Efficienza e sostenibilità nei settori industriali grazie alle soluzioni di movimento e controllo
Contributo di DigiKey
2024-05-24
Figura 1: Pompe per l'acqua in una grande centrale elettrica. (Immagine per gentile concessione di Shutterstock)
Di fronte alle sfide ambientali e alla necessità di prodotti elettronici sostenibili, le aziende di tutto il mondo sono alla ricerca di soluzioni per ottimizzare le operazioni e ridurre al minimo l'impronta di carbonio. Indipendentemente dal settore, è necessario controllare i processi per ridurre il consumo di energia e gli sprechi e massimizzare la produzione.
I prodotti per il controllo e il movimento lavorano insieme per gestire il movimento, la velocità e la posizione di elementi meccanici all'interno di applicazioni elettroniche. Questi prodotti sono progettati per fornire un controllo preciso, efficiente e affidabile su vari aspetti del movimento, consentendo a macchine e apparecchiature di svolgere le loro funzioni con prestazioni ottimali ed errori minimi.
DigiKey, distributore globale di componenti elettronici, offre un'ampia selezione di prodotti per il controllo e il movimento di diversi fornitori, consentendo ai clienti di migliorare la sostenibilità e l'efficienza dei loro sistemi automatizzati.
Componenti fondamentali dei sistemi di movimento e controllo
Al centro delle soluzioni di controllo e movimentazione vi sono i motori elettrici, che rappresentano il mezzo principale per convertire l'energia elettrica in energia meccanica. Ne esistono di diversi tipi nelle applicazioni, ciascuno con caratteristiche e vantaggi unici. Ad esempio, i motori c.a. sono noti per la loro durata, efficienza e capacità di funzionare a velocità elevate, il che li rende adatti all'uso in macchine industriali, impianti HVAC e altre applicazioni in cui sono essenziali prestazioni affidabili e a lungo termine. I motori c.c., invece, offrono un eccellente controllo della coppia e della velocità, che li rende adatti ad applicazioni che richiedono movimenti precisi, come la robotica e i sistemi automotive. I motori passo-passo garantiscono un posizionamento estremamente accurato e sono utilizzati nelle stampanti 3D, nelle macchine CNC e in altri dispositivi che richiedono un movimento preciso e incrementale. I servomotori, con i loro tempi di risposta rapidi e l'elevata coppia erogata, sono impiegati in applicazioni che richiedono movimenti rapidi e precisi, come i sistemi aerospaziali.
Per controllare e regolare efficacemente il funzionamento dei motori, le soluzioni per il controllo assi e il controllo si basano su una serie di azionamenti e controller. Gli azionamenti a frequenza variabile (VFD) sono utilizzati per gestire la velocità e la coppia dei motori c.a., per il funzionamento regolare ed efficiente e il risparmio energetico. I servoazionamenti, progettati specificamente per i servomotori, forniscono un controllo a circuito chiuso e consentono il posizionamento e il movimento estremamente precisi. I controller di movimento, in grado di gestire più assi di movimento contemporaneamente, sono impiegati in applicazioni complesse dove coordinano e sincronizzano il movimento di vari componenti per un funzionamento fluido e preciso.
Gli attuatori svolgono un ruolo cruciale anche nei sistemi di movimento e controllo, in quanto sono responsabili della conversione dell'energia in moto e della fornitura di forza per muovere i componenti meccanici. Conosciuti per l'elevata forza erogata e la capacità di gestire carichi pesanti, gli attuatori idraulici sono utilizzati nelle attrezzature per l'edilizia, nei macchinari industriali e così via, dove è necessaria una potenza pura. Gli attuatori pneumatici, che si basano sull'aria compressa per generare il movimento e fornire tempi di risposta rapidi, sono utilizzati in applicazioni che comportano movimenti rapidi e ripetitivi, come le linee di imballaggio e le catene di montaggio. Gli attuatori elettrici, sia di tipo lineare che rotativo, forniscono un controllo preciso in applicazioni quali dispositivi e apparecchiature mediche, automotive e aerospaziali.
