Guida alle Soluzioni di Automazione 2010-2011

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1L’organizzazione commerciale Schneider Electric

Aree Sedi Uffi ci

Nord Ovest Via Orbetello, 140 C.so della Libertà, 71/A- Piemonte 10148 TORINO 14053 CANELLI (AT) (escluse Novara e Verbania) Tel. 0112281211 Tel. 0141821311- Valle d’Aosta Fax 0112281311 Fax 0141834596- Liguria- Sardegna

Lombardia Ovest Via Zambeletti, 25 - Milano, Varese, Como 20021 BARANZATE (MI) - Lecco, Sondrio, Novara Tel. 023820631 - Verbania, Pavia, Lodi Fax 0238206325

Lombardia Est Via Circonvallazione Est, 1 - Bergamo, Brescia, Mantova 24040 STEZZANO (BG) - Cremona, Piacenza Tel. 0354152494

Fax 0354152932

Nord Est Centro Direzionale Padova 1 - Veneto Via Savelli, 120 - Friuli Venezia Giulia 35100 PADOVA- Trentino Alto Adige Tel. 0498062811

Fax 0498062850

Emilia Romagna - Marche Viale Palmiro Togliatti, 25 Via Gagarin, 208 (esclusa Piacenza) 40135 BOLOGNA 61100 PESARO

Tel. 0516163511 Tel. 0721425411Fax 0516163530 Fax 0721425425

Toscana - Umbria Via Pratese, 167 Via delle Industrie, 29 50145 FIRENZE 06083 BASTIA UMBRA (PG) Tel. 0553026711 Tel. 0758002105 Fax 0553026725 Fax 0758001603

Centro Via Silvio D’Amico, 40 S.P. 231 Km 1+890 - Lazio 00145 ROMA 70026 MODUGNO (BA) - Abruzzo Tel. 06549251 Tel. 0805360411- Molise Fax 065411863 - 065401479 Fax 0805360425- Basilicata (solo Matera) - Puglia

Sud SP Circumvallazione Esterna di Napoli Via Trinacria, 7- Calabria 80020 CASAVATORE (NA) 95030 TREMESTIERI ETNEO (CT)- Campania Tel. 0817360611 - 0817360601 Tel. 0954037911- Sicilia Fax 0817360625 Fax 0954037925- Basilicata (solo Potenza)

Schneider Electric S.p.A.Sede Legale e Direzione CentraleVia Circonvallazione Est, 124040 STEZZANO (BG) Tel. 0354151111Fax 0354153200

www.schneider-electric.it

LEES DTC 020 BI

In ragione dell’evoluzione delle Norme e deimateriali, le caratteristiche riportate nei testi e nelle illustrazioni del presente documento si potrannoritenere impegnative solo dopo conferma da parte di Schneider Electric.

1-1209-5B

Supporto logistico e amministrativoTel. 011 4073333

Supporto tecnicoTel. 011 2281203

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Guida alle soluzioni di automazione

2010-2011

Sommario Guida alle soluzioni di automazione

b 1 Guida alla scelta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 8

b 2 Alimentazione elettrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 28

b 3 Motori e carchi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 36

b 4 Avviamento e protezione dei motori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 64

b 5 Partenze motore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 96

b 6 Acquisizione dati: rilevamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 134

b 7 Sicurezza delle persone e dei beni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 164

b 8 Dialogo uomo/macchina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 188

b 9 Reti industriali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 202

b 10 Elaborazione dei dati e software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 236

b 11 Realizzazione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 260

b 12 Eco-progettazione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 282

b N Note . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 296

Schneider Electric 5

Sommario Guida alle soluzioni dettagliato di automazione

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1 Guida alla scelta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 8 1.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 10 1.2 Le apparecchiature di automazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 10 1.3 Le architetture di automazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 12 1.4 Definizione delle architetture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 14 1.5 Le scelte delle apparecchiature di automazione . . . . . . . . . . . pagina 17

2 Alimentazione elettrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 28 2.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 30 2.2 L’alimentazione elettrica delle macchine . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 30 2.3 Le norme e le abitudini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 30 2.4 Le funzioni dell’alimentazione elettrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 32 2.5 L’alimentazione del circuito di controllo . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 32

3 Motori e carichi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 36 3.1 I motori asincroni trifase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 38 3.2 I motori monofase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 42 3.3 I motori sincroni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 43 3.4 I motori a corrente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 46 3.5 L’utilizzo dei motori asincroni trifase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 48 3.6 Confronto dei diversi tipi di motori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 52 3.7 I diversi tipi di carichi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 52 3.8 Le valvole e i cilindri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 59

4 Avviamento e protezione dei motori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 64 4.1 Avviamento dei motori a induzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 66 4.2 Frenatura elettrica dei motori asincroni trifase . . . . . . . . . . . . pagina 73 4.3 Gli avviatori multifunzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 78 4.4 La protezione dei motori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 80 4.5 Perdite e riscaldamenti nei motori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 81 4.6 Le principali cause di guasto e le relative conseguenze. . . . . pagina 81 4.7 Le funzioni e i prodotti di protezione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 87

5 Partenze-motore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 96 5.1 Generalità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 98 5.2 Le funzioni base delle partenze-motore . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 98 5.3 Una funzione complementare: la comunicazione. . . . . . . . . . pagina 101 5.4 Partenze-motore e coordinamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 102 5.5 I varitori di velocità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 105 5.6 Composizione, componenti degli avviatori

e variatori elettronici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 110 5.7 Variatore-regolatore per motore a corrente continua . . . . . . . pagina 114 5.8 Convertitore di frequenza per motore asincrono . . . . . . . . . . pagina 116 5.9 Variatore di tensione per motore asincrono . . . . . . . . . . . . . . pagina 123 5.10 Moto-variatori sincroni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 125 5.11 Moto-variatori passo-passo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 126 5.12 Le funzioni complementari dei variatori di velocità . . . . . . . . pagina 127 5.13 I variatori di velocità e il bilancio energetico. . . . . . . . . . . . . . pagina 129 5.14 I variatori di velocità e il risparmio energetico

e di manutenzione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 131 5.15 Griglia di scelta delle partenze-motore. . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 132

6 Acquisizione dati: rilevamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 134 6.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 136 6.2 Finecorsa elettromeccanici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 137 6.3 Interruttori di prossimità induttivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 138 6.4 Interruttori di prossimità capacitivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 140 6.5 Interruttori fotoelettrici. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 142 6.6 Interruttori ad ultrasuoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 144 6.7 Rilevamento RFID - Radio Frequency IDentification . . . . . . . pagina 146 6.8 La visione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 149 6.9 Encoder ottici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 153 6.10 Pressostati e vacuostati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 158 6.11 Conclusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 161 6.12 Guida alla scelta delle diverse tecnologie . . . . . . . . . . . . . . . pagina 162

6 Schneider Electric

Sommario Guida alle soluzioni dettagliato di automazione

b 7 Sicurezza delle persone e dei beni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 164 7.1 Introduzione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 166 7.2 Gli incidenti sul lavoro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 167 7.3 La legislazione europea e le norme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 169 7.4 Il concetto di funzionamento sicuro (safe operation) . . . . . . pagina 176 7.5 La certificazione e il marchio CE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 177 7.6 I principi per gli organi della sicurezza . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 179 7.7 Le funzioni di sicurezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 180 7.8 La sicurezza delle reti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 182 7.9 Esempio applicativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 183 7.10 Le funzioni e i prodotti di sicurezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 185 7.11 Conclusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 186

b 8 Dialogo uomo/macchina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 188 8.1 Informazioni di dialogo uomo/macchina. . . . . . . . . . . . . . . . pagina 190 8.2 Interfacce di dialogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 192 8.3 Comando e segnalazione ON/OFF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 192 8.4 L’offerta Schneider Electric Comando

e segnalazione ON/OFF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 195 8.5 Le interfacce di dialogo evolute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 195 8.6 Modi di scambio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 199 8.7 Software di sviluppo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 200 8.8 Conclusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 201

b 9 Reti industriali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 202 9.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 204 9.2 Storia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 204 9.3 Le esigenze e le risposte del mercato . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 205 9.4 Tecnologie delle reti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 207 9.5 Le reti consigliate da Schneider Electric. . . . . . . . . . . . . . . . pagina 209 9.6 Ethernet TCP/IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 210 9.7 Servizi Web e Transparent Ready . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 213 9.8 Bus Can Open. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 220 9.9 Sinergia Ethernet e Can Open . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 228 9.10 Bus AS-Interface (AS-I) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 228 9.11 Conclusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 235

b 10 Elaborazione dei dati e software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 236 10.1 Definizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 238 10.2 Introduzione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 238 10.3 Programmazione, configurazione e linguaggi . . . . . . . . . . . . pagina 239 10.4 Categorie di applicazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 240 10.5 Generatori di applicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 254 10.6 Definizione delle principali abbreviazioni utilizzate . . . . . . . . pagina 258

b 11 Realizzazione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 260 11.1 Progettazione di un’apparecchiatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 262 11.2 Scelta di un fornitore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 263 11.3 Stesura degli schemi e dei programmi . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 264 11.4 Metodologia di programmazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 266 11.5 Scelta di una tecnologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 267 11.6 Progettazione dell’apparecchiatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 268 11.7 Costruzione dell’apparecchiatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 269 11.8 Il montaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 272 11.9 Aiuto all’installazione degli apparecchi . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 273 11.10 Prove su piattaforma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 274 11.11 Messa in servizio di un’apparecchiatura. . . . . . . . . . . . . . . . pagina 277 11.12 Manutenzione dell’apparecchiatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 279

b 12 Eco-progettazione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 260 12.1 Prefazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 262 12.2 I concetti e le principali direttive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 263 12.3 Le norme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 264 12.4 L’eco-progettazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 266 12.5 La durata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 267 12.6 Regole principali dell’eco-progettazione . . . . . . . . . . . . . . . pagina 268 12.7 Conclusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 269 12.8 Applicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 272

b N Note . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 260 N.1 Grandezze e unità di misura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 262 N.2 Corrente a carico nominale dei motori asincroni . . . . . . . . . pagina 263 N.3 Formule elettriche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 264 N.4 Calcolo delle resistenze di avviamento. . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 266 N.5 Formule meccaniche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 267 N.6 Formule fondamentali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 268 N.7 Regimi del neutro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 269 N.8 Azionamento delle macchine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 272 N.9 Tabelle di conversione delle unità più utilizzate . . . . . . . . . . pagina 273


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Partire dalle esigenze effettive, scegliere un‘architettura e una tecnologia per ottenere un prodotto

Guida alla scelta1capitolo

Sommario 1. Guida alla scelta

b 1.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 10

b 1.2 Le apparecchiature di automazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 10

b 1.3 Le architetture di automazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 12

b 1.4 Definizione delle architetture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 14

b 1.5 La scelta delle apparecchiature di automazione . . . . . . . . . . . pagina 17

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9Schneider Electric

Guida alla scelta 1.1 Introduzione 1.2 Le apparecchiature di automazione

1.1 Introduzione

A Fig. 1 Processo di creazione di valore

I progressi dei sistemi di automazione e controllo hanno assicurato al settore industriale un notevole aumento della produttività e una diminuzione dei costi. La generalizzazione dell’elettronica, la potenza e la flessibilità dei software consentono la progettazione di soluzioni più modulari, una miglior gestione ed offrono nuovi strumenti di manutenzione.

Le esigenze dei Clienti si sono inoltre notevolmente evolute e, insieme alla concorrenza, ai vincoli di produttività e qualità, impongono un metodo di approccio sistematico, a partire dal processo di creazione del valore.

b Il processo di creazione del valore del Cliente Il processo di creazione del valore del Cliente si articola intorno ad un flusso principale corrispondente alla sua prestazione base (C Fig. 1), quale ad esempio la produzione di un prodotto, il trasporto delle persone, lo spostamento di un carico.

Questo processo richiede mezzi materiali costituiti da macchine e apparecchiature di automazione. Questi mezzi possono essere raggruppati in un unico luogo quale uno stabilimento manifatturiero, o ripartiti in aree molto estese come nel caso di un sistema di trattamento e distribuzione dell’acqua.

Per garantirne il funzionamento, il processo richiede flussi complementari quali elettricità, aria, acqua, gas, imballaggi, ecc.

Il processo produce dei rifiuti che sarà necessario raccogliere, trasportare, trattare ed eliminare.

1.2 Le apparecchiature di automazione

A Fig. 2 Le funzioni base

Un’apparecchiatura di automazione è caratterizzata da cinque funzioni base associate e connesse da collegamenti di potenza e di controllo (C Fig. 2).

b Le 5 funzioni base v L'alimentazione elettrica Garantisce la distribuzione dell’energia elettrica verso gli organi di potenza e di controllo. Deve poter essere interrotta e protetta conformemente alle norme d’installazione elettrica e alle norme di sicurezza macchine. Questa funzione viene generalmente garantita da un interruttore automatico o da un interruttore porta-fusibili.

v Il comando di potenza Consente di comandare i carichi elettrici (azionatori) con ordini emessi dal sistema di automazione. Un contattore garantisce il comando di un carico in ON/OFF, mentre un variatore elettronico consentirà il comando progressivo di un motore o di una resistenza di riscaldamento.

v Il dialogo È l’interfaccia tra l’uomo e la macchina. Consente di fornire gli ordini e di visualizzare lo stato del processo. Il comando della strumentazione è garantito da pulsanti, tastiere e schermi tattili. La visualizzazione viene realizzata tramite spie di segnalazione, colonne luminose e schermi.

v L’elaborazione Si tratta della parte logica dell’automazione che consente, a partire dagli ordini emessi dall’operatore e dalle rilevazioni sullo stato del processo, di comandare i preazionatori e di fornire le informazioni necessarie. Il tecnico dell’automazione ha a disposizione più soluzioni: dalla più semplice (un pulsante che comanda direttamente un contattore), passando per i sistemi a logica programmabile, fino all’associazione tra controllori programmabili e computer. La disponibilità di controllori programmabili semplici e a basso prezzo ha praticamente provocato la scomparsa degli schemi a relè.


v L'acquisizione Consente di rilevare una soglia o di misurare il valore di una grandezza fisica. Oggi quasi tutte queste grandezze possono essere rilevate o misurate. Il progresso tecnologico permette di offrire una vasta gamma di rilevatori.

b Il sistema deve rispondere alle sollecitazioni esterne - garantire la sicurezza delle persone e dei mezzi di produzione, - rispettare i requisiti ambientali quali la temperatura, la protezione contro

gli urti, le polveri e gli ambienti aggressivi.

b I collegamenti di potenza Garantiscono la connessione tra i diversi organi e comprendono cavi, barre, connettori e protezioni meccaniche quali guaine e schermi. Le gamme di corrente vanno da qualche Ampere e diverse migliaia di Ampere. Il calcolo delle linee di potenza deve tener conto delle sollecitazioni termiche, elettrodinamiche e meccaniche.

b I collegamenti di controllo Consentono il comando e il controllo del sistema di automazione. Il cablaggio tradizionale mediante cavi separati viene progressivamente sostituito da collegamenti prefabbricati con connettori e bus di comunicazione.

b Il ciclo di vita delle apparecchiature di automazione Un’apparecchiatura viene progettata, utilizzata e manutenuta per l’intera durata del suo ciclo di vita. Quest’ultimo è definito dagli operatori, dalle loro esigenze, dai vincoli interni del Cliente e dai vincoli esterni (legali, normativi, ecc...). Le fasi sono le seguenti:

- definizione da parte del Cliente della macchina o del processo, - scelta delle apparecchiature di automazione, - approvvigionamento dei componenti, - messa in opera, test, - utilizzo, - manutenzione, - smantellamento, riciclaggio, distruzione.

b Il costo delle apparecchiature La riduzione dei costi rappresenta una preoccupazione a qualsiasi livello di scelta e decisionale, ed è molto legata al contesto specifico del Cliente. Questa guida, pur affrontando in modo particolare gli aspetti tecnici, è stata realizzata con un’attenzione costante all’ottimizzazione dei costi.

b L'evoluzione del mercato e delle relative esigenze Negli ultimi anni il mercato del controllo dei sistemi di automazione è stato sottoposto a forti sollecitazioni economiche e tecnologiche. Le principali priorità dei Clienti sono diventate:

- la riduzione dei tempi di lancio sul mercato dei nuovi prodotti (time to market), - la proliferazione dei prodotti offerti dovuta alla progettazione

incrementale o iterativa (progettazione modulare che consente di commercializzare nuovi prodotti senza rivedere l’intera offerta) e alla personalizzazione,

- la pressione dei costi.

Questo fenomeno genera nuove esigenze: - ridurre i tempi di sviluppo e la complessità della progettazione, - aumentare la flessibilità, soprattutto in caso di modifiche di serie dei

prodotti per le industrie manifatturiere, - fornire informazioni per la gestione della produzione e la manutenzione

(riduzione dei costi, dei tempi di arresto, ecc...).

1

11Schneider Electric

Guida alla scelta 1.2 Le apparecchiature di automazione 1.3 Le architetture di automazione

Per rispondere a queste esigenze la fornitura di prodotti affidabili e performanti deve essere completata da un’offerta di architetture e soluzioni “pronte all’impiego” utilizzabili da operatori intermedi quali OEM o integratori di sistemi per identificare e realizzare la soluzione più adatta all’utente finale. La Fig. 3 illustra il collegamento tra i diversi operatori del mercato e l’offerta che noi proponiamo loro.

A Fig. 3 I diversi operatori del mercato dei sistemi di automazione

La fornitura di architetture e soluzioni valorizza gli operatori intermedi, dal distributore o grossista, al quadrista, all’installatore o al produttore di macchine. Questo tipo di approccio permette di rispondere in modo più sicuro, più esatto e più rapido ai Clienti finali nei diversi settori applicativi, quali ad esempio l’industria agroalimentare, le infrastrutture o l’edilizia.

1.3 Le architetture di automazione

L'approccio gerachico tradizionale tradotto concettualmente nei processi manifatturieri (CIM: Computer Integrated Manufacturing) oltre che nei processi continui (PWS: Plant Wide Systems) è stato sostituito, alla fine degli anni 90, da un processo di decentralizzazione. Le funzioni di automazione sono state implementate il più vicino possibile al processo.

Il grande sviluppo di Internet, grazie ai protocolli Ethernet e TCP/IP, ha interessato prima di tutto i controllori programmabili complessi che progressivamente sono stati sostituiti dagli “smart devices”.

Questa architettura ha permesso un’interconnessione trasparente tra i sistemi di controllo e gli strumenti informatici (MES, ERP).

Contemporaneamente anche i componenti (azionatori, variatori di velocità, rilevatori, ingressi/uscite, ecc...) hanno subito un’evoluzione progressiva verso il concetto di “componente intelligente” (smart device) integrando funzioni di programmazione e di comunicazione.

b Il componente intelligente o smart device Con il termine “smart device” si identificano i nano-controllori programmabili, le piccole isole di automazione (Power Logic, Sepam, Dialpact, ecc...) oltre ai componenti che integrano la funzione di controllo, quali i variatori di velocità. Questi prodotti sono sufficientemente intelligenti per gestire localmente le funzionidel processo ed interagire tra di loro. Garantire una comunicazione trasparente consente di riconfigurare le task e di effettuare operazioni di diagnostica, funzioni queste presenti nella filosofia Web (indirizzamento individuale, formattazione delle informazioni pronte all’impiego, gestione dei fornitori di informazioni).


Gli smart devices (componenti intelligenti) offrono tutti di base la funzionalità Plug and Play di connessione e disconnessione a caldo per potenza, bus di controllo e rilevatori. In caso di guasto la funzione Plug and Play permette la sostituzione dell’apparecchiatura in modo semplice e rapido.

L'integrazione nelle tastiere e nei visualizzatori di navigatori, di comandi radio ed altre interfacce di dialogo uomo/macchina ha accelerato la diffusione delle tecnologie Web, fino a livello dei componenti (C Capitolo 10 Elaborazione dati e Software).

L'integrazione delle funzioni di controllo negli smart devices ha permesso di ridurre il flusso dei dati scambiati in rete, riducendo quindi i costi e la potenza dei controllori programmabili ed accelerando i tempi di risposta. La necessità di sincronizzazione è quindi limitata grazie alle elaborazioni locali realizzate dagli “smart devices”.

b Le reti Parallelamente si assiste ad un sempre maggiore utilizzo delle reti con un generale processo di convergenza su alcuni standard che coprono l’80 % delle applicazioni. Ai progettisti vengono offerte diverse possibilità (Can Open, AS-Interface, Profibus, DeviceNet, ecc...), anche se si tende alla standardizzazione di una rete unica. In questo contesto Ethernet, che ha già conquistato il campo dell’informatica industriale, tende ad indirizzare le esigenze dei bus di campo.

Oggi la maggior parte dei componenti è direttamente collegabile alle reti. Questo risultato è l’effetto della combinazione di più fattori, quali la diffusione delle tecnologie Web, la razionalizzazione degli standard di comunicazione, la rapida diminuzione dei prezzi delle tecnologie informatiche e infine l’integrazione dell’elettronica nei componenti elettromeccanici.

Questi sviluppi hanno condotto alla definizione di bus di campo adatti alla comunicazione tra componenti e controllori programmabili quali Modbus, Can Open, AS-Interface, Device Net, Interbus S, Profibus, Fip, ecc...

Il peso crescente delle esigenze di scambio spinge gli utenti a privilegiare la scelta delle reti rispetto a quella dei sistemi di automazione.

b I software e gli strumenti di sviluppo Gli strumenti di programmazione hanno subito una notevole evoluzione, dai software integrati alle piattaforme hardware fino ai software puramente funzionali e telecaricabili su diverse configurazioni hardware. La configurazione delle funzioni di comunicazioni tra i diversi componenti viene generata automaticamente.

Le informazioni prodotte dai diversi programmi sono accessibili con uno strumento disponibile per più utenti con condivisione di un database comune distribuito, riducendo considerevolmente il tempo di acquisizione delle informazioni (parametri, variabili, ecc...). Fino ad oggi i concetti base dei linguaggi di programmazione dei PLC industriali sono rimasti stabili. Praticamente tutti i fornitori offrono prodotti basati sullo standard di programmazione IEC 61131-3, talvolta migliorati da strumenti che supportano funzioni supplementari.

A breve verranno presentati prodotti che permetteranno:

- di generare automaticamente la configurazione del PLC e l’assegnazione degli ingressi/uscite,

- d'importare ed esportare le funzioni tra il software del controllore programmabile e quello dei componenti,

- d'integrare gli schemi elettrici negli strumenti di diagnostica, - di gestire un database comune, per una configurazione più semplice, - di offrire una trasparenza completa, - di proporre un’ergonomia adatta a diversi utilizzi.

1


Guida alla scelta 1.3 Le architetture di automazione 1.4 Definizione delle architetture

Oltre alla programmazione, i software vengono sempre più utilizzati per la configurazione dei parametri e la diagnostica dei componenti. Tutte queste funzioni sono talvolta riunite in un unico software.

1.4 Definizione delle architetture

Un’architettura consente l’integrazione e il coordinamento delle funzioni di automazione necessarie alla macchina o al processo che ha come obiettivi principali la produttività e la sicurezza dell’ambiente.

La maggior parte delle esigenze di automazione può essere coperta da un numero limitato di architetture. In un’ottica che privilegia la semplicità, Schneider Electric propone la classificazione delle architetture secondo due livelli di struttura: (C Fig. 4)

- l'integrazione funzionale in numero di quadri o cassette di controllo, - il numero di funzioni di controllo del sistema di automazione, ossia il

numero di unità di controllo dei PLC, ad esempio.

A Fig. 5 Architettura semplice “All in one device”

A Fig. 4 I tipi di architettura

Nei paragrafi seguenti descriveremo ed illustreremo ciascun tipo di architettura.

b All in one device: tutte le funzioni in un unico prodotto

Questa tipologia di struttura è la più compatta: tutte le funzioni sono raggruppate nello stesso prodotto. Come illustrato dai due esempi che seguono, questa architettura può andare da un sistema più semplice ad uno più complesso.

v La tenda telecomandata (C Fig. 6)

Comprende soltanto alcune funzioni (C Fig. 5). Il controllo è limitato al comando diretto del preazionatore tramite il rilevatore, mentre il dialogo è limitato a due pulsanti. Il preazionatore svolge anche le funzioni di alimentazione elettrica e di protezione del circuito di potenza.

A Fig. 6 Tenda telecomandata


A Fig. 8 Sezione di nastro trasportator comandato da un ATV71 con scheda controllore integrata

Pompa GPLA Fig. 10

A Fig. 11 Macchina tessile

v Sezione di nastro trasportatore (C Fig. 8) L'insieme delle funzioni di potenza e controllo è integrato nel variatore (C Fig. 7). Il collegamento con le altre parti del sistema di automazione viene realizzato tramite bus di comunicazione. L'alimentazione della parte potenza richiede un quadro di distribuzione elettrica comune all’insieme delle apparecchiature di automazione del processo.

A Fig. 7 Architettura complessa “All in one device”

b All in one panel: tutte le funzioni in un unico quadro

Questa architettura è la più frequente (C Fig. 9). Le funzioni di automazione sono centralizzate in un unico involucro che, a seconda dei casi, potrà essere un quadro o la struttura della macchina, ed integrerà un’unica funzione di controllo (C Fig. 7). Troverete alcuni esempi applicativi nelle figure 10, 11 e 12.

A Fig. 9 Architettura “All in one panel”

1

A Fig. 12 Macchina per l’imballaggio


Guida alla scelta 1.4 Definizione delle architetture

b Distributed peripheral: funzioni distribuite in più quadri

Questa architettura comprende un unico PLC centrale che comanda più quadri di automazione distribuiti intorno all’installazione (C Fig. 13). È adatta alle macchine e ai processi estesi oltre che alle macchine modulari (C Fig. 14). Il collegamento controllo si effettua tramite bus di campo. L'alimentazione elettrica è centralizzata e integra spesso gli elementi di controllo e di comando della sicurezza.

Linea di produzione pasticceria industrialeA Fig. 14

A Fig. 13 Architettura “Distributed peripheral”

b Collaborative control: più funzioni di controllo collaborative

Più macchine o parti di processo comprendono i propri PLC (C Fig. 15). Questi sono collegati tra loro e collaborano all’esecuzione del processo. Questo tipo di architettura è adatta ai grandi processi, quali ad esempio quelli dell’industria petrolchimica e siderurgica, o alle infrastrutture (aeroporti o impianti di trattamento acque) (C Fig.16).

A Fig. 16 Impianto di trattamento acque

A Fig. 15 Architettura “Collaborative control”


1.5 La scelta delle apparecchiature di automazione

1.5 La scelta dei sistemi di automazione

b La messa in opera delle architetture La nostra proposta è quella di partire dalla problematica del Cliente, accompagnandolo e guidandolo nella scelta di una soluzione ottimizzata e dei prodotti e servizi ad essa integrati. Questo percorso parte con l’ascolto attento delle esigenze del Cliente e da un’intervista strutturata che descriveremo dettagliatamente.

Per facilitare le scelte, Schneider ha ottimizzato più varianti delle due architetture più utilizzate.

La prima, orientata verso le applicazioni compatte, raggruppa i prodotti di automazione in un unico quadro di distribuzione, “tutto in un quadro”.

La seconda corrisponde alle applicazioni distribuite sul processo. I prodotti di automazione sono suddivisi in più quadri e costituiscono un sistema a “periferia distribuita”.

Le altre due tipologie (All in One Device e Collaborative Control) vengono naturalmente mantenute, ma sono presentate in modo differente. La struttura “tutto in un unico prodotto” è assimilata ad un prodotto e verrà elaborata in quanto tale. La struttura “collaborative control” riguarda essenzialmente gli scambi di dati tra PLC e viene presentata nei capitoli che trattano di collegamenti e scambi. Verrà descritta dettagliatamente nelle pagine che riguardano sia i controllori programmabili che i software.

b Le scelte proposte da Schneider Electric I due concetti di architettura sopra indicati possono originare soluzioni diverse. Per facilitare il Cliente nella scelta proponendo associazioni ottimizzate, Schneider Electric prende in considerazione un totale di 10 possibili soluzioni.

Per evitare confusione tra i concetti di architettura presentati sopra e le soluzioni pratiche proposte da Schneider Electric, ci riferiremo a queste ultime con il termine di soluzioni consigliate.

Nella figura 17 viene riassunto questo procedimento.

A Fig. 17 Scelta delle implementazioni Schneider Electric

1


Guida alla scelta 1.5 La scelta delle apparecchiature di automazione

b Le soluzioni consigliate Nella figura 18 viene presentata una sintesi delle soluzioni consigliate che saranno poi descritte in dettaglio nella documentazione fornita da Schneider Electric.

com

and

o in

ON

/OFF

o V

V-

auto

maz

ione

med

ia-

cabl

aggi

o b

u-

s d

i cam

po

A Fig. 18 Principali caratteristiche delle “implementazioni consigliate”. I disegni da 5 a 11 mostrano i dettagli delle diverse soluzioni.


b La descrizione delle soluzioni consigliate v Scegliere una delle soluzioni consigliate L’approccio “soluzione” delle implementazioni consigliate da Schneider Electric si basa sulle esigenze del Cliente e presenta diversi vantaggi:

- semplifica la scelta delle soluzioni di automazione, - assicura tranquillità all’utente, garantendo l'interoperabilità dei prodotti

ed elevati livelli in termini di prestazioni, - identificata la soluzione migliore, il Cliente avrà un quadro preciso che gli consentirà di scegliere, con l’aiuto del catalogo e delle guide tecniche specializzate, le funzioni di automazione e i prodotti necessari, - messa in opera facilitata dal lavoro realizzato a monte.

Nella fig. 19 viene riassunto il metodo proposto:

1

A Fig. 19 Procedimento di scelta di un sistema di automazione

Per aiutare il Cliente nella scelta Schneider Electric ha elaborato una guida completa di domande raggruppate in quattro temi: Prestazioni, Installazione, Vincoli, Costi, Superficie e dimensioni. Le fig. 20 e 21 mostrano uno schema esemplificativo.

Per conoscere tutte le implementazioni proposte consigliamo di consultare i cataloghi dei prodotti. Qui di seguito illustreremo il procedimento con l’ausilio di esempi.



Tipo di implementazione

Intitolazione dell’implementazione

Compact

Semplice Ottimizzata Evolutiva Ottimizzata

Prestazioni Prestazioni elevate

Evolutiva prestazioni

Limiti globali

Prestazioni - Potenza installata bassa

da bassa a forte

da bassa a media

da bassa a media

da bassa a media

da bassa a media

- Precisione, cadenza senza media media media forte media - Numero di motori da 1 a 4 da 1 a 10 da 1 a 50 da 1 a 10 da 1 a 10 da 1 a 50

- Tipo di motori Asincrono

diretto

Asincrono variazione di velocità


Asincrono CVF / asservimento

Sincrono asservimento

Asincrono CVF sincrono

asservimento

- Scambio di dati no no si no possibile si

- Numero di ingressi/uscite < 20 < 100 < 100 < 100 > 100 > 100

- Tipo e funzioni di dialogo pulsanti pulsanti display

pulsanti tastiera display




- Logica di elaborazione

Cablata o configurabile Configurabile

Programmabile funzioni di base

Software funzioni avanzate


+ applicativo


- Servizi a distanza (diagnostica, aggiornamento) no no possibile no no possibile

Installazione - Numero di quadri 1 1 1 1 1 1

- Evolutivo no no si no no no

Limiti ambientali - Ambiente (temperatura, polvere...) limitato si si si si si

- Sicurezza (persone, materiale)

Arresto emergenza

Arresto emergenza

Funzioni automazione

Funzioni semplici



Costo - Costo di progettazione no no si no si si - Costo di utilizzo no si si no si si

Superficie e dimensione - Dimensione installazione piccola media media media media media

- Rete interna senza senza si senza senza o bus specializzati

si

- Lunghezza della rete esterna

A Fig. 20 Guida per le architetture compatte




Distribuita

As-Interface Canopen ottimizzata

Canopen Ethernet

Vincoli globali Tranparent factory

Prestazioni - Potenza installata da bassa a media

da bassa a forte

da bassa a forte

da bassa a forte

- Precisione, cadenza da bassa a media media media legata al bus - Numero di motori da 1 a 10 da 1 a 10 < 20 > 20

- Tipo di motori Asincrono

diretto



Tutti i tipi Limiti sui

bus di campo

- Scambio di dati no possibile possibile si

- Numero di ingressi/uscite < 100 < 100 < 100 < 100

- Tipo e funzioni di dialogo tastiera display

tastiera display

tastiera display

tastiera display

PC

- Logica di elaborazione Programmabile

funzioni di base



Software + collaborazione

altri sistemi

- Servizi a distanza (diagnostica, aggiornamento) no possibile possibile si

Installazione - Numero di quadri < 5 < 10 < 10 n

- Evolutivo si si si si

Limiti ambientali - Ambiente (temperatura, polvere...) si si si si

- Sicurezza (persone, materiale)





Costo - Costo di progettazione si si si si - Costo di utilizzo si si si si

Superficie e dimensione - Dimensione installazione media media media grande

- Rete interna ASI Canopen Canopen rete


100m 250m 250m > 250m

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A Fig. 21 Guida per le architetture distribuite



Rotazione Traslazione troley

Sollevamento

Automontaggio

Traslazione

A Fig. 22 Gru da cantiere

Prenderemo a titolo di esempio tre diverse applicazioni e per ciascuna andremo a stabilire la o le architetture più adatte:

v Gru da cantiere Questa macchina (C Fig. 22), malgrado la sua apparente semplicità, deve soddisfare importanti requisiti ambientali e di sicurezza. Il mercato concorrenziale impone al produttore vincoli di costo su tutti gli elementi.

Le caratteristiche di questo tipo di gru sono: - potenza da 10 a 115 kW in base al carico sollevato (da 2 a 350 tonnellate). - movimenti di sollevamento, di rotazione, di spostamento del carrello e di traslazione effettuati da motori trifase a gabbia a due o tre velocità o associati ad un variatore elettronico. - frenatura meccanica o elettrica. - l’intera applicazione richiede più di una decina di rilevatori. - interfaccia uomo/macchina situata in cabina o realizzata con un

radiocomando a distanza.

La scelta della soluzione si orienta naturalmente verso un insieme compatto ottimizzato, raggruppato in un unico quadro, disposto alla base della gru.

Visualizziamo rapidamente le possibilità (C Fig. 23) evidenziando a colori la tabella di scelta precedente.

La soluzione Compatta semplice viene scartata perchè offre possibilità troppo limitate. Le altre due soluzioni Compatta ottimizzata e Compatta evolutiva ottimizzata sono invece adatte. L’ultima è la soluzione più vantaggiosa se la macchina è modulare o se è indicata l’esigenza di telemanutenzione.



Distribuita

Semplice Ottimizzato Evolutivo ottimizzato

Vincoli globali esigenze

Prestazioni - Potenza installata 70 Kw bassa da bassa a forte

da bassa a media

- Precisione, cadenza < 150 mS senza media media - Numero di motori 5 da 1 a 4 da 1 10 da 1 a 50

- Tipo di motori Asincroni + variazione di velocità

Asincrono diretto



- Scambio di dati in base alla versione no no si

- Numero di ingressi/uscite 35 input 10 output

< 20 < 100 < 100

- Tipo e funzioni di dialogo Joystick + schermo

Pulsanti Pulsanti display

Pulsanti tastiera display

- Logica di elaborazione Indifferente cablata o configurabile

configurabile programmabile funzioni

base

- Servizi a distanza (diagnostica, aggiornamento)

in base alla

versione no no possibile

Installazione - Numero di quadri 1 1 1 1

- Evolutivo in base alla versione no no si

Limiti ambientali - Ambiente (temperatura, polvere...)

limiti notevoli limitato si si

Costo - Costo di progettazione no no si - Costo di utilizzo si no no si

Superficie e dimensione - Dimensione installazione piccola media media

- Rete interna senza senza si


adatto non adatto

Codici colore

A Fig. 23 Scelta di architettura per una gru di cantiere


La scelta dei componenti dipende naturalmente dai vincoli e dalle esigenze del Cliente oltre che da quelli della soluzione scelta. Le fig. 24 e 25 mostrano le possibili soluzioni:

1

A Fig. 24 Soluzione Compatta ottimizzata

A Fig. 25 Soluzione Compatta evolutiva



A Fig. 26 Tavola rotante

A Fig. 27 Nastro trasportatore

Le funzioni dei componenti vengono descritte in dettaglio nei capitoli successivi.

v Nastri trasportatori e tavola rotante (C Fig. 26 e 27) Questo tipo di macchina viene comunemente utilizzata nelle industrie manifatturiere ed è strettamente legata al processo. La portata deve essere regolata in funzione dei prodotti lavorati. Gli ordini provengono da sistemi di automazione a monte e a valle. Un PLC controlla più sezioni di nastro trasportatore, ogni elemento dispone di uno o più quadri.

Le caratteristiche principali sono le seguenti: - bassa potenza, - livello medio di prestazioni, - da 2 a 10 motori trifase a gabbia comandati da variatori di velocità

per ogni sezione di nastro, - da 10 a 50 ingressi/uscite, - interfaccia operatore tramite tastiera display - visualizzazione in tempo reale tipo e numero di prodotti trasportati.

La scelta andrà su una delle architetture distribuite dal momento che vi sono diversi quadri collegati tra loro.

La tabella di scelta (C Fig. 28) mostra chiaramente le soluzioni da preferire. La soluzione con bus ASI è un pò limitata dalla difficoltà di controllare la velocità dei variatori. La soluzione Ethernet, tranne in casi particolari, rischia invece di essere troppo onerosa.

Tipo di implementazione Distribuita

Intitolazione dell’implementazione AS-Interface Canopen ottimizzato

Canopen Ethernet

Vincoli globali esigenze Transparent Factory Prestazioni - Potenza installata 40 Kw da bassa

a media da bassa

a forte da bassa

a forte da bassa

a forte - Precisione, cadenza nessun limite da bassa a media media media legata al bus di terra - Numero di motori 4 da 1 a 10 da 1 10 < 20 > 20

- Tipo di motori Asincrono e variazione di velocità in base all’opzione

Asincrono diretto



Tutti limiti su bus

di campo

- Scambio di dati si no possibile possibile si

- Numero di ingressi/uscite 10 rilevatori < 100 < 100 < 100 < 100

- Tipo e funzioni di dialogo Tastiera locale SCADA

Telegestione

Tastiera display

Tastiera display

Tastiera display

Tastiera display

- Logica di elaborazione controllore programmabile

programmabile funzioni

base

software funzioni avanzate


software + collaborazioni

con altri sistemi

- Servizi a distanza (diagnostica, aggiornamento) Telegestione no possibile possibile si

Installazione - Numero di quadri non definito < 5 < 10 < 10 n

- Evolutivo si si si si si


si per quadri esterni si si si si

- Sicurezza (persone, materiali...)

intrusione e continuità di servizio

funzioni automazione




Costo - Costo di progettazione considerevole si si si si - Costo di utilizzo considerevole si si si si

Superficie e dimensione - Dimensione installazione media media media media grande

- Rete interna senza limiti IST Canopen Canopen Rete


100m 250m 250m 250m

Codici colore adatto non adatto

A Fig. 28 Scelta di una soluzione per sistema di trasporto su nastro


1

Stazione di pompaggio

Restano quindi le due soluzioni con il bus Can Open. La prima, ottimale in termini di costi (C Fig. 29), garantisce le funzioni base richieste. La seconda (C Fig. 30) assicura trasparenza e sincronizzazione con gli altri sistemi di automazione esterni alla sezione di nastro considerata. Quest’ultima soluzione consente inoltre un’evoluzione semplice. La configurazione può essere facilmente telecaricata, in caso, ad esempio, di cambiamento di serie.

A Fig. 29 Soluzione Canopen ottimizzata

A Fig. 30 Soluzione Canopen

v Una stazione di pompaggio per l'alimentazione in acqua potabile Questo esempio (C Fig. 31) presenta una parte di un impianto di trattamento e distribuzione delle acque composta da un insieme di unità ripartite sul territorio.

Questo tipo di applicazione deve essere autonomo e deve garantire la continuità dell’alimentazione. I clienti prestano particolare attenzione alla funzione di controllo e alla manutenzione dell’impianto.

Le caratteristiche di questa stazione sono: - 4 pompe da 7.5kM associate a variatori di velocità, - una decina di rilevatori (pressione, portata), - un PLC che gestisce la sequenza delle pompe e la comunicazione, - il telecontrollo dell’impianto.

A Fig. 31



La scelta si orienta verso una delle soluzioni distribuite. La tabella di scelta della figura 32 consente di selezionare la soluzione ottimale.

Tipo di implementazione Distribuita

Intitolazione dell’implementazione AS-Interface Canopen ottimizzato

Canopen Ethernet

Vincoli globali esigenze Transparent Factory Prestazioni - Potenza installata 40 Kw da bassa

a media da bassa

a forte da bassa

a forte da bassa

a forte - Precisione, cadenza nessun limite da bassa a media media media legata al bus di terra - Numero di motori 4 da 1 a 10 da 1 10 < 20 > 20

- Tipo di motori Asincrono e variazione di velocità in base all’opzione

Asincrono diretto



Tutti limiti su bus

di campo

- Scambio di dati si no possibile possibile si

- Numero di ingressi/uscite 10 rilevatori < 100 < 100 < 100 < 100

- Tipo e funzioni di dialogo Tastiera locale SCADA

Telegestione

Tastiera display

Tastiera display

Tastiera display

Tastiera display

- Logica di elaborazione controllore programmabile

programmabile funzioni

base



software + collaborazioni

con altri sistemi

- Servizi a distanza (diagnostica, aggiornamento) Telegestione no possibile possibile si

Installazione - Numero di quadri non definito < 5 < 10 < 10 n

- Evolutivo si si si si si


si per quadri esterni si si si si

- Sicurezza (persone, materiali...)

intrusione e continuità di servizio





Costo - Costo di progettazione considerevole si si si si - Costo di utilizzo considerevole si si si si

Superficie e dimensione - Dimensione installazione media media media media grande

- Rete interna senza limiti IST Canopen Canopen Rete


100m 250m 250m 250m

Codici colore adatto non adatto

A Fig. 32 Scelta dell’architettura per un impianto di trattamento delle acque

La soluzione più adatta è quella con protocollo Ethernet che consente una trasparenza totale dell’impianto. Le ridotte capacità di scambio del bus ASI lo rendono una soluzione limitata non adatta a questo tipo di applicazione. Le altre due soluzioni con Can Open possono essere utilizzate con collegamento modem, ma le possibilità rimangono anche in questo caso molto limitate.


Negli esempi sotto riportati (C Fig. 33 e 34) vengono presentate due soluzioni, una con un PLC che comanda l’insieme dei componenti ed una con variatore di velocità equipaggiato di scheda di controllo e di applicazione specifica di comando pompe.

1

A Fig. 33 Soluzione con PLC

A Fig. 34 Soluzione con variatore di velocità


28

2capitolo Alimentazione elettrica Regole fondamentali, norme e condotte da seguire per gestire l'interfaccia tra la distribuzione elettrica e la macchina. Presentazione delle funzioni di alimentazione, potenza e controllo

Sommario 2. Alimentazione elettrica

b 2.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 30

b 2.2 L’alimentazione elettrica delle macchine . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 30

b 2.3 Le norme e le abitudini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 30

b 2.4 Le funzioni dell’alimentazione elettrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 32

b 2.5 L’alimentazione del circuito di comando . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 33

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Alimentazione elettrica 2.1 Introduzione 2.2 L’alimentazione elettrica delle macchine 2.3 Le norme e le abitudini

2.1 Introduzione

In questo capitolo viene trattata l’alimentazione elettrica dell’equipaggiamento elettrici delle macchine. L’alimentazione assicura le funzioni d’interfaccia tra il circuito elettrico e la macchina e deve rispondere a regole e vincoli tecnici di entrambi (C Fig.1). Per informazioni dettagliate consigliamo di consultare la Guida alla bassa tensione che completa le informazioni qui di seguito riportate. ettrica delle

A Fig. 1 L’architettura dell’alimentazione elettrica

2.2 L’alimentazione elettrica delle macchine

Come illustrato nello schema della figura 2 l’alimentazione elettrica comprende due parti:

Il circuito di potenza, destinato ad alimentare i diversi carichi della macchina, quali i motori e i circuiti di riscaldamento attraverso componenti di comando potenza, i pre-azionatori. Le gamme di tensione vanno da 200 a 660 V in trifase e da 120 a 230 V in monofase.

Il circuito di comando, destinato ad alimentare i componenti di automazione, quali le bobine dei contattori, le elettrovalvole, i controllori programmabili, i rilevatori, ecc... Le gamme di tensione sono quelle della bassa tensione (da 120 a 200 V in monofase) e della bassissima tensione (da 12 a 48 V).

Questo insieme spesso viene chiamato « testa dell’apparecchiatura » e garantisce una serie di funzioni descritte nel paragrafo 2.4.

A Fig. 2 Le funzioni dell’alimentazione elettrica

2.3 Le norme e le abitudini Come precedentemente detto, l’alimentazione elettrica è sottoposta ai vincoli e alle regole di due campi:

b La rete elettrica Ogni Paese ha le proprie abitudini e stabilisce le proprie regole; questo ha come conseguenza una moltitudine di norme diverse, come la C15-100 in Francia. Cerchiamo tuttavia di riassumere i vincoli e le abitudini nei seguenti punti:

- la tensione di rete. Nella Guida dell’installazione elettrica è fornita una tabella con le tensioni dei diversi Paesi, mentre la norma EN 50160:1999 definisce le caratteristiche delle reti pubbliche di distribuzione di energia elettrica,

- la distribuzione del neutro e il regime di neutro, - i metodi di cablaggio, - le norme prodotto e le distanze d’isolamento, - i tipi di fusibili in caso di utilizzo di basi o interruttori a fusibili.


b La macchina Lo sforzo di armonizzazione della norma IEC 60 204-1 facilita l’esportazione e l’utilizzo delle macchine in tutto il mondo. Soltanto alcuni Paesi hanno conservato delle specificità. La tabella sottostante (figura 3) fornisce un estratto delle differenze più rilevanti.

Norvegia: schemi di collegamento a terra TN-C non consentiti nelle reti bassa tensione degli edifici.

2

USA: schemi TT di potenza non consentiti.

Francia e Norvegia: interruzione del conduttore di neutro obbligatoria nello schema TN-S.

USA e Norvegia: distribuzione di un conduttore di neutro in schema IT non consentita.

USA : la tensione nominale max di un circuito di comando in CA è di 120 V.

USA: La sezione minima dei conduttori in rame viene specificata nella norma ANSI/NFPA 79 in dimensioni americane (AWG). L’allegato G della norma fornisce le corrispondenze delle sezioni AWG in mm 2.

USA e Canada: BIANCO o GRIGIO utilizzati per identificare i conduttori di neutro messi a terra al posto del BLU.

USA: esigenze di marcatura della targa dati.

A Fig. 3 Particolarità normative e abitudini di alcuni paesi

b Tre zone d’influenza Malgrado le differenze delle norme e delle abitudini nei diversi Paesi, è possibile identificare tre zone d’influenza: l’Europa, gli USA e il Giappone (C Fig.4).

Zona USA Europa Giappone d’influenza

Distribuzione Tensione 480 V 400 V elettrica rete 3~ 220 V

Regole /norme NEC IEC 60364 JIS 0364 d’installazione BT

Norme IEC60204-1 IEC 60204-1 JIS-B 9960 apparecchia- Vedere sopra tura macchine

Apparecchia- Interruttore UL489 IEC 60947 JIS-C 8201-2-1 tura di testa automatico dell’apparecchio

Interruttore / fusibili

UL98 IEC 60269 Fusibili diversi per Paese

JIS-C-8269

Contattori / interr. aut. magnetotermici

UL508 IEC 60947 JIS-C 8201-4-1

Tipo di collegamento a monte

< 100 A Connettori > 100 A

Connettori, viti-serrafilo, connessioni elastiche

Capicorda chiusi

> 100 A Cavi in parallelo

Cavi con capicorda o barre

Cavi con capicorda chiusi

A Fig. 4 Esigenze nelle diverse zone d’influenza


Alimentazione elettrica 2.4 Le funzioni dell’alimentazione elettrica

2.4 Le funzioni dell’alimentazione elettrica

È possibile distinguere le seguenti funzioni:

b Alimentazione e interruzione dei circuiti di potenza e di comando della macchina, controllando i punti seguenti v Potere d’interruzione A seconda della potenza installata, la corrente di cortocircuito presunta in caso d’incidente può variare da alcuni kA a diverse centinaia di kA. È necessario quindi che l’apparecchio sia dimensionato di conseguenza.

v Tenuta ai cortocircuiti Un corto circuito a valle dell’apparecchiatura elettrica non deve provocarne la distruzione.

v Capacità di collegamento Il cablaggio interno degli apparecchi viene realizzato normalmente in rame; è da notare tuttavia che alcuni utenti, utilizzano l’alluminio per i propri circuiti elettrici. In questo caso l’apparecchio dovrà essere compatibile con entrambi i tipi di collegamenti.

v Comando manuale sul prodotto o a distanza su armadio Le norme di sicurezza impongono un comando diretto sul quadro elettrico che assicuri l’interruzione e il sezionamento del circuito.

b Protezione delle persone Come regola generale gli armadi e quadri elettrici sono bloccati durante il funzionamento e gli operatori non possono accedervi. La normativa impone dei vincoli sulla protezione delle persone durante le operazioni di intervento sulle apparecchiature elettriche, in particolare durante le fasi di avviamento e durante le operazioni di manutenzione. La protezione delle persone impone il rispetto di alcune regole:

- protezione IP20 contro i contatti accidentali con parti in tensione, - sezionamento.

Questa funzione è destinata ad assicurare la messa fuori tensione di una parte o dell’intero circuito, separandolo tutto o in parte da qualsiasi fonte di energia elettrica, per motivi di sicurezza.

• Isolamento Quando un dispositivo di comando è aperto è necessario garantire le caratteristiche d’isolamento, ossia è necessario che la corrente di fuga sia inferiore alla soglia di pericolo.

• Blocco della manovra (blocco con lucchetti) Questa funzione ha lo scopo di impedire ad una persona non autorizzata di efffettuare la rimessa in tensione di un apparecchio elettrico.

• Isolamento del controllo È necessario che l’isolamento del controllo sia sufficiente a proteggere le persone e il materiale elettrico contro le sovratensioni e gli altri disturbi elettrici

• Collegamenti equipotenziali In base ai regimi di neutro utilizzato, le norme d’installazione possono imporre masse isolate da terra o masse collegate a terra.


2.4 Le funzioni dell’alimentazione elettrica 2.5 L’alimentazione del circuito di comando

b La protezione della rete di distribuzione

La protezione contro gli incidenti originati dalla macchina deve tener conto del potere d’interruzione e delle caratteristiche di coordinamento e selettività. Un incidente non deve avere ripercussioni sul resto dell’installazione.

b L’alimentazione del circuito di potenza

La tabella della figura 5 riassume delle funzioni realizzate dai componenti di potenza.

2

Funzione Porta

fusibili

Interruttore

Vario

Interruttore

INS

Interruttore

e fusibili

Interr. autom.

magnetico

Interruttore

linea

Relè

differenziale

Sezionamento XX XX XX XX XX XX

Interruzione X XX XX XX XX

Protezione contro i cortocircuiti XX XX X XX

Isolamento XX XX XX XX XX XX

Tenuta ai cortocircuiti X X XX XX X XX

Blocco della manovra XX XX XX XX X XX

Protezione contro i guasti di terra

opzione XX

A Fig. 5 Tabella comparativa dei dispositivi di potenza

2.5 L’alimentazione del circuito di comando

L’alimentazione del circuito di comando è sottoposta a vincoli tecnologici e normativi. La protezione delle persone richiede l’impiego di alimentatori e sistemi a bassissima tensione, con tensioni inferiori a 50V. Il diffuso utilizzo di componenti elettronici impone la loro alimentazione in corrente continua.

All’infuori delle applicazioni semplici che restano a bassa tensione e di alcune applicazioni particolari, la tendenza è quella di utilizzare alimentatori a corrente continua a bassissima tensione.

b Gli alimentatori 24V

Qui di seguito prenderemo in esame diversi tipi di alimentazione 24V. Nel settore industriale la tensione di alimentazione a 24V è diventata uno standard. La maggior parte dei costruttori offre ampie gamme di prodotti. La normalizzazione consente inoltre agli utilizzatori di limitare i rischi d’incompatibilità tra i diversi prodotti.

• Diversi vantaggi contribuiscono alla scelta di questa soluzione - il guadagno di spazio e di materiale, - la maggior affidabilità, la funzione di rilevamento delle interruzioni

di circuito disponibile su alcuni PLC, - la sicurezza delle persone, - la continuità di servizio grazie a gruppi di continuità o filtri

stabilizzatori di tensione, - l’assenza di effetto capacitivo e quindi di disturbi nei cavi, - la protezione dell’ambiente grazie alla riduzione dei consumi

nell’apparecchiatura elettrica.


Alimentazione elettrica 2.5 L’alimentazione del circuito di comando

• Tuttavia esistono delle limitazioni - la bassa tensione impone un limite nella lunghezza dei cavi, - il numero di contatti o di sensori installati in serie è limitato, - è necessario curare i collegamenti di messa a terrra, - in caso di utilizzo in ambiente severo (polveri, agenti chimici, ecc...)

l’affidabilità dei contatti può essere soggetta ad una rapida usura, - possono verificarsi problemi di compatibilità tra le caratteristiche delle

uscite dei PLC, i rilevatori e le bobine dei contattori. Si consiglia quindi di utilizzare contattori a basso consumo particolarmente adatti a questo impiego.

b Le tecnologie degli alimentatori 24V CC Le tecnologie si evolvono anche in questo settore. Gli alimentatori tradizionali sono costituiti da un trasformatore ad avvolgimenti separati che, oltre a convertire la tensione, assicura anche l’isolamento necessario tra la bassa e la bassissima tensione. I progressi della tecnologia switching uniti all’abbassamento dei costi, ne fanno un’interessante alternativa sotto diversi punti di vista. Esamineremo qui di seguito le due tecnologie.

v Gli alimentatori raddrizzati Sono costituiti da un trasformatore bassa tensione/bassissima tensione, da un raddrizzatore (normalmente a ponte) e da un filtro (C Fig.6).

A Fig. 6 Schema di principio di un’alimentazione 24 V

Il primario del trasformatore può essere alimentato in monofase o in trifase. Quest’ultima soluzione (C Fig.7) consente di eliminare i condensatori di filtraggio; se aumenta l’affidabilità, la tenuta alle microinterruzioni diminuisce.

Raddrizzamento monofase e trifaseA Fig. 7


Alimentazione elettrica 2.5 L’alimentazione del circuito di comando

v Gli alimentatori switching (C Fig.8) Il principio di funzionamento consiste nel commutare ad alta frequenza una tensione (da alcune decine a qualche centinaia di kHz) raddrizzata. Questo permette ad esempio di alimentare un trasformatore in ferrite più efficiente rispetto ai trasformatori tradizionali. L’uscita viene quindi raddrizzata e filtrata. 2

Un anello di regolazione consente di regolare il tempo di ciclo del commutatore alta frequenza in modo da garantire la stabilizzazione della tensione in uscita(C Fig.9).

A Fig. 8 Alimentatore switching

A Fig. 9 Principio di funzionamento dell’alimentatore switching

v Conclusione La tabella della figura 10 mostra un rapido confronto tra le due tecnologie. Si consiglia successivamente di consultare il capitolo sulla messa in opera dei prodotti.

Confronto per un alimentatore 10A /24V DC

Alimentatori switching Alimentatori raddrizzati filtrati

Gamma di tensione d’ingresso

Vasta gamma da 85 a 264V

Diverse gamme fisse da 110V a 230V

Dimensioni d’ingombro 3 dm2 7 dm2

Peso 1.5 kg 6 kg

Rendimento Oltre l’85% Fino a 75%

Regolazione tensione uscita Sì No

Immunità microinterruzioni Buona > 20ms Bassa <5ms

Regolazione del carico dall’1 al 3% 5%

Regolazione linea <1% In funzione della rete dal 5 al 10%

Inquinamento EMC Richiede precauzioni di realizzazione

Naturalmente bassa

Inquinamento armoniche secondo EN61000-3-2 con filtro

Conforme di base alla norma EN61000-3-2

Affidabilità, durata Buono Ottima

A Fig. 10 Confronto degli alimentori a corrente continua


36

3capitolo Motori e carichi Influenza del funzionamento dei motori e dei carichi sul loro comportamento elettrico

Sommario 3. Motori e carichi

b 3.1 I motori asincroni trifase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 38

b 3.2 I motori monofase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 42

b 3.3 I motori sincroni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 43

b 3.4 I motori a corrente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 46

b 3.5 L’utilizzo dei motori asincroni trifase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 48

b 3.6 Confronto dei diversi tipi di motori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 52

b 3.7 I diversi tipi di carichi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 52

b 3.8 Le valvole egli assi elettrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 59

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Motori e carichi 3.1 I motori asincroni trifase

Questo capitolo è dedicato alla descrizione fisica ed elettrica degli apparecchi utilizzatori elettrici e dei loro carichi. A seconda dei casi, il carico influenza o meno le caratteristiche dell’apparecchio utilizzatore. Distingueremo quindi i carichi attivi, generalmente associati ad un motore, e i carichi passivi quali il riscaldamento e l’illuminazione. Termineremo con una presentazione di valvole e cilindri, mentre l’avviamento dei motori e la variazione dei velocità saranno oggetto dei capitoli successivi.

3.1 I motori asincroni trifase

A Fig. 1 Creazione di una corrente indotta in una spira in cortocircuito

A Fig. 2 La regola delle tre dita della mano destra per trovare la direzione della forza

A Fig. 3 Principio di un motore asincrono trifase

Questa prima parte è dedicata alla presentazione dei motori asincroni trifase, i più utilizzati per l'azionamento delle macchine. Questi motori vengono infatti impiegati in un gran numero di applicazioni per i vantaggi che presentano: standardizzazione, robustezza, semplicità di manutenzione, facilità di messa in opera, basso costo.

b Principio di funzionamento Il principio di funzionamento di un motore asincrono si basa sulla creazione di una corrente indotta in un conduttore quando questo interrompe le linee di forza di un campo magnetico; da qui deriva il nome di "motore a induzione". L’azione combinata di questa corrente indotta e del campo magnetico crea una forza motrice sul rotore del motore.

Supponiamo una spira ABCD in corto-circuito, situata in un campo magnetico B, e mobile intorno ad un asse xy. (C Fig. 1).

Se ad esempio facciamo ruotare il campo magnetico in senso orario, la spira viene sottoposta ad un flusso variabile e diventa sede di una forza elettromotrice indotta che genera una corrente indotta i (legge di Faraday).

Secondo la legge di Lenz, il senso della corrente è tale da opporsi per la sua azione elettromagnetica alla causa che lo ha generato. Ciascuno dei due conduttori è quindi sottoposto ad una forza F di Laplace (di Lorentz, per gli anglosassoni), di senso opposto al suo spostamento relativo rispetto al campo induttore.

La regola delle tre dita della mano destra (azione del campo su una corrente, (C Fig. 2) consente di definire facilmente il senso della forza F applicata a ogni conduttore.

Il pollice è posizionato nel senso del campo dell'induttore. L'indice indica il senso della forza. Il medio è posizionato nel senso della corrente indotta. La spira è quindi sottoposta ad una coppia che provoca la sua rotazione nello stesso senso del campo induttore, detto campo rotante. La spira inizia a ruotare e la coppia elettromotrice prodotta equilibra la coppia resistente.

b Creazione del campo rotante Tre avvolgimenti, geometricamenti scalati di 120°, vengono alimentati ciascuno da una delle fasi di una rete trifase alternata. (C Fig. 3).

Gli avvolgimenti sono percorsi da correnti alternate che presentano lo stesso sfasamento elettrico e che producono ciascuno un campo magnetico alternato sinusoidale. Questo campo, sempre diretto in base allo stesso asse, è massimo quando la corrente nell'avvolgimento è massima.

Il campo generato da ogni avvolgimento è la risultante di due campi che girano in senso inverso e aventi ognuno come valore costante la metà del valore del campo massimo. Ad un istante t1 qualunque del periodo (C Fig. 4), i campi prodotti da ciascun avvolgimento possono venire rappresentati come segue:

A Fig. 4 Campi generati dalle tre fasi


Numero di poli Velocità di rotazione in gr/mn

50 Hz 60 Hz 100 Hz

2 3000 3600 6000

4 1500 1800 3000

6 1000 1200 2000

8 750 900 1500

10 600 720 1200

12 500 600 1000

16 375 540 750

- il campo H1 diminuisce. I due campi che lo costituiscono tendono ad allontanarsi dall'asse OH1,

- il campo H2 aumenta. I due campi che lo costituiscono tendono ad avvicinarsi all'asse OH2,

- il campo H3 aumenta. I due campi che lo costituiscono tendono ad avvicinarsi all'asse OH3.

Il flusso corrispondente alla fase 3 è negativo. Il campo è quindi diretto nel senso opposto alla bobina.

Sovrapponendo i tre diagrammi, constatiamo che: - i tre campi che ruotano in senso antiorario sono spostati di 120° e si

annullano, - i tre campi che ruotano in senso orario si sovrappongono.

Questi campi si uniscono per formare il campo rotante di ampiezza costante 3Hmax/2. È un campo a coppia di poli,

- questo campo effettua un giro durante un ciclo della corrente d'alimentazione. La sua velocità dipende dalla frequenza della rete (f) e dal numero di coppie di poli (p)e viene chiamata "velocità di sincronismo”.

b Scorrimento La coppia motore esiste solo se una corrente indotta circola nella spira. Questa coppia è determinata dalla corrente che circola nella spira e che può essere presente solo se esiste una variazione di flusso nella spira. Quindi è necessario che ci sia una differenza di velocità tra la spira e il campo rotante. È il motivo per cui un motore elettrico che funziona in base al principio appena descritto viene chiamato "motore asincrono". La differenza tra la velocità di sincronismo (Ns) e quella della spira (N) è detta “scorrimento” (g) e si esprime in % della velocità di sincronismo.

g = [(Ns - N) / Ns] x 100

In funzionamento, la frequenza della corrente rotorica si ottiene moltiplicando la frequenza di alimentazione per lo scorrimento. All’avviamento la frequenza della corrente rotorica è quindi massima e pari a quella della corrente statorica. La frequenza della corrente statorica diminuisce progressivamente nel corso della messa in fase del motore.

Lo scorrimento in regime stabilito varia in base al carico del motore e in base al livello della tensione d’alimentazione applicato. Sarà minore quanto più il motore sarà a carico ridotto ed amumenterà se il motore sarà alimentato al di sotto della tensione nominale corrispondente alla frequenza d’alimentazione.

b Velocità di sincronismo La velocità di sincronismo dei motori asincroni trifase è proporzionale alla frequenza della corrente d’alimentazione e inversamente proporzionale al numero di coppie di poli che compongono lo statore.

Ad esempio: Ns = 60 f/p

Con: Ns: velocità di sincronismo in gr/min, f: frequenza in Hz, p: numero di coppie di poli.

Per le frequenze industriali di 50 Hz e 60 Hz e per la frequenza di 100 Hz, le velocità di rotazione del campo rotante, o velocità di sincronismo, in funzione del numero di poli, sono indicate nella tabella della figura 5.

Questo non significa che sia sempre possibile aumentare la velocità di un motore asincrono alimentandolo con una frequenza superiore a quella per la quale è previsto, anche se la tensione è adatta. Conviene in effetti verificare se le caratteristiche meccaniche ed elettriche proprie del motore lo consentono.

3

Velocità di sincronismo funzione del numero di poli e della frequenza della corrente

A Fig. 5


Motori e carichi 3.1 I motori asincroni trifase

A Fig. 6

Come già detto, tenuto conto dello scorrimento, le velocità di rotazione a carico dei motori asincroni sono leggermente inferiori alle velocità di sincronismo indicate nella tabella.

v Composizione Un motore asincrono trifase a gabbia è composto da due parti principali: un induttore o statore e un indotto o rotore.

v Lo statore È la parte fissa del motore. Un'armatura in ghisa o in lega leggera racchiude una corona di lamierini sottili (dell'ordine di 0,5 mm di spessore) in acciaio al silicio. I lamierini vengono isolati tra loro mediante ossidazione o con vernice isolante. La "composizione lamellare" del circuito magnetico riduce le perdite mediante isteresi e mediante correnti di Foucault.

I lamierini sono dotati di incastri nei quali vengono posizionati gli avvolgimenti dello statore destinati a produrre il campo rotante (tre avvolgimenti nel caso di un motore trifase). Ogni avvolgimento è composto da diverse bobine. Il modo di accoppiamento di queste bobine tra loro definisce il numero di coppie di poli del motore e quindi la velocità di rotazione.

v Il rotore È la parte mobile del motore. Come il circuito magnetico dello statore, è costituito da un impilaggio di lamierini sottili isolati tra loro e che formano un cilindro inchiavettato sull'albero del motore.

A seconda della tecnologia del rotore è possibile distinguere due tipi di motori asincroni: quelli il cui rotore è detto “a gabbia”, e quelli il cui rotore bobinato è detto “ad anelli”.

b I diversi tipi di rotore

v Il rotore a gabbia Esistono diversi tipi di rotore a gabbia, tutti progettati come l’esempio illustrato nella figura 6.

I diversi tipi di rotore a gabbia, dal meno diffuso al più comunemente utilizzato sono: • Rotore a gabbia resistente Il rotore resistente è molto diffuso soprattutto in gabbia singola (vedere più avanti la definizione di motore a gabbia singola). Di solito la gabbia è racchiusa tra due anelli in inox resistente (lega particolare, sezione ridotta, ecc...). Questi motori presentanto un forte scorrimento alla coppia nominale. La coppia di avviamento è elevata e la corrente di avviamento è debole (C Fig. 7).

A causa delle perdite nel rotore, il loro rendimento non è buono.

Questi motori vengono generalmente utilizzati in applicazioni per le quali è importante avere uno scorrimento, ad esempio per regolare la velocità in funzione della coppia:

- caso di più motori collegati meccanicamente sui quali deve essere ripartito il carico, quali treni di laminazione a rulli, azionamento gru di sollevamento,

- funzione avvolgitore-svolgitore con motori a coppia Alquist previsti a tale scopo,

- necessità di una forte coppia di avviamento con una corrente di spunto limitata (paranchi o nastri trasportatori).

Consentono la variazione di velocità tramite modifica della sola tensione, ma questa applicazione tende a scomparire a vantaggio dei convertitori di frequenza. La maggior parte dei motori sono autoventilati, anche se alcuni motori con rotore a gabbia resistente sono motoventilati (motorizzazione separata dal ventilatore).

Scoppio di un motore a rotore a gabbia


Rotore a gabbia singola

Rotore a doppia gabbia

Rotore a gabbia resistente

A Fig. 7 Curve coppia/velocità in base ai tipi di rotore a gabbia (a Un)

A Fig. 8 Esploso di un motore a rotore ad anelli

• Rotore a gabbia singola Nei fori o negli incastri disposti sulla parte esterna del rotore (cilindro costituito da lamiere impilate) sono posizionati alcuni conduttori collegati ad ogni estremità da una corona metallica e sui quali si esercita la coppia motore generata dal campo rotante. Perchè la coppia sia regolare i conduttori vengono leggermente inclinati rispetto all'asse del motore. L'insieme ha l'aspetto di una gabbia di scoiattolo, da cui deriva il nome di questo tipo di rotore.

La gabbia di scoiattolo è generalmente costituita da un unico pezzo (soltanto i motori molto grandi vengono realizzati utilizzando dei conduttori inseriti negli incastri). L’alluminio viene iniettato sotto pressione e le alette di raffreddamento, colate durante la stessa operazione, garantiscono la messa in cortocircuito dei conduttori dello statore.

Questi motori hanno una coppia di avviamento relativamente bassa e la corrente consumata alla messa sotto tensione è notevolmente superiore alla corrente nominale (C Fig. 7). I motori asincroni motoventilati a forte scorrimento vengono utilizzati nella variazione di velocità; la loro corrente al bloccaggio è vicina alla corrente nominale. La loro caratteristica coppia/velocità è importante. Con un’alimentazione variabile, è possibile adattare questa caratteristica e regolare la coppia motore in funzione della trazione desiderata.

D’altro canto hanno uno scorrimento debole alla coppia nominale e vengono utilizzati principalmente in forte potenza per migliorare il rendimento delle installazioni su pompe e ventilatori. Vengono anche associati a convertitori di frequenza a velocità variabile risolvendo perfettamente i problemi di coppia e di corrente di avviamento.

• Rotore a gabbia doppia È composto da due gabbie concentriche, una esterna con maggiore valore resistivo e una sezione minore; l'altra interna, di resistenza minore e con una sezione maggiore

- All’inizio dell’avviamento, dal momento che le correnti rotoriche hanno una frequenza elevata, l’effetto pelle risultante fa sì che tutta la corrente rotorica circoli alla periferia del rotore e quindi in una sezione ridotta dei conduttori. La coppia prodotta dalla gabbia esterna resistente è elevata e lo spunto di corrente ridotto (C Fig. 7).

- A fine avviamento la frequenza nel rotore diminuisce, il passaggio del flusso attraverso la gabbia interna risulta più facile. Il motore si comporta quindi come se fosse composto da una sola gabbia poco resistente. In regime stabilito, la velocità è solo leggermente inferiore a quella del motore a gabbia singola.

• Rotore a incastri profondi È la realizzazione standard. I conduttori sono saldati negli incastri del rotore che hanno una forma trapezoidale con il lato corto del trapezio all’esterno del rotore.

Il funzionamento è analogo a quello del motore a gabbia doppia e l’intensità della corrente del rotore varia in modo inversamente proporzionale alla sua frequenza.

Quindi: - All’inizio dell’avviamento la coppia è elevata e lo spunto di corrente

ridotto. - In regime stabilito la velocità è sostanzialmente quella del motore a

gabbia singola.

v Il rotore bobinato (rotore ad anelli) Negli incastri all’estremità del rotore sono posizionati degli avvolgimenti uguali a quelli dello statore (C Fig. 8).

Il rotore è generalmente trifase. Un'estremità di ciascun avvolgimento è collegata a un punto comune (accoppiamento stella). Le estremità libere possono essere collegate su un'interfaccia centrifuga o su tre anelli in rame, isolati e integrati al rotore.

3


Motori e carichi 3.1 I motori asincroni trifase 3.2 I motori monofase

3.2 I motori monofase

Sugli anelli scorrono delle spazzole in grafite collegate al dispositivo di avviamento. In funzione del valore delle resistenze inserite nel circuito rotorico, questo tipo di motore può sviluppare una coppia di avviamento che raggiunge fino a 2,5 volte la coppia nominale.

La corrente all’avviamento è sensibilmente proporzionale alla coppia sviluppata sull’albero motore.

Questa soluzione viene sempre meno utilizzata, a vantaggio delle soluzioni elettroniche, associate ad un motore a gabbia standard. Queste consentono infatti di risolvere i problemi di manutenzione (sostituzione delle spazzole d’alimentazione del rotore, manutenzione delle resistenze di regolazione), di ridurre l’energia dissipata nelle resistenze e anche di migliorare notevolmente il rendimento dell’installazione.

A Fig. 9 Principio di funzionamento di un motore asincrono monofase

Il motore monofase, anche se meno utilizzato nell’industria rispetto al motore trifase, rappresenta una parte non trascurabile nelle applicazioni bassa potenza e nelle applicazioni del terziario che utilizzano la rete monofase 230 V.

b I motori monofase a gabbia A pari potenza, sono più voluminosi dei motori trifase.

Inoltre, il loro rendimento e il loro coseno ϕ sono molto più bassi che nel caso dei motori trifase e variano considerabilmente in base alla potenza da una parte e al costruttore dall'altra.

In Europa, il motore monofase è utilizzato relativamente poco nel settore industriale, mentre negli Stati Uniti i motori monofase fino a una decina di KW sono di uso corrente.

È possibile alimentare un motore monofase a gabbia a partire da un convertitore di frequenza; tuttavia il numero di costruttori che propone questo tipo di prodotto è limitato.

v Composizione Il motore monofase, come il motore trifase, è composto da due parti: lo statore e il rotore.

• Lo statore Comprende un numero pari di poli i cui avvolgimenti sono collegate sulla rete di alimentazione.

• Il rotore Solitamente è a gabbia di scoiattolo.

v Principio di funzionamento Consideriamo uno statore che comprenda due avvolgimenti collegati sulla rete di alimentazione L1 e N (C Fig. 9). La corrente alternata monofase genera nel rotore un campo alternato semplice H che è la sovrapposizione di due campi rotanti H1 e H2 di stesso valore e senso contrario.

Poichè all'arresto lo statore è alimentato, questi campi presentano lo stesso scorrimento rispetto al rotore e di conseguenza producono due coppie uguali e opposte.

Il motore non può essere avviato.

Un impulso meccanico sul rotore provoca una diseguaglianza degli scorrimenti. Una delle coppie diminuisce mentre l'altra aumenta. La coppia risultante provoca l'avviamento del motore nel senso in cui è stato avviato.


3.2 I motori monofase 3.3 I motori sincroni

Motore ad anelli di sfasamento

Motori universali

A Fig. 12 Motore a magneti permanenti

A Fig. 10

A Fig. 11

3

Per risolvere questo problema di coppia durante la fase di avviamento, viene inserito nello statore un secondo avvolgimento sfasato di 90°.

Questa fase ausiliaria viene alimentata da un dispositivo di sfasamento (condensatore o induttanza). Una volta effettuato l’avviamento, la fase ausiliaria può essere eventualmente eliminata mediante un contatto centrifugo.

Un’altra soluzione consiste nell’utilizzare degli anelli di sfasamento (C Fig. 10) che provocano uno sfasamento del campo e consentono l’avviamento del motore. Questo tipo di motore viene utilizzato solo nelle piccole potenze (100 W max).

Un motore trifase di bassa potenza (4kw max circa) può anche essere utilizzato in monofase. Il condensatore di avviamento viene inserito in serie o in parallelo con l’avvolgimento non utilizzato. Questa disposizione può essere considerata solo un palliativo, poiché le prestazioni del motore diminuiscono notevolmente. Ciascun costruttore indica nel proprio catalogo lo schema da realizzare, i valori dei condensatori da utilizzare e il declassamento da applicare.

b I motori monofase universali Poco utilizzato nel settore industriale, è il motore più fabbricato al mondo, diffuso nel campo degli elettrodomestici e in quello delle attrezzature portatili.

La sua costruzione è analoga a quella di un motore a corrente continua a eccitazione seriale (C Fig. 11) alimentato a corrente alternata. Nella macchina il flusso viene invertito contemporanemante alla tensione. La coppia che si produce è quindi sempre nello stesso senso.

Comprende uno statore bobinato e un rotore con avvolgimenti collegati a degli anelli. La commutazione è assicurata da un collettore e da spazzole.

La potenza massima è di circa 1000 W e la velocità di rotazione a vuoto è dell’ordine di 10000 gr/mn. Questi motori sono adatti ad un utilizzo intermittente e il loro rendimento è mediocre.

3.3 I motori sincroni

b I motori sincroni a rotore magnetizzato v Composizione Il motore sincrono è costituito, come il motore asincrono, da uno statore e da un rotore separati dal traferro. Si differenzia dal motore asincrono per il fatto che il flusso nel traferro non è dovuto ad una componente della corrente dello stastore. È creato da magneti o dalla corrente indotta, fornita da un’alimentazione a corrente continua esterna, che alimenta un avvolgimento posizionato nel rotore.

• Lo statore Lo statore comprende una carcassa e un circuito magnetico solitamente costituiti da lamiere di acciaio al silicio e da un avvolgimento trifase analogo a quello di un motore asincrono, alimentato in corrente alternata trifase per produrre un campo rotante.

• Il rotore Il rotore presenta dei magneti o delle bobine di eccitazione attraversati da una corrente continua che creano dei poli Nord e Sud intercalati. Il rotore, a differenza delle macchine asincrone, gira senza scorrimento alla velocità del campo rotante.

Sono quindi disponibili due tipi diversi di motori sincroni: i motori a magneti e i motori a rotore bobinato.

- Per i primi il rotore del motore è dotato di magneti permanenti (C Fig. 12) solitamente in terra cruda per ottenere un campo elevato in un volume ridotto. Lo statore comprende degli avvolgimenti trifase.


Motori e carichi 3.3 I motori sincroni

Motore sincrono a rotore bobinato A Fig. 13

Questi motori accettano correnti di sovraccarico importanti per effettuare accelerazioni molto rapide. Sono sempre associati ad un variatore di velocità; questi insiemi moto-variatori sono destinati a mercati specifici come quelli dei robot o delle macchine utensili per i quali sono fondamentali il volume ridotto, le accelerazioni e la banda passante.

- L’altro tipo di motori sincroni sono a rotore bobinato (C Fig.13), L’avvolgimento del rotore è accessibile tramite anelli e pattini, ma vi sono altri dispositivi come ad esempio i diodi rotanti. Queste macchine sono reversibili e possono funzionare come generatori (alternatori) o motori. Per molto tempo queste macchine sono state utilizzate soprattutto con funzione di alternatori. Il loro utilizzo come motore era confinato alle applicazioni che richiedevano l’azionamento dei carichi a velocità fissa, a scapito delle variazioni relativamente importanti della coppia resistente.

La capacità delle macchine sincrone di fornire potenza reattiva e lo sviluppo dei convertitori di frequenza diretti (del tipo ciclo-convertitore) o indiretti funzionanti in commutazione naturale, ha permesso di realizzare degli azionatori elettrici a velocità variabile performanti, affidabili e particolarmente competitivi quando la potenza supera il megawatt.

Anche se è possibile trovare motori sincroni utilizzati nel settore industriale nella gamma di potenza da 150 kW a 5 MW, gli azionatori elettrici con motori sincroni si sono imposti soprattutto oltre i 5 MW, nella maggior parte dei casi in associazione ai variatori di velocità.

v Caratteristiche di funzionamento La coppia motore della macchina sincrona è proporzionale alla tensione alle sue estremità, mentre quella della macchina asincrona è proporzionale al quadrato di questa tensione.

Contrariamente al motore asincrono, il motore sincrono può lavorare con un fattore di potenza pari all’unità o molto vicino a questa.

Il motore sincrono, rispetto al motore asincrono, beneficia quindi di un certo numero di vantaggi particolari per quanto riguarda l’alimentazione tramite rete a tensione e frequenza costanti:

- la velocità del motore è costante, con qualsiasi carico, - può fornire potenza reattiva e consentire il miglioramento del fattore di

potenza di una linea, - può supportare, senza sganciare, cadute di tensione relativamente

importanti (dell’ordine del 50 %).

Tuttavia, il motore sincrono alimentato direttamente dalla rete di distribuzione di energia a tensione e frequenza costanti presenta due inconvenienti:

- presenta difficoltà di avviamento se il motore non è associato ad un variatore di velocità; l’avviamento deve essere effettuato a vuoto, sia in caso di avviamento diretto per i piccoli motori, sia con motore che lo aziona ad una velocità vicina al sincronismo prima dell’accoppiamento diretto sulla rete,

- potrebbe sganciarei se la coppia resistente supera la sua coppia elettromagnetica massima e, in questo caso, sarà necessario ripetere l’intero processo di avviamento.


magnete riluttanza ibrido permanente variabile

Caratteristiche 2 fasi, 4 fili 4 fasi, 8 fili 2 fasi 14 fili

N° passo/giri 8 24 12

Fasi di funzionamento

Passo 1

Stato intermedio

Passo 2

A Fig. 14

Tipo Bipolare a Unipolare a Bipolare

I tre tipi di motore passo-passo

A Fig. 15 Livelli di corrente applicate alle bobine di un motore passo a passo per ridurne il passo

b Altri tipi di motori sincroni Per concludere il panorama sui motori industriali, citiamo i motori lineari, i motori asincroni sincronizzati e i motori passo-passo.

v I motori lineari La loro struttura è identica a quella dei motori rotanti di tipo sincrono. Sono costituiti da uno statore (piastra) e da un rotore (asta di avanzamento) sviluppati in linea. Generalmente la piastra si sposta su una guida di scorrimento lungo un’asta di avanzamento.

Questo tipo di motore non ha elementi cinematici intermedi per la trasformazione del movimento e garantisce quindi assenza di gioco e di usura meccanica.

v I motori asincroni sincronizzati Sono motori a induzione. Durante la fase di avviamento, il motore funziona in modo asincrono e quando ha raggiunto una velocità vicina al sincronismo, passa in modo sincrono.

Se il carico meccanico è elevato il motore non può girare in modo sincrono e il funzionamento torna in modo asincrono.

Questa particolarità è dovuta alla costruzione speciale del rotore generalmente per motori di bassa potenza.

v I motori passo-passo Il motore passo-passo è un motore che gira in funzione degli impulsi elettrici che alimentano gli avvolgimenti. In funzione dell’alimentazione elettrica, può essere:

- unipolare se gli avvolgimenti sono sempre alimentati nello stesso senso da un’unica tensione, da cui il nome di unipolare,

- bipolare se gli avvolgimenti sono alimentati sia in un senso che nell’altro. Creano di volta in volta un polo Nord e un polo Sud, da cui il nome di bipolare.

I motori passo-passo possono essere a riluttanza variabile, a magneti o una combinazione dei due (C Fig. 14).

L’angolo di rotazione minimo tra due modifiche degli impulsi elettrici si chiama “passo”. Un motore è caratterizzato dal numero di passi per giro (ossia per 360°). I valori correnti sono 48, 100 o 200 passi per giro.

La rotazione del motore avviene quindi in modo discontinuo. Per migliorare la risoluzione il numero di passi può essere aumentato in modo puramente elettronico (funzionamento in micro passi). Questa soluzione viene descritta in dettaglio nel capitolo dedicato alla variazione di velocità.

Facendo variare la corrente (C Fig. 15) nelle bobine, si crea un campo risultante che scorre da un passo all’altro provocando la riduzione effettiva del passo.

Alcuni circuiti per micro passi moltiplicano per 500 il numero di passi di un motore che diventerà, ad esempio, da 200 a 100000 passi.

L’elettronica consente di comandare la cronologia di questi impulsi e di conteggiarne il numero. I motori passo-passo e il loro circuito di comando consentono quindi la rotazione di un asse in modo molto preciso per quanto riguarda velocità e ampiezza.

Il loro funzionamento è quindi simile a quello di un motore sincrono quando l’albero è in rotazione continua; questo corrisponde a dei limiti specifici di frequenza, di coppia e d’inerzia del carico azionato (C Fig. 16).

Se questi limiti vengono superati, il motore sgancia e quindi si arresta.

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A Fig. 16 Coppia massima in funzione della frequenza del passo


Motori e carichi 3.3 I motori sincroni 3.4 I motori a corrente continua

Un posizionamento angolare preciso è possibile senza anello di misura. Questi motori, generalmente di potenza al di sotto del kW, sono, per i piccoli modelli, alimentati a bassa tensione. Nel settore industriale vengono utilizzati per applicazioni di posizionamento, quali la regolazione di limitatori di posizione per taglio in lunghezza, comando valvole, dispositivi ottici o di misura, caricamento/scaricamento presse o macchine utensili, ecc...

La semplicità di questa soluzione la rende particolarmente economica (nessun anello di reazione). I motori passo-passo a magneti presentano anche il vantaggio di una coppia all’arresto in assenza di alimentazione. Per garantire un comando efficace è tuttavia necessario che la parte elettronica conosca e acquisisca la posizione iniziale del corpo mobile.

3.4 I motori a corrente continua

A Fig. 17 Motore a corrente continua

I motori a corrente continua (C Fig.17) ad eccitazione separata sono ancora utilizzati per l'azionamento delle macchine a velocità variabile, nonostante la grande concorrenza dei motori asincroni associati a convertitori di frequenza.

Molto facili da miniaturizzare, si impongono nelle potenze molto basse e nelle basse tensioni. Si prestano anche molto bene, fino a potenze rilevanti (diversi megawatt), alla variazione di velocità con tecnologie elettroniche semplici e poco onerose per prestazioni elevate (gamma di variazione correntemente utilizzata da 1 a 100).

Le loro caratteristiche consentono anche una regolazione precisa della coppia, in motore o in generatore. La loro velocità di rotazione nominale, non collegata alla frequenza della rete, si adatta facilmente a tutte le applicazioni.

Sono tuttavia meno robusti e più costosi dei motori asincroni e richiedono una manutenzione regolare del collettore e delle spazzole.

b Composizione Un motore a corrente continua è composto dai seguenti elementi:

v L’induttore o statore È un elemento di circuito magnetico immobile sul quale, per produrre un campo magnetico, è bobinato un avvolgimento. L'elettromagnete così realizzato presenta tra i poli una cavità cilindrica. L’avvolgimento statorico può essere sostituito da magneti permanenti; questo vale in generale per i motori di bassa potenza.

v L’indotto o rotore È un cilindro in lamiere magnetiche isolate tra loro e perpendicolari all'asse del cilindro. L'indotto si muove intorno al suo asse ed è separato dall'induttore mediante un intraferro. Intorno, sono regolarmente ripartiti alcuni conduttori.

v Il collettore e le spazzole Il collettore è parte integrante dell'indotto, le spazzole sono fisse. I conduttori dell'indotto sono alimentati da questo dispositivo.

b Principio di funzionamento Quando l'induttore è alimentato crea un campo magnetico (flusso di eccitazione) nel traferro, diretto in base ai raggi dell'indotto. Questo campo magnetico "entra" nell'indotto dal lato del polo Nord dell'induttore ed "esce" dall'indotto dal lato del polo Sud dell'induttore.


A Fig. 18 Produzione di una coppia in un motore a corrente continua

A Fig. 19 Curve coppia/velocità di un motore a eccitazione separata

Quando l’indotto è alimentato i suoi conduttori, posizionati sotto lo stesso polo induttore (dallo stesso lato delle spazzole), vengono percorsi da correnti di senso uguale e quindi, secondo la legge di Laplace, sono sottoposti ad una forza. I conduttori posizionati sotto l’altro polo sono sottoposti ad una forza della stessa intensità e di senso opposto. Le due forze creano una coppia che fa ruotare l’indotto del motore (C Fig. 18).

Quando l’indotto del motore è alimentato a tensione continua o raddrizzata U e il rotore è in rotazione, si produce una forza controelettromotrice E il cui valore è E = U – RI.

RI rappresenta la caduta di tensione ohmica nell'indotto. La forza contro-elettromotrice E è collegata alla velocità e all'eccitazione dalla relazione E = k ω φ

ove: - k è una costante propria del motore, - w la velocità angolare, - φ, il flusso.

Questo rapporto mostra che a eccitazione costante, la forza controelettromotrice E, proporzionale ω, è un'immagine della velocità.

La coppia è collegata al flusso induttore e alla corrente nell’indotto dalla relazione: C = k φ I

Riducendo il flusso, la coppia diminuisce.

Due metodi consentono di far crescere la velocità: - aumentare la forza contro-elettromotrice E, quindi la tensione

d’alimentazione a eccitazione costante: si tratta del funzionamento detto “a coppia costante”,

- diminuire il flusso di eccitazione, quindi la corrente di eccitazione, mantenendo costante la tensione d’alimentazione: si tratta del funzionamento detto in regime “deflussato” o “a potenza costante”. Questo funzionamento impone che la coppia diminuisca con l’aumento della velocità (C Fig. 19).

D’altra parte, per rapporti di deflussaggio elevati, questo funzionamento richiede motori specifici (adatti meccanicamente o elettricamente) per evitare problemi di commutazione.

Il funzionamento di un motore a corrente continua è reversibile: - se il carico si oppone al movimento di rotazione (carico detto

resistente), l’apparecchio fornisce una coppia e funziona come motore,

- se il carico è tale da far ruotare l’apparecchio (carico azionante) o si oppone al rallentamento (fase di arresto di un carico che presenta una certa inerzia), l’apparecchio fornisce energia elettrica e funziona come generatore.

b Diversi tipi di motori a corrente v Continua a rotore bobinato (C Fig.20)

• a e c motore a eccitazione parallela (separata o shunt) Gli avvolgimenti indotti e induttore sono collegati in parallelo o alimentati da due sorgenti di tensioni diverse per questioni di adattamento alle caratteristiche della macchina (es.: tensione d’indotto 400 volt e tensione d’induttore 180 volt). L'inversione del senso di rotazione si ottiene mediante inversione di uno o dell’altro avvolgimento, generalmente mediante inversione della tensione d’indotto per motivi riguardanti le costanti di tempo molto più ridotte. La maggior parte dei variatori bidirezionali per motore a corrente continua lavorano in questo modo.

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A Fig. 20 Schemi dei diversi tipi di motori a corrente continua


Motori e carichi 3.4 I motori a corrente continua 3.5 L’impiego dei motori asincroni trifase

• b motore a eccitazione seriale Questo motore è di costruzione simile a quella del motore a eccitazione separata. L’avvolgimento induttore è collegato in serie con l’avvolgimento indotto, da cui deriva il suo appellativo. L'inversione del senso di rotazione si ottiene indifferentemente mediante inversione delle polarità dell'indotto o dell'induttore. Questo motore viene utilizzato essenzialmente in trazione, in particolare sui carrelli alimentati da batterie di accumulatori. Nel campo della trazione ferroviaria, le vecchie motrici del TGV utilizzavano questo tipo di motore, mentre quelle più recenti utilizzano motori asincroni.

• d motore a eccitazione seriale-parallela (composta o “compound”) Questa tecnologia consente di riunire le qualità del motore a eccitazione seriale e del motore a eccitazione parallela. Questo motore comprende due avvolgimenti. Uno è in parallelo con l'indotto (avvolgimento shunt) o è realizzato sotto forma di un avvolgimento di eccitazione separato ed è percorso da una corrente bassa rispetto alla corrente di lavoro. L’altro è in serie. Il motore è a flusso aggiuntivo se gli Ampere-spire dei due avvolgimenti aggiungono i loro effetti. Nel caso contrario è a flusso sottrattivo, ma questo tipo di montaggio viene utilizzato solo raramente poichè porta ad un funzionamento instabile per carichi elevati.

3.5 L’utilizzo dei motori asincroni trifase

Schema equivalente di un motore asincrono

b Motori a gabbia v Conseguenze di una variazione di tensione • Effetto sulla corrente di avviamento La corrente di avviamento varia con la tensione d’alimentazione. Se quest’ultima è più elevata durante la fase di avviamento, la corrente consumata al momento della messa sotto tensione aumenta. Questo aumento di corrente sarà aggravato dalla saturazione della macchina.

