L’automazione al servizio dell’efficienza

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La discussione sul clima ha avvicinato il tema dell’efficienza energetica alla coscienza pubblica. Nel quadro di questa aumentata sensibilità un numero crescente di prodotti viene commercializzato, vantandone l’efficienza energetica. Quindi non è più solo l’immagine ‘ecologica’ ad essere in primo piano, ma anche i costi energetici giocano un ruolo importante.
Per decenni, le economie di tutto il mondo, e la maggior parte di quelle europee, sono state in grado di crescere rapidamente in base alla disponibilità pressoché illimitata di energia a basso costo e di risorse. Primi segni di dipendenza in materia di energia per la prosperità sono diventati evidenti negli anni 70’, con una serie di battute d’arresto economiche derivanti dalla scarsità di energia.
La necessità di trovare con urgenza un’alternativa ai combustibili fossili è oggi una priorità ben percepita nei Paesi più sviluppati e in via di sviluppo. La necessità di utilizzare intelligentemente l’energia che continuiamo a produrre con queste fonti non rinnovabili, è di fondamentale importanza in tutto il mondo.
Questi due obiettivi sono oggi attivamente perseguiti da aziende che sono state completamente rimodellate, in dimensioni, mentalità e struttura, al fine di rispondere alle esigenze del mercato in continua evoluzione.
I risultati finanziari derivanti da questo sforzo intenso nel settore della ‘produzione di energia e risparmio energetico’ sono stati fondamentali, negli ultimi anni turbolenti di recessione e di crisi, per sostenere società e un mercato, fortemente carente in termini di innovazione tecnologica. Da qui, l’importanza di agire su leve appropriate per dare più efficienza a macchine e impianti. Motivati dalla pressione finanziaria e legislativa, le aziende che acquistano e gestiscono macchine e impianti industriali, stanno cercando soluzioni e metodi per limitare il costo del ciclo di vita delle loro linee di produzione. L’industria manifatturiera richiede sempre maggiori dati sui consumi energetici da inserire nelle proprie valutazioni economiche. I costruttori di macchine utensili dovranno quindi essere in grado di fornire dati accurati sui loro prodotti in termini di richiesta di energia, per la fabbricazione del prodotto stesso. Sfortunatamente, oggi, né i costruttori di macchine utensili, né i loro clienti hanno un quadro chiaro del consumo energetico delle macchine e delle loro linee di produzione.

Misurare il consumo effettivo
Oggi è determinante progettare in termini di consumo energetico. Mentre sono disponibili dati rilevati da misure, ciò che pochi offrono è un metodo pratico per misurare il consumo effettivo di energia, arrivando a definire una tecnica di modellazione semplice ma efficacie.
Analizzando i dati rappresentati in Figura 1, risulta più chiaro comprendere i motivi economici che spingono verso una sempre maggiore efficienza energetica.
Nel grafico sono rappresentati sulle ascisse gli anni e sull’ordinata di sinistra le TEP (Tonnellate Equivalenti di Petrolio) e sulla destra i costi dell’energia espressi in euro/kW. Come si può vedere dal 2001 ad oggi c’è stato un calo della richiesta energetica primaria per i 27 Paesi dell’eurozona pari al 12 %, nello stesso periodo il costo energetico è aumentato ben del 46%. Questi dati rafforzano la necessità di soluzioni innovative.
Prendiamo come esempio il consumo di energia primaria in Germania che è rimasto pressoché costante dal 1990, nonostante un aumento del prodotto interno lordo di circa il 27% , (parliamo comunque di circa 600 TWh). Questo è tuttavia, principalmente attribuibile a un cambiamento nella struttura economica. Secondo i dati statistici l’industria è responsabile per quasi il 30% del consumo finale di energia. Di questo 30% circa il 10-15% è determinato dal consumo energetico delle macchine utensili per la lavorazione ed il taglio del metallo, una media per ogni macchina utensile, di una quantità di CO₂ emessa pari alle emissioni di 70 autovetture.
Analizzando i consumi di una macchina utensile da taglio (Figura 2) si scopre che solo il 25% dell’energia richiesta viene utilizzata per portare a termine il processo. Il 75 % è energia persa e di questo il 20% viene dissipato dalla macchina con un funzionamento a vuoto. Pensare di risparmiare questo 20% di energia, così come il 10% delle perdite di processo, è una sfida determinante in futuro.
Un sistema produttivo a basso consumo energetico deve essere anche altamente produttivo e in grado di reagire in maniera flessibile e rapidamente alle esigenze del mercato. Al fine di ridurre il consumo energetico nell’industria manifatturiera, su base permanente, occorre una standardizzazione dei meccanismi per la gestione della riduzione del consumo dell’energia necessaria, il cosiddetto ‘energy management’. A questo fine, i sistemi di controllo macchina e i sistemi di produzione, devono essere sviluppati per gestire gli effettivi valori di consumo energetico richiesto portando la macchina ad un uso efficiente dell’energia.
I costi energetici influiscono sul Total Cost of Ownership al 50%, raggiungendo spesso il 70% e in pochi casi, per quanto riguarda macchine e impianti, addirittura il 90%. Una maggiore efficienza energetica, pertanto, riduce i costi d’esercizio in maniera rapida e duratura.
Quanto detto finora rende chiaro che una migliore tecnica di modellazione è necessaria per la valutazione di efficienza energetica, ad esempio di una macchina utensile. La Figura 3. rappresenta la struttura tipica della misurazione potenza assorbita dalla macchina per una semplice operazione di fresatura di alluminio. In particolare si notano i picchi di consumo nel posizionamento o nell’accelerazione del mandrino, ma principalmente si vede al punto (8) un consumo permanente con funzionamento a vuoto.

