Scegliere gli alimentatori appropriati per cobot e AGV nella produzione

La produzione automatizzata si affida sempre più ai robot collaborativi (cobot) e ai veicoli a guida automatica (AGV) per migliorare l'efficienza produttiva e ridurre la variabilità dei prodotti. I cobot lavorano in prossimità dei lavoratori umani e sono generalmente più leggeri e più piccoli dei robot industriali tradizionali. Inoltre, gestiscono carichi utili più leggeri, si muovono a velocità inferiori e applicano forze inferiori. Gli AGV, invece, si muovono all'interno di una struttura, trasportando materiali e pacchi. Queste due applicazioni presentano sfide di alimentazione distinte.

I cobot sono tipicamente alimentati da un alimentatore c.a./c.c. che deve soddisfare la loro domanda dinamica di energia. Tale domanda varia in base al peso del carico, alla velocità e alla complessità del movimento. Gli AGV sono alimentati a batteria e richiedono una ricarica rapida per ridurre al minimo i tempi di inattività. Ciò richiede stazioni di ricarica con una potenza sufficiente per la ricarica rapida.

Entrambe le applicazioni necessitano di alimentatori affidabili, efficienti e adeguatamente certificati.

Questo articolo esamina le sfide energetiche uniche che i progettisti di cobot e AGV devono affrontare nell'automazione della produzione industriale. Presenta quindi le soluzioni di Advanced Energy e mette in evidenza le caratteristiche che aiutano i progettisti a soddisfare tali requisiti.

Requisiti di alimentazione per cobot e AGV

I requisiti chiave per gli alimentatori di cobot e AGV includono dimensioni compatte, affidabilità, alta potenza di uscita e una robusta protezione da cortocircuiti, sovraccarichi, sovratensioni e sovratemperature. Devono inoltre soddisfare i requisiti di compatibilità elettromagnetica (EMC) per ridurre al minimo le interferenze con altri dispositivi e rispettare le norme di sicurezza elettrica e fisica di base per gli utenti e le apparecchiature circostanti.

La fonte di alimentazione per i cobot deve gestire esigenze di alimentazione molto variabili, poiché i requisiti di potenza variano in base al carico che il cobot deve spostare, alla complessità del movimento e alla velocità di variazione richiesta. Inoltre, il cobot potrebbe dover azionare più motori articolari contemporaneamente. Ciò richiede alimentatori con un'elevata capacità di potenza massima. A causa dello spazio limitato all'interno del cobot, la fonte di alimentazione deve essere il più compatta possibile, il che richiede un'alta densità di potenza. Gli ambienti di automazione industriale e di fabbrica funzionano 24 ore su 24, 7 giorni su 7, richiedendo un'elevata affidabilità e un lungo tempo medio tra i guasti (MTBF). Inoltre, il carico di potenza altamente variabile richiede una dinamica dell'anello di controllo dell'alimentazione che rimanga stabile indipendentemente dalle variazioni di carico e dalle condizioni ambientali spesso difficili.

Gli AGV trasportano materiali e merci in modo autonomo, senza richiedere la supervisione dell'uomo. Dotati di sensori e sistemi di visione, gli AGV riducono l'errore umano e migliorano l'efficienza e la sicurezza, riducendo il rischio di incidenti sul lavoro. Tipicamente alimentati a batteria, gli AGV richiedono stazioni di ricarica rapida discrete per ridurre al minimo le interruzioni e i tempi di inattività.

In un momento in cui l'innovazione e il time-to-market sono fondamentali per il successo, i progettisti di cobot e AGV spesso non dispongono delle risorse necessarie per progettare e sviluppare in modo economico un'alimentazione adeguata. Hanno invece bisogno di accedere a un ampio portafoglio di soluzioni di alimentazione affidabili supportate da competenze tecniche che consentano loro di concentrarsi sulla differenziazione delle applicazioni piuttosto che sullo sviluppo degli alimentatori.

Gli alimentatori serie LCM1500 di Advanced Energy

I progettisti di cobot e AGV possono prendere in considerazione gli alimentatori c.a./c.c. serie LCM1500 di Advanced Energy (Figura 1) per soddisfare i requisiti di prestazioni, affidabilità, efficienza e sicurezza dell'automazione della produzione. La progettazione dei circuiti all'avanguardia della soluzione LCM1500, che include il controllo di retroazione digitale, unita a componenti accuratamente selezionati e a processi di produzione automatizzati, consente di ottenere alimentatori ad alte prestazioni a costi contenuti. Questa ampia linea di sorgenti di alimentazione offre anche una varietà di opzioni e configurazioni personalizzate.