• Effetto sulla velocità In caso di variazioni di tensione, la velocità di sincronismo non viene modificata. Su un motore in carico, tuttavia, un aumento della tensione genera una leggera diminuzione dello scorrimento. Concretamente, questa proprietà non è utilizzabile poiché, per la saturazione del circuito magnetico dello statore, la corrente consumata aumenta notevolmente e potrebbe verificarsi un riscaldamento anormale della macchina, anche su un funzionamento a basso carico. In compenso, se la tensione di alimentazione diminuisce,lo scorrimento aumenta e, per fornire la coppia, la corrente consumata aumenta, con il rischio di riscaldamento che ne risulta.

D’altra parte, poiché la coppia massima diminuisce come il quadrato della tensione, potrebbe verificarsi uno sgancio in caso di notevole diminuzione della tensione.

v Conseguenze di una variazione di frequenza • Effetto sulla coppia Come in tutte le macchine elettriche, la coppia del motore asincrono è data da C = K I φ

(K = coefficiente costante dipendente dalla macchina). (C Fig. 21)

Nello schema equivalente del disegno 21, l’avvolgimento L è quello che produce il flusso e Io è la corrente di magnetizzazione. Si osserverà che lo schema equivalente di un motore asincrono è identico a quello di un trasformatore ed entrambi gli apparecchi sono caratterizzati dalle stesse equazioni.

Come prima approssimazione, trascurando la resistenza davanti all’induttanza di magnetizzazione (ossia per frequenze di qualche Hertz) la corrente Io verrà espressa con: Io = U / 2π L f e il flusso verrà espresso con: φ = k Io

La coppia della macchine verrà quindi espressa con: C = K k Io I. Io e I sono le correnti nominali per le quali il motore è calibrato.

A Fig. 21


A Fig. 22 Diversi tipi di accoppiamento Dahlander

Per non superare i limiti, è necessario mantenere Io al suo valore nominale; questo è possibile soltanto se il rapporto U/f rimane costante.

Di conseguenza è possibile ottenere la coppia e le correnti nominali fino a quando la tensione d’alimentazione U potrà essere regolata in funzione della frequenza.

Quando questa regolazione non sarà più possibile, la frequenza potrà essere sempre aumentata, ma la corrente Io e la coppia utile diminuiranno, poiché non è possibile superare in modo continuativo la corrente nominale della macchina senza rischi di riscaldamento.

Per ottenere un funzionamento a coppia costante con qualunque velocità è necessario mantenere il rapporto U/f costante; questo è possibile con un convertitore di frequenza.

• Effetto sulla velocità La velocità di rotazione di un motore asincrono è proporzionale alla frequenza della tensione di alimentazione. Questa proprietà viene spesso utilizzata per far funzionare a velocità elevata motori progettati a tale scopo, ad esempio a 400 Hz (rettificatrici, apparecchiature mediche o chirurgiche, ecc...). È inoltre possibile ottenere una velocità variabile mediante regolazione della frequenza, ad esempio da 6 a 50 Hz (rulli trasportatori, apparecchi di sollevamento, ecc...).

v Regolazione di velocità dei motori asincroni trifase Per lungo tempo le possibilità di regolazione della velocità dei motori asincroni sono state molto ridotte. La maggior parte delle volte i motori a gabbia venivano utilizzati alla loro velocità nominale.

Praticamente solo i motori ad accoppiamento di poli o ad avvolgimenti separati, ancora oggi frequentemente utilizzati, consentivano di disporre di più velocità fisse.

Con i convertitori di frequenza, i motori a gabbia sono oggi correntemente comandati a velocità variabile e possono essere anche utilizzati in applicazioni fino ad ora riservate ai motori a corrente continua.

v Motori ad accoppiamento di poli Come abbiamo visto in precedenza, la velocità di un motore a gabbia dipende dalla frequenza della rete di alimentazione e dal numero di coppie di poli. È quindi possibile ottenere un motore a due o più velocità creando nello statore delle combinazioni di bobinature corrispondenti a numeri di poli diversi.

Questo tipo di motore consente solo rapporti di velocità 1 a 2 (4 e 8 poli, 6 e 12 poli, ecc.). Comprende sei morsetti (C Fig.22).

Per una delle velocità, la rete è collegata sui tre morsetti corrispondenti. Per la seconda, questi sono collegati tra di loro e la rete è collegata sugli altri tre morsetti.

La maggior parte delle volte l’avviamento, sia ad alta che bassa velocità, viene effettuato mediante accoppiamento alla rete senza utilizzare dispositivi particolari (avviamento diretto).

In alcuni casi, se le condizioni d'impiego lo richiedono e se il motore lo consente, il dispositivo di avviamento realizza automaticamente il passaggio a bassa velocità prima di inserire l'alta velocità o prima dell'arresto.

In base alle correnti assorbite negli accoppiamenti Bassa Velocità (-BV-) o Alta Velocità (-AV-), la protezione può essere realizzata con lo stesso relè termico per entrambe le velocità o con due relè (uno per ogni velocità).

Solitamente questi motori hanno un rendimento basso e un fattore di potenza abbastanza ridotto.

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Motori e carichi 3.5 L’impiego dei motori asincroni trifase

A Fig. 23 Curva velocità/coppia con resistenza “di scorrimento”

v Motori con avvolgimenti statorici separati Questo tipo di motore, che comprende due avvolgimenti statorici elettricamente indipendenti, consente di ottenere due velocità in un rapporto qualsiasi. Poichè gli avvolgimenti BV devono sopportare i limiti meccanici ed elettrici che risultano dal funzionamento del motore in AV, le loro caratteristiche elettriche spesso ne risentono. Talvolta un motore funzionante a BV consuma una corrente più elevata che in AV.

È anche possibile realizzare motori a tre o quattro velocità procedendo all'accoppiamento dei poli su uno degli avvolgimenti dello statore o su entrambi. Questa soluzione richiede prese supplementari sulle bobinature.

b Motori ad anelli v Utilizzo della resistenza rotorica La resistenza inserita all’esterno del circuito del rotore per questo tipo di motore consente di definirne:

- la coppia di avviamento, - e la velocità.

In effetti, il collegamento di una resistenza permanente ai morsetti del rotore di un motore ad anelli riduce la sua velocità in modo direttamente proporzionale al crescere del suo valore. Si tratta di una soluzione semplice per far variare la velocità.

v Regolazione di velocità mediante scorrimento Le resistenze del rotore o resistenze "di scorrimento" possono essere messe in cortocircuito in più sezioni per ottenere una regolazione discontinua della velocità, o l'accelerazione progressiva e l'avviamento completo del motore. Devono essere in grado di sopportare la durata del funzionamento, soprattutto quando sono previste per far variare la velocità. Per questo il loro volume è talvolta notevole e il loro costo elevato.

Questo processo, estremamente semplice, viene utilizzato sempre meno poiché presenta due importanti inconvenienti:

- durante la marcia a velocità ridotta, una gran parte dell'energia sottratta alla rete viene dissipata in pura perdita nelle resistenze.

- la velocità ottenuta, non è indipendente dal carico, ma varia con la coppia resistente applicata dalla macchina sull'albero motore. (C Fig. 23).

Per una data resitenza, lo scorrimento è proporzionale alla coppia. Così, ad esempio, la diminuzione di velocità ottenuta da una resistenza può essere del 50% a pieno carico e del 25% soltanto a mezzo carico, mentre la velocità a vuoto resta praticamente invariata.

Se un conduttore controlla permanentemente la macchina, può, modificando su richiesta il valore della resistenza, fissare la velocità in una certa zona per le coppie relativamente elevate; tuttavia per le coppie basse è praticamente impossibile qualsiasi regolazione. In effetti, se per ottenere un punto "bassa velocità a coppia bassa", esso inserisce una resistenza molto elevata, la minima variazione della coppia resistente fa passare la velocità da zero a circa il 100 %. La caratteristica è troppo instabile.

Per macchine a variazione particolare della coppia resistente in base alla velocità, la regolazione può risultare impossibile.

Esempio di funzionamento in scorrimento. Per un carico variabile che applica al motore una coppia resistente di 0.8 Cn, si possono ottenere velocità diverse, rappresentate dal segno • sul diagramma della fig. 23.

A coppia uguale, la velocità diminuisce quando la resistenza rotorica aumenta.


A Fig. 24 Sezione schematica di un variatore di velocità a corrente di Foucault

A Fig. 25 Schema di un gruppo Ward Léonard

b Altri sistemi di variazione di velocità v Il variatore di tensione Questo dispositivo viene utilizzato esclusivamente per i motori asincroni di bassa potenza e richiede un motore a gabbia resistente.

La variazione di velocità si ottiene aumentando lo scorrimento del motore consecutivo alla diminuzione di tensione.

Il variatore di tensione è molto utilizzato nei sistemi di ventilazione, nelle pompe e nei compressori, applicazioni per le quali la sua caratteristica di coppia disponibile consente un funzionamento soddisfacente. Tuttavia questa soluzione viene man mano sostituita dai convertitori di frequenza che diventano sempre più competitivi.

v Altri sistemi elettromeccanici

I sistemi elettromeccanici di regolazione di velocità, ricordati qui di seguito, vengono impiegati meno frequentemente dopo la diffusione dei variatori di velocità elettronici.

• Motori in alternata a collettore (Schrage) Si tratta di motori speciali. La variazione di velocità si ottiene facendo variare, rispetto alla linea del neutro, la posizione delle spazzole sul collettore.

• Variatori a corrente di Foucault (C Fig.24) È costituito da una barra collegata direttamente al motore asincrono che ruota a velocità costante e da un rotore con un avvolgimento alimentato da corrente continua.

Il movimento viene trasmesso all’albero di uscita mediante accoppiamento elettromagnetico. Regolando l’eccitazione di questo movimento è possibile regolare lo scorrimento dell’intero sistema.

Un generatore tachimetrico integrato consente di controllare la velocità in modo abbastanza preciso.

Un sistema di ventilazione forzato consente di eliminare le perdite prodotte dallo scorrimento. Questo principio è stato ampiamente utilizzato negli apparecchi di sollevamento e in particolare nelle gru di cantiere.

È per costruzione un sistema robusto senza elementi soggetti ad usura; può essere adatto a sistemi di funzionamento intermittenti e potenze fino ad un centinaio di kW.

• Gruppo Ward Leonard Questo dispositivo, un tempo molto diffuso, è l’antenato dei variatori di velocità per motori a corrente continua. È composto da un motore e da un generatore che alimenta un motore a corrente continua (C Fig.25).

La variazione di velocità si ottiene regolando l’eccitazione del generatore. Una bassa corrente di controllo consente di controllare potenze di diverse centinaia di kW in tutti i quadranti coppia velocità. Questo tipo di variatore è stato utilizzato sui laminatoi e sugli ascensori delle miniere.

Questa soluzione di variazione velocità era la più performante prima dell’avvento dei semi-conduttori che l’hanno resa obsoleta.

v Variatori di velocità meccanici ed idraulici I variatori meccanici ed idraulici sono sempre utilizzati.

Per quanto riguarda i variatori meccanici, sono state immaginate diverse soluzioni (pulegge. cinghie, sfere, coni, ecc.). Questi variatori presentano lo svantaggio di richiedere una manutenzione attenta ed accurata e si prestano difficilmente agli asservimenti. Inoltre i convertitori di frequenza fanno loro una grande concorrenza.

I variatori idraulici sono sempre molto diffusi per applicazioni particolari.

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Motori e carichi 3.5 L’impiego dei motori asincroni trifase 3.6 Confronto dei diversi tipi di motori 3.7 I diversi tipi di carichi

Sono caratterizzati da potenze con masse considerevoli e dalla capacità di sviluppare coppie elevate a velocità nulla in modo continuo. Nel settore industriale si trovano principalmente nelle applicazioni di servocomando.

Non rientrando nel quadro di questa guida, questo tipo di variatori non verranno descritti nel dettaglio.

3.6 Confronto dei diversi tipi di motori

La tabella riportata nella figura 26 consente di visualizzare rapidamente i motori elettrici disponibili, le loro caratteristiche principali e i loro settori d’impiego.

tipo di asincrono a gabbia asincrono sincrono a motore bobinato a corrente continuamotore trifase monofase ad anelli rotore

bobinato rotore magnete terra cruda

passo a passo

costo del motore

basso basso elevato elevato elevato basso basso

motore a tenuta stagna

standard possibile su richiesta costoso

su richiesta costoso

standard standard

avviamento diretto sulla rete

facilitato facilitato dispositivo di avviamento particolare

non possibile a partire da qualche Kw

non previsto

non previsto

non previsto

variatore di velocità

facile raro possibile frequente sempre sempre sempre

costo della soluzione variazione di velocità

sempre più economico

molto economico

economico molto economico

abbastanza economico

molto economico

molto economico

prestazioni di variazioni industriale

sempre più elevato

molto bassa

medie elevato molto elevato

da media a elevate

da elevate a molto elevate

impiego velocità costante o variabile

in maggioranza velocità costante

velocità costante o variabile

velocità costante o variabile

velocità variabile

velocità variabile

velocità variabile

utilizzo industriale

universale per le basse potenze

in diminuzione

per le forti potenze a media tensione

macchine utensili, dinamica elevata

posizionamento ad anello aperto per le basse potenze

in diminuzione

A Fig. 26 Caratteristiche comparate dei motori comuni

È importante sottolineare la posizione dei motori asincroni a gabbia trifase il cui appellativo di « standard » è oggi rinforzato dal perfetto adattamento all’impiego, conseguenza dello sviluppo dei dispositivi elettronici per la variazione di velocità.

3.7 I diversi tipi di carichi

I carichi possono essere classificati in due gruppi: - i carichi motrici che mettono in movimento un corpo mobile o un fluido o

che ne cambiano lo stato (ad esempio passaggio dallo stato gassoso allo stato liquido),

- i carichi passivi che non sviluppano forza motrice, come l’illuminazione o il riscaldamento.

b I carichi attivi Con questo termine vengono definiti tutti i sistemi che consentono di mettere in movimento un corpo mobile o un fluido.

Il movimento di un corpo mobile richiede la modifica della sua velocità o della sua posizione e quindi di fornire una coppia che consenta di vincere la resistenza al movimento accelerando al contempo l’inerzia del carico. La messa in velocità è una conseguenza diretta della coppia applicata.

v I quadranti di funzionamento La figura 27 illustra le quattro situazioni possibili nel diagramma coppia-velocità di una macchina, riassunte nella tabella associata.

A Fig. 27 Le quattro situazioni possibili di funzionamento di una macchina


Funzionamento a coppia costanteA Fig. 28

a

b

A Fig. 29 a/b Funzionamento a coppia crescente con la velocità

È importante notare che quando la macchina funziona come generatore, deve beneficiare di una forza di azionamento. Questo stato è utilizzato per la frenatura. L’energia cinetica presente sull’albero della macchina viene trasferita alla rete di alimentazione oppure dissipata nelle resistenze o, per le piccole potenze, nelle perdite della macchina.

Sono possibili diversi tipi di funzionamento. Le illustrazioni riportate a lato rappresentano sommariamente i carichi riscontrabili.

v I tipi di funzionamento • Funzionamento a coppia costante Il funzionamento è detto a coppia costante quando le caratteristiche del carico sono tali che in regime stabilito la coppia richiesta è pressoché la stessa con qualsiasi velocità (C Fig.28).

Questo modo di funzionamento è riscontrabile su macchine quali i nastri trasportatori, i frantumatori o le apparecchiature di sollevamento. Per questo tipo di applicazione,il dispositivo di avviamento deve avere la capacità di fornire una coppia di avviamento importante (1.5 volte o più la coppia nominale) per vincere gli attriti statici e per accelerare la macchina (inerzia).

• Funzionamento a coppia crescente con la velocità Le caratteristiche del carico sono tali da provocare l’aumento della coppia richiesta con la velocità. È il caso in particolare delle pompe volumetriche a viti di Archimede la cui coppia cresce linearmente con la velocità (C Fig.29a) o delle macchine centrifughe (pompe e ventilatori) la cui coppia varia con il quadrato della velocità (C Fig.29b).

La potenza delle pompe volumetriche a viti varia con il quadrato della velocità.

La potenza delle macchine centrifughe varia con il cubo della velocità.

Un avviatore destinato a questo tipo di applicazione avrà una coppia di avviamento inferiore. Generalmente è sufficiente un valore pari a 1.2 volte la coppia nominale del motore.

• Funzionamento a coppia decrescente con la velocità Per alcune macchine la coppia richiesta dal carico diminuisce quando la velocità aumenta. È il caso in particolare del funzionamento detto a potenza costante, quando il motore fornisce una coppia inversamente proporzionale alla velocità angolare (C Fig.30).

È il caso, ad esempio, di un avvolgitore la cui velocità angolare deve diminuire progressivamente con l’aumentare del diametro dell’avvolgimento dovuto all’accumulo di materiale. È anche il caso dei motori dei mandrini.

La gamma di funzionamento a potenza costante è limitata per natura: a bassa velocità dalla corrente fornita dal variatore e ad alta velocità dalla coppia disponibile del motore. Di conseguenza, la coppia motore disponibile con i motori asincroni e la capacità di commutazione delle macchine a corrente continua devono essere ben verificati.

3

A Fig. 30 Funzionamento a coppia decrescente con la velocità


Motori e carichi 3.7 I diversi tipi di carichi

Nela tabella della figura 31 sono elencate le macchine comuni e la loro legge di coppia in funzione della velocità.

Tipo di macchina Legge di coppia in funzione della velocità

Nastri trasportatori Costante

Macchine rotative per tipografia Costante

Pompe volumetriche a viti Coppia crescente in linea con la velocità

Pompe di dosaggio Costante

Pompe centrifughe Coppia crescente come il quadrato della velocità

Ventilatori e termoventilatori Coppia crescente come il quadrato della velocità

Compressori a viti Costante

Compressori scroll Costante

Compressori a pistoni Costante

Forni per cementifici Costante

Estrusori Costante o decrescente in linea con la velocità

Presse meccaniche Costante

Avvolgitorii, svolgitori Costante o decrescente in linea con la velocità

Spappolatori Costante

Macchine sezionali Costante

Mulini Costante

Mescolatori Coppia crescente in linea con la velocità

Impastatrici, calandatrici Costante o decrescente in linea con la velocità

Centrifughe Coppia crescente come il quadrato della velocità

Mandrini Costante o decrescente in linea con la velocità

Apparecchi di sollevamento Costante

A Fig. 31 Profilo della caratteristica della coppia per tipi di macchine

Spesso all’inizio della messa in velocità, il motore deve vincere una coppia transitoria, come, ad esempio nel caso di un frantumatore che viene avviato con prodotto nella tramoggia. Possono verificarsi anche degli attriti secchi che scompaiono quando la macchina è in movimento oppure una macchina fredda può presentare, con l’aumento di temperatura, una coppia resistente superiore alla marcia normale.

b I carichi passivi Nell’industria troviamo due tipi di carichi passivi:

- il riscaldamento, - l’illuminazione.

v Il riscaldamento Il riscaldamento dei locali industriali è una spesa notevole e per ridurla al minimo è indispensabile diminuire le dispersioni di calore; questo dipende dalla progettazione dell’edificio ed esula dall’argomento trattato in questo documento.

Ogni edificio è un caso a sé e le nostre risposte sarebbero evasive e non applicabili.

Al contrario la gestione dell’edificio può apportare contemporaneamente confort e risparmi significativi. Per ulteriori informazioni, contattare la nostra organizzazione commerciale.

Se necessario è possibile consultare i consulenti dei fornitori di materiale elettrico che faciliteranno la scelta della soluzione più adatta.


A Fig. 32

A Fig. 33

Lampade fluo compatte

Lampade a scarica

v L’illuminazione • L’illuminazione a incandescenza L’illuminazione a incandescenza (brevetto di Thomas Edison del 1879) è stata una vera rivoluzione. Per decenni, l’illuminazione è ricorsa a dispositivi che utilizzavano un filamento portato ad alta temperatura per irradiare una luce visibile.

Questo tipo di illuminazione, ancora oggi molto diffusa, presenta due grandi inconvenienti:

- un basso rendimento, poiché la maggior parte dell’elettricità consumata viene sprecata in calore,

- una sostituzione periodica del dispositivo d’illuminazione che ha una durata di qualche migliaio di ore. È stato possibile aumentare questa durata grazie a miglioramenti quali l’introduzione di gas rari come il cripton o il gas alogeno.

Alcuni paesi (scandinavi in particolare) hanno tuttavia previsto di eliminare a breve dal mercato questo tipo di illuminazione.

• L’illuminazione fluorescente Questo tipo di illuminazione è rappresentata dai tubi fluorescenti e dalle lampade fluo-compatte. La loro tecnologia viene generalmente detta « ai vapori di mercurio bassa pressione ».

I tubi fluorescenti Sono comparsi nel 1938. In questi tubi, una scarica elettrica provoca la collisione di elettroni con ioni di vapori di mercurio, che produce, tramite eccitazione degli atomi di mercurio, un irraggiamento ultravioletto.

Il materiale fluorescente di cui è ricoperto l’interno dei tubi trasforma l’irraggiamento in luce visibile.

I tubi fluorescenti dissipano meno calore e hanno una maggior durata rispetto alle lampade a incandescenza, ma richiedono l’impiego di due dispositivi: uno per l’accensione chiamato «starter » e l’altro per la limitazione della corrente d’arco dopo l’accensione chiamato «reattore », costituito generalmente da un’induttanza posizionata in serie con l’arco.

Lampade fluo-compatte (C Fig.32) Il loro principio è identico a quello dei tubi fluorescenti. Le funzioni dello starter e del reattore sono garantite da un circuito elettronico (integrato nella lampada) che consente di utilizzare tubi di dimensioni ridotte e ripiegati su se stessi.

Le lampade fluo-compatte sono state sviluppate per sostituire le lampade a incandescenza: permettono un risparmio notevole (15 W contro 75 W per la stessa luminosità) e una maggior durata (8000 h in media e per alcune fino a 20000 h).

Lampade a scarica (C Fig.33) La luce viene prodotta mediante una scarica elettrica creata tra due elettrodi all’interno di un gas in una lampadina al quarzo. Questo tipo di lampade richiede un reattore per limitare la corrente d’arco.

Lo spettro di emissione dipende dalla composizione del gas e migliora con l’aumento della pressione. Sono state sviluppate diverse tecnologie per diverse applicazioni.

Lampade a vapori di sodio bassa pressione Offrono il miglior rendimento luminoso, ma la resa dei colori è pessima poiché il loro irraggiamento è monocromatico, di color arancione.

Applicazioni: illuminazione di autostrade e gallerie.

3



Lampade a vapori di sodio alta pressione Emettono una luce bianca caricata leggermente di arancione.

Applicazioni: illuminazione urbana e monumentale.

v Lampade a vapori di mercurio alta pressione La scarica viene prodotta in una lampadina al quarzo o in ceramica a pressioni superiori a 100 kPa. Questo tipo di lampade viene chiamato « palloni fluorescenti ». Emettono una caratteristica luce bianca caricata di blu.

Applicazioni: parcheggi, ipermercati e magazzini.

• Lampade agli alogenuri metallici Sono di recente tecnologia ed emettono un colore che ha un largo spettro.

L’utilizzo del tubo in ceramica permette un’efficacia luminosa e una miglior stabilità dei colori. Applicazioni: stadi, aree commerciali e proiettori.

• Diodi elettroluminescenti o LED (Light Emitting Diodes) È la tecnologia più promettente: il principio dei diodi elettroluminescenti è l’emissione di luce mediante un semi-conduttore al passaggio della corrente elettrica.

I LED sono d’impiego corrente in numerose applicazioni, ma lo sviluppo recente di diodi di colore bianco o blu ad alto rendimento luminoso apre nuove prospettive, in particolare per la segnalazione (semafori, pannelli di sicurezza o illuminazione di emergenza) o i fari dei veicoli stradali.

La corrente media in un LED è di 20 mA, poiché la caduta di tensione è compresa tra 1.7 e 4.6 V a seconda del colore. Queste caratteristiche sono propizie ad un’alimentazione a bassissima tensione, in particolar modo tramite batterie.

L’alimentazione tramite la rete richiede un convertitore non troppo costoso.

Il vantaggio dei LED è il basso consumo energetico. Ne risulta una bassa temperatura di funzionamento che porta ad una durata quasi illimitata. Nel prossimo futuro, sarà possibile integrare l’illuminazione degli alloggi direttamente durante la loro costruzione.

Per contro, un diodo elementare ha una potenza luminosa bassa. Un’illuminazione potente richiede quindi il collegamento di un gran numero di unità in serie.

Dal momento che i diodi elettroluminescenti sono privi di inerzia termica, si prestano ad applicazioni innovative quali la trasmissione contemporanea dell’illuminazione e dei dati. Per ottenere questa trasmissione, l’alimentazione viene modulata ad alta frequenza. L’occhio umano non è in grado di discernere questa modulazione, ma un ricettore dotato dell’interfaccia adatta sarà in grado di rilevare questi segnali e gestirli.

v L’alimentazione delle lampade a incandescenza • Limiti legati all’alimentazione diretta A causa dell’elevata temperatura del filamento durante il funzionamento (fino a 2 500° C), i valori della sua resistenza variano molto.

Dal momento che la resistenza a freddo è bassa, ne risulta un picco di corrente all’accensione che può raggiungere da 10 a 15 volte la corrente nominale per un periodo di tempo che va da qualche millisecondo a qualche decina di millisecondi.

Questo limite riguarda le lampade ordinarie e le lampade alogene: impone la riduzione del numero massimo di lampade che possono essere alimentate da uno stesso dispositivo quale il teleruttore, il contattore modulare o i relè per canalizzazioni prefabbricate.


300

200

100

0

-100

-200

-300

0 0,01 0,02

t

(s)

A Fig. 34 Forma della tensione applicata alla lampada

A Fig. 35 Reattore magnetico

(V)

600

400

200

0

-200

-400

-600

0

(A)

300

200

100

0

-100

-200

-300

0,02 0,04 0,06

0,02 0,04 0,060

A Fig. 36 Forma della tensione e della corrente alla messa sotto tensione

• La variazione della luminosità Può essere ottenuta mediante variazione della tensione efficace applicata alla lampada.

La maggior parte delle volte questa variazione di tensione viene realizzata mediante un dispositivo tipo variatore a triac di cui si fa variare l’angolo d’innesco nel periodo della tensione rete.

La forma d’onda della tensione applicata alla lampada viene illustrata nella fig. 34.

La messa sotto tensione progressiva della lampada consente inoltre di ridurre, se non addirittura di eliminare, il picco di corrente all’accensione.

È importante notare che la variazione di luce: - è accompagnata da una modifica della temperatura e del colore, - compromette la durata delle lampade alogene quando viene

mantenuto per lungo tempo un basso livello di tensione. In effetti, il fenomeno di rigenerazione del filamento è meno efficace quando la temperatura del filamento è più bassa.

Alcune lampade alogene sono alimentate a bassa tensione tramite un trasformatore. Il magnetizzante di quest’ultimo può generare dei picchi di corrente dell’ordine da 50 a 75 volte la corrente nominale per qualche millisecondo.

I fornitori propongono anche dei convertitori statici che consentono di eliminare questo inconveniente.

• L’alimentazione delle lampade fluorescenti e delle lampade a scarica I tubi fluorescenti e le lampade a scarica richiedono una limitazione della corrente d’arco, funzione che viene realizzata da un dispositivo limitatore (induttanza) posizionato in serie con la lampadina stessa.

Il reattore magnetico (C Fig.35) è di utilizzo corrente nelle applicazioni domestiche.

Il reattore magnetico è associato ad un dispositivo di avviamento chiamato starter. Ha una doppia funzione: garantire il preriscaldamento degli elettrodi del tubo e poi generare una sovratensione per l’innesco del tubo.

Questa sovratensione viene generata dall’apertura di un contatto (comandato da una lama bimetallica) che interrompe la corrente che circola nel reattore.

Durante il funzionamento dello starter (circa 1 s), la corrente assorbita dalla lampada è circa 2 volte la corrente nominale.

Dal momento che la corrente assorbita dall’insieme tubo e reattore è essenzialmente induttiva, il fattore di potenza è molto basso (mediamente tra 0.4 e 0.5). Nelle installazioni che comprendono molti tubi, è necessario prevedere una compensazione per migliorare il fattore di potenza.

Sovente, questa compensazione viene realizzata a livello di ciascuna

3

t (s)

lampada.

I condensatori di compensazione sono quindi calibrati in modo che il fattore di potenza totale sia superiore a 0.85.

Nel caso della compensazione parallela, la più frequente, la sua capacità è in media di 1 µF per 10 W di potenza attiva, per ogni tipo di lampada.

Lo schema di compensazione parallela comporta dei limiti per l’accensione della lampada.

Dal momento che il condensatore è inizialmente scarico la messa in t (s) tensione provoca una sovracorrente.

Una sovracorrente compare anche a causa delle oscillazioni nel circuito costituto dal condensatore e dall’induttanza dell’alimentazione.

Le forme d’onda di tensione e di corrente incontrate sono illustrate nella fig. 36.



A Fig. 37 Reattore magnetico

A Fig. 38 Esempio di schema di un reattore elettronico

(A)

0,6

0,4

0,2

0

-0,2

-0,4

-0,6

0

A Fig. 39 Forma d’onda della corrente prelevata alla rete

t

(s)

0,02

Il reattore elettronico (C Fig. 37), comparso negli anni 80, elimina tutti questi inconvenienti.

Il principio del reattore elettronico consiste nell’alimentare l’arco della lampada tramite un dispositivo elettronico che genera una tensione alternata di forma rettangolare.

Si distinguono i dispositivi a bassa frequenza o ibridi, la cui frequenza è compresa tra 50 e 500 Hz e i dispositivi ad alta frequenza la cui frequenza è compresa tra 20 e 60 kHz. L’alimentazione dell’arco con una tensione ad alta frequenza consente di eliminare completamente i fenomeni di sfarfallamento e gli effetti stroboscopici.

Il reattore elettronico è totalmente silenzioso. Durante la fase di preriscaldamento di una lampada a scarica, fornisce alla lampada una tensione crescente, imponendo una corrente quasi costante. In regime permanente regola la tensione applicata alla lampada indipen-dentemente dalle fluttuazioni della tensione rete.

Poiché l’arco è alimentato in condizioni ottimali di tensione, ne risulta un risparmio energetico compreso tra il 5 e il 10 % e un aumento della durata della lampada. Peraltro, il rendimento di un reattore elettronico può superare il 93 %, mentre il rendimento medio di un dispositivo magnetico è solo dell’85 %. Il fattore di potenza è elevato (> 0.9).

I reattori elettronici hanno comunque dei limiti dovuti allo schema utilizzato (C Fig. 38).

La presenza di un ponte di diodi associato ai condensatori genera un picco di corrente alla messa sotto tensione. In funzionamento la corrente assorbita (C Fig. 39) è ricca di armoniche di oridne 3 e questo genera un pessimo fattore di potenza, dell’ordine del 55 %.

Le armoniche di ordine 3 provocano il sovraccarico del conduttore di neutro.

I reattori elettronici dispongono generalmente di capacità installate tra i conduttori di alimentazione e la terra. Questi condensatori antidisturbi sono responsabili della circolazione di una corrente di fuga permanente da 0.5 a 1 mA per reattore. Per questo motivo è necessario limitare il numero di reattori che è possibile alimentare mediante un Dispositivo a corrente Differenziale Residua (DDR).


3.8 Le valvole e gli assi elettrici

3.8 Le valvole e gli assi elettrici

A Fig. 40 Asse elettrico (Schneider Electric)

b Introduzione I processi richiedono il posizionamento e lo spostamento di carichi. Questa funzione viene garantita da cilindri pneumatici e idraulici, ma anche da cilindri elettromeccanici gestiti da motori elettrici o collegabili a dispositivi di regolazione (ad esempio per controlli di posizione). Nelle pagine che seguono verrà fornita una breve descrizione di questi dispositivi di posizionamento.

Le valvole, destinate a controllare il passaggio di fluidi, rappresentano un ampio mercato e sono utilizzate per:

- provocare l’interruzione di un fluido (valvole di arresto), - cambiare il circuito del fluido (valvole tre vie), - miscelare i prodotti (valvole miscelatrici), - regolare una portata (valvole di regolazione).

I fluidi possono essere liquidi o gassosi (ventilazione o industria chimica).

b Gli assi elettrici Le applicazioni di azionamento lineare richiedono assi elettrici ad elevate prestazioni, soprattutto per quanto riguarda lo sforzo, la velocità, la durata e l’affidabilità.

I fornitori propongono gamme complete di assi elettrici adatti a soddisfare la maggior parte delle richieste.

v Composizione di un asse elettrico Gli assi elettrici (C Fig.40) integrano, in un unico elemento, un asse di comando o un organo di azionamento, una scatola di guida e un motore elettrico.

La foto (C Fig.40) rappresenta un tipo di asse elettrico per spostamento lineare.

L’organo di azionamento può avere un movimento lineare per realizzare una traslazione o un movimento rotativo.

Nel caso di movimenti lineari, l’organo di azionamento si sposta linearmente sotto l’effetto di un sistema vite-dado.

Le realizzazioni più comuni sono due: la vite a filetto trapezoidale e la vite a ricircolo di sfere.

La vite a filetto trapezoidale è in acciaio e il dado è in plastica.

È una soluzione relativamente economica con proprietà favorevoli: plastica e metallo lavorano bene insieme senza attriti.

La vite a filetto trapezoidale ha un funzionamento silenzioso, adatto quindi ad ambienti tipo uffici, ospedali, ecc...

Un altro vantaggio interessante è l’elevato coefficiente di attrito nella vite a filetto trapezoidale. Questo tipo di progettazione è particolarmente adatto a cilindri utilizzati nelle applicazioni in cui è necessario che siano autobloccanti, quindi senza “balzo indietro” sotto il peso del carico. Ad esempio utilizzando un cilindro per la regolazione verticale di una tavola ad altezza variable, la progettazione con una vite a filetto trapezoidale consente alla tavola di supportare carichi elevati senza modificare la sua posizione verticale. Questo significa che non è necessario alcun freno o meccanismo di bloccaggio supplementare per mantenere il cilindro nella sua posizione quando non funziona.

Il sistema con vite a ricircolo di sfere si incontra nei sistemi ad elevate prestazioni (C Fig.41).

3

A Fig. 41 Cilindro elettrico ad alta prestazione (Schneider Electric)


Motori e carichi 3.8 Le valvole e gli assi elettrici

Documento SKF

A Fig. 42 Cilindri elettrici SKF

Le viti a ricircolo di sfere nei cilindri sono in acciaio e sono dotate di una fila di cuscinetti situati in un sistema chiuso tra il dado e la vite.

Questo tipo di progettazione consente un coefficiente di attrito estremamente basso tra il dado e la vite, grazie al contatto volvente tra le sfere, il dado e la scanalatura della chiocciola.

In condizioni di funzionamento identico, l’usura è ridotta rispetto ad una vite a filetto trapezoidale; questo permette alla vite a ricircolo di sfere di avere una durata di 10 volte superiore anche tollerando un ciclo di lavoro importante e carichi elevati.

Grazie al basso coefficiente di attrito la vite a ricircolo di sfere ha un rendimento particolarmente elevato e quindi un basso grado di riscaldamento.

Di conseguenza, la vite a circolazione di sfere è particolarmente adatta a situazioni in cui è necessario lavorare per lunghi periodi a velocità elevata.

Un cilindro che utilizza una vite a circolazione di sfere ha un gioco minimo e la sua precisione è quindi significativamente superiore nelle applicazioni in cui posizionamento e precisione sono essenziali.

v Gamma di prodotti Gli assi elettrici possono essere realizzati in numerose disposizioni meccaniche per essere facilmente incorporati nelle macchine. I costruttori propongono anche delle unità di controllo che facilitano il controllo del’asse.

La foto (C Fig.42) fornisce uno prospetto della gamma proposta da un costruttore (SKF).

v Guida alla scelta Scegliere l’asse elettrico ideale richiede spesso la conoscenza di numerosi dettagli dell’applicazione oltre che la realizzazione di qualche calcolo.

Tuttavia servendosi dei cataloghi dei diversi costruttori è possibile effettuare una prima selezione di cilindri che rispondano ai criteri base come il carico e la velocità.

Motorizzazione degli assi e accessori

Motorizzazioni proposte dai costruttori.

Gli assi elettrici possono essere azionati dai motori, - a corrente continua, - asincroni, - sincroni di tipo brushless, - passo passo.

I motori a corrente continua sono solitamente motori bassa tensione (12 o 24 Volt) per forze medie (ordine di grandezza 4 000 N) e prestazioni moderate (ordine di grandezza 50 mm/s). Questi cilindri si troveranno su apparecchi mobili e autonomi (funzionamento su batterie).

L’equipaggiamento con motore asincrono consente di aumentare sensibilmente le prestazioni fino a 50 000 N e 80 mm/s. Questi cilindri sono installati soprattutto nelle macchine a postazione fissa.

L’equipaggiamento con motore brushless consente di ottenere prestazioni dinamiche elevate (ordine di grandezza 750 mm/s) per forze massimo di circa 30000 N.

L’equipaggiamento con motore passo passo consente di ottenere un posizionamento preciso del carico senza anello di reazione.


Sezione di una valvola

v Accessori e varianti • Controllore inegrato Alcuni cilindri elettrici hanno il loro dispositivo di comando integrato. È il caso in particolare di alcuni cilindri comandati da un motore brushless. Questo tipo di cilindri integra il variatore di velocità, che può essere collegato al sistema di automazione mediante un bus di campo.

• Potenziometro Per rilevare uno spostamento viene utilizzato un potenziometro elettrico. Questo dispositivo permette di conoscere la posizione della parte mobile e di realizzare un posizionamento preciso.

• Protezione termica Protegge gli azionamenti e le unità di comando dai surriscaldamenti.

• Encoder È un rilevatore che, collegato ad un’unità di comando, indica la posizione del cilindro.

• Limitatori di sforzi Alcuni tipi di cilindri sono dotati di un dispositivo meccanico di sicurezza simile ad un innesto a frizione per proteggere il motore e il riduttore contro eventuali danneggiamenti.

• Limitatori di finecorsa È un interruttore che limita lo spostamento in una direzione; consiste in dispositivi meccanici che, attivati, aprono e chiudono un contatto elettrico. I limitatori di finecorsa sono disponibili in diverse dimensioni e configurazioni e possono essere montati all’interno o all’esterno del cilindro.

Questi dispositivi di sicurezza fanno parte del sistema di controllo ed è importante fare particolare attenzione quando si utilizzano i cilindri in un sistema di automazione o con qualsiasi altro sistema.

• Anti-inceppamento meccanico Questo meccanismo di sicurezza è destinato a proteggere le persone contro sollecitazioni eccessive.

• Anti-inceppamento elettrico È un’opzione di sicurezza disponibile su alcuni cilindri elettrici.

Interrompe l’alimentazione del motore quando una sollecitazione esterna viene applicata nel senso contrario allo spostamento del cilindro.

b Le valvole Il funzionamento delle valvole esula dagli argomenti trattati in questa guida. Tuttavia, dal momento che le valvole possono essere associate a sistemi di controllo industriale quali ad esempio anelli di regolazione o variatori di velocità, è interessante conoscere la composizione sommaria di una valvola e i fenomeni generati dal suo funzionamento.

v Composizione di una valvola Una valvola (C Fig.43) è composta da un corpo e da un otturatore appoggiato ad una base. Un’asta di manovra comandata da un motore elettrico consente di aprire o chiudere il passaggio del fluido. Lo stesso prodotto è disponibile in comando pneumatico.

Molte valvole sono a comando pneumatico, altre a comando elettrico (elettrovalvole).

Sono disponibili diversi tipi di valvole (valvole a farfalla, valvole sferiche, valvole a membrana, ecc...), a seconda dell’utilizzo a cui sono destinate, del fluido che controllano e della legge di progressività della valvola (rapporto portata/posizione dell’otturatore o segnale di comando nel caso delle valvole di regolazione).

3

A Fig. 43


Motori e carichi 3.8 Le valvole e gli assi elettrici

L’otturatore ha spesso una forma particolare per evitare o attenuare gli

Q=

0

Q=

Q0

+C Dh

A Fig. 44a Inizio del fenomeno del colpo d’ariete

effetti dei fenomeni indesiderati conosciuti con il nome di colpo d’ariete e cavitazione.

• Colpo d’ariete Questo fenomeno si incontra nei condotti idraulici, durante la chiusura di una valvola d’arresto. In quel momento, la portata attraverso il condotto viene bruscamente interrotta e questo genera un fenomeno conosciuto con il nome di colpo d’ariete.

0 < t < T A titolo esemplificativo (C fig. 44a e 44b) eccone la descrizione in una stazione di pompaggio che alimenta un serbatoio situato al di sopra della pompa di alimentazione.

Alla chiusura della valvola che garantisce lo svuotamento del serbatoio

Q=

0

Q=

-Q

0

Dh

- C

attraverso la pompa situato al di sotto, la colonna di liquido tende a proseguire il suo movimento mentre più nessuna portata proviene dalla pompa.

Questo movimento genera una deformazione elastica del condotto che si contrae in prossimità della valvola.

Questo fenomeno crea una disponibilità temporanea di massa liquida che consente di mantenere in movimento la colonna di liquido.

In questo modo si genera una depressione che si propaga nel condotto alla velocità delle onde elastiche fino a che tutto il condotto è sottoposto alla depressione così generata, ovvero dopo un tempo T=L/c, dove L è la lunghezza del condotto tra la valvola e l’evacuazione.

Ne risulta che la pressione al passaggio del condotto nel serbatoio è inferiore alla pressione nel serbatoio e questo provoca un flusso in senso inverso. Quest’onda si propaga dal serbatoio verso la stazione di pompaggio e raggiunge la valvola otturatrice alla fine di un tempo 2T da calcolare dall’inizio del fenomeno.

A Fig. 44b

T < t < 2T

La colonna di liquido proseguendo la sua discesa sbatte sulla valvola chiusa, e questo genera un rigonfiamento del condotto e l’inversione del movimento del fluido.

Propagazione dell’onda del colpo d’ariete

Fenomeno di cavitazione

Questo fenomeno si riprodurrebbe in modo perpetuo se, sotto l’effetto delle perdite di carico, le onde di depressione e di sovrapressione non si trovassero progressivamente smorzate.

Per evitare questo fenomeno che può avere effetti distruttivi, è possibile comandare la chiusura della valvola in modo graduale per limitare le eventuali sovrapressioni e depressioni a valori ragionevoli.

Un altro procedimento consiste nel rallentare progressivamente la velocità della pompa di alimentazione per effettuare la chiusura del condotto mediante la valvola.

Nel caso di pompe funzionanti a velocità costante, il dispositivo più adatto è l’avviatore/rallentatore progressivo come l’Altistart o l’Altivar nel caso di pompe funzionanti a velocità variabile.

• Cavitazione La chiusura della valvola ha per effetto la riduzione della sezione riservata al passaggio del fluido.

Applicando il teorema di Bernoulli, la restrizione della sezione di passaggio, presentata dalla valvola, ha per effetto l’accelerazione della velocità di passaggio del fluido e la riduzione della pressione statica in quel punto. (C Fig.45).

Questa diminuzione di pressione statica è più o meno importante a seconda:

- della geometria interna della valvola, - del valore della pressione statica a valle della valvola.

In funzionamento valvola aperta, la pressione ha un andamento presentato dalla curva 1.

A Fig. 45


Poiché l’otturatore presenta una restrizione, al passaggio del fluido, si produce un abbassamento di pressione e un’accelerazione del passaggio del fluido (effetto Venturi).

Quando l’otturatore si chiude, l’effetto Venturi aumenta e la curva 1 si deforma progressivamente (C curva 2).

Quando la pressione statica nella vena di liquido raggiunge il valore della tensione di vapore alla temperatura di flusso, si formano delle bolle di vapore. Queste bolle si formano nell’immediata vicinanza della restrizione di passaggio.

Quando la pressione statica aumenta nuovamente a valle della valvola (pressione P2), le bolle di vapore si condensano e implodono.

Questo fenomeno di cavitazione presenta i seguenti inconvenienti: - rumore, ad un livello sonoro inaccettabile, simile a quello che

provocherebbero dei sassi nella tubatura, - vibrazioni a frequenze elevate aventi come effetto l’allentamento

dell’intera bulloneria della valvola e dei suoi accessori, - rapida distruzione dell’otturatore, della sede e del corpo mediante

eliminazione di particelle metalliche. Le superfici sottoposte alla cavitazione presentano una superficie granulosa,

- la portata che passa nella valvola non è più proporzionale al comando.

Le valvole di regolazione possono avere un funzionamento prolungato in condizioni in cui la cavitazione può prodursi; la loro durata ne sarebbe fortemente condizionata.

I rimedi per limitare o evitare il fenomeno della cavitazione non sono oggetto di questa guida.

3


64

4capitolo Avviamento e protezione dei motori Presentazione: - Tipo di avviamento e frenatura dei motori - Protezione dei motori e analisi dei guasti - Tabella di scelta delle funzioni di protezione

e dei relativi prodotti

Sommario 4. Avviamento e protezione dei motori

b 4.1 Avviamento dei motori a induzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 66

b 4.2 Frenatura elettrica dei motori asincroni trifase . . . . . . . . . . . . . pagina 73

b 4.3 Gli avviatori multifunzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 78

b 4.4 La protezione dei motori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 80

b 4.5 Perdite e riscaldamenti nei motori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 81

b 4.6 Le diverse cause di guasto e le relative conseguenze . . . . . . . pagina 81

b 4.7 Le funzioni e i prodotti di protezione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 87

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

M


.1 Avviamentodei motori a induzione

Avviamento 4.1 Avviamento dei motori a induzione e protezione dei motori

A Fig. 1 Avviamento diretto

Questo capitolo è dedicato esclusivamente all’avviamento, alla frenatura e alla protezione di tutti i tipi di motori asincroni.

Per una descrizione completa dei motori consultare il capitolo sui motori. Questo capitolo non tratta i motori a velocità variabile che vengono affrontati nel capitolo dedicato alla funzione di variazione della velocità.

La protezione delle persone è un argomento trattato parzialmente nel capitolo sulla sicurezza dei beni e delle persone.

b Introduzione Alla messa sotto tensione di un motore lo spunto di corrente sulla rete è elevato e può, soprattutto se la sezione dei conduttori della linea di alimentazione è insufficiente, provocare una caduta di tensione capace di condizionare il funzionamento dei carichi. Talvolta la caduta di tensione è tale da essere percepita sugli apparecchi di illluminazione. Per rimediare a questi inconvenienti le normative non consentono, al di sopra di una certa potenza, l'impiego di motori ad avviamento diretto.

In funzione delle caratteristiche del motore e del carico vengono utilizzati diversi metodi di avviamento.

La scelta verrà dettata da esigenze elettriche, meccaniche ed economiche.

Anche il tipo di carico comandato avrà una grande rilevanza sul modo di avviamento da utilizzare.

b I principali modi di avviamento Introduzione v Avviamento diretto È il tipo di avviamento più semplice nel quale lo statore viene direttamente collegato sulla rete (C Fig.1). Il motore si avvia sulle sue caratteristiche naturali.

Alla messa sotto tensione il motore si comporta come un trasformatore il cui secondario è in cortocircuito. La corrente indotta nel rotore è elevata. Ne risulta un picco di corrente sulla rete: I avviamento = da 5 a 8 l nominale

La coppia di avviamento è in media: C avviamento = da 0.5 a 1.5 C nominale.

Malgrado gli evidenti vantaggi (semplicità dell'apparecchiatura, coppia di avviamento elevata, avviamento rapido, prezzo accessibile) l'avviamento diretto conviene solo nel caso in cui:

- la potenza del motore sia bassa rispetto alla potenza della rete, in modo da evitare i disturbi dovuti allo spunto di corrente,

- la macchina azionata non richieda una messa in velocità progressiva e comprenda un dispositivo meccanico che eviti un avviamento troppo brusco,

- la coppia di avviamento possa essere elevata senza incidere sul funzionamento della macchina o del carico azionato.


A Fig. 2 Avviamento stella triangolo

v Avviamento stella-triangolo Questo tipo di avviamento (C Fig.2) può essere utilizzato solo con un motore avente le estremità di ciascuno dei tre avvolgimenti dello statore sulla morsettiera. L’avvolgimento deve essere realizzato in modo che la tensione di triangolo corrisponda alla tensione della rete: ad esempio, per una rete trifase 380 V, è necessario un motore bobinato a 380 V triangolo e 660 V stella.

Il principio consiste nell'avviare il motore collegando gli avvolgimenti a stella alla tensione di rete, cosa che coincide col dividere la tensione nominale del motore a stella per √3 (nell'esempio sopra riportato la tensione rete 380 V = 660 V/√3).

Il picco di corrente di avviamento è diviso per 3: - Id = da 1.5 a 2.6 In

In effetti un motore 380V / 660 V accoppiato a stella alla sua tensione nominale 660 V assorbe una corrente √3 volte più bassa che il collegamento a triangolo 380 V. Poichè il collegamento a stella viene effettuato a 380 V, la corrente viene divisa ancora una volta per √3 quindi in totale per 3.

Poichè la coppia di avviamento è proporzionale al quadrato della tensione di alimentazione anch'essa viene divisa per 3:

- Cd = da 0.2 a 0.5 Cn

La velocità del motore si stabilisce quando le coppie motore e resistente si equilibrano, generalmente tra il 75 e 1'85 % della velocità nominale. Gli avvolgimenti sono allora collegati a triangolo e il motore raggiunge le sue caratteristiche naturali. Il passaggio dal collegamento a stella al collegamento a triangolo è comandato da un temporizzatore. La chiusura del contattore triangolo viene effettuata con un ritardo compreso tra 30 e 50 millesimi di secondo dall'apertura del contattore a stella, cosa che evita un cortocircuito tra le fasi dal momento che i contattori non possono essere chiusi contemporaneamente.

La corrente che attraversa gli avvolgimenti viene interrotta all'apertura del contattore stella. Viene ristabilita alla chiusura del contattore triangolo. Questo passaggio in triangolo si accompagna con un picco di corrente transitorio molto breve, ma di elevata intensità, dovuto alla forza controelettromotrice (f.c.e.m.) del motore.

L’avviamento stella-triangolo è adatto alle macchine che hanno una coppia resistente bassa, o che si avviano a vuoto. Per limitare questi fenomeni transitori può essere necessario, oltre una certa potenza, utilizzare alcuni accorgimenti. Uno consiste in una temporizzazione da 1 a 2 secondi al passaggio stella-triangolo.

Questa temporizzazione consente una diminuzione della f.c.e.m. e quindi del picco di corrente transitorio.

Questa temporizzazione può esere utilizzata solo se la macchina ha un'inerzia sufficiente ad evitare un rallentamento eccessivo durante il periodo di temporizzazione.

Un altro accorgimento è nell’avviamento in 3 tempi: stella-triangolo + resistenza-triangolo.

L'interruzione sussiste, ma la resistenza messa in serie per tre secondi circa con gli avvolgimenti collegati a triangolo riduce il picco di corrente transitorio.

Un’altra soluzione è l’avviamento stella-triangolo + resistenza-triangolo senza interruzione.

La resistenza viene messa in serie con gli avvolgimenti immediatamente prima dell'apertura del contattore stella. Questo evita ogni interruzione di corrente, quindi la comparsa di fenomeni transitori.

L'impiego di questi sistemi comporta l'installazione di componenti supplementari, cosa che può comportare un aumento non trascurabile del costo dell'impianto.

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A Fig. 3 Avviamento ad avvolgimenti divisi

Corrente diretta

Coppia

A Fig. 4 Avviamento dello statore mediante resistenza

v Avviamento di motori ad avvolgimenti divisi “part winding” Questo sistema (C Fig.3), poco utilizzato in Europa, viene impiegato soprattutto sul mercato nord americano (tensione 230/460 V, rapporto uguale a 2). Questo tipo di motore ha l’avvolgimento dello statore sdoppiato in due avvolgimenti paralleli con sei o dodici morsetti uscite. Equivale a due "semi-motori" di uguale potenza.

AII'avviamento, un solo "mezzo-motore" viene collegato alla piena tensione di rete, cosa che divide approssimativamente in due la corrente di awiamento e la coppia. Quest'ultima è a sua volta superiore alla coppia che potrebbe fornire un motore a gabbia della stessa potenza con avviamento stella-triangolo.

A fine avviamento il secondo avvolgimento viene collegato sulla rete. In questo momento il picco di corrente è basso e breve poichè il motore non è stato separato dalla rete di alimentazione e non resta che un basso scorrimento.

v Avviamento statorico a resistenza Il principio (C Fig.4) consiste nell'avviare il motore a tensione ridotta inserendo alcune resistenze in serie con gli avvolgimenti. Quando la velocità si stabilizza, le resistenze vengono scollegate e il motore è collegato direttamente sulla rete. Questa operazione è generalmenta comandata da un temporizzatore.

In questo tipo di avviamento, il collegamento degli avvolgimenti del motore non viene modificato. Quindi non è necessario che le due estremità siano portate sulla morsettiera.

Il valore della resistenza viene calcolato in modo da non superare il picco di corrente desiderato o il valore minimo della coppia di avviamento necessario, tenuto conto della coppia resistente della macchina azionata. Solitamente i valori della corrente e della coppia di avviamento sono:

- Id = 4.5 In - Cd = 0.75 Cn

Durante la fase di accelerazione con le resistenze, la tensione applicata ai morsetti del motore non è costante. Questa tensione è uguale alla tensione della rete meno la caduta di tensione nella resistenza di avviamento.

La caduta di tensione è proporzionale alla corrente assorbita dal motore. Dal momento che la corrente diminuisce in proporzione all'accelerazione del motore, succede lo stesso per la caduta di tensione nella resistenza. La tensione applicata ai morsetti del motore è quindi minima al momento dell'avviamento e aumenta progressivamente.

Poichè la coppia è proporzionale al quadrato della tensione dei morsetti del motore, essa aumenta più rapidamente che in avviamento stella-triangolo dove la tensione resta fissa durante tutto il tempo dell’accoppiamento a stella.

Questo tipo di avviamento è quindi particolarmente adatto alle macchine con coppia resistente crescente con la velocità, quali ad esempio i ventilatori o le pompe centrifughe.

Presenta l'inconveniente di un picco di corrente relativamente elevato all'avviamento. Questo picco potrebbe essere ridotto aumentando il valore della resistenza, ma in tal modo si genera una caduta di tensione supplementare ai morsetti del motore e di conseguenza una notevole diminuzione della coppia di avviamento.

In compenso, l'eliminazione della resistenza a fine avviamento avviene senza interruzione dell'alimentazione del motore, quindi senza fenomeni transitori.


A Fig. 5 Avviamento mediante autotrasformatore

v Avviamento mediante autotrasformatore Il motore è alimentato a tensione ridotta mediante un autotrasformatore che viene scollegato ad avviamento terminato (C Fig.5).

L’avviamento si effettua in tre tempi: - durante il primo tempo l'autotrasformatore viene innanzitutto collegato

a stella, poi il motore viene collegato alla rete attraverso una parte degli avvolgimenti dell'autotrasformatore. L'avviamento si effettua ad una tensione ridotta che dipende dal rapporto di trasformazione. L'autotrasformatore è solitamente dotato di prese che consentono di scegliere il rapporto di trasformazione, quindi il valore della tensione ridotta più adatta,

- prima di passare alla piena tensione, il collegamento a stella viene aperto. La parte di bobinatura collegata alla rete costituisce dunque un'induttanza in serie con il motore. Questa operazione viene effettuata quando viene raggiunta la velocità di equilibrio alla fine del primo tempo,

- il collegamento alla piena tensione avviene dopo il secondo tempo generalmente molto breve (una frazione di secondo). La parte di avvolgimento dell’autotrasformatore in serie con il motore viene messa in cortocircuito, quindi viene messo fuori circuito l'autotrasformatore.

La corrente e la coppia di avviamento variano nelle stesse proporzioni. Sono divise per (U rete/U ridotta). I valori ottenuti sono i seguenti:

Id = da 1.7 a 4 In Cd = da 0.5 a 0.85 Cn

L’avviamento si effettua senza interruzione della corrente nel motore. Per questo i fenomeni transitori collegati a questo tipo di interruzione non esistono.

In compenso possono verificarsi fenomeni transitori della stessa natura in caso di alimentazione a piena tensione se non vengono prese alcune precauzioni. In effetti il valore dell'induttanza in serie con il motore dopo l'apertura del collegamento a stella è elevato rispetto a quella del motore. Ne consegue una caduta di tensione rilevante che genera un picco di corrente transitorio elevato al momento del passaggio a piena tensione. Per evitare questo inconveniente, il circuito magnetico dell'autotrasformatore comprende un intraferro la cui presenza porta ad una diminuzione del valore dell'induttanza. Questo valore viene calcolato in modo che al momento dell'apertura del collegamento a stella durante il secondo tempo, non ci sia variazione di tensione ai morsetti del motore.

La presenza del traferro provoca un aumento della corrente magnetizzante dell'autotrasformatore. Questa corrente magnetizzante aumenta lo spunto di corrente nella rete durante la messa sotto tensione dell'autotrasformatore.

Questo tipo di avviamento viene generalmente utilizzato in BT per motori di potenza superiore a 150 kW, ma porta comunque ad apparecchiature relativamente costose a causa dell'elevato prezzo dell'autotrasformatore.

v Avviamento dei motori ad anelli

Un motore ad anelli non può essere avviato direttamente con gli avvolgimenti rotorici in cortocircuito, senza provocare picchi di corrente inaccettabili. È necessario, alimentando lo statore alla piena tensione della rete, inserire nel circuito rotorico delle resistenze (C Fig.6) che in seguito verranno progressivamente messe in cortocircuito.

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A Fig. 6 Avviamento di un motore ad anelli



A Fig. 7 Avviamento multi-motore con un avviatore elettronico

A Fig. 8 Schema di principio di un convertitore di frequenza

Il calcolo della resistenza inserita in ogni fase consente di determinare in modo rigoroso la curva coppia-velocità ottenuta. Ne risulta che questa deve essere inserita tutta al momento dell'avviamento e che la piena velocità viene raggiunta quando è interamente messa in cortocircuito.

La corrente assorbita è sostanzialmente proporzionale alla coppia fornita, o, perlomeno, supera solo di poco questo valore teorico.

Ad esempio, per una coppia di avviamento uguale a 2 Cn, il picco di corrente è di circa 2 In. Questo picco è quindi considerabilmente più basso e la coppia massima di avviamento più elevata che con un motore a gabbia per il quale i valori tipici, in accoppiamento diretto sulla rete, sono dell'ordine di 6 In per 1,5 Cn. Il motore ad anelli, con un avviamento rotorico, è obbligatorio in tutti i casi in cui i picchi di corrente devono essere bassi e per macchine con avviamento a pieno carico.

Questo tipo di avviamento è inoltre estremamente veloce, poichè è facile adeguare il numero e l'andatura delle curve che rappresentano i tempi successivi ai limiti meccanici o elettrici (coppia resistente, valore di accelerazione, picco massimo di corrente, ecc.).

v Avviamento/rallentamento con soft starter I soft starter, o più comunemente avviatori progressivi, sono apparecchiature elettroniche relativamente recenti (C Fig.7) rispetto ai tradizionali sistemi di avviamento. Consentono un avviamento e un arresto in graduale (per maggiori dettagli consultare la parte dedicata agli avviatori elettronici nel capitolo 5 Partenze-motore).

Possono essere utilizzati: - in limitazione di corrente, - in regolazione di coppia.

Il controllo a limitazione di corrente consente di fissare una corrente massima (da 3 a 4 x In) durante la fase di avviamento a scapito delle prestazioni in coppia. Questo tipo di controllo è particolarmente adatto alle turbomacchine (pompe centrifughe, ventilatori).

Il controllo a regolazione di coppia consente di ottimizzare le prestazioni in coppia all’avviamento a scapito dello spunto di corrente sulla rete. Questo tipo di avviamento è particolarmente adatto alle macchine a coppia costante.

Questo tipo di avviatore permette di realizzare diversi tipi di schemi: - un senso di marcia, - due sensi di marcia, -lo shunt dell’apparecchio a fine avviamento, - avviamento e rallentamento di più motori in cascata, (C Fig.7). - ecc...

v Avviamento con convertitore di frequenza È un tipo di avviamento (C Fig.8) utilizzato quando è necessario controllare e variare la velocità (per maggiori dettagli consultare la parte dedicata alla variazione di velocità nel capitolo 5 Partenze-motore).

Il convertitore di frequenza consente tra l’altro: - l’avviamento di carichi di forte inerzia, - l’avviamento di carichi elevati su una rete con basso potere di

cortocircutio, - l’ottimizzazione del consumo energetico in funzione della velocità sulle

turbomacchine.

Questo tipo di avviamento si applica a tutti i tipi di macchina.

Questa soluzione viene utilizzata per la regolazione della velocità del motore e in modo complementare per l’avviamento.


v Tabella riepilogativa dei diversi modi di avviamento dei motori trifase (C Fig.9)

Diretto Stella-triangolo Avvolgimenti

divisi Resistenze Auto-trasformatore Motori ad anelli Soft starter

Convertitore di frequenza

Motore Standard Standard 6 avvolgimenti Standard Standard Specifico Standard Standard

Costo + ++ ++ +++ +++ +++ +++ ++++

Corrente di avviamento motore

da 5 a 10 IN da 2 a 3 In 2 In Circa 4.5 In da 1.7 a 4 In Circa 2 In da 4 a 5 In In

Caduta di tensione Elevato Elevato al

cambiamento di accoppiamento

Basso Basso

Basso , precauzioni da prendere

all’accoppiamento diretto

Basso Basso Basso

Armoniche tensione e corrente

Elevato Moderato Moderato Moderato Moderato Basso Elevato Elevato

Fattore di potenza Basso Basso Moderato Moderato Basso Moderato Basso Elevato

Numero di avviamenti possibili

Limitato da 2 a 3 volte di più rispetto al

diretto

da 3 a 4 volte di più rispetto al

diretto


diretto

da 3 a 4 volte di più rispetto al diretto


diretto Limitato Elevato

Coppia disponibile Circa 2.5 Cn da 0.2 a 0.5 Cn 2 Cn Cn Circa 0.5 Cn Circa 2cn Circa 0.5 Cn da 1.5 a 2 Cn

Sollecitazione termica

Notevole Elevata Moderata Elevata Moderata Moderata Moderata Bassa

Choc meccanico Notevole Moderato Moderato Moderato Moderato Basso Moderato Basso

Tipo di carico consigliato

Tutti A vuoto Coppia crescente Pompe e ventilatori

Pompe e ventilatori Tutti Pompe e ventilatori

Tutti

Carichi a forte inerzia

Sì * No No No No Sì No Sì

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* può richiedere un dimensionamento particolare del motore

A Fig. 9 Tabella ricapitolativa

v Avviamento dei motori monofase Un motore monofase non può partire da solo; per il suo avviamento si usano diversi metodi.

v Avviamento mediante fase ausiliaria Su questo tipo di motore (C Fig.10), lo statore comprende due avvolgimenti sfasati geometricamente di 90°.

Alla messa sotto tensione, per la differenza di costruzione degli avvolgimenti, una corrente I1 attraversa la fase principale e una corrente più bassa I2, sfasata nel tempo di π/2, circola nella fase ausiliaria. Poichè i campi generati sono prodotti da due correnti sfasate una rispetto all'altra, il campo rotante risultante è sufficiente a provocare l'avviamento a vuoto del motore. Quando il motore raggiunge circa l'80% della sua velocità, la fase ausiliaria può essere esclusa (modulo centrifugo), o mantenuta in servizio. Lo statore del motore si trova così trasformato, al momento dell'avviamento o permanentemente, in statore bifase.

Per invertire il senso di rotazione è sufficiente invertire le connessioni di una fase.

Poichè la coppia fornita all'avviamento è bassa per elevarla conviene aumentare lo sfasamento tra i due campi prodotti dalle bobinature.

A Fig. 10 Motore monofase a fase ausiliaria



Motore monofase a condensatore di avviamento

v Avviamento mediante fase ausiliaria e resistenza Una resistenza posizionata in serie nella fase ausiliaria ne aumenta l'impedenza e accresce lo sfasamento tra l1 e l2.

Il funzionamento a fine avviamento è uguale a quello con fase ausiliaria unica.

v Avviamento mediante fase ausiliaria e induttanza

Il principio è lo stesso di prima, ma la resistenza viene sostituita da un'induttanza che, montata in serie nella fase ausiliaria, aumenta lo sfasamento tra le due correnti.

v Avviamento mediante fase ausiliaria e condensatore È il metodo più utilizzato (C Fig.11). Consiste nel posizionare un condensatore nella fase ausiliaria. Il valore pratico della capacità per il condensatore permanente è di circa 8 µF per un motore da 200 W. Per l’avviamento, potrebbe essere necessario un condensatore supplementare da 16 µF, da eliminare ad avviamento terminato.

Il funzionamento all'avviamento e in marcia normale è più o meno simile a quello di un motore bifase a campo rotante, dal momento che la presenza di un condensatore provoca uno sfasamento inverso a quello di un'induttanza. D'altra parte, la coppia e il fattore di potenza sono più elevati. La coppia di avviamento Cd è pari a 3 volte la coppia nominale Cn e la coppia massima Cmax raggiunge 2 Cn.

Una volta effettuato l'avviamento può essere utile mantenere lo sfasamento tra le due correnti, anche se la capacità del condensatore può essere ridotta poichè l'impedenza dello statore è aumentata.

Lo schema (C Fig.11) rappresenta un motore monofase con un condensatore permanentemente collegato. Vengono utilizzati altri metodi, come l’apertura del circuito di sfasamento mediante un interruttore centrifugo a partire da una certa velocità.

Un motore trifase (230/400 V) può essere utilizzato su rete monofase 230 V dotandolo di un condensatore di avviamento e di un condensatore permanente di marcia collegato fisso a scapito della potenza utile (declassamento di circa 0.7), della coppia di avviamento e della riserva termica.

Questo tipo di funzionamento è possibile solo per motori quattro poli di bassa potenza (4 kW max).

I costruttori forniscono apposite tabelle per la scelta dei condensatori di valore appropriato.

v Avviamento mediante anello di sfasamento È il dispositivo (C Fig.12) utilizzato nei motori di bassissima potenza (dell’ordine di un centinaio di watt). I poli presentano degli incastri in cui vengono inseriti degli anelli conduttori in cortocircuito. La corrente indotta, così generata, provoca una distorsione del campo rotante che permette l’avviamento.

Il rendimento è basso, ma accettabile per questa gamma di potenza.

A Fig. 11

A Fig. 12 Motore ad anelli di sfasamento


4.2 Frenatura elettrica dei motori asincroni trifase

4.2 Frenatura elettrica dei motori asincroni trifase

A Fig. 13 Principio della frenatura controcorrente

b Introduzione In un gran numero di applicazioni l'arresto del motore si ottiene semplicemente mediante decelerazione naturale. Il tempo di decelerazione, quindi, dipende unicamente dall'inerzia della macchina azionata. Spesso tuttavia è necessario ridurre questo tempo. La frenatura elettrica in questo caso fornisce una soluzione semplice ed efficace. Rispetto alle frenature idraulica e meccanica offre il vantaggio di essere semplice e di non provocare l'usura di alcun elemento.

b Frenatura in controcorrente: principio Il principio di funzionamento consiste nell’isolare il motore dalla rete quando gira ancora e nel ricollegarlo sulla rete in senso inverso. Si tratta di un tipo di frenatura molto efficace con una coppia, solitamente superiore alla coppia di avviamento, bisogna arrestare abbastanza presto per evitare che il motore riparta in senso opposto.

Per comandare l'arresto quando la velocità si avvicina a zero vengono utilizzati diversi dispositivi automatici:

- rilevatori di arresto a frizione, rilevatori centrifughi di arresto, - dispositivi cronometrici, - relè di misura della frequenza o della tensione al rotore (rotore

avvolto), ecc...

v Motore a gabbia Prima di adottare questo sistema (C Fig.13) è assolutamente necessario assicurarsi che il motore sia in grado di sopportare frenature in controcorrente con il servizio in oggetto. In effetti, oltre alle sollecitazioni meccaniche, questo processo richiede energie termiche specifiche elevate al rotore, poichè l'energia corrispondente a ogni frenatura (energia di scorrimento sottratta alla rete ed energia cinetica) viene dissipata nella gabbia. Le sollecitazioni termiche in fase di frenatura sono tre volte più elevate rispetto all’avviamento.

Al momento della frenatura i picchi di corrente e di coppia sono nettamente superiori a quelli prodotti durante l'avviamento.

Per ottenere una frenatura non brusca viene spesso inserita, durante l'accoppiamento in controcorrente, una resistenza in serie con ogni fase dello statore. La coppia e la corrente vengono quindi ridotte come nel caso dell'avviamento dello statore.

Gli inconvenienti della frenatura in controcorrente di un motore a gabbia sono tali che questo processo viene utilizzato solo su alcune applicazioni con motori di bassa potenza.

v Motore a rotore bobinato (Motore ad anelli) Per limitare il picco di corrente e di coppia è assolutamente necessario, prima di collegare lo statore del motore in controcorrente, reinserire le resistenze rotoriche utilizzate all'avviamento, e spesso anche aggiungere una sezione supplementare detta di frenatura (C Fig.14).

La coppia di frenatura può essere facilmente regolata al valore desiderato scegliendo una resistenza rotorica adatta.

Al momento dell'inversione la tensione rotorica è quasi il doppio della tensione rotorica all'arresto, cosa che talvolta richiede particolari accorgimenti d'isolamento.

Come per i motori a gabbia nel circuito rotorico si produce un'elevata energia in gran parte dissipata nelle resistenze.

Il comando automatico dell'arresto a velocità nulla può essere effettuato con uno dei dispositivi sopra citati o anche mediante un relè di tensione o di frequenza inserito nel circuito rotorico.

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A Fig. 14 Principio della frenatura controcorrente per una macchina asincrona ad anelli


Avviamento 4.2 Frenatura elettrica dei motori asincroni trifase e protezione dei motori

A Fig. 15 Principio di frenatura a corrente continua per una macchina asincrona

Con questo sistema è possibile mantenere un carico trascinante ad una velocità moderata. La caratteristica è molto instabile (forti variazioni di velocità per basse variazioni di coppia).

b Frenatura con iniezione di corrente raddrizzata Questo tipo di frenatura viene utilizzato sui motori ad anelli e a gabbia (C Fig.15). Rispetto al sistema in controcorrente, il prezzo dell’alimentazione di corrente raddrizzata viene compensato da un minor volume delle resistenze. Con i variatori e con gli avviatori elettronici, questa possibilità di frenatura viene offerta senza supplemento di costo.

Il processo consiste nell'inviare corrente raddrizzata nello statore precedentemente separato dalla rete. Questa corrente raddrizzata crea un flusso statico nel traferro del motore. Perchè il valore di questo flusso corrisponda ad una corretta frenatura, la corrente deve essere circa 1,3 volte la corrente nominale. L'eccesso di perdite termiche dovute a questa leggera sovracorrente viene generalmente compensato dal tempo di arresto dopo la frenatura.

Poichè il valore della corrente è fissato dall'unica resistenza degli avvolgimenti dello statore, la tensione dell'alimentazione di corrente raddrizzata è bassa. Questa alimentazione è solitamente costituita da raddrizzatori o fornita da variatori. Questi devono poter sopportare le sovratensioni transitorie prodotte dagli avvolgimenti appena scollegati dalla rete alternata (ad esempio a 400 volt efficaci).

Il movimento del rotore rappresenta uno scorrimento rispetto a un campo fisso nello spazio (mentre, nel sistema in controcorrente, il campo ruota in senso inverso). Il motore si comporta come un generatore sincrono con emissione nel rotore. Le caratteristiche ottenute con un sistema di frenatura a iniezione di corrente raddrizzata presentano, rispetto a quelle di un sistema in controcorrente, importanti differenze:

- I’energia dissipata nelle resistenze rotoriche o nella gabbia è meno elevata. Si tratta unicamente dell'equivalente dell'energia meccanica trasmessa dalle masse in movimento. L'unica energia sottratta alla rete è l'eccitazione dello statore,

- se il carico non è trascinante, il motore non si avvia in senso inverso, - se il carico è trascinante, il sistema fornisce una frenatura permanente

che mantiene il carico a bassa velocità. Si tratta quindi di una frenatura di rallentamento e non di una frenatura di arresto. La caratteristica è molto più stabile che in controcorrente.

Nel caso di un motore ad anelli, le caratteristiche coppia-velocità dipendono dalla scelta delle resistenze.

Nel caso di un motore a gabbia questo sistema consente di regolare facilmente la coppia di frenatura agendo sulla corrente continua di eccitazione. Tuttavia quando il motore gira a velocità elevata la coppia di frenatura sarà bassa.

Per evitare inutili riscaldamenti, è necessario prevedere un dispositivo che interrompa la corrente nello statore una volta realizzata la frenatura.

b Frenatura elettronica La frenatura elettronica si ottiene facilmente con un variatore di velocità dotato di una resistenza di frenatura. Il motore asincrono si comporterà come un generatore e l’energia meccanica verrà dissipata nella resistenza di frenatura senza aumento delle perdite nel motore.

Per maggiori dettagli consultare la parte dedicata alla variazione di velocità elettronica nel capitolo 5 Partenze-motore.


A Fig. 16 Principio d’inversione del senso di marcia di un motore asincrono

b Frenatura a funzionamento in ipersincronismo Si tratta del caso in cui il motore viene azionato mediante il suo carico al di sopra della velocità di sincronismo. Si comporta come un generatore asincrono e sviluppa una coppia di frenatura. A parte le perdite, I’energia viene recuperata mediante la rete.

Su un motore di sollevamento, la discesa del carico alla velocità nominale corrisponde a questo tipo di funzionamento. La coppia di frenatura equilibra esattamente la coppia dovuta al carico e non provoca un rallentamento, ma una marcia a velocità costante.

Se si tratta di un motore ad anelli, è indispensabile mettere in cortocircuito tutte o parte delle resistenze rotoriche per evitare che il motore venga azionato troppo al di là della sua velocità nominale, con i rischi meccanici che questo comporterebbe.

Questo funzionamento ha le qualità ideali di un sistema di ritenuta di carico trascinante:

- la velocità è stabile, praticamente indipendente dalla coppia trascinante, - I’energia viene recuperata e rinviata alla rete.

Corrisponde comunque ad una sola velocità, ossia approssimativamente alla velocità nominale.

La frenatura in ipersincronismo si incontra anche sui motori a più velocità al passaggio dall'alta alla bassa velocità.

La frenatura in ipersincronismo può essere facilmente realizzata con un variatore di velocità elettronico; per azionarla automaticamente è sufficiente il semplice abbassamento del valore di regolazione della frequenza.

b Altri sistemi di frenatura Talvolta si incontra ancora la frenatura in monofase che consiste nell'alimentare il motore tra due fasi della rete riunendo il morsetto libero a uno degli altri due collegati alla rete. La coppia di frenatura è limitata a 1/3 della coppia massima motore. Questo sistema non tuttavia è in grado di frenare il pieno carico e richiede quindi di essere completato da una frenatura in controcorrente. Questo funzionamento si accompagna tuttavia a squilibri e perdite rilevanti. Citiamo anche la frenatura con rallentatori basati sul principio delle correnti parassite di Focault che si creano su masse metalliche massicce ruotanti in un campo magnetico uniforme. L’energia meccanica viene dissipata in calore nel rallentatore. La regolazione della frenatura si ottiene facilmente mediante un avvolgimento di eccitazione. L'aumento elevato dell'inerzia rappresenta tuttavia un inconveniente.

v Inversione del senso di marcia L’inversione del senso di marcia dei motori asincroni trifase (C Fig.16) si ottiene semplicemente con l’inversione del campo rotante nel motore, realizzabile incrociando due avvolgimenti.

Questa inversione si effettua generalmente nella fase di arresto. In caso contrario l’inversione delle fasi produce una frenatura in controcorrente (vedere il paragrafo Motore a rotore bobinato). Sono possibili anche gli altri tipi di frenatura sopra descritti.

L’inversione del senso di rotazione dei motori monofase è ugualmente realizzabile se è possibile accedere a tutti gli avvolgimenti.

b Definizione dei tipi di servizio Il numero di avviamenti e il numero di frenature per unità di tempo ha un’incidenza maggiore sul riscaldamento dei motori. La norma IEC 60034-1 (caratteristiche nominali e caratteristiche di funzionamento) definisce dei tipi di servizio che consentono di calcolare un’immagine termica e di calibrare i motori in funzione dell’impiego previsto. I paragrafi che seguono forniscono un panorama dei tipi di servizio. Per maggiori dettagli consultare la norma e i cataloghi dei costruttori di motori.

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Avviamento 4.2 Frenatura elettrica dei motori asincroni trifase e protezione dei motori

S1 Servizio continuo

S2 Servizio di durata limitata

v S1 - Servizio continuo (C Fig.17)

Funzionamento a carico costante di durata sufficiente al raggiungimento dell’equilibrio termico.

v S2 - Servizio di durata limitata (C Fig.18)

Funzionamento a carico costante per un periodo di tempo determinato inferiore a quello richiesto per raggiungere l’equilibrio termico, seguito da un periodo di riposo (spento) di durata sufficiente a ristabilire l’eguaglianza fra la temperatura della macchina e quella del fluido di raffreddamento.

v S3 - Servizio intermittente periodico (C Fig.19)

Sequenza di cicli di funzionamento identici, ciascuno comprendente un periodo di funzionamento a carico costante ed un periodo di riposo a motore spento. La corrente di avviamento, in questo tipo di ciclo, non influenza la sovratemperatura in modo significativo.

v S4 - Servizio intermittente periodico con avviamento (C Fig.20)

Sequenza di cicli di funzionamento identici, ciascuno con un periodo di funzionamento e un periodo di riposo. La corrente di spunto ha effetti trascurabili sul surriscaldamento del motore.

v S5 - Servizio intermittente periodico con frenatura elettrica (C Fig.21)

A Fig. 17

A Fig. 18

Sequenza di cicli di funzionamento identici,ciascuno comprendente una fase di avviamento, un periodo di funzionamento a carico costante, una fase di frenatura elettrica rapida e un periodo di riposo.

A Fig. 19 S3 Servizio intermittente periodico

A Fig. 20 A Fig. 21 S5 Servizio intermittente periodico con frenatura con avviamento elettrica S4 Servizio intermittente periodico


S6 Servizio interrotto periodico con carico intermittente

S7 Servizio interrotto periodico con frenatura elettrica

v S6 - Servizio ininterrotto periodico con carico intermittente (C Fig.22)

Sequenza di cicli di funzionamento identici ciascuno comprendente un periodo di funzionamento a carico costante e un periodo di funzionamento a vuoto. Non esiste alcun periodo di riposo.

v S7 - Servizio ininterrotto periodico con frenatura elettrica (C Fig.23)

Sequenza di cicli di funzionamento identici ciascuno comprendente una fase di avviamento, un periodo di funzionamento a carico costante e una fase di frenatura elettrica. Non esiste alcun periodo di riposo.

v S8 - Servizio ininterrotto periodico con variazioni correlate di carico e di velocità (C Fig.24)

Sequenza di cicli di funzionamento identici ciascuno comprendente un periodo di funzionamento a carico costante corrispondente a una prestabilita velocità di rotazione, seguito da uno o più periodi di funzionamento con altri carichi costanti corrispondenti a diverse velocità di rotazione. Non esiste alcun periodo di riposo.

v S9 Servizio con variazioni non periodiche di carico e di velocità (C Fig.25)

Servizio in cui generalmente il carico e la velocità hanno una variazione non periodica compresa nella gamma di funzionamento ammessa. Prevede sovraccarichi frequenti che possono essere ampiamente superiori al pieno carico.

v S10 Servizio a regimi costanti distinti (C Fig.26)

Servizio con un massimo di quattro diversi valori di carico (o di carichi equivalenti), applicati cascuno per un periodo di tempo sufficiente a raggiungere l’equilibrio termico. Il carico minimo per un ciclo di carico può avere valore zero (funzionamento a vuoto o tempo di riposo).

4 A Fig. 22

A Fig. 23

A Fig. 24 S8 Servizio interrotto periodico S9 Servizio con variazioni S10 Servizio a regimi costanti con variazioni correlate di carico

A Fig. 25 non periodiche di carico e

A Fig. 26 distinti

e di velocità di velocità


Avviamento 4.3 Gli avviatori multifunzione e protezione dei motori

4.3 Gli avviatori multifunzione

Negli ultimi anni l’evolversi delle esigenze dell’utenza ha prodotto la profonda evoluzione degli avviatori. Tra le esigenze dell’utenza vi sono:

- la riduzione del volume dei prodotti per facilitarne l’integrazione nelle apparecchiature riducendo le dimensioni di queste ultime,

- la semplificazione del coordinamento della protezione, - la diminuzione del numero di prodotti (codici), - la facilità e rapidità di cablaggio per riduzione dei costi di mano

d’opera, - l’aumento di funzione di automazione a costi contenuti, - le necessità di comunicazione impiegando i bus di campo.

Nel 1983 la serie Integral di Telemecanique è stata la prima a rispondere a tutte queste esigenze. Questa gamma di prodotti offriva infatti per la prima volta e raggruppate nello stesso involucro, le seguenti funzioni:

- il sezionamento, - la commutazione, - la protezione contro i sovraccarichi e i cortocircuiti con le prestazioni

dei miglior apparecchi disponibili sul mercato (per maggiori dettagli vedere par. 4.4 Protezione dei motori).

Quasi vent’anni dopo con i sensibili progressi tecnologici Schneider Electric propone Tesys U, una gamma di prodotti che rappresenta una notevole

A Fig. 27 Tesys U evoluzione.

Tesys U garantisce il coordinamento totale. Rispetto ad una soluzione tradizionale la gamma è composta da un decimo dei componenti, il risparmio di cablaggio raggiunge il 60 % e le dimensioni d’ingombro sono ridotte di oltre il 40 %.

Il disegno(C Fig.27) rappresenta un avviatore Tesys U con una parte degli accessori.

Comprende le funzioni essenziali delle partenze-motore alle quali si sommano, grazie ad elementi aggiuntivi, sofisticate funzioni di dialogo e di comunicazione che permettono la realizzazione di schemi inediti particolarmente economici. L'avviatore Tesys U è composto da una base di potenza che integra le funzioni di sezionamento, di commutazione e di protezione. La base potenza è l’elemento che permette la funzione elementare qui di seguito illustrata.

b Un senso di marcia A Fig. 28 Schema di principio dell’avviatore Lo schema (C Fig.28) rappresenta la composizione interna del prodotto.

Tesys U La base potenza integra tutti i componenti necessari alle funzioni di sezionamento, di protezione contro i cortocircuiti e i sovraccarichi e di commutazione.

La base potenza consente di realizzare, senza alcun elemento aggiuntivo, i seguenti schemi tradizionali:

- Comando 3 fili (C Fig.29), comando ad impulso auto-mantenuto. - o comando 2 fili (C Fig.30), comando con commutatore 2 posizioni.

A Fig. 29 Comando A Fig. 30 Comando 3 fili 2 fili


b Due sensi di marcia I disegni delle Fig. 31 e 32 rappresentano la base potenza e l’elemento aggiuntivo collegabile sul fianco del prodotto o direttamente agganciabile per un prodotto compatto.

La base potenza realizza la funzione Marcia/Arresto, garantisce le funzioni di interruzione, di protezione termica e di protezione contro i cortocircuiti.

L’invertitore non commuta mai in carico, eliminando in questo modo l’usura elettrica.

Il blocco meccanico è inutile poiché l’elettromagnete che comanda l’invertitore è bistabile e l’accesso ell’invertitore è impossibile.

Esempio di comando 3 fili (C Fig.33) : comando ad impulsi con automantenimento e finecorsa livelli alto e basso.

A Fig. 31 Tesys U, con modulo invertitore di marcia (principio)

A Fig. 32 Tesys U, con modulo invertitore di marcia

A Fig. 33 Esempio di utilizzo del Tesys U con funzione invertitore


4

Avviamento 4.4 La protezione dei motori e protezione dei motori

4.4 La protezione dei motori

Qualsiasi motore elettrico ha dei limiti di funzionamento, il superamento dei quali porta, più o meno a lungo termine, alla sua distruzione, oltre che alla distruzione dei meccanismi che lo compongono. Le conseguenze immediate sono invece arresti e interruzioni del servizio.

Questo tipo di macchina che trasforma l’energia elettrica in energia meccanica può essere soggetta a guasti elettrici o meccanici.

• Elettrica - sovratensione, caduta di tensione, squilibrio o assenza di fasi

che provocano variazioni sulla corrente assorbita, - cortocircuiti con corrente che può raggiungere livelli distruttivi per

l’utenza.

• Meccanica - blocco del rotore, sovraccarico temporaneo o prolungato che genera

un aumento della corrente assorbita dal motore e quindi un pericoloso riscaldamento degli avvolgimenti.

I costi legati a tali guasti possono essere elevati; devono infatti tenere conto delle perdite di produzione, delle perdite di materie prime, del ripristino dello strumento di produzione, della perdita di qualità della produzione, dei ritardi nelle consegne. La costante esigenza di aumento della competitività impone alle imprese la riduzione dei costi legati ai fermi di servizio e alla perdita di qualità della produzione.

Questi guasti possono inoltre avere gravi conseguenze per la sicurezza del personale che lavora a contatto diretto o indiretto con il motore.

Per evitare gli incidenti o almeno limitarne le conseguenze in termini di usura dei prodotti e disturbi sulla rete di alimentazione, è necessario utilizzare protezioni adeguate che consentano di isolare dalla rete l’apparecchio. Le funzioni di protezione rilevano e misurano le variazioni delle grandezze elettriche (tensione, corrente, ecc...) azionando i dispositivi di interruzione.

• Ogni partenza-motore deve quindi comprendere - una protezione contro i cortocircuiti, per rilevare ed interrompere il più

rapidamente possibile le correnti anomale generalmente superiori a 10 volte la corrente nominale (In),

- una protezione contro i sovraccarichi, per rilevare gli aumenti di corrente fino a 10 In circa e interrompere la partenza prima che il riscaldamento del motore e dei conduttori provochi l’usura degli isolanti.

Queste funzioni di protezione vengono garantite da apparecchi specifici, quali i fusibili, gli interruttori automatici, i relè di sovraccarico o mediante dispositivi integrati che offrono diversi tipi di protezione. La protezione contro i guasti di “terra” che comprende la protezione delle persone e la protezione contro i rischi d’incendio non viene trattata in questo documento perchè generalmente integrata alla distribuzione elettrica.


P

4.5 Perdite e riscaldamento nei motori 4.6 Le diverse cause di guasto e le relative

conseguenze

4.5 Perdite e riscaldamenti nei motori

A Fig. 34 Circuito equivalente di un motore asincrono

A Fig. 35 Perdite di un motore asincrono

∆t T max

Classe B 80°K 125°C

Classe F 105°K 155°C

Classe H 125°K 180°C

A Fig. 36 Classi d’isolamento

b Circuito equivalente del motore Il motore asincrono a gabbia può essere rappresentato dal circuito equivalente illustrato a lato (C Fig.34). Una parte della potenza elettrica fornita allo statore viene trasformata all’albero sotto forma di potenza motrice o potenza attiva

L’altra parte di potenza elettrica viene trasformata in calore nel motore (C Fig. 35): - perdite “joule” negli avvolgimenti dello statore, - perdite “joule” nel rotore dovute alle correnti di circolazione

(Consultare il capitolo sui motori), - perdite “ferro” nel rotore e nello statore.

Queste perdite dipendono dalle condizioni d’impiego e dalle caratteristiche costruttive del motore e si traducono con un riscaldamento (consultare la parte sull’avviamento dei motori).

È possibile che si verifichino delle anomalie dovute al carico, alla tensione di alimentazione o ad entrambi i fattori; tali anomalie possono provocare un riscaldamento non trascurabile.

b Classi d’isolamento La maggior parte delle macchine industriali hanno classe d’isolamento F (C Fig.36).

La classe F ammette riscaldamenti di 105°K e temperature massime di 155°C ai punti caldi della macchina misurati con il metodo di variazione di resistenza (rif. CEI 85 e CEI 34-1). Per ambienti speciali, in particolar modo ambienti caratterizzati da temperatura elevata e forte umidità, si consiglia la classe H.

Le macchine di qualità sono calibrate affinché il riscaldamento massimo sia di 80° nelle condizioni nominali d’impiego (temperatura ambiente 40°C, altitudine inferiore a 1.000 m, tensione e frequenza nominali e carico nominale).

Ne consegue, per un motore di classe F, una riserva di riscaldamento di 25°K per sopportare le eventuali variazioni rispetto al funzionamento nominale.

4.6 Le diverse cause di guasto e le relative conseguenze

In un impianto comprendente dei motori elettrici è possibile distinguere due tipi di guasti: i guasti di origine interna al motore e i guasti di origine esterna.

• I principali guasti di origine interna sono: - cortocircuito fase - terra, - cortocircuito tra fasi, - cortocircuito tra spire, - surriscaldamento degli avvolgimenti, - rottura di una barra nei motori a gabbia, - problemi legati ai cuscinetti, - ecc...

• I principali guasti di origine esterna sono: Le origini dei guasti sono localizzabili all’esterno del motore elettrico, ma le loro conseguenze possono provocare un’usura del motore stesso.

4


Avviamento 4.6 Le diverse cause di guasto e le relative conseguenzee protezione dei motori

A Fig. 37 Gli avvolgimenti sono, per i motori, le parti più soggette a guasti elettrici e incidenti di utilizzo

A Fig. 38 Resistenza d’isolamento in funzione della temperatura

A Fig. 39 Durata dei motori in funzione della loro temperatura di funzionamento o della corrente assorbita

v I problemi di funzionamento possono essere dovuti • alla sorgente di alimentazione

- interruzione dell’alimentazione, - inversione o squilibrio di fasi, - calo di tensione, - sovratensione, - ecc...

• al modo di utilizzo del motore - regimi di sovraccarico, - numero di avviamenti e regime di avviamento, - inerzia del carico, - ecc...

