Cosa devono sapere i produttori di apparecchiature originali (OEM) e i progettisti in merito a motori, azionamenti e controllori.

Sia che i progettisti stiano migliorando una macchina incentrata sul movimento o ne stiano costruendo una nuova, è fondamentale che partano dal controllo del movimento. Solo allora potranno sviluppare il progetto attorno al modo migliore per ottenere un'automazione efficace ed efficiente.

Le macchine basate sul movimento dovrebbero essere progettate e costruite attorno alle loro funzioni principali. Per una macchina da stampa che si basa su una serie specifica di applicazioni di avvolgimento, ad esempio, i progettisti si concentrerebbero sulle parti critiche e svilupperebbero il resto della macchina a supporto delle funzioni principali.

Questo potrebbe sembrare un concetto base di ingegneria progettuale, ma con le pressioni legate ai tempi di commercializzazione e i team tradizionalmente suddivisi in compartimenti stagni nei reparti meccanico, elettrico e software, è facile che la progettazione si trasformi in un processo sostanzialmente lineare. Progettare pensando al controllo del movimento, tuttavia, richiede un approccio meccatronico che includa lo sviluppo dei concetti iniziali, la determinazione della topologia del sistema e dell'approccio alla macchina, nonché la selezione dell'interfaccia di connessione e dell'architettura software.

Ecco alcuni aspetti essenziali relativi a motori, azionamenti, controllori e software che gli ingegneri dovrebbero considerare fin dall'inizio di ogni progetto di progettazione di macchine, al fine di ridurre inefficienze, errori e costi, consentendo al contempo ai produttori di apparecchiature originali (OEM) di risolvere i problemi dei clienti in tempi più brevi.

【Il processo di progettazione】

Il modo e la posizione dei componenti sono in genere gli aspetti su cui gli ingegneri concentrano la maggior parte dei loro sforzi, soprattutto quando sviluppano macchine innovative. Sebbene la realizzazione di progetti innovativi richieda di gran lunga più tempo, spesso offre il maggiore ritorno sull'investimento (ROI), soprattutto se i team utilizzano le più recenti tecnologie di ingegneria virtuale e progettazione modulare.

Il primo passo nello sviluppo di una macchina da zero è chiedersi: quali sono le funzioni critiche di questa macchina? Potrebbe trattarsi di realizzare una macchina facile da pulire, che richieda poca manutenzione o che sia estremamente precisa. Bisogna individuare la tecnologia in grado di fornire la funzione, le prestazioni o il livello di manutenzione richiesti.

Quanto più complesso è il problema da risolvere, tanto più difficile sarà individuare le funzioni più importanti. Valuta la possibilità di collaborare con un fornitore di automazione incentrata sul movimento, in grado di aiutarti a definire i dettagli critici e a determinare l'approccio più adatto.

Quindi chiedetevi: quali sono le funzioni standard della macchina? Riprendendo l'esempio della macchina da stampa, i controlli di tensione e dei sensori utilizzati per svolgere il materiale su cui si sta stampando sono piuttosto standard. Infatti, circa l'80% delle funzioni di una nuova macchina sono varianti di funzioni di macchine precedenti.

L'utilizzo di hardware modulare e la programmazione via codice per gestire i requisiti ingegneristici delle funzioni standard riducono significativamente la quantità di risorse di progettazione necessarie per completare il progetto. Inoltre, si basa su funzioni collaudate nel tempo, aumentando così l'affidabilità e consentendo di concentrarsi sulle parti più complesse della progettazione.

Collaborare con un partner specializzato nel controllo del movimento, in grado di offrire funzionalità standard con hardware e software modulari, vi permette di concentrarvi sulle caratteristiche a valore aggiunto che distinguono il vostro prodotto dalla concorrenza.

In un tipico progetto di design, gli ingegneri meccanici costruiscono la struttura della macchina e i suoi componenti meccanici; gli ingegneri elettrici aggiungono l'elettronica, inclusi azionamenti, cablaggi e controlli; e infine gli ingegneri del software scrivono il codice. Ogni volta che si verifica un errore o un problema, il team di progetto deve tornare indietro e correggerlo. Si spreca così tanto tempo ed energia nel processo di progettazione per rifare il progetto in base a modifiche o errori. Fortunatamente, la progettazione meccanica con software CAD e la pianificazione e progettazione separate sono ormai quasi un ricordo del passato.

Oggi, l'ingegneria virtuale consente ai team di progettare il funzionamento delle macchine utilizzando diversi percorsi paralleli, riducendo drasticamente il ciclo di sviluppo e il time-to-market. Creando un gemello digitale (una rappresentazione virtuale della macchina), ogni reparto può lavorare in autonomia e sviluppare componenti e sistemi di controllo contemporaneamente al resto del team.

