Innovare nell’automazione industriale. Una visione sul mercato

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Peter Lieberwirth

Peter Lieberwirth, Vice Presidente, Toshiba Electronics Europe, spiega la sua visione del mercato dell’automazione industriale e sottolinea l’importanza della continua innovazione nel settore dei semiconduttori per i creatori di robot, cobot e veicoli a guida autonoma.

Automazione industriale, a che punto siamo

L’automazione dei processi produttivi, supportata da macchine generiche e dedicate, offre alla società una vasta gamma di prodotti e di vantaggi innovativi. Come scoprì Henry Ford nel 1913, supportare una forza lavoro fisica con una linea di assemblaggio automatizzata riduce drasticamente i tempi di produzione e abbatte i costi [1]. Questi vantaggi si sono tradotti in risparmi finanziari che hanno reso il Modello-T alla portata di più persone. Senza l’economicità degli odierni apparecchi industriali, la fattibilità di tecnologie, idee e prodotti che migliorano la qualità della vita ne risulterebbe significativamente impattata. Inoltre, noi ci affidiamo spesso alle macchine, al loro controllo di precisione e alla loro resistenza, per effettuare compiti che sono semplicemente al di fuori delle capacità fisiche degli operatori umani o che potrebbero mettere in pericolo la loro vita.

La robotica è solo un aspetto dell’automazione manifatturiera, la quale continua a crescere e a svilupparsi, avendo assistito a un tasso di crescita medio annuo del 10% tra il 2010 e il 2017 [2]. Dal sollevamento di carichi pesanti nelle linee di produzione di automobili alla manipolazione fine impiegata nella fabbricazione dei wafer a semiconduttori, i robot, nonostante la loro onnipresenza, suscitano ammirazione fra i visitatori degli impianti di produzione. I robot progettati per collaborare con le loro controparti umane, noti come cobot, hanno anche richiamato un notevole interesse, in quanto rimuovono le barriere di sicurezza che hanno tipicamente separato i robot e gli esseri umani.

Veicoli a guida autonoma nell’industria

I veicoli a guida autonoma (AGV) si trovano all’inizio del loro percorso nell’automazione industriale. I centri logistici e i siti di produzione traggono vantaggio dalla loro capacità di raccogliere e di spostare i materiali nelle fabbriche e negli impianti di stoccaggio senza richiedere l’interazione umana. Inoltre, con il pubblico desideroso di consumare prodotti di massa personalizzati piuttosto che standardizzati, gli AGV possono spostare i pezzi da una stazione di lavoro all’altra in qualsiasi ordine sia necessario per creare prodotti unici, rompendo l’approccio basato su un’unica catena di montaggio di prodotti indifferenziati, pur contenendo i costi.

Mentre i produttori si aspettano che i fornitori di apparecchi per l’automazione industriale migliorino le capacità dei loro sistemi, essi dipendono dall’industria dei semiconduttori per poter mettere a punto queste innovazioni. Mentre gli esperti del settore collaborano a livello globale e nazionale per definire nuovi standard di comunicazione o topologie di alimentazione, i fornitori di semiconduttori devono partecipare con le proprie competenze tecniche e intraprendere progetti che richiedono investimenti consistenti. Inoltre, è necessario considerare le tendenze specifiche e generiche che emergono dalle ricerche di mercato, condotte sia fra i clienti, sia a livello di settori. La continua attenzione verso l’efficienza energetica in tutti i segmenti di mercato richiede da parte dei fornitori di semiconduttori la ricerca di possibili soluzioni e di miglioramenti nei processi di fabbricazione dei semiconduttori, nei dispositivi hardware, nelle applicazioni, e inoltre nuovi approcci attuabili a livello di software di sistema.

Soluzioni di conversione dell’energia per sistemi industriali

Con macchine di produzione che spesso funzionano 24 ore su 24, 7 giorni su 7, la diffusione dei robot e dei cobot e l’introduzione dei veicoli a guida autonoma alimentati a batteria impongono la necessità di azionamenti efficienti. I dispositivi di azionamento più recenti per motori passo-passo offrono vantaggi significativi rispetto alle soluzioni precedenti, fornendo al contempo le stesse funzionalità nell’esecuzione di una funzione di controllo automatico del guadagno (AGC). Affinché i motori passo-passo mantengano la propria posizione, storicamente è stata applicata una corrente costante per garantire la disponibilità di una coppia sufficiente in tutte le situazioni operative. La funzione AGC monitora sia la corrente che la coppia in tempo reale, applicando una corrente sufficiente per poter mantenere la coppia. Ciò riduce la corrente di azionamento fino al 40% e diminuisce significativamente la dissipazione di calore in condizioni operative.

Anche i motori senza spazzole (brushless) si sono affermati come alternativa ai motori DC con spazzole, grazie al loro funzionamento silenzioso, alla riduzione delle esigenze di manutenzione e alle minori emissioni elettromagnetiche. La sfida in questo caso è data dal fatto che la commutazione, in precedenza gestita meccanicamente, è trasferita nel dominio elettronico. Il team di sviluppo di Toshiba gestisce questo aspetto attraverso la tecnologia a controllo intelligente delle fasi, o InPAC. Questa tecnologia  sincronizza sia la tensione che la corrente fornite al motore, riducendo al minimo la differenza di fase, indipendentemente dai giri al minuto del motore. Ciò richiede una singola inizializzazione della soluzione e offre riduzioni di potenza fino al 20% rispetto agli approcci convenzionali.