• all’installazione del motore - disallineamento, - squilibrio, - sforzi eccessivi sull’albero, - ecc...

b I guasti interni al motore Avarie dell’avvolgimento dello statore o del rotore

L’avvolgimento dello statore di un motore elettrico è costituito da conduttori in rame isolati. Il deterioramento dell’isolamento può provocare un cortocircuito permanente, tra una fase e la massa, tra due o addirittura tre fasi, o tra spire di una stessa fase (C Fig. 37). Il deterioramento dell’isolamento può essere provocato da fenomeni elettrici (scariche superficiali, sovratensioni), termici (surriscaldamento) o anche meccanici (vibrazioni, sforzi elettrodinamici sui conduttori).

I guasti d’isolamento possono crearsi anche all’interno dell’avvolgimento del rotore e generare la medesima conseguenza: la messa fuori servizio del motore.

La causa più frequente di avaria a livello degli avvolgimenti di un motore è un aumento eccessivo della loro temperatura, spesso provocato da un sovraccarico che implica un aumento della corrente che attraversa gli avvolgimenti stessi.

La curva rappresentata nel disegno della Fig. 38 fornita dalla maggior parte dei costruttori di motori elettrici, mostra l’evoluzione della resistenza d’isolamento in funzione della temperatura: più la temperatura aumenta e più la resistenza d’isolamento diminuisce. La durata degli avvolgimenti e di conseguenza quella del motore, si riduce notevolmente.

La curva rappresentata nel disegno della Fig. 39 mostra che un aumento del 5 % della corrente, equivalente ad un aumento della temperatura di circa + 10°, dimezza la durata degli avvolgimenti.

Per evitare surriscaldamenti e ridurre i rischi di avarie interne al motore dovuti al deterioramento dell’isolamento degli avvolgimenti è quindi necessaria una protezione contro i sovraccarichi.

b I guasti esterni al motore Fenomeni legati all’alimentazione elettrica del motore

v Sovratensioni Qualsiasi tensione applicata ad un’apparecchiatura il cui valore di cresta supera i limiti specificati è una sovratensione.

Le sovratensioni (C Fig. 40) temporanee o permanenti possono avere diverse origini:

- atmosferica (colpo di fulmine), - scarica elettrostatica, - comando di apparecchi collegati alla stessa rete, - ecc...

A Fig. 40 Esempio di sovratensione


A Fig. 42 Rilevamento di tensione di un sistema trifase squilibrato

Le principali caratteristiche delle sovratensioni sono riportate nella tabella sottostante (Fig. 41).

Rigidità del fronte / Tipo di sovratensione Durata Smorzamentofrequenza

Atmosferica Molto breve (da 1 a 10µs) Molto elevata (1000 kV/µs) Forte

Scarica elettrostatica Molto breve (ns) Elevata (10 MHz) Molto forte

Manovra Breve (1ms) Media (da 1 a 200 kHz) Medio

A frequenza indistriale Lunga (>1s) Frequenza della rete Nullo

A Fig. 41 Caratteristiche dei diversi tipi di sovratensione

Questi disturbi, che si sovrappongono alla tensione della rete, possono verificarsi in due modi: - modo comune, tra i conduttori attivi e la terra, - modo differenziale, tra i diversi conduttori attivi.

Nella maggior parte dei casi le sovratensioni causano una perforazione dielettrica degli avvolgimenti del motore che ne provocherà la distruzione.

v Fasi squilibrate Un sistema trifase è squilibrato quando le tre tensioni non sono uguali in ampiezza e/o non sono sfasate tra loro di 120°.

Lo squilibrio (C Fig. 42) può essere provocato dall’apertura di una fase (dissimmetria) dovuta alla presenza di carichi monofase nelle immediate vicinanze del motore o dall’alimentazione stessa.

Lo squilibrio può essere calcolato con la seguente formula:

Vmax – Vmed , Vmed – VminSquilibrio (%) = 100 x MAX ( )Vmed Vmed

ove: Vmax tensione più alta,

Vmin tensione più bassa,

(V1 + V2 + V3) Vmed =

3

Le conseguenze di uno squilibrio delle tensioni applicate ad un motore sono la diminuzione della coppia utile e l’aumento delle perdite; gli squilibri si traducono in una componente inversa che genera forti correnti rotoriche provocando un notevole riscaldamento del rotore con conseguente surriscaldamento del motore (C Fig.43 ).

Valore dello squilibrio (%) 0 2 3,5 5

Corrente dello statore (A) In 1,01 x In 1,04 x In 1,075 x In

Aumento delle perdite (%) 0 4 12,5 25

Riscaldamento (%) 100 105 114 128

Fig. 43 Influenza di uno squilibrio di tensione sulle caratteristiche di funzionamento di un motore

La norma IEC 60034-26 fornisce una regola di declassamento in funzione dello squilibrio delle tensioni (C Fig. 44) , regola che è consigliabile applicare quando la presenza di questo fenomeno è verificata o prevedibile sulla rete che alimenta il motore. Questo coefficiente di declassamento permette di “sovradimensionare” un motore per tener conto dello squilibrio o di diminuire la corrente di funzionamento di un motore rispetto alla sua corrente nominale.

A Fig. 44 Declassamento di un motore in funzione di uno squilibrio delle tensioni dell’alimentazione


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Avviamento 4.6 Le diverse cause di guasto e le relative conseguenze e protezione dei motori

A Fig. 45 Esempio di un calo e di una breve interruzione di tensione

v Abbassamenti e interruzioni di tensione Il buco di tensione (C Fig. 45) è una diminuzione improvvisa della tensione di alimentazione (valore efficace) ad un valore compreso tra il 90 e l'1% della tensione dichiarata. La durata di un buco di tensione è di 1/2 periodo a 50 Hz o comunque compresa tra 10 ms e 1 minuto.

Una breve interruzione è un caso particolare di buco di tensione la cui diminuzione è superiore al 90 %. È caratterizzata unicamente dalla sua durata (inferiore a 3 minuti). Le interruzioni lunghe superano i 3 minuti.

Si parla di microinterruzioni per durate di interruzione dell’ordine di millesimi di secondo.

L’origine di queste variazioni di tensione può essere un fenomeno non legato all’applicazione (guasto sulla rete di distribuzione pubblica o cortocircuito accidentale), oppure un fenomeno legato all’impianto stesso (collegamento di forti carichi, quali motori o transformatori). Le variazioni di tensione possono avere conseguenze gravi sul motore.

• Conseguenze su un motore asincrono Durante un buco di tensione la coppia di un motore asincrono (proporzionale al quadrato della tensione) diminuisce notevolmente provocando un rallentamento che dipende dall’ampiezza e dalla durata del buco di tensione, dall’inerzia delle masse rotanti e dalla caratteristica coppia-velocità del carico trascinante. Se in quel momento la coppia sviluppata dal motore diventa inferiore alla coppia resistente, il motore si arresta (sgancio). Il ripristino della tensione successivo ad un’interruzione genera uno spunto di corrente di riaccelerazione che si avvicina alla corrente di avviamento e la cui durata dipende dalla durata dell’interruzione.

Quando vi sono diversi motori nell’impianto, le loro riaccelerazioni simultanee possono provocare una caduta di tensione a monte della rete. La durata del buco di tensione aumenta e può rendere la riaccelerazione difficile (riavviamenti prolungati con surriscaldamento) o addirittura impossibile (coppia motore inferiore alla coppia resistente).

La rimessa sotto tensione rapida (~ 150 ms) e senza precauzioni di un motore asincrono in fase di rallentamento può provocare una richiusura in opposizione di fase tra l’alimentazione e la tensione residua mantenuta dal motore asincrono. In questo caso, la prima cresta di corrente può raggiungere tre volte la corrente di avviamento (da 15 a 20 In).

Le sovracorrenti e i buchi di tensione che ne derivano hanno diverse conseguenze sul motore:

- riscaldamenti supplementari e sforzi elettrodinamici nelle bobine che possono provocare il deterioramento dell’isolamento,

- impulsi con sollecitazioni meccaniche anomale sugli accoppiamenti con conseguente usura precoce se non addirittura rottura.

Le sovracorrenti e i buchi di tensione possono inoltre danneggiare apparecchiature quali i contattori (usura o saldatura dei contatti), provocare l’intervento delle protezioni generali dell’impianto con conseguente arresto di una linea di produzione o di un’officina. • Conseguenze su un motore sincrono Le conseguenze sono più o meno simili a quelle sui motori asincroni. I motori sincroni possono tuttavia, grazie alla loro inerzia solitamente maggiore e ad una minor influenza della tensione sulla coppia, supportare buchi di tensione più importanti (dell’ordine del 50 %) senza sgancio.

In caso di sgancio il motore si arresta ed è quindi necessario ripetere l’intero processo di avviamento.


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A Fig. 46

h total (h1+h5) h1 h5

Rilevamento di una tensione sinusoidale con armoniche di 5° rango

• Conseguenze sulle macchine a velocità variabile I problemi creati dai buchi di tensione ai variatori di velocità sono:

- impossibilità di fornire la tensione sufficiente al motore (perdita di coppia, rallentamento),

- malfunzionamento dei circuiti di controllo alimentati direttamente dalla rete,

- sovracorrente al ritorno di tensione (ricarica del condensatore di filtraggio dei variatori),

- sovracorrente e squilibrio di corrente sulla rete in caso di buchi di tensione su una sola fase.

I variatori di velocità segnalano generalmente il guasto per cali di tensione superiori al 15 %.

v Presenza di armoniche Ogni funzione periodica (frequenza f) può essere scomposta in una somma di sinusoidi di frequenza h x f (h: intero):

Il tasso di distorsione armonica (THD per Total Harmonic Distorsion) fornisce la misura della deformazione del segnale:

Le correnti e le tensioni armoniche vengono generate dai carichi non lineari collegati alla rete di distribuzione. La distorsione armonica (C Fig. 46) è una forma di inquinamento della rete elettrica suscettibile di creare problemi per tassi superiori al 5 %.

Le apparecchiature elettroniche di potenza (variatori di velocità, ondulatori, ecc...) sono le principali fonti di armoniche. Anche il motore può generare armoniche di ordine 3; in caso di collegamento a triangolo potrebbe verificarsi un riequilibrio del flusso suscettibile di creare una corrente negli avvolgimenti del motore.

La presenza di armoniche provoca, nei motori, un aumento delle perdite per correnti parassite o di Foucault con conseguenti riscaldamenti supplementari. Le armoniche possono anche generare sollecitazioni meccaniche (vibrazioni, fatica meccanica), inquinamento sonoro e limitare l’impiego di motori a pieno carico.


Avviamento 4.6 Le diverse cause di guasto e le relative conseguenze e protezione dei motori

Tempo di avviamento ammesso dei motori in funzione del rapporto corrente di avviamento/ corrente nominale

b I guasti esterni al motore: fenomeni legati al funzionamento del motore

v Avviamento prolungato e/o troppo frequente La fase di avviamento di un motore corrisponde al tempo necessario a raggiungere la velocità di rotazione nominale.

Il tempo di avviamento (tD) dipende dalla coppia resistente (Cr) e dalla coppia motore (Cm).

con

J: momento d’inerzia globale delle masse in movimento,

N(tr.s-1): velocità di rotazione del rotore.

Tenuto conto delle sue caratteristiche intrinseche, ogni motore è in grado di consentire un numero limitato di avviamenti, generalmente indicato dal costruttore (numero di avviamenti all’ora).

Allo stesso modo ogni motore ha un tempo di avviamento che dipende dalla corrente di avviamento (C Fig. 47).

v Blocco del rotore Il blocco di un motore dovuto ad una causa meccanica provoca una sovracorrente uguale alla corrente di avviamento. Ma il riscaldamento che ne risulta è molto più importante poiché le perdite nel rotore vengono mantenute al valore massimo per tutta la durata della fase di blocco e la ventilazione non è presente perchè legata alla rotazione del rotore. Le temperature del rotore possono diventare molto elevate (350 C).

v Sovraccarico (rallentamento o sovravelocità) Il sovraccarico di un motore è provocato dall’aumento della coppia resistente o da un abbassamento della tension di rete (> 10 % di Un). L’aumento della corrente assorbita dal motore genera un riscaldamento che ne riduce la durata e che, più o meno lungo termine, può causarne la distruzione.

b Sintesi La tabella della Fig. 48 presenta una sintesi dei diversi tipi di guasto con le possibili relative motivazioni e i possibili relativi effetti e conseguenze.

In ogni caso per i motori sono sempre necessarie due protezioni: - protezione contro i cortocircuiti, - protezione contro i sovraccarichi (surriscaldamento).

A Fig. 47

Guasti Origini Effetti Conseguenze

sul motore Cortocircuito • Messa in contatto di

più fasi, di una fase e del neutro o

di più spire

• Picco di corrente • Sforzi elettrodinamici sui conduttori

• Distruzione degli avvolgimenti

Sovratensione • Fulmine • Scarica elettrostatica • Manovra

• Perforazione dielettrica degli avvolgimenti

• Distruzione degli avvolgimenti mediante

perdita d'isolamento

Squilibrio di tensione

• Apertura di una fase • Carico monofase a monte del motore

• Diminuzione della coppia utile

• Surriscaldamento(*)

Calo di tensione

• Instabilità della tensione di rete • Colegamento di forti carichi

• Diminuzione della coppia utile • Aumento delle perdite


Armoniche • Inquinamento della rete da variatori di velocità, ondulatori, etc ...

• Diminuzione della coppia utile • Aumento delle perdite


Avviamento prolungato

• Coppia resistante troppo importante • Calo di tensione

• Aumento del tempo di avviamento


Bloccaggio • Problema meccanico • Sovracorrente • Surriscaldamento(*) Sovraccarico • Aumento della

coppia resistente • Calo di tensione

• Aumento della corrente assorbita


(*) Poi, più o meno a lungo termine, in base all'importanza del guasto e/o alla frequenza, cortocircuito e distruzione degli avvolgimenti.

A Fig.48 Sintesi dei possibili guasti di un motore con origini, effetti e conseguenze


4.7 Le funzioni e i prodotti di protezione

4.7 Le funzioni e i prodotti di protezione

b Protezione contro i cortocircuiti v Generalità Un cortocircuito è un circuito chiuso su di una impedenza trascurabile: - a corrente alternata: collegamento tra fasi, tra fase e neutro, tra fase e massa conduttrice o tra spire di una stessa fase, - a corrente continua: collegamento tra le due polarità o tra una massa conduttrice e la polarità da essa isolata. Può essere dovuto a cause diverse: deterioramento dello strato di vernice isolante dei conduttori, scollegamento, fili o cavi scoperti o rotti, presenza di corpi metallici estranei, depositi conduttori (polveri, umidità...), penetrazione di acqua o di altri liquidi conduttori, deterioramento dell’apparecchio utilizzatore, errore di cablaggio all'avviamento o successivo ad un intervento.

Un cortocircuito si traduce in un aumento improvviso della corrente che può raggiungere in alcuni millesimi di secondo un valore pari a diverse centinaia di volte la corrente d'impiego. Può avere effetti devastanti e provocare notevoli danni al materiale. È caratterizzato da due fenomeni: • Un fenomeno termico Corrisponde alla quantità di energia liberata nel circuito elettrico attraversato dalla corrente di cortocircuito I per un tempo t secondo la formula I2t ed espressa in A

2s. L’effetto termico può provocare:

- la fusione dei contatti del contattore, - la distruzione degli elementi termici di un relè a lamine bimetalliche se

il coordinamento è di tipo I, - la creazione di archi elettrici, - la calcinazione della pellicola isolante, - l’incendio dell’apparecchiatura.

• Un fenomeno elettrodinamico Si traduce in sforzi meccanici intensi tra i conduttori provocati dal passaggio della corrente con i seguenti effetti:

- deformazione dei conduttori che formano gli avvolgimenti del motore, - rottura dei supporti isolanti dei conduttori, - repulsione dei contatti (all’interno dei contattori) con possibile fusione

e saldatura.

Tali effetti rappresentano un pericolo sia per i beni che per le persone. È quindi tassativo l’utilizzo di dispositivi di protezione contro i cortocircuiti per rilevare il guasto e interrompere molto rapidamente il circuito, prima che la corrente raggiunga il suo valore massimo.

I due dispositivi di protezione comunemente utilizzati sono: - i fusibili che con la loro fusione interrompono il circuito e dovranno

quindi essere sostituiti, - gli interruttori automatici a sganciatore magnetico, spesso definiti più

semplicemente interruttori automatici magnetici, che interrompono automaticamente il circuito con l’apertura dei poli. Per il loro ripristino è sufficiente una manovra di riaggancio.

La protezione contro i cortocircuiti può anche essere integrata in apparecchi multifunzione quali gli interruttori automatici magneto-termici e i contattori-interruttori automatici.

4


Avviamento 4.7 Le funzioni e i prodotti di protezione e protezione dei motori

Potere di interruzione (PC)

4.5kA < PC < 6kA

Cos ϕ

0.7

Potere di chiusura (PF)

1.5 PC

6kA < PC < 10kA 0.5 1.7 PC

10kA < PC < 20kA 0.3 2 PC

20kA < PC < 50kA 0.25 2.1 PC

50kA < PC 0.2 2.2 PC

A Fig. 49 Poteri di interruzione e di chiusura fissati dalla norma CEI 60947-2 per gli interruttori automatici

A Fig. 50 Sezionatori 32 e 125 A a fusibili (LS1-D32 e GS1-K4 - Telemecanique)

A Fig. 51 Interruttore automatico magnetico GV2-L (marchio Telemecanique) e relativo simbolo grafico

v Definizioni e caratteristiche Le principali caratteristiche delle protezioni contro i cortocircuiti sono:

- il potere di interruzione: è il massimo valore della corrente presunta di cortocircuito che un apparecchio di protezione può interrompere ad una data tensione,

- il potere di chiusura: è il massimo valore della corrente che un apparecchio di protezione può stabilire alla sua tensione nominale in condizioni specifiche. Il potere di chiusura è pari a k volte il potere di interruzione come mostrato dalla tabella della Fig. 49.

v I fusibili I fusibili realizzano una protezione fase per fase (unipolare), con un grande potere di interruzione in un ingombro molto ridotto. Garantiscono la limitazione di I2t e delle sollecitazioni elettrodinamiche (Icresta).

Possono essere montati: - su supporti specifici detti porta-fusibili, - o in sezionatori in sostituzione di manicotti o barrette. (C Fig. 50).

I fusibili dotati di un percussore possono essere associati ad un dispositivo di interruzione omnipolare (spesso il contattore di comando del motore) per impedire la marcia monofase durante la fusione.

Per la protezione dei motori vengono utilizzati i fusibili di tipo aM. La loro particolarità è di lasciar passare le sovracorrenti magnetizzanti all’avviamento dei motori; sono per questo del tutto inadatti alla protezione contro i sovraccarichi (diversamente dai fusibili di tipo gG). Ecco perché è necessario aggiungere un relè di sovraccarico nel circuito di alimentazione dei motori.

Il loro calibro deve essere in genere immediatamente superiore alla corrente di pieno carico del circuito protetto.

v Gli interruttori automatici magnetici Questo tipo di interruttori garantisce, nel limite del loro potere di interruzione e mediante i loro sganciatori magnetici (uno sganciatore per fase), la protezione degli impianti contro i cortocircuiti (C Fig. 51).

Gli interruttori automatici realizzano di base un interruzione omnipolare: il funzionamento di un solo sganciatore magnetico è sufficiente a comandare l'apertura simultanea di tutti i poli.

Per correnti di cortocircuito poco elevate, il funzionamento degli interruttori automatici è più rapido di quello dei fusibili.

Questo tipo di protezione è conforme alla norma IEC 60947-2.

Per interrompere efficacemente una corrente di cortocircuito è necessario rispettare tre regole fondamentali:

- rilevare molto presto la corrente di guasto, - separare velocemente i contatti, - interrompere la corrente di cortocircuito.

La maggior parte degli interruttori automatici magnetici per la protezione dei motori sono limitatori e contribuiscono quindi al coordinamento (C Fig.52). Il loro tempo di interruzione particolarmente breve consente a questi interruttori di interrompere la corrente di cortocircuito prima che questa raggiunga la sua massima ampiezza.

Gli effetti termici ed elettrodinamici vengono quindi limitati e questo consente di proteggere meglio i cavi e l’apparecchiatura.

A Fig. 52 Curve di intervento degli interruttori automatici magnetici


b Protezione contro i sovraccarichi v Generalità Il sovraccarico è il difetto più frequente sui motori. Si manifesta con un aumento della corrente assorbita dal motore e con effetti termici. Il normale riscaldamento di un motore elettrico ad una temperatura ambiente di 40° C viene definito dalla classe d'isolamento. Ogni superamento della temperatura limite di funzionamento conduce ad una diminuzione della durata di vita elettrica degli avvolgimenti a causa dell’usura precoce degli isolanti.

Notiamo comunque che un sovraccarico che porta ad un riscaldamento superiore al normale non avrà effetti negativi immediati se limitato nel tempo e poco frequente. Non implica quindi necessariamente un arresto del motore. È comunque importante il ritorno alle normali condizioni di funzionamento.

L'importanza di una corretta protezione contro i sovraccarichi è quindi necessaria per:

- ottimizzare la durata dei motori evitando il funzionamento in condizioni anomale di riscaldamento,

- garantire la continuità d'impiego delle macchine: - evitando arresti intempestivi dei motori, - rendendo possibile il riavviamento, il più velocemente possibile in

seguito ad uno sganciamento, nelle migliori condizioni di sicurezza per le apparecchiature e per il personale.

Le condizioni reali d’impiego (temperatura ambiente, altitudine d’impiego e servizio normalizzato) sono fondamentali per determinare i valori d'impiego del motore (potenza, corrente) e per poter scegliere una protezione efficace contro i sovraccarichi (C Fig.53). I valori d'impiego vengono forniti dal costruttore del motore.

4

Altitudine Temperatura ambiente m 30°C 35°C 40°C 45°C 50°C 55°C 60°C

1000 1.07 1.04 1.00 0.96 0.92 0.87 0.82

1500 1.04 1.01 0.97 0.93 0.89 0.84 0.79

2000 1.01 0.98 0.94 0.90 0.86 0.82 0.77

2500 097 0.95 0.91 0.87 0.84 0.79 0.75

3000 0.93 0.91 0.87 0.84 0.80 0.76 0.71

3500 0.89 0.86 0.83 0.80 0.76 0.72 0.68

4000 0.83 0.81 0.78 0.75 0.72 0.68 0.64

I valori riportati nella tabella sono forniti a titolo indicativo. Il declassamento di un motore dipende infatti dalle dimensioni, dalla classe d'isolamento, dal modo di costruzione (motore auto-ventilato o moto-ventilato, grado di protezione IP 23, IP 44, ecc...) e varia a seconda dei costruttori.

Il valore di potenza nominale che generalmente compare sulla targa del motore viene definito dal costruttore per un servizio continuo S1 (funzionamento a regime costante e di durata sufficiente a raggiungere l'equilibrio termico).

Sono previsti altri tipi di servizio normalizzati, quali il servizio di durata limitata S2, o i servizi intermittenti periodici S3, S4, e S5 per i quali il costruttore di un motore definisce, per ciascun caso, una potenza d’impiego diversa dalla potenza nominale.

A Fig. 53 Coefficienti di declassamento dei motori in base alle condizioni d’impiego

In base al livello di protezione desiderato la protezione contro i sovraccarichi può essere realizzata mediante:

- relè di sovraccario, termici (a lamine bimetalliche) o elettronici, che proteggono i motori in caso di: - sovraccarico, con il controllo della corrente assorbita su ciascuna delle fasi, - squilibrio o assenza di fasi, con il dispositivo differenziale,

- a sonde a termistori PTC (Positive Temperature Coefficient), - di sovracoppia, - multifunzione.



Un relè di protezione non svolge la funzione di interruzione ma comanda l’apertura di un dispositivo di interruzione che dovrà avere il potere d’interruzione richiesto adatto alla corrente di default da interrompere (generalmente un contattore).

Per questo motivo i relè di protezione dispongono di un contatto di guasto (NC) da posizionare in serie con l’alimentazione della bobina del contattore.

v I relè di sovraccarico (termici o elettronici)

• Generalità Questo tipo di relè protegge i motori contro i sovraccarichi, ma deve ammettere il sovraccarico temporaneo dovuto all’avviamento ed effettuare lo sgancio solo in caso di avviamento prolungato.

In base alle applicazioni il tempo di avviamento dei motori può variare da alcuni secondi (avviamento a vuoto, coppia resistente poco elevata, ecc...) a qualche decina di secondi (coppia resistente importante, forte inerzia del carico trascinante, ecc...).

È quindi necessario disporre di relè adatti a tempo di avviamento. Per soddisfare questa esigenza la norma IEC 60947-4-1 definisce diverse classi di relè di sovraccarico, ciascuna caratterizzata dal tempo di sgancio (C Fig.54).

A Fig. 55 Curve di sgancio dei relè di sovraccarico

Tempo di sgancio a partirte dallo stato: Freddo Caldo Caldo Freddo à 1,05 x Ir a 1,2 x Ir a 1,5 x Ir a 7,2 x Ir

Tolleranze più strette (banda E)

Classe

10 A > 2 h < 2 h < 2 h min 2 s < tp < 10 s -

10 > 2 h < 2 h < 4 h min 4 s < tp < 10 s 5 s < tp < 10 s

20 > 2 h < 2 h < 8 h min 6 s < tp < 20 s 10 s < tp < 20 s

30(*) > 2 h < 2 h < 12 h min 9 s < tp < 30 s 20 s < tp < 30 s

(*) classe poco utilizzata nei paesi europei, ma molto diffusa negli Stati Uniti. Stato freddo: stato iniziale senza carico precedente Stato caldo: equilibrio termico raggiunto a Ir Ir : corrente di regolazione del relè di sovraccarico

A Fig. 54 Principali classi di sgancio dei relè di sovraccarico in base alla norma CEI 60947-4-1

Il calibro del relè deve essere scelto in funzione della corrente nominale del motore e del tempo di avviamento calcolato.

I limiti d’impiego sono caratterizzati da curve (C Fig. 55) in funzione del tempo e del valore della corrente di regolazione (in multiplo di Ir).

Questi relè hanno una memoria termica (tranne alcuni relè elettronici di sovraccarico segnalati dai costruttori) e possono essere collegati:

- in serie con il carico, - oppure, per le potenze elevate, a TA posizionati in serie con il carico.

v I relè termici di sovraccarico a lamine bimetalliche (C Fig. 56 e 57)

Questo tipo di relè, associato ad un contattore, garantisce la protezione del motore, della linea e dell’apparecchiatura contro i sovraccarichi deboli e prolungati. È quindi stato progettato per permettere l’avviamento normale dei motori senza effettuare lo sgancio. Tuttavia deve essere protetto contro le sovracorrenti forti mediante un interruttore automatico o mediante fusibili (vedere protezione contro i cortocircuiti).

A Fig. 56 Relè termico di sovraccarico a lamine bimetalliche LRD (marchio Telemecanique) e relativo simbolo grafico


Vista interna di un relè termico di sovraccarico e dettaglio di una delle lamine bimetalliche

Il principio di funzionamento di un relè termico di sovraccarico si basa sulla deformazione delle lamine bimetalliche provocata dal riscaldamento generato dalla corrente che le attraversa.

Al passaggio della corrente le lamine bimetalliche si deformano e, a seconda della regolazione, provocano un’improvvisa apertura del contatto del relè.

Il riarmo può essere effettuato solo quando le lamine bimetalliche si sono sufficientemente raffreddate.

I relè termici di sovraccarico sono utilizzabili a corrente alternata e a corrente continua. Sono generalmente:

- tripolari, - compensati, ovvero insensibili alle variazioni della temperatura ambiente

(curva di sgancio uguale da 0 a 40°C secondo la norma (C Fig.58), - a riarmo manuale o automatico, - graduati in "Ampere motore": impostazione diretta sul relè del valore

di corrente indicato sulla targa del motore.

Possono essere sensibili anche ad una perdita di fase: è la nozione di differenziale. Questa funzione evita la marcia in monofase del motore e soddisfa le condizioni della norma IEC 60947-4-1 e 60947-6-2 (C tabella Fig. 59).

A Fig. 57

4

Zona di sgancio per i relè di sovraccarico termico compensati in base alla temperatura ambiente (IEC 60947-4-2 e 6-2)

Relè elettronico di sovraccarico (LR9F -Telemecanique)

Tempo di sgancio Multiplo del valore della corrente di regolazione

> 2 h 2 poli : 1.0 Ir

1 polo : 0.9 Ir

> 2 h 2 poli : 1.15 Ir

1 polo : 0

A Fig. 59 Limite di funzionamento di un relè di sovraccarico termico differenziale (sensibile ad una perdita di fase)

Comunemente utilizzato, questo relè offre un’eccellente affidabilità ad un costo contenuto. È consigliato in modo particolare se è presente il rischio di bloccaggio del rotore. L’inconveniente di questo tipo di relè è rappresentato dal fatto di non tener conto in modo preciso dello stato termico del motore da proteggere e dalla sensibilità alle caratteristiche termiche del luogo in cui è installato (ventilazione dell’armadio, ecc...).

v I relè elettronici di sovraccarico (C Fig. 60)

Questo tipo di relè beneficia dei vantaggi dell’elettronica che consente di creare un’immagine termica del motore più elaborata. A partire da un modello che ricostruisce le costanti di tempo termiche del motore, l’elettronica è in grado di calcolare costantemente la temperatura del motore in funzione della corrente che lo attraversa e dei tempi di funzionamento. La protezione può evitare sganci intempestivi. I relè elettronici di sovraccarico sono meno sensibili alle caratteristiche termiche del luogo in cui sono installati.

Oltre alle funzioni classiche dei relè di sovraccarico (protezione dei motori contro i sovraccarichi, gli squilibri e le assenze di fase), i relè elettronici di sovraccarico possono essere completati da opzioni quali:

- il controllo della temperatura con sonde PTC, - la protezione contro bloccaggi e sovracoppie, - la protezione contro le inversioni di fasi, - la protezione contro i guasti d’isolamento, - la protezione contro la marcia a vuoto, - ecc...

A Fig. 58

A Fig. 60



A Fig. 61 Punti di funzionamento delle sonde a termistori CTP

A Fig. 62 Dispositivo elettronico (LT3 - Telemecanique) da associare a tre sonde a termistori, per comandare l’arresto di un motore per superamento di temperatura

A Fig. 63

v I relè a sonde a termistori PTC Questo tipo di relè di protezione controlla la temperatura reale del motore da proteggere. Grazie al loro ridotto volume le sonde hanno un'inerzia termica molto debole che garantisce un tempo di risposta brevissimo, quindi un’eccellente precisione della misura della temperatura.

Controllando direttamente la temperatura degli avvolgimenti dello statore i relè a sonde proteggono i motori contro: sovraccarichi, aumento della temperatura ambiente, difetto del circuito di ventilazione, frequenza di avviamenti troppo elevata, marcia ad impulsi, ecc...

Sono costituiti da più elementi distinti: una o più sonde a termistori PTC posizionate all’interno degli avvolgimenti dei motori.

Sono componenti statici la cui resistenza aumenta bruscamente quando la tempertaura raggiunge una soglia chiamata Temperatura Nominale di Funzionamento (TNF) secondo la curva della Fig. 61.

• Un dispositivo elettronico Un dispositivo elettronico alimentato a corrente alternata o continua misura costantemente la resistenza delle sonde ad esso associate. Al raggiungimento della Temperatura Nominale di Funzionamento (TNF) il forte aumento del valore della resistenza viene rilevato da un circuito a soglia che comanda il cambiamento di stato dei contatti di uscita. In base alle sonde scelte questo tipo di protezione può essere utilizzato:

- sia per fornire un allarme senza arresto della macchina (TNF delle sonde inferiore alla temperatura massima indicata per l'elemento da proteggere),

- sia per comandare l'arresto (la TNF corrisponde alla temperatura massima indicata) (C Fig.62).

L’impiego di questo tipo di protezione deve essere previsto in anticipo poiché le sonde devono essere integrate agli avvolgimenti in fase di produzione del motore o durante un'eventuale ribobinatura in seguito ad incidente.

La scelta delle sonde PTC da integrare dipende dalla classe d’isolamento e dalla struttura del motore. Generalmente la scelta viene effettuata dai costruttori di motori.

Queste due caratteristiche rendono la protezione con sonde PTC adatta alle apparecchiature ad alta gamma con motori dal costo elevato.

v I relè di sovracoppia: una protezione complementare (C Fig.63)

I relè di sovracoppia sono complementari ad una protezione termica mediante relè o mediante sonda PTC e garantiscono la protezione della catena cinematica in caso di blocco del rotore, di grippaggio o di impulsi meccanici.

Questo tipo di relè, contrariamente alla maggior parte dei relè di sovraccarico, non ha memoria termica. È caratterizzato da un funzionamento a tempo definito (soglia di corrente e temporizzazione regolabili).

I relè di sovracoppia possono essere utilizzati come protezione contro i sovraccarichi per i motori caratterizzati da avviamenti prolungati o molto frequenti (ad esempio i paranchi).

v I relè multifunzione • I relè termici elettromeccanici o elettronici I relè termici elettromeccanici o elettronici proteggono i motori con la misura della corrente. Sono adatti alle applicazioni comuni, mentre non sono sufficienti a risolvere i problemi legati alla tensione, alla temperatura o ad applicazioni particolari. Inoltre le nuove esigenze di gestione della produzione o della manutenzione hanno indotto i costruttori di materiale elettrico a proporre nuovi prodotti in grado di garantire non soltanto una protezione adeguata, ma anche una gestione completa del motore e del carico azionato.

Relè di sovracoppia, marchio Telemecanique


A Fig. 65 Relè multifunzione separato dalla linea potenza

• Lo sviluppo Lo sviluppo di questi relè è reso possibile dall’utilizzo congiunto delle seguenti tecnologie:

- rilevatori di tensione e di corrente (TA e TV); questi ultimi, basati su principi di funzionamento che non prevedono materiale magnetico (toroidi di Rogowsky), assicurano tempi di risposta brevissimi ed un’eccellente linearità,

- una tecnologia elettronica mista analogica e digitale con buona potenza di elaborazione e capacità di memoria,

- l'utilizzo dei bus di comunicazione per gli scambi di dati e il controllo, - algoritmi performanti di modellizzazione dei motori, - programmi applicativi integrati e configurabili.

Queste nuove generazioni di prodotti consentono di ridurre i costi dalla fase progettazione, semplificando la programmazione dei controllori automatici, fino alla fase di utilizzo, riducendo i costi della manutenzione e i tempi di arresto.

Qui di seguito forniamo una rapida presentazione delle possibili soluzioni oltre ad una guida alla scelta semplificata. Per una presentazione esauriente dell’offerta consultare la documentazione specifica Schneider Electric.

• Tre famiglie di prodotti L'insieme dei relè multifunzione può essere suddiviso in tre famiglie di prodotti.

Soluzione 1: relè multifunzione integrato all’avviatore (CFig. 64). Questa soluzione presenta il vantaggio di essere molto compatta con un cablaggio ridotto. È disponibile a correnti fino a 32A.

4

Relè multifunzione indipendente

A Fig. 64 Relè multifunzione integrato all’avviatore

Soluzione 2: relè multifunzione separato dalla linea potenza; utilizza i blocchi funzione della soluzione 1, consente l’associazione con apparecchi di qualsiasi potenza (CFig. 65). Soluzione 3: relè multifunzione separato dalla linea potenza; integra più ingressi/uscite (CFig. 66). È la soluzione che presenta più funzioni.

Tabella di scelta dei relè di protezione Nella tabella della Fig. 67 vengono riportate le principali funzioni delle protezioni motore. Per maggiori dettagli far riferimento ai documenti tecnici dei costruttori.

A Fig. 66



Tipi di relè

Relè di sovraccarico

(termico o elettrico)

Relè a sonde

PTC

Relè di sovracoppia

Relè multifunzione

Integrato nell’avviatore

Controllore motore

separato

Sistema di gestione

del motore separato

Tipo di funzione

Corrente

Classe di protezione 10 e 20 da 5 a 20 da 5 a 20 da 5 a 30

Sovracorrente ++ +++ +++ +++ +++

Guasti di terra

Squilibrio delle fasi ++ ++ ++ +++

Blocco meccanico durante/ dopo l’avviamento + ++ ++ ++ +++

Marcia a vuoto modulo modulo +++

Tensione e potenza

Squilibrio di tensione +++

Perdita di una fase +++

Inversione di fase +++

Sottotensione +++

Sovratensione +++

Potenza e fattore di potenza +++

Temperatura

Sonde PTC modulo modulo +++

Sonde PT100 modulo modulo +++

Logica

Tabella di verità 3 I/O 10 I/O da 10 a 20 I/O

Temporizzatore ++

Controllo applicazione

Avviamento diretto +++ +++ +++

Invertitore +++ +++ +++

Stella triangolo +++ +++ +++

Part winding – due velocità +++ +++

Utilizzo / manutenzione

Diagnostica + + +++

Report cronologico modulo modulo +++

Collegamenti/comunicazione

Visualizzazione locale + modulo modulo +++

Visualizzazione remotata mediante bus di comunicazione modulo modulo +++

Controllo/comando mediante bus di comunicazione modulo modulo +++

A Fig. 67 Tabella delle protezioni motore


A Fig. 68 (Interruttore automatico magneto-termico (GV7 - Telemecanique) e relativo simbolo grafico

A Fig. 69 Zone di funzionamento di un interruttore automatico magneto-termico

b Gli interruttori automatici magneto-termici v Generalità L’interruttore automatico magneto-termico realizza contemporaneamente le funzioni di protezione contro i cortocircuiti e contro i sovraccarichi mediante l’apertura rapida del circuito in sovraccarico. È la combinazione di un interruttore automatico magnetico e di un relè di sovraccarico. Soddisfa le norme IEC 60947-2 e 60947-4-1 (C Fig.68 ).

In questi interruttori automatici, i dispositivi magnetici (protezione contro i cortocircuiti) hanno una soglia di sgancio non regolabile, generalmente pari a 10 volte la corrente di regolazione massima degli sganciatori termici.

Gli elementi termici (protezione contro i sovraccarichi) sono compensati contro le variazioni della temperatura ambiente. La soglia di protezione termica può essere regolata sul fronte dell’interruttore automatico e il suo valore deve corrispondere alla corrente nominale del motore da proteggere.

Per tutti questi interruttori automatici il coordinamento (tipo II) tra gli elementi termici e la protezione cortocircuito è garantita dalla costruzione.

Inoltre, in posizione di apertura, la maggior parte di questi apparecchi ha una distanza d’isolamento (tra i contatti) sufficiente a realizzare la funzione di sezionamento. Integrano anche un dispositivo di blocco necessario al dispositivo di sicurezza.

v Curve di sgancio L’interruttore automatico magneto-termico è caratterizzato dalla curva di sgancio che rappresenta i tempi di sgancio dell’interruttore in funzione della corrente (multiplo di Ir).

Questa curva comprende quattro zone (C Fig. 69) : - la zona di funzionamento normale. Finché I < Ir , non si verifica lo

sgancio, - la zona di sovraccarico termico. Lo sgancio è garantito dalla

protezione termica; più il sovraccarico è elevato, più il tempo di sgancio è breve. Nelle norme, questo modo di sgancio viene anche chiamato “a tempo inverso”,

- la zona delle correnti forti, controllata dal “magnetico istantaneo” o “cortocircuito” con funzionamento istantaneo (inferiore a 5 ms),

- e su alcuni interruttori automatici (interruttori automatici elettronici), una zona intermedia controllata da un “magnetico temporizzato” con funzionamento ritardato (da 0 a 300 ms). Nelle norme questo modo di sgancio viene definito “a ritardo indipendente”. Consente di evitare sganci intempestivi all’aggancio sui picchi di correnti magnetizzanti dei motori.

I loro limiti sono: Ir : corrente di regolazione della protezione contro i sovraccarichi.

Deve corrispondere al valore della corrente nominale (In) del motore da proteggere,

Im : corrente di sgancio della protezione magnetica temporizzata,

Iinst : corrente di sgancio della protezione magnetica istantanea. Può variare da 3 a 17 volte Ir ma è generalmente vicina a 10 Ir,

Ics : potere nominale d’interruzione di servizio in cortocircuito,

Icu : potere d’interruzione ultimo (massimo) in cortocircuito.

b Conclusione La protezione dei motori è una funzione essenziale per la continuità del funzionamento delle macchine. La scelta del dispositivo di protezione deve essere rigorosa. L’utente avrà tutto l’interesse a selezionare i dispositivi che integrano un’elettronica di comunicazione per anticipare e prevenire eventuali guasti. In questo modo la ricerca di anomalie e la rapidità di riavviamento verranno notevolmente migliorate.


4

96

5 - Partenze-motore

5capitolo Partenze-motore Presentazione: - Funzioni necessarie alla realizzazione

di una partenza-motore - Tabella di scelta delle funzioni

delle partenze-motore e dei relativi prodotti

Sommario 5. Partenze-motore

b 5.1 Generalità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 98

b 5.6 Composizione, componenti degli avviatori

b 5.14 I variatori di velocità e il risparmio energetico

b 5.2 Le funzioni base delle partenze-motore . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 98

b 5.3 Una funzione complementare: la comunicazione. . . . . . . . . . pagina 101

b 5.4 Partenze-motore e coordinamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 102

b 5.5 I variatori di velocità. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 105

e variatori elettronici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 110

b 5.7 Variatore-regolatore per motore a corrente continua . . . . . . pagina 114

b 5.8 Convertitore di frequenza per motore asincrono . . . . . . . . . . pagina 116

b 5.9 Variatore di tensione per motore asincrono . . . . . . . . . . . . . . pagina 123

b 5.10 Moto-variatori sincroni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 125

b 5.11 Moto-variatori passo-passo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 126

b 5.12 Le funzioni complementari dei variatori di velocità . . . . . . . . pagina 127

b 5.13 I variatori di velocità e il bilancio energetico. . . . . . . . . . . . . . pagina 129

e di manutenzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 131

b 5.15 Tabella di scelta delle partenze-motore. . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 132

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2

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M


Partenze-motore 5.1 Generalità 5.2 Le funzioni base delle partenze-motore

5.1 Generalità

Una partenza-motore garantisce quattro funzioni base: - il sezionamento, - la protezione contro i cortocircuiti, - la protezione contro i sovraccarichi, - la commutazione o comando (marcia - arresto).

Ogni partenza-motore può essere arricchita con funzioni supplementari in base alle esigenze applicative. Le funzioni supplementari possono riguardare:

- la potenza: variazione di velocità, avviamento progressivo, inversione di fase, ecc...

- il controllo: contatti ausiliari, temporizzazione, comunicazione, ecc...

A seconda della composizione di una partenza-motore le funzioni possono essere ripartite in diversi modi, come illustrato nella Fig. 1.

La variazione di velocità o gli avviatori progressivi, sistemi sofisticati di partenze-motore, sono oggetto di una sezione specifica di questo capitolo 5.5.

I motovariatori particolari come i variatori per motori sincroni e motori passo-passo trovano anch’essi spazio in questa sezione grazie alle caratteristiche di funzionamento molto simili.

Nella sezione 5.13 e 5.14, verranno trattati e sottolineati argomenti quali il bilancio energetico e i possibili risparmi, informazioni troppo spesso mal interpretate.

A Fig. 1 Le diverse funzioni e la loro associazione per comporre una partenza-motore

5.2 Le funzioni base delle partenze-motore

b Il sezionamento La funzione di sezionamento è obbligatoria e si deve trovare all’origine di ogni circuito (cf. norme d’installazione NF C15-100, CEI 60364-5-53); non è imposta, ma consigliata a livello di ogni partenza-motore. Il sezionamento consiste nell’isoalre i circuiti dalla loro fonte di energia (rete di alimentazione potenza) in modo sicuro, per garantire la protezione dei beni e delle persone in caso di operazioni di manutenzione, di riparazioni o modifiche sui circuiti elettrici a valle.

Il sezionamento deve essere progettato in conformità con le specifiche che esigono:

- l’interruzione omnipolare e simultanea, - il rispetto delle distanze d’isolamento in funzione delle tensioni

d’alimentazione, - l’interblocco, - l’interruzione visibile o sezionamento visualizzato: - con «interruzione visibile» si intende che l’apertura dei poli è

direttamente visibile da un operatore, - il sezionamento visualizzato viene identificato dalla posizione

dell’organo di manovra o da un indicatore meccanico di posizione che, in base alla norma, può indicare la posizione « fuori tensione » solo se i contatti sono effettivamente separati da una distanza sufficiente conforme a quanto previsto dalle norme. I costruttori offrono numerosi apparecchi con questa funzione. Spesso lo stesso apparecchio associa le funzioni di sezionamento e di protezione contro i cortocircuiti (ad esempio il sezionatore a fusibili). Per questo motivo alcuni apparecchi base devono essere completati da un dispositivo complementare, quale ad esempio un supporto di aggancio.


A Fig. 2 Variatore di velocità (ATV61 - ATV71 - Telemecanique)

Un sezionatore è destinato ad isolare un circuito e non ha potere d’interruzione né potere di chiusura. Viene sempre comandato a vuoto.

Un interruttore offre, oltre alla capacità di sezionamento, quella di poter stabilire, sopportare ed interrompere delle correnti (norme IEC 947-3).

b La protezione v La protezione contro i cortocircuiti (C capitolo 4 Avviamento e

protezione dei motori) Questa funzione richiede il rilevamento delle sovracorrenti consecutive ai cortocircuiti (generalmente superiori a 10 volte la corrente nominale) e l’apertura del circuito in difetto. Viene realizzata da fusibili o da interruttori automatici magnetici.

v La protezione contro i sovraccarichi (C capitolo 4 Avviamento e protezione dei motori)

Questa funzione richiede il rilevamento delle sovracorrenti consecutive ai sovraccarichi (Ir < I sovraccarichi < Im) e l’apertura del circuito in difetto. Viene realizzata da dispositivi elettromeccanici o elettronici (relè di sovraccarico) associati ad un organo d’interruzione (interruttore automatico o contattore) o integrati agli avviatori o variatori di velocità elettronici. Protegge anche la linea del motore contro i sovraccarichi termici.

v Protezioni associate agli avviatori e ai variatori di velocità elettronici

L’avviamento diretto sulla rete di distribuzione dei motori asincroni è la soluzione più utilizzata, più economica e spesso più conveniente per una gran varietà di macchine. Tuttavia questa soluzione si rivela talvolta non adatta ad alcune applicazioni, o addirittura non compatibile con il funzionamento desiderato a livello della macchina (spunto di corrente all’avviamento, impulsi meccanici durante gli avviamenti, impossibilità di controllare l’accelerazione e la decelerazione, impossibilità di far variare la velocità, ecc...).

Gli avviatori e i variatori di velocità elettronici (C Fig. 2) permettono di eliminare questi inconvenienti, ma le protezioni convenzionali descritte precedentemente non sono efficaci con questi apparecchi che modulano l’energia elettrica fornita al motore.

I variatori di velocità e gli avviatori elettronici hanno quindi delle protezioni integrate. I variatori moderni garantiscono generalmente la protezione di sovraccarico dei motori e la protezione dei motori stessi. A partire dalla misura della corrente e da un’informazione sulla velocità, un microprocessore calcola l’aumento di temperatura del motore e fornisce un segnale d’allarme o di sgancio in caso di riscaldamento eccessivo.

Inoltre le informazioni elaborate dalla protezione termica integrata nel variatore possono essere scambiate con un controllore programmabile o un supervisore mediante il collegamento di comunicazione di cui sono dotati i variatori e gli avviatori più evoluti.

La variazione di velocità è oggetto del paragrafo 5.5 di questo capitolo.

b La commutazione o comando v La funzione di comando Con « comandare », è necessario comprendere il concetto di chiudere (stabilire) e aprire (interrompere) un circuito elettrico in carico. La funzione di comando viene realizzata dagli interruttori, dagli interruttori automatici magneto-termici, dagli avviatori e dai variatori di velocità. Il contattore è tuttavia il prodotto più utilizzato per realizzare questa funzione poiché permette il comando a distanza (telecomando). Per i motori, questo dispositivo di comando deve consentire un elevato numero di manovre (durata elettrica) ed essere conforme alle norme CEI 60947-4-1.

5


Partenze-motore 5.2 Le funzioni base delle partenze-motore

In base a queste norme i costruttori devono precisare le seguenti caratteristiche relative al prodotto:

• Circuito di comando - tipo di corrente di comando, oltre alla frequenza in caso di corrente

alternata, - tensione nominale dei circuiti di comando (Uc) o tensione

d’alimentazione di comando (Us).

• Circuito di potenza - tensione nominale d’impiego (Ue): si esprime generalmente mediante

la tensione tra fasi. Determina l’impiego dei circuiti ai quali fanno riferimento i poteri di chiusura e d’interruzione, il tipo di servizio e le caratteristiche di avviamento,

- corrente nominale d’impiego (Ie) o potenza nominale d’impiego: questa caratteristica viene definita dal costruttore a seconda delle condizioni d’impiego specificate e prende in considerazione in particolare la tensione nominale d’impiego e la corrente termica convenzionale (Ith corrispondente al valore massimo della corrente di prova). In caso di materiale per il comando diretto di un unico motore, l’indicazione di una corrente nominale d’impiego può essere sostituita o completata con quella della potenza nominale massima disponibile.

In alcuni casi queste informazioni possono essere completate: - dal servizio nominale, con indicazione della classe di servizio

intermittente, se prevista. Le classi definiscono diversi cicli di manovre, - dai poteri nominali di chiusura e/o di interruzione. Sono i valori massimi

di corrente, fissati dal costruttore, che un materiale può stabilire (chiusura) o interrompere (interruzione) in modo soddisfacente e in condizioni specifiche. I poteri nominali di chiusura e di interruzione non sono obbligatoriamente specificati dal costruttore, ma la norma esige dei valori minimi per ciascuna categoria d’impiego.

v Le categorie d’impiego degli apparecchi di comando Le norme CEI 60947 definiscono delle categorie d’impiego in base alle applicazioni a cui gli apparecchi di comando sono destinati (C Fig. 3). Ciascuna categoria è caratterizzata da una o più condizioni di servizio quali:

- correnti, - tensioni, - fattore di potenza o costante di tempo, - e, se necessario, altre condizioni di servizio.

Tipo di corrente Categorie d’impiego Applicazioni caratteristiche

Corrente alternata AC-1 Carichi non induttivi o poco induttivi, forni a resistenze. Distribuzione di energia (illuminazione, gruppo elettrogeno, ecc…).

AC-2 Motori ad anelli: avviamento, interruzione. Apparecchiatura a servizio intensivo (sollevamento, movimentazione, frantumatrici, treni di laminazione, ecc…).

AC-3 Motori a gabbia: avviamento, interruzione dei motori lanciati*. Comando motore (pompe, compressori, ventilatori, macchine utensili, trasportatori, presse, ecc…).

AC-4 Motori a gabbia: avviamento, inversione di marcia, marcia ad impulsi. Apparecchiatura a servizio intensivo (sollevamento, movimentazione, frantumatori, treni di laminatoi, ecc…).

Corrente continua DC-1 Carichi non induttivi o poco induttivi, forni a resistenze.

DC-3 Motori shunt: avviamento, inversione di marcia, marcia ad impulsi. Interruzione dinamica di motori per corrente continua.

DC-5 Motori seriali: avviamento, inversione di marcia, marcia ad impulsi. Interruzione dinamica di motori per corrente continua.

* La categoria AC-3 può essere utilizzata per marcia ad impulsi o inversione di marcia di manovre occasionali di durata limitata, quali il montaggio di una macchina; il numero di manovre per i tempi limitati definiti non supera normalmente le cinque manovre al minuto, né le dieci manovre per 10 min.

A Fig. 3 Le diverse categorie d’impiego dei contattori in base alla norma CEI 60947-1


5.2 Le funzioni base delle partenze-motore 5.3 Una funzione complementare:

la comunicazione

Ad esempio vengono prese in considerazione: - le condizioni di definizione e interruzione di corrente, - il tipo di apparecchio controllato (motore a gabbia, motore ad anelli,

resistenza), - le condizioni in cui vengono effettuate le chiusure e le aperture

(motore lanciato, motore bloccato, in corso di avviamento, frenatura in controcorrente, ecc...).

v Scegliere un contattore Le categorie d’impiego definite dalla norma consentono una prima selezione di un prodotto in grado di rispondere alle esigenze applicative a cui è destinato il motore. Tuttavia è necessario tenere conto anche di altre caratteristiche che esulano da quanto stabilito dalla norma. Tra questi, ad esempio, i fattori esterni all’applicazione: condizioni climatiche (temperatura, umidità), situazione geografica (altitudine, vicinanza del mare), ecc...

In alcune situazioni, l’affidabilità dell’apparecchiatura può essere un fattore critico, in particolar modo quando la manutenzione è difficile. La durata elettrica (durata dei contatti) degli apparecchi (contattore) è quindi una caratteristica importante.

Sarà quindi necessario disporre di cataloghi completi e precisi per verificare che il prodotto offra tutte le caratteristiche richieste.

5.3 Una funzione complementare: la comunicazione

b La comunicazione: una funzione diventata essenziale Nei processi e nei sistemi di produzione industriali, la funzione di comunicazione consente di controllare, interrogare e comandare a distanza le apparecchiature e le macchine di un impianto di produzione.

Per assicurare la comunicazione tra tutti gli elementi di un impianto di produzione è necessario che molti apparecchi, compresi i dispositivi di protezione quali i relè multifunzione o le partenze-motore, integrino componenti o moduli comunicanti (C Fig. 4).

b L’apporto della comunicazione Le interfacce di comunicazione AS-I, Modbus, Profibus, ecc..., consentono di comandare un motore (telecomando marcia-arresto dell’avviatore-motore), di conoscere a distanza il carico motore (misura della corrente) e/o i guasti esistenti (sovracorrenti, sovraccarichi, ecc...) o passati (report cronologico).

La funzione di comunicazione, oltre ad essere utile per l’integrazione delle protezioni nei processi di automazione industriali, offre i seguenti servizi:

- preallarmi per la segnalazione anticipata della comparsa di un guasto, - report cronologico dei guasti per la facilitare la ricerca

e l’identificazione di un evento ricorrente, - aiuto alla messa in servizio, - aiuto alla manutenzione tramite l’identificazione di una deriva delle

condizioni di funzionamento.

La funzione di comunicazione migliora sensibilmente la gestione delle apparecchiature con conseguenze positive anche sui risultati economici.

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A Fig. 4 L’avviatore controllore con relativo modulo di comunicazione Modbus (Tesys U - Telemecanique)


Partenze-motore 5.4 Partenze-motore e coordinamento

5.4 Partenze-motore e coordinamento

b Le soluzioni partenze-motore Come già detto all’inizio del capitolo le principali funzioni che una partenzamotore deve assicurare (sezionamento, comando e protezione contro i cortocircuiti e i sovraccarichi), possono essere realizzate da diversi apparecchi.

Perchè una partenza-motore realizzi correttamente tutte queste funzioni, sono possibili tre modalità di associazione degli apparecchi (CFig. 5) che non richiedono comunque la compatibilità tra le caratteristiche dei diversi apparecchi associati.

• La soluzione « tutto in uno » Un solo apparecchio riunisce tutte e tre le funzioni. Le sue prestazioni globali sono garantite dal costruttore. Per l’utente, dalla fase di progettazione all’installazione, questa è la soluzione più semplice: facile da installare (cablaggio ridotto) e scelta immediata (non richiede studi particolari).

• La soluzione « 2 apparecchi » Interruttore automatico magneto-termico + contattore

La compatibilità tra le caratteristiche di entrambi gli apparecchi deve essere verificata dall’utente.

• La soluzione « 3 apparecchi » Interruttore automatico magnetico + contattore + relè di sovraccarico. Consente di coprire un’ampia gamma di potenza. Questa associazione

A Fig. 5 Le tre possibilità di associazione richiede uno studio di compatibilità per la scelta degli apparecchi e di apparecchi per realizzare d’installazione per il loro montaggio su telaio o in cassetta. una partenza-motore

Questo procedimento (compatibilità, scelta e installazione) non è sempre alla portata degli utilizzatori finali poiché richiede la raccolta delle caratteristiche dei diversi apparecchi e il loro successivo confronto. Questo spiega perché i costruttori studiano e poi offrono nei loro cataloghi, associazioni di prodotti. Nella stessa direzione si sforzano di trovare combinazioni ottimali tra le protezioni: è la nozione di coordinamento.

b Il coordinamento tra le protezioni e il comando Il coordinamento è la combinazione ottimale delle diverse protezioni (contro i cortocircuiti e i sovraccarichi) e dell’organo di comando (contattore) che compongono una partenza-motore.

Studiato per una data potenza, consente di proteggere al meglio le apparecchiature comandate dalla partenza-motore (C Fig. 6).

v I principi del coordinamento Per il corretto funzionamento di una partenza-motore il coordinamento tra tutti gli apparecchi deve rispondere contemporaneamente alle seguenti istanze:

- il relè di sovraccarico deve proteggere l’interruttore automatico magnetico nella zona di sovraccarico: la sua curva "1" deve passare al di sotto di quella della tenuta termica dell’interruttore automatico,

- inversamente, nelle zone di cortocircuito, per proteggere il relè termico, la curva di sgancio su cortocircuito deve passare al di sotto di quella della tenuta termica del relè,

- infine, per assicurare la protezione del contattore, il suo limite di tenuta termica deve essere al di sopra delle curve dei due sganciatori termici "1" e magnetico "3" (o fusibile "2").

Occrre notare che la norma stabilisce dei limiti per le correnti di prova: - fino a 0.75 Ic deve intervenire solo la protezione termica, - a partire da 1.25 Ic deve intervenire solo la protezione contro i

cortocircuiti. A Fig. 6 I principi del coordinamento

Il coordinamento presenta un doppio vantaggio: la riduzione dei costi dell’apparecchiatura e della manutenzione poiché le diverse protezioni si completano in modo ottimale, senza ridondanza.


A Fig. 7 Esempio di modularità di un ACP (avviatore controllore Tesys U - Telemecanique)

v Coordinamenti tipo 1 e tipo 2 La norma CEI 60947-4-1 definisce due tipi di coordinamento (tipo 1 e tipo 2)

• Coordinamento tipo 1: è la soluzione standard, la più utilizzata. In condizioni di cortocircuito, il materiale non deve risultare pericoloso per le persone e gli impianti. In seguito alla scomparsa del cortocircuito, può non essere in grado di funzionare senza riparazione o sostituzione di pezzi.

• Coordinamento tipo 2: è la soluzione per prestazioni elevate. In condizioni di corto-circuito, il materiale non deve risultare pericoloso per le persone e gli impianti. In seguito alla scomparsa del cortocircuito non deve presentare nessun deterioramento e nessuna deregolazione. È ammesso solo il rischio di saldatura, ma in questo caso il costruttore deve indicare le misure da adottare per la sepoarazione dei contatti.

• In base alla Norma IEC 947-6-2 esiste un’ulteriore soluzione per prestazioni elevatissime definita « Coordinamento totale ». In caso di cortocircuito sugli apparecchi che compongono la partenza non è ammesso alcun guasto, né rischio di saldatura. Il materiale non deve risultare pericoloso per le persone e gli impianti e in seguito deve essere in grado di funzionare. Il riavviamento della partenza-motore deve poter essere immediato.

v Gli ACP: Apparecchi integrati di manovra e protezione Gli ACP o apparecchi integrati di manovra e protezione sono adatti a realizzare contemporaneamente le funzioni di comando e di protezione (sovraccarico e cortocircuito); sono inoltre in grado di realizzare comandi in condizioni di cortocircuito.

Possono anche garantire funzioni complementari quali il sezionamento assicurando quindi in toto la funzione di « partenza-motore ». Rispondono alla norma CEI 60947-6-2, che definisce in modo specifico le caratteristiche e le categorie d’impiego degli ACP, secondo le norme CEI 60947-1 e 60947-4-1.

Le diverse funzioni realizzate da un ACP sono associate e coordinate in modo da consentire la continuità di servizio con qualsiasi corrente fino al potere nominale di interruzione di servizio in cortocircuito (Ics) dell’ACP. L’ACP può comprendere uno o più apparecchi, ma le sue caratteristiche sono sempre nominali come se si trattasse di un unico apparecchio. La garanzia di un coordinamento « totale » tra tutte le funzioni consente inoltre all’utente di scegliere in modo semplice la migliore soluzione di protezione da installare.

Benché si presenti come un unico apparecchio, l’ACP è in grado di offrire la stessa modularità o anche superiore di una soluzione partenza-motore « tre prodotti ». È il caso ad esempio del Tesys U di Telemecanique (C Fig. 7) che consente di inserire o sostituire in qualsiasi momento un’unità di controllo con funzioni di protezione e di comando integrate per motori da 0.15 A fino a 32 A, in una base potenza o base generica da 32 A.

È possibile integrare funzioni supplementari a livello: • della potenza: blocco invertitore, limitatore • del comando/controllo

- moduli funzione: allarmi, carico motore, riarmo automatico, ecc... - moduli di comunicazione: AS-I, Modbus, Profibus, CAN-Open, ecc... - contatti ausiliari, contatti aggiuntivi.


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Partenze-motore 5.4 Partenze-motore e coordinamento

Questo sistema offre inoltre funzioni di comunicazione evolute (C Fig. 8).

Funzioni di comunicazione disponibili: Unità di controllo: Standard Evolutive Multifunzione

Stati dell’avviatore (pronto, in marcia, in difetto)

Allarmi (sovracorrenti, ecc...)

Allarme termico

Riarmo a distanza mediante bus

Indicazione del carico motore

Differenziazione dei guasti

Configurazione e consultazione delle funzioni di protezione

Funzione « report cronologico »

Funzione « controllo »

Comandi di Marcia e di Arresto

Informazioni trasmesse dal bus (Modbus) e funzioni realizzate

A Fig. 8

A Fig. 9


Le funzioni di comunicazione del Tesys U

Principio della selettività: in caso di guasto, si apre solo D2

v Quale coordinamento scegliere? La scelta del tipo di coordinamento dipende dai parametri di utilizzo.

La scelta deve essere effetuata in funzione delle esigenze dell’utente e di un’ottimizzazione dei costi dell’impianto:

• Tipo 1 Scelta accettabile quando non è necessaria la continuità di servizio e quando è possibile riavviare in seguito alla sostituzione degli elementi guasti. In questo caso è necessario che il servizio di manutenzione sia efficace (disponibile e competente). Il vantaggio è nel costo ridotto dell’apparecchiatura.

• Tipo 2 Scelta da effettuare quando è richiesta la continuità di servizio. In questo caso il servizio di manutenzione può essere ridotto.

• « Coordinamento totale » Scelta da effettuare quando è necessario il riavviamento immediato del motore. Non richiede alcun servizio di manutenzione. Le soluzioni di coordinamento proposte nei cataloghi dei costruttori semplificano la scelta dell’utente e assicurano la conformità del prodotto alle norme.

b La selettività In un impianto elettrico i ricevitori sono collegati ai generatori attraverso una serie di dispositivi di sezionamento, protezione e comando.

Se lo studio di selettività non è realizzato correttamente, un guasto elettrico può provocare l’intervento di più dispositivi di protezione. Un solo guasto può provocare ad esempio la messa fuori tensione di una parte più o meno grande dell’impianto con gravi conseguenze quali la mancata distribuzione di enegia elettrica alle partenze sane.

Per evitare questi tipi di problemi (C Fig. 9) lo scopo della selettività è di scollegare dalla rete la partenza o il motore in difetto, e solo quello, mantenendo sotto tensione la maggior parte possibile di apparecchiature dell’impianto. La selettività consente quindi di garantire sicurezza e continuità di servizio, facilitando inoltre la localizzazione del guasto.

Per garantire una continuità di servizio ottimale è necessario utilizzare dispositivi di protezione coordinati tra loro. A questo scopo vengono utilizzate diverse tecniche che consentono di ottenere una selettività che

5.4 Partenze-motore e coordinamento 5.5 I variatori di velocità

potrà essere totale, se garantita per tutti i valori della corrente di guasto, fino al valore massimo disponibile nell’installazione, oppure parziale nel caso contrario.

v Le diverse tecniche di selettività Esistono diversi tipi di selettività:

• amperometrica: risulta dalla differenza tra le soglie degli interruttori posti in serie sull’impianto.

• cronometrica: consiste nel temporizzare differentemente (di alcune decina o centinaia di millisecondi) l’intervento dell’interruttore automatico a monte, o nell’utilizzare le caratteristiche normali di funzionamento legate ai calibri degli apparecchi. Quindi è possibile garantire la selettività tra due relè di sovraccarico rispettando la condizione Ir1 > 1,6. Ir2 (con r1 a monte di r2).

• Sellim o energetica: consiste nell’installare a monte di un interruttore rapido, un interruttore ultralimitatore equipaggiato con uno sganciatore specifico la cui particolarità è quella di aprire per il tempo necessario al funzionamento dell’interruttore automatico a valle e poi si richiude.

• logica: consiste in un trasferimento dell’informazione di superamento di soglia tra gli sganciatori degli interruttori dei diversi livelli della distribuzione radiale, lasciando la possibilità di apertura all’interruttore automatico più a valle.

Per maggiori dettagli consultare il Dossier Tecnico Schneider-Electric n°167.

v La selettività nei processi Per le apparecchiature di comando processi (linee di produzione, unità produttive chimiche, ecc...), le tecniche di selettività più utilizzate tra le partenze-motore e la distribuzione elettrica che alimenta i processi sono generalmente la selettività amperometrica e la la selettività cronometrica. Nella maggior parte dei casi la selettività è garantita dal potere limitatore o ultralimitatore delle partenze-motore.

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5.5 I variatori di velocità Questa parte descrive in dettaglio tutti gli aspetti della variazione di velocità. Alcune tecnologie molto specifiche quali ad esempio ciclo-convertitori, cascata subsincrona, convertitore per motore sincrono o asincrono non sono trattate. L’impiego di questi variatori è molto specifico ed è proprio di settori e mercati particolari. Ad essi sono dedicate opere specializzate. Il lettore interessato troverà una descrizione esauriente nelle opere, Funzionamento Elettrico a velocità variabile, Bonal (Jean) e Séguier (Guy), Ed. Tec e Utilizzo industriale dei motori a corrente alternata, Bonal (Jean), Ed. Tec e Doc.

La variazione di velocità per motori a corrente continua, sostituita in gran parte dalla variazione di velocità con converitori di frequenza viene comunque trattata, poiché riteniamo importante comprendere il principio di funzionamento per affrontare facilmente alcune specificità e caratteristiche della variazione di velocità nel suo insieme.

b Storia e note v Storia Per avviare i motori elettrici e controllarne la velocità gli avviatori reostatici, i variatori meccanici e i gruppi Ward Leonard in particolare sono state le prime soluzioni utilizzate. Gli avviatori e i variatori elettronici si sono quindi imposti nel settore industriale come soluzione moderna, economica, affidabile che non richiede manutenzione.


Partenze-motore 5.5 I variatori di velocità

Un variatore o un avviatore elettronico è un convertitore di energia con il ruolo di modulare l'energia elettrica fornita al motore.

Gli avviatori elettronici sono destinati esclusivamente ai motori asincroni. Fanno parte della famiglia dei variatori di tensione.

I variatori di velocità garantiscono una messa in velocità e una decelerazione progressive, consentono un adattamento preciso della velocità alle condizioni di utilizzo. I variatori di velocità sono del tipo raddrizzatore controllato per alimentare i motori a corrente continua; i variatori per motori a corrente alternata sono convertitori di frequenza.

Storicamente, il variatore elettronico per motore a corrente continua è stato la prima soluzione offerta. I progressi dell’elettronica di potenza e della microelettronica hanno permesso la realizzazione di convertitori di frequenza affidabili ed economici. I convertitori di frequenza moderni consentono di alimentare i motori asincroni standard con prestazioni analoghe ai migliori variatori di velocità a corrente continua. Alcuni costruttori propongono anche motori asincroni con variatori di velocità elettronici integrati in un’apposita cassetta terminale; questa soluzione viene proposta per degli insiemi di potenza ridotta (qualche kW).

Nelle ultime pagine di questo capitolo vengono citate le recenti evoluzioni dei variatori di velocità e la future tendenze presso i costruttori.

Queste eleganti evoluzioni ampliano notevolmente l’offerta e le possibilità dei variatori.

v Note: le principali funzioni degli avviatori e dei variatori di velocità elettronici

• Accelerazione controllata La messa in velocità del motore è controllata mediante una rampa di accelerazione lineare o a « S ». Questa rampa generalmente è regolabile e consente, di conseguenza, di scegliere il tempo di messa in velocità adatto all’applicazione.

• Variazione di velocità Un variatore di velocità può non essere allo stesso tempo anche un regolatore. In questo caso, è un sistema rudimentale che possiede un comando elaborato a partire dalle grandezze elettriche del motore con amplificazione di potenza, ma non anello di reazione. Viene detto « ad anello aperto ».

La velocità del motore è definita da una grandezza d'ingresso (tensione o corrente) chiamata impostazione o riferimento. Per un valore dato dell'impostazione, questa velocità può variare in funzione dei disturbi (variazioni della tensione di alimentazione, del carico, della temperatura).

La gamma di velocità si esprime in funzione della velocità nominale.

• Regolazione di velocità Un regolatore di velocità è un variatore asservito (C Fig. 10). Possiede un sistema di comando con amplificazione di potenza e un anello di reazione. Viene detto « ad anello chiuso ».

La velocità del motore è definita da un’impostazione.

Il valore di impostazione viene confrontato costantemente con un segnale di ritorno, immagine della velocità del motore. Questo segnale è generalmente fornito da una dinamo tachimetrica o da un generatore di impulsi montato all'estremità dell'albero motore o ancora da un dispositivo stimatore che determina la velocità del motore a partire da grandezze elettriche disponibili nel variatore. I convertitori di frequenza che alimentano i motori asincroni ne sono spesso dotati.

Se viene rilevato uno scarto in seguito ad una variazione della velocità, le grandezze applicate al motore (tensione e/o frequenza) vengono automaticamente corrette in modo da riportare la velocità al suo valore iniziale.

Grazie alla regolazione, la velocità è praticamente insensibile ai disturbi.

Principio della regolazione di velocità A Fig. 10


La precisione di un regolatore è generalmente espressa in % del valore nominale della grandezza da regolare.

• Decelerazione controllata Quando un motore viene messo fuori tensione, la sua decelerazione è dovuta unicamente alla coppia resistente della macchina (decelerazione naturale).

Gli avviatori e variatori elettronici consentono di controllare la decelerazione mediante una rampa lineare o a « S », solitamente indipendente dalla rampa di accelerazione.

La rampa può essere regolata in modo da ottenere un tempo di passaggio della velocità in regime stabilito ad una velocità intermedia o nulla:

- se la decelerazione desiderata è più rapida della decelerazione naturale, il motore deve sviluppare una coppia resistente che si aggiunge alla coppia resistente della macchina; si parla quindi di frenatura elettrica che può essere effettuata mediante rinvio di energia alla rete di alimentazione o mediante dissipazione in una resistenza di frenatura,

- se la decelerazione desiderata è più lenta rispetto alla decelerazione naturale, il motore deve sviluppare una coppia motore superiore alla coppia resistente della macchina e continuare ad azionare il carico fino all’arresto.

• Inversione del senso di marcia L’inversione della tensione d’alimentazione (variatori per motore a corrente continua) o l’inversione dell’ordine delle fasi d’alimentazione del motore viene realizzata automaticanmente, mediante inversione dell’impostazione all’ingresso, mediante un ordine logico su un morsetto o mediante un’informazione trasmessa da una rete seriale. La maggior parte dei variatori attuali per motori alternati consente questa funzione di base.

• Frenatura di arresto Questo tipo di frenatura consiste nell’arrestare un motore senza controllare la rampa di rallentamento. Per gli avviatori e variatori di velocità per motori asincroni, questa funzione viene realizzata in modo economico mediante iniezione di corrente continua nel motore con un funzionamento particolare dello stadio di potenza. Tutta l’energia meccanica viene dissipata nel rotore della macchina e, di conseguenza, la frenatura non può che essere intermittente. Su un variatore per motore a corrente continua, questa funzione verrà garantita collegando una resistenza ai morsetti dell’indotto.

• Protezioni integrate I variatori moderni garantiscono generalmente la protezione termica dei motori e la loro propria protezione. A partire dalla misura della corrente e da un’informazione sulla velocità (se la ventilazione del motore dipende dalla sua velocità di rotazione), un microprocessore calcola l'aumento di temperatura del motore e fornisce un segnale di allarme o di blocco in caso di riscaldamento eccessivo.

I variatori, e in particolare i convertitori di frequenza, sono d'altra parte spesso dotati di protezioni contro:

- i cortocircuiti tra fasi e tra fase e terra, - le sovratensioni e le cadute di tensione, - gli squilibri di fase, - la marcia in monofase.

b I principali modi di funzionamento e i principali tipi di variatori elettronici

Nei seguenti paragrafi verranno descritti i principi fondamentali.

v I principali modi di funzionamento I variatori di velocità possono, a seconda del convertitore elettronico, far funzionare un motore in un unico senso di rotazione, nel qual caso saranno chiamati « unidirezionali », oppure comandare entrambi i sensi di rotazione, e allora verranno chiamati « bidirezionali ».

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Partenze-motore 5.5 I variatori di velocità

A Fig. 11 Le quattro possibili situazioni di una macchina nel suo diagramma coppia velocità

I II

A Fig. 12a Schemi di principio: [I] convertitore diretto a ponte misto; [II] convertitore indiretto con (1) ponte di diodi in ingresso, (2) dispositivo di frenatura (resistenza e chopper), (3) convertitore di frequenza

I variatori possono essere « reversibili » quando possono recuperare l’energia del motore funzionante in generatore (modo frenatura).

La reversibilità è ottenuta mediante un rinvio di energia sulla rete (ponte d’ingresso reversibile) oppure dissipando l’energia recuperata in una resistenza con un chopper di frenatura.

La Fig. 11 illustra le quattro situazioni possibili nel diagramma coppiavelocità di una macchina riassunte nella tabella associata.

È importante notare che quando la macchina funziona in generatore deve beneficiare di una forza di trascinamento. Questo stato è utilizzato in modo particolare per la frenatura. L’energia cinetica presente sull’albero della macchina viene trasferita alla rete di alimentazione oppure dissipata in delle resistenze o, per le piccole potenze, nelle perdite della macchina.

• Variatore unidirezionale Questo tipo di variatore è nella maggior parte dei casi non reversibile ed è realizzato per:

- un motore a corrente continua, con un convertitore diretto (CA => CC) comprendente un ponte misto a diodi e tiristore (C Fig.12a I),

- un motore a corrente alternata, con un convertitore indiretto (con trasformazione intermedia in corrente continua) comprendente in ingresso un ponte di diodi seguito da un convertitore di frequenza che fa funzionare la macchina nel quadrante 1 (C Fig.12a II). In alcuni casi questo tipo di montaggio può essere utilizzato in bidirezionale (quadranti 1 e 3).

Un convertitore indiretto comprendente un chopper di frenatura e una resistenza correttamente dimensionata è adatto per una frenatura momentanea (rallentamento o su un apparecchio di sollevamento quando il motore deve sviluppare una coppia di frenatura in discesa per trattenere il carico).

In caso di funzionamento prolungato con un carico trascinante, un convertitore reversibile è indispensabile poiché il carico restituisce potenza continuativamente, ad esempio un motore utilizzato come freno su un banco di prova.

• Variatore bidirezionale Questo tipo di variatore può essere un convertitore reversibile o non reversibile. Se è reversibile, la macchina funziona nei quattro quadranti (C Fig.11) e consente il funzionamento in frenatura permanente.

Se non è reversibile, la macchina funziona solo nei quadranti 1 e 3.

La progettazione e il dimensionamento del variatore o dell’avviatore sono direttamente determinati dal tipo di carico azionante. In particolar modo per quanto riguarda le capacità di fornire una coppia sufficiente per la messa in velocità.

Le differenti gamme di macchine e le relative curve caratteristiche sono descritte nel capitolo Motori e carichi.

v I principali tipi di variatori In questa sezione sono citati soltanto i variatori più comuni e le realizzazioni tecnologiche usuali.

In effetti, esistono numerosi schemi di variatori di velocità elettronici: - cascata sottosincrona, - ciclo-convertitori, - commutatori di corrente, chopper, ecc...

Il lettore interessato troverà una descrizione esauriente nelle opere Funzionamento elettrico a velocità variabile Bonal (Jean) e Séguier (Guy), Ed. Tec e Doc e Utilizzo industriale dei motori a corrente alternata Bonal (Jean), Ed. Tec e Doc.


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A Fig. 12b

A Fig. 13

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Schema di un raddrizzatore controllato per motore a corrente continua

Schema di principio di un convertitore di frequenza

Avviatore di motori asincroni e forma della corrente d’alimentazione

• Raddrizzatore controllato per motore a corrente continua Fornisce, a partire da una rete alternata monofase o trifase, una corrente continua con controllo del valore medio della tensione.

I semi-conduttori di potenza sono assemblati a ponte di Graëtz, monofase o trifase (C Fig.12b). Il ponte può essere misto (diodi / tiristori) o completo (tutto tiristore).

Quest’ultima soluzione è la più frequente poiché permette un miglior fattore di forma della corrente fornita.

Il motore a corrente continua è spesso a eccitazione separata, tranne nel caso delle piccole potenze in cui i motori a magneti permanenti sono abbastana frequenti.

L’utilizzo di questo tipo di variatore di velocità si adatta ad ogni applicazione. Gli unici limiti, in particolare la difficolta di ottenere velocità elevate e la necessità di manutenzione (sostituzione delle spazzole), sono imposti dal motore a corrente continua.

I motori a corrente continua e i relativi variatori associati sono stati le prime soluzioni in campo industriale. Da oltre un decennio, il loro utilizzo è in costante diminuzione a vantaggio dei convertitori di frequenza. Infatti, il motore asincrono è più robusto e più economico di un motore a corrente continua. Contrariamente ai motori a corrente continua, standardizzati in involucro IP55, i motori asincroni sono anche praticamente insensibili alle condizioni ambientali (gocciolamento, polveri, ambienti pericolosi, ecc...).

• Convertitore di frequenza per motore asincrono Fornisce, a partire da una rete alternata a frequenza fissa, una tensione alternata trifase di valore efficace e di frequenza variabile (C Fig.13). L’alimentazione del variatore potrà essere monofase per le basse potenze (ordine di grandezza di qualche kW) e trifase per potenze più elevate.

Alcuni variatori di bassa potenza accettano indifferentemente tensioni d’alimentazione monofase e trifase. La tensione di uscita del variatore è sempre trifase. I motori asincroni monofase non sono molto adatti all’alimentazione mediante convertitore di frequenza. I convertitori di frequenza alimentano motori a gabbia standard con tutti i vantaggi legati a questo tipo di motore: standardizzazione, basso costo, robustezza, tenuta stagna, nessuna manutenzione. Dal momento che questo tipo di motore è auto-ventilato, il suo unico limite d’impiego è l’utilizzo prolungato a bassa velocità per la riduzione di ventilazione. Se si desidera questo tipo di funzionamento è necessario prevedere un motore speciale dotato di una ventilazione forzata indipendente.

• Variatore di tensione per l’avviamento dei motori asincroni Questo tipo di variatore (conosciuto anche con il nome di soft starter, vedere anche il capitolo Motori e Carichi) è utilizzato quasi unicamente per l’avviamento dei motori. In passato, associato a motori speciali (motori a gabbia resistente), veniva utilizzato per realizzare la variazione di velocità di questi motori.

Questo dispositivo fornisce, a partire da una rete alternata, una tensione variabile della stessa frequenza.

Lo schema più comune comporta due tiristori montati in anti-parallelo in ciascuna fase del motore (C Fig.14).

Lo stesso variatore può essere utilizzato per realizzare una decelerazione programmata.

Una volta effettuato l’avviamento, il variatore può essere messo in cortocircuito mediante un contattore ed essere utilizzato per l’avviamento di un altro motore.

Questo tipo di utilizzo è frequente nelle stazioni di pompaggio poiché, per mettere in servizio una pompa supplementare in funzione delle esigenze della rete d’impiego, viene utilizzato un solo avviatore. Lo schema di principio è descritto nel capitolo Motori e carichi.

A Fig. 14


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Partenze-motore 5.6 Composizione, componenti degli avviatori e variatori elettronici

5.6 Composizione, componenti degli avviatori e variatori elettronici

A Fig. 15 Struttura generale di un variatore di velocità elettronico

b Composizione Gli avviatori e i variatori di velocità elettronici sono composti da due moduli generalmente integrati nello stesso contenitore (C Fig.15) :

- un modulo di controllo che gestisce il funzionamento dell'apparecchio, - un modulo di potenza che alimenta il motore con l'energia elettrica.

v Il modulo di controllo Sugli avviatori e i variatori moderni, tutte le funzioni sono comandate da un microprocessore che utilizza le regolazioni, gli ordini trasmessi da un operatore o da un'unità di elaborazione, e i risultati di misurazioni come la velocità, la corrente, ecc...

Le capacità di calcolo dei microprocessori e dei circuiti dedicati (ASIC) hanno permesso di realizzare algoritmi di comando estremamente performanti e, cosa importantissima, il riconoscimento della macchina azionata. A partire da queste informazioni, il microprocessore gestisce le rampe di accelerazione e decelerazione, l'asservimento di velocità, la limitazione di corrente e genera il comando dei componenti di potenza. Le protezioni e le sicurezze sono elaborate da circuiti specializzati (ASIC) o integrati nei moduli di potenza (IPM).

Le regolazioni (limiti di velocità, rampe, limitazione di corrente, ecc...) si effettuano mediante tastiere integrate, o a partire da controllori programmabili mediante bus di campo o PC per il caricamento di regolazioni standard. Gli ordini (marcia, arresto, frenatura...) possono essere dati mediante interfacce di dialogo uomo/macchina, controllori programmabili, PC. I parametri di funzionamento e le informazioni di allarme e di difetto possono essere visualizzati mediante lampade spia, LED, visualizzatori a segmenti o a cristalli liquidi, o possono essere remotati verso supervisori mediante bus di campo.

Dei relè spesso configurabili forniscono le informazioni di: - difetto (rete, termico, prodotto, sequenza, sovraccarico, ecc...), - controllo (soglia di velocità, preallarme, fine avviamento).

Un’alimentazione integrata al variatore e separata galvanicamente dalla rete fornisce le tensioni necessarie all’insieme dei circuiti di misura e di controllo.

v Il modulo di potenza Il modulo di potenza è costituito principalmente da:

- componenti di potenza (diodi, tiristori, IGBT, ecc...), - interfacce di misura delle tensioni e/o delle correnti, - e spesso da un elemento di ventilazione.

• I componenti di potenza I componenti di potenza sono dei semi-conduttori che funzionano in ON/OFF, quindi paragonabili a interruttori statici che possono assumere i due stati: passante o bloccato.

Questi componenti, associati in un modulo di potenza, costituiscono un convertitore che alimenta, a partire dalla rete a tensione e frequenza fisse, un motore elettrico ad una tensione e/o una frequenza variabili.

I componenti di potenza sono la chiave di volta della variazione di velocità; i progressi di questi ultimi anni hanno permesso di realizzare variatori di velocità economici.

I materiali semi-conduttori, quali il silicio, hanno una resistività situata tra quella dei conduttori e quella degli isolanti.


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A Fig. 16a

A Fig. 16b

I loro atomi hanno 4 elettroni periferici. Ciascun atomo si associa con 4 atomi vicini per formare una struttura stabile a 8 elettroni.

Un semi-conduttore di tipo P si ottiene incorporando al silicio puro una proporzione ridotta di un corpo con atomi a 3 elettroni periferici. Mancherà quindi un elettrone per formare una struttura a 8 elettroni e si avrà quindi un’eccedenza di cariche positive.

Un semi-conduttore di tipo N si ottiene incorporando un corpo con atomi a 5 elettroni periferici. Si avrà quindi un’eccedenza di elettroni, ovvero un’eccedenza di cariche negative.

Il diodo (C Fig.16a) Il diodo è un semi-conduttore non controllato che comprende due zone P (anodo) e N (catodo) e che lascia passare la corrente in un solo senso, dall'anodo verso il catodo.

Il diodo è conduttore quando l'anodo è a una tensione più positiva rispetto a quella del catodo comportandosi quindi come un interruttore chiuso.

Se la tensione dell'anodo diventa meno positiva di quella del catodo, il diodo blocca la corrente e si comporta come un interruttore aperto.

Il diodo presenta le seguenti caratteristiche principali: • allo stato passante:

- una caduta di tensione composta da una tensione di soglia e una resistenza interna,

- una corrente massima permanente ammessa (ordine di grandezza fino a 5 000 A per i componenti più potenti).

• allo stato bloccato: - una tensione massima ammessa che può superare i 5 000 V cresta.

Il tiristore (C Fig.16b) È un semi-conduttore controllato composto da quattro strati alternati: P-N-P-N. Si comporta come un diodo mediante invio di un impulso elettrico su un elettrodo di comando chiamato «porta» (gate). Questa chiusura (o accensione) è possibile solo se l'anodo è ad una tensione più positiva del catodo.

Il tiristore si blocca quando la corrente che lo attraversa si annulla.

L'energia di accensione da fornire sulla porta non è collegata alla corrente da commutare e non è necessario mantenere una corrente nella porta durante la conduzione del tiristore.

Il tiristore presenta le seguenti caratteristiche principali: • allo stato passante:

- una caduta di tensione composta da una tensione di soglia e una resistenza interna,

- una corrente massima permanente ammessa (ordine di grandezza fino a 5 000 A per i componenti più potenti).

• allo stato bloccato: - una tensione inversa e diretta massima ammessa (che può superare i

5 000 V cresta), - generalmente le tensioni dirette e inverse sono uguali, - un tempo di ripristino che è il tempo minimo durante il quale non è

possibile applicare una tensione anodo catodo positivo al componente per evitare il suo rinnesco spontaneo,

- una corrente di porta che consente l’accensione del componente.

Vi sono tiristori destinati a funzionare alla frequenza della rete, altri detti « rapidi » in grado di funzionare a qualche kilohertz, disponendo di un circuito di estinzione.

I tiristori rapidi presentano talvolta dissimetria tra le tensioni di bloccaggio diretta e inversa.

Negli schemi comuni sono infatti spesso associati ad un diodo collegato in antiparallelo e i costruttori di semi-conduttori utilizzano questa particolarità per aumentare la tensione diretta che il componente può sopportare allo stato bloccato.

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Oggi questi componenti sono stati completamente sostituiti dai tiristori GTO, dai transistori di potenza e soprattutto dagli IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

Il tiristore GTO (Gate Turn Off) (C Fig.16c) È una variante del tiristore rapido che presenta la particolarità di poter essere bloccato dal proprio gate. Una corrente positiva inviata sul gate (o porta) genera la messa in conduzione del semi-conduttore a condizione che l’anodo sia ad una tensione più positiva del catodo. Per mantenere il GTO conduttore e limitare la caduta di tensione è necessario mantenere la corrente di porta che generalmente è molto inferiore a quella necessaria per inizializzare la messa in conduzione. Il bloccaggio si effettua invertendo la polarità della corrente di porta.

Il GTO viene utilizzato sui convertitori di fortissima potenza poiché è in grado di controllare le tensioni e le correnti forti (fino a 5 000 V e 5 000 A). Tuttavia i progressi degli IGBT ne hanno ridotto il mercato.

Il tiristore GTO presenta le seguenti caratteristiche principali: • allo stato passante:

- una caduta di tensione composta da una tensione di soglia e da una resistenza interna,

- una corrente di mantenimento di porta (o gate) destinata a ridurre la caduta di tensione diretta,

- una corrente massima permanente ammessa, - una corrente di bloccaggio per provocare l’interruzione di corrente.

• allo stato bloccato: - tensioni inversa e diretta massime ammesse, spesso dissimmetriche,

come con i tiristori rapidi e per gli stessi motivi, - un tempo di ripristino che è il tempo minimo durante il quale è

necessario mantenere la corrente di estinzione per evitare il suo rinnesco spontaneo,

- una corrente di porta che consente l’accensione del componente.

I GTO possono funzionare a frequenze di qualche kilohertz.

Il transistor (C Fig.16d) È un semi-conduttore bipolare controllato costituito da tre zone alternate P-N-P o N-P-N. Lascia passare la corrente in un solo senso: dall’emettitore verso il collettore in tecnologia P-N-P, dal collettore verso l’emettitore in tecnologia N-P-N.

I transistori di potenza in grado di funzionare a tensioni industriali sono del tipo N-P-N, spesso montati in « Darlington ». Il transistore è un amplificatore di corrente.

Il valore della corrente comandata dipende quindi dalla corrente di comando che circola nella base. Tuttavia può funzionare anche in ON/OFF come interruttore statico: aperto in assenza di corrente di base, chiuso iniettando nella base una corrente sufficiente per mantenerlo allo stato di saturazione. Si tratta di un secondo tipo di funzionamento che viene utilizzato nei circuiti di potenza dei variatori.

I transistori bipolari coprono tensioni fino a 1 200 V e accettano correnti che possono raggiungere gli 800 A.

Nei convertitori questo componente è stato sostituito dall’IGBT. Nel funzionamento che ci interessa il transistore bipolare presenta le seguenti caratteristiche principali:

• allo stato passante: - una caduta di tensione composta da una tensione di soglia e da una

resistenza interna, - una corrente massima permanente ammessa, - un guadagno in corrente β (per mantenere il transistore saturo è

necessario che la corrente iniettata nella base sia superiore alla corrente che circola nel componente, divisa per il guadagno).

A Fig. 16c

A Fig. 16d


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LA Fig. 16e

A Fig. 16f

• allo stato bloccato: - una tensione diretta massima ammessa.

I transistori di potenza utilizzati in variazione di velocità possono funzionare a frequenze di qualche kilohertz.

L’IGBT (C Fig.16e) È un transistore di potenza comandato da una tensione applicata ad un elettrodo chiamata griglia o « gate » isolata dal circuito di potenza, da cui il nome « Insulated Gate Bipolar Transistor ».

Questo componente richiede delle energie minime per far circolare delle correnti elevate.

Viene oggi utilizzato in interruttore ON/OFF nella maggior parte dei convertitori di frequenza fino a potenze elevate (dell’ordine di MW).

Le sue caratteristiche tensione corrente sono simili a quelle dei transistori bipolari, ma le sue prestazioni in energia di comando e frequenza di commutazione sono nettamente superiori a tutti gli altri semi-conduttori.

Le caratteristiche degli IGBT progrediscono molto rapidamente; attualmente sono disponibili dei componenti alta tensione (> 3 kV) e correnti elevate (diverse centinaia di Ampere).

