Nell'ultimo secolo, le tecniche di produzione tradizionali si sono evolute notevolmente. Uno dei principali fattori trainanti è senza dubbio la domanda di produttività e flessibilità maggiori e di miglioramenti in termini di sicurezza, il tutto a un costo inferiore. La risposta dell'industria a tale domanda sono le cosiddette "fabbriche intelligenti".
Il senso delle fabbriche intelligenti
Dall'ordine delle materie prime alla produzione finale, le fabbriche intelligenti hanno rivoluzionato l'industria manifatturiera, aumentando il tasso di produzione attraverso l'ottimizzazione, la riduzione dell'errore umano e l'aumento dell'efficienza.
Queste fabbriche usano macchine, dispositivi e apparecchiature di misurazione e collaudo intelligenti per monitorare i parametri critici del processo di produzione. Tali miglioramenti hanno trasformato l'infrastruttura degli stabilimenti, offrendo un ambiente che promuove la comunicazione coerente e accurata collegando macchine, archiviazione dati e punti di accesso e consentendo ai sistemi operativi di mantenere il massimo livello di efficienza e produttività.
I progressi tecnologici hanno inoltre modificato i requisiti dei macchinari, aumentando la domanda di sensori affidabili, soprattutto negli ambienti caratterizzati da un elevato livello di vibrazioni. I sensori svolgono un ruolo importante nelle fabbriche intelligenti poiché raccolgono dati accurati da implementare nei processi di produzione al fine di aumentare la qualità del prodotto.
Come mai prima d'ora, i recenti progressi nel campo della tecnologia dei sensori consentono elevati livelli di controllo del processo e di acquisizione dati. Il controllo dei processi consente di utilizzare la comunicazione per regolare la qualità del sistema. È ad esempio possibile modificare la tolleranza per diversi prodotti programmando facilmente un software e quindi implementare tali modifiche attraverso circuiti inter-integrati (I2C) o protocolli di interfacce periferiche seriali (SPI). Allo stesso modo, i dati raccolti dai sensori possono ottimizzare la qualità del prodotto e aiutare i produttori a identificare le metodologie più efficaci per i cicli di produzione.
Dal monitoraggio di base della temperatura e dell'umidità al sofisticato rilevamento di posizione e pressione, le fabbriche intelligenti richiedono diversi tipi di sensori che contribuiscono alle operazioni dello stabilimento spostando il prodotto, controllando i processi di fresatura e rilevando i fattori ambientali
Soluzioni con sensori per fabbriche intelligenti di TE Connectivity
TE Connectivity (TE) è una delle più grandi aziende produttrici di sensori e prodotti per la connettività al mondo e le sue soluzioni aiutano i clienti a trasformare le idee in creazioni intelligenti e connesse. L'ampio portafoglio di sensori dell'azienda comprende moduli multi-sensore di livello industriale e altamente integrati in grado di elaborare i dati in tempo reale e di migliorare le operazioni delle fabbriche intelligenti. Molti dei sensori industriali di TE sono dotati di uscite digitali che si adattano più facilmente ai sistemi di comunicazione della fabbrica rispetto a sensori meno sofisticati. I sensori TE offrono accuratezza e risoluzione elevate e, di conseguenza, dati più affidabili. Possono inoltre essere integrati in macchine intelligenti, apparecchiature di misurazione e collaudo e sistemi di controllo statistico del processo.
Nelle macchine intelligenti, i sensori di posizione monitorano e misurano la posizione delle parti in movimento, spesso con accuratezza e precisione elevate, mentre i sensori di pressione e temperatura monitorano e misurano parametri critici per il funzionamento corretto delle macchine. I flussostati monitorano il flusso dei liquidi più importanti, tra cui fluidi di raffreddamento e oli da taglio. I sensori di forza monitorano la forza applicata ai prodotti durante la modellazione, il piegamento e altri processi di produzione che implicano l'applicazione di forze.
I sensori sono utilizzati per aumentare l'accuratezza delle apparecchiature di misurazione e test che utilizzano i sensori di pressione e temperatura per monitorare il corretto funzionamento. I sensori di posizione (LVDT, teste di misura) misurano le dimensioni del prodotto, mentre le celle di carico sono utilizzate per determinare se il peso del prodotto rientra nei limiti predefiniti.
