Pnömatik Aktüatörlü Sistemlerden Servo Sistemlerine Geçiş

Beko Corporate Kıdemli Uzman Bakım Mühendisi Koray Bayazıt, hazırladığı bu makalede yüksek çevrimli ve kritik proseslerde servo sistemlerin sunduğu enerji verimliliği, düşük bakım ihtiyacı ve gelişmiş hareket kontrolünün işletmelere uzun vadede önemli avantajlar sağladığını vurguluyor.

Pnömatik Sistemden Servo Sistemlere Geçişte Karar Kriterleri

Pnömatik aktüatörlerin servo tahrikli sistemlerle değiştirilmesi her durumda gerekli değildir. Doğru dönüşüm kararı, teknik ve ekonomik kriterlerin birlikte değerlendirilmesi ile verilmelidir.

Pnömatik sistemlerin servo tahrikli sistemlerle değiştirilmesi kararını objektif hale getirmek için, mühendislik ve işletme kriterlerine göre ağırlıklı skora dayalı puanlama modeli kullanılabilir. (*Ağırlıklar uygulama veya prosese göre değişebilir.)

Kriter	Ağırlık
Duruş maliyeti	30%
Enerji tüketimi	25%
Hassasiyet ihtiyacı	20%
Bakım sıklığı	10%
Çalışma süresi	10%
Esneklik ihtiyacı	5%
Toplam	100%

Kriter	Skor (1–5)	Ağırlık	Sonuç
Duruş maliyeti	5	0.30	1.5
Enerji tüketimi	4	0.25	1.00
Hassasiyet ihtiyacı	4	0.20	0.80
Bakım sıklığı	4	0.10	0.40
Çalışma süresi	5	0.10	0.50
Esneklik ihtiyacı	3	0.05	0.15
Toplam			4.35

Skor	Yorum
0-2.5	Pnömatik Sistem İçin Uygun
2.5-3.5	Servo Pnömatik Sistem Düşünülebilir
3.5-5.0	Servo Elektrik Dönüşümü Gerekli

Kriter	Standart Pnömatik	Servo Pnömatik	Servo Elektrik
Çalışma Prensibi	Basınçlı hava ile on/off hareket	Oransal valf + sensör +kapalı çevrim kontrol	Motor + sürücü+ encoder
Enerji Verimi	Çok Düşük	Düşük-Orta	Yüksek
Hassasiyet	±1–5 mm	±0.1-0.5 mm arası	±0.01 mm
Tekrarlanabilirlik	Düşük	Orta (Çevresel Şatlara Bağlı)	Çok yüksek
Kontrol kabiliyeti	Aç/Kapa	PID kontrollü	Tam kapalı çevrim
Hız	Yüksek (Ani Hareket)	Yüksek (Kontrol Sınırlı)	Yüksek (Kontrollü)
Dinamik tepki	Hızlı	Hızlı (Sınırlı Kararlılık)	Kontrollü (Daha Stabil)
Esneklik	Yok	Sınırlı	Var
Pozisyon Sayısı	Sınırlı	Sınırlı çoklu	Çoklu
Bakım İhtiyacı	Yüksek (kaçak, valf, Aşınma)	Orta-Yüksek (Valf +kaçak)	Düşük
İlk Yatırım Maliyeti	Düşük	Orta	Yüksek
İşletme Maliyeti	Yüksek	Orta-Yüksek (Uygulamaya Bağlı)	Düşük
Toplam Sahip Olma Maliyeti	Yüksek	Orta (Uygulamaya Bağlı)	Düşük
Gürültü	Yüksek	Yüksek	Düşük
Kaçak Riski	Hava Kaçağı	Hava Kaçağı	Yok
Verim	%10-%30	%20-40	>%80
Uygun uygulamalar	Basit, yüksek hızlı, iki Konumlu(on/off) uygulamalar	Orta Hassasiyet gerektiren sınırlı pozisyon kontrollü uygulamalar	Yüksek hassasiyet, çok noktalı konumlandırma, esnek üretim gerektiren uygulamalar

Tabii ki yukarıdaki karar modelinin dışında istisnai durumlarda bu kararlarda etkili olacaktır. Örneğin, 1 vardiya boyunca tüm bir kompresör sistemini basit, pistonlu, birkaç makine için çalıştırıyorsanız orada servo dönüşümü yapmak kaçınılmaz olacaktır.

