Sensori connessi, robotica, azionamenti adattivi: i concetti avanzati di automazione sono fondamentali per una produzione efficiente dal punto di vista energetico e di risparmio delle risorse
La domanda di energia, l’uso di materie prime e, soprattutto nelle aree metropolitane, l’espansione del suolo occupato sono i fattori più critici della produzione industriale. Da un lato, determinano l’efficienza economica di fabbriche e impianti, dall’altro, sono fondamentali per un funzionamento sostenibile. In molte aree del mondo si stanno compiendo enormi sforzi per limitare l’uso dei combustibili fossili convenzionali e sostituirli con alternative rinnovabili. I successi ottenuti finora sono notevoli grazie all’impegno della politica, dell’industria e del settore privato. In Germania, ad esempio, che mira a far diventare le rinnovabili la fonte energetica prevalente nell’ambito della sua rivoluzione energetica, la quota sul consumo totale di energia ha raggiunto lo scorso anno un valore appena superiore al 48%. Secondo la Federal Network Agency, il settore manifatturiero rappresenta più di un quarto del consumo energetico, anche la sua quota di domanda di elettricità è paragonabile. La produzione e la lavorazione di prodotti chimici e metalli sono i settori trainanti. Queste e molte altre attività manifatturiere, tra cui l’ingegneria elettrica e meccanica e la produzione alimentare, sono guidate dai progressi compiuti nell’automazione di fabbrica e dei processi. Oltre a ottimizzare la produttività e i costi, l’attenzione si sta spostando sempre più su parametri che determinano una maggiore sostenibilità di prodotti e processi. Nel contesto della digitalizzazione e attraverso il concetto di Impresa 4.0, si punta sempre più all’efficienza energetica, all’uso economico delle risorse, alla riduzione dei rifiuti e alla riduzione dell’impronta di carbonio al minimo possibile.
Ottimizzare per la sostenibilità
La tecnologia dell’automazione offre una serie di approcci che gli integratori di sistemi di ingegneria meccanica e impiantistica e le aziende manifatturiere possono utilizzare per sfruttare l’ottimizzazione delle loro infrastrutture, impianti e processi in termini di sostenibilità. L’uso completo dei sensori e la loro integrazione nell’Internet delle cose industriale (IIoT) aprono un’ampia gamma di possibilità per il monitoraggio continuo del consumo energetico, dei parametri ambientali o delle scorte. Con l’aiuto di sensori connessi, le aziende manifatturiere possono, ad esempio, tener traccia del trasporto merci in tempo reale, monitorare i livelli di riempimento o registrare i dati sulle condizioni di macchine e utensili nelle linee di produzione (figura 1). Un esempio eccellente di famiglie di sensori che supportano in modo olistico l’approccio IIoT alla produzione è il portafoglio Snap Signal del fornitore statunitense Banner Engineering. In generale, la sfida per gli utenti è quella di identificare prima i dati rilevanti e, nella fase successiva, di estrarli dalle apparecchiature esistenti. Se sorge la necessità di integrare una tecnologia di sensori aggiuntiva per misurare altre variabili, come le vibrazioni e la temperatura di un azionamento, ciò non dovrebbe richiedere alcuna modifica all’architettura di controllo esistente. È inoltre importante standardizzare la comunicazione e convertire tutti i dati dei sensori e dei controlli in un protocollo comune. A questo scopo, la linea di prodotti Snap Signal (figura 2) offre sensori intelligenti, convertitori di segnale, controller, adattatori di segnale e moduli di comunicazione wireless, oltre a una tecnologia di connettività cablata che consente ai tecnici dell’automazione di fare il tutto in modo semplice con plug-and-play. L’elaborazione e l’analisi di questi dati dei sensori, eseguita in modo centralizzato nel cloud o direttamente sul campo, consente di trarre conclusioni sugli errori e sul potenziale di ottimizzazione dei processi o sulla necessità di manutenzione. In questo modo è possibile ridurre le perdite di energia e ridurre al minimo l’uso delle risorse. Inoltre, la manutenzione predittiva consente di pianificare in anticipo gli interventi di assistenza e quindi di ridurre i tempi di inattività, contribuendo a sua volta a evitare spese aggiuntive per energia e materiali.
Tecnologia di azionamento a risparmio energetico
Per quanto riguarda la domanda di energia degli impianti di produzione, ad esempio, la tecnologia di azionamento riveste un ruolo fondamentale. I sistemi di azionamento efficienti dotati di comandi a frequenza variabile (VFD) avanzati sono in grado di adattare con precisione le velocità del motore alla domanda reale di un sistema, riducendo in modo significativo il consumo energetico, in particolare nelle applicazioni a carico variabile. Le unità rigenerative possono ridurre ulteriormente i consumi catturando e riutilizzando l’energia di frenata. Queste unità stanno diventando sempre più importanti nella modularizzazione e flessibilizzazione degli impianti di produzione, considerata una delle componenti fondamentali dell’Impresa 4.0. Nel concetto di fabbrica modulare, i veicoli a guida automatica (AGV) e i robot di assistenza mobili assumono funzioni di supporto, ad esempio nella movimentazione e nell’assemblaggio. Il peso ridotto e il recupero sono caratteristiche essenziali in questo caso, perché non solo garantiscono un uso economico dell’energia e un’impronta ecologica contenuta, ma anche un lungo raggio d’azione per AGV e cobot. Il produttore francese Schneider Electric si rivolge a questo segmento di mercato della tecnologia di azionamento ad alta efficienza con il suo VFD compatto Altivar ATV320. È adatto al controllo di motori sincroni e asincroni trifase nel segmento di potenza da 0,18 a 15 kW a velocità variabile. Secondo il fornitore, combina la sicurezza integrata con numerose funzioni pronte per l’uso, progettate per supportare l’efficienza dell’applicazione. Tra queste, l’accuratezza della coppia a bassa velocità e della velocità stessa, l’elevata risposta dinamica con controllo vettoriale del flusso senza sensore e l’estensione del campo di frequenza per i motori ad alta velocità. ATV320 (figura 3) si distingue in particolare per la sua maggiore resistenza alle atmosfere inquinate tipiche di molti processi industriali e soddisfa le specifiche del grado di protezione IP20 e IP6x. Questo VFD è progettato per la completa integrazione in diverse architetture di sistema. È dotato di connettori RJ45 per la connettività integrata Modbus e Canopen. Altre opzioni di comunicazione includono Ethernet IP e Modbus TCP, Profinet, Ethercat, Devicenet e Powerlink.