Un gemello digitale consente agli ingegneri di testare rapidamente diverse configurazioni di una macchina, nonché le tecnologie utilizzate. Ad esempio, un processo potrebbe richiedere l'alimentazione di materiale fino al raggiungimento della quantità desiderata, dopodiché il materiale viene tagliato; ciò significa che è necessario trovare un modo per interrompere l'alimentazione ogni volta che il materiale deve essere tagliato. Esistono diversi modi per affrontare questa sfida, e ognuno di essi può influenzare il funzionamento complessivo della macchina. Con un gemello digitale, è semplice sperimentare soluzioni diverse o riposizionare i componenti per verificarne l'impatto sul funzionamento, consentendo una prototipazione più efficiente (e meno complessa).

L'ingegneria virtuale permette ai team di progettazione di visualizzare come l'intera macchina e i suoi concetti interconnessi interagiscono per raggiungere uno o più obiettivi specifici.

【Selezione della topologia】

Progetti complessi con molteplici funzioni, più di un asse di movimento e movimento multidimensionale, nonché maggiore velocità di produzione e produttività, rendono la topologia del sistema altrettanto complessa. La scelta tra automazione centralizzata basata su controllore o automazione decentralizzata basata su azionamenti dipende dalla macchina in fase di progettazione. Le funzioni svolte dalla macchina, sia a livello generale che locale, influenzano la scelta tra topologia centralizzata e decentralizzata. Anche lo spazio disponibile nell'armadio elettrico, le dimensioni della macchina, le condizioni ambientali e persino i tempi di installazione incidono su questa decisione.

Automazione centralizzata. Il modo migliore per ottenere un controllo del movimento coordinato per macchine complesse è l'automazione basata su controllori. I comandi di controllo del movimento vengono solitamente inoltrati a specifici servo-inverter tramite un bus standardizzato in tempo reale come EtherCAT, e gli inverter azionano tutti i motori.

Con l'automazione basata su controllore, è possibile coordinare diversi assi di movimento per eseguire un'attività complessa. Questa topologia è ideale se il movimento è il cuore della macchina e tutte le parti devono essere sincronizzate. Ad esempio, se è fondamentale che ciascun asse di movimento si trovi in ​​una posizione specifica per posizionare correttamente un braccio robotico, è probabile che si opti per l'automazione basata su controllore.

Automazione decentralizzata. Grazie a macchine e moduli più compatti, il controllo del movimento decentralizzato riduce o elimina il carico sui sistemi di controllo delle macchine. In questo modo, piccoli inverter si assumono le responsabilità di controllo decentralizzato, un sistema I/O elabora i segnali di controllo e un bus di comunicazione come EtherCAT forma una rete end-to-end.

L'automazione decentralizzata è ideale quando una parte della macchina può assumersi la responsabilità di completare un'attività senza dover inviare costantemente report al controllo centrale. In questo modo, ogni parte della macchina opera in modo rapido e indipendente, inviando report solo al termine della propria attività. Poiché in una configurazione di questo tipo ogni dispositivo gestisce il proprio carico, l'intera macchina può beneficiare di una maggiore potenza di elaborazione distribuita.

Controllo centralizzato e decentralizzato. Sebbene l'automazione centralizzata garantisca il coordinamento e quella decentralizzata offra una potenza di elaborazione distribuita più efficiente, la combinazione di entrambe rappresenta talvolta la scelta migliore. La decisione finale dipende da requisiti generali, tra cui obiettivi relativi a: rapporto costo/valore, produttività, efficienza, affidabilità nel tempo e specifiche di sicurezza.

Quanto più complesso è il progetto, tanto più importante è avere un partner specializzato in ingegneria del controllo del movimento in grado di fornire consulenza sui diversi aspetti. Quando il costruttore di macchine apporta la visione e il partner per l'automazione fornisce gli strumenti, allora si ottiene la soluzione migliore.

【Reti di macchine】

Definire un'interconnettività pulita e a prova di futuro è un passaggio fondamentale nella progettazione di sistemi di controllo del movimento. Il protocollo di comunicazione è essenziale tanto quanto la posizione di motori e azionamenti, perché non si tratta solo di cosa fanno i componenti, ma anche di come vengono collegati tra loro.

Una buona progettazione riduce il numero di cavi e la distanza che devono percorrere. Ad esempio, un insieme di 10-15 cavi che raggiungono un terminale remoto potrebbe essere sostituito con un cavo Ethernet utilizzando un protocollo di comunicazione industriale come EtherCAT. Ethernet non è l'unica opzione, ma qualunque si scelga, è fondamentale assicurarsi di disporre degli strumenti o dei bus di comunicazione adeguati per poter utilizzare protocolli comuni. Scegliere un bus di comunicazione appropriato e pianificare la disposizione di tutti i componenti semplifica notevolmente le future espansioni.

Concentratevi fin dall'inizio su un buon design interno per l'armadio elettrico. Ad esempio, non posizionate gli alimentatori vicino a componenti elettronici che potrebbero essere influenzati da interferenze magnetiche. I componenti con correnti o frequenze elevate possono generare rumore elettrico nei cavi. Pertanto, per un funzionamento ottimale, tenete i componenti ad alta tensione lontani da quelli a bassa tensione. Inoltre, verificate se la vostra rete è certificata per la sicurezza. In caso contrario, probabilmente avrete bisogno di connessioni di sicurezza ridondanti cablate, in modo che se un componente si guasta, il sistema rilevi il proprio guasto e reagisca di conseguenza.