SİSTEMLERİN TEMEL YAPISI

Pnömatik aktüatörler, içi boş bir silindir içerisinde bulunan basit bir pistondan oluşur. Pnömatik aktüatörlerin konumu, valflere verilen hava miktarının ayarlanmasıyla kontrol edilir; bu da pistonun silindir içerisinde yay kuvvetine karşı hareket etmesini sağlar. Hava basıncı olmadığında ise yay kuvveti pistonu tekrar başlangıç (home) konumuna geri getirir.

Elektrikli aktüatörler ise bir elektrik motorunun dönme hareketini, bilyalı vida gibi mekanizmalar aracılığıyla doğrusal kuvvete dönüştürür. Motorun aktüatör vidasını döndürmesiyle birlikte, bilyalı vida somunu vida boyunca ileri veya geri hareket eder. Elektrikli aktüatörün konumu ise gerilim ve akımın kontrol edilmesiyle hassas bir şekilde ayarlanır.

Pnömatik sistemler tasarım olarak daha basittir; buna karşılık elektrikli sistemler, bilyalı vida ve elektrik motoru gibi daha karmaşık bileşenler kullanır.

Pnömatik sistemlerin bu basit yapısı genellikle daha kompakt olmalarını sağlar ancak gerekli hava basıncını üretmek ve korumak için gereken tüm ek bileşenler (kompresör, hava hatları, valfler vb.) dikkate alındığında, toplam sistem aslında daha fazla yer kaplayabilir.

Pnömatik sistemler, basit tasarımları sayesinde genellikle daha kolay ve hızlı kurulabilir. Ancak boyutlandırma yapıldıktan sonra, hareket profillerini değiştirmek daha zordur.

Servo sistemler ise başlangıçta boyutlandırma ve daha karmaşık bir programlama süreci gerektirir. Buna karşılık, gerekli tork, hız veya yük ataleti artmadığı sürece, hareket profili sonradan oldukça kolay bir şekilde değiştirilebilir.

Pnömatik aktüatörlerin temel tasarımı genellikle benzerken, servo sistemleri farklı mekanizmalarla çalıştırılabilir. Bunlar arasında bilyalı vida trapez vida, kremayer-pinyon ve kayış-kasnak gibi sistemler bulunur.

Kullanılan bu mekanizma, uygulamanın ihtiyaçlarına göre yük kapasitesi, hız ve hassasiyet gibi nihai performans özelliklerini değiştirerek daha uygun bir çözüm elde edilmesini sağlar.

Geleneksel olarak, pnömatik aktüatörler servo sistemlere kıyasla daha yüksek hızlar ve daha düşük kuvvetler sunar ancak servo tahrikli elektrikli aktüatörlerde vida adımı (pitch/lead) veya pnömatik aktüatörlerde piston sayısı gibi bazı faktörler bu karşılaştırmayı etkileyebilir.

Pnömatik bir aktüatörde kuvvet, piston alanı (kuvvet faktörü) ile silindir içindeki hava basıncının çarpılmasıyla hesaplanır. Servo tahrikli elektrikli aktüatörde ise doğrusal kuvvet, motorun ürettiği torktan dönüştürülerek elde edilir.

Basınçlı hava ile çalışıldığında sabit bir hız veya kuvveti korumak zordur buna karşılık, gerilim ve akım daha kolay kontrol edilebildiği için servo tahrikli elektrikli aktüatörler kuvvet ve hızı çok daha iyi şekilde sabit tutabilir. Ayrıca elektrikli aktüatörlerde kullanılan bilyalı vida veya kremayer-pinyon mekanizmaları, bir tür dişli oranı gibi davranarak hızdan ödün verip kuvvetin artırılmasına imkân sağlar.

Servo tahrikli elektrikli aktüatörler için birçok farklı seçenek bulunduğundan, karşılaştırma yaparken eşdeğer sistemleri karşılaştırmaya dikkat edilmelidir. Örneğin sadece vida adımının değiştirilmesi bile, aşağıdaki tabloda görüldüğü gibi nihai performans değerlerini önemli ölçüde değiştirebilir.

BAKIM VE KAÇAKLAR

Tüm pnömatik sistemler veya altyapılarda hava kaçakları meydana gelebilir ve bu kaçaklar, pnömatik sistemlerin düşük verimliliğinin en büyük nedenlerinden biridir. Kaçakları tespit etmek ve gidermek zor olabilir. Büyük kaçaklar daha kolay fark edilip düzeltilirken, küçük kaçakların tespiti oldukça zordur.

Aslında çok sayıda küçük ve fark edilmemiş kaçakların birikmesi, üretim yapan şirketlerde elektrik faturalarını ciddi şekilde artırabilir. ABD Enerji Bakanlığı (DOE) verilerine göre, üretim için oluşturulan basınçlı havanın yaklaşık %30’u kaçaklar nedeniyle kaybolmaktadır.

