I sistemi industriali possono trarre vantaggio dalla progettazione di prodotti consumer, con qualche riserva

Il rapporto tra la progettazione di prodotti consumer per il mercato di massa e di prodotti per applicazioni industriali è complesso. Per l'hardware, i progettisti industriali possono beneficiare di non pochi componenti e caratteristiche dei prodotti consumer, tra cui basso CI a bassa tensione e basso consumo, componenti passivi, attivi e per l'incapsulamento ad alto volume e a basso costo, e una vasta gamma di scelte per l'interfaccia utente, piccole ma flessibili (display e tastierini).

Per il software, esistono routine preconfezionate per gestire le funzioni di I/O, ad esempio driver, connettività, interfacce utente, sicurezza del sistema e dei collegamenti e routine di crittografia, oltre a funzioni numeriche e matematiche.

Per questo, in determinate situazioni è utile per chi progetta applicazioni industriali servirsi di componenti e altre risorse dei prodotti consumer.

Esistono tuttavia differenze rilevanti tra i due mondi, e progettare basandosi troppo sui requisiti e gli obiettivi di progettazione dei prodotti per il mercato di massa può presentare diversi svantaggi. Di seguito ne elenco dodici tra i più importanti.

1) Ambito di utilizzo: i prodotti industriali devono svolgere una sola azione o un numero limitato di azioni in modo corretto e affidabile. Per la maggior parte di essi vale il principio "poco ma buono", vale a dire che è meglio offrire meno caratteristiche e funzionalità, anche una minore flessibilità, ma con software robusto e hardware omogeneo. Per contro, anche se lo scopo di alcuni prodotti consumer è analogo, molti tendono a offrire troppi fronzoli.

2) Interfaccia utente: spesso i prodotti consumer diventano troppo complicati da usare, con menu a discesa su più livelli, un proliferare di opzioni utente e persino costanti richieste all'utente da parte del sistema operativo. L'interfaccia utente industriale invece deve essere diretta, andar dritta al punto, con scelte chiare e pertinenti per l'utente.

3) Complessità del tastierino: i prodotti industriali hanno tasti mono-funzione dedicati alle funzioni prioritarie, e non pulsanti software che vengono ridefiniti più volte dal sistema in base alla modalità operativa.

4) Mandati normativi: i prodotti consumer sono fortemente vincolati alle specifiche sulle emissioni EMI/RFI, soprattutto per quanto riguarda la potenza di alimentazione. Anche i prodotti industriali devono soddisfare le normative sulle emissioni, ma queste sono spesso meno rigide a causa dell'ambiente in cui operano. La tensione più alta di molti sistemi industriali tuttavia impone requisiti più severi per la progettazione fisica e per la sicurezza, che riguardano tra l'altro la distanza minima in aria e l'isolamento superficiale dei circuiti di una scheda stampata.

Figura 1: Il PLC AFPX-C14R di Panasonic ha un aspetto industriale distinto dall'estetica tipica dei dispositivi consumer (Immagine per gentile concessione di Panasonic)

5) Protezione: i prodotti industriali devono garantire la protezione da ESD, picchi transitori, rumore elettronico, sovratensione e molti altri fattori tipici dell'ambiente in cui operano. I prodotti consumer in genere non necessitano di un livello di protezione così elevato contro questo genere di disturbi.

6) Problemi termici: per molti prodotti consumer il raffreddamento deve avvenire solo per convezione naturale, per cui gli involucri di solito hanno aperture di raffreddamento che gli utenti devono tenere pulite e non ostruire. Per contro, molte applicazioni industriali prevedono ambienti con temperature molto elevate e magari un armadio chiuso, con un livello minimo di ventilazione non forzata. Per questo è necessario incorporare nella progettazione del sistema il raffreddamento ad aria forzata.

7) Aspetto: per i prodotti consumer l'aspetto estetico ha spesso la stessa importanza della funzionalità e della comodità, per questo vengono utilizzati pulsanti di dimensioni ridotte ed etichette spesso illeggibili. I progetti industriali invece prediligono la semplicità d'uso e la funzionalità rispetto all'aspetto estetico, quindi l'involucro del prodotto, il fattore di forma e le etichette vengono spesso scelti in base alle funzioni principali, anche se il risultato non eccelle in fatto estetico. Questo concetto è ben espresso dal controller a logica programmabile (PLC) AFPX-C14R di Panasonic, in un contenitore senza fronzoli, indicazioni minime per l'utente e terminali per il collegamento dei cavi facilmente accessibili (Figura 1).

8) Alimentazione: nei progetti industriali l'alimentazione è il pilastro su cui si basano affidabilità, stabilità e longevità del sistema. L'alimentatore industriale punta tutto sulla tolleranza dei componenti, l'intervallo di temperatura, il rumore elettronico, le prestazioni a lungo termine e la robustezza generale. I prodotti consumer spesso utilizzano un'alimentazione marginale appena sufficiente, con poca possibilità di espansione, e puntano su costi e autonomia (in caso di alimentazione a batteria). La loro durata può essere limitata: sono innumerevoli i casi di forniture (e quindi prodotti) che si sono guastate dopo solo un anno, semplicemente perché i condensatori a effetto di massa si sono seccati o gonfiati.

