L’evoluzione tecnica del motion control nel packaging

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oil packaging 3Il settore delle macchine e linee automatiche di imballaggio è oggi in forte espansione tecnica grazie ai controllori sempre più performanti e alle numerose possibilità di comunicazione.

Le innovazioni tecnologiche, l’integrazione delle piattaforme di comunicazione, la connettività remota, la modularità, la necessità di sicurezza e conformità a standard internazionali sono le leve che, in questo periodo, sostengono un processo di miglioramento continuo nei settori applicativi del motion control con particolare riferimento al packaging. Questo particolare comparto, infatti, si contraddistingue da sempre per la ricerca continua di maggiore velocità operativa e di maggiore efficienza. Vale allora la pena effettuare una veloce panoramica dei più recenti sviluppi tecnologici nel settore del motion control per sistemi di packging nell’intento di tracciare un quadro utile sia ai costruttori che agli utenti finali.

La liberazione dai cavi

Questa sembra essere oggi una strategia vincente: invece di motori e drive separati, servomotori compatti con drive e attuatore in un unico monoblocco funzionale, che può anche costituire parte della macchina, con una serie evidente di vantaggi: minori dimensioni dell’armadio elettrico, minori necessità di cablaggio, minori opere di passaggio cavi e, soprattutto, eliminazione dei possibili disturbi per radioemissione. L’utilizzo di servomotori compatti costituisce un vantaggio non solo economico ma anche impiantistico in quanto elimina alla base le cause di possibile inquinamento elettromagnetico e limita la connessione dei servomotori alla sola alimentazione di linea e, ove presente, al cavo di comunicazione su bus o rete.

La facilità di integrazione

E a proposito di bus, sempre più spesso i sistemi di motion control sono dotati di una o più interfacce di comunicazione: come minimo un bus I/O (Profibus, CanBus, Modbus, ecc…) ma, spesso, anche una connessione di rete (Ethernet, EtherCat, Ethernet IP, Profinet, ecc…) che consentono controllo remoto e monitoraggio/supervisione. La disponibilità di connessioni aperte favorisce sia gli OEM, che possono adottare soluzioni tecnologiche scegliendo in un ampio catalogo di dispositivi compatibili con gli standard di comunicazione disponibili, sia gli utenti finali, che possono applicare soluzioni di miglioramento o effettuare interventi di manutenzione servendosi dei fornitori usuali e dei brand di fiducia.

La sicurezza immediata

Anche la sicurezza, che da tempo costituisce uno dei fattori di miglioramento più significativi in automazione, gioca un ruolo importante nell’evoluzione tecnologica del controllo del moto: la disponibilità di sistemi di controllo “safety” (disponibilità non recentissima, in verità) consente di strutturare sistemi intrinsecamente sicuri. I sistemi safety sono gestiti da PLC e PAC certificati per la trasmissione e il trattamento di segnali di sicurezza quali, per esempio, pulsanti di emergenza, interruttori di protezione per coperture e cancelli d’accesso, barriere fotoelettriche di protezione perimetrale, ecc… Questa classe di controllori è in grado contemporaneamente di gestire l’intero scenario di protezione utilizzando le funzioni di sicurezza integrate nei drive dei motori e di mantenere attivi e operativi gli anelli chiusi di regolazione del moto. Ciò significa riavvio più veloce della linea in caso di fault, possibilità di effettuare regolazioni di setup, messa a punto e cambio formato con cancelli e/o coperture di protezione aperte; l’effetto positivo è quella di conseguire tempi di fermo macchina ridotti, e, in generale, una più elevata produttività del sistema di imballaggio, il tutto in un ambiente totalmente sicuro sia per gli operatori che per le macchine.

La gestione integrata degli assi

I sistemi di packaging necessitano in genere della gestione di più assi sempre coordinati e spesso sincroni, oltre all’esecuzione di opportuni programmi di comando e controllo degli assi e del sistema nel suo insieme. Tutto ciò veniva normalmente realizzato tramite due apparecchiature distinte, un PLC per il controllo e la gestione generale del sistema e un C.N.C. per il comando degli assi. I PLC di nuova generazione, oltre a garantire tempi di ciclo estremamente brevi (il che consente il controllo di macchine ad alta velocità e a elevata dinamica), mettono a disposizione la funzionalità di controllo asse in forma integrata con la normale programmazione. I PLC più performanti possono arrivare a gestire addirittura centoventotto assi. Evidenti i vantaggi di un’unica piattaforma hardware per i produttori di sistemi di imballaggio: tempi di ingegnerizzazione dei sistemi ridotti, maggiore semplicità dei programmi per la ridotta necessità di gestione della comunicazione, risparmio economico per l’acquisto di un numero minore di tool di programmazione e/o parametrizzazione. Anche gli utenti finali traggono i loro benefici dall’adozione di logiche di controllo integrate: minori necessità di formazione del personale, minori costi di acquisto di strumenti di manutenzione e ricerca guasti, interventi di trouble shooting più rapidi ed efficienti con tempi ridotti di fermo macchina e maggiore disponibilità dei sistemi automatici. Alla stessa logica di integrazione concorrono anche numerose innovazioni di campo come, per esempio, i progressi tecnologici nella costruzione dei motori elettrici, la loro codifica tramite dispositivi di identificazione certa, la disponibilità di datori di segnale plug-and-play a montaggio rapido che hanno velocizzato sia la costruzione che la manutenzione delle macchine. Per fare un esempio molti produttori di tecnologia offrono oggi pacchetti completi motore-drive come soluzioni ad alta efficienza energetica e, a corredo, ambienti software completi in grado di guidare il costruttore nella selezione delle caratteristiche del motore (taglia, accoppiamento con il drive più indicato, opzioni di comunicazione, ecc…).

