim niewątpliwie jest energetyka. Spory udział mają też aplikacje mobilne wykorzystywane głównie w transporcie i logistyce towarów, a także te związane z ochroną mienia i kontrolą dostępu, głównie chodzi tu o monitoring wideo.

Komputery embedded mogą też występować w wersjach obudowanych - np. do montażu na szynie DIN, aczkolwiek najbardziej popularne na polskim rynku automatyki, w przemyśle i transporcie są urządzenia kompaktowe, a więc typu Box PC. Są to właściwie gotowe do użycia systemy, których bazę stanowią zazwyczaj komputery jednopłytkowe. Montowane są one w niewielkich i wytrzymałych mechanicznie obudowach, które zapewniają ich odporność na drgania i wibracje oraz cechują się odpowiednio dużym stopniem ochrony, co pozwala na pracę w trudnych warunkach środowiskowych.

Oczywiście przemysł korzysta także z pełnowymiarowych komputerów, które bazować mogą na popularnych płytach głównych typu ATX. W przypadku omawianych zastosowań używane są jednak wersje odróżniające się od popularnych pecetów m.in. cechami związanymi z możliwościami pracy w niekorzystnych temperaturach i podwyższonej wilgotności oraz z dostępnymi interfejsami.

W zastosowaniach profesjonalnych, takich, gdzie wymagana jest największa wydajność obliczeniowa i duża liczba we/wy, używane są modułowe platformy komputerowe. Charakteryzują się one daleko idącą standaryzacją pod względem mechanicznym oraz elektrycznym i występują zazwyczaj w postaci systemów kasetowych, w szczególności montowanych w szafach 19".

Korzysta się w nich z platerów, do których podłączane są karty oraz moduły procesorowe, komunikacyjne i inne. Na rynku dostępne są różnego rodzaju platery i karty w standardach takich jak PCI, CompactPCI czy PCI Express. Ofertę uzupełniają duże i odporne środowiskowo urządzenia typu VME oraz PXI, które stosowane są m.in. w serwerach danych, systemach pomiarowo-testujących i aplikacjach specjalnych.

Produkty konsumenckie w aplikacjach profesjonalnych

Jednym z najczęściej sygnalizowanych negatywnym zjawiskiem na rynku jest wykorzystywanie produktów kierowanych na rynek konsumencki do zastosowań profesjonalnych. Dla wielu klientów pokusa wiążąca się z użyciem tańszych odpowiedników w zakresie sprzętu powszechnego użytku jest duża, bo zwykle wymiary rozwiązań konsumenckich, parametry wydajnościowe lub funkcjonalność jest taka sama jak produktów kierowanych do aplikacji profesjonalnych. Wielu producentów dalekowschodnich ma nawet w ofertach równoległe linie takich samych urządzeń przeznaczonych na oba wymienione rynki, co w przypadku wielu klientów bardzo uwypukla różnice w cenach, a znacznie mniej pokazuje "drobiazgi", jak zakres temperatur pracy, certyfikaty, pokrycia ochronne itd.

Zjawisko to nie jest unikalną cechą sektora komputerów jednopłytkowych ani pamięci, bo podobne negatywne spostrzeżenia dotyczą na przykład switchy i innych komponentów sieci lub sprzętu wykorzystywanego w systemach alarmowych i instalacjach ochrony mienia.

Różnice pomiędzy wyrobami powszechnego użytku a przemysłowymi sprowadzają się w decydującym stopniu do innych podzespołów elektronicznych wykorzystywanych do ich konstrukcji, takich, dla których producent gwarantuje pracę w szerokim zakresie temperatur pracy dla półprzewodników, przez długi czas dla kondensatorów elektrolitycznych, odpornych na narażenia mechaniczne dla złączy i spełniające wyśrubowane wymagania. Inny jest laminat płytki, a sam projekt też jest tworzony z myślą o tym, że komputer ten musi działać w sposób pewny w różnych warunkach środowiskowych.

Mimo to w wielu aplikacjach o charakterze profesjonalnym aplikuje się produkty konsumenckie, najczęściej dlatego, że wiele z takich urządzeń kierowanych jest do zastosowań, które można by opisać jako leżące na pograniczu obu rynków, na przykład automaty do gier lub systemy POI montowane w budynkach użyteczności publicznej. Klienci liczą, że dobre produkty konsumenckie spełniające z zapasem wymagania poradzą sobie w takim obszarze.

