הגדרת פתרונות תאורת LED עבור סביבות תעשייתיות

תאורה היא אלמנט קריטי בתכנון סביבות תעשייתיות בטוחות, יעילות ומשתלמות לרוחב פעילויות שונות, כולל לוגיסטיקה, הפעלת מכונה, ארונות בקרה, עמדות עבודה וקווי ייצור. במקרים הולכים וגדלים, נורות LED‏ יכולות לספק פתרונות תאורה מעולות. בהשוואה לפלואורסנט, הליד מתכת, סודיום בלחץ-גבוה וטכנולוגיות תאורה מסורתיות אחרות, גופי תאורה LED‏ הם יעילים יותר אנרגטית, בכך מקטינים עלויות הפעלה, ובעלי אורך חיים ארוך יותר, בכך מקטינים עלויות תחזוקה. מנורות תעשייתיות משמשות לעיתים קרובות בסביבות מאתגרות ויכולות להידרש לכלול הגנת חדירות ורמות מוגדרות של איכות אספקת-כוח, בנוסף לתמיכה בבטיחות וסניטציה בעבודה. איזון דרישות מגוונות אלו מסבך את תהליך בחירת המנורה.

מאמר זה סוקר מדדי ביצוע, כולל לומן, הספק, נצילות אורית, לוקס‏, הפצת לומן אזורית, טמפרטורת צבע מתואמת (Correlated Color Temperature - ‏CCT), אינדקס הצגת צבעים (CRI), אורך חיים נקוב ועלויות קשורות למנורות תעשייתיות, עם מיקוד‏ מיוחד בנורות LED‏. אחר כך הוא מפרט שיקולים סביבתיים, כולל דרישות הגנת חדירות, עיוות הרמוני כולל, דרישות איכות אספקת-כוח ותאורה בסביבות מסוכנות. לבסוף, המאמר מסתיים בהצגת פתרונות ספציפיים מבית Banner Engineering עבור תאורה במערכות Pick-to-Light, הנחיית מלגזה והארה כללית בעמדות עבודה, הארת מכונה וארונות בקרה (איור 1‏).

איור 1: מנורות LED זמינות במגוון פורמטים ממוטבים עבור מגוון רחב של יישומים. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

מדדי ביצוע:

הגדרת רמת ההארה היא הבסיס עבור בחירת המנורה האופטימלית עבור יישום נתון. ישנם מספר מדדים להביא בחשבון, החל מנצילות העבודה של המנורה ועד כמה היא מדמה היטב אור לבן סטנדרטי. זה מתחיל עם נר יחיד או קנדלה (Cd). ה-Cd היא יחידת SI בסיסית המודדת את עוצמת ההארה של אור נראה הנפלט על ידי מקור ספציפי (נר סטנדרטי) בכוון ספציפי. אם בונים על העיקרון של Cd, מדדים חשובים להשוואת מנורות כוללים:

• לומן (Lumen) ‏(lm‏) – שטף אור השווה לאור הנפלט ביחידת זווית מוגדרת‏ על ידי מקור נקודה אחיד של Cd אחד, בהתחשב ביציאת אור בכל הכיוונים.
• ואט (Watt)‏ (W) – צריכת הספק חשמלי: עבור מעגלי DC, אמפר ‏W = V_DC x; עבור מעגלי AC, אמפר W = V_RMS x.
• נצילות אורית (Efficacy) ‏(lm/W‏) – באיזו יעילות מקור אור מיצר אור נראה.
• לוקס (Lux)‏ (lm/m²) – עוצמת אור המכה במשטח כפי ‏שנתפסת על ידי עין האדם.
• הפצת לומן אזורית (Zonal Lumen Distribution) – הפצה של לומן נפלט ממנורה באזורים במישורים אנכיים נבדלים. משמשת לקבוע דרישות ריווח של מנורה.
• טמפרטורת צבע מתואמת (Correlated Color Temperature) ‏(CCT) - טמפרטורה, במעלות קלווין (K‏) של מקרן גוף שחור עם צבעוניות (Chromaticity) שווה למקור האור. ה-CCT של אור לבן נע מ-2700K עד 6500K.
• אינדקס הצגת צבעים (CRI) (Color Rendering Index) – יכולת של‏ מקור אור לחשוף בנאמנות את הצבעים של אובייקטים שונים בהשוואה עם מקור אור אידיאלי או‏ טבעי. אינדקס CRI נע מ-0 עד 100. נורות להט הן בעלות CRI של 100, נורות LED‏ הן בעלות אינדקס CRI הנע מ-80 עד +‏90‏.

