Интеллектуальные приводы как эволюционное развитие мотор-редуктора.

Сироткин В.Л., техничексий директор Студии промышленного дизайна «БИРС», г. Чебоксары

Предисловие. Статья отражает исключительно мнение автора на рынок электроприводов и исполнительных механизмов. Автор соглашается с существованием других мнений на эту тему, а также допускает некоторое упрощение проблем  представленных в нижеприведенном материале.

Прочел статью «Хочу позвонить задвижке» в 5 номере журнала за 2009 год и задумался. Очевидно, что выводы автора  провокационны и опираются большей частью на собственные мысли инженера (анахронизм 1, 2, 4, 5). Однако, некоторые аспекты статьи показались интересными с точки зрения сравнений, аналогий и трендов в части электроприводной и электроисполнительной техники, присутствующей в России.       

Попробую пояснить свою мысль.

1. Приводы как эволюция мотор-редукторов.

Если отойти от  привычных стереотипов (когда мы говорим электропривод или исполнительный механизм, мы подразумеваем для себя некое устройство, выпускаемое тем или иным производителем – собственно так устроен наш мозг – мыслить стандартными категориями), то обнаружится, что устройства которые управляют арматурой, являются комбинацией электродвигателя того или иного типа и редуктора той или иной конструкции. По сути, это мотор-редуктор с измененной посадочной частью и некоторыми блокировками. Если прочесть ГОСТы на мотор-редукторы (ГОСТ Р 50968-96 Общие технические условия), то в этой мысли утверждаешься еще больше. А если взглянуть на конструкции наших старых электроприводов, выпускавшихся и выпускаемых до сих пор заводами Тулаэлектропривод и Ракитянским заводом, то последние сомнения отпадут – перед нами типичный мотор-редуктор. К нему добавили аксессуары (конечные выключатели, моментные выключатели, ручной дублер, указатель выходного вала), изменили выходной вал под шток арматуры и назвали электроприводом. Каких то принципиальных изменений нет.

Доводы в пользу этого:

  • мотор-редуктор является комбинацией асинхронного двигателя и зубчатого редуктора с постоянным передаточным числом (то же относится и к электроприводу);
  • мотор-редуктор может крепиться фланцем со стороны выходного вала (ГОСТ 29067-91), так же как и электропривод;
  • зубчатые передачи, на которых конструируются электроприводы, совпадают с передачами, на которых конструируются и по которым классифицируются мотор-редукторы (ГОСТ 29067-91).
  • электрические режимы работы электроприводов (S2) попадают в диапазон работы мотор-редукторов; продолжительность включения ПВ25% также попадает в диапазон работы мотор-редукторов.
  • максимальные пусковые моменты по сравнению с номинальными не определены ни для мотор-редукторов, ни для электроприводов (для электроприводов ¼ оборотных даже нет собственного ГОСТа) – все отдается на откуп производителям.
  • выбеги выходного вала после отключения питания двигателя не регламентируются.

Какие типы электроприводов очень похожи на слегка модернизированные варианты мотор-редукторов?

Из ¼ оборотных:

  • приводы Belimo и прочие пластиковые приводы из систем вентиляции;
  • приводы ПК;

Из многооборотных:

  • электроприводы РП Ракитянского завода;
  • электроприводы многооборотные типов НМ-НД Тулаэлктропривода.
  • электроприводы ПЭМы от ЗЭиМ

2. Электропривод как таковой.

Чем же отличается привод от модернизированного мотор-редуктора?

Есть несколько коренных отличий, на мой взгляд, принципиально меняющих картину:

  • появляется специализированный электродвигатель с повышенными характеристиками пускового момента и уменьшенной инерцией (в мотор-редукторах в большей части применяются двигатели с «вентиляторной» характеристикой, которая не позволяет выдавать больший по сравнению с рабочим пусковой момент, и большой инерцией);
  • появляется высокая степень защиты внутренних частей привода от воздействий окружающей среды;
  • появляется термическая защита электродвигателей от перегрева;
  • появляется развитая система настроек приводов;
  • появляется большое количество опций по вариантам корпусов; диапазонам температур; электрических схем подключений; применяемых типов микровыключателей;

Кто из производителей попадает в этот ряд?