Figura 2: Sistema di telecamere con sensore di visione robotico in una fabbrica intelligente. (Immagine per gentile concessione di Shutterstock)
Sensori, dispositivi di retroazione e sistemi di controllo
Per garantire che i sistemi di movimento e controllo funzionino con il massimo livello di precisione e affidabilità, vengono utilizzati sensori e dispositivi di retroazione per monitorare e misurare vari aspetti del movimento. I sensori di posizione, come i potenziometri lineari e rotativi, forniscono dati in tempo reale sulla posizione esatta degli elementi meccanici, consentendo un posizionamento e un tracciamento precisi. Gli encoder, come quelli incrementali e assoluti, sono utilizzati per determinare la posizione angolare e la velocità degli alberi rotanti per il controllo accurato della velocità e della posizione. Anche i resolver, simili agli encoder ma progettati per l'uso in ambienti difficili, offrono un'elevata accuratezza e affidabilità in applicazioni sensibili.
A collegare tutti questi componenti sono i sistemi di controllo che orchestrano e gestiscono il funzionamento complessivo delle soluzioni di movimento e controllo. I controller a logica programmabile (PLC), robusti computer industriali progettati per il controllo e l'automazione, gestiscono simultaneamente più segnali di ingresso e di uscita nell'automazione di fabbrica, nel controllo di processo e in altre applicazioni. I PC industriali, che offrono maggiore flessibilità e potenza di elaborazione rispetto ai PLC, sono spesso utilizzati in tandem con un software di controllo assi avanzato per simulare gli algoritmi di controllo assi in sistemi complessi e multiasse.
Componenti di movimento e controllo nelle applicazioni industriali
Le soluzioni di movimento e controllo sono fondamentali per migliorare l'efficienza, la precisione e la produttività di un'ampia gamma di processi industriali. Ad esempio, gestiscono apparecchiature come bracci robotici e macchine utensili per migliorare le operazioni industriali e ridurre al minimo gli errori. Nelle fabbriche e nei magazzini automotive, i sistemi di movimento e controllo coordinano il movimento dei robot industriali, dei robot collaborativi (cobot) e dei robot mobili autonomi (AMR) per eseguire attività come la movimentazione, l'assemblaggio e l'ispezione. Analogamente, nelle applicazioni di imballaggio industriale, le soluzioni di controllo assi e controllo prelevano e trasportano articoli come scatole e pallet utilizzando sistemi di trasporto, macchine di smistamento e sistemi di stoccaggio/recupero automatizzati (AS/RS).
Nel settore medico, i sistemi di movimento e controllo influenzano il modo in cui vengono fornite le cure mediche e viene condotta la ricerca. Consentono il posizionamento, il dosaggio e l'automazione precisi nei dispositivi e nelle apparecchiature mediche, come i robot chirurgici, i sistemi di diagnostica per immagini e la strumentazione di laboratorio. Ad esempio, i robot chirurgici dotati di componenti di movimento e controllo possono eseguire interventi poco invasivi con estrema precisione, riducendo i tempi di recupero dei pazienti e migliorando l'esito finale. I sistemi automatizzati di manipolazione dei liquidi nei laboratori di ricerca farmaceutica utilizzano anche sistemi di movimento e controllo per dosare e miscelare con precisione i reagenti, razionalizzando il processo di scoperta dei farmaci e accelerando lo sviluppo di nuove terapie.
Anche i settori aerospaziale e della difesa dipendono da soluzioni di movimento e controllo di precisione per applicazioni mission-critical come il posizionamento satellitare, i sistemi di controllo degli aerei e la guida dei missili. In questi settori, anche la minima deviazione dal movimento o dalla posizione prevista può avere un impatto catastrofico. Le tecnologie di movimento e controllo assicurano che questi sistemi funzionino con eccezionale precisione e affidabilità, consentendo ai satelliti di mantenere le orbite, agli aerei di volare in sicurezza e ai missili di raggiungere gli obiettivi. Inoltre, queste soluzioni consentono lo sviluppo e il collaudo di nuove tecnologie aerospaziali e di difesa, permettendo agli ingegneri di simulare e convalidare sistemi complessi prima del loro impiego sul campo.
