Dietro il robot: rilevamento, sicurezza e controllo nell'Impresa 4.0

I moderni sistemi di robotica industriale si affidano a un'infrastruttura sempre più sofisticata per supportare l'evoluzione dell'intelligenza artificiale (IA) e delle capacità di apprendimento automatico (ML), l'interconnessione continua e l'implementazione scalabile negli stabilimenti. Questi sistemi richiedono sensori, hardware di sicurezza, protezione dei circuiti e componenti di controllo che soddisfino i requisiti di elevata larghezza di banda, reattività in tempo reale e rigorosi standard di sicurezza funzionale.

Questo articolo esamina le tecnologie fondamentali alla base della robotica per l'Impresa 4.0, concentrandosi su come le soluzioni di rilevamento e sicurezza di SICK e i componenti di controllo industriale di Eaton contribuiscono al controllo sicuro del movimento, al comportamento adattivo del sistema e al processo decisionale deterministico. I temi affrontati comprendono fattori chiave per l'automazione intelligente e resiliente, come le architetture di rilevamento, la conformità alla sicurezza delle macchine, le strategie di controllo con tolleranza ai guasti e l'integrazione di reti di automazione distribuite sull'edge.

Sistemi di rilevamento avanzati per ambienti di fabbrica dinamici

Come illustrato nella Figura 1, i robot per l'Impresa 4.0 sfruttano sensori avanzati per operare in modo sicuro ed efficiente negli stabilimenti. Nonostante le condizioni difficili, come l'illuminazione variabile, le particelle aviotrasportate e le vibrazioni meccaniche, questi sensori devono elaborare rapidamente i dati in tempo reale per tracciare con precisione il personale umano, i robot mobili e le linee di assemblaggio in rapido movimento.

Figura 1: I bracci robotici multiasse per l'Impresa 4.0 utilizzano sensori integrati e retroazione in tempo reale per operare con precisione e rapidità. (Immagine per gentile concessione di Igus)

Le piattaforme robotiche integrano più modalità sensoriali per supportare la consapevolezza spaziale e la reattività entro pochi millisecondi. Gli algoritmi di fusione sensoriale combinano questi input per generare un modello coerente e in tempo reale dell'ambiente operativo del robot. I sistemi di visione gestiscono il rilevamento e la localizzazione degli oggetti, mentre gli scanner laser di sicurezza controllano le zone riservate per verificare le violazioni di prossimità. I sensori ToF (tempo di volo) a bassa latenza acquisiscono dati spaziali tridimensionali per regolazioni reattive del percorso e un comportamento consono al contesto.

I robot si affidano anche a sensori interni e di contatto per perfezionare il controllo del movimento e l'interazione. I sensori tattili, compresi i sensori di forza/coppia e gli interruttori di finecorsa, forniscono una retroazione per le attività di presa, assemblaggio e conformità. I sensori di prossimità induttivi, capacitivi e a ultrasuoni rilevano gli oggetti vicini senza contatto, in genere a distanze inferiori rispetto ai sistemi ToF. Encoder e potenziometri tracciano la posizione e la velocità delle articolazioni per una precisa pianificazione del movimento, mentre le unità di misurazione inerziale (IMU) misurano l'accelerazione e la velocità angolare per mantenere l'orientamento e l'equilibrio. Infine, i sensori elettrici monitorano la corrente e la tensione per valutare il carico del motore e rilevare i guasti.

Sicurezza basata su standard per la robotica industriale

I robot per l'Impresa 4.0 devono essere conformi a rigorosi standard di sicurezza internazionali per proteggere il personale e le apparecchiature. Tre standard chiave - ISO 13849, IEC 62061 e ISO 10218 - definiscono i requisiti di sicurezza dei sistemi funzionali e di controllo che regolano i sistemi robotici negli stabilimenti.