Из ¼ оборотных:

  • приводы SG от Auma;
  • приводы MOKED от ZPA Pecky;
  • приводы NA от Бирс;

Из многооборотных:

  • приводы SA Auma;
  • приводы MON от ZPA Pecky;
  • приводы Бетро;.

По всем параметрам видно, что эти продукты представляют следующий, более высокий уровень предоставления основной функции – передачи крутящего момента на шток арматуры.

3. Эволюция приводов.

Эволюция приводов, как и любой другой техники, неумолима. Появилось новое поколение интеллектуальных приводов. Привод стал насыщаться средствами диагностики параметров, средствами архивирования. Им стало проще управлять и проще обслуживать. Основные дополнительные возможности, которые при этом появились:

  • автоматическая коррекция фаз;
  • цифровые протоколы передачи данных;
  • архивирование наиболее важных параметров работы;
  • диагностика параметров работы привода;
  • изменяемая скорость приводов – не всегда (стандартные приводы и мотор-редукторы это устройства постоянной скорости);
  • программируемое поведение в аварийных ситуациях – не всегда.

Кто из производителей попадает в этот ряд?

Из ¼ оборотных:

  • приводы SG c Aumatic от Auma;
  • приводы ZPA Pecky с интеллектуальным блоком;
  • приводы NA с E-matic от Бирс;

Из многооборотных:

  • приводы IQ от Rotork
  • приводы SA c Aumatic от Auma
  • приводы  от ZPA Pecky с интеллектуальным блоком;
  • приводы ЭП Тулаэлектропривод;
  • приводы Сибмаша, ТомЗЭЛа, ТЭК;
  • приводы Уфимского завода с интеллектуальным блоком ТомЗЭл;

4. Каким будет следующее поколение приводов?

Электропривод, несомненно, станет еще более интеллектуальным. Есть такая закономерность в системах управления – чем раньше будет отработан обратный сигнал, тем устойчивее будет система в целом. Или перефразируя – сигнал должен быть обработан в месте возникновения для уменьшения скорости реагирования и избегания его потери.

Таким образом, локальные задачи управления будут отрабатываться самим приводом в локальном процессоре по заданным алгоритмам. Данные же о состоянии объекта управления будут передаваться на контроллер верхнего уровня, который будет решать задачи управления группой объектов.

Из-за улучшения скорости передачи данных и устойчивости сетей к помехам, данные о состоянии объектов можно будет передавать в специализированные центры обслуживания (например, сервисменам заводов-производителей приводов), находящиеся на расстоянии многих тысяч километров от места эксплуатации. Они  на основе получаемых данных смогут давать рекомендации по действиям, которые необходимо предпринять в случае возникновения той или иной проблемы.

5. Немного о регулирующих приводах или исполнительных механизмах.

Помимо запорных приводов существует менее многочисленный класс регулирующих приводов (или исполнительных механизмов по классификации ГОСТ Р). Так как требования к исполнительным механизмам по выполняемым функциям гораздо более жестки, то они изначально проектировались в отрыве от мотор-редукторов. В исполнительных механизмах четко регламентированы следующие параметры:

  • нормируемые электрические характеристики работы двигателей;
  • нормируемые частота включения двигателей
  • нормируемые величины выбега выходного вала;
  • нормируемые значения люфта выходного вала;
  • нормируемые значения дифференциального хода электрических выключателей
  • нормируемые значения пускового момента привода.

Именно поэтому исполнительные механизмы, особенно в ¼ оборотном исполнении, оказались гораздо более конкурентоспособны при появлении на рынке импортной арматуры. Однако смена поколений затронула и их.

Изменения, описанные в п.2 , в полной мере относятся и к исполнительным механизмам. Также как и эволюция функций, описанная в п.3 данной статьи и тренды п.4, которые прослеживаются исходя из тенденций развития автоматизации промышленных объектов.

Таким образом, видно, что электрические приводы в процессе жизненного цикла меняются достаточно кардинально и начинают представлять из себя уникальные специализированные устройства, очень сильно отличающиеся от прародителей – мотор-редукторов.