Figura 2: Per i condensatori per applicazioni industriali, come THH9476M063W0250W di AVX, le priorità sono tolleranza alle alte temperature e maggior durata di funzionamento. (Immagine per gentile concessione di AVX)

Al contrario, la distinta base delle forniture industriali richiede spesso condensatori capaci di resistere a temperature molto elevate e di garantire una maggior durata di funzionamento. Ad esempio, il condensatore THH9476M063W0250W della serie THH di AVX è un componente sfuso al tantalio a 47 µF, con un ingombro di 12 × 12,50 × 6 mm e una capacità nominale di 1000 o 2000 ore a 230 ⁰C (a seconda del suffisso) e di 10.000 ore a 200 ⁰C (figura 2). Poche applicazioni industriali raggiungono queste temperature, ma questo significa che la vita utile a livelli più modesti (ma comunque elevati) sarà superiore di diversi ordini di grandezza rispetto alle 1000 ore di capacità nominale dei dispositivi di livello standard a temperatura ambiente.

9) Connettività fisica: mentre i prodotti consumer spesso richiedono diversi cavi e connettori (anche se questo sta cambiando in alcuni casi con USB Type-C), i connettori consumer non sono rinforzati né dotati di meccanismi di chiusura. Pensate ad esempio ai connettori USB, HDMI e anche all'onnipresente connettore cilindrico degli adattatori di alimentazione. I progetti industriali invece usano connettori rinforzati che spesso includono meccanismi e fermi di bloccaggio.

Per il cablaggio di base dell'I/O dei trasduttori vengono di norma usate morsettiere semplici ma affidabili, facili da usare (basta collegare e scollegare), che non sarebbero accettabili in un prodotto consumer. Un tipico esempio è VI0921550000G di Amphenol Anytek: una morsettiera cavo-scheda a nove posizioni, con fermo a vite per il cavo inserito. Il conduttore non rimane esposto se il cavo viene spellato correttamente prima dell'inserimento (Figura 3).

10) Sicurezza: molti prodotti di largo consumo, come le videocamere di fascia bassa o i campanelli di casa, hanno protezione dalle intrusioni molto limitata, se non del tutto assente. Questa condizione è inaccettabile per i sistemi industriali, dove un intruso potrebbe aver accesso a informazioni interne o creare problemi su una linea di produzione. Non credo che servano ulteriori spiegazioni.

Figura 3: Morsettiere semplici ma affidabili sono ampiamente usate nelle applicazioni industriali, ma in genere sarebbero inaccettabili in un prodotto consumer. (Immagine per gentile concessione di Amphenol Anytek)

11) Aggiornamenti sul campo: per i prodotti consumer con accesso a Internet (cioè praticamente tutti ormai), è usanza comune permettere al produttore di scaricare aggiornamenti, spesso senza l'approvazione esplicita dell'utente. Le caratteristiche, le funzionalità (e molto altro) possono quindi cambiare senza che l'utente lo voglia o ne capisca le conseguenze. E, ancor peggio, questa possibilità di aggiornamento viene spesso usata come scusa per offrire un prodotto in versione beta, che potrà essere corretto sul campo dopo la spedizione.

Per gli utenti industriali nessuna di queste condizioni è accettabile: i prodotti devono essere completamente testati prima di essere spediti e gli aggiornamenti devono essere infrequenti, documentati in anticipo e devono avvenire all'ora indicata dall'utente.

12) Riparazione e obsolescenza: a causa della frequenza con cui vengono introdotti nuovi progetti consumer, i prodotti vanno fuori produzione nel giro di pochi anni, in genere da tre a cinque. Dopodiché, non sono più rese disponibili schede CS sostitutive (anche se ancora riparabili) e spesso neanche i relativi componenti.

I prodotti industriali invece vengono usati comunemente per dieci, quindici anni o anche di più, pertanto devono essere disponibili schede sostitutive F3 (form, fit, function) per tutto il periodo. Questo significa che il CI più attuale e straordinario potrebbe non essere la scelta migliore per un prodotto industriale se il produttore non si impegna a soddisfare i requisiti di longevità e non obsolescenza del mercato industriale.

Conclusione

È giusto che i progettisti industriali valutino e adottino alcuni componenti e approcci tipici della progettazione di prodotti consumer, perché potrebbero trovare soluzioni interessanti alle problematiche e per gli obiettivi di progettazione. Tuttavia è importante anche conoscere le diverse priorità del mercato consumer rispetto a quello industriale e sapere dove gli standard di prestazioni e i componenti dei prodotti consumer possono compromettere l'idoneità di un prodotto industriale.