Il transistore IGBT presenta le seguenti caratteristiche principali: • una tensione di comando:

- che consente la messa in conduzione e il bloccaggio del componente.

• allo stato passante: - una caduta di tensione composta da una tensione di soglia e da una

resistenza interna, - una corrente massima permanente ammessa.

• allo stato bloccato: - una tensione diretta massima ammessa.

I transistori IGBT utilizzati in variazione di velocità possono funzionare a frequenze di qualche decine di kilohertz.

Il transistore MOS (C Fig.16f) Questo componente funziona in modo diverso dai precedenti, mediante modifica del campo elettrico in un semi-conduttore ottenuta polarizzando una griglia isolata da cui il nome MOS che stà per Metal Oxide Semiconductor.

Il suo impiego in variazione di velocità è limitato agli utilizzi a bassa tensione (variatori di velocità alimentati tramite batteria) o bassa potenza, poiché la superficie di silicio necessaria all’ottenimento di una tensione di bloccaggio elevata con una caduta di tensione non importante allo stato passante non è realizzabile dal punto di vista economico.

Il transistore MOS ha le seguenti caratteristiche principali: • una tensione di comando:

- che consente la messa in conduzione e il bloccaggio del componente.

• allo stato passante: - una resistenza interna, - una corrente massima permanente ammessa.

• allo stato bloccato: - una tensione diretta massima ammessa (che può superare i 1000 V).

I transistori MOS utilizzati in variazione di velocità possono funzionare a frequenze di alcune centinaia di kilohertz. Sono d’impiego quasi universale negli alimentatori switching, sotto forma di componenti discreti o di ciruito integrato comprendente la potenza (MOS) e i circuiti di comando e regolazione.

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5.7 Variatore-regolatore per motore a corrente continua

A Fig. 17 Modulo IPM (Intelligent Power Module)

L’IPM (Intelligent Power Module) Non è proprio un semi-conduttore, ma un assemblaggio (C Fig.17) che raggruppa un ponte ondulatore a transistori di potenza IGBT e la loro elettronica di comando basso livello.

Sono contenuti nella stessa cassetta compatta: - 7 componenti IGBT, di cui sei per il ponte ondulatore e uno per la

frenatura, - i circuiti di comando degli IGBT, - 7 diodi di potenza di ruota libera associati agli IGBT per consentire la

circolazione di corrente, - le protezioni contro i cortocircuiti, le sovracorrenti e il superamento dei

limiti di temperatura, - l’isolamento galvanico di questo modulo.

Il ponte raddrizzatore a diodi è spesso integrato a questo stesso modulo.

Questo assemblaggio consente di gestire nel miglior modo possibile i vincoli di cablaggio e di comando degli IGBT.

5.7 Variatore-regolatore per motore a corrente continua

b Principio generale L’antenato dei variatori di velocità per motori a corrente continua è il gruppo Ward Leonard (C capitolo 3 Motori e carichi).

Questo gruppo, composto da un motore di azionamento, generalmente asincrono e da un generatore a corrente continua a eccitazione variabile, alimenta uno o più motori a corrente continua. L’eccitazione è regolata da un dispositivo elettromeccanico (Amplidyne, Rototrol, Regulex) o da un sistema statico (amplificatore magnetico o regolatore elettronico).

Questo dispositivo è stato oggi totalmente abbandonato a vantaggio dei variatori di velocità a semi-conduttori che realizzano in modo statico le stesse operazioni ma con prestazioni superiori.

I variatori di velocità elettronici sono alimentati ad una tensione fissa a partire dalla rete alternata e forniscono al motore una tensione continua variabile.

Un ponte di diodi o un ponte a tiristori, generalmente monofase, consente l’alimentazione del circuito di eccitazione.

Il circuito di potenza è un raddrizzatore. Poichè la tensione da fornire deve essere variabile, questo raddrizzatore deve essere di tipo controllato, deve cioè comprendere componenti di potenza la cui conduzione può essere comandata (tiristori). La variazione della tensione di uscita si ottiene limitando più o meno il tempo di conduzione durante ogni semi-periodo.

Più l'innesco del tiristore viene ritardato rispetto allo zero del semi-periodo, più il valore medio della tensione viene ridotto e, di conseguenza, la velocità del motore sarà più bassa (ricordiamo che lo spegnimento di un tiristore avviene automaticamente quando la corrente passa a zero).

Per dei variatori di bassa potenza o dei variatori alimentati da una batteria di accumulatori, il circuito di potenza, talvolta costituito da transistori di potenza (chopper), fa variare la tensione continua di uscita regolando il tempo di conduzione. Questo modo di funzionamento è detto MLI (Modulazione a Larghezza d’Impulso).


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A Fig. 18 Schema di un variatore con inversione di marcia e frenatura mediante recupero di energia per un motore a corrente continua

b Regolazione La regolazione consiste nel mantenere con precisione la velocità al valore impostato nonostante i disturbi (variazione della coppia resistente, della tensione di alimentazione, della tempertaura). Comunque, in fase di accelerazione o in caso di sovraccarico, l'intensità della corrente non deve raggiungere un valore tale da danneggiare il motore o il dispositivo di alimentazione.

Un anello di regolazione interno al variatore mantiene la corrente ad un valore accettabile. Questo limite è accessibile per consentire la regolazione in funzione delle caratteristiche del motore. La velocità è fissata da un segnale, analogico o digitale, trasmesso tramite un bus di campo o da un altro dispositivo che fornisce una tensione immagine della velocità desiderata.

Il riferimento può essere fisso o variare durante il ciclo di funzionamento della macchina azionata.

Delle rampe di accelerazione e di decelerazione regolabili applicano in modo progressivo la tensione di riferimento corrispondente alla velocità desiderata. L’evoluzione di questa rampa può seguire tutte le forme volute.

La regolazione delle rampe definisce la durata dell’accelerazione e del rallentamento.

Ad anello chiuso la velocità reale viene misurata permanentemente da una dinamo tachimetrica o da un generatore di impulsi (C capitolo 6 Acquisizioni di dati) e confrontata con il riferimento. Se viene rilevato uno scarto, l'elettronica di controllo realizza una correzione della velocità. La gamma di velocità si estende da alcuni giri al minuto fino alla velocità massima. All’interno di questa gamma di variazione, si ottiene facilmente una precisione superiore all’1 % in regolazione analogica e superiore a 1 / 1 000 in regolazione digitale. Accumulando tutte le variazioni possibili (vuoto/carico, variazione di tensione, di temperatura, ecc...), la regolazione può anche essere effettuata a partire dalla misura della tensione del motore tenendo conto della corrente che lo attraversa.

Le prestazioni sono in questo caso nettamente inferiori, sia nella gamma di velocità che nella precisione (qualche % tra marcia a vuoto e marcia in carico).

b Inversione del senso di marcia e frenatura con recupero di energia

Per invertire il senso di marcia, è necessario invertire la tensione dell’indotto mediante dei contattori (soluzione ormai abbandonata) o in statico mediante inversione della polarità di uscita del variatore di velocità o della polarità della corrente di eccitazione.

Quest’ultima soluzione è molto rara data la costante di tempo dell’induttore.

Quando si desidera una frenatura controllata o il tipo di carico la impone (coppia di azionamento), è necessario rinviare l’energia alla rete. In fase di frenatura il variatore funziona come ondulatore, in altri termini la potenza che lo attraversa è negativa.

I variatori in grado di effettuare i due tipi di funzionamento (inversione e frenatura mediante recupero di energia) sono dotati di due ponti collegati in antiparallelo (C Fig.18).

Ciascuno dei due ponti consente di invertire la tensione, la corrente e il segno dell’energia che circola tra la rete e il carico.


Partenze-motore 5.7 Variatore-regolatore per motore a corrente continua

5.8 Convertitore di frequenza per motore asincrono

b Modi di funzionamento possibili Il tipo di carico viene trattato in modo più dettagliato nel capitolo 3 Motori e carichi. Per quanto riguarda il funzionamento del motore a corrente continua, verrà trattato il funzionamento « a coppia costante » e il funzionamento a « potenza costante ».

v Funzionamento detto a « coppia costante » Ad eccitazione costante, la velocità del motore dipende dalla tensione applicata all’indotto del motore. La variazione di velocità è possibile dall’arresto fino alla tensione nominale del motore scelta in funzione della tensione alternata d’alimentazione.

La coppia motore è proporzionale alla corrente d’indotto e la coppia nominale della macchina può essere ottenuta in modo continuo a tutte le velocità.

v Funzionamento detto a « potenza costante » Quando la macchina è alimentata alla sua tensione nominale è ancora possibile aumentare la sua velocità riducendo la corrente di eccitazione. Il variatore di velocità deve, in questo caso, comprendere un ponte raddrizzatore controllato che alimenta il circuito di eccitazione. La tensione d’indotto rimane allora fissa e uguale alla tensione nominale e la corrente di eccitazione viene regolata per ottenere la velocità desiderata.

La potenza viene espressa con la formula: P = E . I ove E rappresenta la tensione di alimentazione, I rappresenta la corrente d’indotto.

La potenza, per una data corrente d’indotto, è quindi costante sull’intera gamma di velocità, ma la velocità massima viene limitata da due parametri:

- il limite meccanico legato all’indotto e in particolare la forza centrifuga massima supportabile dal collettore,

- le possibilità di commutazione della macchina, generalmente più limitative.

Il costruttore del motore deve quindi effettuare la scelta più corretta, soprattutto in funzione della gamma di velocità a potenza costante.

5.8 Convertitore di frequenza per motore asincrono

Il variatore di velocità per motore asincrono riprende gli stessi principi base del variatore per motore a corrente continua. La comparsa sul mercato di variatori di velocità economici per motori asincroni è abbastanza recente. In Francia Telemecanique è stata una delle aziende pioniere del settore. L’evoluzione delle tecnologie ha permesso la realizzazione di variatori economici, affidabili e performanti.

b Principio generale Il convertitore di frequenza, alimentato a tensione e frequenza fisse dalla rete, garantisce al motore, in funzione delle esigenze di velocità, la sua alimentazione a corrente alternata con tensione e frequenza variabili.

Per alimentare correttamente un motore asincrono a coppia costante, qualsiasi sia la velocità, è necessario mantenere il flusso costante; perché questo si verifichi occorre che la tensione e la frequenza evolvano simultaneamente e nelle stesse proporzioni.


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A Fig. 19 Schema di principio di un convertitore di frequenza

A Fig. 20 La modulazione di larghezza di impulsi

b Composizione Il circuito di potenza è composto da un raddrizzatore e un convertitore che, a partire dalla tensione raddrizzata, produce una tensione di ampiezza e frequenza variabili (C Fig. 19). Per rispettare la direttiva CE e le norme associate, a monte del ponte raddrizzatore viene posizionato un filtro «rete».

v Il raddrizzatore Il raddrizzatore è generalmente dotato di un ponte raddrizzatore a diodi e di un circuito di filtraggio costituito da uno o più condensatori in funzione della potenza. Un circuito di limitazione controlla la corrente alla messa sotto tensione del variatore. Alcuni convertitori utilizzano un ponte a tiristori per limitare la corrente di spunto dei condensatori di filtraggio, caricati ad un valore più o meno uguale al valore cresta della sinusoide rete (circa 560 V in 400 V trifase). Malgrado la presenza di circuiti di scarica, i condensatori potrebbero conservare una tensione pericolosa in assenza della tensione rete. Un intervento all’interno del prodotto può quindi essere effettuato esclusivamente da personale qualificato che ben conosce le precauzioni indispensabili da prendere (circuito di scarico aggiuntivo o conoscenza del tempo di attesa).

v L’ondulatore Il ponte ondulatore, collegato a questi condensatori, utilizza sei semiconduttori di potenza (solitamente degli IGBT) e dei diodi di ruota libera associati.

Questo tipo di variatore è destinato all'alimentazione dei motori asincroni a gabbia. L’Altivar di Telemecanique consente di creare una mini-rete elettrica a tensione e frequenza variabili in grado di alimentare un unico motore o diversi motori in parallelo.

Comprende: - un raddrizzatore con condensatori di filtraggio, - un ondulatore a 6 IGBT e 6 diodi, - un chopper collegato ad una resistenza di frenatura (generalmente

esterna al prodotto), - i circuiti di comando dei transistori IGBT, - un’unità di controllo organizzata intorno ad un microprocessore che

garantisce il comando dell’ondulatore, - sensori interni per misurare la corrente motore, la tensione continua

presente ai morsetti dei condensatori e in alcuni casi le tensioni presenti ai morsetti del ponte raddrizzatore e del motore oltre che tutte le grandezze necessarie al controllo e alla protezione dell’insieme moto-variatore,

- un’alimentazione per i circuiti elettronici basso livello.

L’alimentazione viene realizzata da un circuito a sezionamento collegato ai morsetti dei condensatori di filtraggio che utilizza la riserva di energia. In tal modo l’Altivar permette di evitare fluttuazioni della rete e brevi interruzioni della tensione, offrendo prestazioni interessanti in presenza di reti fortemente disturbate.

b La variazione di velocità La generazione di tensione di uscita si ottiene mediante modulazione della tensione raddrizzata attraverso impulsi la cui durata, quindi larghezza, viene modulata in modo tale che la corrente alternata risultante sia il più possibile sinusoidale (C Fig.20).

Questa tecnica conosciuta con il nome di MLI (Modulazione a Larghezza d’Impulsi o PWM in inglese) condiziona la rotazione regolare a bassa velocità e limita i riscaldamenti. La frequenza di modulazione è un compromesso: deve essere sufficientemente elevata per ridurre l’ondulazione di corrente e il rumore nel motore senza naturalmente aumentare le perdite nel ponte ondulatore e nei semi-conduttori.

Due rampe regolano l'accelerazione e il rallentamento.

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Partenze-motore 5.8 Convertitore di frequenza per motore asincrono

b Le protezioni integrate Il variatore è autoprotetto e a sua volta protegge il motore contro i riscaldamenti eccessivi, bloccandosi fino al ripristino di una temperatura accettabile.

Lo stesso vale per tutti i disturbi o le anomalie che possono alterare il funzionamento dell’insieme, quali sovratensioni, sottotensioni, assenze di fase in ingresso o uscita.

Alcuni modelli di variatore integrano in un unico modulo IPM (Intelligent Power Module) il raddrizzatore, l’ondulatore, il chopper, il comando e le protezioni contro i cortocircuiti.

b Legge di comando del motore asincrono I variatori di velocità per motori asincroni di prima generazione utilizzavano il comando scalare o V/Hz, che dal punto di vista economico rappresentava l’unica possibilità realizzabile. La comparsa dei microprocessori con le loro notevoli potenze di calcolo ha permesso il passaggio al controllo vettoriale, molto più performante. I costruttori di variatori propongono oggi sulla maggior parte dei loro prodotti il controllo scalare, il controllo vettoriale senza sensore e, su alcuni modelli il controllo vettoriale con sensore.

v Funzionamento in U/f In questo tipo di funzionamento il riferimento velocità impone una frequenza all’ondulatore e di conseguenza al motore, determinando la velocità di rotazione. La tensione d’alimentazione è in relazione diretta con la frequenza. Questo funzionamento viene spesso chiamato funzionamento a U/f costante o funzionamento scalare.

Se non viene effettuata nessuna compensazione, la velocità reale varia con il carico e in questo modo la gamma di funzionamento e le prestazioni vengono limitate. Una compensazione sommaria può essere utilizzata per tener conto dell’impedenza interna del motore e limitare la caduta di velocità in carico.

v Controllo vettoriale di flusso senza trasduttore Grazie all’elettronica di comando che utilizza il controllo vettoriale di flusso o CVF (CFig.21) le prestazioni aumentano notevolmente.

A Fig. 21 Schema di principio di un variatore a controllo vettoriale di flusso


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Quasi tutti i variatori moderni integrano questa funzione di base. Nella maggior parte delle applicazioni, l’impostazione o la valutazione dei parametri della macchina consente di fare a meno del sensore di velocità. In questo caso un motore standard può essere utilizzato con la limitazione usuale del funzionamento prolungato a bassa velocità.

Il variatore elabora le informazioni a partire dalle grandezze misurate ai morsetti della macchina (tensione e corrente).

Questo modo di controllo offre prestazioni accettabili senza aumentare i costi.

Per ottenere tali prestazioni è necessario conoscere alcuni parametri della macchina.

Alla messa in servizio l’operatore deve inserire nei parametri di regolazione del variatore le caratteristiche indicate sulla targa motore: UNS: tensione nominale motore, FRS: frequenza nominale statore, NCR: corrente nominale statore, NSP: velocità nominale, COS: coseno motore.

Queste sigle vengono utilizzate dai variatori Altivar di Telemecanique.

A partire da questi valori il variatore calcola le caratteristiche del rotore: Lm, Tr. (Lm: induttanza magnetizzante, Tr: momento della coppia).

Alla messa sotto tensione un variatore con controllo vettoriale di flusso senza sensore (tipo ATV71 di Telemecanique) esegue un’autoregolazione che gli consente di determinare i parametri statorici Rs, Lf. Questa misura può essere effettuata con motore collegato alla meccanica.

La durata varia in funzione della potenza motore (da 1 a 10 s).

Questi valori vengono memorizzati e consentono al prodotto di elaborare le leggi di comando.

L’oscillogramma della Fig. 22 rappresenta la messa in velocità di un motore alla sua coppia nominale alimentato da un variatore senza sensore.

Si noterà la linearità della messa in velocità e la rapidità di ottenimento della coppia nominale (meno di 0.2 s). La velocità nominale si ottiene in 0.8 secondi.

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A Fig. 22 Caratteristiche di un motore alla sua messa sotto tensione mediante un variatore con controllo vettoriale di flusso senza sensore (tipo ATV71 – Telemecanique)


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A Fig. 24 Oscillogramma della messa in velocità di un motore, caricato alla sua coppia nominale alimentato mediante un variatore con controllo vettoriale di flusso (tipo ATV71 – Telemecanique).

A Fig. 25 Prestazioni rispettive di un variatore nelle tre configurazioni possibili (tipo ATV71 – Telemecanique)

v Variatore con controllo vettoriale di flusso ad anello chiuso con trasduttore

Il controllo vettoriale di flusso ad anello chiuso con trasduttore è un’altra possibilità. Questa soluzione ricorre alla trasformata di Park e consente di controllare indipendentemente la corrente (Id) garantendo il flusso nella macchina e la corrente (Iq) garantendo la coppia (uguale al prodotto Id, Iq).

Il comando del motore è analogo a quello di un motore a corrente continua.

Questa soluzione (C Fig.23) garantisce la risposta alle applicazioni esigenti: forte dinamica durante i transitori, precisione di velocità, coppia nominale all’arresto.

A Fig. 23 Schema di principio di un variatore con controllo vettoriale di flusso con trasduttore

La coppia massima transitoria è pari a 2 o 3 volte la coppia nominale a seconda del tipo di motore.

Inoltre, la velocità massima raggiunge spesso il doppio della velocità nominale, o di più se il motore lo permette dal punto di vista meccanico.

Questo tipo di controllo consente anche delle bande passanti molto elevate e delle prestazioni paragonabili e anche superiori a quelle dei migliori variatori a corrente continua. In compenso, il motore utilizzato non è di costruzione standard per la presenza di un encoder ed eventualmente di una ventilazione forzata.

L’oscillogramma della Fig. 24 rappresenta la messa in velocità di un motore caricato alla sua coppia nominale, alimentato mediante un variatore con controllo vettoriale di flusso con trasduttore. La scala dei tempi è di 0.1 s per divisione. Rispetto allo stesso prodotto senza sensore, l’aumento delle prestazioni è sensibile. La coppia nominale si stabilisce in 80 ms e il tempo di salita in velocità, nelle stesse condizioni di carico, è di 0.5 secondi.

In conclusione, la tabella della Fig. 25 mette a confronto le rispettive prestazioni di un variatore nelle tre configurazioni possibili.

b Inversione del senso di marcia e frenatura

Per invertire il senso di marcia, un ordine esterno (su un ingresso dedicato a questo effetto, oppure per un segnale che circola su un bus di comunicazione) genera l’inversione nell’ordine di funzionamento dei componenti dell’ondulatore, quindi del senso di rotazione del motore.


Sono possibili diversi funzionamenti.

v 1° caso: inversione immediata del senso di comando dei semiconduttori

Se il motore è sempre in rotazione al momento dell’inversione del senso di marcia, si avrà uno scorrimento importante e la corrente nel variatore sarà uguale alla soglia massima ammessa (limitazione interna). La coppia di frenatura è debole a causa del forte scorrimento e la regolazione interna riporta il riferimento di velocità ad un valore basso. Quando il motore raggiunge la velocità nulla, si avrà l’inversione della velocità secondo la rampa. L’eccesso di energia non assorbita dalla coppia resistente e dagli attriti viene dissipata nel rotore.

v 2° caso: inversione del senso di comando dei semiconduttori preceduta da una decelerazione con o senza rampa

Se la coppia resistente della macchina è tale che la decelerazione naturale è più rapida della rampa fissata dal variatore, quest’ultimo continuerà a fornire energia al motore. La velocità diminuisce progressivamente e si inverte. Se la coppia resistente della macchina è tale da avere una decelerazione naturale più lenta della rampa fissata dal variatore, il motore si comporterà come un generatore ipersincrono e restituirà energia al variatore. Tuttavia, dal momento che la presenza del ponte di diodi impedisce il rinvio di energia verso la rete, i condensatori di filtraggio si caricano, la tensione aumenta e il variatore si blocca. Per evitare questo è necessario disporre di una resistenza collegata ai morsetti dei condensatori mediante un chopper in modo da limitare la tensione ad un valore accettabile. La coppia di frenatura sarà limitata solo più dalle capacità del variatore di velocità: la velocità diminuisce progres-sivamente e s’inverte.

Per questo tipo di funzionamento il costruttore del variatore fornisce delle resistenze di frenatura dimensionate in funzione della potenza del motore e delle energie da dissipare. Poiché nella maggior parte dei casi il chopper è incluso di base nel variatore, solo la presenza di una resistenza di frenatura distingue un variatore in grado di garantire una frenatura controllata. Questo modo di frenatura quindi risulta essere particolarmente economico.

Questo tipo di funzionamento consente di rallentare un motore fino all’arresto senza necessariamente invertire il senso di rotazione.

v 3° caso: funzionamento prolungato in frenatura Un caso tipo di applicazione è rappresentato dai banchi di prova per motori. Essendo impossibile ipotizzare la dissipazione dell’energia così prodotta nelle resistenze, il bilancio energetico sarebbe inaccettabile e la dissipazione delle calorie problematica. La maggior parte dei costruttori propone della associazioni che consentono di restituire alla rete l’energia recuparata. Generalmente il ponte di diodi collegato alla rete viene sostituito da un ponte di semiconduttori controllati composto da IGBT. La restituzione, con un comando MLI adatto, avviene nella maggior parte dei casi sotto forma di corrente sinusoidale.

v Altre possibilità di frenatura Una frenatura economica può essere facilmente realizzata facendo funzionare l’uscita del variatore come chopper con iniezione di corrente continua negli avvolgimenti. La coppia di frenatura non è controllata. Si tratta di un metodo poco efficace soprattutto a grande velocità, che non assicura il controllo della rampa di decelerazione. Tuttavia è una soluzione pratica per diminuire il tempo di arresto naturale della macchina. Poiché l’energia viene dissipata nel rotore questo tipo di funzionamento è, per natura, occasionale.

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A Fig. 26a Coppia di un motore asincrono a carico costante alimentato da un convertitore di frequenza [a] – zona di funzionamento a coppia costante, [b] – zona di funzionamento a potenza costante

A Fig. 26b Coppia di un motore asincrono a carico costante alimentato da un convertitore di frequenza [a] – zona di funzionamento a coppia costante, [b] – zona di funzionamento a potenza costante

b I modi di funzionamento possibili v Funzionamento detto a « coppia costante » Finchè la tensione fornita dal variatore può evolvere e nella misura in cui il flusso nella macchina è costante (rapporto U/f costante o meglio ancora con controllo vettoriale di flusso), la coppia motore sarà grosso modo proporzionale alla corrente e la coppia nominale della macchina potrà essere ottenuta sull’intera gamma di velocità (C Fig.26a).

Tuttavia il funzionamento prolungato alla coppia nominale a bassa velocità è possibile solo se è prevista una ventilazione forzata del motore che richiede quindi un motore speciale. I variatori moderni dispongono di circuiti di protezione che stabiliscono un’immagine termica del motore in funzione della corrente, dei cicli di funzionamento e della velocità di rotazione: la protezione del motore è quindi garantita.

v Funzionamento detto a « potenza costante » Quando la macchina è alimentata a tensione nominale è ancora possibile aumentarne la velocità alimentandola ad una frequenza superiore a quella della rete di distribuzione. Tuttavia, dal momento che la tensione di uscita del convertitore non può superare quella della rete, la coppia disponibile si abbassa in modo inversamente proporzionale all’aumentare della velocità (C Fig.26b).

Al di sopra della velocità nominale, il motore non funziona più a coppia costante, ma a potenza costante (P = Cω), fino a quando la caratteristica nominale del motore lo consente.

La velocità massima è limitata da due parametri: - il limite meccanico legato al rotore, - la riserva di coppia disponibile.

Per una macchina asincrona alimentata a tensione costante, dal momento che la coppia massima varia con il quadrato della velocità (C capitolo 3 Motori e carichi), il funzionamento a « potenza costante » è possibile solo all’interno di una gamma limitata di velocità determinata dalla caratteristica di coppia della macchina.


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5.9 Variatore di tensione per motore asincrono

5.9 Variatore di tensione per motore asincrono

A Fig. 27 Avviatore di motori asincroni e forma della corrente d’alimentazione

b Storia e presentazione Questo dispositivo di variazione della tensione (C Fig.27) utilizzabile per l’illuminazione e il riscaldamento non viene praticamente più utilizzato come variatore di velocità.

Nel passato questa soluzione veniva utilizzata con motori asincroni a gabbia resistente o ad anelli. Il modo di funzionamento è riportato nella Fig. 28. Si può chiaramente vedere che una variazione di velocità è possibile facendo variare la tensione e in particolare con un motore a gabbia resistente. Questi motori asincroni sono nella maggior parte dei casi trifase, solo occasionalmente monofase per le piccole potenze (fino a 3 kW circa). Molto utilizzati in passato per alcune applicazioni quali la variazione di velocità dei piccoli ventilatori, i variatori di tensione sono quasi scomparsi a vantaggio dei più economici convertitori di frequenza.

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A Fig. 28 Coppia disponibile di un motore asincrono alimentato a tensione variabile e il cui ricevitore presenta una coppia resistente parabolica (ventilatore) [a] – motore a gabbia di scoiattolo, [b] – motore a gabbia resistente

Il variatore di tensione, chiamato anche soft starter, è universalmente utilizzato per l’avviamento dei motori.

I motori asincroni sono nella maggior parte dei casi trifase, solo occasionalmente monofase per le piccole potenze (fino a 3 kW circa).

Il variatore di tensione viene utilizzato come avviatore rallentatore progressivo se non è necessaria una coppia di avviamento elevata e consente di limitare lo spunto di corrente, la caduta di tensione che ne deriva e gli urti meccanici dovuti alla comparsa improvvisa della coppia.

Tra le applicazioni più comuni citiamo l’avviamento delle pompe centrifughe e dei ventilatori, dei nastri trasportatori, delle scale mobili, degli impianti di lavaggio automobili (a tunnel), delle macchine dotate di cinghie, ecc... e in variazione di velocità sui motori di bassissima potenza o sui motori universali, come negli utensili elettrici portatili.

Nel caso delle pompe la funzione rallentatore consente anche di eliminare i colpi di ariete.

Sul mercato sono disponibili tre tipi di avviatori: ad una fase controllata nelle piccole potenze, a due fasi controllate (la terza è una connessione diretta), o con tutte le fasi controllate. I primi due sistemi sono adatti solo per cicli di funzionamento poco severi a causa dell’elevato tasso di armoniche.


Partenze-motore 5.9 Variatore di tensione per motore asincrono

b Principio generale

Il gruppo di potenza comprende per ciascuna fase 2 tiristori montati in antiparallelo (C Fig. 28).

La variazione di tensione si ottiene facendo variare il tempo di conduzione dei tiristori nel corso di ogni semi-periodo. Più l'istante di innesco viene ritardato, più il valore della tensione risultante sarà basso.

L'innesco dei tiristori è gestito da un microprocesssore che garantisce anche le seguenti funzioni:

- controllo delle rampe di aumento tensione e di diminuzione tensione regolabili; la rampa di decelerazione potrà essere seguita solo se il tempo di decelerazione naturale del sistema azionato è più lungo,

- limitazione di corrente regolabile, - sovracoppia all’avviamento, - comando di frenatura con iniezione di corrente continua, - protezione del variatore contro i sovraccarichi, - protezione del motore contro i riscaldamenti dovuti ai sovraccarichi o

agli avviamenti troppo frequenti, - rilevamento squilibri o assenze di fase, difetti tiristori.

Un’unità di regolazione dei diversi parametri di funzionamento offre un valido aiuto alla messa in servizio, all'impiego e alla manutenzione.

Alcuni variatori di tensione come l’Altistart (Telemecanique) possono comandare l’avviamento e il rallentamento

- di un solo motore, - di più motori simultaneamente, entro i limiti del suo calibro, - di più motori in successione mediante commutazione.

In regime stabilito, ogni motore viene alimentato direttamente dalla rete attraverso un contattore.

Solo l’Altistart dispone di un dispositivo brevettato che consente una stima della coppia motore permettendo di effettuare accelerazioni e decelerazioni lineari e, se necessario, di limitare la coppia motore.

b Inversione del senso di marcia e frenatura L’inversione del senso di marcia si effettua mediante inversione delle fasi d’ingresso dell’avviatore. La frenatura si effettua quindi in contro corrente e tutta l’energia viene dissipata nel rotore della macchina. Il funzionamento è quindi per natura intermittente.

b Frenatura di rallentamento mediante iniezione di corrente continua

Una frenatura economica è facilmente realizzabile facendo funzionare l’uscita dell’avviatore come raddrizzatore iniettando una corrente continua negli avvolgimenti. La coppia di frenatura non è controllata e la frenatura è poco efficace, soprattutto a grande velocità. Di conseguenza la rampa di decelerazione non è controllata. Si tratta di una soluzione pratica per diminuire il tempo di arresto naturale della macchina.

Poichè l’energia viene dissipata nel rotore questo modo di funzionamento è occasionale.


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5.10 Moto-variatori sincroni

5.10 Motovariatori sincroni

A Fig. 29 Fotografia di un moto-variatore sincrono (Variatore Lexium + motore, Schneider Electric)

A Fig. 30 Rappresentazione semplificata dello statore motore sincrono a magneti permanenti « motore brushless »

b Principio generale I motovariatori sincroni (C Fig. 29) sono l’associazione di un convertitore di frequenza e di un motore sincrono a magneti permanenti dotato di un sensore. Questi servomotori vengono spesso chiamati « motori brushless ».

Questi servomotori sono destinati a mercati specifici, come quello dei robot, dell’automazione o delle macchine-utensili, che richiedono volumi ridotti, accelerazioni rapide e una banda passante tesa.

b Il motore Questo tipo di motore è presentato nel capitolo sui motori e quanto segue completa le informazioni per consentire al lettore di comprendere l’alimentazione con variatore di velocità. Il rotore del motore è dotato di magneti permanenti in neodimio e samario (terre rare) per ottenere un campo elevato in un volume ridotto. Lo statore comprende avvolgimenti trifase A, B, C (C Fig.30).

Questo tipo di motori possono accettare correnti di sovraccarico importanti per realizzare accelerazioni molto rapide. Questo tipo di motori sono dotati di un sensore per indicare al variatore la posizione angolare dei poli del motore, al fine di garantire la commutazione degli avvolgimenti (C Fig.31).

A Fig. 31 Rappresentazione semplificata di un motore sincrono a magneti permanenti « motore brushless » che illustra il sensore angolare di posizione del rotore

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Partenze-motore 5.10 Moto-variatori sincroni 5.11 Moto-variatori passo-passo

b Il variatore Nella sua composizione il variatore è simile ad un convertitore di frequenza: funziona in modo analogo.

È costituito da un raddrizzatore e da un ondulatore a transistor a modulazione di larghezza di impulsi (MLI) che fornisce una corrente di uscita di forma sinusoidale. È frequente trovare più variatori di questo tipo alimentati da una stessa sorgente di corrente continua. Su una macchina-utensile, ad esempio, ciascun variatore comanda uno dei motori associati agli assi della macchina. Una sorgente comune a corrente continua alimenta in parallelo il gruppo di variatori. Questo tipo di installazione consente di mettere a disposizione dell’insieme di variatori l’energia che verrebbe dalla frenatura di uno degli assi.

Come nei convertitori di frequenza una resistenza di frenatura associata ad un chopper consente di smaltire l’energia di frenatura in eccesso.

Le funzioni di asservimento dell’elettronica e le basse costanti di tempo meccaniche ed elettriche garantiscono accelerazioni e più in generale bande passanti molto elevate unite ad una grandissima dinamica di velocità.

5.11 Motovariatori passo-passo

b Principio generale Il motovariatore passo-passo, progettualmente simile ad un convertitore di frequenza, è un apparecchio che associa l’elettronica di potenza ad un motore passo-passo.

Funzionano ad anello aperto (senza trasduttore) e sono adatti alle applicazioni di posizionamento.

b Il motore Il motore può essere a riluttanza variabile (VR(), a magneti permanenti o combinare le due soluzioni (C per informazioni dettagliate, capitolo 3 Motori e carichi).

b Il variatore Nella composizione il variatore è analogo ad un convertitore di frequenza (raddrizzatore, filtraggio e ponte costituito da semiconduttori di potenza).

Lo stadio di uscita alimenta le bobine del motore passo-passo, come nell’esempio della Fig. 32 per un motore passo-passo bipolare.

Tuttavia il suo funzionamento è fondamentalmente diverso nella misura in cui l’obiettivo è iniettare una corrente costante negli avvolgimenti.

A Fig. 32 Schema di principio di un variatore per motore bipolare passo-passo


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5.11 Moto-variatori passo-passo 5.12 Le funzioni complementari

dei variatori di velocità

Talvolta ricorre alla modulazione a larghezza d’impulsi (MLI) per ottenere migliori prestazioni, soprattutto nei tempi di salita della corrente (C Fig.33), permettendo in tal modo di estendere la gamma di funzionamento.

Il funzionamento (C Fig.34) a micropassi, già citato nel capitolo 3 Motori e carichi, consente di moltiplicare artificialmente il numero di posizioni possibili del rotore creando degli stadi successivi nelle bobine, per ciascuna sequenza. Le correnti in entrambe le bobine sembreranno quindi due correnti alternate sfasate di 90°.

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A Fig. 34 Diagramma, curve di corrente e principio di gradi per un comando a micropassi di un moto-variatore passo-passo

Il campo risultante è la composizione vettoriale dei campi creati dalle due bobine. Il rotore assume così tutte le posizioni intermedie possibili.

Lo schema rappresenta le correnti di alimentazione delle bobine B1 e B2 e le posizioni del rotore sono rappresentate dal vettore.

5.12 Le funzioni complementari dei variatori di velocità

b Le possibilità di dialogo Per poter assicurare un funzionamento corretto del motore, i variatori integrano un certo numero di sensori per il controllo della tensione, delle correnti e dello stato termico del motore. Questi dati, indispensabili per il variatore, possono essere utili per l’utilizzo.

Grazie ai progressi tecnologici e ai bus di campo I variatori e gli avviatori più recenti integrano funzioni di dialogo avanzate. Consentono quindi la generazione di informazioni utilizzabili da un controllore programmabile e da un supervisore per il comando della macchina; le informazioni di controllo vengono fornite dal controllore programmabile attraverso lo stesso canale.

La funzione di dialogo mette a disposizione le seguenti informazioni: - impostazioni di velocità, - ordini di marcia o di arresto, - regolazioni iniziali del variatore o modifiche delle regolazioni con

motore in funzione, - stato del variatore (marcia, arresto, sovraccarico, difetto), - allarmi, - stato del motore (velocità, coppia, corrente, temperatura).

Andatura della corrente risultante di un comando a MLI

A Fig. 33


Partenze-motore 5.12 Le funzioni complementari dei variatori di velocità

Le funzioni di dialogo vengono utilizzate anche in collegamento con un PC per semplificare le regolazioni all’avviamento (telecaricamento) o per l’archiviazione delle regolazioni iniziali.

b Le funzioni integrate Per assicurare un gran numero di applicazioni i variatori dispongono di diversi parametri di regolazione quali:

- i tempi delle rampe di accelerazione e di decelerazione, - la forma delle rampe (lineari, a S, a U o configurabili), - le commutazioni di rampe che permettono di ottenere due rampe di

accelerazione o di decelerazione per consentire ad esempio un accostamento in dolcezza,

- la riduzione della coppia massima comandata da un ingresso logico o da un’impostazione,

- la marcia passo-passo, - la gestione del comando di un freno per le applicazioni di sollevamento, - la scelta di velocità preselezionate, - la presenza di ingressi sommatori che consentono di sommare le

impostazioni di velocità, - la commutazione dei riferimenti presenti all’ingresso del variatore, - la presenza di un regolatore PI per gli asservimenti semplici (velocità o

portata ad esempio), - l’arresto automatico in seguito ad un’interruzione rete che permette la

frenatura del motore, - il recupero automatico con ricerca della velocità del motore per una

ripresa al volo, - la protezione termica del motore a partire da un’immagine generata

nel variatore, - la possibilità di collegamento di sonde PTC integrate al motore, - l’occultazione di frequenza di risonanza della macchina (la velocità

critica viene occultata in modo che il funzionamento permanente a quella frequenza sia reso impossibile),

- il blocco temporizzato a bassa velocità nelle applicazioni di pompaggio in cui il fluido partecipa alla lubrificazione della pompa ed evita il grippaggio.

Sui modelli più sofisticati di variatori quali l’ATV61 - ATV71 di Telemecanique queste funzioni sono spesso funzioni base.

b Le schede opzionali Per le applicazioni più complesse i costruttori offrono delle schede opzionali che consentono di realizzare funzioni specifiche, quali ad esempio il controllo vettoriale di flusso con sensore, oppure schede dedicate ad una funzione specifica.

Sono ad esempio disponibili: - schede « commutazione di pompe » per realizzare in modo economico

una stazione di pompaggio con un solo variatore che alimenta in successione più motori,

- schede « multimotori », - schede « multiparametri» che consentono la commutazione

automatica dei parametri predefiniti nel variatore, - schede personalizzate sviluppate su specifica richiesta del Cliente.

Alcuni costruttori propongono anche delle schede controllore integrate al variatore per le applicazioni semplici. L’operatore dispone quindi di istruzioni di programmazione e di I/O per la realizzazione di piccoli sistemi di automazione che non giustificano la presenza di un controllore programmabile.


5.13 I variatori di velocità e il bilancio energetico

5.13 I variatori di velocità e il bilancio energetico

b Fattore di sfasamento v Nota Il fattore di sfasamento o coseno ϕ è il coseno dell’angolo di sfasamento della corrente rispetto alla tensione. Il fattore di sfasamento ha significato solo per tensioni e correnti sinusoidali della stessa frequenza. Se la corrente prelevata alla sorgente presenta delle armoniche, come accade per la maggior parte dei variatori di velocità, il fattore di potenza sarà per definizione lo sfasamento della fondamentale (o prima armonica) della corrente rispetto alla fondamentale della tensione d’alimentazione.

v 1° caso: il circuito d’ingresso composto da semiconduttori comandati tipo tiristore (es. variatore per motore a corrente continua) Il fattore di sfasamento è all’incirca uguale al coseno dell’angolo di ritardo all’innesco. In altri termini se la tensione di uscita è bassa (bassa velocità), il coseno ϕ è basso. Se la tensione di uscita è elevata (velocità elevata) il coseno ϕ si avvicina all’unità.

Il coseno ϕ diventa negativo se il variatore restituisce energia alla rete nel caso di variatore reversibile.

v 2° caso: ponte di diodi composto da diodi (es. convertitore di frequenza per motore asincrono) La componente fondamentale della corrente è quasi in fase con la tensione d’alimentazione e il coseno ϕ è vicino a 1.

v 3° caso: circuito d’ingresso composto da semiconduttori comandati tipo IGBT Questa soluzione viene utilizzata per prelevare corrente sinusoidale. Con un comando MLI appropriato, il coseno ϕ è pari o vicino a 1.

Un convertitore di frequenza associato ad un motore asincrono ha un miglior fattore di sfasamento rispetto al motore stesso. Infatti il ponte di diodi di cui generalmente è dotato questo tipo di convertitore ha un fattore di sfasamento vicino a 1. Sono i condensatori di filtraggio integrati nel variatore che fungono da « riserva » di energia reattiva.

b Fattore di potenza v Nota Il fattore di potenza è il rapporto tra la potenza apparente S e la potenza attiva P.

Fp = P/S

La potenza attiva P è il prodotto della tensione fondamentale per la corrente fondamentale e il coseno ϕ

P = U x I x coseno ϕ

La potenza apparente S è uguale al prodotto del valore efficace della tensione per il valore efficace della corrente. Se la tensione e la corrente sono deformate sarà necessario effettuare la somma quadratica dei valori efficaci di ciascun ordine.

Se l’impedenza della rete è bassa (come si verifica generalmente), la tensione d’alimentazione sarà vicina alla sinusoide. In compenso la corrente assorbita dai semiconduttori è ricca in armoniche, tanto più ricca quanto più bassa sarà l’impedenza della rete.

Il valore efficace della corrente viene espresso con la seguente formula: Ieff = (I1_ + I2_+ I3_+ …… In_) 0.5

E la potenza apparente S con: S= Veff x Ieff oppure: S = V x Ieff

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Partenze-motore 5.13 I variatori di velocità e il bilancio energetico

Un basso rapporto P/S denota una rete di alimentazione sovraccarica per la presenza di armoniche, con rischi di riscaldamento dei conduttori che dovranno quindi essere dimensionati di conseguenza.

v 1° caso: circuito d’ingresso composto da semiconduttori comandati tipo tiristore (es. variatore per motore a corrente continua) Il prelievo di corrente è più o meno quadrato. Il fattore di potenza è basso con una bassa tensione di uscita e migliora con l’aumentare della tensione di uscita per raggiungere il valore di 0.7 circa.

v 2° caso: ponte di diodi composto da diodi (es. convertitore di frequenza per motore asincrono) La corrente prelevata è ricca di armoniche (C Fig.35) e il fattore di potenza è basso qualsiasi sia la velocità del motore. Questo fenomeno può essere sopportato dai piccoli variatori ma diventa penalizzante con l’aumentare delle potenze. Per ridurre questo problema diventa indispensabile installare delle induttanze di linea e delle induttanze nei circuiti dell’alimentazione continua, in serie con i condensatori di

Forme della corrente assorbita da filtraggio. Si otterrà quindi un’attenuazione dell’ampiezza delle armoniche un variatore di velocità e il miglioramento del fattore di potenza.

I convertitori di frequenza che utilizzano un ponte di diodi, senza induttanza di linea o induttanza nel circuito continuo hanno un fattore di potenza dell’ordine di 0.5.

v 3° caso: circuito d’ingresso composto da semiconduttori comandati tipo IGBT Questa soluzione viene utilizzata per prelevare corrente sinusoidale. Con un comando MLI adatto. Permette di ottenere una corrente vicina alla sinusoide e un fattore di potenza ottimale quasi uguale al fattore di sfasamento e vicino all’unità (C Fig.36).

Il costo elevato di questa soluzione spiega la sua limitata diffusione nell’offerta dei costruttori.

b Rendimento v Perdite nel convertitore Le perdite nei convertitori sono associate ai semiconduttori da cui sono composti.

La perdite di energia nei semiconduttori sono di due tipi: - perdite per conduzione dovute alla tensione residua nell’ordine del

volt, - le perdite per commutazione legate alla frequenza di commutazione.

I semiconduttori con tempi di commutazione rapidi presentano le perdite Prelievo sinusoidale di commutazione più basse, come nel caso degli IGBT che consentono

frequenze di commutazione elevate.

Di conseguenza i convertitori presentano rendimenti eccellenti superiori al 90%.

v Perdite nel motore I motori associati ai convertitori vedono aumentare le loro perdite a causa della commutazione della tensione applicata. Tuttavia dal momento che la frequenza di commutazione è elevata la corrente assorbita è quasi sinusoidale (C Fig. 37) e le perdite supplementari possono essere considerate insignificanti.

A Fig. 35

A Fig. 36

A Fig. 37 Andatura della corrente motore


5.14 I variatori di velocità e il risparmio energetico e di manutenzione

5.14 I variatori di velocità e il risparmio energetico e di manutenzione

b Scelta del motore I convertitori di frequenza possono alimentare motori standard senza particolari precauzioni, se non il declassamento a bassa velocità nel caso di motori autoventilati.

Tuttavia sarà sempre preferibile scegliere il motore con il miglior rendimento e il più alto cos ϕ.

Per le basse potenze un motovariatore sincrono può essere una scelta intelligente per il rendimento superiore di questa associazione. La differenza del prezzo di acquisto viene infatti rapidamente ammortizzata.

b Tipo di carico I convertitori di frequenza sono la soluzione migliore per la regolazione di portata delle pompe e dei ventilatori in ragione della caratteristica di coppia di questi carichi (C capitolo 3 Motori e carichi).

L’utilizzo di variatori di velocità, per funzionamenti ON/OFF o sistemi di regolazione che utilizzano valvole, saracinesche o alette, permette un risparmio energetico notevole.

La documentazione dei costruttori fornisce esempi di calcolo di risparmio energetico che consentono di valutare il ritorno sull’investimento. Questo risparmio può essere valutato solo conoscendo perfettamente l’applicazione; gli specialisti dei costruttori sono in grado di guidare l’utente nella scelta.

b Riduzione delle operazioni di manutenzione I convertitori di frequenza e gli avviatori elettronici (C capitolo 4 Avviamento dei motori) effettuano un avviamento progressivo che elimina i limiti meccanici imposti alla macchina che può in questo modo essere ottimizzata direttamente in fase di progettazione.

Nei comandi multimotore (ad es. una stazione di pompaggio) la gestione appropriata dei motori permette di equilibrare le ore di funzionamento di ciascun motore e di aumentare la disponibilità e la durata dell’installazione.

b Conclusione Dal momento che la scelta di un variatore di velocità è profondamente legata al tipo di carico azionato e alle prestazioni desiderate, la ricerca e la definizione di un variatore devono passare attraverso l’analisi delle esigenze funzionali dell’apparecchioe e quindi delle prestazioni richieste per il motore stesso.

Nella documentazione dei produttori di variatori di velocità vengono anche indicati parametri quali coppia costante, coppia variabile, potenza costante, controllo vettoriale di flusso, variatore reversibile, ecc...

Queste indicazioni caratterizzano tutti i dati necessari per una corretta scelta del variatore più adatto.

Una scelta non corretta del variatore può portare ad un funzionamento deludente.

Allo stesso modo occorre tener conto della gamma di velocità desiderata per una corretta scelta dell’associazione motore/variatore.

Si consiglia di rivolgersi ai servizi di assistenza specializzati dei costruttori con tutti i dati necessari a selezionare il variatore che possa garantire il miglior rapporto prezzo/prestazioni.

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Partenze-motore 5.15 Tabella di scelta delle partenze-motore

5.15 Tabella di scelta delle partenze-motore

Prodotto Avviatore Variatore Relè Protezioni Porta Interruttore Interruttore Interruttore autom. Avviatore Contattore Interruttore

progressivo velocità termico complementari fusibili fusibili autom. linea magneto-termico controllore

Funzione

Sezionamento

Interruzione

Protezione cortocircuiti

Sovraccarico

Funzioni complemen

tari

Commutazione (ON/OFF, 2V, ∆)

Commutazione a velocità variabile

Commutazione a velocità variabile


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6chapitreAcquisition de données: rilevamentoPrésentation:• Fonctions et des technologies de rilevamento• Tableau de choix6capitolo Rilevamento dati Presentazione: - Funzioni e tecnologie di rilevamento - Tabella di scelta

Sommario 6. Rilevamento dati

b 6.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 136

b 6.2 Finecorsa elettromecanici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 137

b 6.3 Interruttori di prossimità induttivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 138

b 6.4 Interruttori di prossimità capacitivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 140

b 6.5 Interruttori fotoelettrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 142

b 6.6 Interruttori ad ultrasuoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 144

b 6.7 Sistema di identificazione a radio frequenza RFID

o Radio Frequency IDentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 146

b 6.8 Sistemi di visione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 149

b 6.9 Encoder optoelettronici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 153

b 6.10 Pressostati e vacuostati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 158

b 6.11 Conclusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 161

b 6.12 Guida alla scelta delle diverse tecnologie . . . . . . . . . . . . . . . pagina 162

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Rilevamento dati 6.1 Introduzione

Il campo del rilevamento dati comprende due grandi famiglie di prodotti: i dispositivi di rilevamento, ovvero tutti i prodotti in grado di rilevare una soglia, un limite o di valutare una grandezza fisica e i dispositivi di misura, ovvero i prodotti che permettono di misurare con una data precisione una grandezza fisica.

I rilevatori dedicati in modo specifico alla sicurezza delle macchine sono presentati nel capitolo Sicurezza.

Il lettore interessato troverà un gran numero di pubblicazioni sulla

A Fig. 1 Funzioni essenziali del rilevamento sicurezza delle macchine ove vengono presentati tutti i rilevatori disponibili sul mercato.

I dispositivi di rilevamento offrono tre funzioni fondamentali, come mostrato dalla Fig. 1.

6.1 Introduzione

b Il rilevamento: una funzione essenziale La funzione “ rilevamento ” è fondamentale perchè rappresenta la prima maglia della catena di misura e controllo di un processo industriale (C Fig.2 ). In un sistema automatico gli interruttori garantiscono infatti la raccolta delle informazioni riguardanti:

- tutti gli eventi necessari al controllo per l’acquisizione da parte dei sistemi di comando, in base ad un programma predefinito,

- la successione delle diverse fasi del processo di esecuzione del

A Fig. 2 Catena di informazioni di un sistema programma predefinito.

industriale b Le diverse funzioni del rilevamento Le esigenze di rilevamento sono svariate. Quelle più elementari sono le seguenti:

- il controllo della presenza, dell’assenza o del posizionamento di un oggetto,

- la verifica del passaggio, dello scorrimento o di un intasamento di oggetti mobili e del conteggio.

Queste esigenze richiedono in genere semplici dispositivi “ ON/OFF”, ad esempio nelle applicazioni tipiche di rilevamento pezzi nelle catene di produzione o nelle attività di movimentazione, oltre che nel rilevamento di persone e di veicoli.

Nelle applicazioni industriali vi sono poi altre esigenze più specifiche quali: - il rilevamento della pressione (o del livello) di un gas o di un liquido, - il rilevamento della forma, - il rilevamento della posizione (angolare, lineare), - il rilevamento di etichette, con lettura e scrittura di dati codificati.

A queste si aggiungono numerose altre esigenze applicative che riguardano in modo più specifico le condizioni ambientali circostanti. Gli interruttori devono, in base alla condizione d’impiego, poter resistere:

- all’umidità, o all’immersione (es: tenuta maggiorata), - alla corrosione (industrie chimiche o anche impianti agricoli,...), - a forti variazioni di temperatura (es. regioni tropicali), - a depositi di sporco di vario genere (all’esterno o nelle macchine), - ad atti di vandalismo, ecc...

Per rispondere a tutte queste esigenze applicativi Telemecanique ha creato molti tipi di interruttori con tecnologie diverse.

b Le diverse tecnologie degli interruttori I produttori di interruttori ricorrono a principi di misura fisica diversi; citiamo qui di seguito i principali:

- meccanica (pressione, forza) per i finecorsa elettromeccanici,


6.1 Introduzione 6.2 Finecorsa elettromeccanici

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A Fig. 3 Illustrazione dei diversi movimenti dei rilevatori comunemente utilizzati

A Fig. 4 Le diverse posizioni di un contatto ad intervento rapido

- elettromagnetismo (campo, forza) per i rilevatori magnetici e gli interruttori di prossimità induttivi, - luce (potenza e deviazione luminosa) per le cellule fotoelettriche, - campo elettrico per gli interruttori di prossimità capacitivi, - acustica (tempo di percorso di un’onda) per gli interruttori ad ultrasuoni, - fluido (pressione) per i pressostati, - ottica (analisi d’immagine) per la visione.

Questi principi di misura determinano vantaggi e limiti in ogni tipo di interruttore; per questo alcuni interruttori sono robusti ma richiedono un contatto con l’oggetto da rilevare, mentre altri possono essere installati in ambienti agressivi ma sono utilizzabili solo con pezzi in metallo.

La presentazione delle diverse tecnologie nelle pagine che seguono ha lo scopo di facilitare la comprensione degli imperativi d’installazione e di utilizzo dei rilevatori disponibili sul mercato per i sistemi di automazione e le apparecchiature industriali.

b Le funzioni aggiuntive degli interruttori Per facilitare l’impiego degli interruttori sono state sviluppate diverse funzioni, tra le quali l’auto-apprendimento.

Questa funzione permette, con la semplice pressione di un tasto, di definire il campo di rilevamento effettivo del dispositivo; ad esempio, l’apprendimento molto preciso della portata minima e massima (soppressione primo piano e sfondo) nell’ordine di ± 6 mm per gli interruttori ad ultrasuoni e l’acquisizione dell’ambiente circostante per gli interruttori fotoelettrici.

6.2 I finecorsa elettromeccanici

Il rilevamento avviene attraverso un contatto fisico (sensore o organo di comando) con un oggetto fisso o mobile. L’azionamento del dispositivo di comando provoca un cambiamento di stato del contatto elettrico. L’informazione viene trasmessa al sistema di elaborazione attraverso un contatto elettrico (ON/OFF).

Questi dispositivi composti da dispositivo di comando e contatto elettrico sono chiamati finecorsa. Sono presenti in tutti i sistemi di automazione e sono impiegati nelle applicazioni più svariate grazie alla loro versatilità e ai numerosi vantaggi offerti dalla loro tecnologia.

b Movimenti di rilevamento Le teste di comando o dispositivi di azionamento sono disponibili con diversi tipi di comandp (C Fig.3 ) per consentire il rilevamento in più posizioni e adattarsi facilmente agli oggetti da rilevare:

- movimento rettilineo, - movimento angolare, - movimento multidirezionale.

b Modo di funzionamento dei contatti L’offerta dei costruttori è caratterizzata dalla tecnologia utilizzata per l’azionamento dei contatti.

v Contatto ad intervento rapido La manovra dei contatti è caratterizzata da un fenomeno di isteresi, ovvero da punti di intervento e rilascio distinti (C Fig.4 ).

La velocità degli spostamenti dei contatti mobili è indipendente dalla velocità del dispositivo di comando. Questa particolarità consente di ottenere prestazioni elettriche soddisfacenti anche in caso di bassa velocità di spostamento del dispositivo di comando.


Rilevamento dati 6.2 Finecorsa elettromeccanici 6.3 Interruttori di prossimità induttivi

Posizione Posizione diseccitazione eccitazione

A Fig. 5 Esempio di un contatto ad azione lenta

I finecorsa con contatti ad azione rapida utilizzano sempre più frequentemente contatti a manovra positiva di apertura.

Un apparecchio è detto a manovra positiva di apertura quando “garantisce che tutti gli elementi di contatto ad apertura possano essere riportati con sicurezza nella posizione corrispondente alla posizione di apertura dell'apparecchio, senza alcun collegamento elastico tra i contatti mobili e il dispositivo di comando al quale viene applicata la forza di azionamento”.

Questo riguarda sia il contatto elettrico del finecorsa che il dispositivo di azionamento che deve trasmettere il movimento senza deformazione.

Le applicazioni di sicurezza impongono l’utilizzo di apparecchi a manovra positiva di apertura.

v Contatto ad azione lenta (C Fig.5) Il modo di funzionamento dei contatti ad azione lenta è caratterizzato da:

- punti di azione e rilascio non distinti, - velocità di spostamento dei contatti mobili uguale o proporzionale alla

velocità dell’organo di comando (che non deve essere inferiore a 0.1 m/s = 6 m/mn). Al di sotto di questi valori l’apertura dei contatti avviene troppo lentamente a discapito del corretto funzionamento del contatto (rischio d’arco mantenuto troppo a lungo),

- la distanza di apertura dipende anch’essa dalla corsa dell’organo di comando. Questi contatti sono per costruzione a manovra positiva di apertura: il pulsante agisce direttamente sui contatti mobili.

6.3 Gli interruttori di prossimità induttivi

Gli interruttori di prossimità induttivi sono utilizzati principalmente nelle applicazioni industriali e funzionano solo con materiali metallici, rilevano cioè senza contatto qualsiasi oggetto metallico.

b Principio Un circuito induttivo (bobina con induttanza L) costituisce l’elemento sensibile. Questo circuito è associato ad un condensatore di capacità C per formare un circuito risonante ad una frequenza Fo generalmente compresa tra 100 KHz e 1 MHz.

Un circuito elettronico permette di avere oscillazioni conformi alla formula:

Queste oscillazioni creano un campo magnetico alternato davanti alla bobina.

Uno schermo metallico posizionato all'interno del campo magnetico diventa sede di correnti di Foucault che costituiscono un carico addizionale, modificando di conseguenza le condizioni di oscillazione (C Fig.6).

La presenza di un oggetto metallico davanti all’interruttore diminuisce il coefficiente di qualità del circuito risonante.

1° caso, senza schermo metallico:

Attenzione:A Fig. 6

2° caso, presenza di uno schermo metallico:

Principio di funzionamento di un interruttore induttivo


A Fig. 7 Schema di un interruttore induttivo

A Fig. 7bis Isteresi dell’interruttore

Il rilevamento avviene mediante la misura della variazione del coefficiente di qualità (dal 3% al 20% circa alla soglia di rilevamento).

L’avvicinamento dello schermo metallico si traduce con una diminuzione del coefficiente di qualità e quindi una diminuzione dell’ampiezza delle oscillazioni.

La distanza di rilevamento dipende dal tipo di metallo da rilevare (dalla sua resistività ρ e dalla sua permeabilità relativa µr ).

b Descrizione di un interruttore induttivo (C Fig.7)

Trasduttore: È composto da una bobina in filo di rame intrecciato (filo di Litz) posizionata all’interno di un elemento in ferrite che dirige le linee di campo verso la parte anteriore dell’interruttore.

Oscillatore: esistono numerosi tipi di oscillatore, quali ad esempio l’oscillatore a resistenza negativa fissa R uguale in valore assoluto alla resistenza parallela Rp del circuito oscillante alla portata.

- Se l’oggetto da rilevare è oltre la portata nominale, lRpl > l-Rl allora le oscillazioni saranno mantenute,

- Se al contrario l’oggetto da rilevare è al di qua della portata nominale,

lRpl < l-Rl, allora le oscillazioni non saranno più mantenute e si avrà il blocco dell’oscillatore.

Stadio di messa a punto: costituito da un rilevatore di cresta seguito da un comparatore a due soglie (Trigger) per evitare le commutazioni intempestive quando l’oggetto da rilevare è vicino alla portata nominale. Origina il fenomeno chiamato isteresi dell’interruttore (C Fig.7bis).

Stadio di alimentazione e di uscita: consente di alimentare l’interruttore con ampie gamme di tensione d’alimentazione (da 10 VCC fino a 264 V AC). Il modulo di uscita consente di comandare carichi da 0.2 A in CC a 0.5 A in CA, con o senza protezione contro i cortociruiti.

b Prestazioni del rilevamento induttivo La distanza di rilevamento:

- dipende dall’importanza della superficie di rilevamento. - Sn: portata nominale (su acciao dolce) variabile da 0.8 mm

(interruttore Ø 4) a 60 mm (interruttore 80 x 80). - isteresi: corsa differenziale (dal 2 al 10 % di Sn) che evita i rimbalzi

alla commutazione. - frequenza di rilevamento del passaggio degli oggetti davanti

all’interruttore, detta di commutazione (max 5 kHz).

b Funzioni particolari • Interruttori protetti contro i campi magnetici delle saldatrici.

• Interruttori a uscita analogica.

• Interruttori con fattore di correzione 1* per i quali la distanza di rilevamento è indipendente dal metallo rilevato (ferroso o non ferroso).

• Interruttori selettivi materiali ferrosi e non ferrosi.

• Interruttori per controllo rotazione: rilevatori di controllo sottovelocità sensibili alla frequenza di passaggio degli oggetti in metallo.

• Interruttori per atmosfere esplosive (norme NAMUR). *Quando l’oggetto da rilevare non è in acciaio, la distanza di rilevamento dell’interruttore è proporzionale al fattore di correzione del materiale di cui è composto l’oggetto.

DMat X = DAcciaio x KMat X

I valori tipici del fattore di correzione (KMat X ) sono: - Acciaio = 1 - Inox = 0.7 - Ottone = 0.4 - Alluminio = 0.3 - Rame = 0.2 Esempio: DInox = DAcciaio x 0.7

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Rilevamento dati 6.4 Interruttori di prossimità capacitivi

6.4 Gli interruttori di prossimità capacitivi

A Fig. 8

A Fig. 9

A Fig. 10

A Fig. 11


Assenza oggetto tra i 2 elettrodi

Presenza oggetto isolante tra i 2 elettrodi

Presenza di un oggetto conduttore tra i 2 elettrodi

Rilevamento della presenza d’acqua in un recipiente in vetro o plastica

Gli interruttori di prossimità capacitivi sono adatti al rilevamento di tutti i tipi di materiali conduttori e isolanti quali vetro, olio, legno, plastica, ecc.

b Principio Un interruttore di prossimità capacitivo è composto da un oscillatore i cui condensatori rappresentano la faccia sensibile.

Sulla faccia sensibile dell’interruttore viene applicata una tensione sinusoidale che crea un campo elettrico alternato davanti all’interruttore stesso.

Considerato che alla tensione sinusoidale è assegnato un valore rispetto ad un potenziale di riferimento (terra o massa ad esempio), la seconda armatura è costituita da un elettrodo collegato al potenziale di massa (armatura della machina, ad esempio).

I due elettrodi installati faccia a faccia costituiscono un condensatore la cui capacità è data dalla formula:

ove ε0 = 8,854187.10-12 F/m permittività del vuoto εr permittività relativa del materiale presente tra i 2 elettrodi.

1° caso: Nessun oggetto tra i 2 elettrodi (C Fig.8)

2° caso: Presenza di un oggetto isolante tra i 2 elettrodi (C Fig.9)

=> (εr = 4)

L’elettrodo di massa può essere in questo caso il tappeto in metallo di un nastro trasportatore.

Quando il valore della costante dielettrica εr diventa superiore a 1 in presenza di un oggetto, il valore di C aumenta.

Misurando l’aumento del valore di C è possibile rilevare la presenza dell’oggetto isolante.

3° caso: Presenza di un oggetto conduttore tra i 2 elettrodi (C Fig.10)

con εr 1 (aria) =>

La presenza di un oggetto in metallo si traduce anche in questo caso con un aumento del valore di C.

b I diversi tipi di interruttori capacitivi v Interruttori capacitivi senza elettrodo di massa Il loro funzionamento si basa direttamente sul principio sopra descritto.

Per rilevare materiali conduttori (metallo, acqua) a distanze importanti è necessario un collegamento alla massa (potenziale di riferimento).

Applicazione tipo: Rilevamento di materiali conduttori attraverso un materiale isolante (C Fig.11).

v Interruttori capacitivi con elettrodo di massa Non sempre è possibile trovare un collegamento alla massa, ad esempio nel caso in cui si desideri rilevare del materiale isolante (recipiente vuoto in vetro dell’esempio precedente).

La soluzione consiste nell’installare l’elettrodo di massa sulla faccia di rilevamento.

Contaminanti

(a): campo di compensazione (eliminazione della contaminazione esterna) (b): campo elettrico principale

Elettrodo principale Elettrodo di compensazione Elettrodo di massa

A Fig. 12 Principio di un interruttore capacitivo con elettrodo di massa

materiale εr

Acetone 19.5

Aria 1.000264

Ammoniaca 15-25

Etanolo 24

Farina 2.5-3

Vetro 3.7-10

Glicerina 47

Mica 5.7-6.7

Carta 1.6-2.6

Nylon 4-5

Petrolio 2.0-2.2

Vernice al silicone 2.8-3.3

Polipropilene 2.0-2.2

Porcellana 5-7

Latte in polvere 3.5-4

Sale 6

Zucchero 3.0

Acqua 80

Legno secco 2-6

Legno verde 10-30

A Fig. 13 Costanti dielettriche di alcuni materiali

Il campo elettrico si crea indipendente dal collegamento alla massa (C Fig.12).

Applicazione: Rilevamento di tutti i materiali.

Possibilità di rilevare materiali isolanti o conduttori dietro una superficie isolante, ad esempio dei cereali in una scatola in cartone.

b Prestazioni di un interruttore capacitivo La sensibilità degli interruttori capacitivi, secondo la formula base precedentemente indicata, dipende sia dalla distanza oggetto - rilevatore che dal materiale di cui è composto l’oggetto.

v Distanza di rilevamento È legata alla costante dielettrica o permittività relativa εr del materiale di cui è composto l’oggetto da rilevare.

Per poter rilevare una grande variétà di materiali i rilevatori capacitivi sono generalmente dotati di un potenziometro di regolazione della sensibilità.

v Materiale La tabella della Fig. 13 riporta le costanti dielettriche di alcuni materiali.

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Rilevamento dati 6.5 Interruttori fotoelettrici

6.5 Gli interruttori fotoelettrici

A Fig. 14 Principio di un interruttore fotoelettrico

Parte operativa Parte comando

Ricevitore di luce

Emettitore di luce

Analisi Misura

Modulo di uscita

A Fig. 14bis Rilevamento a sbarramento

Uscita

A Fig. 15 Rilevamento a riflessione

A Fig. 16 Rilevamento a riflessione polarizzata

Rif.

A Fig. 17 Principio del non rilevamento di materiali riflettenti

Gli interruttori fotoelettrici consentono il rilevamento di oggetti di qualsiasi tipo, opachi, riflettenti o quasi-trasparenti e sono anche adatti alle applicazioni di rilevamento presenza persone (apertura di porte, barriere di sicurezza).

b Principio (C Fig.14)

Un diodo elettroluminescente (LED) emette degli impulsi luminosi, generalmente nel vicino infrarosso (da 850 a 950 nm).

Il fascio di luce viene o meno ricevuto da un fotodiodo o fototransistor in funzione della presenza o assenza dell’oggetto da rilevare.

La corrente fotoelettrica creata viene amplificata e confrontata con una soglia di riferimento per fornire un’informazione ON/OFF.

b I diversi sistemi di rilevamento v Sistema a sbarramento (C Fig.14bis) Emettitore e ricevitore sono installati in due scatole separate.

L’emettitore, un LED posizionato nel fuoco di una lente convergente, crea un fascio luminoso parallelo.

Il ricevitore, un fotodiodo (o fototransistor) posizionato nel fuoco di una lente convergente, fornisce una corrente proporzionale all’energia ricevuta.

Il sistema fornisce un’informazione ON/OFF in funzione della presenza o assenza dell’oggetto all’interno del fascio luminoso.

Vantaggi: La distanza di rilevamento (portata) può arrivare fino a oltre 50 m. in base alla dimensione delle lenti e quindi dell’interruttore.

Svantaggi: Richiede due scatole e quindi di due alimentazioni separate.

L’allineamento per distanze di rilevamento superiori a 10 m può presentare una certa difficoltà.

v Sistemi a riflessione Il rilevamento a riflessione può essere di due tipi: a riflessione diretta e a riflessione polarizzata.

• A riflessione diretta (C Fig.15) Il fascio luminoso è generalmente nella gamma del vicino infrarosso (da 850 a 950 nm).

Vantaggi: L’emettitore e il ricevitore sono nello stesso involucro (un unico cavo di alimentazione). La distanza di rilevamento (portata) è notevole, benchè inferiore a quella del sistema a sbarramento (fino a 20 m ).

Svantaggi: Un oggetto riflettente (vetro, carrozzeria d’auto, ecc...) può essere visto come catarifrangente e non venire rilevato.

• A riflessione polarizzata (C Fig.16) Gli interruttori a riflessione polarizzata emettono luce rossa visibile (660 nm).

Il fascio luminoso emesso vie polarizzato verticalmente da un filtro polarizzante lineare, quindi viene depolarizzato e infine rinviato dal catarifrangente. Una parte del fascio luminoso rinviato ha quindi una componente orizzontale. Il filtro ricevitore lascia passare la luce riflessa sul piano orizzontale e la luce raggiunge il componente di ricezione.

Un oggetto riflettente (specchio, lamiera, vetro) al contrario del catarifrangente non cambia lo stato di polarizzazione. La luce rinviata dall’oggetto non potrà quindi raggiungere il polarizzatore in ricezione (C Fig.17).

Vantaggi: Permette di evitare gli svantaggi del sistema a riflessione diretta.

Svantaggi: Ha un costo superiore e copre distanze di rilevamento inferiori:

Riflessione diretta IR -->15m Riflessione polarizzata ---> 8m


A Fig. 18 Riflessione diretta

A Fig. 19 Riflessione diretta con soppressione dello sfondo

A Fig. 20 Principio della propagazione delle onde luminose nella fibra ottica

A Fig. 21 Principio della propagazione delle onde luminose nella fibra ottica

v Sistema a riflessione diretta (sull’oggetto) • A riflessione diretta (C Fig.18) Utilizza la riflessione diretta (diffusa) dell’oggetto da rilevare.

Vantaggi: Non è più necessario il catarifrangente.

Svantaggi: La distanza di rilevamento non supera i 2 m e varia con il colore dell’oggetto da “vedere” e dallo sfondo davanti al quale si trova (per una data regolazione, la distanza di rilevamento è maggiore per un oggetto bianco che per un oggetto grigio o nero) e uno sfondo più chiaro dell’oggetto da rilevare può compromettere il funzionamento del sistema.

• A riflessione diretta con soppressione dello sfondo (C Fig.19) Questo sistema il rilevamento permette di rilevare oggetti di colore e riflettività diversi mediante triangolazione.

La distanza di rilevamento (fino a 2 m) non dipende dal potere di riflessione dell’oggetto, ma solo dalla sua posizione: un oggetto chiaro viene rilevato alla stessa distanza di un oggetto scuro. Infine uno sfondo posto al di là della zona di rilevamento verrà ignorato.

v Fibre ottiche • Principio Il principio della propagazione delle onde luminose nella fibra ottica è la riflessione totale interna.

La riflessione totale interna si verifica quando un raggio luminoso passa da un materiale ad un altro materiale avente indice di rifrazione inferiore. La luce viene riflessa totalmente (C Fig.20) e non si verifica alcuna perdita di luce quando l’angolo di incidenza del raggio luminoso è maggiore dell’angolo critico [θc].

La riflessione totale interna è regolata da due fattori: gli indici di rifrazione dei due materiali e l’angolo critico.

Questi due fattori sono collegati dalla seguente formula:

Conoscendo gli indici di rifrazione dei due materiali dell’interfaccia l’angolo critico è facilmente calcolabile.

Fisicamente l’indice di rifrazione di un materiale è il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto (c) e la sua velocità nel materiale (v).

L’indice di rifrazione dell’aria è considerato uguale a quello del vuoto, poichè la velocità della luce nell’aria è all’incirca uguale a quella nel vuoto.

• Fibre ottiche multimodali e monomodali Esistono due tipi di fibra ottica: multimodale e monomodale (C Fig.21).

- Fibre ottiche multimodali

La parte centrale delle fibre che conduce la luce ha un diametro grande rispetto alla lunghezza d’onda utilizzata (φ da 9 a 125 µm, Lo = da 0.5 a 1 mm). Il profilo dell’indice di rifrazione delle fibre multimodali può essere: a gradino (step-index) o graduale (graded-index).

- Fibre ottiche monomodali

La parte centrale delle fibre che conduce la luce ha un diametro molto piccolo rispetto alla lunghezza d’onda utilizzata (φ <= 1 µm, Lo = generalmente 1.5 µm). Le fibre monomodali hanno profilo d’indice a gradino. Sono utilizzate soprattutto per le telecomunicazioni.

È importante ricordare che la loro messa in opera richiede un’attenzione particolare, soprattutto nell’installazione delle fibre (sforzi di trazione ridotti e raggi di curvatura limitati come indicato dai produttori).

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Rilevamento dati 6.5 Interruttori fotoelettrici 6.6 Interruttori ad ultrasuoni

A Fig. 22 Principio di funzionamento di un interruttore a fibre ottiche

Le fibre ottiche più utilizzate nell’industria sono quelle multimodali che offrono i vantaggi di tenuta elettromagnetica (EMC o Compatibilità ElettroMagnetica) e semplicità di messa in opera.

• Tecnologia degli interruttori Le fibre ottiche sono posizionate davanti al LED emettitore e davanti al fotodiodo o fototransistor ricevitore (C Fig.22).

Questo principio di funzionamento permette: - di allontanare l’elettronica dal punto di controllo, - di raggiungere spazi molto esigui o a temperature elevate, - di rilevare oggetti molto piccoli (nell’ordine del mm), - di funzionare in modo sbarramento o prossimità a seconda della

posizione dell’estremità delle fibre.

È importante notare che i collegamenti tra il LED emettitore o il fototransistor ricevitore e la fibra ottica devono essere realizzati con estrema cura per ridurre al minimo le perdite di trasmissioni.

b Prestazioni degli interruttori fotoelettrici Le prestazioni di questi sistemi di rilevamento possono essere influenzate da diversi fattori quali:

- la distanza (interruttore-oggetto), - il tipo di oggetto da rilevare (materiale diffusore, riflettente o

trasparente, colore e dimensioni), - le caratteristiche ambientali (luce ambiente, presenza sfondo, ecc...).

6.6 Gli interruttori ad ultrasuoni

A Fig. 23 Principio di un trasduttore elettroacustico

A Fig. 24 Principio di un interruttore ad ultrasuoni

b Principio I sensori ad ultrasuoni sono dispositivi composti da un trasduttore elettroacustico che convertono l’energia elettrica (C Fig.23) che gli viene fornita in energia meccanica di vibrazione. Possono essere piezoelettrici o magnetostrittivi a seconda che utilizzino il principio della magnetostrizione o l’effetto piezoelettrico (C Fig.23).

L’interruttore a ultrasuoni misura il tempo di propagazione dell’onda acustica tra il rilevatore e l’oggetto da rilevare.

La velocità di propagazione è di 340 m/s nell’aria a 20 °C (ad esempio per 1 m il tempo da misurare è dell’ordine di 3 ms).

Il tempo viene misurato dal contatore di un microcontrollore.

Il vantaggio dei sensori a ultrasuoni è rappresentato dalla grande distanza di rilevamento (fino a 10 m), ma soprattutto dalla capacità di rilevare qualsiasi oggetto che riflette il suono, indipendentemente dalla sua forma e dal colore.

b Applicazione (C Fig.24)

Eccitato dal generatore alta tensione il trasduttore (emettitore-ricevitore) emette un’onda ultrasonica pulsata (da 100 a 500 kHz a seconda del prodotto) che si sposta nell’aria alla velocità del suono.

Nel momento in cui l’onda incontra un oggetto, un’onda riflessa (eco) ritorna verso il trasduttore. Un microprocessore analizza il segnale ricevuto e misura l’intervallo di tempo tra il segnale emesso e l’eco.

Il confronto tra i tempi predefiniti o rilevati consente al microprocessore di determinare e controllare lo stato delle uscite. Conoscendo la velocità di propagazione del suono è possibile dedurre una distanza applicando la seguente formula: D = T.Vs/2 ove D: distanza dall’interruttore all’oggetto, T: tempo trascorso tra l’emissione dell’onda e la sua ricezione, Vs: velocità del suono (300 m/s).


A Fig. 25 Limiti d’impiego di un interruttore ad ultrasuoni

A Fig. 26 Utilizzo degli interruttori ad ultrasuoni a) In modo prossimità o riflessione diretta, b) In modo riflessione

Il modulo di uscita [5] controlla un commutatore statico (transistor PNP o NPN) corrispondente ad un contatto a chiusura o ad apertura, o mette a disposizione un segnale analogico (corrente o tensione) direttamente o inversamente proporzionale alla distanza dell’oggetto misurata.

b Particolarità degli interruttori ad ultrasuoni v Definizioni (C Fig.25) Zona cieca: Zona compresa tra la faccia sensibile dell’interruttore e la portata minima all’interno della quale nessun oggetto può essere rilevato in modo affidabile. In questa zona è impossibile rilevare gli oggetti in modo corretto.

Evitare il passaggio di oggetti nella zona cieca durante il funzionamento dell’interruttore perchè questo potrebbe provocare un’instabilità delle uscite.

Zona di rilevamento: campo nel quale l’interruttore è sensibile. A seconda dei modelli degli interruttori, la zona di rilevamento può essere configurata in regolabile o fissa con un semplice pulsante.

Fattori d’influenza: Gli interruttori ad ultrasuoni sono adatti in modo particolare al rilevamento di oggetti duri e con una superficie piana perpendicolare all’asse di rilevamento.

Tuttavia il funzionamento degli interruttori ad ultrasuoni può essere disturbato da diversi fattori:

- Le correnti d’aria brusche e di forte intensità possono accelerare o deviare l’onda acustica emessa dal prodotto (espulsione del pezzo causata da un getto d’aria).

- I gradienti di temperatura importanti nel campo di rilevamento. Un forte calore sprigionato da un oggetto crea zone a temperature diverse che modificano il tempo di propagazione dell’onda impedendo un rilevamento affidabile.

- Gli isolanti fonici. I materiali quali il cotone, i tessuti, la gomma assorbono il suono; per questi prodotti si consiglia il rilevamento «a riflessione».

- L’angolo tra la faccia dell’oggetto da rilevare e l’asse di riferimento dell’interruttore. Quando l’angolo è diverso da 90°, l’onda non viene più riflessa nell’asse dell’interruttore e la portata di lavoro diminuisce. Maggiore è la distanza tra l’oggetto e l’interruttore tanto più accentuato è questo effetto. Oltre i ± 10°, il rilevamento è impossibile.

- La forma dell’oggetto da rilevare. Conseguentemente a quanto sopra precisato un oggetto molto spigoloso è più difficile da rilevare.

v Modo di funzionamento (C Fig.26) • A riflessione diretta. Un solo ed unico interruttore emette l’onda sonora poi la capta dopo la riflessione su un oggetto.

In questo caso è l’oggetto che garantisce la riflessione.

• A riflessione. Un solo ed unico interruttore emette l’onda sonora poi la riceve in seguito alla riflessione di un riscontro fisso; di conseguenza l’interruttore è costantemente in funzione. Il riscontro fisso, in questo caso, sarà un elemento piano e rigido, eventualmente una parte della macchina. Il rilevamento dell’oggetto viene effettuato quindi mediante interruzione dell’onda. Questo sistema è adatto in modo particolare al rilevamento di materiali ammortizzanti o di oggetti spigolosi.

• A sbarramento. Il sistema a sbarramento è composto da due prodotti indipendenti che devono essere posizionati faccia a faccia: un emettitore ad ultrasuoni e un ricevitore.

b Prestazioni del rilevamento ad ultrasuoni Nessun contatto fisico con l’oggetto, quindi nessuna usura e possibilità di rilevare oggetti fragili o con vernice fresca.

Rilevamento possibile di qualsiasi materiale, qualsiasi sia il colore, alla stessa portata, senza regolazione o fattore di correzione.


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Rilevamento dati 6.6 Interruttori ad ultrasuoni 6.7 Sistema di identificazione a radio frequenza

RFID o Radio Frequency IDentification

Apparecchi statici: nessun pezzo in movimento all’interno dell’interruttore, quindi durata indipendente dal numero di cicli di manovra.

Buona tenuta alle caratteristiche ambientali industriali: resistente alle vibrazioni e agli urti, resistente agli ambienti difficili.

Funzione di apprendimento mediante semplice pressione su un pulsante per definire il campo di rilevamento effettivo. Apprendimento della portata minima e massima (soppressione dello sfondo e del piano anteriore molto precisa ± 6 mm).

6.7 Sistema di identificazione a radio frequenza RFID o Radio Frequency IDentification

A Fig. 27 Organizzazione di un sistema RFID

A Fig. 28 Presentazione degli elementi di un sistema RFID (Sistema Inductel di Telemecanique)

A Fig. 29 Funzionamento di un sistema RFID

Questo capitolo presenta i dispositivi utilizzati per il salvataggio e la gestione dei dati memorizzati nelle etichette elettroniche a partire da un segnale radiofrequenza.

b Generalità Il sistema di identificazione radiofrequenza (RFID) è una tecnologia di identificazione automatica relativamente recente, adatta alle applicazioni che richiedono il controllo di oggetti o persone (rintracciabilità, controllo accessi, smistamento, stoccaggio).

Il principio è quello di associare a ciascun oggetto una capacità di memorizzazione accessibile senza contatto, in lettura e in scrittura.

I dati vengono salvati in una memoria accessibile mediante semplice collegamento in radio frequenza, senza contatto né campo di visione, ad una distanza che da qualche centimetro può arrivare a diversi metri. Questa memoria prende la forma di un’etichetta elettronica o tag RFID, chiamata anche trasponder, all’interno della quale si trova un circuito elettronico e un’antenna.

b Principi di funzionamento Un sistema RFID è costituito dai seguenti elementi (C Fig.27 e 28):

- Un’etichetta elettronica o tag, - Una stazione di lettura/scrittura (o lettore rfid).

v Il lettore Modula l’ampiezza del campo irradiato dalla sua antenna per trasmettere degli ordini di lettura o di scrittura alla logica di elaborazione dell’etichetta. Simultaneamente, il campo elettromagnetico generato dalla sua antenna alimenta il circuito elettronico dell’etichetta.

v L’etichetta Trasmette le sue informazioni in ritorno verso l’antenna del lettore modulando il suo proprio consumo. Questa modulazione viene rilevata dal circuito di ricezione del lettore che la converte in segnali digitali (C Fig.29).

b Descrizione degli elementi v Le etichette elettroniche (C Fig.30) Le etichette elettroniche sono costituite da tre elementi principali contenuti in un involucro.

• Antenna L’antenna deve essere adatta alla frequenza della portante, quindi può presentarsi sotto diverse forme:

- Bobina in filo di rame, con o senza nucleo di ferrite (canalizzazione delle linee di campo), o ancora incisa su circuito stampato flessibile o rigido, o stampata (inchiostro conduttivo) per le frequenze inferiori a 20 MHz.

- Dipolo inciso su circuito stampato, o stampato (inchiostro conduttivo) A Fig. 30 Fotografia interna di un’etichetta RFID

per le frequenze molto alte (>800 MHz).


L

• Un circuito logico di elaborazione Il suo ruolo è di assicurare l’interfaccia tra gli ordini captati dall’antenna e la memoria. La sua complessità dipende dalle applicazioni, dalla semplice configurazione fino all’utilizzo di un microcontrollore (ad esempio schede di pagamento protette con algoritmi di criptografazione).

• Una memoria Per memorizzare le informazioni nelle etichette elettroniche vengono utilizzati diversi tipi di memorie (C Fig.31).

Tipo

ROM

Vantaggi

• Buona resistenza alle temperature elevate

• Prezzo basso

Inconvenienti

• Solo lettura

EEPROM • Nessuna pila o batteria di emergenza • Tempo di accesso relativamente lungo in lettura o scrittura

• Numero di scritture limitato a 100 000 cicli per byte

RAM • Rapidità di accesso ai dati

• Capacità elevata

• Numero illimitato di letture o scritture

• Richiede di inserire una pila di emergenza nell’etichetta

FeRAM (ferroelettrica)

• Rapidità di accesso ai dati

• Nessuna pila o batteria di emergenza

• Capacità elevata

• Numero di scritture e letture limitato a 10 12

6A Fig. 31 Diversi tipi di memorie utilizzate per memorizzare le informazioni nelle etichette elettroniche

a b

A Fig. 32 a e b Diverse forme di etichette RFID adatte al loro uso

A Fig. 33a Stazione d’interfaccia RFID

A Fig. 33b Lettore RFID Telemecanique Inductel

Le capacità di queste memorie vanno da qualche byte fino a più decine di k byte.

Alcune etichette dette «attive» integrano una pila che alimenta la parte elettronica. Questa configurazione consente di aumentare la distanza di dialogo tra l’etichetta e l’antenna, ma richiede la sostituzione regolare della pila.

v Un involucro Per riunire e proteggere i tre elementi attivi di un’etichetta sono stati creati involucri adatti a ciascun tipo di applicazione, quali ad esempio: (C Fig.32a)

- Badge formato carta di credito per controllo accesso delle persone, - Supporto adesivo per identificazione dei libri nelle biblioteche, - Capsula in vetro (microchip) per identificazione degli animali domestici

(iniezione sottocutanea), - Targhette in plastica per l’identificazione di capi di abbigliamento e di

biancheria, - Targhette per il controllo della posta.

Sono disponibili molte altre varianti di involucri: portachiavi, «chiodi» in plastica per l’identificazione di pallet di legno, o contenitori resistenti agli urti e ai prodotti chimici (C Fig.32b) adatti alle applicazioni industriali (trattamento superfici, forni, ecc...).

v Le stazioni: Una stazione (C Fig.33a) svolge la funzione di interfaccia tra il sistema di gestione (controllore programmabile, computer, ecc...) e l’etichetta elettronica, attraverso un’apposita porta di comunicazione (RS232, RS485, Ethernet, ecc...).

A seconda delle applicazioni si può anche integrare un certo numero di funzioni complementari:

- ingressi/uscite ON/OFF, - elaborazione locale per funzionamento in autonomo, - comando di più antenne, - rilevamento con un’antenna integrata per un sistema più compatto

(C Fig.33b).


Rilevamento dati 6.7 Sistema di identificazione a radio frequenza RFID o Radio Frequency IDentification

A Fig. 34

v Antenne Le antenne sono caratterizzate dalle loro dimensioni (che determinano la forma della zona nella quale possono scambiare le informazioni con le etichette) e dalla frequenza del campo irradiato. L’utilizzo di ferriti permette di concentrare le linee di campo elettromagnetico in modo da aumentare la distanza di lettura (C Fig.34) e diminuire l’eventuale influenza di masse metalliche vicine all’antenna.

Le frequenze utilizzate dalle antenne sono ripartite su più bande distinte, poiché ogni banda presenta dei vantaggi e degli inconvenienti (C Fig.35).

Influenza di un’antenna in ferrite sulle linee di campo elettromagnetico

Frequenza Vantaggi Inconvenienti Applicazione tipica

125-134 khz (BF) • Immunità agli ambienti (metallo, acqua, ecc...)

• Bassa capacità di memoria • Tempo di accesso lungo

• Identificazione degli animali domestici

13.56 Mhz (HF) • Protocolli di dialogo antenna/etichetta normalizzati (ISO 15693 - ISO 14443 A/B)

• Sensibilità agli ambienti metallici

• Controllo dei libri nelle biblioteche • Controllo dell’accesso • Pagamenti

850 - 950 Mhz (UHF) • Bassissimo costo delle etichette • Distanza di dialogo importante

(diversi metri)

• Gamme di frequenze non omogenee da un Paese all’altro

• Disturbi creati da ostacoli (metallo, acqua, ecc...) nella zona

• Gestione dei prodotti nella distribuzione

2.45 Ghz (micro-onde)

• Velocità elevata di trasferimento tra antenna ed etichetta

• Distanza di dialogo importante (diversi metri)

• « Buchi » nella zona di dialogo difficili da controllare

• Costo dei sistemi di lettura

• Controllo dei veicoli (pagamenti autostradali)

A Fig. 35 Descrizione delle bande di frequenze utilizzate in RFID

Le potenze e le frequenze utilizzate variano in funzione delle applicazioni dei diversi Paesi. Sono state identificate tre grandi zone geografiche di riferimento: Nord America, Europa e resto del mondo. A ciascuna zona e a ciascuna frequenza corrisponde un modello autorizzato di spettro di emissione (norma CISPR 300330) nel quale ciascuna stazione/antenna RFID deve essere iscritta.

v Codifica e protocollo I protocolli di scambio tra le stazioni e le etichette sono definiti da norme internazionali (ISO 15693 - ISO 14443 A/B).

Vi sono anche standard più specializzati in corso di definizione, ad esempio quelli destinati al settore della grande distribuzione (EPC -Electronic Product Code-) o per l’identificazione degli animali (ISO 11784).

b Prestazioni del sistema d’identificazione RFID Rispetto ai dispositivi a codice a barre (etichette o marcature e lettori), il sistema d’identificazione RFID presenta i seguenti vantaggi:

- possibilità di modifica delle informazioni contenute nell’etichetta, - lettura/scrittura attraverso la maggior parte dei materiali non metallici, - insensibilità a polveri, incrostazioni, ecc. - possibilità di registrare diverse migliaia di caratteri in un’etichetta, - confidenzialità delle informazioni (blocco dell’accesso ai dati contenuti

nell’etichetta).

Tutti questi vantaggi concorrono allo sviluppo dell’identificazione RFID nel settore dei servizi (ad esempio: controllo accessi sulle piste da sci) e della distribuzione.

La diminuzione costante dei prezzi delle etichette RFID dovrebbe inoltre portare i dispositivi RFID a sostituire i tradizionali codici a barre sui contenitori (cartoni, container, bagagli) in diversi settori, quali la logistica e i trasporti, ma anche sui prodotti in corso di fabbricazione nell’industria.


6.7 Sistema di identificazione a radio frequenza RFID o Radio Frequency IDentification

6.8 Sistemi di visione

Controllo di un pezzo meccanico. I contrassegni indicano le zone verificate dal sistema

A Fig. 36

6

Tuttavia è importante precisare che, utilizzando questi sistemi, l’attraente idea dell’identificazione automatica del contenuto dei carrelli davanti alle casse degli ipermercati, senza spostamento della merce, non può ancora essere presa in considerazione per ragioni fisiche e tecniche.

6.8 Sistemi di visione

b Principio È l’occhio della macchina che fornisce la vista al sistema di automazione.

Su un’immagine presa da una fotocamera le caratteristiche fisiche dell’oggetto sono digitalizzate e permettono quindi di conoscerne (C Fig.36):

- le dimensioni, - la posizione, - l’aspetto (stato della superficie, colore, luminosità, presenza di difetti), - la marcatura (loghi, marchi, caratteri, ecc...).

