Controllo del movimento più intelligente per una produzione intelligente

Il controllo del movimento è una delle discipline che preferisco. Ricordo l'estate trascorsa nel mio laboratorio universitario a lavorare su controller per sistemi instabili. Gli strumenti che usavo erano incredibilmente avanzati per l'epoca, ma da allora il controllo del movimento ha fatto molta strada, per fortuna.

Alle fabbriche di tutto il mondo viene chiesto con forza di fare di più con meno. Le continue interruzioni della supply chain, l'on-shoring (il rimpatrio dopo la delocalizzazione), il near-shoring (il ricollocamento di attività e servizi aziendali in un Paese limitrofo) e le preoccupazioni relative all'impatto ambientale spingono i produttori a essere sempre più agili e resilienti.

Per raggiungere questo obiettivo, le fabbriche hanno bisogno di un controllo del movimento più intelligente. La Figura 1 ne illustra le ragioni: il controllo del movimento è centrale in molti processi produttivi. Perché la fabbrica sia efficiente, reattiva e solida, i sistemi di controllo del movimento sottostanti devono soddisfare gli stessi criteri.

Figura 1: Le fabbriche intelligenti prevedono un'ampia gamma di applicazioni di controllo del movimento. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

In questo blog, illustrerò come raggiungere questi obiettivi con il controllo del movimento ad alta precisione e il monitoraggio dello stato della macchina. Spiegherò come queste tecniche siano elementi cruciali del trend di trasformazione digitale che porta a fabbriche veramente intelligenti.

Controllo del movimento di alta precisione

Il percorso verso un controllo del movimento più intelligente inizia con misure di corrente e posizione più precise, che creano opportunità per ridurre al minimo gli sprechi e massimizzare la reattività e la produzione. La precisione di qualsiasi sistema di controllo dipende dai suoi sensori.

Sebbene esistano molte opzioni per il rilevamento della posizione, i sensori magnetici sono particolarmente interessanti perché offrono un'elevata risoluzione a un costo inferiore rispetto agli encoder ottici. Sono più robusti nelle applicazioni soggette a polvere e vibrazioni ed essendo per natura senza contatto l'usura è ridotta al minimo.

Tuttavia, i sensori magnetici possono essere soggetti alle interferenze di campi magnetici esterni e all'influenza dei materiali circostanti. La loro accuratezza può essere influenzata anche dalle fluttuazioni di temperatura, per cui per mantenerla potrebbe essere richiesta una calibrazione, il che può ridurre i loro vantaggi in termini di costo e affidabilità. Inoltre, molti sensori magnetici funzionano bene solo a distanza ravvicinata, restringendo così il loro campo di applicazione.

Un modo per bilanciare queste considerazioni è rappresentato dai sensori a magnetoresistenza anisotropa (AMR). A differenza dei sensori a effetto Hall, a magnetoresistenza gigante (GMR) e a magnetoresistenza a effetto tunnel (TMR), i sensori AMR sono robusti in ambienti magneticamente difficili e mantengono la precisione con ampie tolleranze di traferro. La necessità di calibrazione e manutenzione è notevolmente ridotta perché in queste condizioni i sensori AMR non subiscono deterioramento della precisione ed errori angolari.

Un buon esempio è la famiglia di sensori angolari ADA4571 di Analog Devices. Questi sensori, dotati di condizionatori di segnale integrati, facilitano il rilevamento della posizione con una maggiore precisione assoluta per applicazioni di comando motore e servomotori. ADA4571 è dotato di motori di calibrazione integrati che mantengono gli errori a <0,5° su un ampio intervallo di temperature (Figura 2).