Wiele razy okazuje się, że faktycznie tak jest, zwłaszcza w aspekcie krótkoterminowym, ale nie zawsze udaje się powiązać anomalie działania z takim wyborem sprzętu lub też liczy się na tzw. szczęście. Różnice w cenach pomiędzy przetestowanymi urządzeniami do zastosowań profesjonalnych, a płytami konsumenckimi cały czas są na tyle duże, że klienci świadomie decydują się na eksperymenty, akceptując niestety ryzyko.

Intel rządzi w IPC

Branża niewątpliwie żyje pojawianiem się kolejnych generacji procesorów, gdyż podzespoły te wprost definiują zarówno wydajność obliczeniową komputerów, jak też, co jest w przemyśle bardzo istotne, wymogi co do wymuszonego chłodzenia, a więc zapotrzebowanie energetyczne.

Jeżeli chodzi o architekturę sprzętową, to w branży IPC od dawna dominował Intel i tak jest też obecnie. Generacje dostępnych na rynku procesorów zmieniają się dosyć szybko, a przemysł, choć w wielu obszarach jest konserwatywny, w tym przypadku dosyć chętnie korzysta z nowości. Kolejne układy to nie tylko większa wydajność za podobną cenę, ale też zazwyczaj niższe zużycie energii i mniej generowanego ciepła - a to jest kluczowe w wielu urządzeniach przemysłowych i systemach embedded.

Omawiając najpopularniejsze rodzaje procesorów, przeprowadzić należy na wstępie podział na dwie grupy produktów - komputery o dużej wydajności obliczeniowej oraz urządzenia mniejsze, wbudowane, gdzie liczy się przede wszystkim energooszczędność i brak konieczności stosowania wentylatora. W ostatnim z przypadków od kilku lat najpopularniejsze są układy Intel Atom (obecnie najczęściej dwurdzeniowe), natomiast w komputerach o dużej wydajności na topie są procesory z serii Core (i3-i7).

Chociaż architektura x86 Intela dominuje, nie jest ona jedyną - na rynku nadal swoich zwolenników mają procesory AMD, a nowym trendem jest popularyzacja urządzeń z układami ARM. Atutem tych ostatnich jest niska cena, niewielki pobór mocy i fakt, że są one wspierane ze strony dużych producentów półprzewodników. ARM to dominująca architektura sprzętowa w przypadku urządzeń przenośnych, przez co możliwość "rozciągnięcia" ich zastosowań na obszar embedded - szczególnie mogących korzystać z systemów takich jak Android czy Linux - tworzy nowe otwarcie na omawianym rynku.

Przegląd ofert dostawców komputerów przemysłowych

Na razie systemy z procesorami ARM stosowane są głównie w małych komputerach, takich jak omawiane wcześniej SoM. W połączeniu z Linuksem sprawdzają się one całkiem nieźle, aczkolwiek tandem ten zazwyczaj przegrywa z tradycyjnymi urządzeniami jednopłytkowymi i Windows, gdy konieczne jest wykonanie bardziej wydajnej i złożonej aplikacji - np. sterującej lub multimedialnej.

Jeżeli chodzi o komputery Box PC, to oprócz oczywistych zmian, takich jak zmniejszanie rozmiarów czy wzrost możliwości obliczeniowych, trendem zasługującym na szczególną uwagę jest zwiększanie dostępności interfejsów komunikacyjnych. Mała wielkość obudowy nie przeszkadza producentom umieszczać w niej po kilka gniazd do sieci Ethernet, USB i innych portów.

Dostawcy coraz częściej umożliwiają też doposażenie komputera w potrzebny w danej aplikacji rodzaj interfejsu poprzez wykorzystanie wymiennych kart. Przykładem są tutaj produkty z rodziny iDoor firmy Advantech, które dostępne są wraz z modułami do większości popularnych sieci przemysłowych.

Wybór systemu operacyjnego, podobnie jak ma to miejsce w przypadku procesorów, jest silnie zależny od typu urządzenia i aplikacji. W przypadku pełnowymiarowych komputerów stosowane są przede wszystkim popularne systemy biurkowe, a więc Windows (głównie XP oraz 7) oraz Linux. Urządzenia przenośne, wbudowane i różne mniejsze systemy korzystają zaś z Windows Embedded, ewentualnie Windows CE, a rzadziej z Androida czy Linuksa.

Internet of Things? Industry 4.0?