Più efficienza energetica

Per quanto riguarda la conversione di potenza, la ricerca si impegna ad aggiungere punti percentuali all’efficienza, caratterizzata da valori a singola cifra. Ciò è comprensibile, tenendo presente che gli alimentatori spesso funzionano in continuo e si trovano diffusamente in ogni applicazione industriale. Gran parte degli sforzi attuali si concentra sulla riduzione delle perdite minime generate dai componenti a commutazione integrati nelle soluzioni di alimentazione. Una di queste perdite è conosciuta come la carica di recupero inverso (Qrr) memorizzata nella giunzione dei diodi di ricircolo. Un’altra si osserva nella capacità di uscita interna parassita (Coss) dei transistor a commutazione.  Una tecnica nota come Synchronous Reverse Blocking (SRB) utilizza un diodo al carburo di silicio (SiC) in combinazione con un secondo transistor in serie per eliminare pressoché del tutto la Qrr.

Come risultato degli sforzi degli esperti di alimentazione di Toshiba, è stato sviluppato un approccio Advanced-SRB (A-SRB). Questo approccio pre-carica la capacità parassita menzionata, riducendo efficacemente l’impatto di Coss di ordini di grandezza e si traduce in un miglioramento dell’efficienza fino al 4% rispetto a soluzioni confrontabili a supergiunzione. I circuiti integrati di pilotaggio come il T1HZ1F possono essere combinati con gli interruttori DTMOS IV ad alta tensione da 650V di Toshiba, con i diodi ad alta velocità e con i MOSFET UMOS VIII a bassa tensione  da 60V per la correzione del fattore di potenza, per applicazioni di conversione DC/DC e persino nei motori.  La tecnologia A-SRB fornisce una soluzione su silicio che si avvicina al SiC in termini di efficienza, ma a costi inferiori e con un accesso ai componenti più facile per i clienti.

Automazione industriale: focus sulle interfacce

Ethernet è stata la tecnologia al centro delle reti dati per PC e server, e ha fornito sempre più banda man mano che il suo standard si è sviluppato. Tuttavia, la sua latenza variabile non è adatta al mondo del controllo industriale in tempo reale e dell’automazione. I gruppi di lavoro internazionali hanno definito nuovi standard TSN (Time Sensitive Networks) sotto l’egida dell’IEEE 802.1Q, che ora consentono l’utilizzo di Ethernet in sistemi che richiedono latenze fisse end-to-end e elevata affidabilità. Il supporto allo standard TSN richiede modifiche fisiche ai livelli inferiori del modello OSI. Questi ultimi non sono sempre stati alloggiati su MCU ed MPU esistenti, e gli sviluppatori potrebbero essere limitati alle piattaforme di aggiornamento per le quali i processori sono già stati definiti. Il dispositivo TC9562BXG di Toshiba è una soluzione TSN innovativa che può essere di aiuto nelle applicazioni di tipo host e ai nodi.

Oltre a implementare un’interfaccia Ethernet compatibile con lo standard TSN, il TC9562BXG integra sia un’interfaccia PCI express (PCIe) che un processore ARM® Cortex®-M3 a 32 bit. Nelle applicazioni host in cui si potrebbe utilizzare un potente processore applicativo, l’interfaccia PCIe consente una semplice integrazione delle funzionalità TSN laddove non erano in precedenza disponibili. Il processore Cortex integrato può anche operare come un acceleratore hardware, eseguendo funzioni di pre-elaborazione dei dati che scaricano il processore dell’applicazione host. Nelle applicazioni TSN del nodo, il processore Cortex è abbastanza potente per implementare un’applicazione autonoma, mentre le risorse di memoria interna e la varietà delle periferiche assicurano la possibilità di mettere a punto le tipiche applicazioni industriali.

Un’interfaccia affidabile è un elemento essenziale dell’IIoT. L’isolamento ottico garantisce la possibilità di collegare e di controllare i sistemi senza pericolo di danni ai sistemi di controllo e di rilevamento, e in genere deve soddisfare gli standard UL 1577 ed EN 60747-5-5. Queste soluzioni stanno spesso sostituendo sia i relè che i trasformatori e garantiscono un funzionamento silenzioso, maggiore affidabilità e la possibilità di risparmiare spazio. L’ultima generazione di fotoaccoppiatori, come il TLP2310, opera fino a 125°C, supporta velocità di trasferimento dati fino a 5 Mbps, consuma appena 0,3 mA di corrente e è integrata in un package SO6 alto 2,1 mm. Gli ultimi miglioramenti nella sorgente luminosa a LED integrata garantiscono un degrado di appena il 10% dopo oltre 100.000 ore di funzionamento, pari a un miglioramento del 40% rispetto ai dispositivi dotati di LED convenzionali.

Sistemi industriali: l’importanza della ricerca

L’innovazione dei sistemi industriali e dell’automazione industriale è intrinsecamente legata ai progressi nella tecnologia dei semiconduttori che i fornitori possono offrire. Sebbene siano stati raggiunti miglioramenti importanti, è l’impegno costante nella ricerca che consente di ottenere miglioramenti di efficienza, riduzioni della latenza per le reti tradizionali e livelli più elevati di affidabilità che definiranno le sfide e le relative soluzioni che sviluppiamo.

Riferimenti:

[1.] https://www.history.com/this-day-in-history/fords-assembly-line-starts-rolling
[2.] https://www.gtai.de/GTAI/Content/EN/Invest/_SharedDocs/Downloads/GTAI/Fact-sheets/MET/fact-sheet-robotics-automation-en.pdf?v=4

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