L'automazione industriale risale probabilmente all'installazione da parte di Henry Ford di una linea di assemblaggio mobile per il modello T nel 1913. Si tratta dell'impiego di vari sistemi di controllo per utilizzare apparecchiature industriali quali macchinari, processi di produzione e attrezzature per la movimentazione di materiali, con un intervento umano minimo o nullo.
Sebbene gli ingegneri e i tecnici siano, in ultima analisi, comunque i responsabili, in una fabbrica automatizzata l'utilizzo di routine di un'apparecchiatura è controllato da un programma eseguito su un microcontroller integrato, un PC industriale o un controller logico programmabile (PLC).
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Figura 1: L'automazione industriale richiede un numero elevato di microcontroller integrati (fonte: TI)
L'automazione dei processi industriali presenta numerosi vantaggi. Consente di risparmiare energia e materiali. Migliora la qualità, l'accuratezza e la precisione dei processi industriali. Consente l'utilizzo in ambienti pericolosi (ad esempio, in impianti nucleari). Riduce notevolmente la manodopera.
I risultati sono impressionanti. Nel 1909 occorrevano 303 ore di lavoro per assemblare un'auto. Nel 1929 questo numero è sceso a 92. E nel 2008 l'impianto Jeep di Toledo, Ohio, impiegava solo 13,6 ore per assemblare un veicolo molto più complicato del modello T.
I robot industriali ora eseguono molte attività che in precedenza venivano svolte dall'uomo, ad esempio saldatura, selezione e posizionamento e assemblaggio. I sistemi di visione hanno sostituito gli ispettori del controllo di qualità.
Fabbrica collegata e Internet of Things
La fase successiva all'automazione dei singoli processi industriali consiste nell'assicurare che complessivamente i processi funzionino bene e, naturalmente, restituiscano dati agli ingegneri. La fabbrica automatizzata moderna pertanto si affida a una rete industriale che usa uno dei numerosi protocolli di automazione quali Ethernet, Fieldbus o HART per fornire la connettività a livello della fabbrica.
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Figura 2: Alcuni dei numerosi standard di comunicazione industriali (fonte: TI)
L'Internet of Things (IoT) innalza il livello consentendo l'integrazione dei macchinari industriali e dei sistemi con Internet. La versione più recente del protocollo di comunicazione Internet, IPv6, con l'indirizzamento a 128 bit, prevede che potenzialmente tutti i singoli dispositivi possano avere un proprio indirizzo IP per una connettività praticamente illimitata, una raccolta enorme di dati e un'analisi nel cloud.
Nella fabbrica intelligente del futuro, i livelli della "piramide" dell'automazione, dal dispositivo all'impresa, saranno collegati tra loro e i dati correlati alla produzione diventeranno disponibili in tempo reale per il processo decisionale aziendale.
Isolamento galvanico e automazione industriale
L'aggiunta del controllo elettronico e il collegamento di più sistemi insieme tramite una rete presentano numerosi vantaggi, ma anche problemi e sfide. Una di queste sfide è la combinazione di macchine ad alta corrente, ad alta tensione quali robot industriali e macchine CNC con sistemi di acquisizione dati a bassa corrente, a bassa tensione e comunicazioni collegate in rete. Verrà presa in esame un'importante tecnica impiegata per risolvere questo problema, ovvero l'isolamento galvanico.
L'isolamento galvanico è la tecnica di isolamento di sezioni funzionali di sistemi elettrici per prevenire il flusso di corrente tra loro. Non è consentito alcun percorso di conduzione diretto, ovvero resistivo. Sebbene non vi sia alcun percorso resistivo tra le sezioni, l'alimentazione o le informazioni continuano a venire trasferite tramite le tecniche capacitive, induttive, ottiche o di altro tipo.