Uniwersalność komputerów przemysłowych sprawia, że popularyzują się one w wielu branżach i aplikacjach. Obejmuje to zarówno te profesjonalne, związane z wojskiem, transportem szynowym, przemysłem czy medycyną, jak też szereg popularnych zastosowań w nadzorze, systemach alarmowych, urządzeniach informacyjnych, automatach do gier czy aplikacjach Digital Signage.

Mówiąc o przyszłości, należy nawiązać do wymienionego Przemysłu 4.0 oraz Internetu Rzeczy (IoT), które mogą być w przyszłości kołami napędowymi branży komputerów przemysłowych i systemów embedded. Chociaż dla wielu osób są one nowymi nazwami na już istniejące technologie, na tyle istotnie redefiniują one dotychczasowe podejście do komunikacji, tworzenia systemów obliczeniowych i ich integracji, że powinny wytworzyć efekt synergii i okazać się nowym otwarciem w branży.

IoT to przede wszystkim urządzenia inteligentne z wbudowaną komunikacją bezprzewodową oraz technologie zapewniające łączność - w tym bez udziału człowieka. Przykładem ich wykorzystania są zintegrowane systemy nadzoru komunikacji w mieście, dzięki którym pasażer może - korzystając z dowolnego urządzenia przenośnego - uzyskać dostęp do informacji dotyczących ruchu pojazdów i ich opóźnień, a firmy przewozowe - lepiej dopasowywać swoje usługi do bieżących potrzeb.

Równolegle z Internetem Rzeczy (oraz ideą Smart Cities) od blisko trzech lat w przemyśle rozwija się koncepcja Industry 4.0. Jest to określenie na nową "rewolucję przemysłową", dzięki której następuje pełna integracja sfery produkcyjnej oraz zarządzania pracą zakładów i przedsiębiorstw. Łącznikiem są tutaj systemy komunikacyjne oraz IT, które pozwalają na wymianę danych i znacznie efektywniejszą pracę maszyn oraz ludzi.

Efektem zachodzących procesów powinno być w kolejnych latach pojawianie się w naszym otoczeniu coraz większej liczby urządzeń bazujących na komputerowym sterowaniu i przetwarzaniu danych. Z tych powodów również można sądzić, że przyszłość dla dostawców IPC rysuje się optymistycznie.

Pamięci i dyski Flash

Mówiąc o komputerach przemysłowych, należy wspomnieć o nośnikach typu Flash, które stały się nieodzownymi elementami IPC. Ich popularyzacja była drugim z etapów trendu "bezwentylatorowości", czyli usuwania z komputerów wszelkich elementów ruchomych. Pierwszy stanowiło pozbycie się z wnętrza komputerów wentylatorów chłodzących procesory, które były elementami najbardziej zawodnymi i nie pozwalały na zamknięcie komputera w szczelnej obudowie.

Kolejnym krokiem było usunięcie z wnętrza pozostałych elementów mechanicznych, czyli dysków wirujących. Dzisiaj parametry pamięci Flash są na tyle dobre, a jej ceny na tyle niskie, że można śmiało stwierdzić, że stała się ona nośnikiem pierwszego wyboru w przemyśle, transporcie i innych zastosowaniach profesjonalnych.

Najważniejszą dla klientów cechą komputerów przemysłowych jest niezawodność, która w badaniu ankietowym okazała się minimalnie ważniejsza niż cena. Na kolejnych miejscach uplasowała się moc obliczeniowa oraz długoterminowa dostępność. Dane te można odczytywać w taki sposób, że komputer przemysłowy ma zapewnić długoterminowe i wydajne oraz bezproblemowe działanie i użytkownicy są świadomi, że za takie typy funkcjonalności trzeba odpowiednio zapłacić.

Nośniki danych z pamięciami Flash to dyski SSD (2,5", mSATA i DOM) oraz karty pamięci takie jak CF - CompactFlash oraz nowszy CFast, SD Secure Digital. W zastosowaniach profesjonalnych używane są nośniki w specjalnym wykonaniu, które charakteryzuje szeroki zakres temperatur pracy np. od -40 do +85°C i wilgotność do 95%. Oprócz wzmocnienia konstrukcji mechanicznej stosuje się też kontrolery z algorytmami detekcji i korekcji błędów, mechanizmami zarządzania uszkodzonymi blokami pamięci i monitorowania parametrów karty, które umożliwiają m.in. określenie stopnia jej zużycia.

Niektóre rozwiązania mają też funkcje odzyskiwania danych oraz detekcji przerwy w zasilaniu. Generalnie pamięci Flash dla przemysłu mają też znacznie bardziej złożone kontrolery zarządzające zapisem i zarządzaniem danych, po to, aby jak najlepiej wykorzystać ograniczoną trwałość tych komórek pamięci i zapewnić najwyższą wydajność.