Buna ek olarak, verimli bir kompresörün ömrü boyunca toplam maliyetinin yaklaşık %74’ü elektrik tüketiminden kaynaklanır.

Pnömatik sistemler, hava kaçaklarını önlemek için sıkı rod ve sızdırmazlık elemanlarına büyük ölçüde bağımlıdır ve ileri–geri hareketini binlerce hatta milyonlarca kez tekrarladıkça, sızdırmazlık elemanlarının aşınması ve kaçaklar kaçınılmaz hale gelir. Bu durum pnömatik sistemin performansını düşürür ve maliyetleri artırır.

Kaçaklar arttıkça:

• Verimlilik düşer
• Üretilen kuvvet azalır
• Hız ve tepki süresi kötüleşir

Tüm bu faktörler, yüksek kalite ve yüksek hacimli üretim için gerekli olan proses tutarlılığını olumsuz etkiler.

Ayrıca sızdırmazlık elemanlarının ne zaman arızalanacağını veya performansı ne zaman etkileyeceğini öngörmek neredeyse imkansızdır. Ancak bir servo tahrikli elektrik aktüatörlü sistemlerde sıkıntı yaratabilecek en büyük şey olan rulmanın ömrü L10 hesaplama yöntemi ile hesaplanabilir. Aşağıda örnek bir L10 rulman ömrü hesaplama örneğini görebilirsiniz.

Kat Ettiği Mesafe: L10s = πDL10

Bu sebeple genelde bakım ekipleri stabil çalışma elde etmek için pnömatik sistemleri önleyici bakım kapsamında düzenli olarak değiştirme veya onarma yoluna gider.

Bu da zaman, iş gücü, bakım planlama ve yönetim maliyetleri gibi maliyetler doğurur. Tüm bu giderler, ekipmanın ömrü boyunca toplam sahip olma maliyetine (TCO) dahil edilmelidir

Belirli ve sabit bir kuvvet gerektiren bir işlem düşünelim. Keçeler aşındıkça ve hava basıncı değiştikçe pnömatik silindirin ürettiği kuvvet de değişir ve sürekli kontrol edilmesi gerekir.

Servolar ise performansını sabit tutar ve hatta kuvveti anında üretebildiği için pnömatik sisteme göre daha üstün performans gösterebilir. Pnömatik silindir ise istenen kuvvete ulaşmak için önce basıncın oluşmasını beklemek zorundadır.

Titreşim de önemli bir performans problemidir. Pnömatik silindirler genellikle “bang-bang” yani iki uç nokta arasında çalışan sistemlerdir. Her ne kadar sarsıntıyı azaltmak için yastıklama (cushion) veya yaylar kullanılsa da çoğu durumda hareket kontrolü servolara göre daha zayıftır.

Pnömatik sistemler mekanik yapıya şok ve titreşim iletebilir ve bu da yanlış ölçüm, parça hatalı yerleştirme gibi problemlere yol açabilir.

Servolar ise konum, hız, ivme/yavaşlama, kuvvet üzerinde tam kontrol sağlar ve sistemde istenmeyen titreşimleri minimize eder. Aşağıdaki hareket profili bir servo sistemin neler yapabileceğini göstermektedir.

Yukarıdaki grafikte görülen net hareket profilini pnömatik sistemlerde tekrarlamak zor olacaktır.

Yüksek hacimli üretimde, bu iyileştirmelerin mali karşılığı hesaplandığında, elektrikli sistemlerin sağladığı avantaj çok daha net görülebilir.

Ürün değişimi ve çoklu kurulum gerektiren uygulamalar, çoğu zaman servolara geçişten önemli ölçüde fayda sağlar.

VERİMLİLİK & TCO

Servo sistemlerin performans açısından üstün olduğu ve daha yüksek bir ilk maliyete sahip olduğu doğru olmakla birlikte, bu kısımda esas olarak bir servo çözümünün, cihaz veya makinenin kullanım ömrü boyunca pnömatik silindirlere kıyasla neden daha ekonomik bir seçenek olabileceğini incelemektedir.

Verimlilik, elektrik maliyetleri, hava kaçakları, bakım, ürün kalitesi, model değişim süreleri ve çevrim süreleri gibi faktörler; bir sistemin toplam “sahip olma maliyetini” belirleyen diğer unsurlarla birlikte ele alınacaktır.