La progettazione meccanica

Nel packaging vi è spesso l’esigenza di attuare compiti di trasporto pesante laddove il sistema operi con prodotti ingombranti e/o di peso elevato; in tal caso i sistemi motoriduttori, oltre che per ridurre le velocità di rotazione, sono fondamentali per ottenere elevate coppie a partire da motori di bassa potenza. Per i costruttori, in particolare, può essere molto comodo utilizzare motori a bassa potenza accoppiati a dispositivi di motoriduzione angolari. Ciò consente di risparmiare spazio e di ottenere sistemi meccanici più rigidi con minori perdite di accoppiamento fra organi. A ciò si aggiunga che praticamente tutti i fornitori mettono a disposizione dei progettisti e degli utenti finali sia tutte le caratteristiche meccaniche sia file CAD dei propri motoriduttori per una più facile progettazione integrata e per lo sviluppo della documentazione di macchina.

 

I settori particolari: il food and beverage

Nel mercato del motion control si trovano sempre più spesso prodotti lavabili ad alta pressione e ad alta temperatura; il processo di lavaggio profondo è tipico del settore alimentare laddove le parti della macchina possono trovarsi in diretto contatto con il cibo e/o le bevande e richiede l’utilizzo di dispositivi con involucro esterno in acciaio inossidabile e tenuta di norma superiore al classico IP68.

L’utilizzo di componenti con queste caratteristiche aumenta il costo e anche, certamente, il valore del sistema di packaging fornendo agli utenti finali sistemi affidabili e di più rapida pulizia.

Attualmente questa classe di dispositivi è conforme allo standard IP69K che prescrive la possibilità di disinfettare i sistemi con lavaggi ad alta pressione e alta temperatura. Questo nuovo standard diventerà certamente la norma per l’industria alimentare nel prossimo futuro, in quanto rappresenta un ulteriore step di miglioramento rispetto alle più datate classificazioni IP.

 

Il plus della modularità

La tecnologia delle soluzioni modulari è la più attuale tendenza progettuale: un unico controllo in grado di gestire numerosi assi. Ciò consente di automatizzare, senza la necessità di più CPU, un sistema complesso formato da più sezioni di motion control. Ma modularità significa anche flessibilità, ovvero la possibilità di compiere una “transizione”progettuale passando dal concetto di macchine e sistemi completi di qualsiasi opzione a linee con minori opzioni ma specifiche e orientate all’impiego reale. In altre parole per un costruttore ciò significa avere la possibilità di qualificare la propria offerta tecnica passando da sistemi generici e, per questo, ridondanti, a soluzioni più sintetiche, perché composte da un minor numero di sezioni, ma più aderenti al settore di applicazione e, quindi, più economiche, più semplici da assemblare e più facili da manutenere. È evidente che in tale ottica l’adozione di sistemi di motion di tipo modulare gioca un ruolo essenziale.

 

L’HTML al servizio della manutenzione

Sempre più spesso la connettività viene realizzata tramite Web server integrato direttamente nel controllo assi. Una semplice password (o un analogo meccanismo di protezione da accessi indesiderati) può consentire al manutentore di turno di monitorizzare il sistema da dovunque e senza apparecchiature particolari; un tablet o un semplice smartphone consentono di ottenere informazioni diagnostiche e cronologia degli eventi sulla linea. Di norma i costruttori mettono a disposizione degli utenti finali librerie di aggiornamenti software e gli utenti stessi possono customizzare il Web server aggiungendo pagine Html ad hoc per le proprie necessità. Per esempio, nei sistemi di packaging più complessi le pagine potrebbero riportare anche dati di produttività e di performance dei sistemi per monitorare i tempi di attività della macchina, l’usura dei componenti e decidere le strategie più opportune di manutenzione preventiva, nell’ottica dell’efficienza globale delle apparecchiature (OEE).

 

La rigenerazione

Anche se non sempre è così ovvio, in fase progettuale occorrerebbe descrivere insieme all’utente finale l’intero ciclo di lavoro del sistema, la forma e il peso dei carichi da movimentare per valutare con precisione le inerzie e decidere se adottare o meno drive rigenerativi,

Se gli assi devono traslare o ruotare carichi fortemente inerziali e se il ciclo di lavoro del sistema di packaging richiede diverse velocità degli assi con arresti a elevata dinamica è possibile che vi siano fasi di lavoro in cui i motori, sottoposti ad accelerazioni negative, si comportano da generatori.

La progettazione di macchine intelligenti che incorporano rigenerazione consente di utilizzare l’energia cinetica sprecata in frenatura per alimentare altri componenti della macchina o per restituire energia alla rete in modo misurabile. Le unità rigenerative, seppure leggermente più costose, forniscono una misura concreta della sostenibilità e forniscono flessibilità in termini di risparmio energetico per i costruttori di macchine e utenti finali. Se poi, a questa tecnologia di tipo “front-end attivo”sui drive, si unisce la scelta di motori ad alta efficienza energetica, si genera un sistema che realizza la best practice nel settore del risparmio energetico e che porta benefici sia al costruttore che all’utente finale.

 

La formazione del personale

Troppo spesso considerata superflua o inutilmente dispendiosa, la formazione del personale sulle tecnologie utilizzate in un moderno sistema di packaging e sul suo funzionamento, si rivela invece il fattore determinante nella riduzione dei tempi di fermo macchina; personale che conosca a fondo il sistema automatico e il suo ciclo di lavoro, che sappia posizione e scopo dei sensori presenti, che conosca almeno strutturalmente il software che provvede all’automazione e che sia dotato dei mezzi di indagine necessari non può che realizzare interventi di manutenzione brevi e mirati al veloce ripristino del sistema.

 

 

 

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