Energia odnawialna - podatna na zawirowania polityczne, ale przyszłościowa dla biznesu

Bez wątpienia odnawialne źródła energii to obecnie jeden z najprężniej rozwijających się sektorów gospodarki na świecie. Ich rozwój stymuluje też wzrosty w sektorach towarzyszących: transporcie, budownictwie, magazynowaniu energii i jest źródłem wielu innowacji. Uważa się, że odnawialne źródła energii (OZE) w niedalekiej przyszłości są w stanie pomóc przezwyciężyć kryzys oraz dać nowe miejsca pracy, a obecność takich źródeł blisko odbiorców jest w stanie znacznie ograniczyć duże straty związane z transportem prądu.

Mówiąc o rynku energii odnawialnej i produktach kierowanych na taki obszar rynku, należy pamiętać, że sektor ten ma wiele gałęzi, które nierzadko są daleko od siebie odsunięte tak, że tworzą prawie inne rynki.

Do pierwszej kategorii można zaliczyć duże instalacje PV lub wiatrowe obliczone i skonstruowane pod kątem wytwarzania dużej ilości energii elektrycznej, która trafia wyłącznie do sieci energetycznej. Takie instalacje nazwane są farmami i zwykle są budowane przez koncerny energetyczne i spółki zajmujące się wytwarzaniem energii.

Drugą kategorię tworzą podobne instalacje, ale działające w mniejszej skali. Instalowane są one przez odbiorców indywidualnych, małe i średnie firmy, które wytwarzaną energię zużywają na własne potrzeby, a ewentualne nadwyżki sprzedają do sieci. To najbardziej perspektywiczny sektor rynku, atrakcyjny z punktu widzenia dystrybucji i wciąż w naszym kraju czekający na swoje pięć minut.

Kolejną kategorię tworzą instalacje specjalistyczne, które nie są połączone z siecią energetyczną, zasilając obiekty i instalacje w miejscach, gdzie prądu z sieci nie ma lub jego podłączenie nie jest opłacalne (tzw. off grid). Przykładem może być stacja meteorologiczna umieszczona na szczycie niedostępnej góry, która jest zasilana energią słońca.

Takie instalacje rozwijają się bez przeszkód, bo są wyjęte z regulacji ustawowych dotyczących OZE, a na dodatek z uwagi na niszowe rozwiązanie nie ma w nich dyktatu niskiej ceny. Zwykle w takich instalacjach liczy się pewność i niezawodność działania, co powoduje, że klienci sięgają po komponenty wysokiej jakości lub drogie unikalne rozwiązania takie jak np. ogniwa paliwowe.

Ostatnią grupę produktową tworzą instalacje bardzo małej mocy przeznaczone do zasilania aplikacji specjalistycznych takich jak IoT. Mowa o szeroko rozumianym wykorzystaniu energii wolnodostępnej za pomocą urządzeń (harvesterów) ją przechwytujących ze środowiska. Generatory tego typu jeszcze nie są bardzo popularne, ale szybko zyskują na znaczeniu wraz z tym, jak spada zapotrzebowanie na prąd w samej elektronice.

Przez pryzmat produktów

Podziału rynku można też dokonać w dziedzinie produktowej. Pierwszą grupę tworzą źródła, a więc przetworniki/generatory energii, takie jak panele i ogniwa fotowoltaiczne, generatory wiatrowe i mechaniczne oraz ogniwa paliwowe. Różnią się one wielkością (mocą), sprawnością, ceną w odniesieniu do generowanej mocy i przeznaczeniem. Moduły fotowoltaiczne są przeważnie płaskie i zawierają od 18 do 180 monokrystalicznych lub polikrystalicznych ogniw krzemowych.

Moc wyjściowa waha się od 30 do 120 Wp. Sprawność modułów komercyjnych zwiększa się wraz z poprawą technologii. Najbardziej zaawansowane komercyjne moduły z krzemu krystalicznego mają obecnie sprawność powyżej 16%, podczas gdy przeciętne moduły zawierające krzem mono- lub polikrystaliczny mają sprawność około 11 do 13%. Polikrystaliczne ogniwa są trochę mniej wydajne niż monokrystaliczne, ale ich koszt produkcji jest też trochę niższy. Większość z nich ma czas życia ponad 20 lat.