La norma ISO 13849 definisce i criteri di progettazione e convalida dei componenti di controllo legati alla sicurezza. Segue una metodologia basata sul rischio e utilizza i livelli di prestazione (PL) per classificare l'integrità del sistema in base alla gravità del pericolo, alla frequenza dell'esposizione e alla possibilità di evitarlo. La norma IEC 62061 tratta la sicurezza funzionale dei sistemi di controllo elettrici, elettronici e programmabili, applicando i livelli di integrità della sicurezza (SIL) per quantificare la riduzione del rischio richiesta. Insieme, questi standard definiscono come devono essere progettate, implementate e verificate le funzioni di rilevamento e controllo nelle applicazioni critiche per la sicurezza.

La norma ISO 10218 applica questi principi specificamente ai robot industriali. Riguarda i requisiti di sicurezza per la progettazione dei robot, la disposizione delle celle di lavoro, l'integrazione del sistema e il funzionamento. Ciò include l'uso dei sensori di sicurezza per gli arresti di emergenza, la protezione e il monitoraggio del movimento. Questi componenti devono soddisfare soglie definite di prestazioni e affidabilità, tipicamente dimostrate attraverso test e convalide strutturate.

Le norme ISO 13849, IEC 62061 e ISO 10218 costituiscono il nucleo degli standard di sicurezza robotica. Ulteriori norme, tra cui IEC 60204-1 per la sicurezza elettrica e ISO/TS 15066 per la collaborazione uomo-robot, ampliano il quadro di base per un'implementazione e un'integrazione sicure.

Sistemi di sicurezza integrati per la collaborazione uomo-robot

Gli operatori di fabbrica utilizzano soluzioni di sicurezza di fornitori come SICK ed Eaton per soddisfare gli standard di sicurezza funzionale e delle macchine. Ad esempio, il sistema Safe EFI-Pro di SICK supporta il controllo in tempo reale delle funzioni di sicurezza dei robot fissi e mobili utilizzando sensori, controller e attuatori integrati. Come illustra la Figura 2, lo scanner laser di sicurezza microScan, un componente chiave del sistema, consente di rilevare il movimento in modo adattivo e in funzione della situazione in ambienti dinamici.

Figura 2: Lo scanner laser di sicurezza microScan3 di SICK monitora i campi protettivi e rileva dinamicamente il movimento per supportare la protezione adattiva in ambienti industriali. (Immagine per gentile concessione di SICK)

Gli operatori implementano anche il sistema EOAS (End-of-Arm Safeguard) di SICK per mantenere un campo protettivo dinamico intorno alle teste degli utensili robotici. EOAS sfrutta la tecnologia del tempo di volo per una collaborazione uomo-robot sicura e senza contatto con tempi di risposta inferiori a 110 millisecondi.

A complemento di questi sistemi automatizzati, SICK fornisce componenti di sicurezza manuali e perimetrali. L'interruttore di emergenza ES21 consente agli operatori di arrestare rapidamente i macchinari in caso di emergenza, mentre l'interruttore di sicurezza senza contatto STR1 utilizza la tecnologia RFID per il monitoraggio delle protezioni anti-manomissione, supportando elevati livelli di codifica e la conformità alla norma EN ISO 14119.

Strategie di protezione per il controllo della tensione e dei picchi transitori

Una strategia di sicurezza robotica coordinata richiede sia protezioni a livello di movimento che un controllo affidabile dell'alimentazione. I soppressori di tensioni transitorie di Eaton limitano le sovratensioni transitorie e i picchi di tensione per proteggere i componenti sensibili. Come illustrato nella Figura 3, gli interruttori automatici miniaturizzati FAZ-NA, come il modello FAZ-C10/2-NA, proteggono il cablaggio di controllo e i componenti ausiliari da eventi di sovracorrente.

Figura 3: L'interruttore automatico miniaturizzato FAZ-C10/2-NA di Eaton protegge il cablaggio di controllo e i componenti ausiliari da eventi di sovracorrente nei sistemi di automazione industriale. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

Per supportare la sicurezza elettrica e l'integrità del sistema, Eaton offre anche un'ampia gamma di dispositivi di protezione dei circuiti e di interruttori manuali, come il bilanciere BP-SRR, il selettore M22S-WKV-K11 e l'interruttore a levetta BP-STE, che controllano le funzioni e le modalità operative delle apparecchiature.

