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WHITE PAPER - IL MOTION CONTROL NELL'AUTOMAZIONE 4.0

Il motion control nell'automazione 4.0:6 caratteristiche imprescindibili per macchine di nuova generazione

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EDITORIALE

Questo white paper è finalizzato a descrivere le 6 principali caratteristiche che, secondo Bosch Rexroth, devono avere le macchine di produzione in ambiente industriale 4.0

Caratteristiche che soddisfano le esigenze sia dei costruttori sia degli utilizzatori finali e che consentono di progettare macchine facili da configurare, da utilizzare e da sottoporre a manutenzione in un contesto di produzione in costante evoluzione.

È questa visione che guida oggi i nostri nuovi sviluppi e siamo convinti che le nostre soluzioni abbiano molto da offrire alle aziende che vogliono ottenere un vantaggio competitivo. Siamo qui per aiutarvi a conservare questo vantaggio.

I nostri obiettivi

10 % dei componenti

20% dei costi di ingegneria

10% di produttività

Come leader dell'automazione industiale, Bosch Rexroth accompagna da oltre 50 anni l'evoluzione delle macchine di produzione, proponendo ai costruttori soluzioni innovative di motion control e di azionamento elettrico.

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Conservate un vantaggio competitivo nella progettazione delle vostre macchine

Bosch Rexroth è all'avanguardia in questo settore sin dalla fine degli anni '70, con i primi servoazionamenti AC e CC. Bosch Rexroth è stato anche il primo produttore a proporre, alla fine degli anni '80, un bus in tempo reale Sercos e un controller d'asse con robotica integrata e, all'inizio degli anni 2000, dei servoazionamenti con sicurezza integrata e dei servoazionamenti decentrati.

Oggi Bosch Rexroth è 3° al mondo nel MotionControl, con oltre 100.000 impianti e un milione di servoazionamenti venduti nel mondo, per macchine speciali o di serie, in numerosi settori tra cui imballaggio, stampa, agroalimentare, automobili, montaggio e lavorazione della lamiera.

Player globale nel settore dell'automazione, Bosch Rexroth offre soluzioni meccatroniche complete (macchine, quasi macchine, sottogruppi) e su misura, che consentono di usufruire di grande libertà nella scelta dell'architettura del motion control. Queste soluzioni sono ancor più affidabili in quanto Bosch Rexroth possiede una approfondita conoscenza di tutti gli elementi: controller, motori, inverter e azionamenti elettrici.

01 Semplicità

• Semplicità di integrazione dei componenti• Controllo decentralizzato e integrato• Pre-configurazione delle funzioni di automazione• Comando multi-stazione e HMI mobili• Riduzione dei tempi di progettazione

02 Adattabilità

• Moltissime opzioni per la massima libertà di progettazione• Nuove tecnologie per un adattamento in tempo reale

al processo di produzione

03 Compattezza

• Nuove topologie per le reti di controllo• Verso un'alimentazione senza quadro elettrico per un ingombro

minimo

04 Efficacia

• Prestazioni dinamiche sempre più elevate• Massimo risparmio energetico per le macchine

05 Sicurezza

• Dal componente alla macchina: proteggere uomini eattrezzature mantenendo la produttività

• Gestione globale a livello del controller e decentramento dellefunzioni per movimenti sicuri

• Analisi dei rischi e ottimizzazione della collaborazioneuomo/macchina

06 Connettività

• Integrazione dei sistemi IT nella catena di controllo• Nuovi modi di programmazione per le funzioni connesse• Trasmissione dei dati di processo e guida macchina

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6 caratteristiche fondamentali per le macchine di nuova generazione

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Semplicità

Semplicità di integrazione dei componenti Questa semplicità presuppone sia evoluzioni fisiche (nella progettazione dei componenti stessi) sia a livello software.

A livello fisico: i componenti vanno verso una maggiore modularità e un cablaggio semplificato. Per quanto riguarda Bosch Rexroth, si possono citare ad esempio la gamma di servomotori sincroni monocavo MS2N o i servoazionamenti modulari della gamma IndraDrive.