Figura 1: Esempi di configurazioni dell'alimentatore LCM1500 con connessioni di uscita a morsettiera (a sinistra) e a lama (a destra). (Immagine per gentile concessione di Advanced Energy)

LCM1500 è disponibile con tensioni di uscita standard di 12 V, 15 V, 24 V, 28 V, 36 V e 48 V per una varietà di applicazioni di automazione della produzione. Ad esempio, i cobot utilizzano abitualmente alimentazioni a 48 V per fornire un bus di alimentazione c.c. comune che viene distribuito ai singoli motori di ciascun giunto mobile. Le tensioni di uscita degli alimentatori LCM1500 sono regolabili in un intervallo di ±10% e hanno una tolleranza del setpoint dello 0,5%. L'alimentatore LCM1500 è racchiuso in un alloggiamento di 63,5 × 132 × 254 mm destinato al montaggio su telaio. La potenza di uscita di 1.500 W in questo involucro produce una densità di potenza di uscita di 0,7 W/cm3.

Densità di potenza così elevate richiedono un raffreddamento ad aria forzata. In questi alimentatori, il raffreddamento è assicurato da due "ventole intelligenti" montate sul pannello posteriore dell'alimentatore. La velocità della ventola è controllata da un software che la regola per soddisfare i requisiti di raffreddamento. Il pannello frontale è perforato per consentire il passaggio dell'aria di raffreddamento, mentre le restanti pareti dell'involucro sono piene. L'altezza di 63,5 mm di questi alimentatori li rende adatti all'installazione in involucri rack 2U.

Le unità con tensioni di uscita più elevate sono dotate di una morsettiera per uso intensivo per il collegamento dell'uscita. Le unità a 12 V e 15 V, che hanno correnti di uscita pari o superiori a 100 A, sono dotate di contatti a lama.

Gli alimentatori serie LCM1500 sono progettati per funzionare in un intervallo di temperatura compreso tra -40 e +70 °C, con una riduzione lineare della potenza di uscita al di sopra dei +50 °C e un limite del 50% della potenza massima a +70 °C (Figura 2).

Figura 2: Curva di riduzione delle prestazioni in funzione della temperatura per gli alimentatori serie LCM1500. (Immagine per gentile concessione di Advanced Energy)

Gli alimentatori della serie hanno un MTBF calcolato superiore a 300.000 ore, in base alle specifiche Bellcore 332, n. 6 (+25 °C e +40 °C ambiente, a pieno carico). In condizioni operative normali, la famiglia di prodotti ha un MTBF superiore a 500.000 ore, in base ai dati sulle prestazioni.

Questi alimentatori funzionano con un intervallo della tensione di ingresso da 90 V_c.a. a 264 V_c.a. con frequenze di alimentazione da 47 Hz a 440 Hz. Il fattore di potenza in ingresso è tipicamente di 0,99 e la corrente di picco in ingresso (inserzione) è limitata a 25 A.

La regolazione della tensione totale, compresi linea, carico, variazione di temperatura e riscaldamento, è del 2% grazie al controllo a retroazione digitale. Questi alimentatori possono condividere la corrente di uscita, consentendo di collegare in parallelo fino a 10 alimentatori per aumentare la potenza di uscita.

Funzioni di protezione da ricercare

Gli alimentatori della serie LCM1500 sono dotati di molteplici funzioni di protezione. Queste sono necessarie per applicazioni quali i cobot, dove un motore inceppato può assorbire una corrente eccessiva dall'alimentazione. Le funzioni principali da notare sono:

• Protezione da sovratensione (OVP): interrompe l'alimentazione in caso di sovratensione sull'uscita. Protegge le batterie dell'AGV dal sovraccarico durante un guasto dell'alimentazione e viene disattivata eseguendo il ciclaggio dell'ingresso c.a..
• Protezione da sovracorrente (OCP): è un circuito interno che limita la corrente in caso di sovraccarico o cortocircuito. L'OCP tenta automaticamente il recupero circa 20 secondi dopo la rimozione del sovraccarico.
• Protezione da cortocircuito (SCP): protegge tutte le uscite in caso di cortocircuito verso terra o verso un'altra uscita. Come nel caso dell'OCP, l'uscita viene ripristinata 20 secondi dopo la rimozione del cortocircuito.
• Protezione da sovratemperatura (OTP): interrompe l'alimentazione quando la temperatura ambiente supera i +55 °C a pieno carico. L'OTP si disattiva automaticamente quando la temperatura scende a un valore sicuro.
• Gli alimentatori sono protetti da un fusibile da 30 A nelle linee di ingresso c.a.. Il fusibile è interno e non è riparabile dall'utente.