עם התפתחות טכנולוגיות התאורה, התהליך של הגדרת הפתרון האופטימלי הפך למסובך יותר. לדוגמה, הנצילות האורית (efficacy) של נורות LED‏ היא גבוהה יותר משמעותית מהנצילויות האוריות של נורות פלואורסנט ומנורות פריקה עוצמה-גבוהה (HID). בעוד נורות פלואורסנט ו-HID פולטות אור בכל הכיוונים, נורות LED הן כיווניות. השורה התחתונה היא שהמדדים שימושיים ביותר עבור השוואת נורות LED לנורות LED, נורות פלואורסנט לנורות פלואורסנט, וכך הלה. כדי להשוות טכנולוגיות תאורה שונות, לעיתים קרובות משתמשים חייבים להעריך דוגמאות זו לצד זו כדי לקבוע איזו היא הטובה ביותר.

בנוסף לאיכות האור המיוצר, משתמשים חייבים להיות מודעים לעיוותים ההרמוניים הכוללים (THD) וגורם ההספק (PF) של המשנק (Ballast) הדוחף המזין את המנורה. THD הוא מידת העיוות‏ של הזרם החשמלי המגיע אל ממיר אספקת-כוח אלקטרוני. THD נמוך יותר משמעותו זרמי שיא נמוכים יותר ונצילויות גבוהות יותר ברשת הפצת החשמל בבנין ודרישה פחותה מתשתית רשת החשמל. ‏IEEE 519-2014 היא ייחוס מועיל להבנת הרמוניות וליישום מגבלות הרמוניה במערכות אספקת-כוח. בדרך כלל הדרישה היא לעיוותי THD של פחות מ-%‏20‏. מידה חשובה באותה המידה היא PF. עומס (משנק או דוחף) עם PF‏ נמוך מושך יותר זרם מעומס עם PF גבוה עבור הספק יציאה שווה. PF הוא מספר חסר-יחידות בין 0 ל-1. משנקים ודוחפים חייבים להיות בעלי PF של לפחות 0.9.

שיקולי אורך חיים ועלות

אורכי החיים של נורות LED‏ הם בדרך כלל יותר מ-25,000 שעות, אך הנצילות האורית והבהירות שלהן יורדות עם הגיל. אורך החיים של מנורות LED‏ מבוסס על מספר השעות שלוקח להן לרדת ל-70% מיציאת האור התחלתית ונקרא פרמטר L70. טכנולוגיות תאורה שאינן מבוססות LED סובלות מתקלות קטסטרופליות בנקודות זמן מסוימות; אורכי החיים שלהן מוגדרים כמספר שעות העבודה שלאחריהן מצופה מ-50% מהיחידות לצאת מכלל שימוש. טכנולוגיות שאינן מבוססות LED גם סובלות מירידות בערכי לומן עם הגיל. אפקט זה הנקרא ירידת ערך לומן נורה (LLD), שונה בטכנולוגיות תאורה שונות (טבלה 1‏).

טבלה 1‏: השוואת ירידת ערך לומן נורה ואורכי חיים נקובים. (מקור טבלה: Banner Engineering‏)

כדי להשוות את עלויות טכנולוגיות התאורה, משתמשים חייבים לשקול את העלויות ההתחלתיות של עבודה וציוד ועוד האנרגיה, עבודת התחזוקה ועלויות ציוד לאורך חיי המנורה (איור 2‏). ניתן להתגבר על העלויות ההתחלתיות של עבודה וציוד על ידי יעילות אנרגטית מוגדלת וצרכי תחזוקה קטנים יותר, ונורות LED יעילות יותר ובעלות אורך חיים ארוך יותר יכולות להביא לחיסכון משמעותי במשך חייהן.

איור 2: השוואת עלויות תאורה מבוססת על מחזור-חיים של 15 שנים (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

דרישות סביבתיות

מנורות המשמשות במתקנים תעשייתיים חייבות להיות מתוכננות לעמוד בתנאים מסוכנים. ה-National Electrical Code מגדיר שלושה סוגים של מיקומים מסוכנים:

• Class I – גזים או אדים דליקים
• Class II‏ – אבק דליק
• Class III – סיבים או חומרים מעופפים נדלקים בקלות

תקנות פדרליות של ארה"ב דורשות: “יש לסמן ציוד כך שיראה את ה-class, הקבוצה וטמפרטורת העבודה או תחום הטמפרטורות, בהתבסס על עבודה בטמפרטורת סביבה של ‎40°C, עבורה הוא מאושר.”