A livello logico: Tutti i componenti di Motion Control devono essere comunicanti e interoperabili affinché le macchine possano diventare una maglia della catena dello stabilimento connesso. È la logica che persegue oggi Bosch Rexroth sviluppando hardware e software multi-protocollo (tra cui OPC-UA), supportati da tutte le reti industriali di campo e in grado di comunicare con sistemi terzi, e offrendo di serie l'accesso a tutti i dati dei suoi componenti.

Controllo decentralizzato e integrato

L'integrazione dell'inverter con il motore consente di collocare l'azionamento nel cuore della macchina e di semplificare l'utilizzo del servosistema sulle parti mobili, rendendo estremamente semplice ed economica

l'applicazione nelle macchine a collettore rotante (macchine con giostre). Nell'azionamento possono essere integrati anche il motion control, gli I/O e le funzioni di sicurezza, rendendolo di fatto un sistema completamente autonomo.

La soluzione Bosch Rexroth, che abbina in un unico oggetto le funzionalità di IndraDrive Mi e Motion Logic Drive Based MLD, garantisce intelligenza, modularità e flessibilità in un'unica soluzione.

Pre-configurazione delle funzioni di automazione

La programmazione di una macchina per un'applicazione particolare rimane un'operazione onerosa a livello di tempo; standardizzare al massimo questa fase consente di aumentare l'affidabilità e ridurre i tempi di avviamento, favorendo la coerenza d'uso da una macchina a un'altra.

La standardizzazione consente anche al progettista di concentrare i suoi sforzi sulle particolarità dell'applicazione, principale valore aggiunto del processo o della macchina.

Facilita infine la riconfigurazione della macchina, una problematica destinata a diventare sempre più centrale in un contesto di produzione ultra-flessibile.

Bosch Rexroth propone sui suoi controller delle GAT (Generic Application Templates); questi programmi base consentono di implementare molto rapidamente la struttura di programmazione globale. La piattaforma software IndraWorks contienela più vasta library di funzioniMotion per tutti i tipi dimacchina e processo.La piattaforma softwareIndraWorks contiene la più vasta libreria di funzioniMotion per tutti i tipi dimacchina e processo.

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Riduzione dei tempi di progettazione La simulazione digitale è un ottimo modo per i costruttori di macchine di ridurre costi e tempi di sviluppo, convalidando moltissime scelte tecniche prima di passare alla costruzione del prototipo fisico.

Nel caso del Motion Control, gli strumenti di simulazione devono integrare sia l'elettronica che la parte meccanica, per riprodurre correttamente il comportamento del sistema. Bosch Rexroth è in grado di fornire questo servizio ai clienti grazie al suo know-how globale e agli strumenti sviluppati internamente.

Oggi sono sempre più numerose le aziende che siindirizzano verso l'innovativo concetto di digital twin. Nel settore della costruzione di macchine industriali, questa replica virtuale connessa al suo doppio reale potrebbe consentire di sfruttare efficacemente tutti i dati dell’IoT per conoscere con precisione il comportamento di

Semplicità

Al fine di favorire la diffusione del concetto di digital twin, Bosch Rexroth ha deciso di collaborare con diverse software house a cui fornisce i dati dei suoi componenti. In questo modo, la nostra azienda si schiera una volta ancora a favore dei sistemi aperti, che considera come imprescindibili per l'approccio alla Factory of the Future.

una macchina in produzione e la sua evoluzione nel tempo. Una fonte di informazione preziosa per i progettisti incaricati del miglioramento del prodotto.

Comando multi-stazione e HMI mobili

Benché ogni settore industriale presenti esigenze specifiche in termini di controllo macchina, l’Industria 4.0 evidenzia la tendenza comune verso una supervisione umana più ampia e quindi decentrata, ovvero mobile.