I limitatori di corrente di inserzione Power-NTC (ICL) e i fusibili PTC ripristinabili di Eaton aiutano a salvaguardare i circuiti da elevate correnti di inserzione durante l'accensione e le condizioni di guasto. I dispositivi di protezione termica, come il fusibile termico TJD, aggiungono un livello critico di sicurezza interrompendo il flusso di corrente per evitare un accumulo di calore eccessivo e pericoloso nei sistemi robotici integrati.

Sistemi di controllo distribuiti e con tolleranza ai guasti

I sistemi robotici di fabbrica devono mantenere una continuità operativa sicura in caso di guasti ai sensori, malfunzionamenti degli attuatori o interruzioni della rete. I produttori si affidano ad architetture distribuite di rilevamento, isolamento e ripristino dei guasti (FDIR) per ridurre al minimo i tempi di fermo e migliorare la resilienza del sistema. Decentrando la logica di controllo su più nodi e consentendo una risposta localizzata ai guasti, l'architettura FDIR riduce l'impatto dei guasti di singoli componenti e aiuta a prevenire interruzioni più ampie.

Queste strategie di tolleranza ai guasti sono implementate attraverso sistemi di controllo distribuiti che incorporano una diagnostica in tempo reale e una ridondanza integrata. I sistemi di controllo distribuiti utilizzano la diagnostica integrata per monitorare costantemente la bontà e le prestazioni dei componenti critici. Sensori e percorsi di comunicazione ridondanti mantengono l'integrità del controllo durante i guasti del sistema primario, mentre le routine di gestione degli errori consentono arresti controllati o transizioni a stati sicuri definiti.

FDIR e il controller di sicurezza Flexi Soft

Queste strategie sono evidenziate dal controller di sicurezza Flexi Soft di SICK. Come illustra la Figura 4, Flexi Soft supporta la robotica per l'Impresa 4.0 basata su FDIR, consentendo una logica di sicurezza decentralizzata attraverso l'espansione modulare e le funzioni configurabili progettate per rispondere a requisiti di sistema specifici.

Figura 4: Il controller di sicurezza Flexi Soft di SICK consente una logica di sicurezza decentralizzata e un'espansione modulare per un controllo distribuito e a tolleranza di errore nei sistemi robotici per l'Impresa 4.0. (Immagine per gentile concessione di SICK)

I sensori industriali di SICK, tra cui encoder, trasduttori di pressione, sensori fotoelettrici e telecamere per la visione artificiale come Ranger3, forniscono una retroazione fondamentale per i sistemi robotici distribuiti. Questi sensori integrati nei punti di controllo chiave supportano il monitoraggio in tempo reale, il posizionamento dinamico, il rilevamento di oggetti e la diagnostica a livello di sistema. Ciò consente il rilevamento tempestivo dei guasti, la risposta localizzata e il funzionamento continuo in ambienti distribuiti.

Rilevamento e monitoraggio sull'edge per un'automazione più intelligente

La robotica per l'Impresa 4.0 sfrutta sempre più il rilevamento e il monitoraggio sull'edge per migliorare la comprensione, la reattività e l'autonomia del sistema. Anziché inviare tutti i dati a piattaforme centralizzate per l'elaborazione, i sistemi robotici avanzati ora eseguono analisi chiave più vicino all'edge, a livello di sensori o dispositivi. Ciò favorisce il rilevamento più rapido dei guasti, un processo decisionale più efficiente e una maggiore resilienza durante le interruzioni di rete.

I dispositivi per l'edge, come le telecamere industriali e i monitor dei circuiti, estendono l'intelligenza localizzata oltre la logica di controllo. Acquisiscono dati ambientali e operativi in tempo reale, fornendo visibilità a livello di macchina sulle condizioni che influiscono sulla sicurezza, sulla qualità e sui tempi di attività. Queste piattaforme riducono la latenza, alleggeriscono le richieste di larghezza di banda e migliorano il coordinamento tra i sistemi robotici distribuiti.