דרגות הגנת חדירות (IP) הן חשובות ומצוינות על ידי שתי ספרות. הראשונה מתארת את חסינות הציוד מפני חפצים זרים מוצקים, כגון אבק, השנייה מתארת את דרגת ההגנה מפני מים. מנורות המדורגות IP67‏ הן חסינות אבק ומים, דבר העושה אותן מתאימות לסביבות תעשייתיות רבות, והן יכולות לעמוד בהטבלה במים לזמן-קצר. מנורות מדורגות IP68g מספקות הגנה נוספת והן חסינות יותר לחדירת שמן ומים.

בסביבות תעשייתיות, לעתים קרובות קיימות רעידות וטמפרטורות קיצוניות. חוטי הלהט הדקים, הרכיבים העדינים ומעטפת הזכוכית המשמשים בטכנולוגיות תאורה מסוימות יכולים להיות רגישים במיוחד לנזקי רעידות. לנורות LED‏ אין רכיבים עדינים והן הרבה יותר חסינות לרעידות ומכות. בעוד הן חסונות מכנית, טמפרטורות סביבה גבוהות נוטות להקטין את הנצילות האורית ואת אורך החיים של נורות LED. מצד שני, בהשוואה לטכנולוגיות תאורה אחרות, נורות LED מתאימות יותר למחסנים מקוררים ומתקנים נוספים בהם קיימות טמפרטורות נמוכות עד כדי C‏°‏40‏-.

מנורות עבור Pick-to-Light‏

מערכות Pick-to-Light‏ יכולות להקטין את העלויות של אופרציות איסוף במחסנים באמצעות יעילות מוגדלת, פרודוקטיביות ודיוק. עבור התקנות Pick-to-Light‏, ‏Banner מציעה את סדרות ה-EZ-LIGHT® K50L, כולל את ה-K50LGRASXPQ (איור 3‏). מנורות K50L מוצעות עם נורת LED‏ אחת (ירוקה), שתי נורות LED‏ (ירוקה ואדומה) או שלוש נורות LED‏ (ירוקה, אדומה וצהובה), תלוי בדגם, והן חסינות לרעידות. ה-K50LGRASXPQ מציעה תאורת LED ירוקה ואדומה ועוד ‏אזעקה נשמעת מרובת צלילים. המאפיינים של סדרת ה-K50L כוללים:

• קלות התקנה עם מחווני LED בהירים ואזעקה נשמעת
• חסונה ואטומה כולה. מדורגת IP67‏ או IP69K לפי DIN 40050-9, תלוי בדגם
• אין צורך בבקר חיצוני עבור מנורות עצמאיות אלו
• חסינות להפרעות תדר רדיו (RFI‏) והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI‏)
• האזעקה הנשמעת בדגמי IP67‏ ניתנת לכוונון עוצמה ויכולה להיות רציפה או סטקטו
• התקנה גמישה עם כניסות מ-‎12 V_DC עד ‎30 V_DC והגנה מפני קוטביות הפוכה

איור 3‏: מנורות pick-to-light מסדרת Banner Engineering K50 מופעלות על ידי DC‏ עם חיווי צליל רציף או סטקטו ומבחר של מחווני LED צבע אחד, שני צבעים או שלושה צבעים, תלוי בדגם.‏ (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

מנורות וחיישנים להכוונת מלגזה

לנהגי מלגזה יכולה להיות ראות חסומה, שתדרוש מהם לרדת מהמלגזה פעמים רבות כשממקמים מטענים מסובכים. ניתן להגדיל את יעילות פעולות הטיפול בסחורה על ידי השימוש במנורות וחיישנים להכוונת מלגזה. לדוגמה, מנורה דגם WLS27PXRGBW285DSQ מבית Banner היא חלק מסדרת WLS27 Pro והיא באורך 285 מ"מ, בעלת דרוג סביבתי IP66,‏ IP67‏ ו-IP69K, וכוללת נורות LED בצבעים אדום, ירוק, כחול ולבן‏ (איור 4‏).