L’utente può anche automatizzare funzioni complesse: - di misura, - di guida, - e d’identificazione.

b I punti chiave del sistema di visione Un sistema di visione industriali è costituito da un sistema ottico (illuminazione, fotocamera e gruppo ottico), associato ad un’unità di elaborazione e ad un comando di azionatori.

• Illuminazione È essenziale avere un’illuminazione specifica e ad hoc, in grado di creare un contrasto sufficiente e stabile, per valorizzare gli elementi da controllare.

• Fotocamera e Ottica Dalla scelta dell’ottica e della fotocamera dipende la qualità dell’immagine (contrasto, definizione); questo con una distanza definita fotocamera/oggetto e un oggetto da esaminare ben determinato (dimensione, stato della superficie e dettagli da acquisire).

• Unità di elaborazione L’immagine acquisita dalla fotocamera viene trasmessa all’unità di elaborazione che contiene gli algoritmi di formazione e di analisi dell’immagine necessari alla realizzazione dei controlli.

I dati ottenuti vengono successivamente trasmessi al sistema di automazione o comandano direttamente un azionatore.

v Illuminazione • Le tecnologie di illuminazione

- Illuminazione a LED (Diodo Elettro Luminescente) Attualmente è il tipo di illuminazione privilegiato che assicura un’illuminazione omogenea di lunghissima durata (30 000 ore).

È disponibile a colori, ma il campo coperto è limitato a 50 cm circa.

- Illuminazione a tubo fluorescente alta frequenza Illuminazione a luce bianca che assicura una lunga durata (5 000 ore); il volume illuminato o «campo» è importante e dipende evidentemente dalla potenza luminosa utilizzata.

- Illuminazione alogena Illuminazione a luce bianca caratterizzata da una breve durata (500 ore); richiede una potenza notevole e può coprire un campo importante.


Rilevamento dati 6.8 Sistemi di visione

Questi tipi di illuminazione possono essere applicati in diversi modi. Per far risaltare la caratteristica da controllare vengono utilizzati principalmente cinque sistemi(C Fig.37):

- Anulare, - Retro-illuminazione, - Lineare diretto, - Radente, - Coassiale.

A Fig. 37 Tabella dei diversi tipi di illuminazione per i sistemi di visione industriale

Sistemi Caratteristiche Applicazioni tipo

Anulare

• Insieme di LED disposti ad anello • Consigliato per un controllo di precisione,

• Sistema d’illuminazione molto potente di tipo marcatura

• Permette d’illuminare l’oggetto lungo il suo asse, dall’alto

Retroilluminazione • Illuminazione posizionata dietro l’oggetto e di fronte alla fotocamera • Consigliato per misurare le dimensioni di un oggetto

• Consente di mettere in evidenza la sagoma • o analizzare elementi opachi dell’oggetto (ombra cinese)

Lineare diretto

• Utilizzato per mettere in evidenza una piccola superficie • Consigliato per la ricerca di difetti precisi, dell’oggetto da controllare e creare un’ombra portata il controllo della filettatura, ecc...

Radente

• Rilevamento dei bordi (contorni) • Consigliato per controllare i caratteri stampati,

• Controllare una marcatura lo stato di una superficie, rilevare le graffiature, ecc...

• Rilevare i difetti su superfici vetrate o metalliche

Coassiale

• Consente di mettere in evidenza delle superfici liscie • Consigliato per controllare, analizzare e misurare perpendicolari all’asse ottico orientando superfici metalliche piane o altre la luce verso uno specchio semi-riflettente superfici riflettenti


A Fig. 38

A Fig. 39

A Fig. 40

6

A Fig. 41

I formati di rilevatori utilizzati nell’industria

Scansione interallacciata

Scansione progressiva

Confronto delle scansioni

v Fotocamere e ottica • Le tecnologie delle fotocamere

- Fotocamera digitale CCD (Charged Coupled Device). Attualmente queste fotocamere vengono privilegiate per la loro buona definizione. Per i processi continui si utilizzano fotocamere lineari (CCD a configurazione lineare).

In tutti gli altri casi si utilizzano fotocamere a configurazione matriciale (CCD matriciale).

Le fotocamere industriali utilizzano diversi formati di risoluzione del sensore (C Fig.38) definiti in pollici: 1/3, 1/2 e 2/3 (1/3 e 1/2: videocamera, 2/3 e oltre: alta risoluzione industriale, televisione, ecc...).

Le ottiche sono dedicate a ciascun formato per utilizzare tutti i pixel disponibili.

- Fotocamera con sensore CMOS: progressivamente sostituita dalla tecnologia CCD. Costo interessante –>utilizzo per applicazioni base - Fotocamera Vidicon (tubo): ormai obsoleta.

• La scansione Le fotocamere utilizzano principalmente due modi per visualizzare il segnale video: la scansione interlacciata e la scansione progressiva (Progressive scan = full frame).

Nel caso in cui le vibrazioni e la presa d’immagine al volo siano frequenti si consiglia di utilizzare un sistema a Scansione progressiva (Progressive Scan) o Full Frame.

I rilevatori CCD consentono l’esposizione di tutti i pixel nello stesso momento.

• La scansione interlacciata La scansione interlacciata, usata nei formati televisivi standard, visualizza soltanto la metà delle linee orizzontali in una volta (C Fig.39).

Viene visualizzato il primo campo, contenente le linee con numero dispari, seguito dal secondo campo, contenente e linee con numero dispari. Questa tecnica permette di non aumentare la larghezza di banda a prezzo di qualche difetto poco visibile su uno schermo piccolo, in genere lo scintillio.

• La scansione progressiva È la tecnologia utilizzata in informatica: visualizza tutte le linee orizzontali di un immagine in una volta, come frame singolo (C Fig.40). A differenza della scansione interlacciata permette di acquisire l’immagine riga per riga: le immagini acquisite non vengono suddivise in campi diversi come accade con la scansione interlacciata. Questo tipo di tecnologia è particolarmente utile nelle applicazioni di videosorveglianza, soprattutto nel caso in cui sia necessario visualizzare in dettaglio immagini in movimento come nel caso di persone in fuga. Il suo interesse consiste soprattutto nell’eliminazione dello scintillio e nell’ottenimento di un’immagine stabile (C Fig.41).

• Il gruppo ottico - Gli obiettivi più utilizzati negli ambienti industriali sono quelli da avvitare con passo C o CS, Ø 25.4 mm.

- La distanza focale (f in mm) si esprime direttamente a partire dalle dimensioni dell’oggetto da inquadrare (H in m), dalla distanza D tra l’oggetto e l’obiettivo (D in m) e dalla dimensione dell’immagine (h in mm): f= D x h/H (C Fig.42). Si avrà anche angolo di campo = 2 x arctg (h/(2xf)). Quindi minore è la distanza focale e più il campo coperto è grande.

- La scelta del tipo di obiettivo si effettua quindi in funzione della distanza D e della dimensione del campo visualizzato H.

v Unità di elaborazione La sua elettronica ha due funzioni fondamentali: formare l’immagine e poi analizzarla migliorata.

A Fig. 42 La distanza focale


Rilevamento dati 6.8 Sistemi di visione

• Algoritmi di formazione dell’immagine Le pre-elaborazioni cambiano il livello di grigio dei pixel. Il loro scopo è di migliorare l’immagine, per poterla analizzare con più efficacia. Tra le possibili funzioni di pre-elaborazione le più utilizzate sono:

- la binarizzazione, - la proiezione, - l’erosione/dilatazione, - l’apertura/chiusura.

• Algoritmi di analisi di immagine. Nella tabella della Fig. 43 sono presenti diversi algoritmi di analisi di immagine. È importante notare che nella colonna «Requisiti» sono indicate le elaborazioni d’immagine che precedono questa analisi.

Algoritmo di analisi

dell’immagine

Principio di funzionamento e utilizzo privilegiato (in grassetto)

Requisiti Vantaggi Limiti

Linea Conteggio di pixel, d’oggetto Presenza/Assenza, conteggio

Binarizzazione ed eventualmente regolaz. dell’esposizione

Molto rapido (<ms) Attenzione alla stabilità dell’immagine rispetto alla binarizzazione

Finestra binaria Conteggio di pixel Presenza/Assenza, analisi di superficie, controllo d’intensità

Binarizzazione ed eventualmente regolazione esposizione

Rapido (ms) Attenzione alla stabilità dell’immagine rispetto alla binarizzazione

Finestra

livello di grigio

Calcolo del livello di grigio medio Presenza/Assenza, analisi di superficie, controllo d’intensità

Nessuno

Bordo binario Rilievo bordo su immagine binaria Misura, presenza/assenza, posizionamento


Precisione al pixel. Attenzione alla stabilità dell’immagine rispetto alla binarizzazione

Bordo livello di grigio

Rilievo bordo su immagine a livello di grigio Misura, presenza/assenza, posizionamento

Nessuno ed eventualmente regolazione esposizione

Precisione sub-pixel possibile. Pre-elaborazione proiezione livello di grigio possibile

Richiede un riposizionamento preciso

Estrazione di forma

Conteggio, rilevamento oggetto, rilevamento misure e parametri geometrici Posizionamento, ri-posizionamento, misura, smistamento, identificazione


Numerosi risultati estratti, polivalente. Consente un riposizionamento a 360°

Precisione al pixel. Attenzione alla stabilità dell’immagine rispetto alla binarizzazione. Tempo da 10 a 100 ms

Confronto avanzato

Riconoscimento di forma, posizionamento, ri-posizionamento, misura, smistamento, conteggio, identificazione

Nessuno Facile da realizzare

Riconoscimento limitato a 30°. Tempo da 10 a 100 ms se modello e/o zona di ricerca importante

OCR/OCV Riconoscimento caratteri (OCR) o verifica di caratteri o loghi (OCV)

Attenzione particolare al contrasto dell’immagine. Ingrandire al massimo l’immagine. Utilizzare un riposizionamento

Lettura di ogni tipo di carattere o logo mediante apprendimento di una biblioteca (alfabeto)

Attenzione alla stabilità della marcatura da controllare nel tempo (ad es. pezzi imbutiti)

A Fig. 43 I diversi algoritmi di analisi dell’immagine utilizzati nei sistemi di visione industriali


6.9 Encoder optoelettronici

A Fig. 44 Encoder rotativo optoelettronico

A Fig. 45 Principio di un encoder incrementale

A Fig. 46 Disco graduato di un encoder incrementale

6.9 Gli encoder optoelettronici

b Presentazione di un encoder rotativo optoelettronico v Composizione L’encoder rotativo optoelettronico è un rilevatore di posizione angolare. L'asse dell'encoder è collegato meccanicamente all'albero della macchina che lo trascina e fa ruotare un disco ad esso collegato che presenta una serie di parti opache e trasparenti in successione.

La luce emessa da diodi elettroluminescenti (LED) attraversa le zone trasparenti del disco giungendo sui fotodiodi ricevitori. I fotodiodi generano quindi un segnale elettrico che viene amplificato e convertito in segnale digitale prima di essere trasmesso ad una unità di elaborazione. La Fig. 44 mostra un encoder rotativo optoelettronico.

v Principi La rotazione di un disco graduato, funzione dello spostamento dell’oggetto da controllare, genera degli impulsi tutti simili in uscita da un rilevatore ottico.

La risoluzione, ovvero il numero di impulsi al giro, corrisponde al numero di piste sul disco o ad un multiplo di quest’ultimo. Più il numero di punti è elevato, più il numero di misure al giro consentirà una divisione più fine dello spostamento o della velocità dell’oggetto mobile collegato all’encoder.

Esempio applicativo: taglio in lunghezza.

La risoluzione si esprime con la formula distanza percorsa per 1 giro

numero di punti

Quindi, se il prodotto da tagliare misura 200 mm e la precisione del taglio è 1 mm, l’encoder dovrà avere una risoluzione di 200 punti. Per una precisione di 0.5 mm la risoluzione dell’encoder dovrà essere uguale a 400 punti.

v Realizzazione pratica (C Fig.45) La parte emissione viene realizzata da una sorgente luminosa tripla composta da tre fotodiodi o LED (per la ridondanza), con una durata dai 10 ai 12 anni.

Un ASIC associato al rilevatore ottico consente di ottenere dei segnali digitali dopo l’amplificazione.

Il disco è in POLYFASS (Mylarmica) incassabile per risoluzioni che raggiungono:

- 2 048 punti per un diametro di 40 mm, - 5 000 punti per un diametro di 58 mm, - 10 000 punti per un diametro di 90 mm,

o VETRO per risoluzioni superiori e frequenze di lettura elevate, fino a 300 KHz.

b Gamme di encoder optoelettronici L’offerta dei costruttori consente di coprire tutte le applicazioni industriali. con diverse gamme di prodotti (C Fig.46) :

- gli encoder incrementali che consentono di conoscere la posizione di un oggetto mobile e di controllarne lo spostamento mediante conteggio bidirezionale degli impulsi emessi,

- gli encoder assoluti di posizione che forniscono la posizione esatta su uno o più giri.

Entrambe le gamme offrono varianti quali: - gli encoder assoluti multi-giro, - gli encoder tachimetrici che forniscono anche le misure di velocità, - i tachimetri che elaborano le informazioni per fornire le misure di velocità.

6


Rilevamento dati 6.9 Encoder optoelettronici

A Fig. 47 Principio di rilevamento del senso di rotazione e del top zero

A Fig. 48 Aumento del numero di punti

A Fig. 49 Eliminazione dei disturbi

Tutti questi dispositivi utilizzano tecniche simili e si distinguono per la finestratura dei dischi e il modo in cui il segnale ottico viene elaborato o codificato.

v Encoder incrementali Gli encoder incrementali sono adatti alle applicazioni di posizionamento e di controllo dello spostamento di un oggetto mobile mediante conteggio bidirezionale degli impulsi emessi.

• Il disco di un encoder incrementale è composto da due tipi di piste: - una o più piste esterne (vie A e B), suddivise in “n” intervalli uguali,

alternativamente opachi e trasparenti, ove “n” rappresenta la risoluzione o il numero di periodi dell'encoder. Dietro la pista esterna sono installati due fotodiodi scalati che forniscono segnali digitali A e B ogni qual volta il fascio luminoso attraversa una zona trasparente. Lo sfasamento di 90° elettrico (1/4 di periodo) dei segnali A e B consente di determinare il senso di rotazione: (C Fig.47). In un senso, il segnale B è a 1 in corrispondenza del fronte di salita del segnale A, mentre nel senso opposto è a 0,

- una pista interna (pista Z) comprendente una sola finestra, che fornisce la posizione di riferimento e che consente una reinizializzazione ad ogni giro (top 0). Il segnale Z, chiamato "top zero" è sincronizzato con i segnali A e B.

• Utilizzo delle vie A e B Gli encoder incrementali consentono tre livelli di precisione di elaborazione:

- utilizzo dei fronti di salita solo della via A: elaborazione semplice, corrispondente alla risoluzione dell'encoder,

- utilizzo dei fronti di salita e di discesa solo della via A: la precisione di elaborazione è raddoppiata,

- utilizzo dei fronti di salita e di discesa delle vie A e B: la precisione di elaborazione è quadruplicata. (C Fig.48).

• Eliminazione dei disturbi Qualsiasi sistema di conteggio può essere disturbato dalla comparsa di parassiti in linea che vengono conteggiati come impulsi emessi dall'encoder.

Per evitare questo rischio la maggior parte degli encoder incrementali emette, oltre ai segnali A, B e Z, i segnali complementari A, B et Z . Se il sistema di elaborazione è progettato per poterli utilizzare (comandi numerici NUM ad esempio), i segnali complementari consentono di differenziare gli impulsi encoder dagli impulsi parassiti (C Fig.49), evitando che questi ultimi vengano presi in considerazione, o addiritttura la ricostruzione del segnale emesso (C Fig.50).

v Encoder assoluti • Principio di realizzazione Gli encoder assoluti sono destinati alle applicazioni di controllo spostamento e posizionamento di un oggetto mobile.

Sono rotativi e funzionano in modo simile ai rilevatori incrementali, ma se ne distinguono per il tipo di disco che presenta più piste concentriche divise in segmenti uguali alternativamente opachi e trasparenti. Un encoder assoluto emette costantemente un codice che rappresenta l'immagine della posizione reale dell'oggetto mobile da controllare.

A Fig. 50 Ricostruzione di un segnale disturbato con e senza segnale complementare


A Fig. 51 Dischi incisi da un encoder assoluto

A Fig. 52 Segnale fornito in codice Gray da un encoder rotativo assoluto

A Fig. 53 Principio di transcodificazione di Gray in binario

A Fig. 54 Posizionamento di un oggetto mobile su un asse

La prima pista interna (C Fig.51) è composta da una metà opaca e da una metà trasparente. La lettura di questa pista consente di determinare in quale metà si trova l’oggetto (MSB: Most Significant Bit).

Le piste successive, dal centro verso l’esterno del disco, sono suddivise in quattro quarti alternativamente opachi e trasparenti. La lettura di questa pista, combinata con la lettura della pista precedente, consente di determinare in quale quarto di giro è situato l’oggetto. Le piste successive consentono infine di determinare in quale ottavo di giro, sedicesimo di giro, ecc., si trova l’oggetto.

La pista esterna, corrisponde al bit meno significativo (LSB : Least Significant Bit).

Il numero di uscite parallele corrisponde al numero di bit o di piste del disco. L’immagine dello spostamento richiede una coppia diodo/fototransistor pari ai bit emessi o alle piste del disco. La combinazione di tutti i segnali in un dato istante fornisce la posizione dell’oggetto.

Per ogni posizione angolare dell'asse il disco degli encoder assoluti fornisce un codice numerico. Un solo codice corrisponde ad una sola posizione. Il codice emesso da un encoder assoluto può essere un codice binario o un codice Gray (C Fig.52).

• Vantaggi degli encoder assoluti L’encoder assoluto presenta due importanti vantaggi rispetto all’encoder incrementale:

- insensibilità alle interruzioni dell’alimentazione dal momento che alla messa sotto tensione o in caso di interruzione della tensione l’encoder fornisce un’informazione immediatamente utilizzabile dal sistema di elaborazione, corrispondente alla posizione angolare reale dell’oggetto. L’encoder incrementale richiede tuttavia una reinizializzazione prima di poter utilizzare utilmente i segnali.

- insensibilità ai disturbi in linea. Un disturbo può modificare il codice emesso da un encoder assoluto, ma questo codice torna automaticamente corretto alla scomparsa del disturbo. Con un encoder incrementale il disturbo viene elaborato tranne che nel caso in cui vengano utilizzati i segnali complementari .

• Utilizzo dei segnali Per ogni posizione angolare dell’asse il disco fornisce un codice che può essere un codice binario oppure un codice Gray:

- Il codice binario permette di effettuare le 4 operazioni aritmetiche su numeri espressi in questo codice ed è quindi direttamente utilizzabile dai sistemi di elaborazione (controllori programmabili ad esempio) per effettuare calcoli o comparazioni. Tuttavia presenta l'inconveniente di avere più bit che cambiano di stato tra due posizioni con conseguente possibile ambiguità di lettura. Per evitare questa ambiguità gli encoder assoluti generano un segnale d’inibizione che blocca le uscite ad ogni cambio di stato. - Il codice Gray presenta il vantaggio di avere un solo bit che cambia tra

due numeri consecutivi evitando possibili ambiguità di lettura. Per essere utilizzato da un sistema di automazione il codice Gray deve essere precedentemente transcodificato in binario (C Fig.53).

• Utilizzo di un encoder assoluto Nella maggior parte delle applicazioni, la costante ricerca di ottimizzazione della produttività impone spostamenti rapidi a grande velocità con successivi rallentamenti che permettano posizionamenti precisi.

Per raggiungere questo obbiettivo con schede I/O standard, quando la velocità è elevata è necessario controllare gli MSB in modo da far intervenire il rallentamento a un semi-giro (C Fig.54).

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Rilevamento dati 6.9 Encoder optoelettronici

Unità di elaborazione Encoder

Incrementale

Frequenza del segnale (kHz)

=< 0,2 =< 40 > 40

Assoluto

Collegamento in parallelo

Controllori programmabili

Ingressi ON/OFF X X

Conteggio rapido Schede d’assi

X X

Controllo numerico

X X X

Microcomputer Ingressi paralleli X

Schede specifiche X X X X

A Fig. 56

v Varianti degli encoder Per rispondere alle diverse esigenze d’impiego sono disponibili diverse varianti di prodotti quali:

- Encoder assoluti multi-giro, - Encoder tachimetrici e tachimetri, - Encoder ad asse pieno, - Encoder ad asse cavo, - Encoder ad asse traversante.

v Associazione encoder - unità di elaborazione I circuiti d’ingresso delle unità di elaborazione devono essere compatibili con i flussi d’informazioni forniti dagli encoder (C Fig.55).

A Fig. 55 Principali tipi di unità di elaborazione utilizzate nell’industria

Rappresentazione schematica di un alternatore tachimetrico

N

N

S

S

a

-c

b -a

c

-b

a'

-c'

b' -a'

c'

-b'

Rappresentazione schematica di una dinamo tachimetrica e di una realizzazione industriale

A Fig. 57


b I rilevatori di velocità Gli encoder sopra citati permettono di fornire un’informazione di velocità mediante elaborazione del segnale di uscita.

La panoramica sui rilevatori non è completa se tralasciamo di citare i rilevatori analogici di velocità, utilizzati principalmente per i sistemi di asservimento velocità e associati in particolare ai variatori per motori a corrente continua. Per il funzionamento ad anello chiuso dei convertitori di frequenza i variatori moderni utilizzano un rilevatore di velocità virtuale che, a partire da grandezze elettriche misurate nel variatore, ricostituiscono la velocità reale della macchina.

v Alternatore tachimetrico Questo rilevatore di velocità (C Fig.56) è composto da uno statore formato da più avvolgimenti e da un rotore che integra dei magneti.

Questo dispositivo è simile ad un alternatore.

La messa in rotazione provoca delle tensioni alternate negli avvolgimenti dello statore.

L’ampiezza e la frequenza del segnale generato dipendono direttamente dalla velocità di rotazione.

Per realizzare un asservimento o un’indicazione della velocità è possibile utilizzare sia la tensione (efficace o raddrizzata) che la frequenza.

Lo sfasamento degli avvolgimenti permette di rilevare facilmente il senso di rotazione.

v Dinamo tachimetrica Questo tipo di rilevatore di velocità è composto da uno statore che comprende un avvolgimento fisso e da un rotore che incorpora dei magneti (C Fig.57). Il rotore è dotato di un collettore e di spazzole.

A Fig. 58 Rappresentazione schematica di un rilevatore a riluttanza variabile

Questo dispositivo cchina è simile ad un generatore di corrente continua. Il collettore e il tipo di spazzole vengono scelti per limitare le tensioni di soglia e le discontinuità di tensione al passaggio delle spazzole. Permette di funzionare su un’ampia gamma di velocità.

La messa in rotazione induce una tensione continua la cui polarità dipende dal senso di rotazione e la cui ampiezza è proporzionale alla velocità.

Ampiezza e polarità possono essere utilizzate per realizzare un asservimento o avere un’indicazione della velocità.

La tensione fornita da questo tipo di rilevatore è compresa tra 10 e 60 volt/1000 giri al minuto; in alcuni modelli di dinamo può essere programmata dall’utente.

v I sensori di velocità a riluttanza variabile Lo schema della Fig. 58 mostra questo tipo di sensore.

Il nucleo magnetico della bobina è sottoposto ai flussi d’induzione di un magnete permanente. La bobina è posizionata a lato di un disco (ruota polare) o di un elemento ferromagnetico rotante.

Lo scorrimento delle discontinuità magnetiche (denti, fessure, fori) del disco o dal pezzo in rotazione provoca una variazione periodica della riluttanza del circuito magnetico della bobina che induce in quest’ultima una tensione di frequenza e d’ampiezza proporzionali alla velocità di rotazione.

L’ampiezza della tensione dipende: - dalla distanza bobina/pezzo, - dalla velocità di rotazione: inizialmente è proporzionale a questa

velocità. A bassa velocità l’ampiezza può essere troppo ridotta per essere rilevata, al di sotto di questa velocità limite il rilevatore diventa inutilizzabile.

L’ampiezza di misura dipende dal numero di discontinuità magnetiche del pezzo in rotazione. La velocità minima misurabile è tanto più bassa quanto più elevato è il numero di passi. In compenso la velocità massima misurabile sarà tanto più elevata quanto più basso sarà il numero di passi a causa della difficoltà di elaborare segnali di frequenza elevata. Le possibilità di misura variano in una gamma da 50 giri/min a 500 giri/min con una ruota da 60 denti ad una gamma da 500 giri/min a 10000 giri/min con una ruota da 15 denti.

La composizione del tachimetro a corrente di Foucault è simile; questo dispositivo è utilizzabile a fianco di un elemento rotante in metallo non ferromagnetico.

L’insieme bobina magnete permanente è sostituito da un circuito oscillante. La bobina, che è la testa di misura, costituisce l’induttanza L del circuito di un oscillatore sinusoidale. L’avvicinamento di un conduttore in metallo modifica le caratteristiche L e R della bobina.

La rotazione di una ruota dentata davanti alla bobina produce, al passaggio di ciascun dente, l’interruzione dell’oscillatore che viene rilevato, ad esempio, dalla modifica della corrente d’alimentazione dell’oscillatore.

Il segnale corrispondente ha una frequenza proporzionale alla velocità di rotazione e la sua ampiezza, non essendo qui determinata dalla velocità di rotazione, è indipendente da questa velocità. Ne risulta che questo tipo di rilevatore è utilizzabile a basse velocità.

Questo tipo di sensore può anche essere utilizzato per la misura di sottovelocità o sovra-velocità, come ad esempio il sensore induttivo per controllo rotazione XSAV o XS9 di Telemecanique.

6


Rilevamento dati 6.10 Pressostati e vacuostati

6.10 Pressostati e vacuostati

a b c

Esempio di rilevatori di pressione (marchio Telemecanique) a: Pressostato elettromeccanico tipo XML-B b: Pressostato elettronico tipo XML-F c:Trasmettitore di pressione tipo XML-G

A Fig. 59

A Fig. 60 Principio di un rilevatore di pressione elettromeccanico (marchio Telemecanique)

A Fig. 61 Sezione di un rilevatore di pressione (marchio Telemecanique)

A Fig. 62 Rappresentazione grafica dei termini comunemente utilizzati

b Cos’è la pressione? La pressione è il risultato di una forza applicata su una superficie. Se P è la pressione, F la forza e S la superficie, si avrà la relazione P=F/S.

La terra è circondata da uno strato d’aria che ha una certa massa e quindi esercita una data pressione chiamata “Pressione atmosferica”.

La pressione atmosferica è data in hpa (ettopascal) o mbar. 1hPa = 1mbar.

L’unità di misura della pressione del Sistema Internazionale è il Pascal (Pa): 1 Pa= 1N/1m2

L'unità di misura più comunemente utilizzata è invece il bar: 1bar = 105Pa = 105N/m2 = 10N/cm2

Pressostati, vacuostati e trasmettitori di pressione hanno la funzione di controllare, regolare o misurare una pressione o una depressione in un circuito idraulico o pneumatico.

I pressostati o vacuostati trasformano un cambiamento di pressione in segnale elettrico “ON/OFF” al raggiungimento dei punti di riferimento visualizzati. Possono essere elettromeccanici o elettronici (C Fig.59).

I trasmettitori di pressione (detti anche rilevatori analogici) trasformano la pressione in un segnale elettrico proporzionale e sono a tecnologia elettronica.

b I rilevatori per il controllo della pressione v Principio Gli apparecchi elettromeccanici utilizzano lo spostamento di una membrana, di un pistone o di un soffietto per azionare meccanicamente dei contatti elettrici (C Fig.60).

I I trasduttori di pressione elettronici Telemecanique sono caratterizzati da una cellula ceramica di misura della pressione (C Fig.61). La deformazione di questa cellula, dovuta alla variazione di pressione, viene rilevata dalle resistenze del Ponte di Wheatstone serigrafate sulla ceramica stessa. La variazione della resistenza viene in seguito trattata dal circuito elettronico integrato per dare un segnale digitale o proporzionale alla pressione (es.: 4-20mA , 0-10v…).

Il controllo o la misura della pressione risultano dalla differenza tra le pressioni ai due lati dell’elemento sottoposto alla pressione. A seconda della pressione di riferimento, si utilizza la seguente terminologia:

Pressione assoluta: misurata rispetto ad un contenitore sigillato, generalmente sotto vuoto

Pressione relativa: misurata rispetto alla pressione atmosferica.

Pressione differenziale: misura la differenza tra due pressioni.

È importante notare che i contatti elettrici di uscita possono essere: - di potenza, bipolari o tripolari, per il comando diretto di motori

monofase o trifase (pompe, compressori, ecc...), - standard, per il comando delle bobine di contattori, relè, elettrovalvole, ingressi controllore, ecc...

v Terminologia (C Fig.62)

• Terminologia generale

- Gamma di funzionamento È l'intervallo definito dal valore minimo del punto inferiore (PB) ed il valore massimo del punto superiore (PA) per i pressostati e i vacuostati. Corrisponde all’ampiezza di misura dei trasmettitori di pressione (o rilevatori analogici). È importante notare che le pressioni visualizzate sugli apparecchi hanno per base la pressione atmosferica.


a

b

c

A Fig. 63 Rappresentazione grafica dei termini specifici all’elettromeccanica

A Fig. 64 Rappresentazione grafica: a) la linearità. b) l'isteresi. c) la ripetibilità.

A Fig. 65 Rappresentazione grafica delle derive: a) della sensibilità. b) del punto zero.

- Calibro Valore massimo del campo di funzionamento per i pressostati. Valore minimo del campo di funzionamento per i vacuostati.

- Punto d’intervento superiore (PA) È il valore massimo della pressione regolato sul pressostato o sul vacuostato e in corrispondenza del quale il contatto cambierà di stato quando la pressione sarà crescente.

- Punto basso di riferimento (PB) È il valore minimo della pressione regolato sul pressostato o sul vacuostato e in corrispondenza del quale l’uscita del prodotto cambierà di stato quando la pressione sarà discendente.

- Differenziale È la differenza tra il punto d’intervento superiore (PA) e il punto d’intervento inferiore (PB).

- Apparecchi a differenziale fisso Il punto d’intervento inferiore (PB) è direttamente collegato al punto d’intervento superiore (PA) attraverso il differenziale.

- Apparecchi a differenziale regolabile La regolazione del differenziale consente di fissare il punto d’intervento inferiore (PB).

• Terminologia specifica dell’elettromeccanica (C Fig.63):

- Precisione d’impostazione del punto di riferimento (C Fig.63a) Tolleranza tra il punto d’intervento visualizzato e il valore reale di attivazione del contatto. Per un punto d’intervento preciso (1a installazione del prodotto), utilizzare il riferimento di un dispositivo di taratura (manometro, ecc.).

- Ripetibilità (R) (C Fig.63b) È la variazione del punto di intervento tra due manovre successive.

- Deriva (F) (C Fig.63c) È la variazione del punto di intervento per tutta la durata dell’apparecchio.

• Terminologia specifica dell’elettronica:

- La gamma di misura (EM) di un sensore di pressione corrisponde all’intervallo delle pressioni misurate dall’apparecchio. È compresa tra 0 bar e la pressione corrispondente al calibro del sensore.

- La precisione è costituita dalla linearità, dall’isteresi, dalla ripetibilità e dalle tolleranze di regolazione. È espressa in % del campo di misura del sensore di pressione (% EM).

- La linearità è la differenza maggiore tra la curva reale del sensore e la curva nominale (C Fig.64a).

- L’isteresi è la differenza maggiore tra la curva a pressione ascendente e la curva a pressione discendente (C Fig.64b).

- La ripetibilità è la banda di dispersione massima ottenuta facendo variare la pressione in date condizioni (C Fig.64c).

- Le tolleranze di regolazione sono le tolleranze di regolazione fornite dal costruttore del punto zero e della sensibilità (pendenza della curva del segnale di uscita del sensore).

- Derive in temperatura La precisione di un sensore di pressione è sempre sensibile alla temperatura di funzionamento. È proporzionale alla temperatura e si esprime in % EM / °C.

- Deriva della sensibilità e del punto zero (C Fig.65a e b) Il punto zero corrisponde al valore del segnale in assenza di pressione. La sensibilità fornisce il rapporto tra il segnale di uscita e la pressione.

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Rilevamento dati 6.10 Pressostati e vacuostati

Collegamento 2 fili e 3 fili

- Pressione massima ammissibile ad ogni ciclo (Ps) Pressione che un pressostato è in grado di sopportare ad ogni ciclo senza alcun effetto sulla sua durata. È pari, come minimo, a 1,25 volte il calibro dell’apparecchio.

- Pressione massima ammissibile accidentalmente È la pressione massima, fuori choc di pressione, a cui il sensore di pressione può essere sottomesso occasionalmente senza causare danni all’apparecchio

- Pressione di rottura È la pressione oltre la quale il sensore di pressione rischia di presentare una fuga o un’esplosione della parte meccanica.

Tutte queste definizioni riguardanti le pressioni sono di fondamentale importanza nella scelta del prodotto in grado di rispondere in modo ottimale alle esigenze applicative.

v Altre caratteristiche dei rilevatori di presenza In questo capitolo sono state presentate le diverse tecnologie di rilevamento, ognuna delle quali presenta particolari vantaggi e limiti d’impiego.

Per scegliere tra una tecnologia e un’altra è necessario tenere conto anche di altri criteri valutando con attenzione i dati riportati nelle tabelle di scelta inserite nei cataloghi dei costruttori. In base ai rilevatori è necessario prendere in considerazione in modo particolare:

- le caratteristiche elettriche, - le caratteristiche ambientali, - le opzioni di messa in opera.

b Criteri di scelta I paragrafi successivi presentano alcuni esempi di criteri di scelta che, senza essere centrati sulla funzione base, presentano vantaggi nella messa in opera e nell’utilizzo. Tutte queste informazioni sono presenti nei cataloghi dei costruttori e permettono di scegliere il dispositivo in modo corretto.

v Le caratteristiche elettriche • La tensione d’alimentazione che può essere AC o DC tenendo

conto della gamma di variazione.

• Le tecnologie di commutazione: tecnologia “2 fili” o “3 fili” (C Fig.66).

Tecnologia “2 fili”: il sensore è alimentato in serie con il carico ed è quindi soggetto ad una corrente residua allo stato non passante e ad una caduta di tensione allo stato passante. L’uscita può essere normalmete aperta o normalmete chiusa (NO/NC) ed essere quasi costantemente protetta contro i cortocircuiti.

Tecnologia “3 fili”: il rilevatore possiede due fili di alimentazione e un filo per la trasmissione del segnale di uscita (o più, in caso di prodotti a più uscite). L’uscita può essere del tipo a transistor PNP o NPN.

Entrambe le tecnologie sono comuni a molti costruttori, ma è importante prestare particolare attenzione alle correnti residue e alle cadute di tensione ai morsetti dei sensori: valori bassi garantiscono una miglior compatibilità con qualsiasi tipo di carico.

v Caratteristiche ambientali • Elettriche: - immunità ai disturbi in linea, - immunità alle radiofrequenze, - immunità agli shock elettrici, - immunità alle scariche elettrostatiche.

A Fig. 66


6.10 Pressostati e vacuostati 6.11 Conclusione

• Termiche Generalmente tra -25 e +70° per arrivare fino a -40 +120°C.

• Umidità/polveri

Grado di protezione dell’involucro (tenuta stagna): IP 68 ad esempio per applicazioni sottoposte a emissioni di olio da taglio nelle macchine utensili.

v Opzioni di messa in opera - Forma geometrica (cilindrica o parallelepipeda), - Scatola in metallo/in plastica, - Montaggio immerso o non immerso nel metallo, - Dispositivi di fissaggio, - Tipo di collegamento, con cavo o connettore, - Funzioni di auto-apprendimento.

6.11 Conclusione

b E in futuro? Le prestazioni dei sensori elettronici migliorano continuamente grazie all’evoluzione dell’elettronica, sia per quanto concerne le caratteristiche elettriche dei componenti che le loro dimensioni.

Con il boom delle telecomunicazioni (Internet, telefoni cellulari), le frequenze di lavoro dell’elettronica sono aumentate, da qualche centinaia di MHz ai Ghz. Di conseguenza è possibile, ad esempio, misurare più facilmente le velocità di propagazione delle onde e quindi liberarsi da fenomeni fisici locali. Inoltre, le tecnologie Bluetooth o Wi FI hanno permesso la realizzazione di dispositivi wireless (senza fili), con collegamenti radio su frequenze dell’ordine di 2.4 Ghz.

Altro aspetto interessante dell’elettronica moderna è rappresentato dall’elaborazione digitale del segnale: la diminuzione dei costi dei microcontrollori consente di aggiungere funzioni evolute a semplici sensori (autotuning sulle caratteristiche ambientali con acquisizione eventuale presenza di umidità, fumo, elementi metallici vicini, rilevatori “intelligenti” con funzioni di autocontrollo).

Grazie alle evoluzioni tecnologiche i sensori di rilevamento sapranno rispondere in modo ottimale alle esigenze iniziali ed essere al contempo facilmente adattabili alle evoluzioni e ai cambiamenti futuri; tutto questo ad un costo pressochè invariato. Il processo di innovazione richiede tuttavia investimenti importanti che attualmente solo i grandi produttori sono in grado di affrontare.

b L’importanza dei rilevatori Tutti i progettisti e gli utenti di sistemi automatici, dalla semplice porta di garage alla catena di produzione, sanno bene che il corretto funzionamento di un sistema di automazione dipende dalla scelta dei sensori atti a:

- proteggere i beni e le persone, - rendere più affidabile il sistema di automazione di un processo

industriale, - ottimizzare il controllo e comando delle apparecchiature industriali, - controllare i costi di gestione.

I rilevatori hanno tuttavia precise esigenze per quanto concerne la loro messa in opera e il loro utilizzo, esigenze inerenti le tecnologie utilizzate.

La tabella della Fig. 67 elenca le caratteristiche delle diverse tecnologie.

Questo per meglio valutare i limiti d’impiego e le regolazioni necessarie ai diversi prodotti.

In caso di dubbio o di difficoltà nella scelta del prodotto consigliamo di consultare gli specialisti dei costruttori.

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Rilevamento dati 6.12 Guida alla scelta delle diverse tecnologie

6.12 Guida alla scelta delle diverse tecnologie

Oggetto rilevato Distanza di rilevamento Ambiente Tecnologia Trasferimento e messa in forma

Vantaggi

Elementi indeformabili

Mediante contatto da 0 a 400mm (leva)

Meccanica Contatto elettromeccanico

Intuitivo, contatto a secco di forte potenza Contatto positivo

Pezzi metallici --> 60mm Tutti i tipi

Induttiva Statico ON/OFF o analogico

Robusto, a tenuta stagna Difficilmente perturbabile

Magneti --> 100mm Magnetica Contact reed Rileva attraverso tutti i materiali non ferrosi

Senza polveri Portata elevata --> 300m Senza presenza Fotoelettrica Rilevamento di tutti i

di fluidi tipi di oggetti

Qualsiasi tipo di pezzo

--> 60 mm Secco Capacitiva Statico ON/OFF o analogico

Rilevamento attraverso tutti i materiali non conduttori

--> 15m Senza rumori rilevanti (onde d’impulso) Senza vapori

Ultrasonica

Robusto Rileva i materiali trasparenti e le polveri

Etichetta elettronica, libri, pezzi, pacchi…

Alcuni metri Sensibile al metallo Radiofrequenza Dati numerici Etichetta per lettura scrittura, rintracciabilità

Algoritmo di Oggetti da semplici a complessi

--> 1m Richiede un’illuminazione specifica

Ottica riconoscimento Dati digitali o analogici

Controllo di presenza, di forma, di colori

A Fig. 67 Guida alla scelta dei sensori


7capitolo Sicurezza delle persone e delle macchine La regolamentazione europea in materia di sicurezza delle persone e dell’ambiente, le norme IEC per le macchine e i prodotti. Esempi applicativi di prodotti e di reti di sicurezza

Sommario 7. Sicurezza delle persone e delle macchine


b 7.2 Gli incidenti sul lavoro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 167

b 7.3 La legislazione europea e le norme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 169

b 7.4 Il concetto di funzionamento sicuro (safe operation). . . . . . . pagina 176

b 7.5 L acertificazione e il marchi CEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 177

b 7.6 I principi per gli organi di sicurezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 179

b 7.7 Le funzioni di sicurezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 180

b 7.8 La sicurezza delle reti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 182

b 7.9 Esempio applicativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 183

b 7.10 Le funzioni e i prodotti di sicurezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 185


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Sicurezza delle persone 7.1 Introduzione e delle macchine

Dopo la presentazione e la definizione delle normative che regolano la sicurezza, ci dedicheremo alle macchine oltre che alla tecnologia dei diversi prodotti, al fine di soddisfare le esigenze dei Clienti e risolvere i diversi vincoli legislativi.

7.1 Introduzione

b Il ruolo della sicurezza e definizioni

La legge esige che vengano adottate delle misure preventive per preservare e proteggere la qualità dell’ambiente e la salute del genere umano. Per raggiungere questi obbiettivi, il legislatore ha elaborato delle direttive europee che devono essere applicate dagli utenti dei mezzi di produzione oltre che dai costruttori di apparecchiature e macchine.

Il legislatore ha fissato anche la responsabilità verso eventuali incidenti.

• A dispetto dei vincoli imposti, la sicurezza delle macchine presenta le seguenti conseguenze positive: - Eliminazione degli incidenti sul lavoro. - Protezione dei lavoratori e del personale mediante misure di sicurezza

appropriate che prendono in considerazione l’uso delle macchine e delle caratteristiche ambientali locali.

• Tutto ciò permette di ridurre i relativi costi diretti e indiretti - Riducendo i danni fisici. - Riducendo i premi assicurativi. - Riducendo le perdite di produzione e le eventuali penalità di ritardo. - Limitando i danni e le spese di manutenzione.

• Un funzionamento sicuro implica due concetti, la sicurezza e l’affidabilità del processo (C Fig.1) - La sicurezza è la proprietà di un apparecchio di limitare ad un livello

accettabile i rischi corsi dalle persone. - L’affidabilità di funzionamento è la capacità di un sistema o di un

apparecchio di realizzare la funzione per la quale è stato definito in qualsiasi momento e per un tempo specificato.

• La sicurezza deve essere presa in considerazione fin dall’inizio del progetto e mantenuta per l’intera durata di vita della macchina, quindi A Fig. 1 La sicurezza e affidabilità del processo dal trasporto, installazione, avviamento, manutenzione, fino allo smantellamento

• Le macchine e gli stabilimenti sono fonti di rischi potenziali e la Direttiva Macchine esige uno studio dei rischi per l’intero insieme, al fine di ridurre questa eventualità al di sotto del rischio tollerabile

• La norma EN 1050 definisce il rischio nel seguente modo (C Fig.2): il rischio è la gravità moltiplicata per la possibilità di comparsa

Probabilità di comparsa Rischio Gravità - frequenza e durata di esposizione legato al dei danni legati - possibilità di limitare o evitare la = xpotenziale al potenziale probabilità di comparsa pericolo pericolo dell’evento che può provocare

danni

A Fig. 2 Definizione del rischio


7.1 Introduzione 7.2 Gli incidenti sul lavoro

• La norma europea EN 1050 (principio dell’analisi dei rischi) Definisce un processo iterativo per realizzare la sicurezza delle macchine in base al quale il rischio per ciascun potenziale pericolo può essere determinato in quattro tappe. Questo metodo fornisce una base per la riduzione indispensabile dei rischi utilizzando le categorie descritte dalla norma EN 954. Il diagramma della Fig. 3 illustra questo processo che descriveremo in dettaglio nelle pagine che seguono.

Il processo di sicurezza delle macchine

7

A Fig. 3

7.2 Gli incidenti sul lavoro Un incidente sul lavoro provoca una lesione più o meno grave, dovuta al lavoro stesso, su di una persona intenta a lavorare o ad intervenire su di una macchina (installatore, operatore, tecnico della manutenzione, ecc...).

b Fattori all’origine degli incidenti sul lavoro

• Fattori legati agli uomini (progettisti o utilizzatori) - Errori nella progettazione della macchina e negli studi preliminari. - Assuefazione ai rischi (abitudine e ripetitività dei gesti) e banalizzazione

dei comportamenti di fronte al pericolo. - Sottostima dei rischi con conseguente neutralizzazione delle protezioni. - Riduzione dell’attenzione nelle funzioni di controllo (fatica). - Mancato rispetto delle procedure. - Aumento dello stress (rumore, ritmo di lavoro, ecc.). - Precarietà dell’impiego che può portare ad una formazione

insufficiente. - Manutenzione scarsa o mal eseguita può essere all’origine di rischi

imprevedibili.


Sicurezza delle persone 7.2 Gli incidenti sul lavoro e delle macchine

• Fattori legati alle macchine - Dispositivi di protezione inadatti. - Alta tecnologia dei sistemi di controllo e comando. - Rischi relativi alla macchina (movimento alternativo di una macchina,

avviamento intempestivo o arresto precario). - Macchine non adatte all’impiego o alle caratteristiche ambientali

(allarmi sonori coperti dal rumore prodotto dal parco macchine).

• Fattori legati agli impianti - Circolazione delle persone (linee di produzione automatizzate). - Assemblaggio di macchine di provenienza e tecnologia diverse. - Flusso di materiale o prodotti tra le macchine.

b Le conseguenze - Pericolo più o meno grave per l’integrità fisica dell’utilizzatore. - Arresto della produzione della macchina interessata. - Arresto del parco macchine dello stesso tipo per perizie, ad esempio,

da parte dell’Ispettorato del lavoro. - Modifica delle macchine per messa in conformità, se necessaria. - Cambio del personale e formazione sul posto di lavoro. - Deterioramento dell’immagine aziendale.

b Conclusione La spesa legata agli infortuni sul lavoro nell’Unione Europea è stimata in circa 20 miliardi di Euro.

Per prevenirli ed azzerarne le possibili cause ed effetti negativi sono necessarie azioni energiche e tecnicamente qualificate che coinvolgano l’intera popolazione aziendale: è indispensabile un impegno effettivo che richiede per prima cosa una volontà politica e strategica dell’impresa. La riduzione degli incidenti sul lavoro dipende dalla sicurezza delle macchine e dei componenti.

b Tipi di rischi

Le cause che possono portare ad una lesione o ad un danno alla salute del personale possono essere classificati in tre gruppi principali come mostrato dalla Fig. 4.

A Fig. 4 I principali rischi di una macchina


7.3 La legislazione europea e le norme

7.3 La legislazione europea e le norme L’obbiettivo principale della Direttiva Macchine 98/37/CE è quello di garantire un livello di sicurezza minimo alle macchine e all’equipaggiamento immessi sul mercato della Comunità Europea.

Al fine di autorizzare la libera circolazione delle macchine e delle apparecchiature all’interno della Comunità Europea il costruttore deve apporre sul prodotto il marchio CE creando così una documentazione di autocertificazione e di dichiarazione di conformità della sua macchina. La Direttiva Macchine in vigore dal 1995, vale anche per tutti i componenti di sicurezza a parire dal gennaio 1997.

L’utilizzatore ha inoltre l’obbligo di rendere il suo parco macchine conforme alla Direttiva Sociale 89/655/CEE che fissa gli obbiettivi minimi di protezione nell’ambiente di lavoro e che riguarda in particolare l’impiego dei prodotti.

b Le norme di riferimento v Introduzione Le norme comuni europee traducono in termini teorici le specifiche relative ai requisiti fondamentali in materia di sicurezza definiti dalla Direttiva corrispondente.

L’obbiettivo principale è di garantire un livello di sicurezza minimo alle macchine e alle apparecchiature immessi sul mercato della Comunità Europea, autorizzandone la libera circolazione all’interno dei Paesi della Comunità Europea.

v I 3 tipi di norme europee legate alla sicurezza • Norme di tipo A Sono le norme fondamentali che specificano i principi generali di progettazione applicabili a tutti i tipi di macchine. EN ISO 12100 (prima EN 292).

• Norme di tipo B Sono le norme di gruppo, relative agli aspetti particolari della sicurezza o legate ad un dispositivo di sicurezza specifico utilizzabile su una vasta gamma di macchine.

• Norme di tipo B1 Sono le norme relative a caratteristiche specifiche dei dispositivi elettrici delle macchine, EN 60204-1 (es: rumore, distanze di sicurezza, dispositivi di controllo, ecc...).

• Norme di tipo B2 Sono le norme relative ai dispositivi di sicurezza di arresto di emergenza, compresi i dispositivi di comando a due mani, (EN 574) le barriere di sicurezza (EN 418), ecc...

• Norme di tipo C Sono le norme di sicurezza per le diverse famiglie di macchine (es: presse idrauliche EN 693, robot, ecc...) e che forniscono prescrizioni dettagliate applicabili.

La Fig. 5 presenta in modo non esaustivo le diverse norme.

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A Fig. 5 Le diverse norme


Sicurezza delle persone 7.3 La legislazione europea e le norme e delle macchine

La tabella della Fig. 6 elenca, senza tuttavia citarle tutte, le norme europee legate alla sicurezza.

Standard Tipo Soggetto

EN ISO 12100-1, -2 A Sicurezza delle macchine - Nozioni fondamentali

Parte 1 Terminologia metodologia Parte 2 Principi tecnici

EN 574 B Dispositivi di comando a due mani- norme di studio

EN 418 B Dispositivi di arresto di emergenza - norme di studio

EN 954-1 B Prescrizioni di sicurezza - norme di studio

EN 349 B Distanza minima per evitare lo schiacciamento delle persone

EN 294 B Distanze di sicurezza per impedire il raggiungimento delle zone pericolose con gli arti superiori

EN 811 B Distanze di sicurezza per impedire il raggiungimento delle zone pericolose con gli arti inferiori

EN 1050 B Sicurezza delle macchine -Principi per la valutazione del rischio

EN 60204-1 B Sicurezza delle macchine - Dispositivi elettrici delle macchine - Parte 1: prescrizioni generali

EN 999 B Posizionamento dei dispositivi di protezione in funzione della velocità di avvicinamento delle parti del corpo

EN 1088 B Dispositivi di bloccaggio associati a dispositivi di protezione - Principi di progettazione e di scelta

EN 61496 B Apparecchiature di protezione elettrosensibili

EN 60947-5-1 B Apparecchi elettromeccanici per circuiti di comando

N 842 B Segnali visivi di pericolo - Esigenze generali, progettazione e prove

EN 201 C Macchine per la lavorazione della gomma e delle materie plastiche - Macchine a iniezione -Prescrizioni di sicurezza

EN 692 C Presse meccaniche - Sicurezza

EN 693 C Sicurezza - Presse idrauliche

EN 289 C Macchine per la lavorazione della gomma e delle materie plastiche - Presse - Prescrizioni di sicurezza

EN 422 C Macchine per stampaggio mediante soffiaggio per la fabbricazione dei corpi cavi - Prescrizioni per la progettazione e la costruzione

EN 775 C Robot manipolatori industriali - Sicurezza

EN 415-4 C Sicurezza delle macchine d'imballaggio Parte 4: pallettizzatori e depallettizzatori

EN 619 C Prescrizioni di sicurezza e EMC per le apparecchiature di movimentazione meccanica dei carichi isolati

EN 620 C Prescrizioni di sicurezza e EMC per i trasportatori a cinghie fisse per prodotti sfusi

EN 746-3 C Dispositivi termici industriali Parte 2: prescrizioni di sicurezza per la generazione e l’utilizzo di gas d'atmosfera

EN 1454 C Motoseghe, seghe a disco, a motore termico -Sicurezza.

A Fig. 6 Alcune norme della sicurezza macchine


v La norma armonizzata EN 954-1 Parti dei sistemi di comando legate alla sicurezza

La norma EN 954-1 “Parti dei sistemi di comando legate alla sicurezza” è entrata in vigore nel mese di marzo del 1997. Questa norma di Tipo B fornisce prescrizioni di sicurezza e consigli sui principi di progettazione delle parti dei sistemi di comando legate alla sicurezza. Per queste parti la norma specifica delle categorie e descrive le caratteristiche delle loro funzioni di sicurezza.

Nelle norme di Tipo C queste parti di sistema sono chiamate categorie.

In questa norma le prestazioni di sicurezza in relazione con il grado di comparsa dei guasti sono classificate in cinque categorie (B, 1, 2, 3, 4). È in progetto un’evoluzione (EN ISO 13849-1 PR).

• Categorie di guasto (C Fig.7) • Diagramma dei rischi

Comportamento del sistema Principi per ottenere la sicurezza

B Un guasto può portare ad una perdita della funzione di sicurezza.

Scelta del componente adatto

1 Stesso risultato di B ma con l’esigenza di una maggior affidabilità della funzione di sicurezza.

Scelta del componente adatto

2 Un guasto può portare ad una perdita della funzione di sicurezza tra due ispezioni periodiche; questa perdita viene rilevata dal controllo (ad ogni test).

Autocontrollo

3 Se il guasto è unico, la funzione di sicurezza è sempre garantita. Possono essere rilevati solo alcuni guasti. L’accumulo di guasti non rilevati può portare alla perdita della funzione di sicurezza.

Ridondanza

4 Quando si verificano dei guasti la funzione di sicurezza è sempre garantita. I guasti verranno rilevati in tempo per non perdere la funzione di sicurezza.

Ridondanza + autocontrollo

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A Fig. 7 Le cinque categorie di guasto

A seconda della definizione del rischio, nella norma EN 954-1 viene proposto un metodo pratico di selezione della categoria che prende in considerazione:

- S: La gravità delle lesioni. - F: La frequenza dell’occorrenza e/o dell’esposizione a potenziali pericoli. - P: La possibilità di evitare l’incidente.

Le categorie risultanti definiscono la tenuta ai guasti e il comportamento del sistema di controllo in caso di guasto (C Fig. 8).

S Risultato dell’incidente

S1 Lesioni non gravi

S2 Lesioni gravi, incapacità permanente, decesso.

F Presenza nella zona pericolosa

F1 Da raro ad abbastanza frequente

F2 Da frequente a permanente

P Possibilità di previdenza

P1 Talvolta possibile

P2 Virtualmente impossibile

A Fig. 8 Griglia di scelta


Sicurezza delle persone e delle macchine

Per illustrare questo concetto, procediamo con una valutazione dei rischi su una pressa idraulica alimentata manualmente (C Fig.9).

- Gravità delle lesioni: S2, rischio d’invalidità. - Frequenza ed esposizione: F2, la presenza dell’operatore è

permanente. - Possibilità di impedire la comparsa del pericolo: P2, è virtualmente

impossibile impedire la comparsa del pericolo.

Il diagramma indica un rischio di categoria 4.

Per completare questo esempio, selezioniamo una barriera a bloccaggio (norma EN 1088).

In questo esempio (C Fig.10), lo schema è conforme alla categoria 4. Quando si verificano dei guasti, questi ultimi vengono rilevati in tempo ad evitare la scomparsa della funzione di sicurezza.

A Fig. 9 Valutazione del rischio su una pressa idraulica

A Fig. 10 Valutazione del rischio su una barriera a bloccaggio

v Sicurezza funzionale e livello d’integrità di sicurezza (safety integraty level SIL)

Le nuove tecnologie consentono dei risparmi che possono essere realizzati con una strategia di protezione intelligente. Questa norma prende in considerazione l’utilizzo di queste tecnologie nei prodotti e nelle soluzioni di sicurezza proponendo delle linee direttrici per calcolare la probabilità di guasto.

Un numero sempre maggiore di prodotti e dispositivi di sicurezza dedicati alla sicurezza delle macchine integrano dei sistemi elettronici programmabili complessi; ed è proprio in ragione di questa complessità che nella pratica è difficile determinare il comportamento di tali dispositivi in caso di guasto.

Per questo motivo, la norma IEC/EN 6158 intitolata « Sicurezza funzionale dei sistemi elettrici, elettronici ed elettronici programmabili relativi alla sicurezza » propone un nuovo approccio valutando l’affidabilità delle funzioni di sicurezza.

Per l’industria e i settori che mettono in opera dei processi, questa è la norma base per la sicurezza.

La norma IEC/EN 62061 specifica invece i requisiti e fornisce consigli per la progettazione, l'integrazione e la convalida dei sistemi di comando elettrici, elettronici ed elettronici programmabili relativi alla sicurezza (SRECS) per le macchine nel quadro della norma EN 61508.

La norma EN 62061 è armonizzata con la Direttiva Macchine europea.

Il livello di sicurezza integrato (SIL) è la nuova valutazione definita dalla norma IEC 61508 riguardante la probabilità di guasto di una funzione o di un sistema di sicurezza.


• Definizione della sicurezza funzionale secondo la norma IEC/EN 61508 La sicurezza funzionale è un elemento della sicurezza di un’apparecchiatura sotto controllo (Equipment Under Control: EUC).

Dipende dal corretto funzionamento dei sistemi legati alla funzione di sicurezza che includono dispositivi elettrici, elettronici, elettronici programmabili, oltre che altri dispositivi esterni che partecipano alla riduzione dei rischi.

• Livelli d’integrità di sicurezza (SIL) Vi sono due modi di definire la SIL, a seconda che il sistema di sicurezza funzioni in modo di bassa sollecitazione o, al contrario, che funzioni in continua o a forte sollecitazione. La SIL è suddivisa in 4 livelli (da SIL1 a SIL4): più la SIL è alta, più la disponibilità del sistema di sicurezza è elevato.

La sicurezza si ottiene mediante riduzione dei rischi (IEC/EN 61508). Il rischio residuo è quello che rimane una volta adottati i mezzi di protezione (C Fig.11). I sistemi di protezione elettrici, elettronici, ed elettronici programmabili (sistemi E/E/EP) contribuiscono alla riduzione dei rischi.

A Fig. 11 La riduzione dei rischi

L’integrità di sicurezza esamina la probabilità di guasto. Per una macchina, la probabilità di guasto pericoloso all’ora di un sistema di controllo nella norma IEC/EN 62061 è chiamata PFHd (C Fig.12).

A Fig. 12 Posizionamento della norma EN 61508 e delle norme che ne derivano

sistema di sicurezza funzionante in modo di forte sollecitazione sistema di sicurezza funzionante in modo di bassa sollecitazione SIL

Probabilità di guasto pericoloso all’ora (PFHd) Probabilità media di guasto per attivare la funzione prevista (PFDa)

4 > = 10-9 to 10-8 > = 10-5 to 10-4

3 > = 10-8 to 10-7 > = 10-4 to 10-3

2 > = 10-7 to 10-6 > = 10-3 to 10-2

1 > = 10-6 to 10-5 > = 10-2 to 10-1

A Fig. 13 Livello di SIL


7

Sicurezza delle persone 7.3 La legislazione europea e le norme e delle macchine

La norma IEC 61508 considera due modi di sollecitazione: - forte sollecitazione o modo continuo, quando il sistema relativo alla

sicurezza viene sollecitato più di una volta all’anno o ad una frequenza doppia della frequenza di verifica del dispositivo.

- bassa sollecitazione, quando il sistema relativo alla sicurezza viene sollecitato meno di una volta all’anno o ad una frequenza inferiore al doppio della frequenza di verifica del dispositivo.

Il funzionamento a bassa sollecitazione è considerato dalla norma IEC/EN 62061 come non applicabile alla sicurezza macchine.

È importante notare anche che il livello SIL 4 non viene preso in considerazione dalla norma IEC/EN62061, poiché non è applicabile alla riduzione dei rischi normalmente associati alle macchine.

L’integrità di sicurezza si calcola mediante la probabilità di guasto λ (C Fig.13) che si esprime con la seguente formula λ= λs+λdd +λdu

ove: λs è il tasso di guasti senza pericolo λdd è il tasso di guasti pericolosi rilevati λdu è il tasso di guasti pericolosi non rilevati

Nella pratica il rilevamento dei guasti pericolosi viene effettuato mediante funzioni specifiche.

Il calcolo del PFHd per un sistema o un sotto-sistema, dipende da più parametri:

- Il tasso di guasti pericolosi (λd) degli elementi del sotto-sistema. - La tolleranza agli errori, ossia il livello di ridondanza del sistema. - L’intervallo di tempo di diagnostica (T2). - L’intervallo di tempo di verifica del sistema di sicurezza (T1) o la

durata (il minore dei due). - Il rischio di guasti comuni (λ).

Il grafico della Fig. 14 illustra la norma IEC/EN 61508-5 e i parametri del rischio.

A Fig. 14 Grafo del rischio


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Parametro del rischio Classificazione Commenti

Conseguenze (C) C1 Lesioni non gravi La classificazione è stata sviluppata per prendere in considerazione le lesioni e i decessi delle persone. Sarebbe necessario sviluppare altri approcci nei riguardi dell’ambiente e dei danni materiali C2 Invalidità permanente

di una o più persone, decesso di una persona

C3 Decesso di più persone C4 Decesso

di numerose persone Frequenza e tempo di esposizione nella zona pericolosa (F)

F1 Da rara a molto frequente esposizione nella zona pericolosa

Vedere il commento sopra riportato

F2 Da frequente a permanente esposizione nella zona pericolosa

Possibilità di evitare l’evento pericoloso

P1 Possibile in alcune condizioni

Questo parametro prende in considerazione: • Il modo operativo del processo (controllato, eseguito da personale addestrato

o meno) • La rapidità di comparsa del fenomeno pericoloso (immediato, rapido, lento) • La facilità d’identificazione del fenomeno pericoloso (ad esempio:

visto immediatamente, rilevato da mezzi tecnici o meno) • Le possibilità di evacuazione dalla zona pericolosa (uscite di sicurezza

utilizzabili, non utilizzabili o utilizzabili in alcune condizioni) • Le eventuali esperienze simili

P2 Quasi impossibile

Probabilità di comparsa non desiderata (W)

W1 Comparse non desiderate bassissime e bassissima occorrenza

L’obiettivo del fattore W è di stimare la frequenza di comparsa dell’evento non desiderato senza aggiungere sistemi di sicurezza di tipo E/E/EP e senza prendere in considerazione dispositivi esterni di riduzione del rischio. Se non esiste alcuna base di esperienza per un caso simile, il fattore W può essere il risultato di un calcolo che tiene conto delle peggiori condizioni.

W2 Comparse non desiderate basse e bassa occorrenza

W3 Comparse non desiderate relativamente alte e occorrenze frequenti

A Fig. 15 Parametri di rischi (esempio nella norma IEC/EN 61508)

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La Fig. 16 presenta il processo di valutazione del rischio per una macchina.

A Fig. 16 Processo di valutazione


Sicurezza delle persone 7.4 Il concetto di funzionamento sicuro (safe operation)e delle macchine

7.4 Il concetto di funzionamento sicuro (safe operation)

Il funzionamento sicuro è la messa in pratica delle nozioni sviluppate nei paragrafi precedenti che comprendono più aspetti:

- Lo studio e la realizzazione della macchina, inclusa la stima del rischio. - L’installazione, l’implementazione e la convalida. - L’utilizzo della macchina, inclusa la formazione. - La manutenzione con prove periodiche di verifica.

Il concetto di funzionamento sicuro può essere suddiviso in cinque tappe.

b Prima tappa: stima del rischio (norme EN ISO1200-1, EN 1050)

L’obbiettivo è di eliminare o ridurre il rischio e selezionare una soluzione di protezione efficace per le persone.

Per facilitare questa valutazione verrà utilizzato il procedimento iterativo già proposto nella Fig. 3. Prima di effettuare la stima del rischio, sarà necessario identificare i potenziali pericoli. Sarà possibile effettuare un’analisi rigorosa ed esauriente utilizzando l’AMDEC (Analisi dei Modi di Guasto e della loro Gravità).

b Seconda tappa: decisione delle misure di riduzione del rischio (norma EN ISO 12100-1)

Evitare o ridurre il più possibile i potenziali pericoli a livello della progettazione (norma EN ISO 1200-2).

Utilizzare i dispositivi di sicurezza per proteggere le persone contro i pericoli che non è possibile eliminare con disposizioni ragionevoli o ridurre ad un livello accettabile in fase di progettazione (norme EN 418, EN 953 barriere, EN 574 dispositivi di comando a due mani, EN 1088 bloccaggi associati a barriere).

Informare sul modo di utilizzo della macchina.

b Terza tappa: definizione delle esigenze e delle categorie (norma EN 954-1)

In funzione delle stime preliminari dei rischi, nella norma EN 954-1 viene fornito un metodo pratico di selezione di un sistema di controllo.

b Quarta tappa: progettazione delle parti del controllo relative alla funzione di sicurezza (norma EN 954-1)

In questa fase il progettista della macchina seleziona i diversi prodotti. In fondo al capitolo vengono proposti alcuni esempi basati sull’utilizzo dei prodotti di sicurezza Schneider Electric.

b Quinta tappa: convalida del livello di sicurezza ottenuto e delle categorie (norma EN 954-1)

La convalida dovrà confermare che le parti considerate del controllo che intervengono sulla sicurezza siano conformi alle esigenze.

Questa convalida deve essere effettuata mediante apposite analisi e test (norma EN 954-1 clausola 9).

Ad esempio, uno di questi test è la simulazione di guasto sui circuiti con i componenti realmente installati, in particolar modo nel caso in cui sussista un dubbio sul comportamento dei circuiti rispetto agli studi teorici.


7.5 La certificazione e il marchio CE

7.5 La certificazione e il marchio CE

Il processo di certificazione e apposizione del marchio CE sulle macchine è suddiviso in sei tappe:

1. Individuazione delle normative applicabili 2. Conformità alle esigenze essenziali riguardanti la salute e la sicurezza 3. Redazione della documentazione tecnica 4. Esame di conformità 5. Redazione della dichiarazione di conformità 6. Apposizione del marchio CE

b La Direttiva Macchine La Direttiva Macchine è storicamente il primo esempio del «Nuovo approccio» per un’armonizzazione tecnica e normativa dei prodotti. Si basa su:

- Esigenze essenziali relative alla salute e alla sicurezza che devono essere rispettate prima che la macchina venga immessa sul mercato.

- Un processo volontario di armonizzazione delle norme intrapreso dal Comitato Europeo di Nominalizzazione (CEN) e dal Comitato Europeo di normalizzazione elettrica (Cenelec).

- Procedure di valutazione di conformità adeguate ai tipi di rischi e associate ai tipi di macchine.

- Il marchio CE apposto dal costruttore per indicare che la macchina è conforme alle direttive applicabili. Le macchine su cui è apposto questo marchio sono libere di circolare nella Comunità Europea.

La direttiva ha semplificato notevolmente le leggi nazionali in vigore e di conseguenza eliminato barriere che rendevano difficile il commercio nell’Unione Europea. Tutto ciò ha permesso anche di ridurre il costo sociale degli incidenti. Le direttive del «Nuovo Approccio» sono applicabili solo ai prodotti che vengono messi in circolazione o in servizio per la prima volta. La lista delle macchine in oggetto si può trovare nella Direttiva Macchine allegato 4.

b Le esigenze essenziali La Direttiva Macchine allegato I raggruppa le esigenze essenziali in materia di salute e sicurezza per l’immissione sul mercato e la messa in servizio delle macchine e dei componenti di sicurezza all’interno della Comunità Europea.

Ne deriva che: - nessun Paese membro della Comunità Europea può opporsi alla

circolazione di un prodotto che risponde alle esigenze della direttiva - se al contrario le esigenze della direttiva non vengono soddisfatte,

l’immissione sul mercato del prodotto può essere vietata o può essere richiesto il ritiro dal mercato del prodotto stesso.

Nell’Unione Europea questo riguarda i costruttori o i loro distributori, ma anche gli importatori e i rivenditori che commercializzano o mettono in servizio le macchine.

b Le norme armonizzate Il modo più semplice per dimostrare la conformità alle direttive è di essere in conformità con le Norme Europee Armonizzate.

Se per un prodotto dell’allegato 4 della Direttiva Macchine non esiste una norma armonizzata, o le norme esistenti non sono adatte a coprire le esigenze di sicurezza essenziali o il costruttore considera che tali norme non siano applicabili al suo prodotto, è possibile sollecitare un accordo presso una terza parte, un organismo abilitato.

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Sicurezza delle persone 7.5 La certificazione e il marchio CE e delle macchine

Gli Organismi Notificati sono abilitati dai singoli Stati Membri dell’Unione Europea per l’attività di certificazione in forza della propria “expertise” riconosciuta per emettere una tale opinione (TÜV, BGIA, INRS, HSE, etc.)

La presenza di una parte terza, anche se autorizzata dalla Commissione Europea ad attestare la conformità di un prodotto, non esime tuttavia il produttore dalla sue responsabilità; in definitiva è sempre il costruttore o il suo rappresentante a rispondere della conformità del prodotto.

b Dichiarazione di conformità In base all’articolo 1 della Direttiva Macchine il costruttore o il suo rappresentante ufficiale stabilito nella Comunità Europea deve compilare una Dichiarazione Europea di Conformità per ciascuna macchina (o componente di sicurezza). Questo al fine di certificare che la macchina o il componente di sicurezza è conforme alla Direttiva.

Prima dell’immissione sul mercato il costruttore o il suo rappresentante deve presentare un fascicolo tecnico alle autorità competenti.

b Marchio CE Per concludere, il marchio CE deve essere applicato sulla macchina dal costruttore o dal suo rappresentante ufficiale nella Comunità Europea. Il marchio CE è obbligatorio dal 1° gennaio 1995 e può essere apposto solo se la macchina rispetta l’insieme delle direttive applicabili, quali ad esempio:

- La Direttiva Macchine 98/37/EC - La Compatibilità Elettromagnetica (EMC) 89/336/EEC - La Direttiva Bassa Tensione 73/23/EEC

Esistono altre direttive applicabili a seconda dei casi quali ad esempio la Direttiva ascensori, la direttiva apparecchi medicali ecc...

Il marchio CE è il passaporto che permette la libera circolazione della macchina nella Comunità Europea e la sua commercializzazione in tutti i Paesi della comunità senza tener conto delle normative proprie di ciascun Paese.

Il metodo della marcatura CE è riassunto nello schema della Fig. 17.

A Fig. 17 Metodo della marcatura CE


7.6 I principi per gli organi della sicurezza

7.6 I principi per gli organi della sicurezza

A Fig. 18 Qualche esempio di sistemi elettrici provati

A Fig. 19 Principio dell’attivazione positiva

A Fig. 20 Simbolo di contatto ad apertura diretta

b Linea direttrice per realizzare un controllo di sicurezza La norma EN 954-1 definisce le esigenze di sicurezza relative agli organi di sicurezza di un sistema di comando.

La norma definisce 5 categorie e descrive le proprietà specifiche delle relative funzioni di sicurezza che sono:

- i principi di sicurezza base. - i principi di sicurezza provati. - i componenti di sicurezza provati.

Per illustrare la nozione di principio di sicurezza provato, qui di seguito viene presentato un estratto della lista riportata nella norma EN 945-2:

- Utilizzare contatti legati meccanicamente. - Utilizzare cavi ad un solo conduttore per evitare i cortocircuiti. - Prevedere distanze adatte fra le bobine di un contatto per consentire

la tenuta agli choc elettrici e garantire l’isolamento del circuito. - Evitare le condizioni indefinite: costruire sistemi di controllo

deterministici. - Utilizzare il modo di azione positivo. - Sovradimensionare. - Semplificare il sistema di controllo. - Utilizzare dei componenti con un modo di guasto. - Utilizzare dei temporizzatori senza alimentazione utilizzando l’energia

di un condensatore. - Prevedere della ridondanza (raddoppiamento dei componenti critici).

Qui di seguito vengono proposti anche alcuni esempi per sistemi elettrici (C Fig.18):

- Interruttori con modo di attivazione positivo. - Arresti di emergenza (secondo la norma EN 60947-5-5). - Interruttori di potenza. - Contattore principale (solo quando sono soddisfatte le esigenze

aggiuntive della norma). - Contattori ausiliari con contatti legati meccanicamente, (solo quando

sono soddisfatte le esigenze aggiuntive della norma). - Valvola elettromagnetica.

I paragrafi che seguono forniranno al lettore un certo numero di informazioni su nozioni tecniche conosciute principalmente dagli specialisti del settore.

b Azione positiva È un’azione di apertura di circuito diretta (IEC 60947-5-1): la separazione dei contatti è il risultato di un movimento dell’interruttore mediante un dispositivo di comando rigido.

La Fig. 19 illustra come l’apertura dei contatti normalmente chiusi sia garantita dal movimento dell’asta rigida e sia invece indipendente dalle molle.

Ogni elemento di contatto ad azione di apertura di circuito deve essere identificato, all’esterno, in modo chiaro e indelebile dal marchio riportato nella Fig. 20.

b Contatti legati meccanicamente I relè, i contattori e gli interruttori comprendono generalmente una serie di contatti. Per le operazioni di sicurezza è necessario conoscere la posizione di ciascuno di questi contatti quando sono utilizzati in una catena di sicurezza.

In queste condizioni è possibile determinare il comportamento del circuito in caso di guasto. I contatti legati meccanicamente forniscono una soluzione che risponde a questa esigenza (C Fig.21).

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A Fig. 21 Contatti legati meccanicamente


Sicurezza delle persone 7.6 I principi per gli organi della sicurezza e delle macchine 7.7 Le funzioni di sicurezza

7.7 Le funzioni di sicurezza

La norma (IEC/ EN 60947-5-1) definisce i contatti legati meccanicamente nel seguente modo: “[ …] I contatti legati sono contatti collegati meccanicamente in modo da garantire che i contatti in apertura ed i contatti in chiusura non si chiudano mai contemporaneamente.

In caso di saldatura di un contatto in apertura, i contatti in chiusura non dovranno più potersi chiudere durante l’eccitazione della bobina. In caso di saldatura di un contatto in chiusura, i contatti in apertura non dovranno più potersi chiudere durante la diseccitazione della bobina”.

A Fig. 22 Adattamento delle funzioni di controllo esistenti

A partire dalla stima dei rischi, la sicurezza può essere garantita mediante l’adattamento delle funzioni esistenti (C Fig.22).

Come già detto precedentemente questo può essere realizzato in due modi: - utilizzando la ridondanza o l’autocontrollo. - aumentando la sicurezza dei componenti.

Contrariamente all’approccio classico che consisteva nel suddividere i sistemi di automazione in funzioni per gestirli singolarmente, la sicurezza deve essere vista globalmente. Per facilitare la realizzazione di sistemi di automazione i costruttori di componenti propongono dei prodotti specifici certificati che integrano insiemi di funzioni.

La Fig. 23 presenta delle soluzioni generiche corrispondenti alle prime quattro categorie (B, 1, 2, 3). Verranno analizzate in dettaglio in esempi di applicazioni standard; infine verrà presentata una realizzazione più complessa.

Per soddisfare le esigenze della categoria 4, vengono proposti dei moduli di sicurezza; un esempio viene riportato alla fine del capitolo.

b L’arresto di emergenza

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A Fig. 23 Soluzioni generiche di sicurezza


7.7 Le funzioni di sicurezza

A Fig. 24 Arresto di emergenza

L’arresto di emergenza (C Fig.24) è destinato ad allertare o a ridurre gli effetti di un potenziale pericolo per le persone, la macchina o il processo. L’attivazione dell’arresto di emergenza è manuale.

L’arresto di emergenza deve: - per la categoria di arresto 0: provocare l’arresto mediante sospensione immediata dell'alimentazione di potenza agli attuatori di macchina (arresto non controllato) o mediante disinnesto meccanico. Se necessario, è possibile applicare un dispositivo di arresto non controllato (ad esempio un freno meccanico). - per la categoria di arresto 1: provocare l’arresto controllato mantenendo

l'alimentazione di potenza agli attuatori di macchina fino all'arresto della macchina e sospendendo poi la potenza ad arresto avvenuto.

Il dispositivo di comando ed il relativo attuatore devono operare secondo il principio dell'azione meccanica positiva (norma EN 292–2).

La funzione d'arresto d'emergenza deve essere disponibile ed operante in qualsiasi momento, indipendentemente dal modo operativo.

Lo schema della Fig. 25 mostra un esempio tipico di arresto di emergenza:

A Fig. 25 Schema di arresto di emergenza tipico

Se il dispositivo di arresto di emergenza deve agire su più di un circuito, lo schema di sicurezza diventa complesso. Per questo motivo si consiglia di utilizzare un modulo di sicurezza.

Lo schema della Fig. 26 rappresenta la funzione di arresto di emergenza per 2 circuiti.

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A Fig. 26 Arresto di emergenza per 2 circuiti


7.7 Le funzioni di sicurezza 7.8 La sicurezza delle reti

Sicurezza delle persone e delle macchine

Lo schema della Fig. 27 mostra l’associazione di un arresto di emergenza con un variatore di velocità (arresto categoria 1).

A Fig. 27 Arresto di emergenza categoria 1

7.8 La sicurezza delle reti

I progressi della tecnologia, una maggior affidabilità e la comparsa di nuovi standard hanno contribuito a far evolvere le reti industriali e rendere possibile il loro utilizzo per applicazioni più esigenti in termini di sicurezza.

La maggior parte delle reti hanno una versione protetta; qui di seguito verrà descritta la rete ASI che viene utilizzata a livello componenti. Per ulteriori informazioni sulle reti, far riferimento al capitolo 9 Le rete industriali.

b AS-Interface (ASI)

AS-i (Actuator Sensor Interface) è un bus di campo di basso livello, nato per ridurre notevolmente il cablaggio di sensori ed attuatori (soprattutto digitali). Si tratta di una tecnologia non proprietaria, sviluppata da un consorzio a cui aderiscono molte fra le più note case che operano nell'automazione industriale.

Velocità, riduzione dei tempi d’installazione, riduzione dei costi, semplificazione della manutenzione ed alta disponibilità sono le caratteristiche di questa rete standardizzata.

La rete ASI è ideale per una trasmissione rapida e affidabile di piccole quantità di dati in un ambiente industriale difficile.

v Integrità dei dati L’insensibilità alle interferenze nella trasmissione dei dati è una caratteristica importante nella messa in rete di rilevatori e attuatori in un ambiente industriale. Grazie all’utilizzo di una codifica specifica APM (alternating pulse modulation o modulazione alternata di impulsi) e al controllo permanente della qualità del segnale, il bus ASI offre la stessa integrità di dati degli altri bus di campo.

v I componenti utilizzati sulla rete ASI Il logo ASI viene apposto sui componenti omologati dal centro test

indipendente ASI. Questo certifica che prodotti provenienti da costruttori diversi funzioneranno senza problemi su una rete ASI.


7.8 La sicurezza delle reti 7.9 Esempio applicativo

Dispositivo di comando a due mani su una pressa

Dispositivo di comando a due mani su un bus ASI

A Fig. 28

7A Fig. 29

v Master e gateway, alimentazioni, ripetitori

Il cuore del sistema ASI è la presenza di una stazione Master o gateway con capacità di diagnostica. I controllori programmabili comuni oltre che i software PC possono sempre essere utilizzati poiché il componente collegato al bus ASI è visto come un ingresso o un’uscita remotata.

L’alimentazione specifica garantisce anche un disaccoppiamento dei dati. Appositi ripetitori consentono di estendere la rete oltre i 100 m garantendo l’isolamento elettrico dei circuiti primari e secondari, aumentando così il grado di sicurezza in caso di cortocircuito.

b Applicazione: controllo di un dispositivo di comando a due mani su un bus ASI (Safety at work)

Gli operatori al comando di macchine pericolose possono incorrere in lesioni gravi. Fra le macchine pericolose vi sono quasi tutte le apparecchiature della famiglia delle presse idrauliche: presse, punzonatrici, piegatrici, ecc...

La macchina viene spesso rifornita manualmente da un operatore. Durante la fase di lavoro vi è un rischio maggiore aggravato dall’abitudine e dalla ripetitività dei gesti.

I dispositivi di comando a due mani (C Fig.28) sono dispositivi che obbligano l’operatore ad avviare l’operazione pericolosa azionando simultaneamente con ciascuna mano due comandi distinti. I dispositivi di comando a due mani comprendono due comandi e un dispositivo di arresto di emergenza.

I quattro contatti di uscita dei due comandi (C Fig.29) sono controllati per assicurare la loro interdipendenza.

L’intervallo di tempo che separa la manovra dei due comandi non deve superare i 500 millisecondi e i due comandi devono essere azionati durante lo svolgimento completo del processo pericoloso della macchina.

7.9 Esempio applicativo

L’applicazione descritta e rappresentata nella Fig. 30 consente di illustrare in modo concreto alcune funzioni di sicurezza.

Esempio applicativoA Fig. 30


Sicurezza delle persone 7.9 Esempio applicativo e delle macchine

Il sistema comprende un controllore programmabile di media gamma che controlla fino a 6 variatori di velocità; ciascun variatore alimenta un motore e possiede un interruttore di protezione. Ogni motore possiede il proprio contattore.

I variatori possono utilizzare le regolazioni di base o essere riconfigurati con il software Power Suite.

Le alimentazioni: 400 V trifase e 230 V monofase sono distribuite ai diversi componenti (400 V trifase per i variatori e 230 V per l’alimentazione Phaseo). Tutti i variatori sono collegati filo a filo al controllore programmabile.

La supervisione dei variatori si effettua da un terminale grafico touchscreen, configurato e programmato con il software VijeoDesigner. Il terminale grafico è collegato al controllore programmabile con collegamento Uni-Telway. Il controllore programmabile verrà configurato e programmato con il software PL7 Pro.

Una colonna luminosa componibile indica lo stato reale del sistema (sotto tensione, fuori tensione, motore(i) in funzionamento, attesa di conferma, arresto di emergenza).

L’interruttore principale è collegato in modo tale che se il sistema è scollegato, il controllore programmabile sia sempre alimentato per consentire le operazioni di diagnostica.

Poiché i variatori di velocità vengono utilizzati con la loro regolazione di base, il software applicativo, in questo esempio, è ridotto alla sua più semplice espressione. L’hardware è stato invece scelto con lo scopo di controllare I/O complementari.

Opzioni: Il sistema raggiunge il livello di sicurezza 4 con il modulo Preventa che comanda i contattori dei variatori. Questo modulo, non soltanto protegge i variatori, ma gestisce anche l’arresto di emergenza.

Il sistema integra anche una seconda opzione di sicurezza per un livello di sicurezza 3 che provoca l’arresto automatico dei motori in caso di apertura di una delle cassette.

Il modulo di sicurezza per i variatori di velocità è autoalimentato. In caso di arresto di sicurezza il riavviamento potrà avvenire solo dopo tacitazione.

È possibile aggiungere un gateway (TSX ETZxx) verso il livello superiore per comunicare via TCP/IP.

Questo schema può essere utilizzato per le seguenti applicazioni tipiche: - Macchine automatiche di piccole e medie dimensioni. - Macchine per l’imballaggio, macchine tessili, nastri trasportatori,

distribuzione e trattamento acque, ecc... Sotto-sistemi automatizzati associati a macchine di dimensioni mediegrandi.


7.10 Le funzioni e i prodotti di sicurezza

7.10 Le funzioni e i prodotti di sicurezza

b Schneider Electric offre una vasta gamma di prodotti di sicurezza.

Qui di seguito forniamo, illustrata da qualche esempio, una breve presentazione delle diverse soluzioni Schneider Electric.

In funzione della complessità della macchina la soluzione può essere costruita a partire:

- da un controllore mono-funzione configurabile che gestisce una sola funzione.

- da un controllore multi-funzione in grado di gestire simultaneamente due funzioni selezionabili da una base di 15 funzioni predefinite.

- da un controllore multi-funzione che utilizza un software per configurare funzioni predefinite.

- da un controllore programmabile di sicurezza con relativo software per realizzare una soluzione completa.

I collegamenti possono essere effettuati filo a filo o con rete ASI di sicurezza.

La tabella della Fig. 31 fornisce qualche esempio. E Fig. 31 Controllori di sicurezza

Esempi di soluzioniTipo di controllore

Il controllore è associato alle seguenti funzioni

Gamma XPS Arresto di emergenza Protezione dei lavoratori Movimento di posizionamento Mono-funzione mediante barriere di protezione

7 Categoria 4 Categoria 4 Categoria 4

XPS MP Selezione di due

funzioni tra 15 predefinite

Protezione delle dita e delle mani in zona pericolosa Dispositivo di comando a due mani

Categoria 2 Categoria 4

XPS MC Protezione di accesso dell’operatore in zona pericolosa Arresto di un movimento pericoloso in qualsiasi zona Funzione configurabile nell’area di lavoro

mediante software


XPS MF Protezione di un operatore che accede ad una zona Protezione di un operatore che accede ad un insieme di Controllore programmabile pericolosa zone pericolose

di sicurezza Logiciel



Sicurezza delle persone 7.10 Le funzioni e i prodotti di sicurezza e delle macchine 7.11 Conclusione

A Fig. 32 ASI Safety at work

7.11 Conclusione

b Rete “ASI Safety at work” Safety at Work costituisce una delle novità più significative e rivoluzionarie introdotte dall'AS-i: è ora possibile cablare su un unico cavo, sia I/O distribuiti che i circuiti di sicurezza, utilizzando prodotti certificati fino alla categoria 4 della norma EN-954-1. Ciò può permettere di abbandonare completamente il cablaggio tradizionale, a favore di una soluzione più flessibile e, molto spesso, economicamente vantaggiosa informazioni riguardanti il processo.

Il sistema AS-Interface “Safety at work” soddisfa le esigenze della maggior parte delle applicazioni di sicurezza, quali ad esempio:

- Controllo della funzione di arresto di emergenza con contatti ad apertura istantanea (categoria 0).

- Controllo della funzione di arresto di emergenza con contatti ad apertura temporizzata (categoria 1).

- Controllo di interruttori con o senza interblocco. - Controllo di barriere luminose, ecc...

Le opzioni relative alla sicurezza quali ad esempio il controllo di un pulsante di marcia, possono essere configurate per tutte le funzioni predefinite certificate.

La sicurezza viene integrata nella rete ASI aggiungendo un controllore di sicurezza e delle interfacce di sicurezza che saranno collegate, senza differenziazione, sullo stesso «cavo giallo» con i componenti standard.

Le informazioni di sicurezza vengono scambiate soltanto tra il controllore di sicurezza e le interfacce di sicurezza; ciò rimane trasparente per tutti gli altri componenti standard. Partendo da questo principio, una rete ASI esistente può essere aggiornata con componenti di sicurezza, senza dover sostituire i componenti installati (come le stazioni master, gli ingressi/uscite, le alimentazioni, ecc...)

I circuiti di sicurezza vengono interrogati immediatamente e senza cablaggio aggiuntivo dalla stazione master standard ASI comunicante con i controllori di sicurezza su bus ASI (il noto cavo giallo profilato).

La configurazione della rete « ASI Safety at work » e la selezione delle diverse funzioni di sicurezza si effettuano in modo semplice e intuitivo. Tutte le informazioni necessarie sono contenute nella documentazione fornita dai costruttori.

La sicurezza delle macchine è un’esigenza essenziale dell’Unione Europea e condiziona la circolazione dei prodotti nei Paesi membri. Il progettista, fin dall’inizio del progetto, avrà tutto l’interesse ad utilizzare strumenti di analisi come quelli del metodo AMDEC che gli consentiranno di trovare le soluzioni più pertinenti ed economiche.

Effettuata questa analisi, la valutazione dei rischi potrà essere realizzata rapidamente e in modo approfondito in conformità con le norme in vigore.

L’approccio sistematico sopra descritto garantisce la riuscita dell’analisi dei rischi.

Si otterrà in questo modo lo schema di sicurezza più adatto, con una semplice scelta dei componenti più adatti per realizzare la funzione.

I fornitori come Schneider Electric ofrono una gamma completa di prodotti e soluzioni, perfettamente adatti alla realizzazione della funzione di sicurezza.


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8capitolo Dialogo uomo/macchina Presentazione: – Interfaccia uomo/macchina

nelle diverse fasi del ciclo di vita della macchina

– Soluzioni di comando e visualizzazione ON/OFF o con terminali di dialogo

– Software di configurazione dei monitor

Sommario 8. Dialogo uomo/macchina

b 8.1 Informazioni di dialogo uomo/macchina . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 190

b 8.2 Interfacce di dialogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 192

b 8.3 Comando e segnalazione ON/OFF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 192

b 8.4 Comando e segnalazione ON/OFF:

l’offerta Schneder Electric. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 195

b 8.5 Le interfacce di dialogo evolute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 195

b 8.6 Comunicazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 199

b 8.7 Software di sviluppo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 200


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Dialogo uomo/macchina 8.1 Informazioni di dialogo uomo/macchina

Nella funzione di dialogo uomo/macchina, l’operatore riveste un ruolo importante. In funzione delle informazioni di cui dispone deve effettuare delle azioni che condizionano il buon funzionamento delle macchine e degli impianti senza compromettere la sicurezza e la disponibilità. è quindi indispensabile che la qualità di progettazione delle interfacce e della funzione di dialogo sia tale da garantire all'operatore la possibilità di un comando sicuro in qualsiasi circostanza.

8.1 Le informazioni di dialogo uomo/macchina

b I flussi di informazioni di dialogo uomo/macchina Il dialogo uomo-macchina consiste in un flusso di informazioni circolanti in due sensi (C Fig.1):

- Macchina –> Uomo - Uomo –> Macchina

Questi due flussi di informazioni sono contemporaneamente indipendenti e legati tra loro.

v Indipendenti perchè possono presentare livelli di ricchezza diversi.

È compito del progettista del sistema di automazione definire questi livelli in funzione del processo e delle esigenze dell'utente: ad esempio segnali ON-OFF dall'operatore verso la macchina, messaggi alfanumerici o sinottici animati dalla macchina verso l'operatore.

v Legati perchè un intervento dell'operatore su un'interfaccia di comando si traduce a livello del sistema di automazione in un'azione ben definita e

A Fig. 1 Il dialogo uomo/macchina nell'emissione di una informazione che dipende dall'esecuzione corretta o meno di questa azione. L'intervento dell'operatore può essere volontario (arresto della produzione, modifica dei dati, ecc…), o successivo ad un messaggio emesso dalla macchina (allarme, fine ciclo, ecc…)..

b Il ruolo dell’operatore L’interfaccia operatore raggruppa tutte le funzioni necessarie ad un operatore per comandare e controllare il funzionamento di una macchina o di un impianto.