Capire la strategia multi-fornitore di DigiKey
Grazie alla collaborazione con più fornitori, DigiKey garantisce a ingegneri e progettisti di sistemi l'accesso a un'ampia selezione di prodotti. Questa strategia non solo aumenta la varietà dei prodotti, ma ne migliora anche la disponibilità, promuove prezzi competitivi e fornisce l'accesso a una vasta gamma di competenze tecniche. Un chiaro vantaggio dell'approccio multi-fornitore di DigiKey è la capacità di soddisfare una serie di requisiti industriali. Che si tratti di un motore passo-passo compatto per strumentazione di precisione o di un servoazionamento a coppia elevata per l'automazione pesante, l'inventario di DigiKey offre una soluzione per tutte le applicazioni. Questa diversità consente agli ingegneri di trovare i prodotti più adatti alle loro specifiche esigenze, in grado di ottimizzare le prestazioni e l'efficienza complessiva del sistema. Inoltre, rifornendosi da più fornitori, DigiKey riduce al minimo il rischio di interruzioni della supply chain: quando un produttore ha problemi o subisce ritardi di produzione, è possibile reperire prodotti alternativi da altri fornitori, garantendo ai clienti una fornitura affidabile e costante. Questa resilienza fa la differenza negli impianti industriali, dove anche minimi tempi di inattività possono avere un impatto significativo su risorse, budget e operazioni.
Prodotti avanzati per il controllo e la movimentazione da molti leader del di settore
Le partnership di DigiKey con produttori leader come Schneider Electric, Siemens e Omron dimostrano il suo impegno volto alla qualità e all'innovazione. Questi giganti del settore sono rinomati per le loro soluzioni di controllo e movimento all'avanguardia, che incorporano funzioni e tecnologie avanzate per favorire l'efficienza e la sostenibilità.
Il dispositivo di avviamento statico Altivar™ ATS480 di Schneider Electric (Figura 3) si basa sulle prestazioni di avvio/arresto delle versioni precedenti per estendere ulteriormente la durata delle apparecchiature e massimizzare la disponibilità delle applicazioni in ambienti difficili. Il VSD Altivar 212 offre la massima facilità d'uso e sicurezza agli integratori di sistema e agli utenti finali in impianti HVAC, risparmiando energia e migliorando il comfort e la gestione degli edifici. Allo stesso modo, i VFD ATV320 offrono sicurezza, affidabilità e semplicità in fattori di forma compatti per un'installazione semplificata e un uso efficiente dello spazio.
Figura 3: Dispositivo di avviamento statico Altivar™ ATS480 di Schneider Electric. (Immagine per gentile concessione di Schneider Electric)
La linea Easy TeSys di Schneider Electric comprende avviatori di motore manuali con protezione magnetica pari a 13 volte l'impostazione massima del quadrante, relè termici con connessioni a morsetto a vite e contattori a 3 poli con una durata di circa un milione di operazioni elettriche. Questi dispositivi sono progettati per commutare e proteggere le più comuni applicazioni a motore. Gli avviatori TeSys™ con comunicazione a isola eliminano il cablaggio di controllo e l'IO del PLC con un solo cavo a nastro, fornendo l'accesso ai dati tramite protocolli di comunicazione industriale.
Gli azionamenti SINAMICS V20 di Siemens, con il loro design compatto, robusto e resistente, sono ideali per l'uso in una varietà di applicazioni di base nei processi e negli impianti di produzione. Inoltre, i gruppi contattori invertenti serie SIRIUS 3RA23 impediscono errori di cablaggio nei circuiti principali e di controllo. I contattori di controllo SIRIUS offrono opzioni flessibili per la commutazione di carichi elettrici, con possibilità di scelta tra meccanismi di funzionamento convenzionali e a stato solido.
Gli azionamenti a frequenza variabile serie MX2 di Omron offrono il controllo avanzato dei motori e delle macchine utilizzando la tecnologia VFD per il funzionamento preciso, il risparmio energetico e la protezione dai guasti. Grazie al design e agli algoritmi avanzati, MX2 offre un controllo fluido fino a velocità zero e una capacità di controllo della coppia ad anello aperto.
Figura 4: Relè di sovraccarico termico TeSys di Schneider Electric. (Immagine per gentile concessione di Schneider Electric)
Migliorare la sostenibilità in una linea di produzione automatica
Per illustrare l'impatto delle tecnologie di movimento e controllo sulla sostenibilità, consideriamo una linea di produzione automatica in un impianto di produzione. Dal controllo preciso delle velocità dei nastri trasportatori e dei motori delle confezionatrici all'integrazione di bracci robotici e all'implementazione di sistemi di sicurezza, questi componenti consentono ai produttori di raggiungere l'obiettivo di ridurre al minimo il consumo energetico e gli sprechi, garantendo al contempo la sicurezza e l'affidabilità delle operazioni:
Sistemi a nastro trasportatore: nella linea di produzione automatizzata, i sistemi di trasporto svolgono un ruolo fondamentale nel trasporto di materiali e prodotti tra le diverse fasi del processo produttivo. Incorporando il VSD Altivar 212 di Schneider Electric o la serie MX2 di Omron, è possibile controllare la velocità dei motori dei nastri trasportatori in base al ritmo di produzione richiesto. Assicurando che il trasportatore funzioni alla velocità ottimale, il consumo energetico è inferiore e l'usura dei componenti meccanici è minore. Inoltre, i dispositivi di avviamento statico, come Altivar™ ATS480 di Schneider Electric, garantiscono un avvio e un arresto graduale dei motori dei nastri trasportatori, riducendo le sollecitazioni meccaniche e prolungando la durata dell'apparecchiatura.