Un dispositivo di isolamento trasmette un segnale, analogico o digitale, dall'ingresso all'uscita attraverso una barriera di isolamento. Per essere efficace, questa barriera deve avere una tensione di scarica elevata e una dispersione bassa. I dispositivi di isolamento rappresentano una componente chiave nel collegamento della fabbrica collegata e sono disponibili ovunque nella catena del segnale: dal sensore singolarmente isolato e dai sistemi di acquisizione dati alla dorsale di comunicazione ad alta velocità che percorre l'intera fabbrica.
Perché l'isolamento galvanico è necessario nell'automazione industriale?
Sicurezza: la protezione degli utenti di apparecchiature elettriche da tensioni e correnti potenzialmente letali è un requisito fondamentale in qualsiasi progetto elettrico. Esistono numerosi standard normativi, ad esempio UL60950-1, che disciplinano la sicurezza in un apparecchio elettrico. Un progetto sicuro comprende diversi livelli di protezione, tra cui l'isolamento e la messa a terra. Nel progetto di un alimentatore offline, ad esempio, un trasformatore fornisce un isolamento induttivo tra l'ingresso CA e il resto del circuito. In generale l'isolamento galvanico può essere utilizzato ovunque siano presenti tensioni potenzialmente pericolose.
Differenze e anelli di messa a terra: diversamente dai semplici schemi che si disegnavano a scuola, gli ingegneri hanno ben presto imparato che la messa a terra non è uguale nei diversi punti di un sistema, soprattutto quando questi sistemi sono ampiamente separati, ad esempio tra parti diverse di un impianto industriale. Ciò può portare a errori o anche guasti in una rete digitale perché qualsiasi differenza nel riferimento della messa a terra tra il trasmettitore e il ricevitore riduce il margine per identificare correttamente uno "0" o un "1" logico. Nei circuiti analogici una differenza nella messa a terra CC aggiunge un termine di errore di compensazione e i cambiamenti CA possono influenzare il contenuto armonico del segnale. L'isolamento galvanico rimuove l'effetto di tali differenze nella messa a terra e interrompe gli anelli di messa a terra.
Tensioni in modalità comune: in molti casi dobbiamo estrarre un piccolo segnale presente su una tensione in modalità comune più grande: un segnale della fase in entrata che appare simultaneamente su entrambi i terminali in entrata. In alcuni casi ciò può compensare il segnale misurato in base a una quantità che eccede il campo di fondo scala dell'ingresso dello strumento o che eccede i limiti di sovratensione, causando danni. Un sistema di acquisizione dati isolato può bloccare la tensione in modalità comune e consentire la misurazione del segnale in questione.
Standard normativi
Numerosi standard normativi disciplinano l'isolamento per le applicazioni industriali, tra cui IEC 60204, UL508, UL60947 e CSA 14-10. Inoltre IEC 61010-1 e VDE 410/411 riguardano il controllo industriale.
UL1577 copre strettamente solo gli isolatori ottici, ma i requisiti di definizione e test per la tensione della barriera di isolamento spesso appare nelle specifiche per altri dispositivi di isolamento.
Panoramica della tecnologia e dei dispositivi di isolamento
In generale un dispositivo di isolamento comprende un componente o una barriera di isolamento ad alta tensione, un trasmettitore per accoppiare un segnale su un lato della barriera di isolamento e un ricevitore per riconvertire il segnale sull'altro lato della barriera in un segnale digitale o analogico. Per ulteriori dettagli fare riferimento alla "Digital Isolator Design Guide" di TI.
Sono tre le tecniche principali utilizzate per trasmettere i segnali e l'alimentazione attraverso una barriera di isolamento.
Isolamento capacitivo: un isolatore capacitivo utilizza condensatori ad alta tensione, solitamente fatti di diossido di silicio (SiO2) che funge da componente isolante. Nella figura 3 è illustrata l'architettura dell'isolante digitale a singolo canale ISO7810, dotato di una barriera di isolamento di 5,7 kV rms e in grado di gestire velocità di dati fino a 100 Mbps.