A seconda delle esigenze e della complessità del processo l'operatore può essere portato ad eseguire:

v Delle azioni corrispondenti all'esecuzione normale del processo - comandare la messa in moto e l'arresto, fasi queste che possono

eventualmente comportare procedure di avviamento o arresto gestite dal sistema di automazione o effettuate in modo manuale o semiautomatico sotto la responsabilità dell'operatore,

- effettuare i comandi e le regolazioni necessari al normale svolgimento del processo controllandone lo stato e l'evoluzione.

v Delle azioni legate ad eventi imprevisti - individuare una situazione anomala e intraprendere un'azione

correttiva prima che l'evolversi della situazione provochi un aggravarsi dei problemi (in caso, ad esempio, di preallarme di sovraccarico di un motore, ristabilire condizioni di carico normali prima che intervenga il relè di protezione),

- affrontare un guasto del sistema interrompendo la produzione o attivando il modo di marcia "degradata" che sostituisce tutti o parte dei comandi automatici con comandi manuali per continuare la produzione,

- garantire la sicurezza delle persone e del materiale intervenendo se necessario sui dispositivi di sicurezza.


Lo scopo di questi paragrafi è mostrare l'importanza del ruolo dell'operatore. In funzione delle informazioni di cui dispone quest'ultimo può essere portato a prendere decisioni e intraprendere azioni che esulano dalle procedure di comando in condizioni normali e che possono influire direttamente sulla sicurezza e sulla disponibilità degli impianti. Il sistema di dialogo non deve quindi essere un semplice mezzo di scambio di informazioni tra uomo e macchina, ma deve essere concepito in modo tale da facilitare il compito dell'operatore consentendogli di garantire un comando sicuro in qualsiasi circostanza.

b Qualità di interfaccia del dialogo La qualità di interfaccia della funzione di dialogo può essere misurata con la facilità con la quale un operatore può percepire e comprendere un evento e con l'efficacia con la quale può reagire a questo evento.

v Percezione Qualsiasi cambiamento nel funzionamento di una macchina si traduce in genere nella modifica o comparsa di un'infomazione su una spia di segnalazione, un display o un monitor. Questo evento deve per prima cosa essere percepito dall'operatore, qualunque siano le condizioni ambientali (luce ambiente, ecc...).

Per attirare l'attenzione dell'operatore è possibile utilizzare mezzi diversi: lampeggiamento dell'informazione, cambio di colore, segnale acustico, protezione contro i riflessi, ecc...

v Comprensione Per evitare qualsiasi richio di azione che possa compromettere la sicurezza, l'informazione percepita dall'operatore deve essere sufficientemente leggibile e precisa, in modo da poter essere immediatamente compresa e gestibile.

In questo senso hanno un'importanza ugualmente fondamentale sia l'ergonomia di lettura dei componenti che la concezione della funzione:

- per le spie luminose: rispetto del colore previsto dalla normativa, cadenze di lampeggiamento lente o veloci nettamente differenziate fra loro, ecc...,

- per i display: testi precisi nella lingua dell'utente, distanza di leggibilità appropriata ecc...,

- per i monitor: utilizzo di simboli normalizzati, opzione di zoom per consentire una vista dettagliata della zona oggetto del messaggio.

v Reazione A seconda della rilevanza del messaggio visualizzato dalla macchina l'operatore può essere indotto ad intervenire rapidamente agendo su uno o più pulsanti o tasti della tastiera. Questa azione è facilitata da:

- una siglatura chiara per consentire una facile identificazione dei pulsanti e dei tasti, mediante, ad esempio, marcatura dei pulsanti con simboli normalizzati,

- un'ergonomia curata con tasti di grandi dimensioni e superfici ampie, tasti ad effetto tattile, ecc...

8


Dialogo uomo/macchina 8.2 Interfacce di dialogo 8.3 Comando e segnalazione ON/OFF

8.2 Interfacce di dialogo

Il dialogo uomo/macchina ha subito in questi ultimi anni una notevole evoluzione. La funzione elementare assegnata al pulsante è stata arricchita da interfacce che ricorrendo all’elettronica hanno permesso di arricchire il dialogo, personalizzandolo e apportando nuove funzioni, come ad esempio la configurazione dei parametri o l’aiuto alla diagnostica.

La tabella (C Fig.2) illustra l’offerta e le funzioni associate alle interfacce uomo/macchina.

PROGETTAZIONE MESSA IN SERVIZIO UTILIZZO MANUTENZIONE

Prodotto

BP Sì Sì Sì

Dialogo integrato Sì Sì Sì

Dialogo operatore

Software di creazione

Sì Sì Possibile

Supervisione Software di creazione

Sì Sì Possibile

Funzione

Comando BP, Supervisione, Dialogo operatore

BP, Supervisione, Dialogo operatore

Diagnostica

Dialogo integrato (Supervisione e Dialogo operatore da considerare)

Regolazione

Dialogo integrato (Supervisione e Dialogo operatore da considerare)

Software di creazione e altri software

Software di dialogo operatore, Software di supervisione

Software di regolazione su PC

A Fig. 2 Offerte e funzioni associate alle interfacce uomo/macchina

8.3 Comando e segnalazione ON/OFF

b Pulsanti e lampade spia v Gamme standard • Funzioni Interfacce di dialogo perfettamente adatte alle applicazioni in cui gli scambi di informazioni tra operatore e macchina sono ridotti e limitati a segnali di tipo ON-OFF (ordini di marcia, segnalazioni di stato, ecc).

Componenti elettromeccanici dalla messa in opera semplice, robusti ed affidabili, ergonomici e adatti a tutte le condizioni ambientali, possono essere dotati di teste di comando circolari o quadrate.

È comunque facile identificarli grazie ad un codice colore normalizzato. Il loro utilizzo è intuitivo o riflesso (esempio: arresto di emergenza).

Per questo motivo, sono utilizzati per operazioni legate direttamente alla sicurezza e che a questo titolo implicano un comando semplice e diretto.


8.3 Comando e segnalazione ON/OFF

A Fig. 3 Pulsanti della gamma Harmony (Schneider Electric)

La norma EN 60204-1 precisa il codice dei colori al quale devono essere conformi le lampade spia e i pulsant. Esempio: - spia di colore rosso: Emergenza - condizioni pericolose che richiedono

un'azione immediata (pressione/temperatura fuori dai limiti di sicurezza, sovracorsa, rottura accoppiamento, ecc…),

- spia di colore giallo: Anormale - condizione anormale che può portare ad una situazione pericolosa (pressione superiore ai limiti normali, sganciamento

di un dispositivo di protezione, ecc…), - spia di colore bianco: Neutro - informazione generale (presenza della tensione di

alimentazione, ecc…), - pulsante di colore rosso: Emergenza - azionare in caso di condizione

pericolosa (arresto d'emergenza,ecc…), - pulsante di colore giallo: Anormale - azionare in caso di condizioni anormali

(intervento per riavviare un ciclo automatico interrotto, ecc..).

I pulsanti sono utilizzati per i comandi generali di avviamento e di arresto e per il controllo dei circuiti di sicurezza (arresti di emergenza).

Sono disponibili nei diamteri 16, 22 e 30 mm (Norme NEMA), in diversi modelli (C Fig 3):

- testa con ghiera metallica cromata per tutti i tipi di applicazioni in ambienti industriali severi a regime intensivo,

- in plastica per applicazioni in ambienti agressivi: industria chimica, agroalimentare.

• Testa di comando È disponibile una grande varietà di teste di comando:

- pulsanti con pulsante a filo ghiera, sporgente, ad incasso, con cappuccio di protezione,,

- a fungo, - a doppia azione, - a fungo ad aggancio, - “arresto di emergenza”, - selettori a leva corta e leva lunga, a chiave, 2 o 3 posizioni fisse o con

ritorno, - a stelo in metallo (comando omnidirezionale), - pulsanti luminosi con pulsante a filo ghiera, sporgente, con cappuccio

di protezione. La concezione modulare delle unità di comando e segnalazione consente una grande flessibilità d'impiego.

Le lampade spia e i pulsanti luminosi sono dotati di lampadine a filamento o di diodi elettroluminescenti (LED). Sono ad alimentazione diretta con riduttore di tensione o con trasformatore incorporato.

Le unità di comando possono ricevere da 1 a 6 contatti NO o NC, compatibili con gli ingressi 24 V dei controllori programmabili.

• Robustezza e affidabilità I pulsanti e le lampade spia sono sottoposti a condizioni d’impiego che possono essere molto severe e la durata dei pulsanti è dell’ordine di 1 milione di manovre; questi prodotti sono quindi sottoposti a prove normalizzate di tenuta agli urti in conformità con la norma IEC 60947-5-5. A titolo esemplificativo un pulsante deve essere in grado di supportare un’energia di 5.5 Joule senza presentare usura: la serie di pulsanti Harmony supporta 17 Joule.

v Pulsanti e lampade spia per collegamento su circuiti stampati (C Fig. 4) La gamma diametro 22 mm è disponibile in versione "collegamento su circuiti stampati". Questi prodotti sono adatti alla realizzazione di supporti di dialogo in quantità ripetitive con uno schema identico. Le teste di comando e di segnalazione sono quelle della gamma standard. I blocchi elettrici, specifici per queste versioni, sono dotati di uscite di contatti che ne consentono la saldatura su circuito stampato.

A Fig. 4 Pulsanti e lampade spia per circuiti stampati


8

Dialogo uomo/macchina 8.3 Comando e segnalazione ON/OFF

A Fig. 5 Lampade spia a LED

A Fig. 6 Colonne luminose singole e componibili

• Pulsanti a tasto e lampade spia a testa quadrata Questi apparecchi si montano con passo di 19,05 mm (3/4 di pollice) in fori di diametro 16 mm. Consentono la composizione di insiemi di comando di dimensioni ridotte nei casi in cui lo spazio disponibile è limitato e possono inoltre essere associati a tastiere di programmazione.

I pulsanti a tasto sono ad effetto tattile. Possono essere dotati di un contatto argentato o dorato.

• Lampade spia a diodo elettroluminescente (C Fig. 5) Le lampade spia a LED per montaggio 8 e 12 mm sono consigliate soprattutto quando lo spazio disponibile è ridotto o quando gli elementi di segnalazione sono in numero rilevante (ridotta potenza dissipata).

Assicurano notevoli vantaggi: eccellente tenuta agli urti, alle vibrazioni e alle sovratensioni, lunga durata (>100.000 h), consumi ridotti che consentono una compatibilità diretta con le uscite dei controllori programmabili.

v Colonne luminose singole e colonne luminose componibili (C Fig.6) Le colonne luminose singole e componibili sono elementi di segnalazione ottica o acustica utilizzati per visualizzare gli stati di funzionamento di una macchina e gli allarmi ad una grande distanza e a 360°.

• Colonne luminose singole Comprendono un solo elemento luminoso, in vetro o a scarica con lampadina "flash", incolore o di colore verde, rosso, arancione o blu.

• Colonne luminose componibili Costituiscono un'unità a composizione variabile mediante assemblaggio dei seguenti elementi: tubi in vetro o a scarica con lampadina "flash" o segnalatore acustico. Gli elementi luminosi o sonori sono sovrapponibili mediante semplice incastro. Il loro collegamento elettrico viene effettuato automaticamente durante la fase di incastro.

• Norma IEC 60204-1 La norma IEC 60204-1 definisce i codici colore corrispondenti ai messaggi da visualizzare: Segnalazione luminosa

- Rosso: emergenza (azione immediata) - Giallo/Arancione: anormale (controllo e/o intervento) - Verde: condizione normale (opzionale) - Blu: azione obbligatoria (richiesta l’azione dell’operatore) - Bianco: controllo (opzionale)

Luci lampeggianti - Per una distinzione o un’informazione particolare - Attirare maggiormente l’attenzione - Esigere un’azione immediata - Indicare una discordanza tra il comando e lo stato reale - Indicare un cambiamento in corso (lampeggiamento durante la transizione)

Flash e dispositivi a luci ruotanti - Un segnale di potenza più elevato per un’informazione di priorità

superiore o a distanza (secondo CEI 60073)

Segnalatori acustici (buzzer) e sirene - Consigliati in ambienti molto disturbati da luci o acusticamente o quando

si richiede una maggior disponibilità dell’operatore

v Manipolatori (C Fig.7) I manipolatori sono destinati principalmente al comando degli spostamenti su uno o due assi mediante contattori, in caso ad esempio di movimenti di traslazione/direzione o salita/discesa sulle piccole macchine da sollevamento.

Prevedono in genere da 2 a 8 direzioni, con 1 o 2 contatti per direzione, con o senza ritorno allo zero.

Alcuni manipolatori possono essere dotati di un contatto "uomo morto" in cima alla leva.

A Fig. 7 Manipolatori


8.4 Comando e segnalazione ON/OFF: l’offerta Schneider Electric

8.5 Le interfacce di dialogo evolute

8.4 Comando e segnalazione ON/OFF: l’offerta Schneider Electric

b La gamma Harmony (marchio Telemecanique) La Fig. 8 mostra alcuni prodotti della gamma Harmony di componenti di comando e segnalazione. Questi prodotti si distinguono tra l’altro per:

- semplicità: elementi agganciabili per un assemblaggio facile e sicuro, - tecnologia: tecnologia LED utilizzata per tutte le funzioni luminose, - flessibilità: prodotti modulari capaci di evolvere con il sistema di

automazione, - robustezza: prestazioni meccaniche nettamente superiori ai livelli

normativi, - compattezza: dimensioni “fuori-tutto” più ridotte del mercato, - ampie possibilità di collegamento: capicorda Faston 2.8 x 0.5,

o da saldare, linguette, morsetti a vite-serrafilo.

A Fig. 8 L’offerta Harmony


Lo sviluppo dell’elettronica e della comunicazione hanno favorito la comparsa di interfacce di dialogo operartore con funzioni performanti e user-friendly.

Queste interfacce consentono la configurazione dei prodotti e la lettura delle informazioni relative ad un azionatore, quali ad esempio l’assorbimento di corrente, la temperatura, la velocità, ecc...

L’operatore può inoltre scegliere la lingua di utilizzo mediante un’operazione di configurazione preliminare.

b Pannelli di controllo specifici integrati ai prodotti Gli strumenti specifici di dialogo integrati nei prodotti offrono funzioni 8 notevoli perfettamente adattabili alle esigenze di regolazione in impiego oltre che ad un’assistenza efficace alla diagnostica.

Il variatore di velocità Altivar ATV 71 di Telemecanique monta un pannello di questo tipo (C Fig.9).

v Caratteristiche principali - Schermo grafico con visualizzazione personalizzabile. A Fig. 9 Pannello di comunicazione dell’Altivar

ATV-71 - Testo in chiaro con 6 lingue disponibili (inglese, cinese, tedesco,

spagnolo, francese e italiano) con possibilità di estensione ad altre lingue.

- Pulsante di navigazione per un facile accesso e utiizzo dei menu. - Menu “Simply Start” per un avvio rapido e l’utilizzo di tutte le

prestazioni dell’Altivar 71. - Tasti “funzione” per le scelte rapide, l’aiuto in linea o configurabili. - Visualizzazione permanente dei parametri di funzionamento del

motore.

v Funzionalità principali - Chiarezza di visualizzazione con testi su 8 linee e visualizzazioni

grafiche (C Fig.10). - Leggibilità fino a 5 m. - Flessibilità dovuta alla possibilità di montaggio su porta d’armadio

con grado di protezione IP 54 o IP 65, per una connessione multipunto a più variatori.

A Fig. 10 Esempio di messaggio Altivar ATV-71


Dialogo uomo/macchina 8.5 Le interfacce di dialogo evolute

- Memorizzazione di 4 configurazioni per trasferimento in altri variatori. - Facilità d’impiego grazie ai tasti funzione per le scelte rapide, gli

accessi diretti e l’aiuto in linea, la visualizzazione dei valori minimi e massimi dei parametri.

- Ergonomia grazie al tasto di navigazione che permette di navigare con facilità e rapidità nel menu pop-up.

- Personalizzazione dei parametri, delle videate, della barra di controllo, creazione di un menu utente personalizzato, ecc...

- Protezione dei parametri, gestione della loro visibilità e blocco mediante password per un accesso semplificato e sicuro alle vostre configurazioni.

Il pannello di controllo integra numerose macro-configurazioni progettate per rispondere ad una grande varietà di applicazioni ed impieghi: movimentazione, sollevamento, utilizzo generale, connessione a bus e reti, regolazione PID, master, slave, ecc...

Le macro-configurazioni possono essere facilmente modificate.

Ricche e varie, le funzioni disponibili con il pannello di controllo integrato facilitano la messa a punto e la diagnostica delle macchine.

b Terminali grafici touch-screen A differenza dei pannelli di controllo integrati ai prodotti, i terminali grafici touch-screen sono prodotti generici utilizzabili per qualsiasi applicazione.

Come visto in precedenza i terminali con display di visualizzazione vengono utilizzati nelle fasi di messa in servizio e utilizzo.

A seconda della versione e del software associato possono svolgere un ruolo importante nella fase di manutenzione.

I terminali comunicano con il processo mediante bus di comunicazione e sono parte integrante della catena di dialogo e di trasmissione dati.

Per illustrare tutte le funzioni offerte dai terminali grafici touch-screen è sufficiente esaminare l’offerta Magelis di Schneider Electric.

I terminali grafici della gamma Magelis (con touch screen LCD da 5.7’’ a 12.1’’ e tastiera tattile o touch screen da 10.4’’) permettono di accedere in modo molto semplice alle soluzioni grafiche di comando e/o gestione dei sistemi automatizzati. La connessione e l'apertura garantiscono i più ampi standard di mercato grazie alla possibilità di connessione diretta sulla rete Ethernet TCP/IP.

v Caratteristiche significative • Gamma innovativa specifica per gli ambienti più gravosi

- Robusti e compatti. - Comando sicuro ed ergonomico mediante tastiera o touch screen. - Display ad elevata luminosità che assicurano quindi un’ottima leggibilità.

• Manutenzione e diagnostica via Web - Comando a distanza con Internet Explorer. - Accesso alle informazioni di diagnostica delle stazioni operatore

attraverso pagine HTML. - Telediagnostica. - Invio automatico di messaggi e-mail.

• Aperti ed evolutivi - Possibilità di connessione di PLC (diversi marchi). - Comunicazione OPC (diversi marchi). - Integrabili alle reti TCP/IP. - VB Script integrato.

• Interfacce HMI innovative e performanti - Stazioni di comando decentralizzate. - Accesso centralizzato alle stazioni locali, piccole sale di comando. - Possibilità di utilizzo su scala mondiale grazie alle numerose lingue

supportate.



INREVISIONE

La Fig. 11 presenta un estratto dell’offerta Magelis di Schneider Electric.

Magelis XBT R, S Terminali grafici compatti a schermo matriciale

- da 4 a 8 linee di visualizzazione, da 5 a 20 caratteri - Simboli semi-grafici - Tasti e password

« ZENSHIN » Terminali grafici disponibili con schermo touch-screen 5.7” - 7.5” - 10.4"

Magelis XBT GK

Terminali grafici disponibili con schermo touch-screen 5.7 - 10.4”

Magelis XBT GT Terminali grafici con schermo touch screen a colori, disponibili con schermo 3.8-5.7-7.4-10.4-12.1-15”

A Fig. 11 Alcuni prodotti della gamma Magelis di Schneider Electric

• Caratteristiche principali dei terminali grafici touch screen Magelis XBT G

- Visualizzazione Dimensioni schermo LCD 3.8” 5.7” 7.4” 10.4” 12.1” 15”

- Funzioni Rappresentazione delle variabili alfanumeriche, bitmap, bargraph, vumetro, pulsante, spia, orologio, girografo, tastiera. Curve con report cronologico. Funzione di cronodatazione allarmi integrata.

- Comunicazione Ethernet integrato 10 BASE-T (RJ45). Protocolli telecaricabili Uni-Telway, Modbus, Modbus TCP/IP.

- Compatibilità con controllori programmabili Schneider Electric Twido, Nano, Modicon TSX Micro, Modicon Premium, Modicon Quantum.

- Software di configurazione Vijeo Designer VJD SPU LFUCD V10M (sotto Windows 2000 e XP).

- Alloggiamento scheda Compact Flash

- Tensione d’alimentazione 24 V =

• Terminali grafici Magelis XBT F - Visualizzazione Dimensioni schermo LCD 10.4”

Tipo TFT 256 colori

- Programmazione mediante tastiera 10 tasti dinamici con LED, 12 tasti statici con LED + etichette, 12 tasti servizio, 12 tasti alfanumerici + 3 accessi alfanumerici.

8


INREVIS

IONE

Dialogo uomo/macchina 8.5 Le interfacce di dialogo evolute

- Possibilità di comando da touch-screen

- Funzioni Rappresentazione delle variabili alfanumeriche, bitmap, bargraph, vumetro, potenziometro, selettore, Ricette: 125 registrazioni max. con 5000 valori, 16 curve Funzione di cronodatazione allarmi integrata.

- Comunicazione Ethernet integrato 10 BASE-T/100BASE-TX (RJ45), Bus e reti Fipway, Modbus Plus e protocolli terzi, Protocolli telecaricabili Uni-Telway, Modbus, Modbus TCP/IP.

- Compatibilità con controllori programmabili Schneider Electric Twido, Nano, Modicon TSX Micro, Modicon Premium, Modicon Quantum.

- Software di configurazione XBT L1003M (sotto Windows 98, 2000 e XP)

- Tensione d’alimentazione 24 V =

b PC industriali v Caratteristiche tecniche I PC industriali sono particolarmente robusti e adatti agli ambienti industriali più gravosi, con presenza di polvere, umidità, vibrazioni ed interferenze elettromagnetiche. I PC industriali possono essere compatti o modulari: è possibile infatti scegliere il modello più adatto alle vostre esigenze fra 4 diverse famiglie di prodotto. Le Fig. 12a e 12b mostrano alcuni prodotti dell’offerta Schneider Electric.

A Fig. 12a L’offerta di PC industriali Magelis i PC (Compact IPC)


8.5 Le interfacce di dialogo evolute 8.6 Modi di comunicazione

INREVISIONE

v PC Industriali modulari Magelis IPC

I PC modulari della Fig. 12b offrono modularità e flessibilità.

Questa gamma consente di scegliere la soluzione più adatta alle esigenze

di Interfaccia Uomo/Macchina in ambiente Windows.

Estremamente flessibile assicura rapidità di evoluzione e di manutenzione:

Magelis Modular iPC

Magelis Modular IPC facilita la messa in opera. È disponibile in due versioni e due modelli 12” e 15” con touch screen e/o tastiera.

Magelis iDisplay

Monitor industriali a schermo piatto 12”, 15”, 19” con porta USB per l'utilizzo con qualunque PC.

A Fig. 12b PC industriali modulari. Vedere i cataloghi prodotto per informazioni dettagliate sui diversi modelli.

8.6 Comunicazione

I modi di comunicazione tradizionali, bus e seriale, sono integrati e disponibili normalmente sulla maggior parte dei prodotti. Si basano sull’utilizzo di driver integrati ai software di configurazione. Generalmente sono disponibili anche i diversi tipi di reti.

b Protocolli supportati I protocolli supportati sono tutti i protocolli dell’offerta Schneider Electric: Uni-TE (Uni-Telway), Modbus, Modbus TCP-IP, FipWay, Modbus Plus. Sono disponibili anche protocolli terzi. Funzioni: grafica, ergonomia di comando, tipi di azioni sul sistema di automazione.

v Factory Cast (su modulo Ethernet dei PLC) (C Fig.13) Funzioni di diagnostica a distanza con un semplice Internet browser:

- Accesso protetto alla diagnostica sistema e applicazione, - Visualizzazione e regolazione numerica o grafica dei dati, - Invio di messaggi e-mail, - Personalizzazione e creazione di pagine Web per una diagnostica

adatta alle esigenze dell’utente.

v FactoryCast HMI Funzioni di diagnostica identiche a quelle di FactoryCast oltre a nuove

Esempio di diagnostica a distanza funzioni HMI integrate in un modulo controllore: - Database tempo reale e acquisizione dati controllore programmabile

(1 000 variabili), - Calcoli per pre-elaborazione dati, - Gestione allarmi avanzata con invio e-mail, - Archiviazione dati in database relazionali (SQL, Oracle, MySQL), - Un server Web personalizzabile dall’utente per la realizzazione ad hoc

di un’interfaccia adatta alle sue esigenze.

v FactoryCast Gateway Nuova offerta di gateway web intelligenti e compatti che integrano in un solo involucro:

- Le interfacce di comunicazione rete e i collegamenti seriali Modbus o Uni-Telway.

- Una funzione di accesso remoto, server RAS. - Una funzione notifica allarmi mediante e-mail. - Una funzione Web personalizzabile dall’utente.

8

A Fig. 13


Dialogo uomo/macchinaIN

REVISIO

NE

8.7 Software di sviluppo

8.7 Software di sviluppo

L’offerta di terminali è completata da un’offerta di software specifici per la configurazione e l’adattamento dei terminali all’applicazione desiderata.

A tale proposito presentiamo i prodotti Magelis di Telemecanique, un’offerta hardware e software completa e coerente che permette all’utente di realizzare l’applicazione desiderata in un tempo minimo.

I software forniti consentono inoltre la comunicazione con prodotti terzi di altri produttori garantendo quindi una flessibilità e un’apertura ottimali.

b Software di configurazione VSD Lite

Visualizzatori e terminali Magelis (Windows 2000 e XP).

Il software di configurazione XBTL1001/L1003 consente di realizzare applicazioni di dialogo operatore destinate alla gestione di sistemi di automazione per:

- tutti i visualizzatori XBTN/R/H/HM e i terminali XBTP/PM/E e N, R, RT con software XBTL1001,

- tutti i visualizzatori XBTN/R/H/HM e i terminali XBTP/PM/E e F con software XBTL1003.

Le applicazioni create con il software XBTL1001/L1003 sono indipendenti dal protocollo utilizzato. La stessa applicazione di dialogo operatore può essere utilizzata con i controllori programmabili degli altri principali produttori del mercato.

v Configurazione Il software di configurazione XBTL1001/L1003 consente di creare in modo semplice diversi tipi di pagine: pagine applicazione (eventualmente collegabili tra loro), pagine allarmi, pagine aiuti, pagine ricette, ecc...

b Vijeo Designer, configurazione dell’interfaccia di dialogo per XBTGT/GTW/GK/LPC Il software di configurazione Vijeo Designer (C Fig.14) consente di elaborare in modo semplice e rapido dei progetti di dialogo operatore. Disponibile in due versioni, Sviluppo (Build Time/Run Time) e Impiego (Run Time) è compatibile con tutti i terminali della gamma XBTGT/GTW/GK/LPC.

L’ergonomia della versione ‘Build Time’ ricorda strumenti quali Visual Studio. Supporta i sistemi operativi Windows 2000, XP Professional, VISTA di Microsoft.

La versione ‘Run Time’, pezzo forte della soluzione, è disponibile in due formati:

- Un formato PC, che viene eseguito automaticamente quando l’utente della versione ‘Build Time’ vuole simulare la sua applicazione su PC. e che offre anche una simulazione delle variabili controllore.

- Un formato proprietario, caricato se necessario in modo trasparente, quando l’utente che ha finito la messa a punto del suo progetto desidera installarla sul terminale XBTGT/GTW/GK/LPC.


8.7 Software di sviluppo 8.8 Conclusione

INREVISIONE

A Fig. 15 Software Vijeo Look

b Vijeo Citect Vijeo Look 2.6 (C Fig.15) è un software di supervisione SCADA (Supervision Control And Data Acquisition) destinato ai tecnici di comando, responsabili di produzione e integratori di sistemi di automazione che ricercano semplicità di configurazione unita a prestazioni potenti. Vijeo Citect offre un supporto a CPU multiple, una funzione " Cerca/ Sostituisci " multi progetti ed un servizio Web XML

A Fig. 14 Software Vijeo Designer integrato. Vijeo Citect utilizza la potenza delle macchine e dei sistemi a CPU multiple per offrire prestazioni eccelllenti in perfetta simbiosi tra il Web e l’interfaccia di dialogo uomo-macchina (HMI).

Per maggiori dettagli consultare le schede tecniche di Schneider Electric . 8

8.8 Conclusione

Il dialogo uomo/macchina è probabilmente il settore dei sistemi di automazione che negli ultimi anni ha subito la maggiore evoluzione.

Grazie all’apporto tecnologico dell’elettronica e dell’elaborazione del segnale, le interfacce sono diventate sempre più sofisticate e conviviali.

Una scelta accurata dell’interfaccia di dialogo e della sua configurazione consente all’utente di comandare il processo con sempre maggior rigore realizzando funzioni di diagnostica e manutenzione preventiva, aumentando la produttività e riducendo i tempi di manutenzione.


202

9capitolo Reti industriali Presentazione: – Esigenze e offerte esistenti – Tecnologie – Politica Schneider Electric

Sommario 9. Reti industriali


b 9.2 Storia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 204

b 9.3 Le esigenze e le risposte del mercato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 205

b 9.4 Tecnologie delle reti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 207

b 9.5 Le reti consigliate da Schneider Electric . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 209

b 9.6 Ethernet TCP/IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 210

b 9.7 Servizi Web e Transparent Ready . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 213

b 9.8 Bus Can Open. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 220

b 9.9 Sinergia Ethernet e Can Open . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 228

b 9.10 Bus AS-Interface (AS-I) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 228


1

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M


Reti industriali 9.1 Introduzione 9.2 Storia

Questo capitolo affronta il tema delle tecniche di cablaggio necessarie al funzionamento di un sistema di automazione. Generalmente si considerano due categorie:

- I circuiti correnti forti che generalmente trasportano l’energia della rete e che garantiscono quindi la connessione dei componenti di potenza dalla rete di alimentazione fino al carico. Questo argomento non sarà trattato in questo capitolo ma invitiamo il lettore a consultare i capitoli sull’alimentazione e la messa in opera.

- I circuiti correnti deboli che collegano l’insieme dei componenti di acquisizione, dialogo, elaborazione e comando potenza con la macchina e il processo.

9.1 Introduzione

Tradizionalmente il cablaggio delle apparecchiature elettriche è garantito da collegamenti filo a filo.

La norma internazionale macchine IEC 60 204-1 e quella delle installazioni. proprie di ciascun Paese, definiscono regole precise sulle sezioni, sulla qualità dell’isolante e sugli identificativi di riferimento con colori normalizzati. La maggior parte di questi collegamenti sono realizzati mediante cavi singoli flessibili di sezione compresa tra 1.5 e 2.5mm2 (AWG 16 e 14) protetti alle estremità da terminali.

Queste soluzioni hanno soddisfatto, fino al precedente decennio, tutte le esigenze, sia per i segnali ON/OFF che per i segnali analogici necessari agli asservimenti che talvolta richiedono cablaggi schermati per evitare i disturbi elettromagnetici.

L’ingresso delle tecnologie digitali nell’industria ha avuto un impatto notevole sulla progettazione e sulla realizzazione delle apparecchiature elettriche che ha subito l’influenza degli standard propri dal settore informatico ed automobilistico.

Lo scambio di informazioni digitali ha imposto collegamenti con reti di comunicazione che richiedono l’utilizzo di connettori e connessioni precablati. Il lavoro di realizzazione di un apparecchiatura elettrica diventa quindi molto più semplice: gli errori di cablaggio vengono ridotti e la manutenzione semplificata.

Questo capitolo è dedicato alle reti di comunicazione utilizzate nell’industria dal momento che le tecnologie dei collegamenti convenzionali sono ormai ben conosciute.

9.2 Storia

Nel 1968 la società Modicon inventa il concetto di controllore programmabile. Un unico prodotto risponde ad una grande moltiplicità di esigenze e apporta un’economia di scala. La sua grande flessibilità d’impiego garantisce notevoli guadagni in tutte le fasi di vita dell’impianto. Anche le reti fanno la loro comparsa gradualmente, inizialmente sotto forma di collegamenti seriali. Successivamente i protocolli di comunicazione, insiemi di convenzioni e regole, formalizzano gli scambi di informazionmi sulla rete. Nel 1979 Modbus (contrazione di MODicon BUS), diventa di fatto uno standard industriale, continuando ancora oggi a permettere di comunicare tra loro milioni di dispositivi di automazione.

Dopo alcuni anni si è verificata una rapida adozione del bus di campo. Vera e propria spina dorsale dei sistemi di automazione il bus di campo si delinea come un mezzo estremamente potente di scambi, di visibilità e di flessibilità per le apparecchiature ad esso collegate, portando ad un cambiamento progressivo delle architetture:

- eliminazione dei cavi d’ingressi/uscite, - scomparsa o decentralizzazione delle interfacce d’I/O, - decentralizzazione e ripartizione dell’intelligenza delle macchine, - interconnessione con Internet.


9.2 Storia 9.3 Le esigenze e le risposte del mercato

Gli anni ‘70 vedono la nascita della rete Ethernet nel Centro Ricerche Xerox a Palo Alto (universalmente noto come PARC). Solo una decina di anni dopo Ethernet diventa lo standard internazionale che tutti conosciamo, integrato di base in quasi tutti i computer. Le prime applicazioni sono state di trasferimento file e messaggi e di trasmissione di pagine WEB. Negli anni ‘90 l’affermazione dell’informatica in tutti i settori dell’impresa ha fatto nascere l’esigenza di collegare tra loro i diversi settori industriali.

Il World Wilde Web inventato dal CERN nel 1989 fu sviluppato in origine per consentire la condivisione di informazioni tra i diversi gruppi di lavoro di ricercatori in ambito internazionale. Il mondo del WWW è un sistema di condivisione ipertestuale mondiale di documenti e collegamenti. Il protocollo HTTP è un protocollo semplice utilizzato da un navigatore (browser) per accedere alle pagine web registrate su un server. Queste pagine sono programmate con appositi linguaggi, quali HTML o XML. Il World Wilde Web Consortium (W3C), creato nel 1994, gestice l’evoluzione tecnica del web (vedere il sito http://www.w3.org/)

Nel 1996 Schneider Electric promuove la rete Ethernet industriale per collegare i livelli “impresa” e “officina” con i controllori programmabili, sviluppando la filosofia “Transparent Ready”. Questa soluzione semplice si basa sull’aggiunta di strumenti e protocolli industriali, tra i quali Modbus, agli elementi standard di Ethernet.

9.3 Le esigenze e le risposte del mercato

In base all’effetto congiunto delle esigenze e dei vincoli dell’utenza, delle tecnologie e degli standard, le architetture attuali si strutturano in quattro livelli distinti e collegati da reti (C Fig. 1).

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A Fig. 1 Esempio di livelli di architettura


Reti industriali 9.3 Le esigenze e le risposte del mercato

Prima di analizzare le tecnologie delle reti di comunicazione, è necessario presentare una sintesi delle principali esigenze alle quali i diversi livelli forniscono una risposta pertinente. Le caratteristiche riportate nella tabella della Fig. 2 verranno trattate in dettaglio nei paragrafi seguenti.

Livello Esigenze Volume d’informazioni da trasmettere

Tempo di risposta

Distanza Topologia rete

Numero d’indirizzi

Collegamento

Impresa Scambio di dati. Sicurezza informatica. Standard tra pacchetti applicativi.

File Mbit

1mn Mondo Bus, stella Illimitato Elettrico, ottico, radio

Officina Sincronizzazione dei PLC1 della stessa isola di automazione scambi d’informazioni in modalità client/server con gli strumenti di gestione (HMI, supervisione).

Prestazioni tempo reale.

Dati Kbit

da 50 a 500 ms da 2 a 40 Km Bus, stella da 10 a 100 Elettrico, ottico, radio

Macchina Architettura distribuita. Integrazione funzionale e transparenza degli scambi. Topologia e costi di connessione.

Data Kbit

da 5 a 100 ms (ciclo del PLC)

da 10 m a 1 Km Bus, stella da 10 a 100 Elettrico, ottico, radio

Sensore Semplificazione del cablaggio, distribuzione delle alimentazioni dei sensori e azionatori. Ottimizzazione dei costi di cablaggio.

Dati bit

da 1 a 100 m Nessun vincolo

da 10 a 50 Elettrico radio

A Fig. 2 Le esigenze e i limiti di comunicazione

Come primo approccio prendiamo in considerazione i due principali assi della tabella sopra riportata:

- il numero d’informazioni da trasmettere, - il tempo di risposta necessario.

Questo ci permette di posizionare le principali reti in commercio (C Fig.3).

A Fig. 3 Principali reti industriali


9.4 Tecnologie delle reti

9.4 Tecnologie delle reti

A Fig. 4 Topologia delle reti

A Fig. 5 Topologia delle reti a stella

Qui di seguito affronteremo l’argomento in modo conciso; per dettagli più approfonditi fare riferimento alla ricca bibliografia sull’argomento.

b Topologia delle reti Una rete di comunicazione industriale è costituita da controllori programmabili, interfacce uomo/macchina, computer, moduli d’I/O interconnessi da cavi elettrici, fibre ottiche, collegamenti radio o elementi d’interfaccia quali schede rete o gateway. La disposizione fisica della rete, cioè il modo in cui sono collegati fra loro i diversi nodi che la compongono, è detta topologia fisica o architettura della rete.

Quando si considera la circolazione delle informazioni si usa il termine topologia logica.

Generalmente si distinguono le seguenti topologie: - a bus (C Fig.4), - a stella (C Fig.5), - ad albero, - ad anello, - a maglia.

• Topologia bus Questa organizzazione è una delle più semplici. Tutti gli elementi sono direttamente collegati allo stesso mezzo trasmissivo lineare: il bus. Si tratta di una topologia facile da realizzare e dove il guasto di un nodo o di un elemento non disturba il funzionamento degli altri dispositivi collegati.

Le reti del livello macchina e sensori, detti bus di campo, utilizzano questa topologia.

La topologia a bus si realizza collegando tra loro gli apparecchi in concatenamento oppure utilizzando una morsettiera di collegamento (TAP) al cavo principale (C Fig.4).

• Topologia a stella La topologia a stella è oggi la più diffusa, ed è quella utilizzata da Ethernet. Presenta il vantaggio di essere molto flessibile per gli interventi di gestione e riparazione. Le stazioni sono connesse ad un nodo centrale che può essere un semplice ripetitore (hub) o un dispositivo intelligente (switch o router). Uno dei vantaggi è dato dal fatto che se vi è un’interruzione su una delle connessioni della rete ne risentirà solo l’apparecchio collegato a quel segmento mentre tutti gli altri contineranno ad operare normalmente.

• Altre topologie (C Fig.6) - La topologia ad anello riprende la topologia fisica della stella ed

offre una maggiore disponibilità della rete. - La topologia a maglia è poco utilizzata nell’industria e presenta

l’inconveniente di un numero elevato di collegamenti che aumenta in base al numero di nodi (non adatta a reti medio-grandi).

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Ad anello A maglia

La topologia ad anello riprende la topo-logia fisica della stella offrendo una maggior disponibilità della rete.

La topologia a maglia è poco utilizzata nell’industria e presenta l’inconveniente di un numero elevato di collegamenti.

A Fig. 6 Altre topologie di reti


Reti industriali 9.4 Tecnologie delle reti

b Protocollo Per protocollo di rete si intende un insieme di più regole che determinano le modalità di funzionamento di un determinato sistema di comunicazione. Inizialmente per protocollo si intendeva quello che veniva utilizzato per comunicare sullo stesso livello tra due apparecchiature diverse. Per estensione si utilizza talvolta questo termine ancora oggi per indicare le regole di comunicazione tra due livelli su uno stesso apparecchio.

Il modello OSI (Open System Interconnexion) è stato creato dall’International Standard Organization che ha curato l’edizione della norma ISO 7498 con lo scopo di offrire una base comune alla descrizione di qualsiasi rete informatica. Il modello OSI suddivide la rete in 7 livelli OSI (o layers), numerati da 1 a 7. I livelli OSI si basano sui seguenti principi:

- ogni livello supporta un protocollo indipendentemente dagli altri livelli, - ogni livello procura dei servizi al livello immediatamente superiore, - ogni livello richiede i servizi del livello immediatamente inferiore, - il livello 1 descrive il collegamento (il supporto di comunicazione), - il livello 7 procura dei servizi all’utente o ad un’applicazione.

In fase di comunicazione, l’utente di una rete utilizza i servizi del livello 7 attraverso un programma. Il livello configura e arricchisce l’informazione che riceve dal programma rispettando il suo protocollo. Poi la invia al livello inferiore su una richiesta di servizio. Ad ogni livello l’informazione subisce configurazioni ed aggiunte in funzione dei protocolli utilizzati; infine viene trasmessa attraverso il mezzo di connessione e ricevuta da un altro nodo della rete. L’informazione percorre tutti i livelli di questo nodo in senso inverso per finire al programma del corrispondente, spogliata delle diverse aggiunte legate ai protocolli.

Il modello OSI a 7 livelli (C Fig.7) è stato implementato da diversi costruttori, senza tuttavia riscuotere successo commerciale. Il mercato è infatti fortemente orientato verso il modello a 4 livelli TCP/IP più facile da comprendere e utilizzare e per il quale esistevano già implementazioni portatili. Il modello conserva tuttavia un interesse teorico, benché i 4 livelli del modello TCP/IP non abbiano gli esatti equivalenti nel modello OSI. Nel paragrafo dedicato a Ethernet descriveremo i 4 livelli del modello OSI.

N° Livello ISO Funzione del livello Esempi

7 Applicazione È l’interfaccia con l’utente e fa pervenire le richieste al livello di presentazione. HTTP, SMTP, POP3, FTP, Modbus

6 Presentazione Definisce il modo in cui i dati saranno rappresentati. Converte i dati per garantirne l’interpretazione da parte di tutti i sistemi.

HTML, XML

5 Sessione Garantisce le comunicazioni e i corretti collegamenti tra i sistemi. Definisce l’apertura delle sessioni sugli apparecchi della rete.

ISO8327, RPC, Netbios

4 Trasporto Consente di stabilire una comunicazione da un’estremità all’altra. Gestisce la segmentazione e il riassemblaggio dei dati, il controllo del flusso oltre al rilevamento di errori e la ripresa in seguito ad errore.

TCP, UDP, RTP, SPX, ATP

3 Rete Si occupa dell’instradamento o routing dei pacchetti (datagrammi) attraverso la rete. IP, ICMP, IPX, WDS

2 Collegamento Permette di stabilire, a partire dal supporto fisico, un collegamento esente da errori. ARCnet , PPP, Ethernet, Token ring

1 Fisico Definisce i protocolli di scambio di bit e gli aspetti elettrici, meccanici e funzionali dell’accesso alla rete.

CSMA, RS-232, 10Base-T, ADSL

A Fig. 7 I livelli ISO


9.4 Tecnologie delle reti 9.5 Le reti consigliate da Schneider Electric

b Trama La trama (C Fig.8) è l’insieme delle informazioni trasmesse in un unico blocco attraverso la rete. Viene anche chiamata pacchetto. Ogni trama rispetta la stessa organizzazione di base e contiene informazioni di controllo, quali i caratteri di sincronizzazione, gli indirizzi delle stazioni, un valore di controllo errore, oltre ad una quantità variabile di dati.

A Fig. 8 Composizione di una trama

9.5 Le reti consigliate da Schneider Electric

Allo scopo di rispondere a qualsiasi tipo di esigenza, razionalizzando al contempo la propria offerta, Schneider Electric ha scelto tre reti di comunicazione (C Fig.9) per realizzare le implementazioni presentate nell’introduzione di questa guida.

I livelli di comunicazione presi in considerazione da Schneider Electric

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A Fig. 9

b Ethernet Modbus TCP La grande diffusione di Ethernet nel settore delle imprese e su Internet ne ha fatto uno standard di comunicazione fondamentale. Il suo utilizzo generalizzato ha permesso di ridurre i costi di connessione, aumentando le prestazioni, l’affidabilità e le funzioni offerte. La sua rapidità non limita le applicazioni e la sua architettura consente facili evoluzioni. I prodotti e i software restano compatibili e in questo modo i sistemi hanno una durata ottimale nel tempo. Il protocollo “Modbus”, protocollo standard largamente utilizzato nell’industria, fornisce un livello applicazione semplice e poco oneroso.


Reti industriali 9.5 Le reti consigliate da Schneider Electric 9.6 Ethernet TCP/IP

b Can Open Can Open è la versione industriale del bus CAN. Creato per il settore automobilistico, questo protocollo di rete ha dimostrato la sua flessibilità e disponibilità da oltre 10 anni in diverse applicazioni, quali le apparecchiature mediche, i treni, gli ascensori oltre a diverse macchine e installazioni. L’ampia diffusione di questa tecnologia ha confermato Schneider Electric nella sua scelta.

b As-Interface Le macchine moderne hanno una grande quantità di sensori e attuatori e spesso notevoli vincoli in materia di sicurezza. AS-Interface è la rete per il livello di campo (sensori/attuatori) conforme alle esigenze dei sistemi di automazione e controllo industriali. Presenta il vantaggio di offrire un collegamento rapido e un unico cavo per la trasmissione delle informazioni e l’alimentazione.

9.6 Ethernet TCP/IP

b Descrizione generale Il principio di accesso al mezzo fisico (cavo) di Ethernet si basa su un meccanismo di rilevamento collisione. Ogni stazione viene identificata da una chiave assegnata in modo univico, chiamata indirizzo MAC; questo garantisce che tutte le postazioni su una rete Ethernet abbiano indirizzi diversi tra loro. Questa tecnologia di accesso al mezzo trasmissivo, conosciuta con il nome di Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection o CSMA/CD, garantisce che una sola stazione alla volta trasmetta un messaggio sul bus.

Le successive evoluzioni di Ethernet hanno fatto nascere lo standard IEEE 802.3 (vedere il sito www.ieee.org): quest’ultimo definisce soltanto le caratteristiche dei livelli fisici e il modo in cui le informazioni hanno accesso alla rete (mentre la trame dati devono essere definite da livelli complementari). La Fig. 10 specifica i diversi livelli. I protocolli indicati vengono descritti nei paragrafi seguenti.

A Fig. 10 I diversi livelli

Ethernet è presente nell’industria da diversi anni senza tuttavia aver riscosso un gran successo. Questo perchè era percepito come non determinista sia dai fornitori che dai clienti. Le esigenze reali di questi ultimi hanno fatto scemare l’interesse per questa tecnologia a vantaggio delle reti proprietarie. Infine la combinazione di protocolli, industriali e Internet, ha contribuito a farlo accettare.


b Il livello fisico Il livello fisico si occupa della spedizione delle trame sul mezzo trasmissivo. A questo livello sono anche definite le caratteristiche fisiche della comunicazione, quali le convenzioni sul tipo di collegamento utilizzato per le comunicazioni (cavi, ìfibra ottica o radio), e tutti i dettagli relativi come i connettori, i tipi di codifica o di modulazione, il livello dei segnali, le lunghezze d’onda, la sincronizzazione e le distanze massime di collegamento.

b Il livello collegamento dati (Datalink) Il livello collegamento dati stabilisce il cammino di comunicazione più affidabile possibile tra nodi della rete direttamente connessi tramite un mezzo trasmissivo. Specifica il controllo di accesso al mezzo e le modalità di trasmissione dei pacchetti sul livello fisico, in particolare la sequenza (le sequenze di bit che segnano l’inizio e la fine dei pacchetti). Le intestazioni delle trame Ethernet, ad esempio, contengono dei campi che indicano a quale macchina della rete è destinato un dato pacchetto.

b Il livello rete (Network layer) Nella sua definizione originale il livello rete risolve il problema dell’instradamento o routing dei pacchetti attraverso una sola rete. Con l’avvento della nozione d’interconnessione delle reti, a questo livello sono state aggiunte delle funzioni e in particolare l’instradamento dei dati da una rete sorgente ad una rete destinataria. Ciò implica generalmente il routing dei pacchetti attraverso una rete di reti, conosciuta con il nome di Internet.

Tra i protocolli Internet, IP assicura il miglior’instradamento o routing dei pacchetti, per l’inoltro da una sorgente verso una destinazione, qualunque sia la sua localizzazione nel mondo. Il routing IP è permesso grazie alla definizione di un principio d’indirizzamento IP che garantisce e obbliga l’unicità di ogni indirizzo IP. Ogni stazione è infatti identificata da un proprio indirizzo IP. Il protocollo IP include anche altri protocolli, come l’ICMP (utilizzato per trasferire dei messaggi di diagnostica legati alle trasmissioni IP) e l’IGMP (utilizzato per gestire i dati multicast). ICMP e IGMP sono situati sopra IP, ma partecipano alle funzioni del livello rete, cosa che spiega l’incompatibilità tra i modelli Internet e OSI.

Il livello rete IP può trasferire dei dati per numerosi protocolli di livello superiore.

b Il livello trasporto I protocolli di livello trasporto possono risolvere problemi come l’affidabilità degli scambi («I dati sono arrivati a destinazione?»), l’adattamento automatico alla capacità delle reti utilizzate e il controllo di flusso. Garantisce inoltre che i dati arrivino nell’ordine corretto. Tra i protocolli TCP/IP quello di trasporto determina anche a quale applicazione ciascun pacchetto dati deve essere consegnato.

TCP (Trasmission Contro Protocol) è un protocollo di trasporto, progettato per fornire un flusso di byte affidabili e orientato alla connessione. Assicura l’arrivo dei dati senza alterazione e nell’ordine corretto, con ritrasmissione in caso di perdita, ed eliminazione dei dati duplicati. Gestisce inoltre i dati «urgenti» (pushed data) da consegnare senza aspettare (anche se tecnicamente non sono emessi fuori banda). TCP prova a fornire tutti i dati correttamente e in sequenza; questo è il suo scopo e principale vantaggio su UDP, anche se questo può rappresentare uno svantaggio per applicazioni di trasferimento in tempo reale, con tassi di perdita elevati per il livello rete. UDP (User Data Protocol) è un protocollo che fornisce un flusso di byte non affidabile e non connesso, utile per inviare dati senza connessione (client- server). Questo non significa che UDP sia particolarmente poco affidabile, ma solo che non verifica l’arrivo a destinazione dei pacchetti e il

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Reti industriali 9.6 Ethernet TCP/IP

loro arrivo nell’ordine corretto. Un’applicazione che abbia bisogno di queste garanzie, deve assicurarle lei stessa, oppure utilizzare TCP. UDP viene generalmente utilizzato da applicazioni di diffusione, quali Global Data o le applicazioni multimediali (audio e video, ecc...) per le quali il tempo richiesto da TCP per gestire le ritrasmissioni e la programmazione dei pacchetti non è disponibile, o per applicazioni basate su meccanismi semplici di domanda/risposta come le richieste SNMP, per le quali il sovracosto legato alla realizzazione di una connessione affidabile sarebbe sproporzionato rispetto all’esigenza.

Sia TCP che UDP sono utilizzati da molte applicazioni; il numero di porta indica se utilizzano TCP o UDP. Modbus TCP utilizza i servizi TCP. Factorycast permette di utilizzare UDP.

b Il livello applicazione È nel livello applicazione che sono situate la maggior parte delle applicazioni di rete tra le quali:

HTTP (World Wilde Web), FTP (trasferimento di file), SMTP (messaggeria), SSH (connessione a distanza protetta), DNS (ricerca di corrispondenza tra nomi e indirizzi IP) e molte altre.

Le applicazioni funzionano generalmente su TCP o UDP, e sono spesso associate ad una porta ben definita. Esempi:

- HTTP porta TCP 80 o 8080, - Modbus porta 502, - SMTP porta 25, - FTP porta 20/21.

Le porte sono state assegnate dall’Internet Assigned Numbers Authority.

v Il protocollo HTTP (HyperText Transfer Protocol) È il protocollo utilizzato per trasmettere pagine Web tra un server e un browser. HTTP è il protocollo del livello applicazione per il Web dal 1990.

I Web server caricati sui prodotti Transparent Ready permettono un accesso facilitato ai prodotti situati ovunque nel mondo da un semplice web browser come Internet Explorer, Netscape Navigator o altri.

v BOOTP/DHCP È utilizzato per fornire automaticamente gli indirizzi IP ai prodotti. In questo modo si evita di dover gestire individualmente gli indirizzi di ogni singolo prodotto riportando la gestione ad un server dedicato di assegnazione indirizzi IP.

Il protocollo DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) assegna automaticamente i parametri di configurazione ai prodotti. DHCP è un’estensione di BOOTP. I componenti del protocollo BOOTP/DHCP sono 2:

- il server che il calcolatore che fornisce l’indirizzo IP, - il client che richiede l’indirizzo IP.

I prodotti Schneider Electric possono essere: - client BOOTP/DHCP che permettono di recuperare automaticamente

l’indirizzo IP proveniente da un server, - server BOOTP/DHCP che permettono al prodotto di assegnare gli

indirizzi IP alle stazioni della rete.

Questi protocolli standard BOOTP/DHCP consentono di offrire il servizio di sostituzione di prodotti guasti (FDR, Faulty Device Replacement).


9.6 Ethernet TCP/IP 9.7 Servizi Web e Transparent Ready

v File Transfer Protocol (FTP) FTP o Protocollo di trasferimento file è il servizio che fornisce gli elementi fondamentali per il trasferimento dei file. Fornisce gli elementi base di trasferimento di file. FTP viene utilizzato da molti sistemi per la condivisione di file tra host.

v TFTP: Trivial File Transfer Protocol È un protocollo semplificato di trasferimento file che consente inoltre di telecaricare il codice ad un prodotto. Consente ad esempio di trasferire il codice di avviamento (boot code) da una stazione di lavoro senza unità disco o di collegarsi e telecaricare degli aggiornamenti di firmware di prodotti della rete. I prodotti Transparent Ready implementano FTP e TFTP per trasferire alcune informazioni tra i prodotti.

v NTP (Network Time Protocol) NTP è un protocollo utilizzato per sincronizzare gli orologi e quindi l’ora di un prodotto (client o server) a partire da un server fornitore. In base alla rete utilizzata, fornisce a partire dall’ora universale (UTC), una precisione che va da qualche millisecondo su una rete locale (LAN) a più decine di millisecondi su una rete estesa (WAN).

v SMTP (Simple Mail Transfert Protocol) Fornisce un servizio di trasmissione E-mail. Permette l’invio di E-mail tra un mittente e un destinatario attraverso un server SMTP.

v SNMP (Simple network management protocol) La comunità Internet ha sviluppato questo standard per consentire la gestione dei diversi componenti di una rete attraverso un sistema unico. Il sistema di gestione della rete può scambiare delle informazioni con i prodotti agenti SNMP. Questa funzione consente al gestore di visualizzare lo stato della rete e dei prodotti, di modificare la loro configurazione e di controllare gli allarmi in caso di guasto. I prodotti Transparent Ready sono compatibili SNMP e possono essere integrati naturalmente in una rete amministrata via SNMP.

v COM/DCOM (Distributed Component Object Model) ou OLE (Object Linking and Embedding).

Si tratta delle tecnologie che consentono una comunicazione trasparente tra le applicazioni Windows. Vengono utilizzate nel software data server OFS (OLE for Process Control Factory Server).

9.7 Servizi Web e Transparent Ready

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Come detto precedentemente i servizi universali non consentono un utilizzo industriale. I costruttori di componenti hanno quindi completato i servizi universali di Internet con funzioni specifiche ai sistemi di automazione e controllo.

Schneider Electric ha sviluppato un’offerta di prodotti specifici che offrono una comunicazione “trasparente” tra tutti i livelli precedentemente illustrati il WEB. Schneider Electric ha investito molto sull’integrazione delle tecnologie web2 nei suoi prodotti e servizi. La sua offerta si fonda su due pilastri:

- La rete Ethernet industriale. - I componenti WEB.

Lo scopo è di offrire dei “Servizi”, funzioni che consentono al Cliente di eseguire delle task particolari, come inviare un’informazione da un controllore programmabile ad un altro o attivare un allarme.

2 Il termine "tecnologia web" è sinonimo di "tecnologia Internet" e riguarda: i protocolli internet, i linguaggi di programmazione quali Java, html, xml, ecc... oltre agli strumenti che hanno rivoluzionato il modo di condividere le informazioni.


Reti industriali 9.7 Servizi Web e Transparent Ready

b Ethernet industriale Oltre ai protocolli Ethernet universali (HTTP, BOOTP/DHCP, FTP, ecc...), i prodotti Schneider Electric sono in grado di fornire otto tipi di servizi di comunicazione:

- Servizio di messaggeria Modbus TCP. - Servizio di scambio ingressi/uscite distribuiti: I/O Scanning. - Servizio di sostituzione apparecchio guasto: FDR (Faulty Device

Replacement). - Servizio di amministrazione rete: Agent SNMP. - Servizio di distributione dati globale: Global Data. - Servizio di gestione della banda passante. - Servizio di sincronizzazione dell’ora: NTP. - Servizio di notifica eventi SMTP (E-mail).

La Fig. 11 mostra il posizionamento di questi servizi rispetto ai diversi livelli delle reti.

A Fig. 11 Servizi e reti

I servizi di comunicazione sono raggruppati in tre classi: - Classe 10: servizi base di comunicazione Ethernet. - Classe 20: servizi di gestione comunicazione Ethernet (livello rete e

livello prodotto). - Classe 30: servizi avanzati di comunicazione Ethernet.

La tabella della Fig. 12 descrive i diversi servizi:

A Fig. 12 I servizi di comunicazione Ethernet

b Servizio di messaggeria: Ethernet Modbus TCP Modbus è il protocollo di trasmissione dati, standard di fatto dal 1979, ampiamente utilizzato nell’industria. Modbus TCP/IP altro non è che la trasposizione del protocollo bus su rete Ethernet, implementato utilizzando il protocollo Modbus TCP. Si tratta di un protocollo ormai collaudato, disponibile per tutte le apparecchiature in commercio, che non richiede componenti proprietari né acquisto di alcuna licenza. Le specifiche sono disponibili gratuitamente sul sito www.modbus-ida.org.


La sua semplicità consente a qualunque dispositivo di campo, quale ad esempio un modulo d’ingressi/uscite, di comunicare su Ethernet senza bisogno di un potente microprocessore o di molta memoria. Grazie alla notevole portata di Ethernet (100 Mbit/s), le prestazioni di Ethernet Modbus TCP sono eccellenti e lo rendono adatto per le applicazioni in tempo reale, quali l’elaborazione d’ingressi/uscite.

Il protocollo applicazione è identico su Modbus seriale, Modbus Plus o Ethernet Modbus TC; questo permette di smistare i messaggi da una rete all’altra senza bisogno di conversione di protocollo. Con Modbus TCP/IP è disponibile la funzione di routing IP che permette a prodotti situati ovunque nel mondo di comunicare senza limiti di distanza.

L’organizzazione IANA (Internet Assigned Numbers Authority) ha riservato a Ethernet Modbus TC, la porta TCP 502. In questo modo Modbus è diventato un protocollo standard di Internet. La dimensione massima dei dati è di 125 parole o registri in lettura e di 100 parole o registri in scrittura.

b Servizio di scambio d’ingressi/uscite distribuiti: I/O Scanning

Questo servizio consente di gestire lo scambio di stati tra ingressi/uscite distribuiti su rete Ethernet. Con una semplice configurazione e senza una programmazione specifica, gli ingressi/uscite vengono elaborati in modo trasparente attraverso richieste di lettura/scrittura secondo il protocollo client/server Ethernet Modbus TCP. Questo principio di elaborazione attraverso un protocollo standard consente di comunicare con qualsiasi prodotto che supporti Ethernet Modbus TCP. Questo servizio consente di definire due zone di parole, una riservata alla lettura degli ingressi, l’altra alla scrittura delle uscite (C Fig.13). I periodi di refresh sono indipendenti dal ciclo controllore.

A Fig. 13 Servizio di scambio d’ingressi/uscite distanti

In funzionamento, il modulo garantisce:

- La gestione delle connessioni TCP/IP con tutti i componenti a distanza. - L’elaborazione dei prodotti e la ricopiatura degli ingressi/uscite nella

zona di parole configurata. - Il controllo delle parole di stato che consente di verificare il corretto

funzionamento del servizio direttamente dall’applicazione controllore. - L’applicazione di valori di ripristino preconfigurati in caso di problemi

di comunicazione.


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Sul sito Web Modbus-IDA (www.modbus-ida.org) è possibile consultare l’offerta di prodotti hardware e software che implementano il protocollo I/O Scanning su qualsiasi tipo di prodotto collegabile alla rete Ethernet Modbus TCP.

b Servizio di sostituzione apparecchio guasto: FDR (Faulty Device Replacement

Il servizio di sostituzione di un prodotto guasto utilizza la tecnologia standard di gestione indirizzo (BOOTP, DHCP) e il servizio di gestione file FTP o TFTP (Trivial File Transfer Protocol) facilitando la manutenzione delle apparecchiature collegate su Ethernet Modbus TCP.

Questo servizio consente di sostituire un prodotto guasto con un prodotto nuovo garantendone la localizzazione, la riconfigurazione e il riavviamento automatico mediante il sistema. Le fasi principali sono le seguenti:

- Un prodotto con servizio FDR integrato si guasta. - Un prodotto simile preconfigurato con il nome identificativo (Device

name) dell’apparecchio guasto viene reinstallato sulla rete. A seconda dei prodotti l’indirizzamento può essere effettuato con appositi selettori o switch (I/O distribuiti Advantys STB, o Advantys OTB) o mediante la tastiera integrata al prodotto (variatori di velocità Altivar 71).

- Il server FDR rileva il nuovo prodotto, a cui attribuisce un indirizzo IP e a cui trasferisce i parametri di configurazione.

- Il prodotto sostituito verifica che i parametri siano perfettamente compatibili con le sue caratteristiche ed entra in funzione.

b Servizio di amministrazione rete: SNMP Il protocollo SNMP (Simple Network Management Protocol) consente, a partire da una stazione Agent di rete, di controllare tutti i componenti dell’architettura Ethernet e di garantirne quindi la diagnostica rapida in caso di problemi. Questo servizio consente:

- D’interrogare i componenti della rete, quali le stazioni PC, i router, i commutatori, i bridge o i prodotti terminali per visualizzarne lo stato.

- Di ottenere statistiche dalla rete alla quale sono collegati i prodotti.

Questo software agent di rete rispetta il modello tradizionale client/server. Per evitare tuttavia la confusione con gli altri protocolli di comunicazione che utilizzano questa terminologia, si parla piuttosto di gestore di rete o di Agent SNMP.

I prodotti Transparent Ready possono essere gestiti da qualunque gestore di rete SNMP, tra i quali HP Openview o IBM Netview e naturalmente da ConnexView. Il protocollo standard SNMP (Simple Network Management Protocol) consente l’accesso agli oggetti di configurazione e gestione contenuti nelle librerie MIB (Management Information Base) dei prodotti. Le libvrerie MIB devono rispettare alcuni standard per essere accessibili da tutti i prodotti in commercio, ma in base alla complessità dei prodotti, i costruttori possono ampliare il database MIB personalizzato. La libreria MIB Transparent Ready contiene oggetti di gestione specifici ai servizi di comunicazione Transparent Ready quali Modbus, Global data, FDR, ecc... Questi oggetti facilitano l’installazione, la messa in opera e la manutenzione dei prodotti.


I prodotti Transparent Ready supportano 2 livelli di gestione rete SNMP: - L’interfaccia MIB II Standard che permette di accedere ad un primo

livello di gestione della rete. Il gestore pitrà identificare i prodotti che costituiscono l’architettura e recuperare informazioni generali sulla configurazione e sul funzionamento delle interfacce Ethernet TCP/IP.

- L’interfaccia MIB Transparent Ready che permette di migliorare la gestione dei prodotti Transparent Ready. Presenta un insieme di informazioni che consentono al sistema di gestione della rete di supervisionare tutti i servizi Transparent Ready. Può essere scaricata dal server FTP di qualsiasi modulo Ethernet Transparent Ready di un controllore programmabile.

b Servizio di distribuzione dati Globali: Global Data (C Fig.14)

Il servizio Global Data garantisce la distribuzione in multicast di dati in tempo reale tra stazioni appartenenti ad uno stesso gruppo di distribuzione. Consente di sincronizzare applicazioni a distanza o di condividere un database comune tra più applicazioni distribuite. Gli scambi si basano su un protocollo standard di tipo Pubblicazione/sottoscrizione che garantisce prestazioni ottimali con un carico minimo sulla rete. Il protocollo RTPS (Real Time Publisher Subscriber) promosso da Modbus-IDA (Interface for Distributed Automation) è già uno standard adottato da diversi costruttori; 64 stazioni possono partecipare agli scambi attraverso Global Data all’interno di uno stesso gruppo di distribuzione. Ogni stazione può:

- pubblicare una variabile di 1024 byte. Il periodo di pubblicazione è configurabile da 1 a n periodi della task master del controllore,

- sottoscrivere da 1 a 64 variabili.

La validità di ogni variabile è controllata da bit di stato (Health Status bits) legati ad un timeout di refresh, configurabile tra 50 ms e 1 s. L’accesso ad un elemento di variabile non è possibile. La dimensione totale delle variabili sottoscritte raggiunge i 4 K byte contigui. Per ottimizzare ulteriormente le prestazioni della rete Ethernet, i Global Data possono essere configurati con l’opzione “multicast filtering” che attraverso gli switch della gamma ConneXium garantisce la diffusione dei dati solo sulle porte Ethernet alle quali è collegata una stazione abbonata al servizio Global Data. Se gli “switch” non vengono utilizzati, i Global Data vengono emessi in “multicast” su tutte le porte dello “switch”.

A Fig. 14 Global Data


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b Servizio NTP di sincronizzazione dell’ora Il servizio di sincronizzazione dell’ora si basa sul protocollo NTP (Network Time Protocol). Consente di sincronizzare l’ora di una stazione client o server su Ethernet TCP/IP a partire da un server NTP o da un’altra fonte di riferimento (radio, satellite, ecc...).

I moduli di comunicazione Ethernet Modbus TCP: 140 NOE 771 11 dei controllori Modicon Quantum Unity V2.0 (o successiva) e TSX ETY 5103 dei controllori Modicon Premium Unity V2.0 (o successiva) dispongono di un componente client NTP. Questi moduli sono in grado di collegarsi ad un server NTP utilizzando una richiesta client (unicast), per aggiornare la propria ora locale. L’orologio del modulo viene aggiornato periodicamente (da 1 a 120 secondi) con un errore inferiore a 10 ms per i processori comuni e inferiore a 5 ms per i processori ad elevate prestazioni. Se il server NTP non è raggiungibile il modulo Ethernet Modbus TCP si rivolge ad un server NTP di emergenza (standby).

b Servizio SMTP di notifica mediante e-mail Il servizio SMTP di notifica mediante e-mail è programmabile. Consente all’applicazione controllore di segnalare un evento al verificarsi di determinate condizioni. Il controllore programmabile crea un messaggio e-mail automaticamente e in modo dinamico, per avvisare un destinatario definito, collegato alla rete in locale o a distanza. L’e-mail può contenere variabili, allarmi e/o eventi. È importante ricordare che questo servizio è disponibile con gli ultimi moduli di comunicazione Ethernet per controllori programmabili Modicon Premium e Modicon Quantum, oltre che con gli ultimi processori con collegamento Ethernet degli stessi controllori, utilizzati con il software Unity Pro. Un servizio più completo e indipendente dall’applicazione controllore è disponibile con il modulo server Web attivo FactoryCast HMI.

Il servizio utilizza un meccanismo semplice ed efficace: intestazioni predefinite di messaggi sono collegate al corpo dell’e-mail, a sua volta creato dinamicamente a partire dalle ultime informazioni dell’applicazione controllore. Al verificarsi di condizioni predeterminate, l’applicazione controllore prepara il messaggio. Attraverso un blocco funzione viene selezionata una delle 3 intestazioni predefinite e quindi creato un messaggio e-mail contenente delle variabili e del testo (fino a 240 byte) che viene quindi inviato direttamente dal controllore programmabile. Ciascuna delle tre intestazioni contiene i seguenti elementi predefiniti:

- La lista dei destinatari del messaggio e-mail. - Il nome del mittente e oggetto del messaggio.

Queste informazioni vengono definite e aggiornate da un amministratore autorizzato che utilizza le pagine Web di configurazione.

b I servizi Web (C Fig.15)

Il livello di servizio di un server Web è definito da 4 classi di servizi identificate con una lettera:

v Classe A Definisce le apparecchiature Transparent ready senza servizi WEB.

v Classe B È il livello web di base. Fornisce la possibilità di gestire pagine WEB statiche preconfigurate in un’apparecchiatura Transparent Ready. Consente di offrire servizi di diagnostica e controllo apparecchiatura a partire da un WEB browser standard.


v Classe C È il livello Web configurabile. Consente la personalizzazione del sito WEB di un’apparecchiatura Transparent Ready con pagine WEB definite dall’utente in funzione delle proprie esigenze applicative specifiche. Di conseguenza la diagnostica e il controllo del processo client può essere effettuato a partire da un WEB browser standard. L’offerta Factory Cast fornisce questo livello di funzione Web e comprende anche gli strumenti per facilitare la gestione e la modifica dei siti WEB integrati.

v Classe D È il livello Web attivo. Consente di realizzare l’elaborazione specifica direttamente nell’apparecchiatura Transparent Ready server WEB. Questa capacità di elaborazione consente di effettuare dei pre-calcoli, di gestire un database tempo reale, di comunicare con database relazionali e di inviare e-mail. Tutto questo permette di ridurre ed ottimizzare la comunicazione tra il navigatore e il server. L’offerta Factory Cast HMI fornisce questo livello di funzione Web e comprende anche gli strumenti per la configurazione delle elaborazioni da effettuare nell’apparecchiatura server Web.

v I prodotti Transparent Ready Si identificano con una lettera che definisce il livello di servizi Web, seguita da un numero che definisce il livello di servizio di comunicazione Ethernet. Ad esempio:

- Il prodotto di classe A10 corrisponde ad un prodotto senza servizio Web e con i servizi di base Ethernet.

- Il prodotto di classe C30 corrisponde ad un prodotto che dispone di un server Web configurabile e dei servizi avanzati di comunicazione Ethernet.

9

A Fig. 15 I servizi web


Reti industriali 9.7 Servizi Web e Transparent Ready 9.8 Bus Can Open

I servizi offerti da una classe superiore comnprendono naturalmente tutti i servizi supportati da una classe inferiore. I prodotti Transparent Ready si suddividono in 4 grandi gruppi:

- Componenti di campo (semplici o intelligenti) tipo sensori e attuatori. - Controllori e controllori programmabili. - Applicazioni HMI (Interfaccia Uomo/Macchina). - Gateway e server dedicati.

La tabella della Fig. 16 consente di scegliere i prodotti Transparent Ready in funzione delle classi di servizio desiderate.

A Fig. 16 La scelta dei prodotti Transparent Ready

9.8 Bus Can Open

b Descrizione generale Il bus CAN (Controller Area Network) è un bus sistema seriale sviluppato da Bosch per il settore automobilistico. Venne presentato con Intel nel 1985 con l’obbiettivo di ridurre la quantità di cavi all’interno dei veicoli (fino a 2 Km di cavi per veicolo) facendo comunicare i diversi dispositivi di comando su un unico bus e non più su linee dedicate, dal momento che lo scopo era di ridurre il peso dei veicoli.

L’elevata immunità ai disturbi elettromeccanici unita all’affidabilità della trasmissione in tempo reale ha suscitato l’interesse delle industrie. Nel 1991 nasce il consorzio CIA (= CAN in Automation) con l’obbiettivo di promuovere l’applicazione CAN nell’industria (vedere il sito: http://www.can-cia.de/).

Nel 1993 il consorzio CIA pubblica le specifiche CAL (CAN Application Layer) che descrivono i meccanismi di trasmissione senza tuttavia precisare quando e come utilizzarli. Nel 1995, il consorzio CiA pubblica il profilo di comunicazione CANopen base DS-301.

La Fig. 17 mostra i diversi standard che definiscono protocolli di livello 7 (definiti nello standard CAN):

- Can Open. - DeviceNet. - CAL. - SDS. - CAN Kingdom.


Nel 2001 la pubblicazione da parte del CIA del profilo DS-304 permette infine di integrare su un bus Can Open standard (CANsafe) componenti di sicurezza di livello 4.

La Fig. 17 mostra le caratteristiche tecniche di Can Open.

A Fig. 17 I livelli del bus CAN

b I vantaggi di Can Open v Can Open utilizza trame corte Grazie alla sua elevata immunità ai disturbi elettromagnetici (EMI) Can Open consente alla macchina o all’installazione di effettuare un lavoro preciso, anche in un ambiente fortemente perturbato. Le trame corte Can Open e il collegamento “CANground” offrono le stesse possibilità ad ogni apparecchio collegato alla rete garantendo la protezione contro i disturbi elettetromagnetici.

v Can Open garantisce affidabilità di trasmissione Quando un apparecchio Can Open trasmette i dati il sistema genera ed elabora automaticamente la priorità del messaggio. È impossibile perdere un telegramma per problemi di collisione o perdere tempo aspettando il prossimo dato non attivo (idle) della rete. Can Open consente una notevole affidabilità nella trasmissione di dati: questo è uno dei motivi per cui Can Open viene ampiamente utilizzato nelle apparecchiature mediche che richiedono reti affidabili.

v Can Open elimina le perdite di tempo Le perdite di tempo sono sempre sinonimo di sprechi in tempo e denaro. CANopen è stato progettato per ridurre al massimo le perdite di tempo. Il meccanismo di controllo degli errori di Can Open garantisce una distanza di Hamming pari a 6, offrendo un ottimo livello di rilevamento errori e di correzione. Con una probabilità di un errore non rilevato in 1000 anni3 Can Open è la più affidabile delle reti per macchine e installazioni.

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3 1 bit di errore ogni 0.7 s a 500 Kbit/s, 8 h al giorno, 365 giorni all’anno

Nel caso in cui la rete rilevi una condizione di errore, il watch-dog è la prima possibilità di controllo dello stato dell’apparecchiatura. Ogni messaggio di diagnostica contiene l’origine e il motivo dell’errore per consentire un intervento rapido riducendo le perdite di tempo. Per migliorare la diagnostica delle apparecchiature Can Open complesse e per tenere sotto controllo la rete è disponibile una diagnostica supplementare. Inoltre, per aiutare a rilevare gli errori aleatori, è disponibile una funzione di report cronologico degli errori.


Reti industriali 9.8 Bus Can Open

v Can Open: Prestazioni e flessibilità Il motivo principale che porta a scegliere una rete sono le sue prestazioni e la sua capacità di adattarsi esattamente alle caratteristiche dell’applicazione. Can Open fornisce un dispositivo unico per l’adattamento della trasmissione di dati. Basato sul modello produttore/consumatore, Can Open consente trasmissioni in diffusione generale, punto a punto, cambiamento di stato e ciclico. I dati vengono trasmessi solo se necessario, o in funzione di una base tempi specifica. Gli oggetti dati di processo (PDO) possono essere configurati singolarmente. È possibile cambiare i parametri in qualsiasi momento.

• A proposito di prestazioni Benché Can Open sia molto flessibile, la risposta della rete è rapida. In meno di 1 ms possono essere elaborati 256 punti d’I/O digitali a 1 Mbit/s4. Profibus-DP richiede circa 2 ms a 12Mbit/s per lo stesso tipo di scambio di dati. Oltre alla risposta rapida è possibile cambiare il controllo delle priorità dei messaggi. Can Open permette di adattare la trasmissione dei dati alle caratteristiche specifiche dell’applicazione.

A Fig. 18 Il funzionamento di CAN

A Fig. 19 I modi « push » e « pull » del modello pubblicazione-sottoscrizione

4 Source: Grid Control

v Can Open è sinonimo di riduzione dei costi Can Open unisce facilità d’installazione e apparecchiature a basso costo. A differenza di molti bus di campo Can Open non richiede un collegamento equipotenziale tra gli apparecchi. Una connessione non corretta non genera solo errori di comunicazione, ma può anche causare danni agli apparecchi sul bus.

I componenti per Can Open vengono prodotti su grande scala con conseguente riduzione del prezzo. Schneider Electric offre ai suoi Clienti tutti questi vantaggi in termini di riduzione dei costi. Con Can Open è possibile ottenere una riduzione pari al 10-20 % del prezzo rispetto agli altri bus di campo.

b Presentazione del funzionamento di CAN CAN è un bus di comunicazione seriale per applicazioni di controllo in tempo reale, basato su un modello pubblicazione-sottoscrizione. Un nodo trasmittente o editor invia un messaggio ad altri nodi riceventi. CAN è basato sul meccanismo di trasmissione diffusa (broadcast) che utilizza un protocollo di trasmissione orientato al messaggio.

Il contenuto del messaggio è contrassegnato da un identificatore univoco per tutta la rete. I nodi destinatari filtrano i messaggi del bus in base ai criteri d’invio verificando se il messaggio è di propria pertinenza. Se il messaggio è pertinente viene elaborato, altrimenti viene ignorato. Il destinatario diventa quindi a sua volta un mittente (C Fig.18).

Lo schema della Fig. 18 ci mostra la modalità di invio (push) del modello pubblicazione-sottoscrizione. CAN può anche supportare la modalità di ricezione(pull) del modello pubblicazione-sottoscrizione. Un client può inviare un messaggio a partire da una richiesta di trasmissione a distanza. La richiesta di trasmissione a distanza (RTR “Remote Trasmissione Requesf”) è una trama CAN che comporta le “flags” (bit di stato) RTR. Quando il produttore riceve una richiesta di questo tipo trasmette la relativa risposta (C Fig.19).

In un’architettura “broadcast”, i diversi nodi della rete possono trasmettere contemporaneamente. CAN risolve il problema con 2 meccanismi. In primo luogo un mittente controlla il bus per verificare l’eventuale presenza di un’altro nodo già in trasmissione. Se il bus di comunicazione è libero, il nodo comincia ad emettere. Più nodi possono cominciare ad emettere, ma mai contemporaneamente; una tecnica di aggiuducazione non distruttiva garantisce che i messaggi vengano trasmessi in ordine di priorità e che nessuno di essi vada perso. Il problema viene risolto con uno schema di priorità.


Una trama CAN (C Fig.20) inizia con un campo di inizio sequenza (SOT “Start Of Trame”). Seguono undici bit di identificazione, dal più significativo al meno significativo. Il bit seguente è il bit di richiesta trasmissione remota, seguito da 5 bit di controllo e fino a 8 byte di dati utili. I bit di controllo sono: l’ID esteso (IDE), un bit riservato e 3 bit del codice di lunghezza in byte dei dati utili della parte dati (DLC). I dati utili sono seguiti da una sequenza di verifica della trama (FCS “Frame Check Sequence”) fino a 8 byte. L’emettitore trasmette un bit recessivo di riconoscimento (ACK) che viene sovrascritto dai bit dominanti emessi dai nodi destinatari che hanno ricevuto con successo il messaggio trasmesso.

Il bit di fine sequenza (EOF “End Of Frame”) indica la fine del messaggio.

A Fig. 20 Trama CAN

Il bit IFS (“Intermission Frame Space”) del bus deve rimanere in posizione recessiva prima che parta la sequenza successiva. Se nessun nodo è pronto ad emettere, il bus rimarrà nello stato in cui si trova. La codifica dei bit possiede 2 valori, dominante e recessivo. Se 2 nodi emettono contemporaneamente, il nodo ricevitore vedrà solo il valore dominante. Nella codifica binaria il valore ‘0’ è dominante e il valore ‘1’ è recessivo. Quando un nodo emette viene sempre rilevato dal bus. Se emette un valore recessivo e riceve un bit dominante, interrompe l’emissione e continua a ricevere il bit dominante. Questo semplice meccanismo evita le collisioni sul bus CAN. Il messaggio con l’identificatore minore è prioritario sul bus.

CAN è un bus sistema ad accesso multiplo con rilevamento della per la gestione delle collisioni e delle priorità dei messaggi (CSMA/CD+AMP). Dal momento che le collisioni non si verificano mai, il bus CAN viene spesso descritto come CSMA/CA (accesso multiplo con ricezione di portante ed elusione di collisione).

La sequenza del messaggio descritta nella Fig. 21 è un frame di base. Per applicazioni che richiedono un numero maggiore di identificatori è stata creata la sequenza CAN estesa.

A Fig. 21 Trama base di un messaggio CAN

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I messaggi di formato esteso possiedono 18 bit di identificazione supplementari situati nell’intestazione dopo i bit di controllo. In questo modo la gamma viene estesa da 211 a 229 identificatori diversi. I due tipi di trame possono coesistere in un solo bus.



CAN possiede più meccanismi diversi per rilevare messaggi non corretti:

- verifiche a ridondanza ciclica: la sequenza di verifica della trama (FCS) contiene il controllo a ridondanza ciclica (CRC). Il ricevitore verifica il CRC della trama e confronta il risultato con la FCS. Se non sono uguali, significa che la trama contiene un errore CRC.

- verifiche della sequenza: il ricevitore rileva gli errori nella struttura della trama. Se la trama ha una struttura difettosa di conseguenza conterrà un errore di formato.

- verifiche di errore di riconoscimento: se il nodo ricevitore riceve una trama senza errori emette un bit di riconoscimento (ACK) dominante. Se il trasmettitore non riceve il bit di riconoscimento dominante emette un errore di riconoscimento.

- verifica bit e compattazione dei bit: CAN utilizza la codifica NRZ.

b Presentazione di Can Open Can Open definisce un livello di applicazione e un profilo di comunicazione basato su CAN.

v Can Open definisce i seguenti oggetti di comunicazione (messaggi)

- Oggetto dati di processo (PDO). - Oggetto dati di servizio (S00). - Oggetto gestione rete (NMT). - Oggetto funzione speciale (SYNC, EMCY, TIME).

v Proprietà - Trasmissione dei dati seriali, basata su CAN. - Fino a 1 Mbit/s. - Efficacia di circa il 57 %. - Fino a 127 nodi (apparecchiature). - Possibilità di più stazioni master. - Interoperabilità di diverse apparecchiature di costruttori diversi.

v Dizionario degli oggetti Al centro della tecnica Can Open vi è il dizionario degli oggetti (C Fig.22), un’interfaccia tra il programma applicazione e l’interfaccia di comunicazione.

A Fig. 22 Dizionario degli oggetti Can Open


Gli oggetti gestione rete (NMT) sotto Can Open

• Oggetti dati di processo (PDO) Gli oggetti dati di processo (PDO) vengono utilizzati per la loro rapidità e flessibilità di scambio dati. Un PDO può trasportare dati utili fino a 8 byte, il massimo per una trama CAN. La trasmissione di un PDO funziona secondo il modello producer-consumer o produttore-utilizzatore di CAN esteso con trasferimenti sincronizzati. Il trasferimento sincronizzato dei PDO si basa sul trasferimento dei messaggi SYNC sul bus CAN. Un PDO viene inviato ciclicamente dopo un numero configurabile (da 1 a 240) di messaggi SYNC ricevuti. È inoltre possibile raggiungere la disponibilità delle variabili del processo applicazione ed inviare un PDO alla successiva ricezione di un messaggio SYNC. Questo processo è detto trasferimento sincronizzato aciclico.

• Oggetti dati di servizio (SDO) Gli oggetti dati servizio (SDO) sono previsti per la trasmissione dei parametri. Gli SDO forniscono un accesso al dizionario dell’oggetto delle apparecchiature distanti. Un SDO non ha limiti di lunghezza. Se i dati utili non si adattano alla trama CAN vengono divisi in più trame CAN. Ogni SDO viene azzerato.

La comunicazione SDO utilizza la comunicazione punto a punto, con un punto che funge da server e gli altri da client.

• Oggetti di controllo gestione della rete (NMT) Gli oggetti gestione rete (NMT) cambiano gli stati, o controllano gli stati di un dispositivo Can Open (C Fig.23). Un messaggio NMT è un messaggio con identificatore CAN 0; i messaggi NMT hanno quindi il livello di priorità più alto. Il messaggio NMT comprende sempre 2 byte di dati utili nella trama CAN. Il primo byte contiene il comando NMT codificato. Il secondo byte contiene l’ID del nodo.

Dopo aver premuto il tasto di messa in servizio, un dispositivo CANopen avvia l’inizializzazione. Terminata l’inizializzazione il dispositivo fornisce un oggetto NMP di avviamento per avvisare il master.

Con oggetti NMT è implementato il protocollo di rilevamento di collisione per il controllo dello stato dell’apparecchiatura.

• Oggetti funzioni speciali (SYNC, EMCY, TIME) Can Open deve avere un produttore SYNC per sincronizzare le azioni dei nodi Can Open. Un produttore SYNC emette (periodicamente) l’oggetto SYNC con identificatore 128. Questo può generare un ritardo (“Pte”) dovuto alla priorità di questo messaggio.

L’errore interno di un’apparecchiatura può generare un oggetto di emergenza (EMCY). La reazione dei client EMCY dipende dalle applicazioni. Lo standard Can Open definisce più codici di emergenza. L’oggetto di emergenza viene trasmesso in una trama CAN unica da 8 byte.

Per trasmettere l’ora del giorno a più nodi Can Open può essere utilizzata una trama CAN con l’ID CAN 256 e 6 byte di dati utili .

L’oggetto tempo (TIME) contiene la data e l’ora nell’oggetto di tipo Time-Of-Day.

• Meccanismi di controllo (Watchdog) Can Open possiede 2 metodi di controllo dello stato delle apparecchiature. Un gestore di rete può esaminare regolarmente ogni apparecchio ad intervalli di tempo configurabili. Questo metodo viene chiamato “Node guarding” ed utilizza banda passante.

A Fig. 23

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Un altro meccanismo è l’invio regolare di un messaggio da parte di ciascun apparecchio. Rispetto al Node guarding questo metodo consente un risparmio della banda passante.

• Lunghezza della rete e portata

La lunghezza viene limitata dalla portata dovuta al sistema di priorità a livello bit (C Fig.24)

Portata (Kbit/s)

1000 800 500 250 125 50 20 10

Lunghezza max. (m)

20 25 100 250 500 1000 2500 5000

Il procedimento di priorità mediante bitA Fig. 24

Nelle pubblicazioni su Can Open la lunghezza massima più comunemente incontrabile per una portata di 1 Mbit/s è di 40 m. Questa è calcolata senza isolamento elettrico, come utilizzata nei prodotti Can Open di Schneider Electric. Tenendo conto dell’isolamento elettrico, la lunghezza minimima del bus è di 4 m a 1 Mbit/s. Tuttavia, l’esperienza ha dimostrato che in pratica la lunghezza massima è di 20m.

A Fig. 25 Tabella dei limiti di lunghezza riguardanti le derivazioni

Limitazione di lunghezza delle derivazioni.

È necessario tenere conto delle limitazioni riguardanti le derivazioni fissate dai parametri riportati nella tabella della Fig. 25.

(1) L max.: lunghezza massima di una derivazione. (2) EL max. a stella locale: valore massimo della lunghezza totale delle

derivazioni nello stesso punto in caso di utilizzo di una scatola di derivazione multiporta per realizzare una topologia a stella locale.

(3) Intervallo min.: Distanza minima tra 2 scatole di derivazione. Lunghezza massima delle derivazioni nello stesso punto. Valore calcolabile caso per caso per ciascuna derivazione: l’intervallo minimo tra due derivazioni è uguale al 60% della lunghezza totale delle derivazioni nello stesso punto.

(4) EL max. (m) di tutti i bus: valore massimo della lunghezza totale di tutti i segmenti e delle derivazioni sul bus.


b Associazione secondo le classi di conformità Schneider Electric ha definito le classi di conformità per le apparecchiature master e slave Can Open analogamente a quanto fatto per Ethernet Modbus TCP e i servizi Web. Le classi di conformità definiscono i dispositivi compatibili con un’apparecchiatura e garantiscono una compatibilità ascendente delle funzioni di ogni classe (C Fig.26).

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A Fig. 26 Tabella di scelta delle classi di conformità


Reti industriali 9.8 Bus Can Open 9.9 Sinergia Ethernet e Can Open 9.10 Bus AS-Interface (AS-I)

A Fig. 28

La tabella della Fig. 27 illustra le migliori soluzioni di associazione dei prodotti disponibili in base alle classi di conformità.

Classe di conformità

S10 S20 S30

M10 Associazione possibile

Restrizione d'utilizzo

M20

M30

Comunicazione di Can Open in una rete Eternet Modbus TCP

A Fig. 27 Classe di conformità e migliori soluzioni di associazione prodotti

È tuttavia possibile utilizzare un apparecchio slave con un master di classe di conformità inferiore (ad esempio S20 con M10), o un apparecchio master con uno slave di classe di conformità superiore (ad esempio M10 con S20), utilizzando solo gli apparecchi supportati dalla classe di conformità di livello inferiore.

9.9 Sinergia Ethernet e Can Open

Un profilo comune di comunicazione (DS-301) definisce tra l’altro l’allocazione degli identificatori COB-ID per ciascun tipo di messaggio.

I diversi oggetti associati sono descritti da profili propri a ciascuna gamma di prodotti, quali I/O digitali (DS-401), I/O analogici, variatori di velocità (DS 402), encoder.

CAN in Automation e Modbus-IDA hanno collaborato per creare una norma che consenta una trasparenza totale tra Can Open e Ethernet Modbus TCP. Questa collaborazione ha prodotto la specifica CiA DSP309-2, che definisce gli standard delle comunicazioni tra una rete Ethernet Modbus TCP e un bus Can Open. La specifica definisce tra l’altro i servizi di "mapping" che consentono ad apparecchiature Can Open di comunicare su una rete Ethernet Modbus TCP attraverso un gateway (C Fig.28).

L’accesso alle informazioni di un apparecchio Can Open è possibile in lettura e in scrittura per numerose funzioni di controllo.

9.10 Bus AS-Interface (AS-I)

b Descrizione generale Oggi le macchine integrano numerosi sensori ed azionatori e presentano spesso l’esigenza di ottimizzare la funzione di sicurezza. AS-Interface è la rete di cablaggio di tutti i dispositivi di campo (sensori/azionatori) in grado di rispondere alle esigenze dei sistemi di automazione industriali.

Con AS-Interface il trasporto di dati e potenza avviene tramite un unico cavo bifilare. I componenti utilizzati su AS-Interface possono essere facilmente sostituiti durante le operazioni di manutenzione; il nuovo slave riceve automaticamente l’indirizzo del prodotto sostituito.

AS-Interface è un’alternativa economica alla soluzione tradizionale di cablaggio parallelo tra i controllori programmabili e i dispositivi di campo.

L'intera offerta Schneider Electric è conforme allo standard definito da AS-international Organization, potente organizzazione internazionale impegnata nello sviluppo costante e nella diffusione di AS-i. AS-Interface è un sistema aperto che garantisce l'intercambiabilità e l'interoperabilità tra i diversi prodotti del mercato.


AS-Interface è uno standard collaudato e pratico che ha dimostrato da oltre 10 anni la sua facilità d’impiego e la sua affidabilità in diversi settori (trasporto su nastro, movimentazione, assemblaggio) come illustrato nella Fig. 29.

