อนาคตของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม

โซลูชันพลังงานที่มีประสิทธิภาพและกะทัดรัดกำลังจะเปลี่ยนหุ่นยนต์ในงานอุตสาหกรรม

โลกของการผลิตกำลังเปลี่ยนแปลงไปโดยได้รับแรงหนุนจากโครงการ Industry 4.0 ในบรรดาโซลูชันต่าง ๆ ก็มุ่งเน้นไปทางการเชื่อมต่อกันอย่างทั่วถึง ซึ่งการเชื่อมต่อกันอย่างทั่วถึงในที่นี้ไม่ได้หมายถึงการเชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ตหรือ Internet-of-Things (IoT) เพียงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงระบบเครือข่ายที่มีใช้ในกระบวนการผลิตมาก่อนอย่าง AGVs (Autonomously Guided Vehicles) และระบบหุ่นยนต์ที่ทำงานร่วมกับมนุษย์ด้วย สิ่งเหล่านี้กำลังจะเป็นส่วนสำคัญในการเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมที่จะเกิดขึ้นในเวลาอันใกล้นี้

นอกจากความต้องการทำให้การผลิตมีความคล่องตัวมากขึ้นแล้ว บริษัทอุตสาหกรรมต่างก็มุ่งมั่นที่จะเพิ่มปริมาณผลิตภัณฑ์ที่ผลิตได้ให้มากขึ้น ภายใต้เงื่อนไขเวลาเท่าเดิมที่โรงงานมี แต่ก็แลกมาด้วยต้นทุนไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นและการสร้างคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้นด้วย อย่างไรก็ตามระบบอัตโนมัติเป็นทางเลือกที่น่าสนใจสำหรับงานในระบบอุตสาหกรรม โดยระบบอัตโนมัติที่ใช้กันจะรวมทั้งหมดของระบบตั้งแต่ตัวหุ่นยนต์ ชุดขับเคลื่อน ระบบชาร์จพลังงาน และระบบควบคุม ทั้งนี้ การบริหารพลังงานให้กับระบบอัตโนมัติควรมีการจัดการอย่างเหมาะสม ซึ่ง Industry 4.0 ไม่ได้ปรับปรุงประสิทธิภาพด้านพลังงานเพียงอย่างเดียว แต่ยังคงพัฒนาประสิทธิภาพชุดขับเคลื่อนด้วย แม้ว่าเดิมทีเทคโนโลยีเหล่านี้จะอยู่บนเทคโนโลยีซิลิคอนที่การลดความร้อนและการลดขนาดของบรรจุภัณฑ์เป็นเรื่องท้าทายนักออกแบบระบบหุ่นยนต์ในปัจจุบัน

ระบบควบคุมของหุ่นยนต์ในอุตสาหกรรมทั่วไปจะมีสายไฟสำหรับจ่ายพลังงานและสายสัญญาณควบคุมที่อยู่ภายในหรือภายนอกแขนกลหุ่นยนต์ ซึ่งมอเตอร์แบบ Actuators ในแขนกลหุ่นยนต์จะมาพร้อมกับสายไฟหลายเฟสที่แยกกันอยู่ ส่วน Effector โดยปกติจะต้องใช้เป็นชุดสายเคเบิลเสริม ซึ่งเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟและระบบควบคุมแยกต่างหากจากภายนอกไปยังแขนหุ่นยนต์ อย่างไรก็ตามสายไฟและสายสัญญาณของหุ่นยนต์นั้นนับเป็นส่วนประกอบของระบบหุ่นยนต์ที่มีโอกาสเกิดเหตุขัดข้องได้สูงสุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสายสัญญาณจากภายนอกรูปที่ 1 ด้วยตัวไดรฟ์อิเล็กทรอนิกส์ที่รวมกับ Actuators ช่วยให้ใช้งานได้ง่ายขึ้นและลดความผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นได้

ปัจจุบันเซมิคอนดักเตอร์กำลังยุคใหม่เสนอทางเลือกให้กับระบบสายเคเบิลแบบเดิมและไดรฟ์ที่ขณะนี้ขับ Actuators ได้โดยตรง ด้วยวิธีนี้ทำให้สามารถใช้ชุดสายเคเบิลชุดเดียวสำหรับการกระจายพลังงานได้ ถ้าผสานรวมเทคโนโลยีขั้นสูงขึ้นไปอีก แหล่งจ่ายไฟจะสามารถใช้สื่อสารด้วยเทคโนโลยี Power Line Communication ด้วย วิธีนี้จะช่วยลดสายไฟเพิ่มเติม รวมถึงข้อผิดพลาดที่เกิดจากสายไฟด้วย