Macchine di confezionamento: le macchine di confezionamento sono parte integrante di una linea di produzione automatizzata e sono responsabili dell'avvolgimento, della sigillatura e dell'etichettatura dei prodotti. Queste macchine richiedono spesso un controllo preciso della velocità e della coppia del motore per garantire un confezionamento uniforme e accurato. Integrando i VFD ATV320 di Schneider Electric, i motori delle macchine per il confezionamento possono essere controllati con estrema precisione, migliorando le prestazioni complessive e l'efficienza energetica del sistema.
Bracci robotici: i bracci robotici sono ampiamente utilizzati nelle linee di produzione automatizzate per compiti quali la movimentazione dei materiali, l'assemblaggio e l'ispezione della qualità. Questi strumenti richiedono un controllo preciso di più assi di movimento per svolgere i loro compiti in modo accurato ed efficiente. Gli avviatori di motori comunicanti a isola TeSys di Schneider Electric offrono il controllo dei motori dei bracci robotici. Evitando la necessità di un cablaggio complesso e di un PLC IO, l'isola TeSys facilita e velocizza anche l'installazione e la configurazione del sistema di controllo del braccio robotico. L'interfaccia digitale integrata e lo strumento di configurazione intelligente semplificano la messa in servizio e la regolazione, mentre la possibilità di accedere ai dati critici tramite i protocolli di comunicazione consente il monitoraggio remoto e la manutenzione predittiva.
Pompe e ventole: le pompe e le ventole sono fondamentali in vari aspetti di una linea di produzione automatizzata, come i sistemi di raffreddamento, le centraline idrauliche e i sistemi di ventilazione. L'ottimizzazione delle prestazioni di questi componenti può ridurre il consumo energetico e garantire la massima operatività. Gli azionamenti SINAMICS V20 di Siemens, con il loro design compatto e robusto, sono adatti al controllo di pompe e ventole in ambienti industriali. Gli azionamenti SINAMICS V20 offrono diverse funzioni, tra cui il controllo PID, il controllo multi-pompa e le modalità di risparmio energetico.
Sistemi di sicurezza: garantire la sicurezza del personale e delle apparecchiature è della massima importanza nelle strutture produttive. Con i gruppi contattori di sicurezza, le linee di produzione possono raggiungere un elevato livello di sicurezza, riducendo il rischio di incidenti e tempi di fermo. I contattori invertenti serie SIRIUS 3RA23 di Siemens possono implementare funzioni di sicurezza nel sistema di controllo del motore. Questi gruppi si integrano perfettamente nei sistemi di sicurezza funzionale ai sensi degli standard internazionali quali IEC 61508 e ISO 13849-1. Le caratteristiche di interblocco meccanico ed elettrico integrate della serie 3RA23 evitano inoltre errori di cablaggio e garantiscono il funzionamento sicuro dei circuiti di inversione del motore.
Figura 5: Bracci robotici industriali intelligenti per la produzione in una fabbrica digitale. (Immagine per gentile concessione di Shutterstock)
Conclusione
Le soluzioni avanzate per il controllo e il movimento sono fattori critici per l'efficienza e la sostenibilità in un'ampia gamma di settori. Integrando queste tecnologie nelle linee di produzione automatizzate, i produttori migliorano l'efficienza operativa, riducono il consumo energetico e gli sprechi di materiale e prolungano la vita utile delle apparecchiature. Il portafoglio di prodotti offerto da DigiKey, proveniente da più fornitori, consente a ingegneri e progettisti di creare sistemi che offrano prestazioni elevate nel rispetto dell'ambiente. DigiKey offre una piattaforma in cui gli ingegneri possono esplorare, confrontare e acquistare i prodotti di controllo assi e controllo più adatti alle loro applicazioni.

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