Industria 4.0 e IIoT: l’ascesa dei robot industriali

L’Industria 4.0 prevede la combinazione di sensori intelligenti con apparecchiature industriali per aumentarne la produttività, migliorare l’affidabilità e ridurre i costi operativi. Molti di questi sensori vengono interfacciati in modalità wireless (ad esempio su una rete mesh) o tramite un gateway di sensori. Questa rete sarà connessa al cloud dove i dati possono essere raccolti, analizzati e processati. L’Internet delle cose industriale (IIoT) differisce dall’Internet delle cose in quanto i dispositivi devono eseguire operazioni in tempo reale e soddisfare gli standard industriali.

I robot industriali sono una classe speciale di apparecchiature industriali per l’esecuzione di attività manuali, con un alto grado di precisione e ripetibilità. Vengono utilizzati negli stabilimenti industriali dagli anni ’60.
Con l’avvento dell’Industria 4.0, questi robot stanno diventando intelligenti e gli ingegneri stanno continuando ad integrare sempre più nuove funzioni, che li renderanno perfetti per impiantare delle vere e proprie fabbriche intelligenti.

Oltre ad essere più flessibili nelle attività che svolgono, i robot industriali sono in grado di raccogliere e analizzare dati sul proprio operato per migliorare la produttività, la qualità del servizio e l’affidabilità riducendo al contempo i costi operativi.

Ad esempio, i guasti possono essere analizzati in tempo reale e degli algoritmi di manutenzione predittiva, possono fa sì che vengano generati degli allarmi quando il modello operativo di un determinato robot assomiglia al profilo di un robot simile, che si è rivelato essere guasto. In questo modo decresce il numero di guasti alle apparecchiature e i tempi di fermo, riducendo al minimo le perdite di produzione.

Immagine 1: Gli OEM continuano a investire in tecnologie robotiche industriali, con l’industria della robotica in crescita a un tasso del 7,6% annuo (CAGR) dal 2016, anche tenendo conto del COVID-19.

Man mano che questi sistemi diventano più complessi, diventa sempre più importante poterne garantire l’affidabilità.

La complessità dei robot industriali

Nella sua forma più elementare, un robot industriale è costituito da un manipolatore e un controller. Il manipolatore, spesso indicato come un braccio robotico, si muove, ruota ed esegue delle azioni. Il controller aziona e controlla il manipolatore (Immagine 2).

Immagine 2: Schema a blocchi di un robot industriale.

I singoli segmenti di ciascun manipolatore robotico sono collegati da giunti meccanici, ognuno dei quali fornisce un asse di movimento. Un tipico manipolatore ha sei giunti (sei assi di movimento).

Ogni asse, mosso da un servomotore ad alta precisione o da un motore passo-passo, è limitato all’interno di uno specifico intervallo di movimento. Inoltre, ogni asse si muove a una velocità diversa, spesso elencata nei fogli dati come gradi percorsi al secondo. Maggiore è la gamma di movimento e maggiore è la velocità massima del giunto, maggiore è il grado di precisione necessario per controllare il movimento. La necessità di un maggiore coordinamento e precisione aumenta anche la quantità di dati operativi che devono essere registrati da ciascun sensore che traccia il manipolatore.

Per raggiungere questo obiettivo, ogni motore deve essere in grado di salvare i parametri chiave, inclusi l’angolo di rotazione e la posizione del braccio. Allo stesso modo, il controller deve mantenere un registro di controllo dettagliato con i parametri operativi di ciascun asse, inclusi la posizione, il valore dell’encoder e il carico utile.

Inoltre, il controller deve mantenere i propri registri del servomotore che tracciano la velocità, la coppia, il rilevamento del feedback del motore (ovvero, la corrente, la posizione, la velocità) e l’angolo di movimento. La registrazione affidabile di tutti questi dati richiede l’utilizzo di una memoria non volatile.

Memoria non volatile per la registrazione dei dati

Negli ultimi decenni, i dati critici sono stati conservati in SRAM con una batteria tampone. Tuttavia, questo approccio presenta numerosi svantaggi, tra i quali:

  1. Sono necessari diversi componenti (batterie, controller di gestione dell’alimentazione), che consumano più spazio ed aumentano il numero di punti di guasto.
  2. Per evitare di esporre le batterie al calore, le batterie vengono generalmente montate dopo il processo di assemblaggio e saldatura, aumentando i costi di produzione.

Per questi ed altri motivi, gli OEM hanno cominciato ad utilizzare un tipo di memoria non volatile per sostituire la SRAM che necessita di una batteria tampone.

La EEPROM non è molto resistente e per questo motivo non è stata considerata come un’opzione: i robot industriali funzionano 24 ore su 24, 7 giorni su 7 e devono registrare un’enorme quantità di dati in tempo reale. Poiché questi robot possono operare ininterrottamente per molti anni, la EEPROM alla fine si guasterà.