Na rynku znajduje się szeroki wachlarz modułów PV o różnej wielkości i tym samym mocy. Wytwarza się specjalne moduły, które są zintegrowane z dachami lub fasadami budynków. Produkowane są również moduły szczególnie odporne na korozję wywołaną słoną wodą morską. Znajdują one zastosowanie na łodziach żaglowych, znakach nawigacyjnych i latarniach morskich, gdzie muszą być szczególnie odporne na korozję od słonej wody. Ostatnim osiągnięciem w tej dziedzinie jest wytworzenie półprzezroczystego modułu, który może być używany jako okno w budynkach.

Bez względu na sygnały płynące ze świata polityki dostawcy produktów i technologii są optymistami, jeśli chodzi o tendencje w koniunkturze na opisywane produkty. Dostawcy komponentów do budowy instalacji OZE w dużej mierze mają biznes zdywersyfikowany, a konkurencja na rynku nie jest jeszcze postrzegana jako bardzo silna. Firmy przeczekają gorszy okres i wykorzystają go na przygotowanie się do momentu zmiany, bo wiadomo, że od energii odnawialnej nie uciekniemy.

Uzupełnieniem źródeł są konwertery energii przekształcające generowane przez źródła napięcie na postać standardową umożliwiającą zasilanie odbiornika, współpracę z siecią lub transformację. Ponieważ większość takich źródeł odnawialnych dostarcza napięcia stałego, konwertery muszą zamienić je na napięcie przemienne. Stąd też obiegowo nazywa się je falownikami, bo "falują" napięcie stałe na przemienne.

Napięcie generowane przez źródła nie nadaje się w 99% przypadków do bezpośredniego wykorzystania praktycznego, bo waha się w dużym zakresie oraz nieliniowo zmienia się wraz z oświetleniem i siłą wiatru i obciążeniem. Z uwagi na powyższe falowniki są w hierarchii ważności drugą pozycją w inwestycji.

Trzecia grupa to magazyny energii, takie jak akumulatory i superkondensatory, pozwalające przechwycić nadwyżkę mocy wytwarzanej nad zużywaną, wspomagające chwilę, gdy obciążenie jest bardzo duże. Gdy instalacja nie jest połączona z siecią energetyczną, akumulator jest praktycznie niezbędny i od jego pojemności i niezawodności zależy w dużym stopniu dostępność energii zasilającej.

Ostatnia kategoria obejmuje komponenty i akcesoria przeznaczone do budowy instalacji energii odnawialnej. Są to kable i złącza przeznaczone do prądów stałych o dużym natężeniu i pracy w trudnych warunkach środowiskowych, przekaźniki (styczniki) i urządzenia zabezpieczające umożliwiające podłączanie lub odłączanie gałęzi ogniw, liczniki energii/bezpieczniki. Są to także komponenty do monitoringu stanu instalacji i akumulatorów oraz rejestratory i systemy pomiarowe. Wiele farm i obiektów tego typu pracuje autonomicznie bez opieki ludzi i ich praca musi być zdalnie kontrolowana.

Michał Semeniuk

Delta

  • Wiele się ostatnio mówi o sprawności energetycznej. Czy ma to przełożenie na decyzje podejmowane przez klientów? To znaczy czy na przykład kupując falowniki do systemu PV, kierują się oni parametrami energetycznymi?

Klienci w Polsce, tak jak w przypadku innych produktów, dzielą się na tych, którzy decyzję o zakupie dyktują tylko ceną i na tych, którzy zwracają uwagę na parametry techniczne oraz poszukują najlepszego rozwiązania pod kątem stosunku jakości do ceny. Nasza oferta skierowana jest do tej drugiej grupy.

Przekonujemy naszych klientów, oferując im wydajne falowniki, podkreślając najważniejsze parametry, którymi są sprawność (najwyższa na rynku), szeroki zakres napięcia wejściowego DC, tak aby inwerter pracował optymalnie w szerokim zakresie zmieniających się warunków atmosferycznych i miał chłodzenie pasywne (mające bezpośredni wpływ na żywotność).

  • Falowniki w OZE - jakie trendy warto dostrzec w rozwoju tych urządzeń?

Jednym z trendów, jakie obserwujemy, jest coraz częstsze stosowanie dla małych instalacji tzw. mikroinwerterów, czyli falowników współpracujących z pojedynczymi panelami, dobranymi do mocy pojedynczego modułu. Dla dużych farm fotowoltaicznych coraz większą wagę przywiązuje się natomiast do wydajności farmy.