Было бы интересно с точки зрения эволюции электроприводов и получения универсальных индикаторов снять следующие характеристики у разных производителей и сравнить их между собой:

  • сравнение пар характеристик – вес/крутящий момент и цена/вес разных поколений приводов (по теории интеллектуализация приводов делает каждый килограмм современного привода более дорогим) у каждого производителя и сравнение между собой полученных кривых;
  • сравнение цены 1 Нм при смене поколений у каждого производителя и сравнение между собой полученных кривых;

Эпилог. Автор надеется, что его размышления будут небезынтересны другим читателям журнала, подтолкнут его к собственным размышлениям о достоинствах и недостатках представленных на российском рынке приводов и позволят подходить к их выбору с большим знанием и критичностью к рекламным материалам.

Неучебное пособие ненаучного маркетолога

Приятно быть бронзовым. А еще приятнее при этом стоять на постаменте.

Это первая мысль, которая приходит в голову при прочтении статьи уважаемого мною Хохрякова Б.Г. Я думаю, редкий человек отказался бы ездить на совершенстве инженерной мысли – на автомобиле БМВ седьмой серии. Классный автомобиль. Удобный, безопасный, быстрый, красивый и т.д. перечислять можно долго. И с точки зрения конструктора БМВ-7 все остальные модели всех остальных производителей безусловно являются устаревшими и не отвечающими современным требованиям. Остается одно НО!!! Почему-то не все ездят на БМВ-7. Достаточно взглянуть на наши дороги. Вопрос – почему?

И попытка ответить на этот вопрос приводит меня отнюдь не к сравнению абсолютных технических параметров изделий. Ведь ВМВ-7 лучше. Но почему то люди в свое массе ездят совершенно на других автомобилях. Значит дело не в высоких технических параметрах.

Если заглянуть в теорию маркетинга, то любой рынок состоит из множества отдельных потребителей, которые предъявляют к продукту собственные, отличные от другого потребителя требования. В идеале каждому потребителю нужен индивидуальный продукт. Но так как в практике этого достичь невозможно, то производитель вынужден (кто-то осознанно, а кто-то и неосознанно) группировать эти требования. А потребителей, которые предъявляют схожие требования, объединять в группы или сегменты рынка. Таким образом, происходит сегментирование рынка, т.е. деление его на группы потребителей со схожими требованиями к продукту. И то что идеально подходит одной группе потребителей может практически по всем параметрам не подходить к требованиям другой, несмотря на схожесть внешних признаков продукта. Верно ли это предположение? Попробуем проверить. Как писали теоретики политэкономии социализма «Практика – критерий истины».

Сегментирование можно проводить по разному – в зависимости от целей, которые ставит перед собой исследователь. Для наших целей проведем два среза – срез по применению в том или ином технологическом процессе и по принадлежности к ценовому уровню. Сделаем несколько допущений. Допущение 1 – на рынке присутствует бесконечно большое количество приводов и потребитель сегодня выбрал тот привод, который подходит под его требования. Допущение 2 – потребитель выбирает приводы по оптимальному для него показателю цена-функциональность. Допущение 3 – 3-х бальные шкалы (0-слабое требование к критерию, 1 – критерий желателен, 2-необходимый критерий). Применяем критерии по применению – вес, ресурс, наличие большого количества функций. Применяем критерий по принадлежности – нижний ценовой диапазон – 0, средний ценовой диапазон – 1, высокий ценовой диапазон – 2.

По применению в технологическом процессе проведем срез только по верхнему уровню. Так как мы рассматриваем электроприводы для арматуры, а предназначение арматуры – управление потоками различных сред, то для наших целей вполне можем сегментировать все по средам — на арматуру, управляющую воздушной средой, арматуру, управляющую потоком жидкости и арматуру, управляющую потоком физических сред. Рассматриваем российский рынок, как находящийся в зоне нашего непосредственного контакта. Не рассматриваются редкие и уникальные условия применения электроприводов, а также отсечные варианты. Что происходит у нас в части приводов для воздушной арматуры?