I sensori sono utilizzati nei sistemi di controllo statistico dei processi al fine di consentire misurazioni accurate, coerenti e affidabili dei diversi parametri di un processo. Disponibili in alloggiamenti e contenitori irrobustiti, i sensori della gamma TE offrono stabilità a lungo termine, riducendo i requisiti di manutenzione e funzionando in maniera affidabile anche negli ambienti più difficili. Inoltre, essendo intercambiabili, i sensori guasti possono essere sostituiti rapidamente, riducendo i tempi di inattività dello stabilimento di produzione.
Dai sensori di pressione e di livello dei liquidi utilizzati per monitorare i livelli di acqua, tubi dell'aria e fluidi nei serbatoi di stoccaggio e di processo, ai sensori di temperatura e di temperatura senza contatto utilizzati per monitorare la temperatura ambiente e quella della postazione di lavoro e l'occupazione delle zone di lavoro, il portafoglio di sensori TE offre soluzioni adatte a gestire un ambiente di lavoro, produttivo, sicuro e confortevole.
Progressi dei sensori nelle fabbriche intelligenti
La progressiva implementazione di aggiornamenti di apparecchiature e/o sistemi da parte dei produttori ha come conseguenza la continua evoluzione delle capacità di produzione. Tali aggiornamenti favoriscono anche il progresso della tecnologia dei sensori e l'introduzione di nuovi prodotti. Fattori determinanti, come lo spegnimento per alte temperature, richiedono ad esempio segnali analogici elementari. Una volta superata una soglia della temperatura, il processo di produzione si arresta. I più semplici tra questi tipi di componenti sono i termistori, [15] moduli che modificano i valori della resistenza, così come il sensore di umidità relativa HS1101LF Measurement Specialties (MEAS) di TE [2], il quale emette una capacità in base all'umidità. Tali componenti semplici offrono funzioni intelligenti che modificano i valori di un dispositivo normalmente passivo. Sebbene i componenti passivi richiedano circuiteria aggiuntiva per l'implementazione del processo finale, il segnale decisivo è incorporato in parti più intelligenti e multifunzionali, utilizzate per fornire segnali analogici in diversi modi. I sensori più avanzati comprendono la capacità di isteresi al fine di ridurre trigger falsi o di consentire l'implementazione di un intervallo di temperature.
Oltre ai trigger analogici di base, i dati provenienti dai sensori, i quali producono una gamma di valori di tensione, aumentano la capacità di rilevamento. I bassi livelli di tensione che i processi con semiconduttori continuano a utilizzare determinano la necessità di metodi più sofisticati per fornire granularità. In queste applicazioni, i segnali digitali sostituiscono la gamma limitata di tensioni analogiche; tuttavia, alcuni mercati non richiedono il costo e la complessità dei protocolli di comunicazione con microprocessori aggiuntivi per il processo decisionale. Per queste applicazioni, la modulazione di larghezza di impulso (PWM) e la modulazione sigma delta vengono impiegate come segnali digitali e i risultati vengono tradotti in una media e trasformati in un'uscita analogica. Il sensore di temperatura digitale TSYS02S di TE [1] è un esempio di prodotto con questi due tipi di uscite oltre a un'opzione I2C aggiuntiva. Il vantaggio è un segnale analogico creato per una logica a tre volt con una gamma di risoluzione più ampia rispetto a un amplificatore operazionale da tre volt. Il numero di opzioni disponibili consente ai clienti di selezionare una soluzione di rilevamento della temperatura che si adatti ai rispettivi budget e livelli di sofisticazione per la circuiteria decisionale.
