Układy serwonapędowe umożliwiają wykonywanie dynamicznych ruchów, precyzyjne pozycjonowanie elementów oraz kontrolę prędkości i kąta obrotu. Dodatkowo charakteryzują się zdolnością do pracy z dużymi momentami, w tym przy niskich prędkościach obrotowych. Stąd też zakres ich zastosowań w różnego rodzaju maszynach jest bardzo rozległy. Zanim przejdziemy dalej, warto również zaznaczyć, że termin "układy serwonapędowe" odnosi się do systemów sterowania ruchem oraz ich składników, które obejmują sterowniki ruchu, serwowzmacniacze (często zintegrowane), serwosilniki (specjalistyczne silniki prądu przemiennego z wbudowanymi przetwornikami pozycji), serwoprzekładnie, a także wszelkie dodatkowe elementy, łącznie z oprogramowaniem.
Pięć trendów branżowych
Zacznijmy nietypowo, bowiem od omówienia trenów. Serwonapędy stanowią dziś kluczowe elementy wielu nowoczesnych maszyn oraz systemów i o ich postrzeganie zapytaliśmy przedstawicieli rodzimej branży przemysłowej. Poniżej synteza najczęstszych odpowiedzi wraz z cytatami respondentów.
1. Ogólny trend wzrostowy i rosnąca popularność
Wiele odpowiedzi potwierdzało stopniowy, ciągły wzrost popularności serwonapędów. Widoczne jest to zarówno w perspektywie kosztowej, gdzie relatywnie niższe niż jeszcze kilka lat temu ceny przyczyniają się do coraz powszechniejszego zastosowania tych urządzeń, jak też poprzez wzrost zapotrzebowania na precyzyjne, elastyczne systemy napędowe do maszyn. "Popularność serwonapędów cały czas rośnie. Wielokrotnie ich cena jest na tyle niska, że opłaca się zastosować serwonapęd w miejsce standardowego falownika. Dzięki zastosowaniu serwonapędów zyskujemy precyzyjną kontrolę np. nad prędkością lub momentem, co znacznie podnosi elastyczność i funkcjonalność budowanego rozwiązania".
2. Przyrost liczby prostszych zastosowań
Rynek serwonapędów przechodzi przez fazę dynamicznego rozwoju, w której serwonapędy zaczynają w niektórych aplikacjach wypierać przemienniki częstotliwości AC. Ciekawym aspektem jest tu zauważalny wzrost ich zastosowań nawet w niewielkich urządzeniach i maszynach. "Aktualnie serwonapędy są coraz bardziej popularne i znajdują zastosowanie nawet w prostych maszynach. Polski rynek jest mocno rozwinięty pod względem wykorzystania serwonapędów i sterowników Motion. Serwonapędy wypierają falowniki z niektórych aplikacji. Trend ten będzie narastał w najbliższym czasie. Spodziewamy się znacznego przyrostu prostych aplikacji na serwonapędach".
3. Wielotorowy rozwój technologiczny
Odpowiedzi dostawców odnoszące się do trendów technologicznych wskazują m.in. takie ważkie aspekty jak: rosnąca integracja serwonapędów, rozwój możliwości w zakresie komunikacyjnym oraz miniaturyzacja urządzeń. Respondenci zwracali również uwagę na wzrost możliwości programowania, a także zwiększoną dostępność serwonapędów, szczególnie dla małych mocy. "Następuje gwałtowny rozwój serwonapędów, a one stają się z całą pewnością dostępniejsze nie tylko pod względem cenowym, ale również ich programowanie jest coraz bardziej przystępne dla zwykłego śmiertelnika".
4. Serwo zamiast tradycyjnych przemienników częstotliwości
Respondenci zwracali uwagę na "rywalizację" pomiędzy serwonapędami a tradycyjnymi przemiennikami częstotliwości AC. Wprawdzie obydwa typy urządzeń są w systemach automatyki i napędowych często wykorzystywane wspólnie, jednak ogólne dążenie do zwiększania precyzji oraz kontroli ruchów maszyn sprawia, że właśnie serwonapędy coraz częściej trafiają do miejsc i aplikacji zarezerwowanych dotychczas dla przemienników. "Obydwa typy napędów mają swoje miejsce na rynku, w zależności od wymagań dotyczących precyzji i dynamiki ruchu. Można jednak powiedzieć, że serwonapędy są dzisiaj równie popularne, co przemienniki częstotliwości kilka lat temu".