Toplam sahip olma maliyeti (TCO) = ilk satın alma maliyeti + hizmet süresi (yıl) ×
(yıllık yenileme maliyetleri + yıllık bakım maliyetleri + yıllık elektrik maliyetleri + yıllık hurda/ıskarta maliyeti + model değişim süresi ve çevrim süresi nedeniyle yıllık üretim kaybı).

Pnömatik sistemlerde yaklaşık %20-%30 seviyelerinde enerji verimliliği elde edilirken, elektrikli sistemlerde bu oran ortalama %80’dir.

Doğrusal hareket gerektiren çoğu uygulamada, elektrikli ve pnömatik sistemler arasındaki verimlilik farkları, cihazın kullanım ömrü boyunca elektrik maliyetlerinde önemli farklılıklara yol açabilir.

Pnömatik sistemlerde verimlilik; hava kalitesi, conta kalitesi ve aşınma, sistem altyapısındaki kaçaklar ve çeşitli diğer faktörlere bağlı olarak %10 ile %30 arasında değişebilir. Tüm bu faktörler sürekli izleme ve bakım gerektirir; aksi halde sistem verimliliği düşer. Buna karşılık, servo sistemlerin verimliliği zamanla önemli ölçüde değişmez.

Aşağıdaki 25 mm, 80mm ve 125 mm çaplı pnömatik silindirlerin servo sistemlerle tek eksen üzerinde yaptıkları hareketler üzerindeki uygulama karşılaştırmalarını inceleyelim: Pnömatik sistem verimliliği en yüksek olabilecek değer olan %30 kabul edilmiştir. Servo sistem verimliliği ise %79 alınmıştır.

Uygulama 1:
25 mm çap eşdeğeri silindir, 5,5 bar basınçta.
Kuvvet	0,33 kN
Hız	0,3 m/sn
Çıkış Gücü	0,1 kW

Uygulama 2:
80 mm çap eşdeğeri silindir, 5,5 bar basınçta
Kuvvet	2,5 kN
Hız	0,2 m/sn
Çıkış Gücü	0,5 kW

Uygulama 3
125 mm çap eşdeğeri silindir, 5.5 bar basınçta
Kuvvet:	7 KN
Hız	0,15 m/sn
Çıkış Gücü	1,0 kW

Elektrik tüketen her cihazda olduğu gibi, cihazın kaç kez çalıştığı veya çevrim yaptığı, tükettiği elektrik miktarıyla doğrudan ilişkilidir. Bu nedenle çalışma oranı (duty cycle) (çalışma süresi ÷ (çalışma süresi + bekleme süresi)) pnömatik silindir veya servo için elektrik maliyetinin hesaplanmasında büyük bir rol oynar.

Aşağıdaki tablo, bu üç pnömatik uygulama için %50 ve %80 duty cycle değerlerini karşılaştırmaktadır:

0,1 kW’lık bir uygulamada, elektrikli servoların yıllık işletme maliyetleri, pnömatik sistemlere kıyasla yaklaşık:

· %50 duty cycle’da 91 $

· %80 duty cycle’da 145 $ daha düşüktür

1 kW’lık bir uygulamada, bu fark daha da artar:

· %50 duty cycle’da yaklaşık 906 $

· %80 duty cycle’da yaklaşık 1449 $ avantaj sağlar

Günümüzde bu tür uygulamalar için daha düşük maliyetli hareket kontrol çözümlerinin (aktüatörler, motorlar, sürücüler) yaygınlaşmasıyla birlikte, toplam sahip olma maliyeti (TCO) açısından denge giderek servo sistemler lehine kaymaktadır.

0.1 kW Uygulama
Sistem	%50 Çalışma Zamanı	%80 Çalışma Zamanı
Pnömatik	146 $	233.6 $
Elektrik	55.4 $	88.7 $

0.5 kW Uygulama
Sistem	%50 Çalışma Zamanı	%80 Çalışma Zamanı
Pnömatik	730 $	1168 $
Elektrik	277 $	443.5 $

1 kW Uygulama
Sistem	%50 Çalışma Zamanı	%80 Çalışma Zamanı
Pnömatik	1460 $	2336 $
Elektrik	554 $	887 $

Üretim tesislerinde verimliliğin artırılması açısından, bu tablo şunu açıkça göstermektedir.

Tesislerde yüksek çalışma oranına sahip, özellikle kritik proseslerde ve hassasiyet beklenen yerlerde çalışan standart pnömatik sistemlerin belirlenmesi ve servo seçiminde sadece ilk yatırım maliyetine bakma alışkanlığının bırakılması ve uzun vadeli işletme maliyetinin de göz önünde bulundurulması gerekmektedir.