Le possibilità offerte dalla tecnologia dei bus di campo
La tecnologia ha consentito di sostituire gran parte dei movimenti meccanici con movimenti elettrici. Le macchine industriali più evolute adottano come mezzo di comunicazione tra i differenti dispositivi che la compongono il cosiddetto ‘bus di campo’ che ne garantisce l’interoperabilità tra componenti anche di differenti vendor. CPU di controllo master, azionamenti, IOs, locali o remoti, tutti connessi tra loro.
Un esempio di bus di campo industriale real-time è Sercos, non il primo bus digitale, ma il primo sincronizzato (il concetto di sincronizzazione riflette esattamente la meccanica). Nasce specificatamente per il controllo assi e porta all‘estremo il concetto di jitter <1 microsecondo. Sercos rappresenta una evoluzione rispetto ai tradizionali bus seriale, can o profibus ed è il primo che ha introdotto il concetto di software inteso come flessibilità, quindi il concetto di configurabilità e riutilizzo.
I bus di campo ethernet real-time offrono un’unica soluzione che copre il fabbisogno completo della comunicazione nella produzione. Sia che si tratti di integrazione verticale con i sistemi d’ufficio o del comando sincrono di sistemi multi asse, sia del trasferimento dati tra i comandi decentrati o della trasmissione sicura di informazioni rilevanti per la sicurezza: il bus di campo svolge tutti i compiti con un unico standard e tramite un solo cavo. L’uso di questo strumento permette alla macchina di migliorare l’efficienza energetica utilizzando lo stesso per inviare comandi che possono portare in stand by i componenti periferici collegati o addirittura spegnerli completamente, riducendo notevolmente il consumo energetico consentendo un pilotaggio trasparente ed intelligente delle utenze.
Sercos Energy è un profilo della fascia applicativa che definisce i parametri per la riduzione del consumo energetico delle periferiche Sercos in modo unitario e indipendente dal produttore. Il profilo tiene conto degli stati di stand-by per le pause programmate, come ad esempio ferie aziendali, turni di riposo e pause pranzo. Ad orari predefiniti i componenti di Sercos Energy vengono portati in posizione di riposo per un risparmio di energia. Poco prima della fine delle pause di esercizio sercos energy re inizializza i componenti che si trovano in stand-by, rimettendoli puntualmente a disposizione.
Il profilo Sercos Energy mette a disposizione meccanismi per pause non previste, dovute per esempio a problematiche del macchinario o all’assenza di componenti. In questo modo parti di un impianto possono essere portate in stand-by in attesa che le problematiche vengano risolte o che vengano messi a disposizione nuovi pezzi.
È disponibile inoltre un’interessante funzionalità che permette di risparmiare energia anche in piena produttività. Tramite comandi intelligenti, assi e componenti non necessari per i processi produttivi in corso possono essere disattivati.
Proprio nell’ambito di una produzione flessibile, il risparmio di energia ottenuto grazie al profilo Sercos Energy è enorme. Il profilo sintetizza un concetto molto semplice ma basilare, non solo viene standardizzata la comunicazione ma anche il linguaggio. Quindi non solo il mezzo di comunicazione ma anche la comunicazione. Un finanziario che parla con un softwerista usano gerghi differenti, definire un profilo significa anche utilizzare lo stesso gergo. Un ulteriore peculiarità è il concetto di ‘multi tecnologico’, cioè è possibile avere il medesimo profilo per device elettrici o idraulici.
Quali sono i vantaggi per un’azienda che utilizza un bus ethernet nella tecnica di automazione? Oltre alla prestazione dei singoli componenti e la riduzione dei tempi di engineering, la facile manutenibilità e interoperabilità sono aspetti molto importanti nella configurazione del prodotto. Vantaggi che valgono sia per le applicazioni del cliente, sia per lo sviluppo di prodotti per i costruttori.

Cannon Automata

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