Controllo più intelligente
Nella ricerca di un uso più sostenibile dell’energia e delle risorse industriali, l’ottimizzazione della tecnologia di controllo è una parte inevitabile dell’equazione. Quando si tratta di raccogliere, elaborare e analizzare i dati di produzione negli impianti automatizzati, i controllori edge di ultima generazione oggi svolgono un ruolo fondamentale. Compatti, scalabili e connessi tramite Industrial Ethernet, questi dispositivi possono essere utilizzati per implementare soluzioni locali e basate sul cloud. Le funzioni dedicate alla diagnostica e alla gestione dell’energia aiutano gli ingegneri dell’automazione ad analizzare i processi di produzione, a identificare i colli di bottiglia e ad avviare misure di ottimizzazione basate su controller industriali come il modello Simatic S7-1200. Gli algoritmi di controllo avanzati e le funzioni di comunicazione e sicurezza integrate contribuiscono in modo decisivo all’esecuzione precisa del processo.
Efficiente per precisione
Piccoli, agili ed estremamente versatili, con il loro design compatto e leggero e la tecnologia di controllo intelligente, i robot hanno un grande impatto sull’uso sostenibile delle risorse produttive. I dispositivi robusti e altamente adattabili della famiglia Agilus del produttore tedesco Kuka ne sono un ottimo esempio (figura 5). Sono forniti con un’alimentazione integrata in diverse varianti, alcuni sono offerti come robot per camere bianche, altri per applicazioni critiche dal punto di vista igienico o per ambienti potenzialmente esplosivi. Progettati per la collaborazione uomo-robot, i robot assicurano processi altamente efficienti grazie a un controllo del movimento molto preciso e ripetitivo. Ad esempio, sono ideali per ridurre al minimo la necessità di rilavorazioni nei processi e il livello degli scarti. L’uso di questi assistenti compatti e variabili ha senso anche per le piccole e medie imprese, come documentato dal produttore in diverse storie di successo. Tra queste, un progetto universitario in cui gli studenti dell’Università di Reutlingen (Germania) stanno ricercando alternative riutilizzabili alle posate di plastica monouso. In questo sono supportati dall’esperto tedesco di stampaggio a iniezione Gindele, nonché da Kuka e dal suo partner di sistema Robomotion. Tutta la movimentazione intorno allo stampaggio a iniezione è coperta da una cellula robotica altamente flessibile, il cui nucleo è costituito da un robot compatto Agilus dotato di una pinza stampata in 3D. Secondo la scheda tecnica, il robot a sei assi Agilus KR6 R900-2 di Kuka ha uno sbraccio massimo di 901 mm e un carico utile di 6,7 kg, e raggiunge una ripetibilità di posa di ±0,02 mm in conformità alla norma ISO 9283. Le possibilità di utilizzo vanno dalla manipolazione in combinazione con altre macchine, alla tecnologia di prova e misurazione, all’applicazione di adesivi o sigillanti, all’assemblaggio, al pick-and-place, all’imballaggio e alla messa in servizio. Il robot occupa 208 x 208 mm, pesa circa 54 kg, ha un grado di protezione IP56/67 e ESD (scarica elettrostatica) ed è adatto per il montaggio a pavimento, a soffitto, a parete e ad angolo.
Modelli digitali, materiali e altro ancora
Oltre agli approcci qui illustrati, gli ingegneri possono sfruttare un ulteriore potenziale di ottimizzazione applicando materiali sostenibili, tecniche di economia circolare e i più recenti sviluppi nel campo della digitalizzazione. L’obiettivo dell’economia circolare è evitare gli sprechi e i materiali residui, riciclare e riutilizzare il maggior numero possibile di materie prime, componenti e materiali di imballaggio. I suoi principi possono contribuire in modo decisivo a rendere gli impianti automatizzati più sostenibili. I concetti di gemello digitale e di ombra digitale sono approcci promettenti per identificare il potenziale di ottimizzazione senza effettuare test su macchine o impianti reali con un elevato dispendio di risorse. Grazie alla rappresentazione digitale completa di prodotti, impianti o processi reali e dei loro cicli di vita, è possibile avviare misure di manutenzione o stabilire correlazioni tra sviluppo, produzione e tutte le altre fasi della catena del valore. Gli ingegneri possono così simulare in dettaglio il comportamento, la funzionalità e la qualità di oggetti o processi reali e migliorarne la sostenibilità, ad esempio eliminando la necessità di prototipi fisici.
Conclusione
L’automazione offre grandi vantaggi all’ingegneria di processo e di produzione in termini di produttività e costi. Si tratta quindi di un fattore economico cruciale. Oltre a questo, tuttavia, i concetti e i prodotti di automazione avanzati sono fondamentali per migliorare la sostenibilità dei processi industriali. Dalla manutenzione predittiva alla fabbrica modulare e alla collaborazione uomo-robot: questo articolo, attraverso esempi selezionati, dà un’idea delle molteplici possibilità.
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