Anche l’utilizzo di una memoria Flash non è la migliore soluzione. Tuttavia per diminuirne l’usura possono essere utilizzate delle tecniche che ne rendono la vita operativa più longeva.

Il livellamento dell’usura è efficace nell’aumentare la vita utile della memoria, distribuendo uniformemente l’usura sulla memoria flash. Tuttavia, il processo di tracciamento e spostamento dei dati nella memoria va a scapito di una maggiore complessità che carica la CPU ed introduce una latenza per le operazioni di scrittura.

Affidabilità in tempo reale

Due dei motivi fondamentali per i quali è importante la registrazione dei dati sono l’analisi delle prestazioni nel tempo e il ripristino della lavorazione in caso dell’interruzione dell’alimentazione.
Per entrambe le funzioni, le informazioni più importanti delle quali si ha bisogno sono quelle raccolte nel momento in cui si verifica un errore.

Si consideri un robot ad alta precisione che sta eseguendo una lavorazione su una parte costosa. Se il robot subisce un’interruzione di corrente, il sistema deve essere in grado di ripristinare il punto esatto in cui era stato interrotto, con un elevato grado di precisione. In caso contrario, potrebbe essere necessario rottamare la parte.

Per mantenere un registro dati con un’elevata affidabilità, i dati devono essere acquisiti e archiviati continuamente nella memoria non volatile. Per questo motivo, i progettisti robotici stanno passando alla memoria ferroelettrica ad accesso casuale (F-RAM).
Come si può vedere dalla tabella, la F-RAM offre numerosi vantaggi che la rendono la scelta migliore per la memorizzazione di parametri operativi critici e per la registrazione dei dati.

Immagine 3

Registrazione dei dati

Gli sviluppatori devono decidere se centralizzare la registrazione dei dati o se registrare i dati localmente su ogni singolo robot.

I requisiti di registrazione dei dati, tuttavia, aumenteranno solo man mano che il numero di assi e sensori nei robot industriali continua a crescere (Immagine. 3). Allo stesso tempo, le prestazioni basate sull’intelligenza artificiale e gli algoritmi di manutenzione predittiva dovranno accedere a una gamma più ampia di parametri, aumentando la quantità complessiva di dati che devono essere raccolti e archiviati.

Immagine 4: I requisiti aumenteranno nel tempo man mano che il numero di assi e sensori nei robot industriali continua ad aumentare.

Molti produttori stanno impiegando dei mini-controller su ciascun motore le cui azioni sono coordinate dal controller principale. Pertanto, ogni motore tiene traccia dei propri parametri e sensori. Ciò, a sua volta, consentirà di sfruttare meglio le capacità dell’intelligenza artificiale e di machine learning, permettendo delle analisi più avanzate.

Altre memorie di archiviazione per i robot industriali

Alcuni robot industriali possono utilizzare anche delle altre tipologie di memoria dedicate ad altre funzioni e con l’avvento dell’Industria 4.0, c’è un crescente bisogno di proteggere i sistemi dalle minacce informatiche.

Uno degli obiettivi degli hacker è il dispositivo di memoria flash, che memorizza il codice di avvio, le chiavi di sicurezza e altri dati critici fondamentali per la corretta funzionalità del sistema. Su questo fronte, Infineon ha sviluppato SEMPER Secure NOR Flash, conforme agli standard di sicurezza funzionale e dotato di un sistema di sicurezza integrato per proteggere il codice dall’hacking.

La crescente complessità dei controller robotici ha portato molti produttori ad integrare direttamente sui macchinari un display per permettere l’interazione diretta ed immediata con un tecnico. Per il buffering di dati, audio, immagini e video o per l’uso come scratchpad per operazioni matematiche e ad alta intensità di dati, HyperRAMsi adatta bene come memoria di espansione.

Conclusione

La registrazione dei dati è una operazione essenziale nei robot industriali, dato che da questo dipendono il ripristino da guasti ed interruzioni di alimentazione senza influire negativamente sulla produzione. La registrazione dei dati svolge anche un ruolo importante per l’analisi a mezzo di di AI e ML, come la manutenzione predittiva.

La durata effettivamente illimitata della F-RAM combinata con la sua non volatilità istantanea, l’elevata produttività e l’acquisizione affidabile dei dati ne fanno una valida opzione per la memoria non volatile mirata alla registrazione dei dati ad alte prestazioni nei robot industriali.

Articolo originale: https://www.electronicdesign.com/industrial-automation/article/21216385/infineon-technologies-industry-40-and-iiot-the-rise-of-industrial-robots

Redazione Fare Elettronica