Falownik jest tu kluczowym elementem. Ogromne znaczenie ma tu minimalizacja czasów przestoju farmy lub jej części. Dlatego stringowe falowniki dużej mocy stają się coraz bardziej popularne. Również sprawność falownika ma tu kluczowe znaczenie. Dlatego Delta stale inwestuje w rozwój produktów i oferuje dzisiaj falowniki o mocy 50 kW i sprawności 98,6%.

Trzecim trendem rynkowym, który jest obecny już od kilku lat m.in. w Niemczech, są magazyny energii. Mówimy tu nie tylko o małych - przydomowych, ale również o dużych magazynach wykorzystywanych w energetyce i przemyśle. Delta ma również w tym zakresie coraz szerszą ofertę, dzięki zakupowi zakładów produkcyjnych od Mistubishi/Hitachi.

Rozwój rynku

Tempo rozwoju rynku energii odnawialnej zależy w dużej mierze od tego, o jakiej kategorii instalacji spośród wymienionych powyżej się mówi. I tak w zakresie tych najmniejszych aplikacji związanych z energy harvesting, czyli źródłami wolnodostępnymi, dzieje się na razie niewiele. Brakuje dobrych i tanich przetworników (harvesterów).

W zakresie instalacji specjalistycznych, a więc tych o co najwyżej średniej mocy i niepołączonych z siecią energetyczną, rozwój można uznać za dobry. Bazują one na dobrej jakości produktach, są zaawansowane od strony technicznej i nierzadko wykorzystują unikalne rozwiązania techniczne. Dla potrzeb tego sektora rynku powstają też specjalizowane produkty zintegrowane, które w jednej obudowie zawierają niezbędną całość, taką jak falownik, układ ładowania akumulatora, komputer z dostępem zdalnym, zabezpieczenia itp.

Instalacje OZE w takim przypadku (off grid, małej mocy) często są częścią nowoczesnego systemu oświetlenia ledowego, pozwalając na doświetlanie wieczorami przejść dla pieszych, znaków drogowych lub reklam w miejscach z dala od sieci.

Struktura obrotów osiąganych przez firmy zajmujące się tą tematyką nie wygląda imponująco. Dla 38% firm sprzedaż nie przekroczyła 250 tys. zł rocznie, kolejna jedna trzecia firm ma ponad pół miliona zł rocznie. To niewielkie sumy, wskazujące, że jesteśmy na samym początku rozwoju rynku, który cały czas należy traktować jako perspektywiczny. Należy też pamiętać, że dane te dotyczą w największym stopniu fragmentu rynku związanego z produktami specjalistycznymi i rozwiązaniami kierowanymi w obszary specjalne: przemysłowe, transportowe wojskowe, dla potrzeb rozproszonej infrastruktury pomiarowej i podobnych.

W ofertach dostawców jest coraz więcej produktów wyspecjalizowanych pod kątem pracy w "zielonych" instalacjach, jak złącza, kable, falowniki, elementy pomiarowo-kontrolne i zabezpieczające. Ta specjalizacja pozwala na budowanie instalacji z klocków i osiąganie dobrych parametrów jakościowych, co nie było możliwe, albo przynajmniej łatwe, przy użyciu zwykłych podzespołów ogólnego przeznaczenia.

Podobnie jest w zakresie źródeł energii, bo oferta paneli PV poszerzyła się i na rynku jest też wiele produktów o mniejszych wymiarach i mocy niż te standardowe jednostki o mocy 250 W, z których najczęściej zestawia się duże instalacje. Są też generatory wiatrowe o mocy poniżej kilowata, a nawet specjalizowane ogniwa paliwowe przeznaczone do zastosowań specjalnych (wojsko). Takie rozwiązania pozwalają zapewnić pewne zasilanie tam, gdzie nie ma dostępu do energii elektrycznej. Najbardziej widać je w urządzeniach montowanych przy drogach (znaki, zasilanie kamer monitoringu, lamp ostrzegawczych).

Polityka przeszkadza

Bezsprzecznie największym wrogiem harmonicznego rozwoju rynku energii odnawialnej jest dzisiaj polityka. Opłacalność budowy mikroinstalacji determinuje wsparcie z funduszy rządowych, ceny urzędowe dla energii i stopy procentowe kredytów. Stabilne prawo i dobre regulacje są podstawą do wypracowania długoterminowej decyzji na temat inwestycji, a każda niestabilność, czego przykładem może być projekt ustawy o regulacji lokalizacji farm wiatrowych lub blokowanie przyjmowania wniosków na dofinansowanie, odbija się negatywnie na sprzedaży.