A Fig. 29 AS-Interface

1 2

1 2

Interfaccia IP20

Interfaccia IP67

Componente di controllo

Componente di dialogo

Controllore di sicurezza

Interfaccia di sicurezza

Alimentazione potenza

Master AS-I

1

2 1

2

Caratteristico di AS-Interface è il cavo giallo (C Fig.30) piatto e profilato che consente di agganciare a scatto e in qualsiasi punto qualunque prodotto partner in modo semplice e protetto contro le inversioni di polarità. Una presa vampiro speciali permette il collegamento e lo spostamento di un sensore/azionatore senza alcun utensile aggiuntivo.

AS-Interface è esclusivamente un bus di campo tipo master/slave, comprendente un "master" (PC, API, Controllore …) incaricato di garantire la gestione degli stati dei sensori/attuatori e di trasmetterli al sistema di automazione. Tra i vantaggi offerti da ASì vi è la flessibilità nella configurazione:

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A Fig. 30 Componenti dell’AS-Interface

che si tratti di una struttura a linea, a stella o ad albero, AS-i non pone alcuna limitazione nella struttura o nella topologia di rete.

Per dieci anni AS-i è stata utilizzata solo per il cablaggio dei sensori/azionatori ON/OFF. Alcuni fornitori proponevano anche versioni analogiche lente per le misure di temperatura o livello, ma i prodotti erano proprietari e il numero di indirizzi limitato a 31 rendeva marginale l’interesse di queste applicazioni.

Il consorzio ha così lanciato la nuova versione V2 che raddoppia il numero di indirizzi arrivando ad un totale di 62 slave ON/OFF possibili per master. Tuttavia la grande evoluzione risiede nella capacità di ricevere componenti di tipo analogico consentendo quindi il cablaggio misto di dispositivi analogici e digitali. In questo caso il numero di slave collegabili si riduce restando comunque nei limiti di fattibilità. Questo profilo permette di collegare qualunque sensore/azionatore analogico su qualsiasi stazione master AS-i.


Reti industriali 9.10 Bus AS-Interface (AS-I)

Questa nuova versione introduce inoltre dei cambiamenti a livello della diagnostica rete. Nella prima versione venivano rilevati solo i difetti della rete mentre la V2 rileva anche tutti i difetti interni ai moduli.

Naturalmente la compatibilità della versione V2 e della nuova versione V1 sulla stessa rete è garantita.

b I vantaggi di AS-Interface (C Fig.31)

Semplicità La semplicità del sistema di cablaggio è dovuta a: • L’utilizzo di un unico cavo per collegare tutti i

componenti (sensori ed attuatori) del sistema di automazione.

• Funzione di gestione delle comunicazioni integrata ai prodotti.

Riduzione dei costi I costi possono essere ridotti fino al 40 % mediante: • Riduzione dei tempi di progettazione, installazione,

messa a punto, messa in servizio ed evoluzioni. • Guadagno di spazio nelle cassette, grazie a

prodotti più compatti e all’eliminazione di cassette intermedie dal momento che la maggior parte delle funzioni può essere delocalizzata sulla macchina.

• Eliminazione delle canalizzazioni dei cavi di controllo e riduzione delle canaline.

Sicurezza AS-Interface consente di aumentare l’affidabilità, la disponibilità operativa e la sicurezza:

• Gli errori di cablaggio non sono più possibili. • Nessun rischio di errori di connessione. • Forte immunità alle interferenze elettromagnetiche

(EMC). • Le funzioni di sicurezza della macchina possono

essere totalmente integrate nell’AS-Interface.

A Fig. 31 I vantaggi di AS-Interface


b I componenti di AS-Interface I prodotti AS-i sono suddivisi in famiglie (C Fig.32); per ulteriori informazioni o dettagli consultare i cataloghi prodotti di Schneider Electric.

Le interfacce per prodotti generici

Le interfacce déedicate e componenti

Il master

Consentono a qualunque prodotto standard (sensore, azionatore, avviatore, ecc...) di essere collegato su una rete AS-Interface. Permettono una grande libertà nella scelta e sono particolarmente adatti alle modifiche e miglioramenti delle macchine che venivano precedentemente realizzate in cablaggio convenzionale. Queste interfacce sono disponibili per montaggio in cassette (IP20) o montaggio diretto sulla macchina (IP67).

Le interfacce dedicate (moduli di comunicazione...) consentono la comunicazione con il cavo AS-Interface. I componenti dedicati integrano un’interfaccia e possono quindi essere collegati direttamente sul cavo AS-Interface. Consentono un cablaggio molto rapido, ma offrono una scelta meno ampia rispetto ai componenti generici. È il componente centrale del sistema; la sua funzione è la gestione degli scambi di dati con le interfacce e i componenti (chiamati anche slave) ripartiti nell’installazione. Può ricevere: 31 interfacce o componenti in versione V1 (tempo ciclo 5ms) 62 interfacce o componenti in versione V2 (tempo ciclo 10ms) Il master può essere: integrato in un controllore programmabile, ad esempio sotto forma di un’estensione, oppure collegato al bus di campo, si tratta allora di un gateway.

L’alimentazione È un’alimentazione bassissima tensione da 29.5 a 31.6V per le interfacce e i componenti alimentati attraverso AS-Interface il cavo AS-Interface. È protetta contro le sovratensioni e i cortocircuiti.

Su una linea AS-Interface è possibile utilizzare solo questo tipo di alimentazione. Poiché il cavo AS-Interface è limitato in corrente, talvolta è necessario aggiungere un’alimentazione supplementare per alcuni circuiti, in particolare per gli azionatori.

Il cavo piatto Il cavo giallo, collegato all’alimentazione di potenza, garantisce le due seguenti funzioni: - Trasmissione dei dati tra il master e gli slave. - Alimentazione dei sensori e degli azionatori. Il cavo nero, collegato all’alimentazione ausiliaria 24V, fornisce la potenza agli azionatori, ma anche ai sensori con ingressi isolati. Il profilo meccanico di questi cavi rende impossibili le inversioni di polarità; il materiale utilizzato consente una connessione rapida ed affidabile dei diversi componenti. In caso di sconnessione di un prodotto, ad esempio per modifica dell’apparecchiatura, il cavo torna alla sua forma originale. Questi cavi supportano 8A massimo e sono disponibili in due versioni: - In gomma per le applicazioni standard. - In TPE per le applicazioni ove i cavi sono sottoposti a spruzzi di olio.

Soluzioni di sicurezza Le informazioni standard del processo possono essere trasmesse allo stesso tempo e sullo stesso mezzo delle su AS-Interface informazioni relative alla sicurezza fino ad un livello 4 dello standard EN 60954-1. (Vedere il capitolo 6 L'integrazione nell’AS-Interface viene realizzata mediante aggiunta di un controllore di sicurezza e di componenti dedicato alla sicurezza) di sicurezza collegati sul cavo giallo AS-Interface.

Le informazioni di sicurezza vengono scambiate solo tra il controllore di sicurezza e i suoi componenti; questo è trasparente per le altre funzioni standard. In questo modo, è possibile aggiungere su un’installazione AS-i esistente un sistema di sicurezza.

Il terminale d’indirizzamento Poiché i componenti sono collegati in parallelo sul bus AS-Interface, è necessario assegnare un indirizzo diverso a ciascuno di essi. Questa funzione è garantita da un terminale che si collega singolarmente ai diversi componenti.

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A Fig. 32 I componenti di Asi-Interface


Reti industriali 9.10 Bus AS-Interface (AS-I)

A Fig. 33 Principio del collegamento As-i

A Fig. 34 Forma dei segnali corrente e tensione

b Principio di funzionamento della rete AS-i v Collegamento Il sistema di collegamento utilizzato viene comunemente chiamato «presa vampiro». Il connettore comporta due aghi che effettuano il collegamento elettrico mediante perforazione dell’isolante del cavo. Le due parti del connettore vengono in seguito avvitate una sull’altra per garantire la qualità della connessione. Questo tipo di connettore (C Fig. 33) è normalizzato e consente di realizzare facilmente qualsiasi tipo di apparecchiatura con livello di protezione fino a IP67.

v Modulazione dei segnali La rete As-i funziona senza bisogno di terminatore qualunque sia la topologia utilizzata. Il principio utilizza la modulazione della corrente basata su una codifica Manchester; due induttanze situate nell’alimentazione convertono questo segnale in tensione sinusoidale. La forma del segnale generato evita di schermare il cavo (C Fig.34).

v Lunghezza della rete La lunghezza della rete è condizionata dalla deformazione del segnale e dalla caduta di tensione in linea. La distanza massima tra due slave non deve superare i 100m (C Fig.35). Questa distanza può essere aumentata aggiungendo dei ripetitori con i seguenti limiti:

- due ripetitori al massimo per linea, - la distanza massima con il master non deve superare i 300m, - l’utilizzo di una terminazione passiva consente di aumentare la

distanza da 100m a 200m, - una terminazione attiva consente di raggiungere i 300m.

A Fig. 35 Lunghezze limite della rete As-i


v Principio del protocollo Il principio di comunicazione si basa su un protocollo ad un solo master. Il sistema master interroga gli slave a turno, questi ultimi rispondono inviando i dati richiesti (C Fig.36). Quando tutti gli slave sono stati interrogati, il ciclo si ripete e continua all’infinito. Il tempo di ciclo dipende dal numero di slave del sistema che è facilmente determinabile.

A Fig. 36 Trame master e slave

As-i utilizza diversi metodi per garantire la sicurezza del trasferimento dati. Il segnale viene verificato dal ricevitore, se non ha la forma richiesta non viene preso in considerazione. L’utilizzo di un bit di parità associato ad un messaggio breve (7 e 14 bit) garantisce l’integrità logica dell’informazione. Il tempo morto del master provoca l’azzeramento(C fig.37).

A Fig. 37 Costituzione del tempo di risposta

La durata di un bit è di 6 µs. Alla velocità di 166.67 Kbit/s, aggiungendo tutti i bit di pausa, il tempo di ciclo massimo non supererà i 5082 µs.

• Ogni ciclo si divide in tre parti - scambio dati, - gestione del sistema, - aggiornamento/inserimento di uno slave.

Il profilo AS-Interface del master determina le sue esatte capacità. Generalmente AS-Interface possiede le seguenti funzioni:

- inizializzazione del sistema, - identificazione degli slave collegati, - trasmissione dei parametri slave agli slave, - garanzia dell’integrità degli scambi dati ciclici con gli slave, - gestione delle diagnostiche del sistema (stato di funzionamento degli

slave, controllo del blocco di alimentazione, ecc...), - comunicazione di tutti gli errori rilevati al controlllore del sistema

(controllore programmabile, ecc...), - riconfigurazione degli indirizzi degli slave se il sistema subisce una

qualunque modifica. Gli slave decodificano le domande provenienti dal master e rispondendo immediatamente. Tuttavia, uno slave non risponderà a comandi errati o inappropriati provenienti dal master. Le capacità funzionali di uno slave sono definite dal suo profilo AS-Interface.

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9.10 Bus AS-Interface (AS-I)Reti industriali

b Topologia e cablaggio di AS-Interface La mancanza di limitazione permette qualsiasi tipo di configurazione e di collegamento tra sensori e azionatori; la Fig. 38 illustra alcune tipologie.

A Fig. 38 Tipi di reti possibili

b Le versioni di AS-Interface La prima versione (V1) è stata seguita dall’evoluzione V2.1 con le seguenti funzioni aggiuntive:

- possibilità di collegare un massimo di 62 slave, mentre la versione V1 ne accettava solo 31,

- possibilità di trasmettere un messaggio "guasto periferico" al master senza inibire lo slave che conserva la possibilità di funzionare quando la continuità di servizio è fondamentale,

- elaborazione degli slave analogici.

b Profilo Il profilo di un’apparecchiatura AS-Interface determina le sue capacità. Due prodotti AS-Interface con le stesse funzioni e lo stesso profilo funzionano esattamente allo stesso modo, qualunque sia il costruttore e sono intercambiabili all’interno di uno stesso sistema. Il profilo è fissato di base con due o tre caratteri programmati nell'elettronica interna dell’apparecchiatura e non è modificabile. Ad oggi l'associazione AS-i ha definito oltre 20 profili, qui di seguito descritti.


La tabella della Fig. 39 mostra le compatibilità tra le diverse versioni

Slave V1 Slave V2.1 con

indirizzamento standard Slave V2.1 con

indirizzamento esteso Slave analogico

Master V1 Compatibile Compatibile ma i

guasti di periferica non sono segnalati

Non compatibile Non compatibile

Master V2 Compatibile Compatibile Compatibile Compatibile

A Fig. 39 Le versioni di As-Interface: le compatibilità

v Profili del master I profili del master definiscono le capacità proprie di ciascun master AS-i. Sono disponibili quattro tipi di profili del master: M1, M2, M3, M4; quest’ultimo è compatibile con le versioni precedenti.

v Profili dello slave Tutti gli slave dispongono di un profilo; questo significa che sono considerati periferiche "As-i" con circuito ASIC integrato. Fanno parte di questa categoria i componenti dedicati (quali gli azionatori intelligenti) e le interfacce (che collegano dei componenti tradizionali al sistema AS-Interface). I profili, simili a schede d'identità, sono stati definiti per distinguere gli azionatori e i sensori suddividendoli in grandi famiglie. Il sistema dei profili è particolarmente utile quando si tratta di sostituire uno slave. Ad esempio, due azionatori prodotti da costruttori diversi, ma con lo stesso profilo, sono funzionalmente intercambiabili senza programmazione, né indirizzamento.

9.11 Conclusione

L’impiego di reti di comunicazione nelle architetture di un sistema di automazione industriale consente di aumentare la loro flessibilità e quindi di rispondere alle esigenze di adattamento delle macchine e delle installazioni. Per effettuare una buona scelta tra la moltitudine di reti di comunicazione esistenti, sono necessarie conoscenze specifiche. La scelta può essere effettuata seguendo alcuni semplici criteri: apertura, standardizzazione e adeguamento.

- Scegliere una rete aperta, invece di una rete proprietaria, consente di rimanere liberi dalla scelta dei suoi fornitori di prodotti di automazione.

- Scegliere una rete standardizzata a livello internazionale consente di garantirne la perennità e l’evoluzione.

- Scegliere un buon equilibrio tra le esigenze della macchina o dell’installazione e le prestazioni della rete consente di ottimizzare il proprio investimento.

Quest’ultimo punto è quello che, verosimilmente, richiede una conoscenza precisa dell’offerta delle reti di comunicazione che per lungo tempo è stata percepita come complessa, sia per la selezione che per la messa in opera o la manutenzione. Tutti i fornitori hanno lavorato per ovviare a questa difficoltà. Schneider Electric ha, da parte sua, deciso di proporre solo reti di comunicazione realmente aperte, basate su standard internazionali e adatte alle esigenze dei diversi livelli di architettura di un sistema di automazione, definendo delle classi d’implementazione che consentano di effettuare una scelta semplice e ottimale.

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10 capitolo Elaborazione dei dati e software – Presentazione di esempi concreti

di architetture (schema, prodotti e software) – Progettazione e generazione applicazioni

Sommario 10. Elaborazione dei dati e sofware

b 10.1 Definizione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 238


b 10.3 Programmazione, configurazione e linguaggi. . . . . . . . . . . . . pagina 239

b 10.4 Categorie di applicazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 240

b 10.5 Unity Application Generator (UAG):

Design e progettazione delle applicazioni. . . . . . . . . . . . . . . . pagina 254

b 10.6 Definizioni delle principali abbreviazioni utilizzate . . . . . . . . . pagina 256

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Elaboraziione dei dti 10.1 Definizione e software 10.2 Introduzione

Nelle pagine che seguono viene trattata la funzione di elaborazione introdotta nel primo capitolo, completata da una presentazione dei software utilizzati nell’impresa e dalle relative interazioni con i software di elaborazione dei sistemi di automazione e controllo. Diversamente da altri capitoli non verranno approfonditi concetti quali i sistemi, i linguaggi di programmazione, ecc... Invitiamo i lettori interessati a consultare la ricca bibliografia in materia.

10.1 Definizione di controllore programmabile

Un controllore programmabile (PLC) è un sistema elettronico a funzionamento digitale specializzato nella gestione e nel controllo in tempo reale di processi industriali e terziari.

Il PLC esegue una serie di istruzioni introdotte nella memoria sotto forma di programma inviando degli ordini verso gli attuatori (parte operativa).

Un controllore programmabile o PLC (dall’inglese Programmable Logic Controller) è un dispositivo simile ad un computer, utilizzato per automatizzare processi quali, ad esempio, il comando delle macchine su una catena di montaggio di uno stabilimento. Laddove i vecchi sistemi di automazione utilizzavano centinaia o migliaia di relè e camme è ora sufficiente un solo controllore programmabile. I Tecnici di automazione sono i tecnici programmatori dei controllori programmabili.

10.2 Introduzione

I controllori programmabili (PLC) sono nati negli anni 70. La loro prima funzione consisteva nel garantire le logiche sequenziali necessarie al funzionamento delle macchine e dei processi. Il loro costo elevato ha fatto sì che inizialmente venissero limitati ai grandi sistemi. La funzione di elaborazione è stata poi profondamente modificata dalle successive evoluzioni tecnologiche:

- I linguaggi di programmazione si sono unificati e sono stati standardizzati dalla norma IEC 61131-3 che fornisce una definizione dei diversi tipi.

- L’approccio sistema si è generalizzato, le nozioni di schemi hanno lasciato il posto ai blocchi funzione.

- La generalizzazione del digitale consente di elaborare sia le grandezze digitali che quelle analogiche, previa conversione analogico/digitale.

- La diminuzione del costo dei componenti elettronici consente, anche per applicazioni semplici, di sostituire i sistemi a relè con controllori programmabili.

- I bus di comunicazione utilizzati per gli scambi di dati sostituiscono vantaggiosamente il cablaggio convenzionale.

- Le tecnologie software impiegate nell’office e nell’impresa vengono utilizzate sempre più nei sistemi di automazione industriali.

- Anche le interfacce di dialogo uomo/macchina evolvono diventando programmabili per offrire maggior flessibilità.


10.3 Programmazione, configurazione e linguaggi

10.3 Programmazione, configurazione e linguaggi

Un programma d’automazione è costituito da una successione di istruzioni che devono essere eseguite in un certo ordine dal processore del PLC. Il termine programma viene spesso utilizzato come sinonimo di software. Benché la maggior parte dei software sia composta da programmi, questi richiedono spesso i file di risorse contenenti dati di ogni tipo che non fanno parte del programma.

Questo concetto permette di introdurre il termine configurazione. Configurare consiste non nel programmare, ma nel fornire al software i dati e i parametri necessari ad un corretto funzionamento.

A titolo esemplificativo, un sistema di trattamento delle acque può, andando dal semplice al complesso, essere costituito da un programma semplice per mantenere il livello dell’acqua in un serbatoio tra due livelli, aprendo e chiudendo una valvola elettrica. Un sistema leggermente più complesso potrebbe comportare una bilancia sotto il serbatoio (come ingresso) e un controllore di flusso per consentire all’acqua di scorrere ad una data portata. Un’applicazione industriale, quale il trattamento delle acque di scarico, comanda diversi serbatoi. Ogni serbatoio deve soddisfare più condizioni, quali:

- Essere riempito tra due limiti min. e max. - Avere un pH compreso in una data gamma. - Avere una certa portata.

b Linguaggi normalizzati La Commissione Elettrotecnica Internazionale (CEI) o International Electrotechnical Commission (IEC) in inglese, ha elaborato la norma IEC 61131 specifica per i controllori programmabili che nel capitolo 3 (IEC 61131-3) definisce i diversi linguaggi di programmazione:

• IL (Instruction List) Il linguaggio List è il linguaggio testuale di livello inferiore nello standard, molto vicino al linguaggio di tipo assemblativo; si lavora il più vicino possibile al processore utilizzando l’unità aritmetica e logica, i relativi registri e accumulatori.

• ST (Structured Text) Il linguaggio testuale ST rappresenta il passaggio alla programmazione strutturata ed assomiglia al linguaggio C utilizzato per i computer.

• LD (Ladder Diagram) Il linguaggio grafico Ladder assomiglia agli schemi elettrici e permette di trasformare rapidamente un vecchio programma di relè elettromeccanici. Questo tipo di programmazione offre un approccio visivo del problema.

• FBD (Function Bloc Diagram) L’FBD si presenta sotto forma di diagramma: è un insieme di blocchi, collegabili tra loro, che collegano qualsiasi tipo di funzione, dalla più semplice alla più sofisticata.

• GRAFCET (acronimo di « GRAphe Fonctionnel de Commande Etapes/Transitions »). È un modo di rappresentazione e di analisi di un sistema di automazione particolarmente adatto ai sistemi ad evoluzione sequanziale, ossia scomponibili in tappe. Nella programmazione di un controllore programmabile è possibile scegliere di programmare in SFC, in modo molto vicino al G (il Grafcet IEC848 divenne una norma internazionale nel 1988 con il nome di « Sequential Function Chart » (SFC)). Ad ogni azione è associato un programma scritto in IL, ST, LD o FBD.

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Elaboraziione dei dti 10.4 Categorie di applicazione e software

10.4 Categorie di applicazione

Le evoluzioni tecnologiche legate al mutare delle esigenze degli utenti hanno fatto nascere una vasta gamma di controllori programmabili caratterizzati:

- dalla parte hardware con la potenza di elaborazione, il numero e le caratteristiche degli ingressi/uscite, la velocità di esecuzione, i moduli applicazione intelligenti (comando assi, comunicazione, ecc...)

- dalla parte software che, oltre al linguaggio di programmazione, dispone di funzioni più elaborate e di capacità di comunicazione e di interazione con gli altri software dell’impresa.

Questi software verranno presentati attraverso applicazioni tipo che serviranno ad orientare il lettore nelle scelte. Si consiglia quindi di consultare la documentazione specifica di ogni prodotto.

Nell’introduzione di questa guida sono state presentate le nozioni di architettura di automazione e di implementazioni, in base al profilo del cliente. Le soluzioni presentate possono essere suddivise in quattro categorie:

A - Soluzioni «Tecnico elettrico»

Le applicazioni sono semplici, autonome e fisse. I criteri di scelta saranno guidati dalla facilità di adozione ed utilizzo dei prodotti, dal costo contenuto della soluzione e dalla semplicità di manutenzione.

B - Soluzioni «Tecnico di automazione-tecnico meccanico»

Le applicazioni sono esigenti nelle prestazioni meccaniche (precisione, rapidità, asservimento di movimenti, cambiamento di gamma, ecc...); la scelta dell’architettura e dell’elaborazione saranno condizionate essenzialmente dalla ricerca di prestazioni elevate.

C - Soluzioni «Tecnico di automazione »

I sistemi di automazione sono complessi per il volume e la diversità delle informazioni da elaborare, quali la regolazione, le interconnessioni tra controllori programmabili, il numero degli ingressi/uscite, ecc...

D - Soluzioni «Tecnico di automazione-tecnico di produzione»

I sistemi di automazione della produzione devono integrarsi nell’architettura informatica dello stabilimento. Devono potersi interfacciare e scambiare con i software di produzione, di gestione, ecc...

Riposizioniamo nella Fig. 1 le diverse categorie insieme alle implementazioni presentate nel capitolo 1.

A Fig. 1 Categorie di applicazione e profili utente


Schema di applicazione basato su un controllore programmabile Zelio

Copia di videata del software Zeliosoft

b Soluzioni “Tecnico elettrico” Le soluzioni semplici utilizzano alcuni relè elettromeccanici per realizzare le sequenze di automazione. Le ultime generazioni di piccoli controllori, di facile impiego, diventano competitivi offrendo alcuni ingressi/uscite e nuove possibilità senza richiedere alcuna nozione specifica in programmazione.

Le applicazioni tipo si trovano nei seguenti settori: - Industriale: macchine semplici e funzioni complementari dei sistemi

decentralizzati. - Edilizia e servizi: gestione illuminazione, accessi, comando, controllo

dei locali, riscaldamento, ventilazione, climatizzazione.

v Applicazione di un controllore programmabile Zelio La configurazione qui di seguito presentata è adatta alle applicazioni

specificate nella tabella della Fig. 2.

Applicazione Descrizione Esempio

Stazione di pompaggio mobile Questa applicazione permette di riempire e svuotare serbatoi. L’utilizzo di un variatore di velocità facilita l’adattamento alla viscosità dei fluidi.

Porta automatica Permette l’apertura e la chiusura di porte e cancelli di stabilimenti.

Finestra elettrica Permette di regolare l’aria in una serra.

A Fig. 2 Esempi applicativi di un controllore programmabile Zelio

L’utilizzo di un variatore di velocità permette di far variare progressivamente la velocità del motore (C Fig.3); per esigenze di comando in ON/OFF si assocerà un contattore al relativo relè termico.

Questo sistema è composto dai seguentio elementi: - un controllore programmabile Zelio Logic, - un’alimentazione Phaseo corrente continua 24V DC, - un variatore di velocità Altivar 11, - un interruttore automatico magneto-termico GV2 per la funzione di protezione, - una colonna luminosa XVB per la funzione di segnalazione, - un interruttore Vario VCF per la funzione di sezionamento.

Le variabili del variatore (tempo, velocità, controllo) sono configurabili direttamente sull’Altivar 11 o mediante software Powersuite.

La programmazione del controllore programmabile Zelio può essere effettuata direttamente sul modulo o con il software Zeliosoft installato su un PC. La videata Zeliosoft mostrata dalla Fig. 4 presenta una logica realizzata con blocchi funzione FDB (Function Bloc Diagram).

A Fig. 3

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A Fig. 4



v Applicazione di un controllore programmabile Twido

L’utilizzo di un controllore programmabile Twido permette la realizzazione di applicazioni semplici che potranno essere controllate a distanza utilizzando un modem collegato sulla rete telefonica (RTC). La tabella della Fig. 5 fornisce alcuni esempi applicativi:


Ventilazione Controllo di un sistema di ventilazione in un edificio industriale. La misura della temperatura controlla la messa in servizio e l’arresto della ventilazione.

Riscaldamento Controllo di un sistema di riscaldamento di un immobile.

Controllo a distanza Controllo di una fontana di una fontana in un edificio di una

compagnia di servizi. Il sistema è controllato a distanza tramite modem.

Controllo della pulizia L’applicazione controlla e del filtro in uno stabilimento pulisce il filtro di uno di distribuzione acque stabilimento di

distribuzione acque con una sequenza di pulizia ad aria, seguita da un risciacquo ad acqua. È inoltre possibile controllare il sistema a distanza tramite modem.

A Fig. 5 Esempi applicativi di un controllore programmabile Twido

v Schema tipo Il sistema viene sviluppato a partire da un controllore programmabile Twido (C Fig.6). Il controllo e la visualizzazione sono garantiti da un terminale Magelis. La sicurezza è garantita da un arresto di emergenza sull’interruttore principale.

A Fig. 6 Schema applicativo basato su un controllore Twido


Il cablaggio viene realizzato filo a filo. Il PLC controlla l’avviatore e gestisce i messaggi del modulo di allarme.

Il sistema comprende i seguenti componenti: - Un controllore programmabile Twido Modular (PLC). - Un’alimentazione Phaseo a corrente continua (PS). - Un avviatore TeSys-U (SC). - Un terminale alfanumerico Magelis XBT-N (HMI). - Un motore trifase standard.

E i seguenti software: - Software di programmazione Twidosoft Version 2.0. - Software di configurazione Magelis XBTL1003M V4.2.

La videata Twidosoft riportata nella Fig. 7 mostra una programmazione in logica Ladder reversibile in List. Il software integra un importante set di istruzioni e un browser integrato permette l’accesso diretto a tutti gli oggetti.

A Fig. 7 Copia di videata del softwareTwidosoft

b Soluzioni “Tecnico di automazione-tecnico meccanico” Alcune applicazioni richiedono prestazioni che è difficile ottenere senza associare strettamente le funzioni di elaborazione, di acquisizione e di comando di potenza. Per questo motivo l’asservimento viene elaborato direttamente dalla funzione comando potenza, sia in analogico che mediante bus rapidi (Canopen, ecc...) o bus specializzati (Sercos, ecc...). Questo tipo di architettura si trova anche su alcuni variatori di velocità per motori sincroni (sistemi ad anello) e asincroni .

L’esigenza di poter associare un’elaborazione sequenziale di variabili analogiche e digitali ha spinto i costruttori ad aggiungere sui variatori di velocità:

- delle schede d’ingressi/uscite, - delle schede di comunicazione, - delle schede di elaborazione tipo controllore.

Queste soluzioni vengono utilizzate anche nelle applicazioni industriali e nelle infrastrutture.

Questa soluzione verrà illustrata presentando un variatore di velocità con controllore programmabile integrato.

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A Fig. 8


Rete di infrastrutture Utilizzato nelle stazioni di pompaggio per fornire acqua potabile alle utenze.

Macchine speciali Diverse applicazioni: - macchine di bobinatura - macchine automatiche di assemblaggio - macchine per la lavorazione del legno.

Nastri trasportatori Utilizzato in coordinamento con i movimenti di sollevamento e delle navette.

Variatore di velocità Altivar e relativa scheda controllore programmabile

v Elaborazione integrata ad un variatore di velocità Una scheda opzionale programmabile (C Fig. 8) permette di trasformare i variatori di velocità Altivar in vere e proprie isole di automazione. Questa scheda, chiamata “Controller Inside”, integra tutte le funzioni di un controllore programmabile:

- Il software di programmazione Codesys offre le funzioni dei linguaggi grafici normalizzati IEC 61131-3.

- L’elaborazione il più vicino possibile al comando motore assicura la rapidità necessaria ai movimenti.

- Il bus Can Open master permette di comandare altri variatori (Altivar 31, Altivar 61 o Altivar 71) e di scambiare tutti i dati necessari.

- La scheda dispone di ingressi/uscite propri e può accedere a quelli dell’Altivar.

- Le funzioni di visualizzazione del terminale grafico vengono memorizzate per informare e configurare i parametri.

- La supervisione è disponibile via Ethernet e Modbus (o altre reti di comunicazione).

CoDeSys è uno strumento di programmazione utilizzabile in Windows che supporta i cinque linguaggi standardizzati dalla norma IEC 61131-3. CoDeSys produce un codice nativo per la maggior parte dei processori comuni e può essere utilizzato su diversi controllori programmabili. Combina la potenza dei linguaggi di programmazione avanzati, quali C o Pascal, e le funzioni dei sistemi di programmazione dei controllori programmabili. Il kit di programmazione comprende un manuale, un’assistant in linea ed è disponibile in tre lingue (tedesco, inglese e francese).

CoDeSys viene utilizzato da numerosi costruttori; Schneider Electric l’ha adottato per i variatori di velocità Altivar e Lexium.

v Applicazioni La tabella della Fig. 9 fornisce alcuni esempi applicativi di un variatore di velocità con scheda Controller Inside integrata.

v Schema tipo

A Fig. 9 Esempi applicativi di una scheda Controller Inside


Per non rendere troppo complessa la presentazione di questa soluzione, nella Fig. 10 la parte potenza e la relativa alimentazione non sono state rappresentate.

Il sistema illustrato comprende:

A Fig. 10

• Hardware - una scheda Controler Inside installata in un Altivar 71, dove il variatore

è la stazione master del bus Canopen, - un variatore ATV31 e ATV71 con interfaccia integrata Can Open, - un servoazionamento Lexium 05 con interfaccia integrata Can Open.

Il dialogo operatore è gestito da un terminale grafico Magelis XBT-GT collegato all’isola tramite connessione Modbus

- I/O distribuiti Advantys STB.

• Software - un software di programmazione PS1131 (CoDeSys V2.3), - un software di configurazione PowerSuite per gli ATV31, ATV71 e

Lexium 05, - un software di configurazione Vijeo-Designer V4.30 per Magelis, - un software di configurazione Advantys Configuration Tool V2.0.

b Soluzioni “Tecnico di automazione” I moderni sistemi di automazione sono molto esigenti per quanto concerne il numero e il tipo d’ingressi/uscite. Devono essere in grado di elaborare le sequenze del sistema di automazione e fornire le informazioni necessarie alla gestione e alla manutenzione. La complessità dei sistemi impone tempi di progettazione e di messa in opera relativamente lunghi e onerosi.

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Per ridurre i costi i costruttori propongono una doppia soluzione: - Offerte modulari di prodotti software e hardware, per consentire al Cliente di

ammortizzare i costi di formazione su tutte le applicazioni. - Software capaci di accelerare la produttività, gestire le funzioni cronologiche e facilitare la manutenzione e l’evolutività dei sistemi.

Questo tipo di soluzione di automazione viene utilizzata nei processi industriali con più macchine collegate o nelle infrastrutture. La tabella della Fig. 11 illustra alcuni casi di utilizzo.


Apparecchio di movimentazione

Utilizzato su processi con più sistemi di nastri trasportatori e con informazioni esterne.

Macchine per imballaggio, macchine tessili, macchine speciali

Utilizzato sulle macchine per il taglio e la piegatura inserite in una linea di produzione.

Pompe e ventilatori Utilizzato per sistemi di circolazione delle acque, di refrigerazione asserviti a misure esterne quali la portata.

A Fig. 11 Illustrazione delle applicazioni “Tecnico di automazione”

v Applicazioni Non è nostra intenzione sviluppare un’applicazione completa, ma illustrarne il principio presentandone una parte significativa.

Un controllore Premium viene utilizzato per controllare un’isola locale composta da I/O Advantys STB, quattro variatori di velocità e moduli d’ingressi/uscite esterni. Ogni elemento è collegato su bus Can Open. Questa implementazione può essere facilmente estesa aggiungendo altri variatori o I/O supplementari. Il controllore è collegato all’isola tramite bus Modbus/TCP. I variatori e i motori sono alimentati a 230V AC. Per fornire l’alimentazione 24V DC viene utilizzata un’alimentazione esterna.

v Schema tipo Uno schema tipo è illustrato nella Fig. 12.

A Fig. 12 Schema tipo di un’applicazione "Tecnico di automazione"


Lista dei componenti del sistema: - un controllore programmabile TSX Premium (PLC), - un’alimentazione Phaseo corrente continua (24V), - un variatore di velocità ATV31, - I/O Advantys STB, - un modulo d’ingressi/uscite protetti IP67 Advantys FTB, - un motore trifase a gabbia.

Software: - un software Unity Pro V2.0.2 di programmazione controllori (PLC), - un software di configurazione I/O Advantys V1.20, - un software PowerSuite V2.0 di configurazione variatori ATV31.

v Il software Unity Pro Unity Pro è il software comune di programmazione per la messa a punto e l’utilizzo dei controllori Modicon Premium, Atrium e Quantum. Riprendendo le funzioni base di PL7 e Concept, Unity Pro apre le porte ad un insieme completo di nuove funzioni per una maggior produttività e collaborazione tra software (C Fig.13).

A Fig. 13 Esempi di videate del software Unity Pro

• Le caratteristiche principali di Unity Pro - Interfacce grafiche Windows 2000/XP. - Icone e barre strumenti personalizzabili. - Profili utente. - Progettazione grafica delle configurazioni harware. - Convertitori integrati PL7 e Concept. - Generazione automatica delle variabili di sincronizzazione su Ethernet

(Global Data). - I 5 linguaggi IEC61131-3 sono supportati di base con editor grafici. - Integrazione e sincronizzazione di editor, programma, dati, blocchi

funzione utente. - Funzione “drag & drop” di recupero e utilizzo oggetti della libreria. - Funzione Import/Export XML e riallocazione automatica dei dati. - Automatizzazione delle task ripetitive mediante macro VBA. - Sistema di ridondanza Hot Standby “plug & play”.

Unity Pro offre un insieme completo di funzioni e strumenti che consentono di ricalcare la struttura dell’applicazione sulla struttura del processo o della macchina. Il programma è suddiviso in moduli funzionali. Assemblati e gerarchizzati, questi moduli formano la finestra funzionale e raggruppano:

- Le sezioni di programma. - Le tabelle di animazione. - Le videate operatore. - I collegamenti ipertestuali (hyperlink).

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Le funzioni elementari utilizzate in modo ripetitivo sono inseribili in blocchi funzione utente (DFB) in linguaggio IEC 61131-3.

Per creare una base di riferimenti applicativi, Unity Pro gestisce delle librerie progetto e applicazione, in locale o su server.

Dotato di circa 800 funzioni di base, Unity Pro può essere arricchito e personalizzato (variabili, tipi di dati, blocchi funzione).

Unity Pro comporta inoltre: - Delle variabili simboliche indipendenti dalla memoria fisica. - Tipi di dati strutturati definiti dall’utente (DDT). - La gestione della versione dei blocchi funzione DFB e DDT nella libreria. - Una libreria di oggetti grafici pre-animati per le videate operatore. - I dati di programmazione protetti in scrittura e/o lettura per evitare le

modifiche. - La possibilità di sviluppo di blocchi funzione in C++ con l’opzione

Unity EFB Toolkit.

Localizzati nella libreria sul PC locale o su server a distanza, gli oggetti dell’applicazione e le loro proprietà possono essere utilizzati e condivisi da tutti i programmi. Qualsiasi modifica di un oggetto della libreria viene automaticamente riportata nei programmi che lo utilizzano:

- I moduli funzionali sono riutilizzabili nell’applicazione o tra progetti mediante semplice import/export XML.

- I blocchi funzione sono recuperabili dalla libreria mediante “drag & drop”. - Tutte le istanze ereditano automaticamente (in base alla scelta utente)

le modifiche apportate nella libreria. - Funzione “drag & drop” per la selezione e la configurazione degli

oggetti grafici delle videate operatore.

Un simulatore controllore su PC integrato nel software Unity Pro permette di perfezionare al massimo l’applicazione prima della sua installazione sul posto, riproducendo fedelmente il comportamento del programma. Nella simulazione è possibile utilizzare tutti gli strumenti di messa a punto:

- Esecuzione passo-passo del programma. - Punto di arresto e di visualizzazione. - Animazioni dinamiche per visualizzare lo stato delle variabili e la logica

in fase di esecuzione. Le videate di utilizzo facilitano la messa a punto grazie a finestre che rappresentano lo stato delle variabili sotto forma di oggetti grafici: spie di segnalazione, curve di tendenza, ecc...

Come per la configurazione, anche per la messa a punto dei moduli intelligenti sono disponibili apposite videate: le funzioni offerte sono adatte al tipo di modulo utilizzato (ingressi/uscite “ON/OFF”, analogico, conteggio, comunicazione, ecc...).

Un report cronologico delle azioni operatore viene archiviato in un file standard e protetto da Windows. Appositi collegamenti ipertestuali permettono di collegare all’applicazione tutti i documenti e gli strumenti necessari all’intervento in utilizzo o manutenzione.

• Gli strumenti di diagnostica Unity Pro fornisce una libreria di blocchi di diagnostica applicazione ( DFBs). Integrati nel programma, consentono, a seconda della loro funzione, di controllare le condizioni permanenti di sicurezza e l’evoluzione del processo nel tempo.

Una finestra di visualizzazione visualizza in chiaro e in modo cronologico, tramite cronodatazione alla sorgente, tutti i difetti sistema e applicazione. Un semplice clic su questa finestra permette di accedere all’editor di programma nel quale si è verificato l’errore (ricerca delle condizioni mancanti alla sorgente).


A Fig. 14 Videate di utilizzo e finestre funzionali di Unity Pro

Le modifiche in linea possono essere raggruppate in modo coerente sul PC e trasferite direttamente nel controllore programmabile in un’unica operazione affinchè possano essere elaborate nello stesso ciclo.

I collegamenti ipertestuali integrati nell’applicazione consentono l’accesso, in locale o a distanza, alle risorse utili (documentazione, strumento complementare, ecc...) per ridurre al minimo i tempi d’arresto.

Una gamma completa di funzioni permette di controllare l’utilizzo: - Funzione cronologica delle azioni operatore su Unity Pro in un file

protetto. - Profilo utente con selezione delle funzioni accessibili e protezione

tramite password.

La Fig. 14 presenta alcuni esempi di videate e di finestre funzionali per un accesso diretto e grafico ai diversi elementi dell’applicazione.

L’architettura client/server di Unity Pro rende accessibili le risorse del software attraverso interfacce di programmazione in VBA, VB o C++. Due esempi:

- Automatizzazione delle task ripetitive (programmazione, configurazione, traduzione, ecc...).

- Integrazione di applicazioni specifiche (generatore di codice, ecc...).

• Gli scambi con gli altri software Il formato XML (C Fig. 15), standard universale W3C per lo scambio di dati su Internet, è stato adottato come formato sorgente delle applicazioni Unity Pro quali variabili, programmi, ingressi/uscite, configurazione, ecc...

Mediante semplice import/export, è possibile scambiare tutta o parte dell’applicazione con gli altri software del progetto (CAD, ecc...).

Unity Developer’s Edition (UDE) e le relative interfacce di programmazione in linguaggio C++, Visual Basic e VBA consentono lo sviluppo di soluzioni su misura, come la realizzazione di interfacce con un CAD per progettazione elettrica, un generatore di variabili, un programma controllore, o l’automatizzazione delle operazioni ripetitive nella progettazione. Numerosi editor di software hanno utilizzato UDE per semplificare lo scambio di dati con Unity Pro. La tabella della Fig. 16 presenta alcuni esempi:

Applicazioni Società Prodotto

Electrical CAD ECT Promise

Electrical CAD EPLAN EPLAN

Electrical CAD IGE-XAO SEE Electrical Expert

Electrical CAD AutoDesk AutoCAD Electrical

Electrical CAD SDProget SPAC Automazione

Process Simulation Mynah Mimic

Change Management MDT Software AutoSave

Applicazione Generator TNI Control Build

SCADA/Reporting Iconics GENESIS BizViz Suite

SCADA EuropSupervision Panorama

SCADA Arc Informatique PCVue32

Graphical User Interface ErgoTech ErgoVU

SCADA Areal Topkapi

SCADA Afcon P-CIM

MES Tecnomatix/UGS XFactory

Historian/RtPM OSISoft PI

Web Services Anyware PLC Animator

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A Fig. 15 Utilizzo del formato XML A Fig. 16 Editor di software che utilizzano l’interfaccia UDE in Unity Pro



• Compatibilità con le applicazioni esistenti Di base le applicazioni PL7 e Concept IEC 61131 vengono importate in Unity Pro mediante un convertitore integrato. L’aggiornamento del sistema operativo, fornito con Unity Pro, è possibile sulla maggior parte dei controllori programmabili Modicon Premium e Quantum.

Gli ingressi/uscite a distanza, i moduli intelligenti, le interfacce di communicazione e i bus di campo restano compatibili con Unity Pro.

b Soluzioni “Tecnico di automazione- tecnico di produzione” Qui di seguito affrontiamo le architetture più complesse, con diversi PLC comunicanti tra loro e con stazioni di supervizione (SCADA). Queste architetture si interfacciano anche con i sistemi di gestione dell’impresa.

L’ottimizzazione dei sistemi impone un approccio globale che consenta di mettere in relazione i diversi settori aziendali. Distinguiamo due tipi di approccio:

- Approccio tempo reale (real time): in fase di impiego caratterizza il collegamento ai sistemi CRM di gestione dei rapporti con i clienti, ai sistemi di gestione degli stock e della produzione aziendale (MES) e ai sistemi di gestione contabile-amministrativa per l’ottimizzazione dei flussi.

- Approccio collaborativo in ambiente di scambio (Collaborative automation): i software supportano l’interazione tra le diverse parti che svolgono un ruolo attivo nelle fasi di progettazione, realizzazione, utilizzo e manutenzione, con l’obbiettivo di ridurre i tempi e i costi dello strumento di produzione, migliorandone al contempo la qualità.

La diversità delle applicazioni rende complessa la comprensione del loro posizionamento. Le esigenze di interelazione e interscambio tra i diversi software portano ad un approccio collaborativo di tutte le applicazioni.

v Il tempo reale e i software aziendali Nella Fig. 17 vengono illustrati i software più frequentemente utilizzati in officina o stabilimento di produzione. È possibile distinguere quattro livelli:

A Fig. 17 I quattro livelli dell’impresa


• Il livello impresa (corporate level) È caratterizzato da un elevato flusso di informazioni e dall’affermazione definitiva degli standard dell’office (office automation) e di Internet. I software funzionano su PC o su server più potenti.

• Il livello officina È caratterizzato principalmente da strumenti di supervisione e da PLC che gestiscono il processo. Ethernet si è imposto come standard di comunicazione tra computer e controllori programmabili.

• Il livello macchina L’approccio tempo reale condiziona la scelta degli strumenti di comunicazione. PC industriali e controllori programmabili si ripartiscono le applicazioni, i collegamenti vengono realizzati tramite bus di campo (CanOpen per Schneider Electric) oppure tramite Ethernet associato a livelli applicativi specifici.

• Il livello sensore Qui il bus As-i, particolarmente adatto a questo tipo di utilizzo, fa ormai concorrenza ai collegamenti diretti “filo a filo”.

v Progettazione e realizzazione “collaborativa” I software dei controllori programmabili presentati nelle pagine precedenti sono confinati al controllo di insiemi progettati separatamente per lavorare in modo autonomo. Talvolta possono tuttavia richiedere collegamenti di comunicazione.

Per consentire di lavorare in parallelo sulla progettazione e la realizzazione dei software di programmazione sono stati sviluppati nuovi strumenti che aiutano gli sviluppatori semplificando e velocizzando il loro lavoro grazie a funzioni di tracciabilità delle modifiche e al monitoraggio automatico.

Considerando infatti il ciclo di vita di una macchina o di un processo, a partire dal suo studio fino a fine vita, (C fig.18) è facile comprendere come l’ampia gamma di funzioni implicate richieda l’interazione fra settori diversi. Questa collaborazione è resa possibile da software per l’automazione quali CAD meccanici ed elettrici, ERP, MES, SCADA, ecc...

Cuore dell’offerta Schneider Electric, Unity Pro e UAG (generatore di applicazioni) offrono una piattaforma hardware e software basata sull’apertura e la comunicazione tra le diverse applicazioni, coprendo tutte le esigenze, dalla fase di progettazione iniziale fino alla manutenzione (Fig. 18).

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A Fig. 18 I due software Unity Pro e UAG

Avendo già parlato nelle pagine precedenti del software Unity Pro, dedicheremo più avanti un paragrafo al funzionamento di Unity Application Generator o UAG.



Per consentire la collaborazione tra le applicazioni sono stati sviluppati diversi software complementari. La tabella della Fig. 19 presenta le funzioni di ciascun software.

L’utilizzo dei principali standard informatici quali Ethernet TCP/IP, Web, OPC, SOAP, XML, ecc..., facilita la collaborazione verticale a tutti i livelli dell’impresa e permette:

- una migliore visibilità delle informazioni in tempo reale. - un’interoperabilità tra il processo e i sistemi informativi (MES, ERP,

ecc...). - gli scambi con le utility di progettazione (CAD).

Componenti Funzione

Unity Pro Software di sviluppo applicazioni monocontrollore in ambiente collaborativo

UAG Sviluppo di applicazione multicontrollore e SCADA basato su Unity Application oggetti riutilizzabili. Generator Conforme alle norme ISA S88

UDE Software per sviluppo in linguaggi Unity Developer Edition informatici VBA, VB, C++

OFS Server OPC di Schneider Electric che mette in OPC Factory System relazione gli ambienti (desktop e PLC)

Factory Cast Assicura il passaggio di informazioni tra PLC Environnement Web e desktop

CITEC SCADA Software SCADA

AMPLA Software MES

Modulo Ethernet Moduli che utilizzano i servizi Factory Cast

Software di configurazione e regolazione parametri

XBT L1000 Creazione di dialogo operatore (HMI)

Vijeo designer Creazione di dialogo operatore (HMI)

Vijeo Look Mini SCADA

Power Suite Configurazione variatori Altivar e avviatori Altistart e Tesys U

A Fig. 19 Software complementari

UDE: Unity Developer’s Edition Unity Developer’s Edition (UDE) è un vero e proprio programma dedicato agli sviluppatori informatici in VBA, VB o C++ per lo sviluppo di applicazioni in ambiente Unity. Consente l’integrazione di prodotti terzi oltre che lo sviluppo di soluzioni ad hoc.

UAG: Unity Application Generator UAG è uno strumento di progettazione basato su oggetti riutilizzabili (PID, valvole, motore, ecc...) e conforme alla norma ISA 88. UAG genera il codice controllore dei PLC dell’architettura e i grafici della supervisione SCADA. Offre un unico database progetto comune ai diversi elementi garantendo quindi la coerenza dell’applicazione.

La programmazione unica delle informazioni garantisce rapidità e coerenza tra gli ambienti.

Grazie a questo approccio progettuale strutturato e modulare, UAG offre una riduzione significativa dei costi di sviluppo e facilita la convalida e la manutenzione dei progetti di automazione.

OFS: OPC Factory System


OFS, adattamento di OPC (OLE for Process Control) all’ambiente Schneider Electric, è un software di comunicazione che consente alle applicazioni informatiche client di accedere semplicemente e in modo standard ai dati dei controllori programmabili grazie al server OPC. OPC si basa sulla procedura standard OLE/COM dei software Microsoft più utilizzati e può gestire applicazioni client diverse sullo stesso PC o su PC collegati in rete grazie alle funzioni Windows COM o DCOM.

La fondazione OPC è un’interfaccia operativa che raggruppa molte società del mondo del controllo industriale con l’obbiettivo di gestire le evoluzioni di OPC garantendo la compatibilità l’apertura tra software diversi.

Le evoluzioni sono condizionate dalle seguenti esigenze: - fornire alle applicazioni informatiche un’interfaccia basata su standard

aperti, capace di offrire un accesso semplice e standardizzato ai dati del processo di automazione della produzione.

- favorire una trasparenza universale tra applicazioni di controllo e automazione, MES, applicazioni gestionali e di ufficio.

- proporre un’interfaccia standard per lo sviluppo di applicazioni Client/Server interoperative.

- consentire l’accesso al server locale o remoto. - fornire informazioni disponibili in tempo reale.

Factory Cast: sistemi e architetture Web Insieme di componenti software consentono alle applicazioni di comunicare tramite Internet rispondendo ai seguenti requisiti:

- comunicazione tra applicazioni. - compatibilità con il web e Internet. - utilizzo di soluzioni non proprietarie standardizzate. - facilità di implementazione.

Le applicazioni devono essere in grado di comunicare qualunque sia: - il linguaggio con il quale sono state sviluppate. - il sistema operativo utilizzato.

La tecnologia, compatibile con l’utilizzo di Internet, si basa su un protocollo standard SOAP XML (Simple Object Access Protocol) utilizzato con HTTP e consente la comunicazione tra le applicazioni.

Una descrizione standard dei servizi e delle interfacce è fornita da WSDL (Web Service Description Language), il linguaggio utilizzato per descrivere i web services.

Il modello “WEB SERVICES” è indipendente dalle piattaforme, dai linguaggi e dai sistemi operativi utilizzati.

SCADA: software di supervisione sinottica dei processi SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) è un software industriale progettato per ottimizzare la gestione di un impianto di produzione. Consente il comando in tempo reale di un’officina di produzione in base alle esigenze di produzione e ai mezzi disponibili.

Schede Ethernet I diversi tipi di schede Ethernet disponibili consentono di realizzare architetture moderne, aperte alle diverse tecnologie software più recenti, fornendo strumenti utili a realizzare le funzioni di controllo necessarie agli utenti. Questo rende inoltre possibile organizzare «oggetti» in modo totalmente compatibile con gli ambienti MES e ERP.

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Elaboraziione dei dti 10.5 UAG: Generatori di applicazioni e software

10.5 Unity Application Generator (UAG): Design e generazione delleapplicazioni

Unity Application Generator (UAG) è un software di progettazione e generazione delle applicazioni PLC e HMI/SCADA. Basato su oggetti standard riutilizzabili (librerie applicazione) utilizza un unico database di progetto centralizzato. UAG viene utilizzato dalle applicazioni monocontrollore, ma è particolarmente indicato nelle architetture multicontrollore. UAG utilizza tutta la potenza di Unity Pro associandola strettamente ai sistemi di supervisione Monitor Pro, I-FIX o altri.

b Una riduzione significativa dei tempi di sviluppo UAG e i suoi componenti consentono agli sviluppatori di entrare immediatamente in sintonia con le esigenze del Cliente (C Fig.20). Il riutilizzo degli oggetti, la facilità di aggiornamento e di test permettono una riduzione dal 20 al 30 % dei tempi di progettazione che può tradursi in diversi mesi per i progetti più rilevanti.

A Fig. 20 Riduzione dei tempi di sviluppo

b Principali caratteristiche di UAG - Un unico database PLC/HMI/SCADA. - Oggetti standard riutilizzabili (librerie applicazione). - Configurazione delle applicazioni del processo. - Generazione incrementale per gli SCADA. - Mapping globale delle risorse. - Applicazione PLC (codice, variabili, configurazione, comunicazione,

ecc...). - Applicazione SCADA (simboli, mimic, variabili, attributi, allarmi,

ecc...). - Gestione dei protocolli di comunicazione (Ethernet, ModBus+). - Interfaccia grafica XML.


A Fig. 22 Sinottico UAG

b Funzionamento di UAG Unity Application Generator è costituito da tre strumenti (C Fig.21).

Strumento Applicazione Libreria

SCoD Editor Librerie Specifica dei moduli di controllo, importazione dei blocchi funzione DFBs o EFBs, specifica degli attributi e definizione delle configurazioni dello schermo (all’interno di UAG).

UAG Customization Personalizzazione Definizione dei profili utente per un progetto che include: le regole di naming, i cataloghi delle specifiche hardware, le librerie, ecc...

Unity Application Generator

Progetto Studio del progetto, analisi funzionale e generatore di applicazioni.

A Fig. 21 Gli strumenti UAG

L’insieme dei tre strumenti è riassunto nel grafico della Fig. 22.

v L’editor di oggetti ScoD Unity Application Generator (UAG) è uno strumento di progettazione basato su oggetti riutilizzabili e moduli di controllo. Un modulo di controllo descrive un’unità di processo e include tutti gli aspetti della funzione di automazione:

- la logica del PLC. - la rappresentazione per l’operatore nel sistema di supervisione - le proprietà meccaniche ed elettriche dell’unità - la manutenzione e la riparazione.

La rappresentazione sotto diversi aspetti di questi elementi in UAG si chiama Smart Control Device (SCoD), ed è l’equivalente dei moduli di controllo della norma ISA 88.

L’istanza di un controllo ha una rappresentazione fisica equivalente. Può essere:

- un componente reale, che può essere preso e ispezionato, come un motore, una valvola o un sensore di temperatura

- un elemento di controllo utilizzato per regolare altre funzioni quali un anello PID, un temporizzatore o un contatore.

I moduli di controllo sono definiti e utilizzati in librerie applicazione, mentre l’editor SCoD è lo strumento che crea, modifica e raggruppa i controlli client specifici negli oggetti (SMart Control Device).

La definizione delle regole e delle proprietà all’interno dell’editor SCoD basato sull’interfaccia DFB/EFB comprende:

- l’interfaccia grafica utente (GUI) - la configurazione obbligatoria dell’istanza ScoD - la configurazione opzionale dell’istanza ScoD - l’eredità dell’istanza ScoD - le relazioni, semplici e complesse, ereditate dal modulo selezionato e

dagli altri ScoD - la definizione dei dati riportata da e verso l’HMI - la definizione dei dati legati al modello topologico - le informazioni specifiche all’HMI come gli allarmi, le unità di misura, - i livelli di accesso:

per modulo, in riferimento alle informazioni specifiche dell’HMI (ad es. ActivesX e simboli), per modulo, in riferimento alle informazioni specifiche del controllore programmabile (blocchi funzione DFB/EFB)

- la documentazione ScoD.

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Elaboraziione dei dti 10.5 UAG: Generatori di applicazioni e software

A Fig. 23 L’editor di oggetti SCoD

A Fig. 24 L'editor di elementi "Customisation Editor"

A Fig. 25 Software Unity Application Generator

Prendiamo una valvola come esempio di Smart Control Device. Una valvola viene generalmente utilizzata comme dispositivo d’isolamento per impedire o permettere lo scorrimento di un liquido o di un gas in un condotto. Generalmente è legata a tre segnali digitali:

- il contatto di finecorsa aperto e chiuso - il segnale per l’azionatore.

È disponibile un’ampia gamma di valvole standard, dalle più piccole azionate da solenoidi alle più grandi azionate da motori.

Le proprietà vengono assegnate dal PLC in funzione dei diversi tipi di valvole.

Di default la valvola è inserita come “Energize-to-Open”, benchè l’utente abbia la possibilità di specificare “Energize-to-Close”.

Il tempo di funzionamento “Travel Time-out” deve essere compreso in un intervallo [min Value max Value].

La Fig. 23 rappresenta una videata dell’editor.

v UAG Customisation Editor L’editor di configurazione UAG (C Fig.24) permette di definire un linguaggio comune tra i diversi utenti (utilizzo, automazione, manutenzione). Descrive la lista degli elementi utilizzati e la loro definizione, gli oggetti (SCoD) e le specifiche delle interfacce uomo/macchina (HMI).

La personalizzazione comincia con i seguenti elementi:

- lista delle librerie ScoD - lista dei moduli hardware autorizzati - livello di accesso - definizione dei nomi degli elementi del processo - proprietà specifiche dei componenti HMI o SCADA.

Prendiamo nuovamente ad esempio una valvola. L’utente ha bisogno di definire esattamente la valvola per non confonderla con un’altra nel sistema composto interamente da valvole. Deciderà di standardizzare la struttura del nome dei componenti del suo sistema: <posizione su 4 digit> <abbreviazione inglese su 3 digit> <tipo di elemento da 1 a 6>. Una data valvola avrà quindi un unico nome, ad esempio: 2311VAL4.

Allo stesso modo sarà possibile definire tutti gli altri elementi: - la localizzazione ScoD corrispondente alla valvola - la sezione del programma nel controllore programmabile - i moduli hardware associati del controllore programmabile - ecc...

La standardizzazione è definita, nelle applicazioni PLC e HMI, per tutti gli operatori e gli specialisti dei sistemi di automazione e dei processi. Il progetto segue le regole senza eccezioni. La formazione del personale addetto alla manutenzione può essere effettuata con questi strumenti. Conoscendo il numero di valvole la gestione del progetto è facilitata.

v Generatore di applicazioni Unity Application Generator è un software di progettazione e di analisi funzionale che genera le applicazioni per i PLC e i sistemi di supervisione SCADA (C Fig.25).


A Fig. 26 Modello tipologico

Due task indipendenti consentono di generare il modello fisico e il modello tipologico:

- il modello fisico mostra il processo con una struttura ad albero, come illustrato nella Fig. 25.

- il modello tipologico descrive i componenti hardware del processo di automazione, inclusi i controllori programmabili (PLC), gli I/O, le reti, i PC, ecc..., comme illustrato nella videata della Fig. 26.

b UAG e la norma ISA88 v Norma ISA 88: Organizzazione « avanzata » del Controllo Processo Il “Controllo avanzato” è incentrato sull’algoritmo di base che consente di migliorare i comportamenti dei dispositivi di controllo automatico. Prende inoltre in considerazione le problematiche organizzative ed economiche, arrivando fino a rivedere le apparecchiature, i metodi e i risultati dei processi produttivi.

La norma ANSI/ISA-88 propone dei concetti efficaci per l’organizzazione funzionale delle applicazioni con l’obbiettivo di raggiungere il grado di robustezza che consenta il continuo adattamento dei sistemi oggetto della normativa.

La norma si focalizza su più punti essenziali: - la flessibilità, la riduzione della complessità e dei tempi di sviluppo e il

controllo dei processi - l’approccio basato su oggetti standard riutilizzabili - la separazione della procedura e del processo. - la separazione del controllo del processo e del sistema di

automazione delle apparecchiature.

Informazioni complete su questa norma sono disponibili sul sito http://www.s88.nl.

Unity Application Generator utilizza la terminologia della norma ISA 88 per il controllo batch « Part 1: Models and Terminology ». Adottando la struttura di questa norma, l’utente di UAG ha la possibilità di scomporre le task del suo processo “batch” in conformità con le regole normative, ricomponendo successivamente il processo servendosi di UAG e degli elementi definiti.


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Elaboraziione dei dti 10.6 Definizione delle principali abbreviazioni utilizzate e software

10.6 Definizione delle principali abbreviazioni utilizzate

DCS Distributed Control System

HMI Human Machine Interface

PLC (programmable logic controler) equivalente ad API (controllore programmabile industriale).

SCADA (supervisory control and data acquisition) o software di supervisione sinottica dei processi (vedere paragrafo SCADA).

UAG Unity Application Generator.

MES Manufacturing execution system (abbreviato in MES) è un sistema informatico il cui obiettivo è automatizzare la raccolta in tempo reale dei dati di produzione di una parte o dell’intero stabilimento. I dati raccolti consentiranno successivamente di realizzare un certo numero di attività di analisi:

- tracciabilità, genealogia, - controllo della qualità, - controllo di produzione, - programmazione, - manutenzione preventiva e curativa.

L’ISA ha normalizzato e standardizzato la struttura dei pacchetti applicativi MES.

Spesso un sistema MES si situa tra la parte automazione dello stabilimento e i sistemi ERP di pianificazione delle risorse d’impresa, tipo SAP.

ERP in inglese Enterprise Ressources Planning, acronimo che tradotto in italiano significa “Pianificazione delle risorse d’impresa”. Software per la gestione di tutti i processi di un’impresa e di tutte le funzioni di quest’ultima, quali la gestione delle risorse umane, la gestione contabile e finanziaria, l’aiuto decisionale, oltre alla vendita, alla distribuzione, all’approvvigionamento, al commercio elettronico (e-commerce).

CRM Customer Relationship Management, acronimo che tradotto in italiano significa “Gestione delle relazioni con i clienti (abbreviato GRC); rappresenta un nuovo paradigma nel settore del marketing d’impresa.

Il concetto di CRM ha come obiettivo la creazione e il mantenimento di una relazione reciprocamente vantaggiosa tra un’impresa e i propri clienti in un’ottica di fidelizzazione dei clienti attraverso un’offerta di qualità del servizio che non potranno trovare altrove.

L’immagine spesso utilizzata per illustrare questo concetto è quella della relazione tra un piccolo commerciante e i suoi clienti. La fedeltà di questi ultimi viene ricompensata, poiché il commerciante conosce le loro aspettative ed è in grado di soddisfarle e anticiparle (come il panettiere che vi mette da parte la vostra forma di pane preferita cotta secondo i vostri gusti e vi fa credito).


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11 capitolo Realizzazione Presentazione delle diverse fasi di costruzione di un’apparecchiatura elettrica, delle regole di qualità e delle norme necessarie

Sommario 11. Realizzazione

b 11.1 Progettazione di un’apparecchiatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 262

b 11.2 Scelta di un fornitore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 263

b 11.3 Stesura degli schemi e dei programmi . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 264

b 11.4 Metodologia di programmazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 266

b 11.5 Scelta di una tecnologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 267

b 11.6 Progettazione dell’apparecchiatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 268

b 11.7 Costruzione dell’apparecchiatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 269

b 11.8 Il montaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 272

b 11.9 Aiuto all’installazione degli apparecchi . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 273

b 11.10 Prove su piattaforma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 274

b 11.11 Messa in servizio di un’apparecchiatura . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 277

b 11.12 Manutenzione dell’apparecchiatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 279

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Realizzazione 11.1 Progettazione di un’apparecchiatura

I sistemi di automazione utilizzano dei componenti che facilitano l’installazione, il cablaggio e il collegamento dei componenti di automazione. Questi prodotti devono rispondere ad alcune norme locali e internazionali oltre che a norme specifiche in materia di sicurezza del materiale e di protezione delle persone.

La realizzazione di un’apparecchiatura comprende 3 fasi: - la progettazione (schema, scrittura del programma, scelta del materiale,

studio dell’impianto), - la costruzione (montaggio, cablaggio, verifiche, posa in cassetta o

armadio), - l’installazione (passaggio dei cavi, collegamenti, messa in servizio).

Per realizzare correttamente queste tre fasi, sono necessarie delle riflessioni preliminari per assicurarsi:

- dell’analisi dei potenziali problemi che potrebbero avere un impatto sulla sicurezza e/o disponibilità dell’apparecchiatura (vedere capitolo 7 Sicurezza),

- dell’attuazione di azioni preventive e/o di modifiche dello schema del sistema di automazione inizialmente immaginato,

- della capacità dell’eventuale subappaltatore di rispettare queste esigenze, - della conformità dell’apparecchiatura alle esigenze.

Obiettivo di questo capitolo è presentare le regole di messa in opera dei componenti del sistema di automazione e i prodotti Schneider Electric che facilitano la realizzazione di tali apparecchiature.

Una metodologia e delle regole dell’arte basate sull’esperienza e descritte per ciascuna delle tre fasi consentiranno una realizzazione delle apparecchiature sempre più sicura ed economica.

11.1 Progettazione di un’apparecchiatura

La riuscita nella realizzazione di un automatismo si basa essenzialmente sull'analisi di precise specifiche tecniche.

Gli strumenti utilizzati per la progettazione, il disegno degli schemi, la scelta dei componenti e la loro installazione possono essere diversi a seconda della complessità dell'impianto e delle scelte dei tecnici che realizzano il lavoro. D'altra parte la collaborazione tra un tecnico meccanico, un tecnico elettrico ed un tecnico di automazione può rivelarsi sufficiente quando si tratta di realizzare un automatismo semplice. La realizzazione di apparecchiature per macchine più complesse, quali isole di produzione o comando processo, richiede invece l’intervento di specialisti pluridisciplinali. La realizzazione è strettamente legata alla gestione del progetto che non è tuttavia oggetto di questa guida.

b Le specifiche tecniche È importante che le specifiche tecniche della parte comando contengano tutti gli elementi necessari alla realizzazione del progetto. È strettamente legato alle specifiche tecniche della parte operativa (meccanica e azionatori). Le informazioni in esso contenute servono:

– alla scelta della soluzione da mettere in opera, – alla realizzazione propriamente detta, – alle prove del funzionamento, – alla definizione dei costi e dei calendari previsionali, – di riferimento per la ricezione.

Per facilitare l'espressione delle esigenze dei clienti, si consiglia una composizione tipo delle specifiche tecniche contenente informazioni:

- sulle generalità: presentazione dell'applicazione, norme e consigli, eventuali imposizioni di materiali,

- sulle caratteristiche della rete di alimentazione, ecc... - sull'impiego: disposizione degli organi di comando, tipi d'impiego,

frequenza d'impiego, ecc..., - sulle caratteristiche funzionali: funzioni da realizzare, possibili estensioni,

dialogo uomo-macchina, periferiche, ecc...,.


11.1 Progettazione di un’apparecchiatura 11.2 Scelta di un fornitore

– sulle caratteristiche generali: temperatura, igrometria, vibrazioni, urti, atmosfera corrosiva, polveri, ecc..., – sui software specifici: ad esempio software di aiuto alla diagnostica, la supervisione, i protocolli di comunicazione, ecc..., – sulle regolazioni: tipi, procedure, marcature, – sulle procedure di prova ricezione in loco, – i documenti di accompagnamento. – qualsiasi altra informazione in grado di condizionare la realizzazione dell’apparecchiatura, come, ad esempio, l’imballaggio per il trasporto.

11.2 Scelta di un fornitore

Per la realizzazione di un’apparecchiatura, è nell’interesse del committente scegliere un installatore quadrista certificato ISO 9000.

La scelta di un fornitore certificato permetterà di semplificare il dialogo, limitare i controlli, ottenere un dossier dell’apparecchiatura perfettamente aggiornato, garantire una messa in servizio senza problemi e facilitare le operazioni di manutenzione. In questo modo verrà anche assicurato il controllo dei costi.

b La norma ISO 9000 Le apparecchiature diventano sempre più sofisticate, le tecnologie sempre più avanzate, i vincoli delle normative sempre più rigorosi.

Tutto questo crea difficoltà di controllo nella gestione di tutte le fasi.

Il committente deve avere la certezza che l’apparecchiatura realizzata corrisponda esattamente alle sue specifiche tecniche e al capitolato e che vengano effettivamente prese tutte le precauzioni riguardanti la realizzazione dell’apparecchiatura.

In particolare, gli inevitabili cambiamenti che interverranno nella realizzazione dovranno essere perfettamente compresi ed interpretati dal tecnico quadrista; il personale addetto agli interventi sull’apparecchiatura dovrà avere una formazione adeguata e i prodotti non conformi dovranno essere identificati e isolati.

Vi è quindi un importante e costante rapporto “Cliente - Fornitore”.

Il fornitore deve dimostrare al Cliente la sua competenza e il suo knowhow in materia di qualità dell’offerta e dimostrare il completo controllo dei processi di realizzazione.

Il committente deve essere certo delle capacità di chi gli fornirà il servizio e poter contare su un’organizzazione seria in grado di portare a termine il suo compito nel modo migliore.

Obiettivo della norma ISO 9000 e delle certificazioni di qualità è semplificare la relazione Cliente-Fornitore con una corretta gestione della qualità.

b Quality management: gli aspetti gestionali della qualità Il controllo della qualità precisa l’impegno dell’azienda nel garantire che il il prodotto uscito dai suoi stabilimenti, nel nostro caso l’apparecchio realizzato secondo le specifiche tecniche/capitolato del committente, sia effettivamente conforme alle esigenze.

Il modo in cui l’azienda gestisce i suoi processi produttivi influisce evidentemente sul prodotto finale. La certificazione ISO 9000 garantisce che il fornitore è in grado di offrire con regolarità beni e servizi rispondenti alle esigenze ed aspettative del committente e conformi ai regolamenti applicabili.

La norma internazionale ISO 9000 è costituita dalle norme contrattuali di certificazione della qualità ISO 9001, 9002 e 9003.

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Realizzazione 11.2 Scelta di un fornitore 11.3 Stesura degli schemi e dei programmi

La differenza tra i documenti ISO 9001, ISO 9002 e ISO 9003 dipende semplicemente dal campo di applicazione:

- ISO 9001 è il modello utilizzato quando l’assicurazione della qualità viene applicata nelle diverse fasi che comprendono la progettazione, lo sviluppo, la fabbricazione/produzione, l’installazione e l’assistenza post-vendita;

- ISO 9002 è il modello utilizzato quando l’assicurazione della qualità viene applicata solo alle fasi di fabbricazione/produzione, installazione e assistenza post-vendita;

- ISO 9003 è il modello utilizzato quando l’assicurazione della qualità viene applicata alle fasi di controllo e collaudo finali per garantire che i prodotti e i servizi soddisfino le esigenze specificate.

Il Cliente sceglierà il Fornitore che riterrà più adatto a fornire le prestazioni desiderate. Generalmente è consigliabile valutare imprese in possesso almeno di certificazione di qualità ISO 9002.

11.3 Stesura degli schemi e dei programmi

b Gli schemi di comando e di potenza Gli schemi di comando e di potenza vengono solitamente realizzati con l'aiuto di un software grafico associato a database contenenti simboli grafici o schemi standard.

Gli schemi possono essere: – totalmente realizzati a partire da questi database, – o adattati partendo dallo schema di un'applicazione simile già

esistente. I programmi dei controllori programmabili possono essere sviluppati anche utilizzando software di aiuto alla programmazione.

Le apparecchiature complesse utilizzano nella maggior parte dei casi uno o più controllori programmabili multifunzione.

b Modi di marcia e di arresto I modi di marcia e arresto di un sistema automatizzato sono stati analizzati dall'ADEPA ( Agence Nationale pour le Developpement de la Production Automatisée) e classificati in una guida grafica, la GEMMA (Guide d’Etude des Modes de Marches et d’Arretes). Questa guida, indipendente dalla tecnologia di comando, consente di definire i modi o gli stati di funzionamento del sistema rispettando un vocabolario preciso, i possibili collegamenti tra questi modi o stati, e le condizioni di evoluzione.

La guida GEMMA divide i modi di marcia e di arresto in tre tipi di procedure.

b Le procedure di funzionamento: analisi funzionale È la descrizione analitica del funzionamento della macchina:

- marcia di produzione normale, - marcia di preparazione o marcia di chiusura, - marcia di verifica, - procedure di arresto, - repertorio dei dati di ingressi e uscite, - identificazione delle elaborazioni da effettuare per strutturare la

programmazione di eventuali controllori programmabili.


b Le procedure di guasto Riguardano gli stati di marcia o di arresto consecutivi ad un guasto del sistema:

- arresto di emergenza, - marcia degradata, ecc...

b Sicurezza di funzionamento v Esigenze normative La sicurezza di funzionamento dei sistemi di automazione consiste nella loro capacità a funzionare: – senza pericolo per le persone e per i beni (sicurezza), – senza arresto della produzione collegato ad un funzionamento difettoso (continuità di servizio).

La sicurezza deve essere presa in considerazione dal punto di vista dell'analisi dei rischi, della regolamentazione e delle norme in vigore. Lo studio della sicurezza di funzionamento si basa su una procedura di valutazione dei rischi da applicare in successione: al prodotto, al processo (parti operative e comando) e all'impiego. Per ulteriori dettagli consultare il Dossier Sicurezza delle macchine Vol. 1 e 2 a cura della formazione tecnica Schneider Electric.

La legislazione europea si basa sulla Direttiva Macchine (89/392/CEE) che definisce le esigenze essenziali riguardanti la progettazione e la costruzione delle macchine e degli impianti industriali per la libera circolazione dei beni nella Comunità Europea.

v MAGEC: uno strumento di analisi Uno strumento di analisi quale la MAGEC (Analisi delle modalità di guasto, effetti e analisi di criticità, dall'inglese FMECA - Failure Mode, Effects, and Criticality Analysis) consente, con un procedimento sistematico, di valutare tutti gli aspetti relativi ai guasti studiando le soluzioni appropriate.

L’obiettivo del metodo MAGEC è di valutare l’impatto, o la criticità, delle modalità di guasto dei componenti di un sistema sull’affidabilità, la disponibilità e la sicurezza del sistema stesso. Il procedimento consiste nel censire le modalità di guasto dei componenti valutadone quindi gli effetti sull’insieme delle funzioni di un sistema.

Questo metodo è caldamente consigliato a livello internazionale e viene utilizzato sistematicamente in tutte le industrie a rischio (industria nucleare, spaziale, chimica), con lo scopo di effettuare analisi preventive della sicurezza di funzionamento per prevedere il comportamento al guasto dei sistemi e adottare le contromisure necessarie.

Prima di applicare il metodo MAGEC è necessario conoscere in modo preciso il sistema e le sue caratteristiche generali. Queste informazioni sono generalmente il risultato dell’analisi funzionale, dell’analisi dei rischi ed eventualmente dell’esperienza maturata.

In un secondo tempo è necessario valutare gli effetti dei modi di guasto. Gli effetti delle modalità di guasto di una dato elemento vengono studiati innanzitutto sui componenti direttamente interfacciati con quest’ultimo (effetto locale) e progressivamente (effetti di zona) nei confronti del sistema e del suo ambiente (effetto globale).

È importante notare che quando si analizza un modo di guasto di un dato elemento, si presume che tutti gli altri elementi siano in funzionamento nominale.

Questo metodo di analisi si basa sul principio, ampiamente verificato, della non simultaneità dei guasti.

In un terzo tempo è consigliabile classificare gli effetti dei modi di guasto per livello di criticità, rispetto ad alcuni criteri di sicurezza di funzionamento precedentemente definiti a livello del sistema in funzione degli obiettivi prefissati (affidabilità, sicurezza, ecc...).

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Realizzazione 11.3 Stesura degli schemi e dei programmi 11.4 Metodologia di programmazione

I modi di guasto di un componente sono suddivisi per livello di criticità dei loro effetti e sono, di conseguenza, gerarchizzati.

Questa tipologia permette di identificare gli elementi più critici proponendo quindi le azioni e le procedure necessarie per porvi rimedio. La fase d’interpretazione dei risultati e di stesura dei consigli costituisce l’ultima tappa della procedura MAGEC.

Per limitare queste procedure allo stretto necessario si consiglia di effettuare analisi funzionali. Questo approccio permette di rilevare le funzioni più critiche, limitando quindi la procedura di analisi “fisica” ai soli componenti che realizzano le funzioni critiche.

Il metodo MAGEC fornisce: - un’altra visione del sistema, - dei supporti di riflessione, di decisione e di miglioramento, - delle informazioni da gestire a livello degli studi di sicurezza di

funzionamento e delle azioni da intraprendere.

11.4 Metodologia di programmazione

b Problematica della programmazione Nell’impresa viene utilizzato un numero sempre più grande di software. La diversità delle applicazioni impone un approccio collaborativo a partire dalla progettazione di una nuova unità di produzione.

Un’analisi globale che coinvolga un insieme di attività condurrà alla progettazione, alla scrittura, alla messa a punto e alla realizzazione del software al Cliente.

In generale la progettazione segue 3 grandi fasi: - Fase di analisi (funzionale) o di progettazione. - Specificazione: il quaderno dei carichi è l’approccio tradizionale. - Realizzazione.

v Metodo di analisi e di progettazione Scopo di un metodo di analisi e di progettazione è quello di formalizzare le tappe preliminari di sviluppo di un sistema allo scopo di renderlo conforme alle esigenze del Cliente. Per fare questo si parte dall’esigenza espressa, eventualmente completata da informazioni di esperti nel campo e di realizzazioni simili.

La fase di analisi permette di elencare i risultati ottenuti, in termini di funzionalità, di prestazioni, di robustezza, di manutenzione, di sicurezza, d’estensibilità, ecc...

La fase di progettazione permette di descrivere in modo molto chiaro, nella maggior parte dei casi utilizzando la modellizzazione, il futuro funzionamento del sistema, allo scopo di facilitarne la realizzazione.

La tendenza attuale nel campo dell’automazione è di ricorrere alla programmazione con oggetti, ereditata dall’informatica, che offre numerosi vantaggi: sicurezza di codice, possibilità di riutilizzo, protezione delle informazioni, qualifica e ricezione più rapida.

v Strumenti di programmazione L’evoluzione delle esigenze e l’aumento dei dati da elaborare hanno portato alla creazione di software moderni e produttivi.

Con il termine software si indica un insieme di programmi informatici che consentono di generare i codici controllore.


11.6

Conception de l’équipement

11.4 Metodologia di programmazione 11.5 Scelta di una tecnologia

Generalmente le funzioni offerte da un software di automazione sono: - design generale del progetto, tappe o fasi di realizzazione, - convenzioni di naming dei dati e dei sottoprogrammi, - strutturazione dei dati, - aiuto all’editing di programmi in diversi linguaggi, - compilazione o generazione, - aiuto ai test e controllo delle correzioni, - librerie di oggetti riutilizzabili in più progetti, - documentazione, - gestione delle versioni successive o delle varianti di uno stesso

programma, - aiuto alla messa in servizio.

Un software di automazione facilita la collaborazione tra i diversi programmatori oltre che la manutenzione nel tempo dei programmi.

11.5 Scelta di una tecnologia

Le tecnologie disponibili per la realizzazione di apparecchiature di automazione sono principalmente: elettromeccanica, pneumatica o elettronica (controllori programmabili, micro e mini-computer, schede elettroniche standard o specifiche). Nella realizzazione delle apparecchiature, le reti e i bus di campo acquistano sempre più importanza e condizionano notevolmente la scelta dei materiali.

Per ulteriori informazioni a riguardo, consultare la guida sui Bus di campo a cura della Formazione Schneider Electric o le specifiche tecniche N° CT197.

Si distinguono tre criteri di scelta: - i criteri di fattibilità che eliminano le tecnologie non in grado di

soddisfare il quaderno dei carichi.. - i criteri di ottimizzazione il cui obiettivo è quello di ridurre al minimo il

costo globale durante il ciclo di vita dell'apparecchio (acquisto, realizzazione, messa a punto, flessibilità, immobilizzazione, gestione della produzione, manutenzione, ecc...),

- i criteri economici di fattibilità che consentono di realizzare l’apparecchiatura ottimizzando i costi.

Eventuali procedure e analisi MAGEC preliminari consentiranno di scegliere la tecnologia più adatta.

b Scelta dei componenti Occorre tenere conto di diversi fattori: – temperatura ambiente (eventuale declassamento del materiale), polveri,

vibrazioni, ecc..., – coordinamento degli apparecchi che costituiscono le partenze di

potenza, – selettività tra i dispositivi di protezione fino all'interruttore automatico

generale, – tempo di ciclo macchina desiderato, – numero di cicli di manovre, – categoria d'impiego (AC-1, AC-3, ecc...), – norme (petrolchimica, ENEL, marina, ecc...). 11


Realizzazione 11.6 Progettazione dell’apparecchiatura

11.6 Progettazione dell’apparecchiatura

b Progettazione computerizzata Nel campo della progettazione dei sistemi di automazione, il software fornisce un aiuto considerevole. Oltre alla realizzazione dello schema, accompagna il progettista durante tutto il progetto, a partire dalla registrazione della richiesta del cliente per il preventivo, fino alla messa in servizio e l'aiuto alla manutenzione.

Oltre agli elevati guadagni in termini di produttività ottenuti nella progettazione dei sistemi, questo metodo migliora la qualità degli schemi e dei programmi, facilitando il loro aggiornamento in caso di evoluzione.

Un software CAD propone principalmente:

v Un database di simboli intelligenti Ogni simbolo è dotato di comportamento (master, slave), di una funzione elettrica (sezionamento, commutazione, ecc…), di morsetti di connessione. È collegato ad una famigla di attrezzature (sezionatori, contattori, ecc…) e associato ad un metodo di identificazione. Può ricevere riferimenti variabili proposti dal software o programmati dall'utente.

Questa base garantisce inoltre la coerenza di tutte le informazioni e guida l'utente nella loro programmazione.

Una base hardware contenente le informazioni tecniche e commerciali per facilitare la scelta dei componenti, la stesura delle nomenclature, dei preventivi e degli acqusti.

Schemi standardizzati (definizione unifilare, struttura di automazione, schemi di potenza e di comando, dimensioni d'ingombro, nomenclature, ecc…).

Un archivio di schemi (elementi componibili partenze-motore potenza e comando, movimenti di sollevamento, ecc…).

Consente di rispondere rapidamente ad un a richiesta di offerta (schemi unifilari) e semplifica la realizzazione degli schemi.

v Una gestione delle informazioni proprie ad un impianto elettrico

– collegamenti equipotenziali, – rilevamento dei numeri già esistenti, – controllo dei corto-circuiti, – gestione delle morsettiere, – codifica del materiale, – composizione automatica e controllo dell'unicità dei riferimenti, – riferimenti incrociati, – gestione delle capacità dei contattori ausiliari e dei numeri di morsetti, – aiuto alla determinazione delle dimensioni d'ingombro..

b Determinazione delle dimensioni d’ingombro Per definire le dimensioni d'ingombro di un'apparecchiatura vengono impiegati tre metodi.

v Metodo d’installazione diretta Questo metodo viene utilizzato per le apparecchiature di dimensioni ridotte con montaggio diretto su piastre standard, disponibili presso i costruttori.

Ad esempio, l'installazione degli apparecchi avviene direttamente su una piastra d'installazione che riproduce in scala 1 la trama della piastra perforata Telequick®. Le dimensioni d'ingombro dell'apparecchiatura possono essere così determinate in modo rapido ed economico.


11.6 Progettazione dell’apparecchiatura 11.7 Costruzione dell’apparecchiatura

v Metodo mediante calcolo delle superfici Consente di determinare rapidamente e con precisione le dimensioni d'ingombro dell'apparecchiatura.

Il procedimmento è il seguente: totalizzare le superfici degli apparecchi che costituiscono l'apparecchiatura sono riportate nei cataloghi) e moltiplicare il totale ottenuto per il coefficiente di aumento di volume seguente:

- 2.2 per un totale massimo di 34.2 dm2, - 2.5 per un totale superiore a 34.2 dm2.

Le specifiche tecniche di alcuni clienti richiedono l'applicazione di un coefficiente maggiore per avere uno spazio disponibile per eventuali modifiche.

Il risultato ottenuto indica la superficie totale utile dell'apparecchiatura.

Alcune regole di scelta, fornite dai costruttori come Telemecanique, facilitano la ricerca dei riferimenti delle piastre, montanti, profilati e cassette a partire dalla superficie utile. Queste regole indicano anche la potenza termica che le pareti dell'involucro possono dissipare.

v Metodo computerizzato È adatto ai servizi specializzati nello studio delle apparecchiature di automazione.

Questa funzione di aiuto all'installazione, integrata al software CAD, propone a partire dallo schema e da una base Hardware schemi e illustrazioni delle dimensioni d'ingombro.

v Dossier di produzione La documentazione completa deve essere raccolta prima della messa in produzione. Definisce: – la lista di tutti i documenti, con un sommario, – le cassette: installazione, forature, accessori, ecc... – gli armadi: installazione, schema dei telai, forature, ecc... – i posti di comando: forature, accessori, ecc... – gli schemi elettrici, – i programmi, – la nomenclatura del materiale, – gli schemi con indicazione delle dimensioni d'ingombro.

11.7 Costruzione dell’apparecchiatura

Piastra perforata Telemecanique Telequick®

Numerosi costruttori di materiale elettrico sviluppano degli ausiliari di equipaggiamento per la realizzazione dei loro prodotti. È il caso specifico di Telemecanique che propone il sistema Telequick® (C Fig.1).

Questo sistema raggruppa i prodotti indispensabili per la realizzazione di un'apparecchiatura e per una facile e rapida realizzazione di tutti i componenti di automazione.

Tenuto conto delle loro caratteristiche specifiche, abbiamo classificato i prodotti che li compongono in quattro diverse funzioni per Incassare, Strutturare, Ripartire e Collegare.

b La funzione “incassare” Per proteggere il materiale contro gli urti e le intemperie e per resistere alle più dure condizioni d'impiego incontrabili in ambiente industriale, le apparecchiature devono essere montate in cassette o armadi. Questi involucri devono quindi offrire tutte le funzionalità atte a ridurre i tempi di monatggio e d'intervento.

In base al grado di protezione richiesto, gli involucri rispondono a specifiche normative e a codici IP di classificazione del grado di protezione (IP significa "International Protection").

11

A Fig. 1


Realizzazione 11.7 Costruzione dell’apparecchiatura

A Fig. 2 Armadio AA3 Telemecanique

A Fig. 3 Partenze-motore con il sistema Tego Power e Quickfit di Telemecanique

Il codice IP è descritto dalla pubblicazione 60529 della Commissione Elettrotecnica Internazionale (in Italia CEI EN 60529).

Questo codice permette di descrivere il grado di protezione fornito dagli involucri contro l’accesso a parti pericolose, la penetrazione di corpi solidi estranei e contro gli effetti dannosi dell’acqua per mezzo di cifre e lettere descritte in seguito.

La prima cifra, che va da 0 a 6, indica simultaneamente la protezione delle persone contro l’accesso a parti pericolose e la protezione dei materiali contro la penetrazione dei corpi estranei.

La seconda cifra caratteristica del codice IP, sempre da 0 a 6, indica il grado di protezione contro gli effetti dannosi della penetrazione dell’acqua.

Il codice IP comprende anche alcune lettere supplementari, messe di seguito agli altri caratteri, che aggiungono una informazione particolare.

Il Dossier tecnico n° 7 Involucri e gradi di protezione espone in modo esauriente l’argomento.

Il costruttore dell’apparecchiatura finale ha dunque la responsabilità della conformità alla norma del prodotto finito. Ma il costruttore dell’involucro deve indicare nella sua documentazione dove devono essere montati i componenti all’interno affinché il grado di protezione dichiarato sia mantenuto. Infine, l’installatore che effettua il collegamento del sistema (passaggio dei cavi), lo fissa e in certi casi ne adatta gli ausiliari (pulsanti, apparecchi di misura,.....) deve fare attenzione a mantenere il grado di protezione specificato.

Schneider Electric offre una gamma completa di cassette, armadi (C Fig.2) ed accessori conformi agli indici di protezione IP normalizzati.

b La funzione “strutturare” Per garantire l'associazione meccanica dei componenti tra di loro, esistono gamme di prodotti perfettamente adatti che consentono di montare e di fissare correttamente i componenti di automazione. Questi prodotti montati tra di loro costituiscono la struttura dell'apparecchiatura, e grazie ai diversi modi di montaggio consentono una grande flessibilità d'impiego, una vasta scelta di possibilità di montaggio oltre ad un'economia non trascurabile sulla realizzazione.

b La funzione “ripartire” v Ripartizione dell’alimentazione elettrica Nella realizzazione di apparecchiature, la realizzazione dei prodotti deve unire sicurezza, semplicità, rapidità di montaggio e collegamento. La manutenzione e le eventuali modifiche di queste apparecchiature devono essere facili da realizzare gravando il meno possibile sulla continuità d'impiego dell'impianto.

Per rispondere a questi criteri esistono i ripartitori la cui funzione base consiste nel derivare una corrente principale verso più circuiti secondari. (per ulteriori informazioni, consultare il catalogo generale Schneider Electric).

Alcuni modelli vengono inoltre progettati anche come supporto ai prodotti consentendo quindi eventuali interventi sotto tensione (ad esempio collegamento o scollegamento di una partenza motore).

È il caso, in particolare, della tecnologia Tego Power di Telemecanique (C Fig.3).


10987654321

9 8 7 6 5 4 3 2 1

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A Fig. 4 Interfaccia digitale ABS2

A Fig. 5 Blocco di giunzione Telemecanique

v Ripartizione dei segnali deboli Nei loro cataloghi i diversi costruttori propongono interfacce e sistemi di collegamento per i diversi segnali di comando:

- interfacce per segnali digitali (C Fig.4), - interfacce per segnali analogici, - interfacce per sonde termiche, - interfacce di cablaggio, - componenti periferici di automazione, - interfaccia per bus di campo.

v La funzione “collegare” Questa funzione raggruppa i prodotti necessari al cablaggio e al collegamento delle apparecchiature.

• Le morsettiere (C Fig.5) Sono conformi alle norme UTE e rispondono alle principali omologazioni. Sono realizzate in poliammide a colori che consente il loro impiego a temperature comprese tra -30 e +100°C.

La tenuta al fuoco è conforme alla norma NF C 20-455. Sono siglabili con barrette di caratteri agganciabili e adatte al collegamento di conduttori di sezione massima 240 mm2.

Soddisfano qualsiasi esigenza: – ampia gamma di correnti, da qualche Ampere (circuiti di comando, di

segnalazione, elettronici, ecc...) a diverse centinaia di Ampère (collegamenti potenza),

– blocchi unipolari o multipolari fissi o ad innesto, – collegamenti a vite, a bullone, a clip, saldati o a molla – blocchi per funzioni specifiche come basi portafusibili o per

componenti elettronici, morsetti sezionabili, collegamento del conduttore di protezione, ecc.,

– montaggio su profilati, su piastre perforate o su circuiti stampati.