Questa tendenza causa cambiamenti sia a livello di hardware (comparsa di tablet e smartphone in fabbrica) che a livello di interfaccia di comando (nuove aspettative d'uso mutuate dalla vita privata).

Bosch Rexroth tiene conto di queste nuove aspettative nello sviluppo della sua nuova generazione di HMI, ad esempio con l'integrazione della tecnologia Multitouch.

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Adattabilità

Moltissime opzioni per la massima libertà di progettazione

Poter scegliere i propri componenti in una gamma il più ampia possibile di tecnologie e modelli consente ai costruttori di essere perfettamente preparati sia per gamme standard che per prodotti su misura.

Bosch Rexroth propone un'ampia gamma di servomotori: sincroni ed asinconroni nelle varianti con raffreddamento naturale, ad aria e ad acqua, anche nelle versioni pressurizzabili ed es. kit di motori lineari e coppia per soddisfare le esigenze di ogni applicazione. Le nostre gamme contengono un gran numero di varianti, come la gamma MS2N (gamma standard di servomotori), che comprende oltre 50 modelli; I costruttori sono guidati nella scelta da strumenti di configurazione on line.

Oggi Bosch Rexroth si spinge ancora oltre, offrendo ai costruttori la possibilità, quando necessario, di usufruire della potenza idraulica con la stessa semplicità di controllo della potenza elettrica. A questo fine, proponiamo assi idraulici autonomi perfettamente interscambiabili con un asse elettrico e dei controller multi-tecnologia (MLC) che consentono di comandare contemporaneamente assi elettrici, idraulici o configurazioni ibride.

Nuove tecnologie per un adattamento in tempo reale al processo di produzione

Bosch Rexroth sviluppa inoltre nuove tecnologie che consentono di adattare in tempo reale il comportamento della macchina a seconda del prodotto che deve realizzare.

L’abbinamento di sensori ottici e software specifici consente ad esempio di sviluppare alimentatori a nastro intelligenti che accelerano o rallentano a seconda del prodotto che vedono arrivare.

Le camme elettroniche, abbinate o meno a sistemi attivi di ammortizzazione delle vibrazioni, offrono maggiore flessibilità nella gestione del movimento e consentono di modificarlo molto rapidamente. Questo consente di adattarsi a diversi prodotti e cicli di produzione.

L'obiettivo è quello di ridurre al massimo i tempi di cambio di formato, fino ad arrivare forse un giorno ad eliminarli del tutto, per aumentare l'OEE delle macchine.

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Compattezza

Nuove topologie per un'automazione decentralizzataLa sfida è rivedere il design di ogni componente e tutta la parte di connettività, ma anche semplificare le architetture eliminando dei componenti per permettere ai costruttori di soddisfare le esigenze industriali con macchine più compatte e più facili da spostare.

Bosch Rexroth applica questa filosofia all'intera gamma Motion Control, dall'inverter all'armadio elettrico.

Verso un'alimentazione senza quadro elettrico per un ingombro minimo

Le nuove topologie di alimentazione consentono oggi di progettare macchine con quadro elettrico notevolmente ridotto o addirittura prive di quadro elettrico.

Bosch Rexroth propone quindi un concetto in cui il modulo di rete e il modulo di alimentazione sono alloggiati a bordo macchina e i servoazionamenti sono collegati in serie.

Questo concetto cabinet-free consente di ridurre fino al 90% la quantità di cavi necessaria, con conseguenti significativi vantaggi in termini di costi e tempi di installazione ma anche di spese di riparazione e manutenzione. I cavi sono infatti elementi particolarmente sensibili, specialmente negli ambienti di produzione difficili.

L'alimentazione senza quadro elettrico offre inoltre una grandissima flessibilità allo strumento di produzione: ormai è quasi altrettanto semplice spostare la macchina all'interno dello stabilimento che scollegare uno strumento per ricollegarlo un po' più in là.

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IndraDrive Mi: l’azionamento decentralizzato senza quadro elettrico

Intelligente, compatto, facile da integrare e cabinet-free, il sistema IndraDrive Mi soddisfa tutte le esigenze dei costruttori a livello di comando di assi.