Przegląd ofert krajowych dostawców komponentów do budowy instalacji zasilania energią odnawialną

Świadomość rynku i taryfy

Specjaliści w ankietach zwracali uwagę, że problemem jest także ogólny brak wiedzy fachowej u użytkowników końcowych i nierzadko u firm zajmujących się wykonawstwem. Skutkiem są nieoptymalne instalacje lub wręcz błędne projekty, zamknięcie się na nowe technologie oraz niechęć do edukacji. Skutkiem takich nie najlepszych decyzji są też zbyt wysokie ceny.

Ponieważ instalacje są kosztowne (można szacować, że 3-kilowatowa PV to wydatek 20 tys. zł), biznes potrafią psuć też tanie słabe chińskie produkty i oszczędności za wszelką cenę. Maksymalizacja zysku kosztem jakości instalowanych komponentów i zabezpieczeń jest niestety plagą wielu firm instalacyjnych. Dyktat ceny jest silny, bo nierzadko decyduje o opłacalności.

Na rynku polskim taryfy energetyczne nie sprzyjają rozwiązaniom energooszczędnym. Pochodzą z okresu, gdy do sieci nie dołączano źródeł OZE, a na nowe ustalenia nie ma perspektyw. Nowoczesne układy energoelektroniczne oszczędzają energię, ale przy obciążeniach klienta za tzw. moc bierną traci się sens ekonomiczny stosowania tego typu rozwiązań energooszczędnych. Stąd bierze się też nastawienie na to, aby głównie zużywać energię na własne potrzeby.

Akumulatory w systemach energii odnawialnej

Kolejnym "trudnym" elementem, którzy przydaje się w instalacjach OZE są akumulatory. Ich trudność aplikacyjna polega głównie na dużej cenie za jednostkę mocy oraz na ograniczonej trwałości tych produktów. Niemniej akumulatory w wielu miejscach są potrzebne, gdyż ograniczają oddziaływanie największej wady źródeł OZE, czyli nieprzewidywalności dostępnej mocy.

Do takich aplikacji wykorzystuje się głównie akumulatory bezobsługowe kwasowe, bo wersje litowo-jonowe są dzisiaj sporo droższe. W roli magazynu energii można wykorzystywać też superkondensatory, które mają większą żywotność, próbuje się także rozwiązań takich jak akumulatory przepływowe, ale tutaj problemem są także wysokie koszty spychające takie rozwiązania do specjalistycznych nisz.

W specyficznych warunkach, czego przykładem mogą być instalacje domowe, udaje się też przekierować nadwyżki mocy do celów grzania wody w bojlerach, którą można wykorzystać wieczorem, gdy prądu ze słońca już nie ma. Ale w przypadku ogólnym kłopoty z tanim i skutecznym magazynowaniem nadwyżek energii powodują, że wiele instalacji specjalistycznych musi być dodatkowo rozbudowywanych i mieć strukturę hybrydową łączącą kilka źródeł OZE, po to, aby ciągłość zasilania udało się zapewnić przy małym akumulatorze buforowym.

Zestawienie najważniejszych kryteriów powiązanych z ofertą handlową, które klienci biorą pod uwagę, wybierając produkty i dostawców. Na szczycie wykresu zaskakująco nie ma najniższej ceny, którą przewyższyła wysoka jakość, a odrobinę niżej uplasowały się parametry techniczne instalacji. Wysoko oceniono ponadto rolę kompetencji technicznych dostawców, co wskazuje, że świadomość rynku w omawianej tematyce i wiedza fachowa nie są imponująco duże. Kupujący potrzebują wsparcia technicznego, chętnie przyjmują pomoc związaną z usługami integracji i kompletacji, bo starają się ograniczyć ryzyko złego wyboru. Nie bez znaczenia jest to, że instalacje powstają w ramach projektu, który zakłada całościowe wykonawstwo przez specjalizowaną firmę integratorską.

Praca w instalacji OZE to dla akumulatorów duże wyzwanie, bo duża zmienność energii generowanej przez system fotowoltaiczny przenosi się na skrajnie różne tempo ładowania akumulatorów. Prądy ładowania i rozładowywania mogą chwilowo kilkakrotnie przekraczać wartość pojemności znamionowej, co nie każda jednostka jest w stanie znieść bez wpływu na trwałość.