ในกรณีที่ใช้สายไฟในการจ่ายพลังงานและควบคุม Effector จะถูกติดตั้งไปกับแขนหุ่นยนต์ วิธีนี้จะทำให้มีความยืดหยุ่นในกรณีที่มีการเปลี่ยนการใช้งานในภายหลัง ซึ่งโครงสร้างพื้นฐานที่ปรับแต่งได้จะช่วยรองรับการขยายในอนาคต ด้วย MOSFET และ IGBT ที่มีขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสูง จะช่วยลดปัญหาที่เกิดขึ้นได้ ตัวอย่างเช่น ผลิตภัณฑ์กลุ่ม PROFET, OptiMOS, CoolMOS และ CoolSiC (ที่คล้ายกับ IGTT Trenchstop จาก Infineon) ครอบคลุมแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ <12 V ถึง 1200 V และกำลังไฟตั้งแต่ <400 W ถึง 20 kW ตามลำดับ ส่วนประกอบทั้งหมดมีลักษณะเฉพาะที่มีความต้านทานน้อยมาก เหมาะกับการออกแบบที่กะทัดรัดและประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงรูปที่ 2 บล็อกไดอะแกรมอย่างง่ายของไอซีไดรฟ์ตระกูล 2EDL

Integrated Gate Drivers ทำให้การออกแบบวงจรง่ายขึ้น
โปรแกรมอินเวอร์เตอร์เกตควบคุมมอเตอร์ที่มีขนาดกะทัดรัด แต่คงไว้ซึ่งราคาอุปกรณ์ต่ำ ซึ่งอุปกรณ์ตระกูล 2EDL จะมีคุณลักษณะคล้ายกับทั้ง MOSFETs และ IGBTs ด้วยเทคโนโลยีการใช้ซิลิคอนเป็นฉนวน (SOI) อุปกรณ์เหล่านี้มีความต้านทานประจำตัวต่อแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ เนื่องจากไม่มีโครงสร้างแบบไทริสเตอร์ปนในตัวอุปกรณ์จึงได้รับการป้องกันจากอุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าที่ขึ้นอยู่กับสลัก

นอกจากนี้ยังมีการสร้างสรรค์ที่อาจต้องใช้สารกึ่งตัวนำแบบไม่ต่อเนื่องอีกหลายอย่าง เช่น เซนเซอร์, ออปแอมป์, ตัวแปลงสัญญาณอะนาลอกเป็นดิจิทัล ร่วมกับอัลกอริทึมจากโปรแกรมของไมโครคอนโทรลเลอร์ ฟิลเตอร์จะทำหน้าที่กรองสัญญาณที่ไม่พึงประสงค์อย่างสนามแม่เหล็ก (EMI) ที่เกิดเป็นพัลส์สั้น ๆ ที่สัญญาณอินพุต ในขณะที่ฟิลเตอร์ในวงจรจ่ายไฟจะควบคุมแรงดันสไปค์ทั้งจากด้านไฟสูงและไฟต่ำ เมื่อใช้ร่วมกับ IGBTs จะมีการใช้งานการลดแรงดันไฟฟ้าแบบไม่สมดุล (Asymmetric Undervoltage Lockout) Deadtime จะถูกจัดการโดยอัตโนมัติ การประสานกันของฟังก์ชันช่วยป้องกันการเปิดใช้งานเอาต์พุต 2 ชุดพร้อมกันหรือตรวจจับการลัดวงจรที่อาจเกิดขึ้นก่อนที่อุปกรณ์กำลังไฟหรือวงจรไดรฟ์จะได้รับความเสียหาย
รูปที่ 3 กราฟเปรียบเทียบอุปกรณ์ซิลิคอนแบบเดิมกับชอตต์กีไดโอดแบบ SiC

ลงทุนด้านโครงสร้างพื้นฐานอย่างไรให้ได้ประโยชน์จาก Industry 4.0
ในอดีตระบบสายพานลำเลียงได้นำข้อดีอย่างมากมาใช้ในการผลิตในภาคอุตสาหกรรม สินค้าจำนวนมากสามารถผลิตได้อย่างรวดเร็วและคุ้มค่า อย่างไรก็ตามวันนี้ผู้ผลิตมีความต้องการเพิ่มขึ้นในการปรับตัวและสร้างความแตกต่างของผลิตภัณฑ์เนื่องจากสถานการณ์การแข่งขันที่รุนแรง ระบบสายพานจึงไม่สามารถรับประกันความสำเร็จได้อีกต่อไป ด้วยกระบวนการผลิตในปัจจุบันที่มีความต้องการความยืดหยุ่นมากขึ้น

โซลูชันหนึ่งสำหรับกระบวนการผลิตแบบยืดหยุ่นคือยานพาหนะที่ไม่มีคนขับหรือหุ่นยนต์ที่เคลื่อนอัตโนมัติ (AGV) ใช้ในการขนส่งผลิตภัณฑ์ในระหว่างการผลิตไปยังสถานีหุ่นยนต์ที่รออยู่ขั้นตอนการผลิตแต่ละขั้น ทั้งนี้ AGV จำเป็นต้องใช้แหล่งพลังงานของตัวเองมากขึ้นเพื่อประสิทธิภาพในการเคลื่อนที่ ในโหมดที่มีการใช้งานน้อยหรือเหลือแบตเตอรี่น้อย หุ่นยนต์จะกลับไปเชื่อมต่อกับสถานีชาร์จโดยอัตโนมัติจนกว่าพลังงานจะเพียงพอจนสามารถดำเนินการต่อได้