Tutti i componenti del sistema hanno un indice di protezione IP 65 per poter essere integrati all'interno delle macchine.

Consente di collegare in serie fino a 30 servoazionamenti con un cavo ibrido che raggruppa tutti i segnali: con un risparmio di chilometri di cavo.

Il sistema IndraDrive Mi prevede la condivisione del DC bus, consentendo l'energy storage/sharing e la rigenerazione in rete durante le fasi di frenatura. I principali vantaggi sono l'ottimizzazione del rendimento energetico e l'eliminazione/riduzione dei sistemi di raffreddamento del quadro elettrico.

Per saperne di più visita il blog Expertise

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Efficacia

Prestazioni sempre più elevate del motion

I sistemi di motion control sono oggetto di continui miglioramenti che seguono l'evoluzione delle tecnologie (processori, fieldbus, ecc.). I controlli numerici offrono sempre maggiore potenza e velocità, sia per quanto riguarda la sincronizzazione che il tempo di ciclo. Anche la precisione del posizionamento fa progressi e raggiunge oggi il nanometro. Un miglioramento delle prestazioni senz'altro utile alla produttività delle aziende.

L'apertura dei sistemi di controllo all'IoT è più recente e le soluzioni proposte variano da un produttore all'altro. Qualunque sia quella che verrà poi preferita, è importante accertarsi della sua robustezza nel tempo e della sua capacità di soddisfare i criteri di sicurezza specifici di ogni applicazione.

Massimo risparmio energetico per le macchine.

Il risparmio energetico è un argomento importante per gli utenti, sia a livello ambientale che a livello di TCO (Total Cost of Ownership).

È il frutto di un impegno di progettazione globaleche Bosch Rexroth, da parte sua, attua in modosistematico conformemente al suo approccio 4EE.

La nuova piattaforma di controllo XM Bosch Rexroth è un esempio di soluzione che integra queste evoluzioni:

• grande potenza di calcolo, utile sia alprocesso che agli scambi con sistemi terzi,

• comunicazione deterministica in temporeale mediante il bus Sercos, standardaperto riconosciuto da numerosi produttori,

• interfaccia Gigabit Ethernet integrata perconsentire la trasmissione di considerevolivolumi di dati verso sistemi IT superiori.

Rexroth 4EE, sono 4 leve di azione permassimizzare il risparmio energetico:

Analisi globale della progettazione del sistema energetico,

Scelta di componenti a elevata efficienza energetica,

Recupero dell'energia inutilizzata all'interno del sistema,

Fornitura di energia su richiesta,in funzione delle necessità.

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Sicurezza

Dal componente alla macchina: proteggere uomini e attrezzature mantenendo la produttività

Tutti i componenti di sicurezza Bosch Rexroth sono testati e certificati in conformità alle più recenti norme applicabili. Utilizzando questi componenti, i costruttori di macchine risparmiano tempo nella certificazione delle loro attrezzature e nell'elaborazione della documentazione di sicurezza.

Oltre all'aspetto normativo, il vantaggio dei componenti Bosch Rexroth consiste nella già citata semplicità d'uso che si traduce in due principi di implementazione: la gestione globale a livello del controller e il decentramento delle funzioni per movimenti sicuri.

Gestione globale a livello del controller e decentramento delle funzioni per movimenti sicuri

Grazie al modulo SafeLogic integrabile sul controller degli assi, l’abbinamento del comando di sicurezza e

del comando di processo su una stessa piattaforma hardware consente di semplificare l'architettura globale, ridurre il numero di componenti, il numero dei collegamenti elettrici e il costo del cablaggio, in particolare negli impianti con un numero di assi significativo.

L'integrazione delle funzioni per movimenti sicuri negli azionamenti consente di usufruire di diverse zone di sicurezza che possono essere attivate separatamente dall'utente finale. In numerosi casi di intervento, non è quindi più necessario fermare tutta la macchina e questo abbrevia la procedura di riavvio. Gli arresti macchina si riducono e l’OEE aumenta.