Z tego względu do instalacji solarnych projektuje się specjalne akumulatory o podwyższonej liczbie cykli ładowania-rozładowywania oraz o wyższych dopuszczalnych wartościach parametrów ładowania. Niektóre z nich mają również możliwość rozładowania głębszego niż w typowych akumulatorach bez wyraźnego skrócenia ich żywotności.

Pojawia się również kwestia ograniczonej żywotności. Akumulatory mają określoną liczbę cykli ładowania, po której ich parametry w znaczący sposób ulegają pogorszeniu, aż do całkowitej utraty zdolności magazynowania energii. W przypadku, gdy cykle rozładowania i ładowania są częste i pełne, na ogół trudno jest osiągnąć okres eksploatacji przekraczający kilka lat dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych.

Falowniki i sterowniki

Ważną częścią prawie każdej instalacji energii odnawialnej jest falownik dostarczający napięcia przemiennego o parametrach zgodnych z siecią energetyczną i/lub konwerter (przekształtnik) zapewniający ładowanie akumulatora buforowego. Z punktu widzenia funkcjonalności i jakości działania instalacji falownik jest elementem kluczowym, stąd na rynku co chwila pojawia się wiele takich produktów. Nie sposób omówić ich wszystkich, ale można zauważyć, że wspólnym trendem jest coraz większa integracja i funkcjonalność tych urządzeń.

Sam przekształtnik energii to już za mało, nawet jeśli będzie to jednostka wysoko sprawna. Technicznie i rynkowo korzystniej jest, gdy instalacja jest obsługiwana za pomocą jednego uniwersalnego urządzenia o dużej funkcjonalności. Falownik jest łączony z ładowarką akumulatora (z sieci i źródła OZE), zabezpieczeniami (styczniki) itp. Całością steruje komputer embedded zapewniający monitoring i zapis parametrów, także z dostępem przez Internet.

Z punktu widzenia użytkownika jest to rozwiązanie "wszystko w jednym" uwalniające od konieczności komponowania instalacji z różnych produktów, które powinno stać się standardem dla mikroinstalacji. W przypadku dużych farm OZE ich infrastruktura techniczna jest bardziej otwarta, różnorodna pod kątem marek i typów wykorzystywanego sprzętu, ale jak już wspomniano, ten sektor jest w zasadzie poza zasięgiem rynku dystrybucji.

Najbardziej perspektywiczne produkty związane z energią odnawialną na najbliższe 3 lata to zdaniem specjalistów panele fotowoltaiczne, akumulatory i falowniki. Te produkty zyskały praktycznie taką samą liczbę wskazań w naszych ankietach. Panele fotowoltaiczne wydają się tutaj naturalną i domyślną pozycją, ale duże znaczenie akumulatorów i falowników wskazuje, że oczekuje się, że w przyszłości instalacje będą miały większą niezależność od sieci energetycznej i bardziej będą przypominały to, o czym mówi się od dawna, a więc o sieciach smart grid. Pojemny akumulator oraz zaawansowany, wysoko sprawny falownik są niezbędnymi komponentami, aby sieć wykorzystująca OZE była "smart".

Komponenty

W oczekiwaniu na pełne otwarcie rynku firmy rozwijają oferty, wprowadzając do nich wiele specjalizowanych komponentów właśnie pod kątem źródeł OZE.

Są to złącza kabel-kabel o dużej odporności na czynniki środowiskowe, przewody, przekaźniki i styczniki umożliwiające przełączanie obwodów stałoprądowych o dużej mocy, zabezpieczenia, takie jak bezpieczniki oraz wyłączniki przepięciowe. W dalszej kolejności są to komponenty sieciowe, elementy systemów pomiarowych (mierniki, układy akwizycji danych, rejestratory) i podobne. Łącznie jest to bardzo szeroki asortyment produktów, w których jest wiele nowości. Bo nawet jeśli w kraju mamy chwilową zadyszkę, to świat w tej dziedzinie pędzi do przodu.

Instalacje energii odnawialnej integrują w sobie wiele urządzeń technicznych, a jeśli skala inwestycji jest duża, jak w farmach, to także zaawansowanych. To dlatego, że duże obiekty są zarządzane i obsługiwane zdalnie za pomocą modułów i układów pomiarowych połączonych w sieć. Konieczne są do tego elementy systemów pomiarowych i urządzenia wykonawcze, urządzenia infrastruktury sieciowej w różnych standardach, konwertery protokołów, kontrolery. Takich urządzeń jest bardzo dużo, a wiele ponadto ma uniwersalny charakter, pasując do wielu aplikacji.