5. Koszty jako czynnik ograniczający tempo rozwoju
Pomimo rosnącej popularności serwonapędów, część respondentów przyznała, że koszty zakupu są nadal istotnym czynnikiem ograniczającym ich powszechne użycie. Systemy serwo są ciągle droższe w porównaniu do przemienników częstotliwości, a wybór technologii jest, zdaniem niektórych, ciągle silnie zależny od zastosowania. "Serwonapędom jeszcze trochę brakuje do osiągnięcia popularności przemienników częstotliwości. Wykorzystuje się je raczej w zaawansowanych maszynach, podczas gdy przemienniki AC mają bardziej uniwersalne zastosowania. Jednak z roku na rok zauważamy większe zapotrzebowanie u naszych klientów na dynamiczny i precyzyjny ruch, jaki zapewniają serwonapędy".
Zastosowania serwonapędów
Kluczowymi odbiorcami serwonapędów i serwosilników są przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją maszyn oraz urządzeń – wynika z danych pozyskanych podczas najnowszego badania rynku (rys. 1). Kolejnymi istotnymi grupami odbiorców są: klienci końcowi (zakłady produkcyjne), integratorzy systemów oraz dystrybutorzy. Obserwowana sytuacja jest zgodna z wcześniejszymi raportami, choć oczywiście występują pomiędzy nimi różnice procentowe. W przypadku tegorocznej statystyki taką jest przede wszystkim wzrost istotności grupy "producenci maszyn".
Jeżeli chodzi o aplikacje serwonapędów, to najczęściej są one związane z różnorodnymi maszynami, w szczególności wykonującymi dynamiczne, współzależne ruchy. Zdaniem ankietowanych są to przede wszystkim: synchronizacja osi (zdecydowana część głosów), pozycjonowanie oraz krzywka elektroniczna. Do tego dochodzi cięcie w locie (synchronizacja pracy elementu odcinającego z napędem odpowiedzialnym za liniowy przesuw materiału) oraz aplikacje w robotach i manipulatorach, a także pozostałe zastosowania w maszynach CNC (rys. 2).
Ogólna statystyka dotycząca najczęstszych zastosowań serwonapędów (rys. 3) obejmuje przede wszystkim maszyny wieloosiowe, czyli takie, gdzie istnieje potrzeba synchronizacji prędkości i pracy wielu elementów. Do tego zasadniczo zaliczyć można również roboty przemysłowe. Serwonapędy znajdują jednocześnie coraz szersze zastosowanie w różnych systemach automatyki (w liniach technologicznych), a także w prostszych, mniej złożonych maszynach, o czym wspomniano w poprzednim rozdziale.
Sytuacja na rynku
Sektor związany z dystrybucją urządzeń serwonapędowych rozwija się dynamicznie, zaś koniunktura na nim panująca postrzegana jest pozytywnie. Na początku 2024 roku ponad 90% respondentów oceniło ją jako dobrą lub bardzo dobrą, co potwierdza korzystne warunki rynkowe (rys. 4). Pomimo zmniejszenia odsetka odpowiedzi "bardzo dobra" w stosunku do poprzednich badań, rynek serwonapędów w Polsce niewątpliwie utrzymuje się na długoterminowej ścieżce wzrostowej.
Krajowa branża serwonapędów, serwosilników i pokrewnych produktów jest szacowana wartościowo w przedziale od około 50 do 400 mln zł rocznie. Średnia wartości podawanych przez respondentów kształtuje się na poziomie około 160 mln zł, co wskazuje na wzrost w porównaniu z dotychczas publikowanymi wynikami. Dwa lata temu podawaliśmy tu uśrednienia wynoszące 110‒125 mln zł, cztery lata temu było to 100 mln, sześć lat – około 80‒90 mln zł. Dodajmy, że obecnie najważniejszymi odbiorcami serwonapędów są głównie branże: spożywcza (i opakowaniowa), maszynowa (w tym m.in. CNC), drzewna, następnie FMCG, motoryzacyjna. Statystykę z tym związaną zaprezentowano jako chmurę na rysunku 5.