  1. Воздух. На холодных воздуховодах практически полное доминирование приводов Belimo (по применению 1, 0, 0, по принадлежности 0) . На усилия большие – обычные приводы с тягой без особых требований (по применению 1, 0, 0, по принадлежности 0) . На горячих воздуховодах – поворотная арматура с любым электроприводом (по применению 1, 1, 1, по принадлежности 1). На сверхгорячих воздуховодах – дросселирующие клапаны с вынесенным электроприводом или сложная и дорогая технологическая арматура с повышенными, в связи с этим, требованиями к электроприводу (по применению 2, 2, 1, по принадлежности 1).
    Газ. Основное требование – наличие взрывозащиты. Достаточно четкое деление на приводы, закупаемые в ОАО «Газпром», с особыми требованиями по надежности, скоростям, режиму работы и ресурсу и прочие приводы для газа, где повышенных требований нет (по применению 1, 1, 1, по принадлежности – 1).
  2. Жидкости – вода. Повышенных требований к приводам в большинстве случаев нет (по применению – 1, 1, 1, по принадлежности – 0).
    Жидкости – нефть и производные. Основное требование – наличие взрывозащиты. В большинстве случаев повышенные требования к приводу (по применению – 1, 2, 1, по принадлежности – 2).
    Жидкость – органические соли, кислоты и основания. Очень мало применяется электроприводов. Там где применяются повышенные требования к приводу (по применению – 1, 2, 1, по принадлежности – 2).
  3. Потоки физических вред. Применение приводов для открытия ворот и ставен, где требования несущественные (по применению – 1, 1, 0, по принадлежности – 1) и применение в качестве приводов шиберов и заслонок (по применению – 1, 0, 0, по принадлежности – 0).

Как видно, существует не очень много подсегментов, где требовались бы самые верхние показатели по применению и по принадлежности. Поэтому потребители и не стали выбирать приводы с более высокими характеристиками. Таким образом, стало немного понятнее, почему не все люди ездят на БМВ-7 модели.

Попробуем теперь посмотреть на проблему выбора приводов потребителем с точки зрения систем управления.

Большинство сегодняшних систем управления выходят корнями из прошлого и принадлежат к централизованным системам управления. Характеризуются дискретно-аналоговым управлением, силовой коммутацией, находящейся в сборках РТЗО и центральным процессором, управляющим несколькими контурами управления. Однако недостатки, присущие данным системам, давно вынудили производителей оборудования КИПиА преобразовывать системы таким образом, чтобы интеллект центрального процессора начал опускаться на более низкие уровни управления, вплоть до полевого уровня оборудования.

Промежуточным состоянием систем управления являются интеллектуальные стойки РТЗО ( Плескач Н.В. «Промышленные АСУ и контроллеры» сентябрь 2007 г. ). В переложении на управление приводами очень характерно предложение Мелихова Н.Н., когда управляющие автоматы (процессоры) стоят в стойке и управляют приводом по цифровому каналу. Силовая коммутация также находится в шкафах управления.

Конечным на сегодняшний день состоянием трансформации систем управления является интеллектуализация полевого уровня, когда процессоры устанавливаются в датчиках, силовых коммутаторах, электрических приводах. С точки зрения эффективности управления сигнал должен обрабатываться в месте его возникновения.

Применительно к дополнительным свойствам, которые несет с собой интеллект, таким как архивация параметров, самодиагностика привода, диагностика арматуры, управление по различным законам движения, различные защиты и возможность работы по различным сетевым протоколам, то они в каждой из существующих систем могут реализовываться в разной степени. Очевидно, что наиболее полно в третьей системе, наименее полно в первой – централизованной.

Таким образом, мы приходим ко второму выводу о том, почему не все люди ездят на ВМВ-7. Потому что выстроенная системная инфраструктура не позволяет воспользоваться теми преимуществами, которые заложил в нее констурктор.

Теперь несколько слов по технической стороне. Хотелось бы восстановить справедливость классическим передачам. Характеристики силовых редукторов варьируются в очень сильных пределах в зависимости от технологии их изготовления и проектирования. Так фирма «Лимиторк» заявляла о достижении их червячным редуктором кпд 0,72. В то же время кпд редуктора на телах качения Бердского электромеханического завода аналогичному редуктору «Сибирского машиностроителя» не достигают указанных цифр. В то же время расчетная величина кпд планетарного силового редуктора на новый многооборотный привод ПЭМ-В ОАО «ЗЭиМ» достигла 0,88. Поэтому классические цифры кпд из справочников по тем или иным редукторам с помощью современных методов проектирования и изготовления становятся существенно выше. При этом очевидно, что по экономике, изготовление всего одной червячной передачи (как в приводе Роторк) существенно дешевле, чем изготовление сложного редуктора на промежуточных телах качения. По предельным скоростям ситуация похожая. Приводы Роторк на червячной передаче могут выдавать скорость в 192 об/мин, что не может сделать привод Сибмаша (Гусар ЭВ 56 об/мин). Вес привода Ротор IQ18 (108 Нм) 27 кг, вес Гусара на 100 Нм – 36 кг.