Edge computing e intelligenza embedded

Queste strategie basate sull'edge si riflettono in prodotti come SensingCAM SEC100 di SICK, che fornisce l'acquisizione e l'analisi delle immagini a livello edge per la robotica per l'Impresa 4.0. Come illustrato nella Figura 5, offre streaming ad alta risoluzione e registrazione video attivata da eventi per il riconoscimento degli oggetti, il monitoraggio dei processi e l'ispezione della qualità.

Figura 5: SensingCAM SEC100 di SICK offre l'acquisizione e l'analisi delle immagini a livello edge, per il monitoraggio in tempo reale e la diagnostica visiva nelle applicazioni di ispezione robotica. (Immagine per gentile concessione di SICK)

La telecamera industriale consente la visibilità in tempo reale dei punti ciechi e delle aree di ispezione dinamiche, supportando l'analisi delle cause principali grazie all'acquisizione di dati di immagine prima e dopo gli eventi scatenanti.

La telecamera SEC100 si integra facilmente con i sistemi di visione industriale esistenti e supporta il monitoraggio continuo senza sovraccaricare le risorse centralizzate. Genera inoltre registrazioni visive per la documentazione di qualità, come la verifica del confezionamento e la tracciabilità dell'assemblaggio dei componenti. Integrata a livello di macchina, la telecamera SEC100 avvicina l'intelligenza visiva al punto operativo.

Il passaggio all'elaborazione localizzata e alla visione in tempo reale si estende al monitoraggio energetico a livello di impianto. Come mostrato nella Figura 6, il display touchscreen PXBCM-DISP-6-XV di Eaton si interfaccia con il monitor di circuito derivato Power Xpert per fornire una visualizzazione in tempo reale dei dati di tensione, corrente e potenza a livello di pannello.

Figura 6: Il display touchscreen PXBCM-DISP-6-XV di Eaton fornisce una visualizzazione a livello di pannello in tempo reale dei dati di tensione, corrente e potenza per supportare la manutenzione predittiva e l'ottimizzazione dell'energia. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

Utilizzato in tutti i sistemi industriali, comprese le celle di lavoro robotiche, aiuta gli operatori a identificare le irregolarità, a rilevare i guasti e a ottimizzare l'uso dell'energia. Il display supporta la manutenzione predittiva e migliora la visibilità operativa consentendo l'accesso in loco alla diagnostica a livello di circuito.

Strategie a livello di sistema per la robotica per l'Impresa 4.0

Per operare in modo sicuro ed efficiente, i sistemi robotici per l'Impresa 4.0 richiedono una strategia di implementazione che unisca rilevamento, sicurezza, controllo e rete. I sensori e i componenti di sicurezza devono soddisfare standard rigorosi, consentendo al contempo una salvaguardia adattiva e una reattività in tempo reale in ambienti distribuiti. Prestazioni costanti tra diversi sistemi di fabbrica dipendono da standard aperti e comunicazioni multiprotocollo che garantiscano interoperabilità e scalabilità.

I componenti di controllo devono elaborare elevati volumi di dati sull'edge, con connessioni sicure e a bassa latenza ai sistemi di supervisione. Il coordinamento dell'elaborazione e della retroazione tra i nodi distribuiti richiede una sincronizzazione e una tempistica precise. Protocolli deterministici, percorsi di segnale a basso jitter e anelli di controllo consapevoli del tempo aiutano a mantenere un comportamento prevedibile in condizioni dinamiche. Le architetture con tolleranza ai guasti supportano stati di ripiego sicuri e il funzionamento continuo, mentre i sistemi che combinano il controllo localizzato con la supervisione centralizzata garantiscono processi produttivi flessibili e riconfigurabili.

Conclusione

Dalla fusione sensoriale alla sicurezza funzionale, dall'edge computing al controllo con tolleranza ai guasti, la robotica per l'Impresa 4.0 dipende da sistemi strettamente integrati che garantiscono un funzionamento sicuro, affidabile e reattivo in ambienti complessi. Le soluzioni di fornitori di DigiKey, come SICK ed Eaton, aiutano a unificare le infrastrutture di rilevamento, protezione dell'alimentazione e controllo, facilitando l'implementazione scalabile, la conformità agli standard e le prestazioni adattive.