Il sensore di temperatura digitale TSYS02S di TE [1] dispone di tre tipi di uscite analogiche: PWM, SDM e I2. L'implementazione di questa generazione di segnali analogici richiede il computo della media (averaging), il quale comporta una granularità ancora maggiore raggiunta mediante l'utilizzo di protocolli di comunicazione. In questi prodotti, rilevamento, comunicazione A/D e uscite dati sono integrati in un unico pacchetto. La granularità aumenta in maniera proporzionale alle dimensioni bit del flusso dati. L'indirizzamento è una parte cruciale del bit stream che consente a diversi carichi slave del sensore di essere controllati da master per aumentare l'acquisizione dati e migliorare il controllo. Il clocking e la sincronizzazione dati aggiuntivi sono effetti collaterali di minima entità se paragonati ai miglioramenti in termini di accuratezza e integrità del segnale delle soluzioni di stile analogo.
Riferimento [14] La struttura quadruplice della linea dati di un'interfaccia SPI consente un'acquisizione dati più rapida rispetto a I2C .
Riferimento [14] La struttura con linea dati seriale di un'interfaccia I2C è meno complessa rispetto all'interfaccia SPI.
I sensori con capacità di comunicazione seriale sono disponibili per il rilevamento della temperatura [1] e dell'umidità [3] così come per una combinazione di temperatura e umidità [3]. Diversi sensori di pressione [9-11] controllano i processi sensibili sia alla pressione barometrica che ai livelli di aria compressa della pressione.
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I sensori di posizione rilevano la potenza del campo magnetico al fine di determinare l'allineamento [8], la posizione lineare [5] o la posizione angolare [5, 6, 7]. Questi prodotti magnetoresistenti (MR) [14] utilizzano ponti di Wheatstone onboard. Il valore di uscita è espresso sotto forma di due forme d'onda sinusoidali fuori fase, in base all'angolo determinato dal ponte di Wheatstone.
Riferimento [5] Il sensore KMT32B di TE è un sensore dell'angolo magnetico in grado di determinare la posizione del braccio robotico. I segnali di uscita sono sinusoidali con una differenza di fase che rappresenta l'angolo.
Oltre alle informazioni sulle caratteristiche e sui valori del prodotto, le opzioni di confezionamento offrono una varietà di metodi di montaggio, dal montaggio in superficie all'elevazione sulla scheda mediante un foro passante. Per le parti influenzate dalla temperatura, quali il sensore HTU20D(F) di TE, le informazioni di montaggio spiegano all'utente come utilizzare gli slot sulla scheda per ridurre il passaggio di calore da altre parti. Ciò consente una lettura più accurata dell'umidità basata sulla temperatura ambiente piuttosto che sulla temperatura aggiuntiva generata dalla circuiteria di supporto.
Riferimento [3] La scheda dati del sensore di umidità HTU20D(F) di TE spiega come il montaggio sia essenziale ai fini delle prestazioni del prodotto in base alla temperatura ambiente corrente.
Riepilogo
Dall'ordine delle materie prime alla produzione finale, le fabbriche intelligenti hanno rivoluzionato l'industria manifatturiera, aumentando il tasso di produzione, riducendo l'errore umano e migliorando l'efficienza. Tali progressi hanno modificato i requisiti dei macchinari, aumentando la domanda di sensori affidabili, soprattutto negli ambienti caratterizzati da un elevato livello di vibrazioni. A seconda del livello di sofisticazione e dei metodi di segnalazione
richiesti, un sensore sarà in grado di fornire una soluzione affidabile. Con lo sviluppo delle funzioni delle fabbriche intelligenti, TE è sempre più impegnata nell'affinare le tecnologie dei sensori al fine di rispondere ai crescenti requisiti di sistema.
[3] Le caratteristiche opzionali di HTU2XY(F) TE comprendono un filtro/membrana PTFE che assicura la protezione contro polvere e immersione in acqua.
Riferimenti
1. "TSYS02S Digital Temperature Sensor", Measurement Specialties
2. "HS1101LF – Relative Humidity Sensor", HS1101LF.pdf
3. "HTU20D(F) RH/T Sensor IC, Digital Relative Humidity sensor with Temperature output", HTU20D.pdf
4. "HTU20P(F) RH/T Sensor IC – Miniature Relative Humidity and Temperature" HTU20P.pdf
5. "KMA36 Contactless Rotational and Linear Encoder", KMA36.pdf
6. "KMT32B Magnetic Angle Sensor", KMT32B.pdf
7. "KMT37 Angular Sensor", KMT37_Angular_Sensor.pdf