Dostawcy serwonapędów
Omawiane produkty umożliwiają osiąganie wyższych marż w porównaniu do tradycyjnych przemienników częstotliwości o niskiej mocy. W tym samym czasie branża zajmująca się ich produkcją i dystrybucją jest oceniana jako rynek wysoce konkurencyjny. Blisko 2/3 ankietowanych było zdania, że konkurencja jest tu silna (rys. 6). Wprawdzie to mniej niż w badaniu sprzed dwóch lat (wtedy było to aż 78%), ale i tak sporo. Jednocześnie, podobnie jak wcześniej, nikt nie wybrał odpowiedzi "niewielka".
W analizowanym sektorze działa wiele podmiotów rynkowych. Są tu obecne przedstawicielstwa producentów zagranicznych, dystrybutorzy oraz firmy integratorskie. W tabelach raportowych nie znalazły się natomiast hurtownie elektrotechniczne. Dokonując segmentacji rynku, można wyróżnić dwie główne grupy dostawców – producentów zachodnioeuropejskich oraz dalekowschodnich (szczególnie japońskich). W przypadku tej pierwszej najpopularniejszym u nas producentem jest Siemens (rys. 7). Ankietowani wymieniali tutaj również marki takie jak Beckhoff Automation, Bosch Rexroth, Lenze, SEW-Eurodrive i Schneider Electric. Z kolei najpopularniejszymi producentami japońskimi są Mitsubishi Electric, Omron Electronics, Panasonic, Yaskawa oraz Delta Electronics (ostatnia z firm jest przedsiębiorstwem tajwańskim). Firmy z Kraju Kwitnącej Wiśni mają długie tradycje w produkcji systemów automatyki i mechatronicznych, szczególnie do zastosowań precyzyjnych. Ważnym dostawcą spoza wymienionych obszarów jest Allen-Bradley, czyli de facto Rockwell Automation. Dodajmy, że prezentowane zestawienie jest zbliżone do tych publikowanych w dotychczasowych raportach.
Należy zauważyć że, podobnie jak specjalistyczny charakter samych serwonapędów, również ich dystrybucja wymaga specjalizacji po stronie dostawców. Firmy oferujące układy serwo muszą nie tylko zapewniać doradztwo i oferować kompatybilność (możliwość współpracy urządzeń w ramach różnych systemów), ale często też pogłębione wsparcie techniczne, w tym usługi projektowe. Jest to również cecha odróżniająca analizowany rynek od branży tradycyjnych przemienników częstotliwości, które są dosyć standardowymi i dobrze znanymi produktami w środowisku automatyków oraz innych projektantów.
Jakich urządzeń szukają polscy odbiorcy?
Chcąc odpowiedzieć na postawione pytanie, opracowaliśmy kilka rozbudowanych pytań ankietowych. Pierwsza z uzyskanych statystyk dotyczy najważniejszych cech serwonapędów i obejmuje oceny dotyczące parametrów, kosztów, istotności marki oraz innych potencjalnie ważnych aspektów (rys. 8). Podobnie jak w poprzednich raportach rynkowych, tak też tym razem kluczowym czynnikiem okazał się koszt zakupu. Drugie na liście są interfejsy komunikacyjne, kolejne to m.in.: parametry techniczne i możliwości kompletacji systemu (dostępność komponentów od jednego dostawcy). Zestawienie zaprezentowane na rysunku 8 jest zasadniczo podobne do tych dawniej publikowanych, zaś zmiany procentowe są niewielkie.
Druga ze statystyk dotyczy najważniejszych trendów technologicznych. Dostawców zapytaliśmy o nowości na rynku, cechy wyróżniające ich produkty oraz o to, co ich zdaniem jest najważniejsze dla odbiorców. Informacje przedstawione na rysunku 9 pozwalają ocenić rozkład tych ocen w badanej grupie. Widać, że najbardziej pożądane są: funkcje bezpieczeństwa oraz komunikacyjne, możliwość pracy z różnymi silnikami (kompatybilność), a także funkcje sterowania (zaawansowane algorytmy). Cechy takie jak kompaktowość, łatwa parametryzacja znalazły się na kolejnych miejscach zestawienia.