ในโรงงานขนาดใหญ่เครื่องสำรองไฟ (UPS) มีความจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการรับมือกับความต้องการพลังงานที่สูง เมื่อเริ่มต้นสายการผลิตหรือสำหรับสภาวะการผลิตที่สำคัญซึ่งต้องเกิดแรงดันไฟฟ้าไม่เสถียร จึงเหมาะสมที่จะใช้พลังงานที่เก็บไว้ในแบตเตอรี่ของ AGVs ทั้งนี้ ในอนาคตโรงงานอาจต้องคำนึงถึงการเพิ่มระบบ UPS อย่างน้อยก็ควรสำรองไว้บ้าง แม้จะไม่ได้ใช้ UPS ที่ราคาแพงมากนัก เพราะไม่ใช่เครื่องมือที่ไม่ค่อยใช้งานในสถานการณ์ปกติ อย่างไรก็ดีIndustry 4.0 และระบบอินเทอร์เน็ตเป็นกุญแจสำคัญในการลดการลงทุนในโครงสร้างพื้นฐาน เนื่องจากโครงสร้างพื้นฐานสำหรับการชาร์จแบบอัจฉริยะสำหรับ AGV สามารถนำไปสู่ระบบ UPS ที่มีขนาดเล็กลงได้

ชอตต์กีไดโอด (Schottky Diode) ที่ใช้ SiC ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ ทำให้ AGVs ไม่เพียงแต่สามารถชาร์จไฟจากแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับเท่านั้น แต่ยังสามารถผลิตไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อจ่ายไฟฟ้ากลับได้ดังรูปที่ 3 เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ซิลิคอนทั่วไป ชอตต์กีไดโอดแบบ SiC ให้ผลลัพธ์ที่ดีขึ้นอย่างมาก ในการปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ PFC ในเครือข่ายไฟฟ้าสามารถทำได้โดยการใช้ตัวแปลงสัญญาณแบบเปลี่ยนทิศทางแบบสองทิศทางแบบ Zero-voltage Switching (ZVS) แบบ Full-bridge (PSFB) แบบ DC-DC ควบคู่ไปกับโซลูชันการแก้ไขค่าสัมประสิทธิ์การจ่ายพลังงาน (PFC) ซึ่งซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นโอกาสในการประหยัดค่าใช้จ่ายเหล่านี้เมื่อเทียบกับโซลูชันซิลิกอนแบบดั้งเดิม ซึ่ง SiC เหมาะอย่างยิ่งกับการใช้งานด้านแรงดันสูง พลังงานสูง และอุณหภูมิสูงเนื่องจากคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่โดดเด่น

อุปกรณ์ดังกล่าวมีเวลาในการเปิดเครื่องที่รวดเร็วมากทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานสวิตช์ในวงจร PFC ในทางกลับกันการสูญเสียแบบไดนามิกลดลงอย่างมากในโครงสร้างทั่วไป ตระกูล CoolSiCTM ของชอตต์กีไดโอดเป็นตัวอย่างหนึ่ง เมื่อรวมกับสวิตช์ MOSFET หรือ IGBT ที่จะช่วยให้ลดการสูญเสียการเปิดเครื่อง อีกทั้งประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นยังส่งผลให้การสูญเสียจากความร้อนลดลงด้วย เป็นผลให้นักออกแบบสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของการใช้พลังงานได้ นำไปสู่โซลูชันที่ใช้พลังงานขนาดเล็กลงและลดความต้องการในการระบายความร้อน

ตอนนี้ Industry 4.0 เริ่มมีความเป็นรูปธรรมมากขึ้นในโลกของการผลิต เครือข่ายหุ่นยนต์ได้รับการสนับสนุนจากเซนเซอร์และข้อมูลจากสถานีผลิต ช่วยให้สามารถตรวจสอบและประสานงานจากระบบส่วนกลางได้ เครือข่ายดังกล่าวอนุญาตให้แต่ละองค์ประกอบของระบบสามารถสื่อสารกันเพื่อตัดสินใจได้ด้วยตัวเอง อย่างไรก็ตามการเพิ่มประสิทธิภาพในการจัดส่งและจำหน่ายพลังงานไฟฟ้า รวมถึงการประหยัดพลังงานจะไม่เกิดจากการเชื่อมต่อที่ดีขึ้นเพียงอย่างเดียว

สถาปัตยกรรมใหม่สำหรับหุ่นยนต์ใช้โซลูชันซิลิคอนขนาดกะทัดรัดจะช่วยประหยัดพลังงานพร้อมกับช่วยลดความซับซ้อนและน้ำหนักได้ นอกจากนี้ยังสามารถเพิ่มขนาดกำลังไฟสำรองในระบบไฟฟ้าได้อีกด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง AGV ยังสามารถทำงานได้นานขึ้นและลดเวลาการชาร์จไฟด้วยโซลูชันซิลิคอนและซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วย

สำหรับผู้ที่สนใจผลิตภัณฑ์และโซลูชันจาก Infineon ดูข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่ www.infineon.com

Leave a Comment