Con l'affermarsi dell'Internet delle cose industriale (IIoT), valutate l'opportunità di aggiungere funzioni avanzate che voi o i vostri clienti potreste non essere ancora pronti a utilizzare. Integrare queste funzionalità direttamente nella macchina significa semplificarne gli aggiornamenti futuri.

【Software】

Secondo le stime del settore, non passerà molto tempo prima che i produttori di apparecchiature originali (OEM) debbano dedicare il 50-60% del tempo di sviluppo delle macchine ai requisiti software. L'evoluzione da un'attenzione alla meccanica a un'attenzione all'interfaccia pone i costruttori di macchine più piccoli in una posizione di svantaggio competitivo, ma può anche livellare il campo di gioco per le aziende disposte ad adottare software modulare e protocolli aperti e standardizzati.

Il modo in cui un software è organizzato può ampliare o limitare le capacità di una macchina, sia nel presente che nel futuro. Come l'hardware modulare, anche il software modulare migliora la velocità e l'efficienza della costruzione delle macchine.

Ad esempio, supponiamo che stiate progettando una macchina e vogliate aggiungere una fase tra due passaggi. Se utilizzate un software modulare, potete semplicemente aggiungere un componente senza dover riprogrammare o riscrivere il codice. Inoltre, se avete sei sezioni che svolgono tutte la stessa funzione, potete scrivere il codice una sola volta e utilizzarlo in tutte e sei le sezioni.

Non solo la progettazione con software modulare è più efficiente, ma consente anche agli ingegneri di offrire la flessibilità che i clienti desiderano. Ad esempio, supponiamo che un cliente voglia una macchina in grado di lavorare prodotti di diverse dimensioni, e che la dimensione maggiore richieda una modifica al funzionamento di una sezione. Con il software modulare, i progettisti possono semplicemente sostituire la sezione senza compromettere le altre funzioni della macchina. Questa modifica potrebbe essere automatizzata, consentendo al produttore, o persino al cliente, di passare rapidamente da una funzione all'altra. Non è necessario riprogrammare nulla, perché il modulo è già integrato nella macchina.

I costruttori di macchine possono offrire una macchina base standard con caratteristiche opzionali per soddisfare le esigenze specifiche di ogni cliente. Lo sviluppo di un portfolio di moduli meccanici, elettrici e software semplifica l'assemblaggio rapido di macchine configurabili.

Per ottenere la massima efficienza dal software modulare, tuttavia, è essenziale rispettare gli standard di settore, soprattutto se si utilizzano più fornitori. Se il fornitore di azionamenti e sensori non rispetta gli standard di settore, questi componenti non possono comunicare tra loro e tutti i vantaggi della modularità vengono vanificati dalla difficoltà di collegare le parti.

Inoltre, se il cliente intende connettere il flusso di dati a una rete cloud, è fondamentale che il software sia creato utilizzando protocolli standard di settore, in modo che la macchina possa interagire con altre macchine e interfacciarsi con i servizi cloud.

OPC UA e MQTT sono le architetture software standard più comuni. OPC UA consente la comunicazione quasi in tempo reale tra macchine, controller, cloud e altri dispositivi IT, ed è probabilmente la soluzione più vicina a un'infrastruttura di comunicazione olistica. MQTT è un protocollo di messaggistica IIoT più leggero che permette a due applicazioni di comunicare tra loro. Viene spesso utilizzato all'interno di un singolo prodotto, consentendo, ad esempio, a un sensore o a un azionamento di acquisire informazioni da un prodotto e inviarle al cloud.

【Connettività cloud】

Le macchine interconnesse a circuito chiuso rappresentano ancora la maggioranza, ma le fabbriche completamente connesse al cloud stanno guadagnando popolarità. Questa tendenza potrebbe innalzare il livello di manutenzione predittiva e di produzione basata sui dati e rappresenta il prossimo grande cambiamento nel software di fabbrica; tutto inizia con la connettività remota.

Gli impianti connessi al cloud analizzano i dati provenienti da diversi processi, linee di produzione e altro ancora per creare rappresentazioni più complete del processo produttivo. Ciò consente di confrontare l'efficienza complessiva delle apparecchiature (OEE) di vari impianti di produzione. I produttori OEM all'avanguardia collaborano con partner di automazione affidabili per offrire macchine predisposte per il cloud con funzionalità modulari di Industria 4.0 in grado di inviare i dati necessari agli utenti finali.

Per i costruttori di macchinari, l'utilizzo dell'automazione del controllo del movimento e un approccio olistico e integrato all'intero processo, volto a rendere più efficienti gli impianti o le aziende dei clienti, garantiranno sicuramente un aumento del business.