Finalnie trzecie pytanie i trzecia statystyka, które dotyczą popularności interfejsów komunikacyjnych stosowanych w serwonapędach (rys. 10). W pierwszej piątce znalazły się: EtherCAT, Profinet, EtherNET/IP, następnie CANopen oraz interfejsy szeregowe. Pierwszeństwo EtherCAT, wspieranego m.in. przez firmy Beckhoff i Omron Electronics, utrzymuje się od lat, co czyni go liderem zestawienia. Dodatkowo, analizując omawianą statystykę, można zauważyć, że wiele wymienionych standardów komunikacyjnych związanych jest z konkretnymi firmami lub organizacjami je promującymi. W efekcie wybór producenta urządzeń napędowych niejednokrotnie determinuje rodzaj sieci komunikacyjnej w systemie. To z kolei prowadzi do dużej liczby różnych standardów, zwłaszcza w układach bazujących na Ethernecie przemysłowym. Warto także zaznaczyć, że komunikacja analogowa (impulsowe sterowanie układami serwo) stosowana jest coraz rzadziej i ustępuje miejsca standardom cyfrowym.
Wybrane trendy technologiczne
Na zakończenie kilka dodatkowych spostrzeżeń dotyczących trendów technologicznych i nowości w omawianym obszarze. Ostatnie lata przyniosły tu kolejne innowacje, choć co do zasady są one w dużej części kontynuacją wcześniejszego rozwoju tej tematyki.
Pierwszym wyróżniającym się trendem jest integracja funkcji bezpieczeństwa w urządzeniach serwonapędowych. Obejmuje to możliwości monitorowania prędkości, bezpiecznego zatrzymania i inne dotyczące zintegrowanego bezpieczeństwa. Do przesyłania informacji związanych z bezpieczeństwem coraz częściej wykorzystywane są również różnorodne sieci i protokoły cyfrowe – np. Safety over EtherCAT.
Drugim istotnym obszarem jest rozwój komunikacji pozwalającej na efektywną kontrolę ruchu w złożonych systemach automatyki. Obejmuje to przede wszystkim wykorzystanie różnorodnych sieci Ethernetu przemysłowego (w szczególności czasu rzeczywistego), które umożliwiają szybką i wysoce niezawodną transmisję danych. Z kolei innowacyjne rozwiązania łączeniowe pozwalają na użycie jednego połączenia kablowego do przesyłania energii (zasilania), sygnałów sterujących oraz zwrotnych z serwosilników.
Współczesne serwonapędy charakteryzują się możliwością wykorzystywania czujników wirtualnych, które zapewniają monitorowanie pracy układów. Ponadto popularyzują się technologie energooszczędne, które obejmują inteligentne algorytmy zarządzania energią. Rozszerzane są również funkcje predykcyjne pozwalające na efektywniejszą diagnozę i planowanie serwisów. To z kolei przyczynia się do całościowego zwiększania niezawodności systemów serwonapędowych.
Trendy rynkowe obejmują ponadto zwiększanie możliwości w zakresie integracji, ułatwiając łączenie różnych komponentów w ramach złożonych systemów. Nowe generacje napędów charakteryzują się rosnącą dynamiką pracy, ułatwieniami w zakresie tworzenia układów wieloosiowych oraz zaawansowanymi funkcjami. Takie są przykładowo "inteligentne" algorytmy autotuningu czy kompensacji drgań.
Respondenci wskazywali również na integrację serwonapędów ze sterownikami oraz dostarczanie przez firmy kompleksowych systemów mechatronicznych. Taka integracja ułatwia tworzenie rozwiązań serwo, co przekłada się na redukcję nakładów na prace inżynierskie. Finalnie warto zwrócić uwagę na rozwój i użycie algorytmów sztucznej inteligencji, które dodatkowo podnoszą funkcjonalność systemów oraz intuicyjność ich tworzenia i obsługi.
Zbigniew Piątek
Źródłem wszystkich danych przedstawionych w tabelach oraz na wykresach są wyniki uzyskane w badaniu ankietowym przeprowadzonym wśród firm działających w polskich branżach związanych z produkcją i dystrybucją serwosilników i serwonapędów.