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Figura 3: Architettura con tasti On/Off utilizzata nell'isolante digitale rinforzato da 5,7 kV rms ISO78xx di TI (fonte: TI)
ISO7810 utilizza l'architettura con tasti On/Off (OOK, On-Off Keying): il flusso di bit digitale in entrata è modulato con un clock oscillatore a spettro di diffusione interno per generare segnali OOK. Ad esempio, uno degli stati di ingresso è rappresentato dalla trasmissione di una frequenza portante e l'altro stato da nessuna trasmissione. Nella figura 4 è illustrato un segnale OOK rappresentativo.
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Figura 4: Segnale rappresentativo nell'architettura OOK (fonte: TI)
Questo segnale modulato è accoppiato alla barriera di isolamento e ha una forma attenuata sul lato di ricezione. Il percorso di ricezione consiste di un preamplificatore per recuperare il segnale in entrata seguito da un rilevatore di inviluppo che funge da demodulatore per rigenerare lo schema digitale originale. I circuiti di condizionamento dei segnali TX e RX consentono di migliorare il rifiuto della modalità comune del canale per un'immunità transiente in modalità comune e per ridurre al minimo le emissioni irradiate.
Poiché i condensatori bloccano CC, un segnale analogico deve essere convertito in una forma più adatta alla trasmissione nella barriera di isolamento. L'ingresso dell'amplificatore di isolamento ISO122 , ad esempio, consiste di un op-amp seguito da un modulatore per trasmettere il segnale attraverso la barriera capacitiva. L'uscita demodula il segnale digitale per estrarre la forma d'onda originale.
Isolamento induttivo: l'accoppiamento induttivo che utilizza un trasformatore viene largamente utilizzato per fornire un'alimentazione isolata, poiché un progetto isolato richiede alimentatori separati su ciascun lato della barriera di isolamento. La famiglia DCP01B, ad esempio, è una serie di convertitori CC/CC isolati, non regolamentati da 1 W con una barriera di isolamento da 3 kV. Contiene un trasformatore integrato, garantisce un'efficienza di conversione pari all'85% ed è la soluzione ideale per le applicazioni a bassa potenza, quali sensori e trasmettitori da campo. Per i progetti che richiedono maggiore potenza, TI offre una gamma di progetti di riferimento di alimentazione isolata.
Isolamento ottico: un optoisolatore, anche denominato accoppiatore ottico, trasferisce i segnali elettrici tra due circuiti isolati utilizzando la luce. Consiste comunemente di un LED e di un fototransistor nello stesso pacchetto.
Gli accoppiatori isolati otticamente richiedono impulsi ad alta corrente e subiscono gli effetti dell'invecchiamento dei LED. Inoltre possono essere troppo lenti per le comunicazioni digitali ad alta velocità, quindi vengono sostituiti da progetti capacitivi.
L'isolamento è spesso integrato nelle funzioni di automazione industriale largamente diffuse, quali ricetrasmettitori, amplificatori e convertitori da analogico a digitale. Il portafoglio di prodotti di isolamento di TI include:
- Ricetrasmettitori RS-485
- Ricetrasmettitori CAN
- Ricetrasmettitori I2C
- Driver gate
- Convertitori da analogico a digitale
- Moduli CC/CC
- Amplificatori
Conclusione
Non vi è alcun dubbio che in futuro si sentirà parlare molto dell'automazione industriale e dell'Internet of Things.
Si prevede che nel prossimo decennio l'IoT industriale rivoluzionerà il settore industriale. Ha già iniziato a trasformare i settori principali, quali la produzione e il trasporto. Man mano che l'integrazione dell'IoT si allarga a settori diversi, il mercato IoT industriale ha un potenziale di crescita immenso. Secondo alcune previsioni entro il 2020 varrà quasi $ 320 miliardi.
Qualunque sia il numero finale, le tecnologie di isolamento avranno un ruolo fondamentale.