Due LED di stato sul pannello frontale indicano la presenza di alimentazione c.a. (ACOK) e segnalano lo stato dell'uscita c.c. come funzionante (DCOK) o in modalità di spegnimento (FAIL) (Figura 3).

Figura 3: Vista del pannello frontale dell'alimentatore LCM1500 che mostra la posizione dei LED di stato e dei collegamenti primari. (Immagine per gentile concessione di Advanced Energy, modificata da Art Pini)

Quando l'alimentatore funziona normalmente, questi LED sono accesi e di colore verde. In caso di guasto, sono spenti. Nell'immagine sono mostrati anche i principali connettori di ingresso, uscita e controllo del pannello frontale.

Il PMBus semplifica la gestione dell'alimentazione

Il PMBus è un protocollo di comunicazione standard del settore basato su I²C per la gestione degli alimentatori. Funziona con tutti i tipi di prodotti per la gestione dell'alimentazione, compresi gli alimentatori c.a./c.c.. La serie LCM1500 include una porta di interfaccia I²C accessibile tramite il connettore di segnale. Ciò consente il monitoraggio e il controllo dell'alimentatore tramite comandi PMBus, quali l'accensione o lo spegnimento, il monitoraggio dello stato, l'impostazione del livello di tensione di uscita e altro ancora. La funzione di controllo remoto è utile per consentire il controllo interattivo dei dispositivi robotici, ad esempio mettendo l'alimentatore in modalità standby per ridurre il consumo energetico quando il cobot è inattivo.

Certificazioni secondo gli standard

La serie LCM1500 soddisfa i requisiti di sicurezza elettrica, EMC e le normative internazionali per le applicazioni di automazione industriale, comprese le certificazioni secondo IEC/EN/UL 62368-1 e gli standard correlati (Figura 4).

Figura 4: Sintesi delle certificazioni e delle approvazioni di sicurezza, EMC, industriali, medicali e internazionali della serie LCM1500. (Immagine per gentile concessione di Advanced Energy Industries)

Il design della serie LCM1500 garantisce inoltre la conformità a FCC Parte 15, CISPR 32, EN55022 e alle sezioni pertinenti di EN61000 (IEC 61000) per l'immunità. Questi requisiti garantiscono la compatibilità elettromagnetica (EMC) nell'ambiente di fabbrica, dove devono coesistere più sorgenti e ricevitori RF.

Opzioni e configurazioni degli alimentatori LCM1500

Gli alimentatori LCM1500 sono disponibili in una varietà di configurazioni per aiutare i progettisti a soddisfare i requisiti delle applicazioni.

Prendiamo in considerazione il modello LCM1500Q-T-4, da 1500 W, tensione di uscita nominale di 24 V e uscita di corrente massima di 67 A. Dispone inoltre di un bus di alimentazione di standby opzionale integrato da 5 V in grado di fornire fino a 2 A per i circuiti ausiliari. La potenza di standby è disponibile tramite il connettore di controllo a 20 pin.

Il modello LCM1500W-T-B è un alimentatore front-end da 1.500 W con un'uscita singola a 48 V e una corrente di uscita massima di 33 A. Include due opzioni: ventilazione inversa e corrente costante. La ventilazione inversa inverte il flusso d'aria standard (da dietro a davanti): l'aria viene aspirata attraverso il pannello anteriore ed espulsa attraverso le ventole montate posteriormente. La corrente costante mantiene la corrente di uscita a un livello fisso variando la tensione.

L'ultimo modello che esaminiamo è LCM1500Q-T-5, un alimentatore da 1.500 W, 24 V, con una corrente massima di 67 A. Include l'opzione di potenza di standby a 5 V e presenta tropicalizzazione su tutti i circuiti stampati.

La tropicalizzazione protegge i circuiti dall'umidità e dalla contaminazione di particelle in ambienti industriali.

Conclusione

I progettisti di cobot e AGV hanno bisogno di fonti di alimentazione affidabili che forniscano alta potenza in fattori di forma compatti e compatibili con gli ambienti di fabbrica. Gli alimentatori serie LCM1500 di Advanced Energy forniscono una potenza di uscita di 1.500 W, con un intervallo di tensioni di uscita e caratteristiche opzionali che li rendono ideali per sistemi AGV e cobot negli ambienti di produzione.