Figura 2: L'errore tipico dei sensori ADA4571 per VDD = 5,5 (a sinistra) può essere migliorato attivando la funzione di controllo del guadagno (GC) integrata (a destra). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Monitoraggio dell'integrità delle macchine

Nella fabbrica intelligente sono essenziali non solo le prestazioni ma anche l'efficienza e la resilienza. Monitorando le vibrazioni e gli urti del motore, i sensori dello stato delle macchine (come quelli delle vibrazioni) nelle fabbriche possono ridurre i tempi di inattività non programmati, prolungando la vita utile dell'asset e riducendo i costi di manutenzione. Sebbene esistano molte opzioni di sensori, gli accelerometri dei sistemi microelettromeccanici (MEMS) raggiungono un interessante equilibrio di funzionalità, offrendo un'alta larghezza di banda e un basso rumore a una frazione del prezzo e del consumo di energia dei sistemi piezoelettrici (Figura 3).

Figura 3: I sensori disponibili per il monitoraggio dello stato delle macchine presentano compromessi in termini di costi, prestazioni e potenza. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Un buon esempio MEMS è la famiglia di sensori ADXL1001/ADXL1002. Le caratteristiche degne di nota di ADXL1002 includono un rumore di soli 25 μg/√Hz nell'intervallo di ±50 g e la resilienza agli urti esterni fino a 10.000 g. La risposta in frequenza lineare da c.c. a 11 kHz rende i componenti adatti alle apparecchiature a rotazione lenta, mentre il basso consumo energetico facilita i progetti di rilevamento wireless. Per applicazioni che richiedono la misurazione lungo tre assi, ADXL371 può essere una scelta idonea.

Connettività in tempo reale per la trasformazione digitale

La potenza reale delle soluzioni di rilevamento discusse finora è data dalla loro capacità di dischiudere una visione approfondita delle operazioni di fabbrica. Una volta raccolti dai vari sistemi di controllo del movimento dati come quelli relativi a tensioni, correnti, posizioni e temperature, i sistemi automatizzati possono analizzarli per ottimizzare i flussi di produzione in tempo reale.

Come illustrato nella Figura 4, la raccolta di dati deterministici attualmente si avvale di numerosi protocolli fieldbus come EtherCAT e PROFINET. Il settore sta tuttavia rapidamente adottando TSN (Time-Sensitive Networking) come standard per le reti di prossima generazione. Questa tendenza è fondamentale per l'emergere di un'infrastruttura convergente di tecnologia informatica/operativa (IT/OT), che riunisce in un'unica rete i sistemi aziendali e di fabbrica.

Figura 4: Il settore manifatturiero sta passando da reti fieldbus indipendenti a infrastrutture IT/OT convergenti basate su TSN su Gigabit Ethernet (GbE). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Queste reti richiedono tempi di ciclo di rete inferiori al millisecondo per garantire il determinismo e una larghezza di banda fino al gigabit per accogliere nuove fonti di traffico ad alta velocità, come i feed video dei sistemi di visione. Per soddisfare questi requisiti, i moderni sistemi di controllo del movimento richiedono strati fisici Ethernet (PHY) come la famiglia ADIN1200/1300. Questi PHY robusti, a basso consumo e a bassa latenza supportano GbE in ambienti industriali. Possono funzionare a temperature ambiente fino a 105 °C, sono stati ampiamente testati per la compatibilità elettromagnetica (EMC) e offrono funzioni rinforzate come la protezione dall'interruzione temporanea dell'energia elettrica.

Conclusione

Nel panorama in evoluzione della produzione intelligente, il controllo intelligente del movimento è un elemento fondamentale che spinge le fabbriche verso una maggiore agilità e resilienza. Per questa ottimizzazione, la precisione e l'efficienza dei sistemi di controllo del movimento sono fattori imprescindibili. Grazie alle nuove opzioni di sensori, gli ingegneri hanno la possibilità di implementare un miglioramento generale, dal rilevamento della posizione al monitoraggio della condizione della macchina. L'alimentazione di questi dati sempre più vasti e precisi in reti di fabbrica sempre più capaci sta rapidamente trasformando in realtà la promessa della trasformazione digitale. Nell'era digitale, l'entusiasmante fusione di controllo del movimento intelligente e rete avanzata promette un futuro della produzione veramente intelligente.