Progettare sistemi modulari: drive distribuiti o drive centralizzati?

Per il progettista che si appresta a realizzare una macchina è importante comprendere i pro e i contro che offre ciascuna soluzione -sia essa centralizzata con azionamento da quadro o decentralizzata con azionamenti distribuiti- in quanto, alcune scelte, è necessario farle già nelle prime fasi di progettazione.

Nelle architetture decentralizzate, le elettroniche di potenza e di controllo sono solitamente integrate direttamente nell’housing del motore o poste in prossimità di esso. L’ingombro dell’elettronica si sposta così dal quadro elettrico di controllo al bordo macchina. Il vantaggio, ormai noto, che si ottiene è quindi quello di liberare spazio nel cabinet, con conseguente riduzione di ingombro e cablaggi. Tuttavia, se questo può rappresentare un vantaggio inconfutabile, a seconda delle situazioni e dei propri obiettivi possono presentarsi criticità, diventa quindi importante contestualizzare le scelte e soprattutto essere a conoscenza dei possibili “effetti collaterali” dell’una o dell’altra soluzione.

Di seguito, tratteremo uno per uno gli aspetti che riteniamo degni di un’analisi preliminare, sperando di fare cosa gradita al lettore progettista.

L’ingombro dei motori con elettronica integrata

Il fatto che l’elettronica di potenza e di controllo venga remotata sul (o nei pressi) del motore, non significa che essa scompaia. Questo significa che la nostra applicazione dovrà avere abbastanza spazio in prossimità del motore per tenere in considerazioni le problematiche termiche aggiuntive introdotte dalla presenza del drive. Ad esempio, i servomotori sincroni, spesso impiegati nelle applicazioni industriali, sono ottimizzati per il funzionamento dinamico e spesso vengono integrati nella struttura di macchina al fine di ottimizzare gli spazi.. Aggiungere un componente in una situazione già “affollata”, aumentando di fatto le dimensioni del motore, non è sempre possibile.

L’evoluzione tecnologica va incontro ai progettisti, mentre i costruttori di drives si sfidano nello sviluppo di amplificatori di potenza altamente efficienti senza scendere a compromessi in termini di compattezza. Per contro, va detto che i semiconduttori di materiali compositi di nuova generazione come i moduli SiC (silicon carbide), che permettono di lavorare ad alte tensioni e temperature dimostrando al contempo un’elevata efficienza, rimangono molto più costosi dei più classici moduli IGBT (insulated-gate bipolar transistor). Ad oggi, infatti, mancano i processi che consentano di produrre i moduli SiC a basso costo e il settore guarda al futuro nella speranza di un cambiamento negli anni a venire.

Modello termico, interfacce e sensori

Un altro aspetto di cui tenere conto in fase di progettazione è lo sviluppo di calore. Questo rende estremamente importante la gestione termica “smart” degli azionamenti, la quale non si può limitare alla classica protezione mediante calcolo dell’I2t. Oggi giocano infatti un ruolo chiave i software che, basandosi su modelli termici, sono in grado di fornire informazioni relative al bilancio termico, segnando al progettista la via per una gestione ottimale del calore in funzione dell’ambiente e del sistema, tenendo conto di variabili multiple come temperatura, umidità, radiazione solare, ambiente interno o esterno, ecc.

Gli azionamenti decentralizzati dovrebbero essere inoltre dotati di interfacce bus multifunzionali, così da essere più versatili. In futuro, infatti, si prevede un utilizzo crescente di dispositivi ampliabili e scalabili a seconda delle necessità grazie all’aggiunta di schede opzionali e interfacce.

Infine, ma non per questo meno importante, l’integrazione dei sensori spinta dell’IIOT (Industrial Internet of Things) dell’industria 4.0 plasmerà le tendenze nella progettazione e nell’implementazione dei sensori nelle attività di manutenzione predittiva, unitamente alla connessione in cloud e all’intelligenza artificiale per l’analisi e il monitoraggio dei dati da remoto. I sensori saranno il trait d’union tra i sistemi fisici, che raccolgono i dati di processo della macchina, e i collegamenti di comunicazione che trasmettono i dati al cloud o ad altre strutture di controllo o di monitoraggio.

Cablaggi

I cavi sono la spina dorsale dei sistemi di automazione industriale. Gli ultimi due decenni ci hanno fatto assistere ad uno sviluppo tecnologico che ha cambiato la natura della produzione industriale odierna.

Questa evoluzione ha generato una domanda di soluzioni super performanti ed è sempre più evidente il trend dei produttori di sistemi verso soluzioni ibride, dove potenza, bus di campo, tensione 24 V ed STO convivono in un’unica linea compatta e leggera con una struttura a daisy chain. Per supportare questi cambiamenti diventano quindi necessari alti livelli di flessibilità, stabilità e durabilità da parte di tutte le parti in gioco, cavi integrati e di sistema, in quanto il malfunzionamento di solo una di questi collegamenti porterebbe a fermi macchina ed a ingenti perdite economiche.

Durante la progettazione vanno sicuramente prese in considerazione eventuali cadute di tensione tenendo a mente la capacità di trasporto della corrente della sezione limitata dei cavi. A seconda dell’applicazione si dovrà tenere conto del comportamento in sovraccarico del motore. La tecnologia di cablaggio “smart” nella progettazione daisy chain e l’uso di cavi ibridi riduce al minimo lo sforzo di cablaggio e semplifica un’eventuale espansione della macchina.

La scelta dei motori

La scelta della tipologia dei motori dipende, oltre che dalle performance richieste in termini di coppia, velocitè ecc, anche dall integrazione con la meccanica sul bordo macchina e dall’ambiente in cui andrà ad operare. Sceglere se pilotare i motori con un drive che sia allocato nel quadro elettrico oppure da un drive collacato in prossimità del motore o addirittura integrato su esso dipenderà dalla corretta valutazione di tutti gli aspetti trattati fino ad ora. E’ per questo che, gia da ora, il successo di un’applicazione, dipenderà sempre di più dalla corretta valutazione degli aspetti elettrici, termici, meccanici ed informativi.

Non esiste bianco o nero. I vantaggi sono nel mezzo.

Per concludere riprendendo il titolo di questo articolo, la risposta è che dipende. Non esiste un’architettura migliore a prescindere; per scegliere correttamente l’una o l’altra soluzione è importante capirne pro e contro. Quello che possiamo dirvi è che raramente è bianco o nero. Soluzioni miste sono spesso la scelta migliore, dove si combinano azionamenti centralizzati e decentralizzati. Questa flessibilità tiene aperte tutte le porte e permette di coprire un maggior ventaglio di esigenze.

In sostanza, entrambe le architetture hanno la loro ragion d’essere e nelle applicazioni reali ci sarà sempre necessità sia di azionamenti centralizzati che decentralizzati. Raramente una scelta esclude l’altra e nella maggior parte dei casi si dovrà optare per soluzioni ibride. Entrambe le configurazioni possono lavorare insieme completandosi a vicenda.