• I terminali di cablaggio L'impiego di terminali presenta numerosi vantaggi:

- semplificazione del cablaggio; l'aggraffatura della boccola in rame è realizzata automaticamente alla chiusura del collegamento nel morsetto,

- perfetta tenuta alle vibrazioni, - assenza di scorrimento dei cavi flessibili, - risparmio di tempo nelle operazioni di esecuzione e di collegamento, - stesse linguette porta-riferimenti e stessi riferimenti qualunque sia la

sezione dei cavi. Ogni linguetta può ricevere 7 anelli di identificazione (lettere o cifre).

I terminali Telemecanique possiedono inoltre: - un manicotto di colore diverso per ogni sezione, - 3 lunghezze di boccole, a seconda dei modelli,

Sono disponibili terminali precablati: in base alla norma NF C 63-023

- senza portaetichette per sezioni da 0.25 a 6 mm2, - con portaetichette integrati per sezioni da 0.25 a 6 mm2, - con portaetichette estraibili per sezioni da 4 a 50 mm2.

in base alla norma DIN 46228 - manicotto di un altro colore per sezione diversa da quella della norma

francese, - senza portaetichette per sezioni da 0.25 a 50 mm2.

• I supporti e le canaline di cablaggio Il ruolo dei supporti e delle canaline di cablaggio consiste nel canalizzare i cavi per formare reti orizzontali e verticali sullo stesso piano degli apparecchi.

Il cablaggio si effettua interamente dal Iato anteriore, facilitando le riparazioni e le modifiche.


11

Realizzazione 11.7 Costruzione dell’apparecchiatura 11.8 Il montaggio

A Fig. 6 Canalina Telemecanique

Sono realizzati in PVC e la loro caratteristica principale è quella di non avere alcuna parte metallica a contatto con i conduttori che racchiudono.

• Le canaline (C Fig.6) Possiedono feritoie laterali di sbocco e dei fori sul fondo. Si fissano verticalmente o orizzontalmente su piedini di supporto dotati di un dispositivo di fissaggio un quarto di giro. Questi piedi di supporto sono agganciabili sui profilati combinati o omega da 35 mm, oltre che sulle piastre forate. Sono disponibili diverse dimensioni di canaline che possono ricevere fino a 700 cavi da 1,5 mm 2. Un coperchio di chiusura si incastra sulle canaline. Le canaline e i supporti utilizzano lo stesso portaetichette.

11.8 Il montaggio

I componenti di automazione e di distribuzione sono progettati per essere montati su strutture o telai. Scopo di questo paragrafo è ricordare alcune definizioni, segnalare alcune "finezze" o "regole d'arte" e attirare l'attenzione sulle precauzioni da prendere durante il montaggio degli apparecchi.

b Telaio È un insieme costituito da due montanti verticali perforati, zigrinati o meno.

Il montaggio dell'apparecchiatura, a seconda del metodo di fissaggio, si effettua mediante aggancio o avvitamento su: -profilati orizzontali, -piastre perforate, -piastre piene, -un misto composto da profilati e piastre.

In base alle dimensioni dei profilati o delle piastre e soprattutto al peso dell'apparecchiatura, si consiglia di utilizzare:

-profilati combinati o omega da 35 mm, -profilati omega da 75 mm, -montanti a "C" utilizzati come supporti di apparecchi al posto dei profilati orizzontali, -piastre perforate dotate, sul Iato posteriore, di un profilato orizzontale utilzzato come rinforzo.

I telai sono in genere montati in cassette o armadi monoblocco.

b Struttura È un insieme costituito da uno o più telai sovrapposti o affiancati, fissato al suolo da un dispositivo traversa/piede di struttura o fissato al muro dall'alto mediante montanti. Una struttura può anche essere installata in un armadio componibile dotato sulla parte superiore di un sistema di sbarre orizzontale per alimentare ciascuno dei telai.

b Apparecchi su porta o piastra

Alcuni dispositivi di comando o di visualizzazione sono montati sulle porte delle cassette o su piastre. Per preservare l'ergonomia degli apparecchi, la loro disposizione deve rispettare alcune regole che dipendono dal loro tipo (comando o visualizzazione) e dall'altezza dal suolo.


KM2

KM1

KM3

KM2

11.8 Il montaggio 11.9 Aiuto all’installazione degli apparecchi

Questa disposizione deve tener conto del numero di accessori da installare: -pochi accessori: ripartizione sull'asse orizzontale della zona interessata, -numerosi accessori: ripartizione sull'insieme della zona interessata.

Alcune porte e piastre comprendono rinforzi o accessori interni che limitano le possibilità d'installazione. Inoltre è necessario verificare la profondità degli elementi disposti sulla porta rispetto a quelli montati su telaio e tener conto del loro peso.

A Fig. 7a Fissaggio dei prodotti su guida 35 mm b Fissaggio degli apparecchi Per il fissaggio e il montaggio dell'apparecchiatura su telai o strutture conviene in genere adottare il seguente principio: tutti i fissaggi degli apparecchi devono poter essere effettuati dal Iato anteriore. Nella maggior parte dei casi, infatti, le apparecchiature si presentano in cassetta o in armadio, ed è evidente che le modifiche o le aggiunte di altri apparecchi risulteranno più facili se i fissaggi sono accessibili dal Iato anteriore.

Le Fig. 7a e 7b mostrano due esempi di montaggio degli apparecchi.

A Fig. 7b Fissaggio dei prodotti su piastra perforata 8

11.9 Aiuto all’installazione degli apparecchi

Per facilitare il lavoro degli installatori e rispettare i gradi di protezione Schneider Electric mette a disposizione software e prodotti specifici che consentono di integrare facilmente pulsanti e interfacce di dialogo uomo/macchina (gamma Tego Dial).

Il software facilita la definizione dell’ergonomia, mentre i kit di montaggio e fissaggio consentono di ridurre notevolmente i tempi di studio e di realizzazione.

b Il cablaggio Il metodo di cablaggio detto "a schema dei circuiti, rappresentazione sviluppata", si basa sull'impiego sistematico delle siglature dei morsetti degli apparecchi riportate sullo schema dei circuiti. È applicabile al cablaggio dei circuiti di potenza e di comando di tutte le apparecchiature a base di contattori, qualunque sia la loro complessità.

Questo metodo di collegamento si traduce per l'utente in un guadagno di tempo.

Lo schema dei circuiti è caratterizzato da: – rapidità di esecuzione: guadagno di tempo nella progettazione, – chiarezza: semplice raffigurazione dei circuiti elettrici, 11 – facile interpretazione: cablaggio intuitivo, – efficacia nell'impiego: facilità di comprensione, ricerche, modifiche o riparazioni. Può essere accompagnato da uno schema di disposizione o installazione del materiale che facilita la localizzazione degli elementi. Può essere inoltre completato da uno schema dei collegamenti esterni.


Realizzazione 11.9 Aiuto all’installazione degli apparecchi 11.10 Prove su piattaforma

b Come realizzare il cablaggio con l’aiuto dello schema dei circuiti Qualunque sia il circuito di potenza o il circuito di comando, chi effettua il cablaggio legge il riferimento dei morsetti dell'apparecchio sullo schema dei circuiti ed esegue i collegamenti di sezione appropriata tra i riferimenti corrispondenti sull'apparecchiatura.

Ad esempio, saranno collegati: - il morsetto 2 del sezionatore Q1 e il morsetto 1 del fusibile F1, - il morsetto 22 del contatto KM3 e il morsetto 57 del contatto KA1.

11.10 Prove su piattaforma

Lo scopo delle prove su piattaforma è quello di correggere gli eventuali errori commessi durante la costruzione dell'apparecchiatura e di effettuare le regolazioni preliminari alla messa in servizio. È quindi necessario verificare che:

– il materiale sia quello previsto sugli schemi e che sia stato correttamente montato,

– il collegamento sia conforme agli schemi, – il funzionamento corrisponda alle esigenze delle specifiche tecniche.

Alcune di queste verifiche devono essere effettuate con l'apparecchiatura sotto tensione. È quindi obbligatorio rispettare i seguenti punti:

– le prove su piattaforma devono sempre essere effettuate da personale qualificato e abilitato ad intervenire sul materiale elettrico sotto tensione, – devono essere prese tutte le precauzioni d'impiego per garantire la sicurezza delle persone, conformemente alla normativa in vigore.

b Controllo di conformità del materiale Questo controllo corrisponde ad un esame dell'aspetto fisico dell'apparecchiatura e consiste nel verificare che:

– siano presenti i documenti contrattuali (schema, nomenclatura, installazione, ecc...) ,

– il materiale montato sul telaio sia quello indicato sui documenti, – la disposizione e il montaggio del materiale siano quelli riportati sui

documenti, – il materiale non abbia subito deterioramento meccanico, – i riferimenti dei diversi elementi siano riportati sugli apparecchi,

e gli elementi montati sulle porte abbiano le apposite etichette di identificazione,

– la tensione di ciascun apparecchio corrisponda alla tensione d'impiego, – le lampadine dei LED siano installate e corrispondano alla tensione

d'impiego, – il calibro degli apparecchi corrisponda a quello indicato sugli schemi, – il calibro e il tipo di fusibili sia conforme (in regola generale, i fusibili

standard sono installati dal piattaformista), – le morsettiere abbiano i riferimenti corretti, siano montate e siano di

sezione sufficiente a consentire un facile collegamento del cablaggio esterno. In particolare è necessario verificare il buon isolamento dei morsetti di massa rispetto ai morsetti vicini (corretta posizione delle pareti isolanti),

– le distanze tra morsetti, apparecchi e masse, così come i perimetri di sicurezza, siano rispettati,

– le caratteristiche dei diversi componenti siano conformi al loro impiego,

– le regole di costruzione o le specifiche realtive al comando siano rispettate.

Una prova del controllo, su uno specifico documento o anche sullo schema d'installazione, vistato dall'operatore, dovrà provare che l'operazione è stata realmente effettuata.


b Controllo del serraggio dei collegamenti e regolazioni preliminari

Prima di procedere alla prova elettrica dell'apparecchiatura, è necessario assicurarsi che tuttti i collegamenti comando e potenza siano perfettamente chiusi. Questa operazione è importante poichè un collegamento mal chiuso può provocare diversi incidenti: riscaldamento anomalo, caduta di tensione, corto-circuito.

L'operatore può in seguito regolare il valore della corrente di sgancio dei relè di protezione termica visualizzando, sul quadro di regolazione di ciascuno di essi, la corrente indicata sullo schema, a fianco della potenza dei motori.

b Controllo d’isolamento La qualità dell’isolamento di un dispositivo si misura in megaohm (= 106 Ω) mediante un megaohmetro.

L'isolamento viene misurato: – tra due conduttori isolati uno dall'altro, – o tra un conduttore isolato dalla terra e dalle masse da una parte e le masse messe a terra dall'altra.

Con gli apparecchi e i circuiti sensibili scollegati si verifica l'isolamento del collegamento di ogni circuito tra i morsetti da una parte e tra i morsetti e la terra di protezione dall'altra. Si verifica inoltre l'isolamento dei conduttori dai dispositivi di interruzione, da una parte e dall'altra di questi ultimi.

La tabella della Fig. 8 indica i valori di tensione da utilizzare per la misura dell'isolamento e il valore della resistenza d'isolamento da ottenere.

Tensione nominale del circuito

Tensione continua prova d’isolamento

Resistenze d’isolamento in MΩ

< 48 V 250 V Superiore o pari a 0.25

Tensione compresa

tra 48 e 500 V 500 V Superiore o pari a 0.5

Tensione superiore a 500 V 1 000 V Superiore o pari a 1

A Fig. 8 Tensione prova d’isolamento

b Prove dielettriche Si tratta di una prova che consente di verificare la rigidità dielettrica dell'insieme dell'apparecchiatura ad una tensione alternata definita in funzione della tensione nominale d'isolamento del circuito.

La rigidità dielettrica si esprime con la resistenza ad una tensione di prova applicata tra i conduttori attivi e la massa del telaio. La prova viene considerata soddisfacente quando non si verificano perforazioni né aloni.

L'apparecchio utilizzato è un ponte di perforazione che emette una tensione alternata di valore regolabile ad una frequenza compresa tra 45 e 55 Hz. Questo apparecchio può fornire una tensione elevata ad una corrente molto bassa.

Al momento della sua applicazione, la tensione di prova non deve superare il 50% del valore indicato nella tabella riportata nella Fig. 9.

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Tensione nominale d’isolamento

Tensione prova dielettrica (tensione efficace)

< = 60 V 1 000 V

Tensione compresa tra 61 e 300 V 2 000 V

Tensione compresa tra 301 e 660 V 2 500 V

A Fig. 9 Tensione prova dielettrica


Realizzazione 11.10 Prove su piattaforma

Viene poi aumentata progressivamente fino a raggiungere in qualche secondo il valore specificato. Questa tensione viene poi mantenuta per un minuto.

Quando l'apparecchiatura comprende apparecchi a base elettronica, le prove dielettriche non possono essere effettuate a posteriori.

Per evitare distruzioni, queste prove devono essere realizzate sia per il montaggio che per il cablaggio.

b Verifica del circuito di potenza Questa verifica, che si effettua con l'apparecchiatura fuori tensione, consente di assicurarsi che il collegamento potenza sia conforme allo schema.

Nella maggior parte dei casi, dal momento che l'operatore non dispone di motori, viene effettuata mediante una spia-test.

b Verifica del circuito di comando v Controllo cavo per cavo Lo scopo di questa verifica, che generalmente viene effettuata con l'apparecchiatura sotto tensione, è quello di assicurarsi che il cablaggio del circuito di comando sia conforme allo schema. Consente inoltre di controllare il corretto funzionamento degli apparecchi.

Per procedere alle prove in completa sicurezza, è indispensabile separare totalmente, per tutta la durata delle prove, il circuito di potenza dal circuito di comando. D'altra parte, si consiglia di isolare gli insiemi elettronici, come i variatori di velocità e i controllori programmabili, in modo da evitare l'iniezione di tensioni in grado di generare distruzioni parziali o totali.

La verifica del cablaggio si effettua "linea per linea". Deve essere controllata l'azione di ogni contatto, compresa quella dei contatti esterni mediante corto-circuito dei morsetti corrispondenti.

Devono essere inoltre verficate le continuità delle masse.

In caso di apparecchiature di piccole dimensioni, il controllo cavo per cavo può essere effettuato fuori tensione, con una spiatest o un ohmmetro.

v Prova d’insieme La prova d'insieme consiste nel simulare tutte le fasi di funzionamento della macchina o del processo, nell'ordine in cui si devono realizzare, e nel controllare gli asservimenti e le sicurezze.

È necessario prevedere un'alimentazione di potenza sufficiente e realizzare gli intercollegamenti e i collegamenti su piastre di prova che sostituiscono gli ausiliari di controllo esterni con interruttori, pulsanti, ecc...

Lo scopo della prova d'insieme è quello di assicurarsi che il funzionamento dell'apparecchiatura sia quello descritto nelle specifiche tecniche.

Consente inoltre di verificare le incidenze di una manovra errata nel comando della macchina o del processo, del deterioramento dell'elemento esterno (finecorsa, rilevatore, ecc...).

I programmi sono caricati nei controllori programmabili e testati nel modo più completo possibile simulando gli ingressi ON/OFF con contatti e gli ingressi analogici mediante dei segnali. Questa simulazione consente di correggere gli eventuali errori di programmazione e di ridurre notevolmente i tempi di messa in servizio.

Per le apparecchiature con variatori di velocità elettronici, la simulazione deve essere completata da una prova dinamica con i motori dell'impianto, o, in mancanza di questi, con un motore di prova con caratteristiche simili.


11.10 Prove su piattaforma 11.11 Messa in servizio di un’apparecchiatura

Si consiglia di redigere un verbale o un rapporto di prova riportando le regolazioni (valori) e le modifiche effettuate (programmi e hardware), indicando in modo preciso gli elementi che non è stato possibile verificare o che sono stati verificati solo parzialmente.

Questo documento faciliterà il lavoro nella fase di messa in servizio.

Schemi, tabulati e nomenclature verranno modificati per rispecchiare esattamente l’apparecchio che verrà messo in servizio.

Prima della spedizione i collegamenti di armadi e cassette vengono smontati. Se necessario sotto gli elementi pesanti verranno posti degli spessori per evitare qualsiasi rischio di deformazione delle strutture o degli armadi durante il trasporto.

La parte inferiore degli armadi verrà pulita accuratamente per evitare la penetrazione all’interno dell’apparecchiatura di qualsiasi corpo estraneo (rondella, filo, ecc...) .

11.11 Messa in servizio di un’apparecchiatura

Prima della spedizione tutti gli apparecchi in uscita dalla fabbrica vengono collaudati da specialisti, quindi regolati o tarati con la massima precisione.

Si devono evitare modifiche della regolazione, tranne che per i relè di protezione e i contatti ausiliari temporizzati la cui regolazione può essere effettuata in loco in base alle condizioni di funzionamento.

Come per le prove su piattaforma, la messa in opera di un'apparecchiatura in loco comporta lavori effettuati sotto tensione. Si devono quindi applicare le stesse regole: intervento di personale qualificato e abilitato, nel rispetto della regolamentazione in materia di sicurezza.

b Installazione v Alla consegna dell’apparecchiatura È necessario verificare:

– che gli involucri non abbiano subito colpi, – che la parte mobile dei contattori a rotazione non sia stata deformata

o spostata, – che un corpo estraneo non si sia introdotto nell'intraferro del circuito

magnetico o tra i contatti o tra i morsetti, – che la parte mobile dei contattori e dei sezionatori, così come i

dispositivi di sganciamento dei relè di protezione, funzionino liberamente, – l'efficacia dei dispositivi di chiusura (cassette, armadi), – la tenuta stagna delle guarnizioni (per i prodotti a tenuta stagna), – il buono stato degli ausiliari di comando, di segnalazione e degli

apparecchi di misura montati sulle porte, – la presenza degli schemi aggiornati, delle istruzioni di messa in

servizio, dei manuali degli apparecchi ed eventualmente la presenza del verbale delle prove su piattaforma.

Prima del collegamento dei conduttori esterni: – verificare la tensione e la frequenza della o delle reti di alimentazione

dei circuiti di potenza e di comando, – verificare che il tipo e il calibro dei fusibili e dei relè di protezione

siano adatti ai ricevitori da proteggere. v Fissaggio e collegamento dell’apparecchiatura

- Determinare la sezione dei cavi di collegamento in funzione della corrente consumata dalle macchine comandate. Per limitare le cadute di tensione, aumentare la sezione dei fili e dei cavi che alimentano i circuiti di comando e di potenza in caso di lunghezza elevata della linea o di comando effettuato a bassissima tensione.

- Sugli insiemi dotati di pressacavi, la guaina dei conduttori dovrà essere infilata nell'anello di gomma del pressacavo. Il serraggio di quest'ultimo deve immobilizzare completamente il cavo.

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Realizzazione 11.11 Messa in servizio di un’apparecchiatura

- Effettuare i collegamenti esterni seguendo scrupolosamente lo schema.

- Rispettare le regole d'installazione in vigore. A tal fine sulle cassette, sugli armadi e sugli ausiliari di comando è previsto un morsetto con riferimento di identificazione per il collegamento delle masse al conduttore esterno di protezione.

- Si consiglia, sugli apparecchi utilizzati in ambienti particolarmente corrosivi o tropicali, di passare uno strato di vernice isolante sui morsetti dopo il collegamento.

v Regolazione dei relè termici di protezione Le tacche del quadro in Ampere corrispondono alla corrente consumata dal motore. La regolazione si ottiene visualizzando, a fianco all'indice, il valore indicato sul quadro e corrispondente alla corrente consumata (leggere sulla piastra segnaletica del motore la corrente di pieno carico corrispondente alla tensione della rete).

Nel caso di un avviatore stella-triangolo, quando il relè è collegato direttamente in serie con gli avvolgimenti del motore il valore di regolazione deve corrispondere a I / 3, I dal momento che la corrente viene consumata dal motore.

Poichè i relè termici di protezione sono compensati, non è necessaria alcuna correzione della regolazione in funzione della temperatura ambiente, nei limiti indicati sulle schede tecniche.

Generalmente le regolazioni vengono effettuate su piattaforma e quindi riportate nel rapporto di prova.

Dopo aver effettuato il collegamento della linea di alimentazione e quello di tutti i circuiti esterni di potenza e di comando, è possible procedere alle prove d’insieme dell’apparecchiatura. Queste prove si effettuano in due tempi:

b Prova a vuoto Il suo scopo è quello di verificare che tutti i collegamenti (ausiliari di comando e di segnalazione, sensori, interruttori di sicurezza, ecc...) siano stati correttamente effettuati e siano conformi allo schema. Per realizzare questa prova è necessario impedire l'alimentazione di tutti i ricevitori:

- sollevando dalle loro basi i fusibili che proteggono il circuito di potenza,

- alimentando solo la parte controllo, lasciando fuori tensione la parte potenza.

Con il circuito di comando alimentato in questo modo, l'azionamento dell'ausiliario di comando avviamento deve generare la chiusura del o dei contattori asserviti, così come, sulle appareccchiature più complesse, l'avviamento del ciclo automatico. A questo stadio, si consiglia di manovrare manualmente gli apparecchi esterni (in particolare le sicurezze), o di simulare il loro funzionamento, provocando quindi volontariamente e sistematicamente tutte le anomalie di comando e di funzionamento per verificare l'efficacia dei circuiti di comando, di asservimento, di sicurezza e di segnalazione.

b Prova in carico Con il circuito potenza alimentato, si effettua una prova d'insieme in carico per controllare l'esattezza del collegamento e il funzionamento dei diversi ricevitori. Questa prova può essere completata da una serie di test per verificare che l'apparecchiatura automatica garantisca lo svolgimento delle diverse funzioni meccaniche dell'impianto.

Il know-how dell’addetto alla messa in servizio, completato dagli elementi del dossier dell’apparecchio (elenchi degli automatismi, guida alla messa in servizio, manuale istruzioni, ecc...) consentirà una corretta messa in servizio dell’apparecchiatura.


11.11 Messa in servizio di un’apparecchiatura 11.12 Manutenzione dell’apparecchiatura

b Riparazione Data la varietà delle apparecchiature di automazione, non è possibile definire una procedura di riparazione comune a tutti gli schemi.

Per garantire un intervento efficace sono indispensabili esperienza e buona conoscenza dell’apparecchiatura e delle funzioni da realizzare.

Conoscere le procedure MAGEC realizzate in fase di progettazione potrebbe essere utile nella ricerca dei guasti.

11.12 Manutenzione dell’apparecchiatura

Nella fase di progettazione dell’apparecchiatura le procedure MAGEC avranno permesso di definire le operazioni di manutenzione e la loro periodicità:

- sostituzione delle spazzole dei motori a collettore, - pulizia dei filtri, - sostituzione delle parti usurabili, - alimentazione dei materiali di consumo, - ecc...

I dispositivi elettronici ed elettromagnetici non richiedono praticamente alcuna manutenzione. Ci preme tuttavia precisare alcuni punti importanti.

v L’elettromagnete del contattore Se il circuito magnetico è rumoroso, controllare:

– la tensione della rete d'alimentazione. Un elettromagnete vibra quando è alimentato ad una tensione alternata inferiore a quella per la quale è stato previsto,

– che nessun corpo estraneo si sia introdotto nelle parti fissa e mobile del circuito magnetico,

– la pulizia delle superfici rettificate. Queste non devono mai essere verniciate, raschiate o levigate.

Se sono particolarmente sporche, pulirle con benzina o un prodotto sgrassante appropriato.

v La bobina del contattore Se è necessario sostituire una bobina (in caso di cambiamento di tensione del circuito di comando ad esempio), la nuova bobina deve essere definita in funzione della tensione reale di alimentazione del circuito di comando. Questa consente quindi:

– la chiusura del contattore quando la tensione raggiunge l'85 % del suo valore nominale,

– l'apertura del contattore quando la tensione diventa inferiore al 65 % del suo valore nominale,

– di sopportare permanentemente una tensione corrispondente al 110 % del valore nominale.

Il deterioramento di una bobina può essere provocato: – dalla chiusura incompleta del circuito magnetico, in seguito ad un incidente meccanico o ad una tensione del circuito di comando inferiore all'85 % del valore nominale. Questo genera a corrente alternata la diminuzione della riluttanza del circuito magnetico e a corrente continua l'inefficacia del sistema di riduzione dei consumi il cui contatto non si è aperto. Ne consegue anche un'insufficiente pressione sui poli che si scaldano in modo anomalo e che possono saldarsi se la corrente che passa è quella consumata da un motore all'avviamento. – da un circuito di comando non adatto, – da una tensione d'alimentazione superiore al 110 % del valore nominale.

In ogni caso la bobina si deteriora perchè l'energia dissipata per effetto Joule è superiore a quella normale. Per evitare simili incidenti, è necessario utilizzare bobine adatte alla tensione misurata ai morsetti di alimentazione delle apparecchiature.

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Realizzazione 11.12 Manutenzione dell’apparecchiatura

v I poli del contattore La conoscenza della potenza controllata e della categoria d'impiego (ad esempio interruzione di motori a gabbia avviati) consente di determinare la durata elettrica dei contatti di un contattore dato o di sceglierlo in funzione del numero di manovre programmato.

v Contattore monoblocco I poli di un contattore monoblocco non richiedono manutenzione.

Ad esempio, in categoria AC-3, un contattore che alimenta il motore di un compressore avviato 6 volte all'ora per 24 ore al giorno avrà una durata di: 2500000 = 17360 giorni, cioè circa 50 anni senza manutenzione.

Dopo aver effettuato numerose interruzioni i contatti possono sembrare usurati.

Solo la verifica periodica della quota di compressione o il controllo, su alcuni calibri, dell'indicatore di usura generale consentono di valutare il grado di usura.

Durante il periodo d'impiego non procedere mai a regolazioni della quota di compressione. Quando questa è compresa tra il 20 e 50 % della quota iniziale, è necessario cambiare i contatti.

In seguito a questa operazione: – è necessario allineare i contatti rispettando la quota iniziale di compressione, – si consiglia la pulizia laterale mediante raschiamento delle camere

di soffiaggio, – è indispensabile verificare la coppia di serraggio delle viti.

v I contatti ausiliari del contattore Non è necessaria alcuna manutenzione, né regolazione, tranne per quanto concerne la durata della temporizzazione sui contatti ausiliari temporizzati.

v I relè termici Nessuna manutenzione. L'unico eventuale intervento riguarda la regolazione del valore della corrente di sganciamento che deve dipendere dalla corrente consumata dal ricevitore.

v Le cassette Ingrassare periodicamente le cerniere e i dispositivi di chiusura.

Sulle cassette e sugli armadi stagni, verificare l'efficacia dei dispositivi di tenuta stagna (guarnizioni, pressacavo, morsettiera).

Utilizzare un aspiratore per pulire, eliminare l'aria compressa.

v Radiatori degli apparecchi elettronici Gli apparecchi che utilizzano componenti elettronici di potenza, sono dotati di radiatori, molto spesso con ventilazione forzata.

A seconda dell’ambiente in cui è installato l’apparecchio e delle polveri presenti nell’atmosfera, si consiglia di pulire periodicamente le alette per evitare il loro intasamento.

b Regole di manutenzione essenziali Per evitare incidenti, arresti di funzionamento e facilitare il controllo della macchina, e assolutamente necessario evitare di:

- lasciare aperti un armadio o una cassetta senza motivo, soprattutto in ambienti polverosi,

- levigare o ingrassare i contatti, - utilizzare dei solventi, - modificare un pezzo o sostituirlo con un pezzo di ricambio non adatto,


- riarmare un relè di protezione senza aver ricercato ed eliminato la causa dello sganciamento,

- sostituire un fusibile e rimettere sotto tensione l'apparecchiatura senza aver eliminato il difetto,

- dimenticare di tenere sempre aggiornata la documentazione anche in caso di una minima variazione dell’apparecchiatura o della programmazione.

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282

12 capitolo Eco-progettazione Il rispetto dell’ambiente è un approccio globale che interessa l’intero ciclo di vita di un prodotto, dalla scelta dei materiali in fase di progettazione, alla valutazione dei consumi energetici, al riciclaggio dei componenti a fine vita

Sommario 12. Eco-progettazione

b 12.1 Prefazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 284

b 12.2 I concetti e le direttive principali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 285

b 12.3 Le norme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 286

b 12.4 L’eco progettazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 287

b 12.5 La durata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 287

b 12.6 Regole principali dell’eco progettazione . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 288


b 12.8 Applicazioni. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 291

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Eco-progettazione 12.1 Prefazione

12.1 Prefazione

A Fig. 1 Parametri di progettazione

L’eco-progettazione è la considerazione dei fattori ambientali nella progettazione e nello sviluppo di prodotti e servizi. L’eco-progettazione è inserita al pari di altri importanti requisiti che solitamente si considerano nei processi di progettazione (aspettativa dei clienti, controllo dei costi, fattibilità tecnica, ecc...) (C Fig.1).

Questo procedimento interessa diversi tipi di soggetti economici: fornitori, produttori, distributori, consumatori e acquirenti pubblici e privati desiderosi di proporre o di scegliere, a parità di servizio, prodotti più efficienti in una dimensione economica così come in quella ambientale.

Situandosi a monte delle decisioni, l’eco-progettazione è un procedimento preventivo caratterizzato da una visione globale: è un approccio ambientale multicriteria (acqua, aria, suolo, rumore, rifiuti, energia, materie prime, ecc...) che prende in considerazione l’intero ciclo di vita di un prodotto: estrazione delle materie prime, produzione, distribuzione, utilizzo e trattamento a fine vita (disassemblaggio, riciclabilità). Tutti i differenti impatti ambientali che possono essere generati dal prodotto lungo il suo ciclo di vita sono valutati in modo da evitare lo scambio tra le diverse categorie d’impatto: questa caratteristica dell’eco-progettazione costituisce in qualche modo la sua firma.

Quanto sopra è estratto della definizione di eco-progettazione dell’Ademe, organizzazione pubblica francese impegnata nella salvaguardia dell’ambiente e nel controllo energetico.

In questa guida proponiamo una metodologia generale di eco-progettazione, utilizzabile per qualsiasi nuovo sviluppo di prodotti/servizi, oltre che per qualunque evoluzione di prodotti esistenti.

b Introduzione La missione di Schneider Electric è di agire come impresa responsabile nei confronti dell’ambiente. A livello di prodotti/servizi questo approccio si traduce necessariamente con la scelta dell’eco-progettazione nello sviluppo di nuovi prodotti così come nella riprogettazione e nel miglioramento di prodotti esistenti, al fine di ridurre l’impatto sull’ambiente per l’intero ciclo di vita dei prodotti.

Per raggiungere questo obiettivo in questa guida ci è sembrato utile: - ricordare la politica ambientale di Schneider Electric, il cui scopo

principale è quello di promuovere il rispetto di tutte le risorse naturali e di migliorare in modo dinamico e costante le condizioni di un ambiente pulito per la soddisfazione di tutti;

- dare un rapido sguardo alle principali normative europee con le quali dovremo confrontarci per poterle anticipare;

- fornire al progettista una metodologia che possa aiutarlo nell’ecoprogettazione di prodotti/servizi;

- fornire un panorama degli strumenti informatici offerti da Schneider Electric (software EIME) per aiutare i progettisti nell’approccio di eco-progettazione.

b La politica ambientale di Schneider Electric Per Schneider Electric il fatto di agire come impresa responsabile nei confronti dell’ambiente e ancor di più della società contribuisce al miglioramento delle prestazioni, favorendo decisioni mirate a lungo termine, oltre che l’adesione di tutti i soggetti interessati: collaboratori, clienti, fornitori, azionisti.


12.1 Prefazione 12.2 I concetti e le direttive principali

Schneider Electric vuole quindi essere identificata, in tutti i Paesi in cui è presente, come un’impresa “socialmente responsabile”; questo implica, tra l’altro, il rispetto di una politica ambientale dinamica ed ambiziosa, i cui elementi fondamentali sono i seguenti:

• Integrare la protezione dell’ambiente nella gestione - Prendendo le disposizioni necessarie affinché il rispetto dell’ambiente

sia, all’interno di Schneider Electric, una parte integrante della cultura aziendale e un approccio naturale in tutte le attività.

- Incentivando la politica di protezione ambientale all’interno dell’azienda, attraverso azioni di sensibilizzazione, formazione e comunicazione conformi alla politica ambientale di Schneider Electric.

- Fornendo a Clienti, fornitori e partner, un’informazione precisa e puntuale.

• Garantire uno sviluppo industriale sostenibile nel rispetto dell’ambiente

- Riducendo, con un procedimento dinamico e costante, l’impatto dei prodotti/servizi sull’ambiente, per l’intero ciclo di vita del prodotto/servizio.

- Sviluppando nuovi prodotti/servizi e processi di fabbricazione più rispettosi dell’ambiente, con un’attenzione particolare all’anticipazione.

- Utilizzando nuove tecniche che consentano di meglio preservare le risorse naturali e di controllare i consumi energetici dei prodotti.

- Dedicando particolare attenzione alla riciclabilità dei prodotti a partire dalla fase di progettazione.

- Conformandosi alle direttive in vigore o addirittura anticipando la loro uscita.

• Ottenere la certificazione ambientale ISO 14001 per tutti i siti industriali Schneider Electric

- Basandosi su un sistema di gestione ambientale fondato sullo standard internazionale ISO 14001.

- Costruendo e gestendo i siti industriali Schneider Electric in linea con l’immagine locale dell’azienda, in conformità con le normative in vigore, spingendosi eventualmente anche oltre. Eliminando o riducendo i rifiuti e investendo nella loro valorizzazione.

- Migliorando in modo continuo gli attuali processi di fabbricazione per ottimizzare il loro impatto sull’ambiente.

12.2 I concetti e le direttive principali

b I concetti principali

v Il concetto dello “Sviluppo sostenibile” (Sustainable development) costituisce dal 1987 un riferimento indiscutibile in materia di rispetto ambientale. Per sviluppo sostenibile si intende uno sviluppo che soddisfa i bisogni i attuali senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare i propri bisogni.

v Il Sesto programma comunitario di azione per l’ambiente dell’Unione Europea con cui l'Unione europea (UE) definisce le priorità e gli obiettivi della politica ambientale europea fino al 2010 e oltre, descrivendo in modo particolareggiato i provvedimenti da adottare per contribuire alla realizzazione della strategia in materia di sviluppo sostenibile da essa elaborata. I principi su cui si basa sono i seguenti: principio di precauzione, di prevenzione dei problemi d’inquinamento alla fonte, di priorità alle misure preventive e “principio dell’inquinatore pagante” (Trattato di Amsterdam).

12


Eco-progettazione 12.2 I concetti e le principali direttive 12.3 Le norme

v La strategia della politica integrata dei prodotti (Integrated Product Policy - IPP) priorità del Sesto programma comunitario di azione per l’ambiente si impernia sulle tre tappe del processo decisionale che condizionano l'impatto ambientale del ciclo di vita dei prodotti, cioè l'applicazione del principio "chi inquina paga" la determinazione dei prezzi dei prodotti, la scelta consapevole dei consumatori e la progettazione ecologica dei prodotti.

b Le direttive principali Le principali direttive che si basano su questi concetti e che sono in corso di discussione a livello di Comunità Europea, sono le seguenti:

v La direttiva EUP (Energy Using Product) si basa sul concetto dell’IPP ed ha come obiettivo l’armonizzazione delle specifiche di progettazione delle apparecchiature elettriche ed elettroniche al fine di garantire la loro libera circolazione, riducendo al minimo il loro impatto sull’ambiente per tutto il ciclo di vita del prodotto e migliorando l’efficacia dell’utilizzo delle risorse per garantire un livello elevato di protezione dell’ambiente, compatibile con lo sviluppo sostenibile.

v La direttiva WEEE (Waste of Electrical and Electronic Equipmenty-Rifiuti da Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche) ha come obiettivo l’adozione di strategie per la gestione e la riduzione dei rifiuti generati dalle apparecchiature elettriche ed elettroniche. Secondo quanto previsto da questa normativa i produttori sono responsabili del riciclaggio e del riutilizzo (dal 70 all’80 % del peso) delle apparecchiature al momento dello smaltimento a fine vita. v La direttiva RoHS (Restriction of Hazardous Substances)

- impone restrizioni limitando l’utilizzo di alcune sostanze considerate pericolose per l’ambiente e soprattutto per la salute. I metalli pesanti: piombo (Pb), mercurio (Hg), cadmio (Cd), cromo esavalente (Cr6) e i ritardanti di fiamma bifenili polibromurati (PBB) e l’etere di difenile polibromurato (PBDE).

Nei prodotti sono ugualmente da evitare un certo numero di altre sostanze non interessate da questa direttiva. Il PVC rimane nel mirino delle istanze comunitarie ed è già oggetto di regolamentazioni locali a livello di utilizzo e di riciclaggio.

12.3 Le norme

A queste direttive europee si aggiungono un certo numero di norme che mirano a regolamentare l’impatto ambientale e la tutela dell’ambiente nella progettazione dei prodotti. Tra queste citiamo: b Le norme ISO, NF, EN

- ISO 140xx: serie di norme sui sistemi di gestione ambientale. - ISO TC 61: materie plastiche, aspetti legati all’ambiente. - Guide ISO 64: guide per l’inclusione degli aspetti ambientali nelle

norme di prodotto. - norma francese NF FD X30 310: approccio ambientale nella

progettazione dei prodotti. - EN da 13428 a 13432: imballaggi, aspetti legati all’ambiente.

Questa lista non esaustiva fornisce un panorama delle regolamentazioni in materia di tutela ambientale nella progettazione dei prodotti. Queste regolamentazioni si aggiungono quindi alle norme e direttive generalmente prese in considerazione dai progettisti, quali:

- DBT: Direttiva bassa tensione. - IEC 60 947- 2: norma apparecchiatura bassa tensione – interruttori

automatici. - IEC 60 947- 4 - 1: norma contattori e avviatori.

All’insieme di queste norme e direttive si aggiungono alcuni decreti e norme a livello nazionale (pile, imballaggi, ecc...).


12.3 Le norme 12.4 L’eco-progettazione 12.5 La durata

Equilibrio tra i criteri di progettazioneA Fig. 2

12

L’ecoprogettazione traduce quindi la volontà di Schneider Electric di agire come impresa responsabile nei confronti dell’ambiente, sviluppando nuovi prodotti/servizi e processi di fabbricazione più rispettosi, in conformità con le direttive e norme sopra menzionate, anticipandone ove possibile l’entrata in vigore.

12.4 L’eco-progettazione

L’eco-progettazione, componente importante dello sviluppo sostenibile, è, come già visto nella prefazione, un approccio pro-attivo rivolto al Cliente che può essere definito nel seguente modo:

- progettazione di prodotti/servizi che soddisfino al meglio le esigenze dei Clienti, con un ridotto impatto ambientale sull’intero ciclo di vita.

È un procedimento di progresso dinamico e continuo che può consentire, grazie ad un impegno comune a monte (tecnica, marketing, formazione, ecc...) di trasformare un limite in opportunità. È sicuramente questa la strategia che dobbiamo tutti impegnarci a seguire.

Questo approccio, da applicare nella fase progettuale di nuovi prodotti come nell’evoluzione di prodotti esistenti, implica per il progettista, la valutazione di un criterio supplementare:

- l’impatto ambientale minimo della soluzione studiata considerando l’intero ciclo di vita del prodotto o servizio (C Fig.2).

In conformità con la direttiva EUP (Energy Using Products) la scelta della soluzione “ottimale” rispondente ad un’esigenza del Cliente, dovrà quindi corrispondere ad un giusto equilibrio tra i diversi criteri di progettazione:

- prestazione, costo, qualità, ambiente, industrializzazione, ecc..., sempre nel totale rispetto degli aspetti di sicurezza e di salute.

12.5 Ciclo di vita di un prodotto

L’eco-progettazione ha dunque come obiettivo la progettazione di prodotti e servizi eco-compatibili, con riduzione dell’impatto ambientale sull’intero ciclo di vita . Come si può definire il ciclo di vita di un prodotto o servizio? La durata di un prodotto si intende “dalla culla alla tomba”, ossia dalla estrazione delle materie prime necessarie alla creazione del prodotto fino al momento in cui tutti i materiali che compongono il prodotto ritornano alla terra, passando per tutte le fasi di vita di un prodotto intercorrelate quali fabbricazione/montaggio, distribuzione, utilizzo, valorizzazione e recupero a fine vita. Ogni fase del ciclo di vita di un prodotto ha, ben inteso, un impatto sull’ambiente; impatto che si deve cercare di ridurre al minimo. Obiettivo dell’eco-progettazione è quindi considerare contemporaneamente l’insieme delle diverse fasi della vita del prodotto, prestando attenzione al fatto che il minor impatto ambientale di una delle fasi non avvenga a discapito delle altre fasi. Per poter stimare i risultati di tutti gli impatti è quindi necessaria un’analisi completa e dettagliata di tutte le fasi del ciclo di vita del prodotto: la metodologia LCA fornisce una panoramica delle caratteristiche ambientali del prodotto. Per realizzare quest’analisi utilizzeremo il software EIME.La fase di ottimizzazione del sistema di fine vita può creare limitazioni importanti e deve quindi essere presa in considerazione a partire dalla fase di progettazione del prodotto. La valorizzazione a fine vita deve, secondo la norma, rappresentare una percentuale del 70 %-80 % del prodotto (in peso) e può assumere le seguenti diverse forme:

- riparazione/rimessa a livello del prodotto; - riutilizzo dei componenti; - riciclaggio dei materiali; - valorizzazione energetica.

Il ciclo di vita di un prodotto è schematizzo nella Fig. 3.A Fig. 3 Durata di un prodotto


Eco-progettazione 12.6 Regole principali dell’eco-progettazione

12.6 Regole principali dell’eco-progettazione

Nel rispetto del concetto di “sviluppo sostenibile” e delle diverse normative vigenti in materia, è possibile definire alcune regole generali che permetteranno di guidare il progettista negli studi di eco-progettazione:

- Tutela e utilizzo efficace delle risorse naturali. - Riduzione al minimo delle emissioni (effetto serra, rumore, ecc...). - Riduzione al minimo dei rifiuti (fase di produzione, fine vita). - Eliminazione o riduzione al minimo dell’uso di sostanze pericolose. - Riduzione dei consumi energetici.

Tuttavia, come già detto in precedenza, queste regole generali che mirano ad ottenere prodotti più rispettosi dell’ambiente non devono sostituirsi alle regole abituali di progettazione, ma al contrario aggiungersi ad esse ottimizzando la risposta ad una specifica esigenza del Cliente rispondendo all’insieme dei criteri di:

- prestazione, costo, qualità, ambiente, industrializzazione, ecc...

Inoltre, prima di qualsiasi studio di ecoprogettazione, una tappa essenziale consiste nella ricerca di ottimizzazione della funzione che si vuole garantire. Per questo è utile porsi le seguenti domande:

- Come soddisfare al meglio l’esigenza del Cliente: prodotto/servizio? - È possibile accompagnare l’offerta prodotto con un’offerta di servizi

rispettosa dell’ambiente? - È possibile passare da un’offerta prodotti ad un’offerta servizi? - È possibile sviluppare nuovi concetti? - Alcuni componenti possono essere comuni a più prodotti o gamme di prodotti? - È necessario integrare nuove funzioni? - È possibile utilizzare materiali attivi?

Una volta terminata la fase di ottimizzazione della funzione è consigliabile interessarsi da vicino alle diverse fasi del ciclo di vita di un prodotto (scelta dei materiali, produzione, distribuzione, utilizzo, fine vita) per le quali può rivelarsi necessario seguire le regole base.

b La scelta dei materiali Attarverso la scelta dei materiali il progettista può influenzare l’impatto del prodotto sull’ambiente. Quindi, conformemente alle regole generali di eco-progettazione sopra riportate, questa scelta dovrà tener conto di un certo numero di criteri basati essenzialmente sulla riduzione del consumo di materie prime e sulla riduzione dell’impatto ambientale dei materiali.

• Riduzione del peso e del volume del materiale utilizzato - ottimizzazione del volume e del peso dei pezzi e dei prodotti, - riduzione del numero di pezzi.

• Scelta di materiali atossici o poco tossici - in fase di estrazione, produzione, utilizzo, eliminazione (fine vita).

• Scelta di materiali prodotti ricorrendo alle risorse rinnovabili - con l’obbiettivo di non esaurire le risorse naturali non rinnovabili.

• Scelta di materiali a basso consumo energetico - in fase di estrazione delle materie prime, del trattamento e dell’uso

del materiale.

• Utilizzo di materiali ricliclati - l’impatto ambientale sarà in questo caso quello del riciclaggio e non

più quello dell’elaborazione.

• Utilizzo di materiali riciclabili - nell’ottica della valorizzazione di fine vita del prodotto.

Nel rispetto dei criteri di tutela ambientale i materiali scelti dovranno tuttavia soddisfare le esigenze abituali del prodotto dal punto di vista meccanico, elettrico, dei costi, di fabbricazione (stampaggio, taglio, ecc...).


b La produzione La produzione è una fase importante del ciclo di vita di un prodotto, da non trascurare in uno studio di eco-progettazione. Le scelte in fase di progettazione possono avere un impatto notevole sui processi industriali e quindi sugli impatti ambientali di questa fase.

È quindi necessario prendere in considerazione un certo numero di criteri di ottimizzazione della produzione già a partire dalla fase progettuale.

• Riduzione dei rifiuti di produzione (acqua, suolo, aria) - scelta di tecniche di produzione che riducono al minimo lo scarto di

nell’ambiente. Esempio: se possibile evitare i trattamenti di finitura delle superfici

• Minimizzazione dei consumi energetici in ogni fase produttiva - scelta di tecniche di produzione, montaggio e assemblaggio a basso

impatto energetico, - riduzione degli scarti (lavorazione, taglio, stampaggio, ecc...).

Esempio: - progettazione di pezzi che riducono le cadute di materiale, - riutilizzo degli stampi (stampaggio), - riduzione degli sfridi.

• Riduzione del numero delle fasi di produzione Esempio: - riduzione del numero di pezzi diversi

• Riduzione dei trasporti tra le diverse fasi di produzione - riduzione del volume dei trasporti tra stabilimenti (pezzi, componenti), - riduzione dei consumi energetici legati ai trasporti.

• Utilizzo di nuove tecniche di produzione - nuove tecniche con impatto ambientale ridotto rispetto alle tecniche

classiche: tecniche di tipo BAT (Best Available Technique).

b La distribuzione Anche la distribuzione dei prodotti è una fase del ciclo di vita di un prodotto che può avere un impatto ambientale importante. Per questo motivo è necessario tenere conto, a partire dalla fase di progettazione del prodotto, degli aspetti di ottimizzazione degli imballaggi e del sistema di distribuzione stesso.

In conformità con le norme (EN 13428-13432) e con il decreto pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale del 25/07/98 i criteri da seguire sono:

• Diminuzione del peso e del volume degli imballaggi - riduzione del volume e del peso dei prodotti.

• Ottimizzazione della funzione imballaggio. Riduzione del numero di imballaggi - imballaggi comuni a più prodotti.

• Scelta di imballaggi più puliti - contenuto minimo di metalli pesanti (piombo cadmio, mercurio, ecc...).

• Progettazione di imballaggi riutilizzabili/riciclabili - riciclaggio dal 50 al 65 % del peso, - evitare gli imballaggi eterogenei (cartone, gommapiuma, ecc...).

• Ottimizzazione /riduzione dei trasporti - minimizzazione dei pesi e dei volumi da trasportare.

• Scelta di sistemi di trasporti a basso impatto energetico

Come sempre questi criteri dovranno essere rispettati senza tralasciare le funzionalità base dell’imballaggio, quali la protezione e la sicurezza.

12


Eco-progettazione 12.6 Regole principali dell’eco-progettazione

b L’utilizzo La fase di utilizzo è una fase del ciclo di vita dei prodotti il cui impatto ambientale può rivelarsi importante, in particolare per i consumi elettrici. In quest’ottica può essere determinante seguire alcuni criteri base:

• Riduzione dei consumi energetici unitari del prodotto in fase d’uso - consumo contatti elettrici (resistenza di contatto, saldature, ecc...),

nelle bilame, - consumo dispositivi di comando (elettromagneti, ecc...), - potenza dissipata nei componenti elettronici, ecc...).

• Riduzione delle fughe e degli scarti - riduzione del rumore, - riduzione delle fughe (SF6 ad esempio).

• Aumento della durata dei prodotti • Manutenzione e riparazione facilitate

- aumento dell’affidabilità dei prodotti, - collegamento Cliente (pre-allarme, ecc...), - modularità dei prodotti.

Un altro punto importante nell’uso dei prodotti è l’impiego di fonti energetiche pulite e rinnovabili; tuttavia il ruolo del progettista a questo proposito non sembra essere decisivo.

b Fine vita Come già detto la valorizzazione a fine vita di un prodotto deve rappresentare una parte importante (dal 70 al 80 % del suo peso ) ed è a carico del produttore. Quindi è necessario progettare il prodotto in un’ottica di facilitazione di questa fase.

Per questo motivo è necessario, ancora una volta, tener conto di alcuni criteri fondamentali: • Facilità di disassemblaggio del prodotto

- evitare l’impiego di sistemi di imballaggio non smontabili, - modularità del prodotto.

• Riutilizzo dei componenti - favorire la modularità del prodotto.

• Riparazione/rimessa a nuovo del prodotto (2ª mano) • Riciclaggio dei materiali

- marcatura dei pezzi in plastica (vedere direttiva tecnica FT 20 050), - riduzione del numero di materiali diversi.

• Scelta di materiali non tossici (incenerimento) • Facilità di smontaggio dei componenti tossici e/o a trattamento

specifico - garantire facilità di accesso e smontaggio rapido di pile, relè mercurio,

schede elettroniche, schermi LCD, ecc...

• Facilità di messa in sicurezza del prodotto (molle sotto tensione, ecc...) • Istruzioni per lo smaltimento/riciclaggio del prodotto a fine vita

I criteri di progettazione forniti, validi per le diverse fasi di vita di un prodotto, insieme agli esempi applicativi che ne derivano non hanno la pretesa di risolvere tutti i possibili casi di eco-progettazione. Il loro scopo principale è semplicemente quello di spingere il progettista alla riflessione.

La suddivisione dei diversi criteri di progettazione per ogni singola fase del ciclo di vita del prodotto (scelta dei materiali, produzione, distribuzione, utilizzo, fine vita) non deve tuttavia far dimenticare che lo scopo finale è di ridurre l’impatto globale del prodotto sull’intero ciclo di vita. È quindi essenziale, come già detto, che il minor impatto ambientale di una delle fasi non avvenga a discapito delle altre fasi.


12.6 Regole principali dell’eco-progettazione 12.7 Conclusione 12.8 Applicazioni

Per raggiungere questo obiettivo è necessaria un’analisi dettagliata del ciclo di vita del prodotto (LCA). Per realizzare quest’analisi utilizzeremo il software EIME (C paragrafo 12.8).

12.7 Conclusione

L’impegno ambientale di Schneider Electric passa attraverso l’applicazione di un procedimento di eco-progettazione che consiste nel:

- promuovere la tutela di tutte le risorse naturali; - migliorare in modo dinamico e continuo le condizioni di un ambiente

pulito per la soddisfazione dei Clienti, degli utenti dei prodotti, del personale e delle zone e comunità dove sono ubicati gli stabilimenti.

Questo approccio di progresso dinamico e continuo può contribuire alla prestazioni aziendali e appare quindi come un’opportunità da cogliere. L’eco-progettazione, il cui obiettivo è la progettazione di prodotti/servizi che soddisfino al meglio le esigenze dei Clienti con un ridotto impatto ambientale sull’intero ciclo di vita del prodotto, sarà quindi l’approccio comune di Schneider per qualsiasi nuovo progetto di sviluppo di prodotti e servizi, oltre che per le evoluzioni di prodotti esistenti.

12.8 Applicazioni

b Il software EIME Il software EIME (Environmental Information and Management Explorer) è uno strumento di aiuto alla progettazione di prodotti ecocompatibili, gestito in comproprietà da Alcatel, Alstom, Legrand, Schneider Electric e Thomson Multimedia.

Consente di valutare l’impatto ambientale di un prodotto lungo tutto il suo ciclo di vita e guida i progettisti nelle scelte di materiali e di progetto. È facilmente accessibile da qualsiasi parte del mondo; il suo database (materiali, processi, ecc..) è comune a tutti i progettisti Schneider Electric nel mondo.

Le principali caratteristiche di questo software sono le seguenti: - Aiuto alla scelta dei materiali e dei processi. - Informazioni sulla conformità alla legislazione vigente. - Valutazione dell’impatto ambientale (o Analisi del Ciclo di Vita ACV). - Aiuto all’identificazione dei punti deboli. - Confronto di due opzioni di progettazione.

Il profilo ambientale del prodotto ottenibile con il software EIME è una base essenziale per la comunicazione ambientale prodotto destinata ai Clienti.

b La gamma Altivar 71, un esempio di eco-progettazione

La funzione principale della gamma Altivar 71 (C Fig.4) è il comando e la variazione della velocità di rotazione di un motore elettrico asincrono.

La gamma Altivar 71 comprende variatori da 0.37 a 18 kW funzionanti con tensioni da 200 e 500 V in monofase o trifase.

L’ATV71 ha ricevuto il 2° premio “Eco-prodotto per lo sviluppo sostenibile”

12

A Fig. 4


Eco-progettazione 12.8 Applicazioni

Il prodotto utilizzato per realizzare lo studio è l’Altivar 71 da 0.75 kW, 500 V (rif. ATV71 H075N4), perchè rappresentativo dell’intera gamma. Gli altri variatori della gamma sono realizzati con la stessa tecnologia e con lo stesso processo di fabbricazione.

L’analisi ambientale è stata realizzata in conformità con la norma ISO 14040 (Gestione Ambientale - Valutazione del Ciclo di Vita – Principi e linee guida) che prende in considerazione le diverse fasi dell’intero ciclo di vita del prodotto.

v Materiali costitutivi Il peso dei prodotti della gamma variano da 2.680 g a 9.000 g. Il peso dell’Altivar 71 da 0.75 kW 500 V è di 2.680 g al netto dell’imballo.

A Fig. 5 Materiali che compongono l'ATV71 (*) La categoria “Diversi” comprende tutti gli elementi presenti con una percentuale inferiore all’1% (guaine termoretraibili, elastomero EPDM, ecc...)

I materiali che compongono l’Altivar 71 sono mostrati nella Fig. 5 :

Al momento dell’uscita sul mercato Schneider Electric garantisce che i componenti della gamma Altivar 71 da 0.37 a 18 kW non contengono sostanze vietate dalla legislazione in vigore (lista disponibile su richiesta) .

La gamma ATV 71 non comprende pile, né accumulatori. Il sito di progettazione dei variatori ATV 71 è certificato ISO 14001 a garanzia dell'impegno in tema di ecoprogettazione e tutela ambientale.

v Produzione La gamma ATV 71 è prodotta in uno stabilimento Schneider Electric che implementa un sistema di Gestione Ambientale certificato ISO 14001.

Il costante miglioramento dei processi produttivi permette di ridurre in media del 5 % il consumo energetico annuale del sito.

Lo smaltimento/riciclaggio completo dei rifiuti permette di raggiungere un tasso di valorizzazione pari al 99 %.

v Distribuzione Gli imballaggi sono stati progettati per ridurne peso e volume, nel rispetto della direttiva dell’Unione Europea 94/62/CE in materia di imballaggi. Il peso totale dell’imballaggio è di 1.080 g, composti per la maggior parte da cartone e da un sacchetto in polietilene riciclabile. Non vengono utilizzati né gommapiuma, né graffette.

I flussi di distribuzione dei prodotti sono ottimizzati grazie a centri di distribuzione locali, vicini alle zone commerciali.

v Utilizzo I variatori della gamma Altivar 71, da 0.37 a 18 kW, non richiedono precauzioni di utilizzo particolari (rumore, emissioni). L’energia elettrica consumata dipende dalle condizioni di messa in opera e di utilizzo dei prodotti.


Confronto ACV degli impatti tra l’Altivar 71 - 0.75 kW 500 V con ecoprogettazione e senza eco-progettazione

La potenza consumata varia da 44 W a 620 W. L’Altivar 71 da 0.75 kW 500 V consuma 44 W, meno del 6 % della potenza totale che attraversa il prodotto.

v Fine vita A fine vita i variatori della gamma Altivar 71, da 0,37 a 18 kW, devono essere smantellati per assicurare il riciclaggio e il recupero dei diversi componenti. Il potenziale di riciclaggio è superiore all’80 %. Questa percentuale comprende i metalli ferrosi, le leghe in rame e alluminio e le plastiche marcate.

I prodotti di questa gamma integrano delle schede elettroniche da smontare e estrarre e da smaltire presso le filiere di trattamento specializzate. Istruzioni dettagliate per lo smaltimento delle apparecchiature a fine vita vengono fornite insieme ai prodotti.

v Impatti ambientali L’Analisi del Ciclo di Vita (ACV) è stata realizzata utilizzando il software EIME (Environmental Impact and Management Explorer) versione1.6 e il suo database versione 5.4 (C Fig.6).

L’ipotesi di durata del prodotto è di 10 anni di utilizzo e il modello di energia elettrica è il modello europeo.

Il perimetro analizzato è composto da un Altivar 71 da 0.75 kW 500 V.

Gli impatti ambientali sono stati analizzati per le fasi di produzione (manufacturing o M) comprensiva del trattamento delle materie prime, di distribuzione (D) e di utilizzo (U).

L’analisi degli impatti ambientali è stata realizzata confrontando gli impatti di un modello precedente realizzato senza eco-progettazione con quelli di un prodotto con “eco-progettazione”. Quest’ultimo presenta una riduzione di peso (27 %) e di volume (19 %) rispetto alla gamma precedente.

Le plastiche utilizzate sono riciclabili al 100 % grazie alla scelta dei materiali e alla nuova estetica del prodotto.

Queste modifiche hanno permesso di ridurre l’impatto globale del prodotto sull’ambiente.

b Profilo Ambientale Prodotto v Approccio sistema Il variatore di velocità consente un risparmio energetico ottimizzando i cicli di utilizzo dei motori elettrici asincroni.

In regime transitorio i variatori della gamma Altivar 71, da 0.37 a 18 kW possono far diminuire di oltre la metà il consumo energetico di un’installazione.

I valori degli impatti ambientali forniti nella pagina precedente sono validi solo nel quadro precisato e non possono essere utilizzati direttamente per stabilire il bilancio ambientale dell’installazione.

v Glossario Esaurimento delle risorse naturali Raw Material Depletion (RMD)

Questo indicatore quantifica il consumo di materie prime per l’intero ciclo di vita del prodotto. Viene espresso con una frazione che indica il rapporto tra le risorse naturali esaurite ogni anno e l’insieme delle risorse annuali di questa materia.

A Fig. 6

12


Eco-progettazione 12.8 Applicazioni

• Esaurimento dell’acqua Water Depletion (WD) Questo indicatore calcola il consumo di acqua utilizzata, potabile o di sorgente industriale. Si esprime in m3.

• Potenziale di riscaldamento globale (Effetto serra) Global Warming Potential (GWP) Il riscaldamento globale del pianeta risulta dall’aumento dell’effetto serra dovuto all’assorbimento dell’irraggiamento solare riflesso dalla superficie terrestre da alcuni gas detti “ad effetto serra”. L’unità di misura è il CO2 equivalente (gr.).

• Potenziale di riduzione dello strato di ozono (distruzione dello strato di ozono) Ozone Depletion (OD) Questo indicatore specifica il contributo al fenomeno di distruzione dello strato di ozono dovuto all’emissione di alcuni gas specifici.

Questo effetto viene calcolato in CFC-11 equivalenti (gr.).

• Potenziale di formazione fotochimica dell’ozono Photochemical Ozone Creation (POC) Questo indicatore quantifica il contributo al fenomeno dello “smog” (ossidazione fotochimica di alcuni gas che produce ozono) e viene espresso in C2H4 equivalente (etilene equivalente).

• Acidificazione dell’aria Air Acidification (AA) La presenza di sostanze acide nell’atmosfera è provoca dalle piogge. Un tasso elevato di acidità delle piogge può provocare il deperimento progressivo delle foreste.

Il contributo all’inquinamento acido dell’aria viene calcolato utilizzando i potenziali di acidificazione delle sostanze e viene espressa in H+ equivalente.


296

Ncapitolo Note Contenuto: - Formule pratiche estratte dalle leggi elettriche

e meccaniche. - Tabelle delle grandezze principali. - Unità di misura, simpboli principali,

tabelle di conversione delle unità più utilizzate. - Regimi di neutro.

Sommario N. Note

b N.1 Grandezze e unità di misura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 298

b N.2 Corrente a carico niminale dei motori asincroni . . . . . . . . . . pagina 299

b N.3 Formule eletriche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 300

b N.4 Calcolo delle resistenze di avviamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 302

b N.5 Formule meccaniche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 303

b N.6 Formule fondamentali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 304

b N.7 I regimi del neutro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 305

b N.8 Azionamento delle macchine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 306

b N.9 Tabelle di conversione delle unità più utilizzate . . . . . . . . . . . pagina 308

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

N


Note N.1 Grandezze e unità di misura

N.1 Grandezze e unità di misura Descrizione Simbolo Descrizione Simbolo Descrizione Simbolo Descrizione Simbolo grandezza letterale unità di misura grandezza letterale unità di misura

accelerazione α radiante al secondo quadrato rad/s2 massa m chilogrammo kg angolare momento di una coppia T o C newton metro N.m accelerazione momento di una forza M newton metro N.min caduta libera g metro al secondo quadrato m/s2

momento d'inerzia J o I chilogrammo metro quadrato kg.m2

accelerazione lineare a metro al secondo quadrato m/s2

peso P newton Nangolo piano α, β, γ radiante rad pressione p pascal Pagrado (d'angolo) ...° profondità h metro mminuto (d'angolo) ...' potenza attiva P watt Wsecondo (d'angolo) ..." potenza apparente S voltampere VA potenza reattiva Q voltampere reattivo VARcapacità C farad F

campo magnetico H ampere al metro A/m quantità di calore Q joule Jcostante tempo – secondo s quantità di elettricità Q coulomb o C o (carico elettrico) ampere ora A.h

diametro d metro m differenza di U volt V

raggio r metro mpotenziale reattanza X ohm Ωdurata di un periodo T secondo s riluttanza R ampere per Weber A/W rendimento η %riscaldamento ∆θ kelvin o grado Celsius K o °C resistenza R ohm Ωenergia W joule J resistività ρ ohm metro/metro quadrato Ω.m/m2

spessore d metro m flusso magnetico φ weber Wb

superficie (area) A o S metro quadrato m2forza F newton N

temperatura Celsius θ grado Celsius °Cforza elettromotrice E volt V temperatura T kelvin Kfrequenza f hertz Hz termodinamica

velocità di rotazione n giri al secondo giri/s tempo t secondo (di tempo) s

minuto (di tempo) minscorrimento g %

ora haltezza h metro m

giorno d tensione U volt V

impedenza Z ohm Ω eccitazione W joule J

induttanza propria L henry H induttanza mutua M henry H

velocità angolare ω raggio al secondo raggio/sinduzione magnetica B tesla T

velocità lineare v metro al secondo m/sintensità di corrente I ampere A

volume V metro cubo m3elettrica

Senza dimensionelarghezza b metro m lunghezza I metro m

Sotto multipli delle unità Multipi delle unità

Prefisso Simbolo Fattore Prefisso Simbolo Fattore che precede l'unità di moltiplicazione che precede l'unità di moltiplicazione

deci d 10–1 deca da 101

centi c 10–2 etto h 102

milli m 10–3 chilo k 103

10–6 6micro µ mega M 10

nano n 10–9 giga G 109

–12 12pico p 10 tera T 10

Esempi: Cinque nanofarad = 5 nF = 5.10–9F Esempi: Due megajoule = 2 MJ = 2.106 J Due milliampere = 2 mA = 2.10–3A Un gigawatt = 1 GW= 109 W Otto micrometri = 8 µm = 8.10–6m Tre kilohertz = 3 kHz= 3.103 Hz


N.2 Courant à charge nominale des moteurs asynchrones

N.2 Corrente a carico nominale dei motori asincroni

5,2

V096V005V044V514V004V032PHWkV042V022PHWkAAAAAAAA

0,37 0,5 3,9 3,6 0,37 0,5 2 0,98 – 0,99 1 – 0,55 0,75 5,2 4,8 0,55 0,75 2,8 1,5 – 1,36 1,21 – 0,75 1 6,6 6,1 0,75 1 3,6 1,9 2 1,68 1,5 – 1,1 1,5 9,6 8,8 1,1 1,5 5,2 2,5 2,5 2,37 2 – 1,5 2 12,7 11,7 1,5 2 6,8 3,4 3,5 3,06 2,6 –

1,8 2,5 15,7 14,4 2,2 3 9,6 4,8 5 4,42 3,8 – 2,2 3 18,6 17,1 3 4 11,5 6,3 6,5 5,77 5 – 3 4 24,3 22,2 3,7 5 15,2 – – – – – 4 5,5 29,6 27,1 4 5,5 – 8,1 8,4 7,9 6,5 – 4,4 6 34,7 31,8 5,5 7,5 22 11 11 10,4 9 –

7 39,8 36,5 7,5 10 28 14,8 14 13,7 12 – 5,5 7,5 42,2 38,7 9 12 – 18,1 17 16,9 13,9 – 6 8 44,5 40,8 11 15 42 21 21 20,1 18,4 12,1 7 9 49,5 45,4 15 20 54 28,5 28 26,5 23 16,5 7,5 10 54,4 50 18,5 25 68 35 35 32,8 28,5 20,2

22 30 80 42 40 39 33 24,2 30 40 104 57 55 51,5 45 33 37 50 130 69 66 64 55 40 45 60 154 81 80 76 65 46,8 55 75 192 100 100 90 80 58

75 100 248 131 135 125 105 75,7 90 125 312 162 165 146 129 94 110 150 360 195 200 178 156 113 132 180 – 233 240 215 187 135 147 200 480 222 260 236 207 128

160 220 – 285 280 256 220 165 185 250 600 – – – – – 200 270 – 352 340 321 281 203 220 300 720 388 385 353 310 224 250 350 840 437 425 401 360 253

280 380 – – – – – – 315 430 – 555 535 505 445 321 335 450 1080 – – – – – 355 480 – 605 580 549 500 350 375 500 1200 – – – – –

400 545 – 675 650 611 540 390 450 600 1440 800 – – – – 500 680 – 855 820 780 680 494 560 – – 950 920 870 760 549 630 – – 1045 1020 965 850 605

710 – – 1200 1140 1075 960 694 800 1090 – – 1320 1250 1100 – 900 1220 – – 1470 1390 1220 –


N

Note N.3 Formule elettriche

N.3 Formule elettriche

Potenza attiva

in continua in monofase in trifase

P = UI P = UIcosϕ P = UI 3cos ϕ

con P U I cos ϕ

: potenza attiva in watt : tensione in volt (in trifase tensione tra fasi) : corrente in ampere : fattore di potenza del circuito

Potenza reattiva

in monofase Q = UIsinϕ = UI 1− cos2 ϕ

in trifase Q = UI 3sinϕ = UI 3 1− cos2 ϕ

con Q U I cos ϕ

: potenza reattiva in voltampere reattivo : tensione in volt (trifase: tensione tra fasi) : corrente in ampere : fattore di potenza del circuito

Potenza apparente in monofase S = UI

in trifase S = UI 3

con S U I

: potenza apparente in voltampere : tensione in volt (trifase: tensione tra fasi) : corrente in ampere

Fattore di potenza

potenza attiva cos ϕ =

potenza apparente

Rendimento

potenza utileη = potenza attiva consumata

Corrente consumata da un motorePin monofase I =

Uηcosϕ

Pin trifase I =

U 3ηcosϕ

Pin continua I =

Uη

con P : potenza attiva in watt : corrente consumata dal motore in ampere

U : tensione in volt (trifase: tensione tra fasi) η : rendimento del motore cos ϕ : fattore di potenza del circuito

Resistenza di un conduttore

R = ρ l S

con R : resistenza del conduttore in ohm ρ : resistività del conduttore in ohm-metro l : lunghezza del conduttore in metri S : sezione del conduttore in metri quadrati

Resistività

ρθ = ρ(1+ α∆θ)

con ρθ : resistività alla temperatura θ in ohm-metro ρ : resistività alla temperatura θ0 in ohm-metro ∆θ : θ - θ0 in gradi Celsius α : coefficiente di temperatura in gradi Celsius alla

potenza meno uno

Legge di Joule W = RI2t in monofase

con W : energia consumata in joule R : resistenza del circuito in ohm I : corrente in ampere t : tempo in secondi

Reattanza induttiva di un'induttanza singola

XL= Lω

con XL : reattanza induttiva in ohm L : induttanza in henry ω : impulso = 2 π f f : frequenza in hertz

Reattanza capacitiva di una capacità singola 1

XC = Cω

con XC : reattanza capacitiva in ohm C : capacità in farad ω : impulso = 2 π f f : frequenza in hertz

Legge di Ohm

Circuito a resistenza singola U = RI Circuito a reattanza singola U = XI Circuito a resistenza e reattanza U = ZI

con U : tensione ai morsetti del circuito in volt I : corrente in ampere R : resistenza del circuito in ohm X : XL o XC reattanza del circuito in ohm Z : impedenza del circuito in ohm

Per la determinazione di Z, vedere qui di seguito.


I

Circuiti a resistenze Circuiti a resistenze e reattanze

R1 R2 R3

R =

1 R1 . R2R = + R3 = + R31 + 1 R1 + R2 R1 R2

Legge di Ohm

Simboli U = Tensione in volt I = Corrente in ampere R = Resistenza in ohm P = Potenza in watt

R3

R2

R

R2

R1

R

R3

R1

R2

R1

R

R = R1 + R2 + R3

R = 1 1

R1 + 1

R2

= R1 . R2 R1 + R2

1 1

R1 + 1

R2 + 1

R3

= R1 . R2 . R3

R1 . R2 + R2 . R3 + R1 . R3

R

P= I =

U= R

=

wat

ts

volts

amperes ohms

P R

U R P

U

P I2R I

U2

P

U2

RR I2

U I

P R U I

P I

R XL

Z

2Z = R2 + XL

R XC

Z

2Z = R2 + XC

R XL XC

Z

2Z = R2 + XL – XC

R

XL

Z

1 R . XLZ = = 22 21 1 R2 + XL+

R XL

R

XC

Z

1 R . XCZ = = 22 21 1 R2 + XC+

R XC

R

XC

Z

XL

1 R . XL . XCZ = = 2 21 1 1 XL

2 . XC2 + R2 XL – XC

2 + –

R XL XC


N

Note N.4 Calcolo delle resistenze di avviamento

N.4 Calcolo delle resistenze di avviamento

Per motori a gabbia

Resistenza statorica

In trifase

UR = 0,055

In

ove R: valore ohmico della resistenza per fase in ohm U: tensione della rete in volt In: corrente nominale del motore in ampere

I media = 4,05 In

Per comandare una resistenza, indicare: la durata di messa sotto tensione della resistenza e il numero di avviamenti all'ora. Solitamente, consideriamo 12 avviamenti all'ora di 10 secondi ciascuno, di cui 2 consecutivi a partire dallo stato freddo.

Resistenza per avviamento stella-triangolo 3 tempi

0,28 UR = In

ove R: valore ohmico della resistenza per fase in ohm U: tensione della rete in volt In: corrente nominale del motore in ampere

I medio = 1,5 In

Per comandare una resistenza, indicare: il tempo di interruzione della resistenza e il numero di avviamenti all'ora. Generalmente, prevediamo 2 avviamenti consecutivi di 3 secondi distanziati di 20 secondi.

Autotrasformatore

Durante l'avviamento.

U motore = k U linea C motore = k2 C I linea ≠ k2 I I motore = k I

ove k: rapporto dell'autotrasformatore U uscita / U linea C: coppia in avviamento diretto I: corrente in avviamento diretto

Per comandare un autotrasformatore indicare: – che si tratta di un autotrasformatore a intraferro (se possibile); – il picco di corrente del motore in avviamento diretto (dato dal costruttore del motore); – il valore della tensione all'uscita rispetto alla tensione della rete, in percentuale; – la durata di messa sotto tensione dell'autotrasformatore e il numero di avviamenti all'ora.

Generalmente si prevedono delle registrazioni a 0,55 Un e 0,65 Un e 5 avviamenti all'ora di 8 secondi. Senza precise caratteristiche del motore, prendiamo:

Id = 6.

In

Per motori ad anelli

Resistenza unitaria (1)

In trifase

333 PRu =

Ir2

ove P: potenza nominale in kilowatt Ir: corrente rotorica nominale in ampere Ru: in ohm

cioè

Ru = 245 P Ir2

ove P: potenza nominale in cavalli Ir: corrente rotorica nominale in ampere

Valore della resistenza al primo tempo

Ru + rR(1) = - r1o picco

ove R(1): valore della resistenza per fase Ru: resistenza unitaria r: resistenza interna del motore 1o picco: picco di corrente desiderato all'avviamento

Valori intermedi della resistenza

R(n-1) + rR(n) = - rPicco

ove R(n) : valore della resistenza per fase per questo tempo R(n-1): resistenza al tempo precedente r: resistenza interna del motore Picco: picco di corrente desiderato al tempo corrispondente

Picco all'ultimo tempo

R(n-1) + rPicco = r

ove Picco: picco di corrente ottenuto R(n-1): resistenza al tempo precedente r: resistenza interna del motore

Altra caratteristica

Ip - IrI media = Ir +

3

ove I media: corrente termicamente equivalente Ir: corrente rotorica nominale Ip: picco di corrente

Per comandare una resistenza, indicare: la durata di messa sotto tensione della resistenza, il numero di avviamenti all'ora e eventualmente la possibilità di frenatura in contro-corrente .

(1) La resistenza unitaria è il valore teorico della resistenza per fase da inserire nel circuito rotorico per ottenere, con rotore bloccato, la coppia nominale. È indispensabile per determinare la resistenza di avviamento.


N.5 Formule meccaniche

N.5 Formule meccaniche

Velocità angolare Coppia nominale 2πn P nω = T = n60 ω n

ove ω : velocità angolare in radianti al secondo ove Tn : coppia nominale del motore in newton-metro n : velocità di rotazione in giri al minuto Pn : potenza nominale del motore in watt

ω n : velocità angolare nominale del motore in radianti al secondo

Frequenza di rotazione a vuoto Coppia acceleratrice

Velocità di sincronismo di un motore asincrono

ω = 2pf p

o n = 60f p

ove ω : n : f : p :

velocità angolare in radianti al secondo velocità di rotazione in giri al minuto frequenza della rete in hertz numero di coppie di poli del motore

Raggio di inerzia

T = T - T a m r

ove Ta : coppia acceleratrice in newton-metro Tm : coppia motore in newton-metro Tr : coppia resistente in newton-metro

Durata avviamento

Durata avviamento dalla velocità 0 alla velocità ω con una n

coppia acceleratrice costante Ta

cilindro pieno cilindro vuoto Jω n Jω n2 1

t = o t = T P (T /T )a n a n

1

r1

r2

r1

2 r 2 + rr2 = 1 2

ove t : tempo di avviamento in secondi 2r

r2 = 2 2

J : momento di inerzia totale delle masse in movimento (motore + carico) in chilogrammi-metro quadratoove r : raggio giratore

ωraggio esterno velocità angolare nominale in radianti al secondor :1 : n

Traggio interno coppia acceleratrice in newton-metror :2 : a

P n : potenza nominale del motore in watt

Momento d'inerzia di un corpo di massa m

J = mr2

ove J : momento d'inerzia in chilogrammi-metro quadrato m : massa in chilogrammi r : raggio giratore in metri

Qualche volta è espresso dalle seguenti formule:

MD2 GD2 PD2

J = o o4 4 4

Momento di inerzia in rapporto alla velocità ω

ω2

Jω = J'ω' ω'2

ove Jω : momento di inerzia in chilogrammi-metro quadrato in rapporto alla velocità angolare ω

J'ω' : momento di inerzia in chilogrammi-metro quadrato in rapporto alla velocità angolare ω'

Ta/Tn : rapporto della coppia acceleratrice alla coppia nominale del motore

In caso di coppie di accelerazione che variano con la velocità, vengono generalmente utilizzate formule pratiche proprie alle diverse applicazioni per adattarsi a casi di coppie acceleratrici costanti per consentire calcoli rapidi approssimativi. Ad esempio, la coppiadi accelerazione nel caso di un avviamento rotorico può essere assimilata, per calcolo approssimativo, ad una coppia costante equivalente:

T max. – T min. m mT = T min + – T a m3

r

ove

Tm mini. : coppia motore immediatamente prima della messa in corto-circito di una sezione di resistenza

Tm max. : coppia motore immediatamente dopo la messa in corto-circuito di questa sezione

Tr : coppia resistente presunta costante

N


Note N.6 Formule fondamentali

N.6 Formule fondamentali Sitema internazionale di unità SI: MKSA

Grandezza Unità di base lunghezza l = metro m massa m = chilogrammo kg tempo t = secondo s corrente elettrica i = ampere A

Cinematica (movimento rettilineo) Cinematica (movimento circolare) Lounghezza l Arco

lΘ in radiante, con Θ = r

r lΘ

Velocità Velocità angolare dΘ Θω = = in rad/sdt tdl l

v = = in m/sdt t 2πnω = n in giri/min

60

Velocità

l v = = r ω ω in rad/s

t

Accelerazione angolareAccelerazione d2Θ dωα = = in rad/s2

dt2 dtdv a = in m/s2

dt Accelerazione tangenziale

a T = r α α in rad/s2

a in m/s2

Dinamica (movimento rettilineo) Dinamica (movimento circolare) Forza Coppia

F = m a in N (newton) T = Fx r in N.m

o J/rad

Forza di messa in movimento Coppia di messa in movimento

dωF = m a C = J dt

J = momento d’inerzia in kgm2

Eccitazione Eccitazione

W = F x l in J (joule) W = CΘ in J (Joule)

Potenza Potenza

W Fl CΘP = = = Fv in W (watt) P = = Cω in W (watt)t t t

1 joule 2πn1 watt = P = C N in giri/min1 secondo 60

Energia Energia

W = 1/2 mv2 W = 1/2 mr2 ω2 = 1/2 Jω2

r

F

l’energia cinetica è caratterizzata dalla velocità del corpo l’energia cinetica è caratterizzata dalla velocità di un corpo


N.7 I regimi di neutro

N.7 I regimi di neutro I regimi di neutro mettono in causa principalmente:

Il neutro Sono i punti neutri dei trasformatori AT/MT e MT/BT ed i conduttori neutri che, in regime equilibrato, non sono percorsi da alcuna corrente.

Le masse Sono le parti conduttrici accessibili di un componente elettrico che possone assumere una tensione..

La terra La terra può essere considerata come un corpo conduttore con un potenziale convenzionalmente fissato a zero.

I regimi bassa tensione Esistono tre regimi di neutro in bassa tensione definiti mediante schemi e con riferimenti di due lettere. Sono i regimi TN (C o S), TT e IT. La prima lettera corrisponde alla posizione del neutro rispetto alla terra, e la seconda alla situazione delle masse ripetto all terra. Il significato di ogni lettera è il seguente:

T = Terra N = Neutro I = Impedenza C = Combinato S = Separato

Lo schema TN.C

Corrisponde a un neutro collegato alla terra e le masse al neutro. È importante notare che il conduttore neutro e quello di protezione sono combinati.

Lo schema TN.S Corrisponde a un neutro collegato alla terra e le masse al neutro, ma qui, il conduttore neutro è separato da quello di protezione.

Lo schema TT Il neutro è direttamente collegato alla terra e alle masse mediante due prese di terra separate.

Lo schema IT Il neutro è collegato alla terra mediante un'impedenza o isolato. Le masse sono collegate direttamente alla terra.

Questi diversi regimi consentono di adattare la protezione ai locali e usi, rispettando il tempo di interruzione, basato sulla durata della resistenza di un individuo agli effetti di una corrente elettrica, in funzione della sua tensione (normalmente 50 V per 5 secondi e 100 V per 0,2 secondi).

Le reti di distribuzione bassa tensione degli utenti privati sono normalmente del tipo TT, tranne quando interpongono un trasformatore di separazione che lascia loro completa libertà di scelta.

Lo schema TT è semplice da utilizzare, ma è limitato agli impianti poco estesi e poco complessi. Si sgancia al primo difetto e garantisce una sicurezza totale ed è dipendente dal valore di resistenza di terra.

Lo schema IT ha la caratteristica di sganciarsi solo al secondo difetto. Quindi è particolarmente indicato ogni volta che è necessaria una continuità di servizio, cosa che richiede una particolare manutenzione per rilevare e intervenire a partire dal primo difetto prima che se ne verifichi un secondo. Tuttavia, la garanzia della continuità di alimentazione non è ancora sufficiente per gli informatici, che preferiscono lo schema TN.S, con un'aggiunta di precauzioni e di apparecchiature specifiche. Lo schema TN garantisce, rispetto al precedente, una grande economia d'impianto. È il regime indispensabile con correnti di fuga elevate.

L1

L2

L3

N

PE

Presa di terra dell'alimentazione Masse

Schema TT

L1

L2

L3

PE

– Z

Schema IT


L1

L2

L3

PEN

Schema TNC


L1

L2

L3

N

PE

Schema TNS



N

Note N.8 Azionamento delle macchine

N.8 Azionamento delle macchine

La macchina accoppiata al motore presenta essenzialmente un momento di inerzia J (kg.m2) al quale è necessario aggiungere quello del motore, talvolta rilevante. La conoscenza dell'inerzia totale consente lo studio dei regimi transitori (avviamenti e arresti), ma non interviene in regime stabilito.

Movimento di rotazione

Se la macchina è azionata da un riduttore alla velocità n1, il suo momento di inerzia riportato al motore che gira a velocità n2 si esprime con la formula:

J (macchina ridotta al motore) = J (macchina) n1 2

n2( ) Movimento di traslazione

Se la macchina, con massa m (kg), si muove alla velocità lineare v (m/s), per la velocità di rotazione ω (rad/s) del motore di azionamento, il momento di inerzia a livello dell'asse di azionamento si esprime con la formula:

J (macchina) = mv2

ω2 = m v

2.3600 4 π2 . n2

con ω = 2 πn 60

Avviamento

Per avviare in un tempo imposto t (passaggio dall'arresto a una velocità angolare ω), la conoscenza del momento di inerzia J consente di determinare la coppia di accelerazione media necessaria Ca.

ω N

Cr Ca

ω N

Ca (N.m) = J (kg.m)2

= J (kg.m)2

0 c

dω (rad/s) dt (s)

2πN (giri/min) 60t(s)

0 t

2 1

3 4

La coppia resistente media Cr dovuta alla meccanica e la coppia di accelerazione media Ca determinano la coppia motore media Cd necessaria durante il tempo di avviamento.

Cd = Cr + Ca

Inversamente, se una coppia di accelerazione Ca è fissata, il tempo di avviamento, per Ca costante, si determina con:

Jωt = Ca

In pratica:

– a corrente continua Cd = kCn ove Cn = coppia nominale motore k = coefficiente di sovraccarico del motore. È legato al tempo di sovraccarico e alla temperatura iniziale. Generalmente è compreso tra 1,2 e 1,9 (vedere catalogo Produttore di motori). In questa gamma la corrente d'indotto e la coppia possono essere sensibilmente proporzionali,

– a corrente alternata Fare riferimento alle caratteristiche di sovracoppia e di sovracorrente riportate nel catalogo Produttore e alle caratteristiche d'impiego indicate da questo catalogo.

Arresto

Se la macchina viene lasciata a se stessa durante l'interruzione della tensione di alimentazione, la coppia di rallentamento è pari alla coppia resistente:

N ω N Cra = Cr

2

ω

1

Cr

0 tC0

dωCra = Cr = J dt

L'arresto si verificherà al termine di un tempo (t) legato al momento di inerzia mediante la relazione:

J t = ω se Cr è più o meno costante.

Cr


Figure 3

Figure 1 Figure 2

Figure 4

2e quadrant 1er quadrant

3e quadrant 4e quadrant

Couple (C)

Vitesse (N)

Frenatura reostatica

Cf Cr

ω N N Cra = Cr + Cf ω

0 C 0 t

Se il tempo di arresto è inaccettabile, è necessario aumentare la coppia di rallentamento di una coppia di frenatura elettrica Cf come:

dωCra = Cr + Cf = J dt

La frenatura può essere di tipo reostatico; ricordarsi comunque che la sua efficacia è proporzionale alla velocità (Cf = kω)

Senso di funzionamento

Velocità (N)

2° quadrante 1° quadrante

Coppia (C)

3° quadrante

N

4° quadrante

C

Il disegno sopra riportato mostra le 4 possibilità di funzionamento (4 quadranti) sul piano coppia velocità riassunte nella tabella qui di seguito.

Rotazione La macchina Coppia Velocità ProdottoQuadrante funziona C n C x n

1° senso come motore + + + 1

come generatore – + – 2

2° senso come motore – – + 3

come generatore + – – 4

Frenatura con recupero

N

Cf Cr

0

N

C 0 t

2 1

Cra = Cr + Cfω ω

La frenatura di tipo con recupero è ottenuta utilizzando variatori reversibili. In limitazione di corrente, la coppia di frenatura è costante fino all'arresto. La macchina condiziona il dimensionamento del motore e dell'apparecchiatura che devono rispondere al regime permanente, ma anche ai regimi transitori: avviamenti frequenti o rapidi, a impulsi di carico ripetuti.

Coppia e potenza

Per determinare convenientemente l'insieme motore-variatore, è molto importante conoscere la caratteristica coppia/velocità delle diverse macchine azionate.

150

100

50

0

150

100

50

0

P.C.%

N%

P.C.%

0 50 100 150 N%

P.C.%150

100

50

0 50 100 150 N%0

P

PC

C

P.C.%150

100

50

N%0

C CPP

Figura 1 Figura 2

0 50 100 150 0 50 100 150 Figura 3 Figura 4

In pratica, ogni macchina può essere classificata nelle 4 categorie base: – coppia costante (figura 1), – potenza costante (figura 2), – coppia crescente linearmente con la velocità C = kn, con potenza P che varia in base al quadrato della velocità (figura 3), – coppia crescente in base al quadrato della velocità C= kn2, con la potenza che varia in base al cubo della velocità (figura 4). Un numero limitato di macchine può avere caratteristiche di funzionamento risultanti dalla combinazione diqueste diverse categorie.


N

Note N.9 Tabella di conversione delle unità più utilizzate

M.9 Tabelle di conversione delle unità più utilizzate

Lunghezza Unità m in. ft yd

1 metro (m) 1 39,37 3,281 1,094

1 pollice (in. o ") 0,0254 1 0,0833 0,02778

1 piede (ft o ') 0,3048 12 1 0,3333

1 iarda (yd) 0,9144 36 3 1

Superficie Unità m2 sq.in sq.ft sq.yd

1 metro quadrato (m2) 1 1550 10,764 1,196

1 pollice quadrato (sq.in.) (in2) 6,45 10–4 1 6,944 10–3 7,716 10–4

1 piede quadrato (sq.ft) (ft2) 0,0929 144 1 0,111

1 iarda quadrata (sq.yd) (yd2) 0,8361 1296 9 1

Volume Unità m3 dm3 cu.in. cu.ft cu.yd

1 metro cubo (m3) 1 1000 61024 35,3147 1,3079

1 decimetro cubo (dm3) (litro) 0,001 1 61,024 0,0353 0,0013

1 pollice cubo (cu.in.) (in3) 1,639 10–5 0,0164 1 5,787 10–4 2,143 10–5

1 piede cubo (cu.ft) (ft3) 0,0283 28,32 1728 1 0,0370

1 iarda cubo (cu.yd) (yd3) 0,7645 764,5 46656 27 1

Massa Unità kg oz lb

1 chilogrammo (kg) 1 35,27 2,205

1 oncia (oz) 0,028 1 0,0625

1 libbra (lb) 0,454 16 1

Pressione Unità

1 pascal (Pa) o newton al m2 (N/m2)

1 mega pascal (MPa) o

1 newton al mm2 (N/mm2)

1 bar (bar)

Pa

1

10 6

10 5

MPa

10–6

1

0,1

bar

10–5

10

1

psi

1,45 10–4

145,04

14,504

1 pound weight al pollice quadrato

1 lbf/in2) (psi) 6895 6,895 10–3 0,06895 1


Velocità angolare Unità rad/s tr/min

1 radiante al secondo (rad/s) 1 9,549

1 giro al minuto (giri/min) 0,105 1

Velocità lineare Unità m/s km/h m/min

1 metro al secondo (m/s) 1 3,6 60

1 chilometro all'ora (km/h) 0,2778 1 16,66

1 metro al minuto (m/min) 0,01667 0,06 1

Potenza Unità W ch HP ft-lbf/s

1 watt (W) 1 1,36 10–3 1,341 10–3 0,7376

1 cavallo (ch) 736 1 0,9863 542,5

1 horse-power (HP) 745,7 1,014 1 550

1 ft-lbf/s 1,356 1,843 10–3 1,818 10–3 1

Forza Unità N kgf Ibf pdl

1 newton (N) 1 0,102 0,225 7,233

1 chilogrammo-forza (kgf) 9,81 1 2,205 70,93

1 pound weight (lbf) 4,448 0,453 1 32,17

1 poundal (pdl) 0,138 0,0141 0,0311 1

Energia-eccitazione-calore Unità J cal kW/h B.t.u.

1 joule (J) 1 0,24 2,78 10–7 9,48 10–4

1 caloria (cal) 4,1855 1 1,163 10–6 3,967 10–3

1 kilowatt-ora (kW/h) 3,6 106 8,60 105 1 3412

1 British thermal unit (B.t.u) 1055 252 2,93 10–4 1

Momento d'inerzia Unità kg.m2 lb.ft2 lb.in2 oz.in2

1 chilogrammo metro quadrato 1 23,73 3417 54675

1 libbra-piede quadrato (lb.ft2) 0,042 1 144 2304

1 libbra-pollice quadrato (lb.in2) 2,926 10–4 6,944 10–3 1 16

1 oncia-pollice quadrato (oz.in2) 1,829 10–5 4,34 10–4 0,0625 1


N

Guida alle Soluzioni di Automazione 2010-2011

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