Если посмотреть на веса других приводов, то ситуация тоже не столь однозначна, как пытается представить автор. К примеру, вес четвертьоборотного привода J3, который появился недавно на российском рынке, на усилие 300 Нм составляет всего 5,2 кг. Он работает на классических цилиндрических зубчатых передачах, имеет нормальный (не уменьшенный как в приводах Belimo) ресурс работы и функции, необходимые для попадания в свой рыночный сегмент.

В то же время, при применении цилиндрических, планетарных редукторов и редукторов на промежуточных телах качения передача перестает иметь эффект самоторможения, т.е. коэффициент самоторможения опускается ниже 0,35, что чревато большим выбегом выходного вала из-за большой инерционности системы. Для приведения в соответствие с параметрами, которым должен отвечать запорно-регулирующий привода придется применять специальные меры – например, вводить в конструкцию тормоз, что опять отражается на экономике привода.

При этом опять встает вопрос целесообразности. Общеизвестно, что 80% рынка приводов это приводы для запорных режимов и лишь 20% приходиться на запорно-регулирующие и регулирующие. Вопрос: к чему в базовой комплектации привода выдерживать все требования и «изыски» необходимые для более сложных и дорогих регулирующих процессов, ведь это начинает существенно удорожать привод! Хотя целевой сегмент покупателей В MW о цене конечно не рассуждает….

Для полноты картины также нужно сравнить выдаваемые характеристики приводов, которые закладываются при проектировании и определяются целевой направленностью привода. Приводы Роторка малоинерционны, с пусковым моментом более чем в 3 раза превышающим номинальный момент, что очень приближенно к время-моментным характеристикам задвижек. Т.е. можно сказать, что Роторк сделал идеальный привод для задвижки. Это хорошо описано фирмой «Элеси» в журнале «itech». Если сравнивать отечественные приводы, в том числе приводы «Сибмаша», то здесь ситуация несколько хуже – кратность пускового момента к номинальному меньше чем у Роторка, инерционность больше. И введение процессора в управление приводом действительно может снизить негативные моменты, возникающие при большой инерционности двигателя при запорном режиме, но никак не смогут помочь при запорно-регулирующем с большим количеством включений.

И последний момент по сопряжению привода к арматуре. Бесспорно, ориентировать присоединительные размеры привода под арматуру отечественного производителя ход в общем то очевидный и даже необходимый. Так же поступили все отечественные производители (особенно в многооборотной арматуре). Но как только мы начинаем говорить об удобстве конечного производителя, то сразу начинаем говорить о стандартах ИСО 5210/5211. Постоянное возрастание импортной арматуры, неразбериха с присоединительными (под привод) размерами у большинства отечественных производителей арматуры с неизбежностью наталкивают на мысль о том, что преобладающим стандартом все таки станет европейский ИСО. И как раз применение такой унификации позволит отказаться от услуг всяких посредников в присоединении арматуры к приводу и от ошибок, которые при этом возникают.

Резюмируя сказанное: Бесспорно перспективные разработки компании «Сибмаш» интересны и иновационны. Они нашли свою нишу на рынке ТПА и своих покупателей и почитателей. Однако утверждать на уровне «учебника» что предложенная конструкция есть истина в последней инстанции и будущее только за ними, крайне преждевременно и с точки зрения маркетолога не очень грамотно. Всё в бизнесе, да и в жизни определяется полезностью и целесообразностью: ну не возят кирпичи на «седанах» — просто исходя из соображений здравого смысла. А потому каждая компания для достижения успеха должна бы определиться со своим местом – положением на рынке в координатах «цена-комплекс потребительских свойств» и целевой группой клиентов для которой этот комплекс свойств был бы наилучшим.. Позиционирование, не просто термин в маркетинге, как многие думают. Это и стратегия бизнеса и его философия.

По существу же статьи – автором проделана огромная работа, как инженером-разработчиком, так и специалистом по маркетингу и, разумеется, она будет интересна и полезна всем участникам рынка ТПА.

С уважением директор БЦ «Приводы и арматура» В.Л. Сироткин.