איור 4‏: מנורה זו באורך 285 מ"מ כוללת נורות LED בצבעים אדום, ירוק, כחול ולבן, וניתנת לשימוש עבור הכוונת מלגזה. היא בעלת דרוג סביבתי IP66, ‏IP67 ו-IP69K (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

כל המנורות בסדרת WLS27 Pro יכולות להציג אנימציות מרובות-צבעים במהירויות ותבניות משתנות וניתנות לחלוקה, תכונות ההופכות אותן למתאימות היטב עבור מערכות הכוונת מלגזה. עם בתי copolyester בלתי שבירים במסגרות אלומיניום, יחידות WLS27 Pro הן חסינות לשבירה ולפגיעה. דרוג ה-IP69K שלהן מאפשר להן לעבוד בזמן שטיפות חזקות ובסביבות חוץ. פונקציות קוצב-זמן ומונה משולבות מאפשרות להן להציג מידע של זמן וכמות, כולל מרחק ומיקום, תוך שימוש באיתות דפקים.

מנורות WLS27 Pro יכולות להיות משולבות עם חיישן הלייזר מרובה-הפונקציות Q5X כדי ליישם מערכות הכוונת מלגזה (איור 5‏). ל-Q5X יש טווח מ-50 מ"מ עד ‏5‏ מ'. מאפיינים אחרים כוללים:

• גילוי אמין של אובייקטים שקופים ומחזירי אור, מטרות מרובות צבעים, מטרות שחורות על רקע מתכתי נוצץ, מטרות שחורות על רקע שחור ואובייקטים כהים (מטרות שחורות מחזירות אור < %‏0.1‏)
• מצב לימוד כפול מודד עוצמת אור כמו גם מרחק
• ניתנים לסיבוב ב-270-מעלות כדי לעמוד במגוון אילוצי הרכבה
• ניתנים-לתכנות באמצעות IO-Link‏, לימוד מרחוק, ממשק משתמש מובנה או תצוגת חיישן מרוחקת אופציונלית

איור 5: חיישני לייזר מרובי-פונקציות כמו ה-Q5X מבית Banner Engineering יכולים לשמש ליישום מערכות הכוונת מלגזה. (תמונה: Banner Engineering)

אפשרויות תאורה כללית

ה-WLB32ZC285PBQMB של Banner הוא גוף תאורה LED אולטרה-בהיר באורך של 285 מ"מ המתאפיין ביציאת אור אחיד של 750‎ lm‏ עם 'זוהר' לא בוהק (איור 6‏). הוא חלק ממשפחת ה-WLB32, שכוללת גופי תאורה באורכים מ-285 עד 1130 מ"מ עם דרוגי הארה מ-750 עד 3000‎ lm‏. מנורות אלו מתוכננות עבור תחנות עבודה, הארת מכונות, ארונות בקרה וקווי ייצור.

איור 6‏: דגם WLB32ZC285PBQMB של Banner הוא פס LED אור אולטרה-בהיר ‏באורך 285 מ"מ עבור צרכי הארה כללית. (תמונה: Banner Engineering)

פסי אור WLB32 זמינים אם האפשרות ליצור אורך רציף של תאורה על ידי שרשור (Daisy Chaining) עם מינימום חיווט, תוך שמירה על עבודה עצמאית של כל פס אור. מאפיינים אחרים כוללים:

• מתג גבוה/נמוך/כבוי
• בית ממתכת עם חלון בלתי שביר
• התקנה גמישה עם תושבות מגנטיות או זוויתיות או מהדקי snap
• בדגמים מסוימים, מגן עיניים חוסם בוהק צד
• בדגמים מסוימים, גילוי תנועה

סיכום

כשמגדירים פתרונות תאורה תעשייתית יש לשקול‏ מגוון רחב של ביצועים, עלויות וגורמים סביבתיים. במספר גדול של מקרים, מנורות LED הן אפשרות אטרקטיבית. בהשוואה לטכנולוגיות תאורה מסורתיות, גופי תאורה LED‏ מציעים גמישות ואמינות תאורה גבוהות יותר ונורות LED‏ מספקות יעילות-אנרגטית גבוהה יותר, חיי מוצר ארוכים יותר וצרכי תחזוקה נמוכים יותר. כתוצאה מכך, בעוד עלויות ההתקנה ההתחלתיות של נורות LED יכולות להיות גבוהות משל טכנולוגיות אחרות, נורות LED מציעות עלויות לכל משך החיים נמוכות יותר, בנוסף לפתרונות תאורה מעולות.