Motion control, centralizzare o distribuire?

Arne Linder, Product Manager di Kollmorgen, fa una prima distinzione tra tecnologia degli asservimenti centralizzata e distribuita, spiegando che il settore del motion control a elevata dinamica e precisione è ancora dominato dai servoazionamenti centralizzati che, insieme ad altri componenti di controllo, a volte con un Industrial PC completo, sono collocati in un armadio di controllo protetto contro il mondo esterno. “In questo caso il collegamento al motore utilizza una struttura a stella, con singoli cavi di controllo e potenza, ed essendo la perdita termica generata centralmente, nell’armadio è richiesto anche un efficace condizionamento dell’aria”, dice Linder.

L’alternativa decentralizzata segue invece il principio secondo il quale il controllo dei singoli motori è spostato dall’armadio di controllo centrale a una posizione molto vicina al processo: quest’architettura richiede un progetto robusto, che fornisca un elevato grado di protezione ambientale. Il vantaggio risiede, in particolare, nel cablaggio dei motori, mentre due altri benefici sono il migliore comportamento Emc (Electro Magnetic Compatibility) e l’ampia distribuzione delle perdite termiche, che riduce i costi e la necessità di un sistema di controllo centralizzato della climatizzazione nell’armadio.

“Tuttavia, spesso, nella scelta del sistema migliore fra la tecnologia degli asservimenti decentralizzati o centralizzati, si seleziona un’architettura mista, nella quale coesistono entrambi i tipi; si tratta di casi in cui gli azionamenti hanno un numero elevato di caratteristiche in comune e i due approcci possono essere facilmente combinati”, dice ancora Linder.

 A ciascun approccio i suoi vantaggi

Per dimostrare il potenziale di risparmio della tecnologia decentralizzata, Linder riporta l’esempio di una macchina di formatura del metallo con otto assi, con il primo asse situato a 5 m di distanza dall’armadio di controllo, e ogni asse addizionale situato 3 m più in là. “Un sistema di controllo centralizzato sarebbe caratterizzato da un armadio di controllo centrale contenente gli azionamenti, in cui ogni motore avrebbe cavi schermati di potenza e feedback separati, per un totale di 248 m di cavi; utilizzando soluzioni Kollmorgen, si potrebbe realizzare una combinazione di un singolo modulo di alimentazione Akd-C e 8 servo controllori decentralizzati Akd-N, che ridurrebbe il cablaggio necessario a 34 m”, spiega Linden. Si avrebbe, infatti, un singolo cavo ibrido di 5 m che fornisce l’alimentazione, mentre il fieldbus per il controllo degli assi sarebbe collegato fra il modulo di alimentazione e il primo controllore decentralizzato. Un singolo cavo ibrido lungo 3 m collegherebbe ogni azionamento addizionale, per un totale di 21 m. “Poiché supponiamo che ogni motore sia situato a 1 m di distanza da ogni azionamento decentralizzato Akd-N e Kollmorgen offre una tecnologia di collegamento dei motori a un solo cavo, sono richiesti solo 8 m di cavo addizionali”. Il sistema decentralizzato ridurrebbe quindi il cablaggio richiesto da 248 a 34 m, con un risparmio dell’86%.

L’Oem conterrebbe quindi notevolmente i costi, sia per i cavi, sia per il lavoro di assemblaggio. Inoltre, se gli assi richiedessero I/O addizionali, la riduzione del cablaggio sarebbe ancora più evidente: invece di 372 m, sarebbero necessari solo 42 m, con un risparmio dell’89%.

Un altro beneficio della riallocazione degli azionamenti è la riduzione della potenza dissipata nell’armadio di controllo, che riduce le esigenze di condizionamento dell’aria, offrendo risparmi diretti sia all’Oem, sia all’utente finale: è possibile ridurre le dimensioni o eliminare completamente i condizionatori d’aria dell’armadio di controllo, contenendo i costi hardware e le relative operazioni e, in ultima analisi, migliorando l’efficienza energetica.

L’approccio decentralizzato permette di risparmiare spazio in combinazione con la tecnologia di collegamento a cavo singolo fra motore e controllore. Quest’opzione si traduce, infatti, in vassoi porta-cavi più piccoli, catene più leggere e maggiore compattezza, caratteristiche che offrono una maggiore libertà di progettazione nello sviluppo di nuove macchine. Rispetto a un progetto con controllo centralizzato, la tecnologia distribuita estende le possibilità di modularizzazione: i costruttori di macchine possono così creare soluzioni nuove da moduli già sviluppati, con un minore sforzo d’ingegnerizzazione.

“Un secondo modo per decentralizzare è usare una soluzione integrata ibrida, combinando unità motore e servo controllore, senza la necessità di un cablaggio esterno”. Secondo Linde, lo svantaggio, in questo caso, è il declassamento dell’azionamento all’aumentare della temperatura ambiente: più questa è elevata e maggiore è la riduzione di prestazioni, necessaria affinché l’azionamento si auto-protegga contro il surriscaldamento. I motori devono quindi essere più grossi di quanto sarebbe altrimenti necessario per offrire le prestazioni richieste entro limiti di temperatura accettabili per l’elettronica. Tipici task dei servo, come la rapida accelerazione e decelerazione durante il posizionamento, possono essere particolarmente difficili nella progettazione di soluzioni ibride, a causa del problema di efficace dissipazione del calore.

La separazione del motore e dell’azionamento in questo punto previene invece il declassamento intrinseco nella progettazione e consente l’uso di motori più piccoli e con maggiore efficienza energetica.

Per meglio illustrare le relazioni riportate sopra, Linde cita anche un esempio di tecnologia di servo azionamento per una macchina di processo alimentare: un’affettatrice, a monte del processo, taglia formaggio e salsiccia e le fette, convogliate tramite nastro, sono trasportate alla fase successiva di lavorazione. “Affinché siano trasportate fette ben definite, il processo richiede un sistema di posizionamento monoasse altamente dinamico: quanto occorre integrare, quindi, le sofisticate funzioni di motion control e mantenere, nello stesso tempo, un controllo centralizzato della macchina? L’affettatrice offre un buon esempio, perché rappresenta uno specifico asse decentralizzato ma i suoi elevati requisiti di potenza non possono essere soddisfatti con un azionamento di quel tipo”, spiega Linde. “L’obiettivo primario dal punto di vista della costruzione è dunque armonizzare esigenze funzionali diverse fra loro e combinare soluzioni centralizzate e decentralizzate: con l’azionamento Akd-N Kollmorgen, focalizzato deliberatamente sull’uso di una piattaforma Akd centralizzata e di un’ampia varietà di attuatori compatibili, è disponibile una tecnologia che permette la selezione di una soluzione ottimale di motion per il task prestazionale richiesto”.

Nei macchinari per il confezionamento e nelle macchine per il settore del food and beverage, la tendenza è proprio quella di installare piccole unità altamente autoprotette all’interno della struttura della macchina, seguendo una progressiva tendenza a modularizzare le strutture di produzione e distribuire o combinare le funzioni. Tale approccio è rafforzato dal fatto che le apparecchiature di produzione consistono di un processo principale e funzioni ausiliarie, queste ultime gestite da una varietà di moduli compatibili (ad esempio sistemi convogliatori, selezionatori e unità di manipolazione). La macchina è così più facilmente espandibile. La pratica dimostra che una struttura decentralizzata è vantaggiosa con singoli assi spazialmente distribuiti, mentre i moduli macchina sono generalmente preferiti nel caso di assi sincronizzati fisicamente vicini fra loro e azionamenti situati centralmente in un armadio.

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