L'opzione integrata SafeMotion per i movimenti sicuri è disponibile su tutti gli azionamenti della gamma IndraDrive.

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Sicurezza

Analisi dei rischi e ottimizzazione della collaborazione uomo/macchina La sicurezza delle macchine è una disciplina che diventa sempre più complessa di pari passo con le evoluzioni normative e tecnologiche. Oltre all'uso di componenti di sicurezza, per le macchine complete e le quasi-macchine richiede un'analisi attenta dei rischi e la convalida delle soluzioni scelte.

Bosch Rexroth propone il suo metodo Safety on Board per garantire il massimo livello di sicurezza delle macchine ottimizzando al contempo la collaborazione uomo/macchina.

Valutazione del rischio

Identificazione delle funzioni di sicurezza

Definizione del livello di prestazione richiesto(PLr)

Scelta dell'architettura di sistema

Modellizzazione del circuito in forma di schema funzionale

Guasti e diagnostica (DC)

Definizione del livello di prestazioni(PL)

Valutazione della robustezza del comando – Prevenzione dei guasti (CCF)

Requisiti software

Verifica e convalida del livello di prestazioni raggiunto (PL ≥ PLr)

Un metodo unico, completo, approvato!

Comprende 10 fasi: 1

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10 fasi per

l'implementazione della sicurezza

funzionale

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Connettività

Integrazione dei sistemi IT nella catena di controllo

Il Motion Control è ovviamente al centro della riflessione dei costruttori di macchine sulla fabbrica del futuro. Una fabbrica che deve essere più intelligente, grazie in particolare all'incontro di due universi fino ad ora ben distinti: IT (Information Technology) e OT (Operational Technology).

Affinché questo incontro possa avvenire, occorre che i dati possano circolare in modo fluido in un una catena di controllo ampliata che in futuro andrà dal componente di automazione all'ERP dell'azienda o al Cloud: occorre dunque disporre di un linguaggio comune e di luoghi di incontro comuni all'intera catena.

Affinché questo incontro possa avvenire, occorre che i dati possano circolare in modo fluido in un una catena di controllo ampliata che in futuro andrà dal componente di automazione all'ERP dell'azienda o al Cloud: occorre dunque disporre di un linguaggio comune e di luoghi di incontro comuni all'intera catena.

OPC UA

Configurazione e integrazione dei dati tramite interfaccia Web User di IoT Gateway. Nessun intervento tramite controllo della macchina.

Monitoraggio e analisi dei dati di produzione con PPM (Production Performance Manager) Bosch

API

Sensori

IoT Gateway

Bosch Rexroth, come la maggior parte dei player sul mercato, risponde a questa problematica abbinando il bus di automazione SERCOS e lo standard di comunicazione OPC UA. SERCOS garantisce la comunicazione deterministica in tempo reale all'interno dei sistemi di azionamento, mentre OPC UA gestisce lo scambio di dati con il sistema IT.

Lo scambio di dati SERCOS / OPC UA è standardizzato dal novembre 2015 e questo consente di offrire un quadro semantico coerente e protetto all'insieme dei componenti della fabbrica intelligente.

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Connettività

Nuovi modi di programmazione per le funzioni connesse

La fusione IT/OT influisce anche sulle modalità di programmazione: il controllo integra sempre più funzioni connesse, identificate come funzioni informatiche.

Questo cambiamento è indotto dall'evoluzione delle topologie, che consente una programmazione orientata all'oggetto nei controller e dalla capacità dei software associati a hardware terzi di contenere funzioni eseguibili attraverso una rete Ethernet.

Professionisti non specializzati in automazione possono quindi dover intervenire sul controllo e devono poterlo fare con i linguaggi che padroneggiano.

Per questo motivo, Bosch Rexroth ha sviluppato latecnologia Open Core Engineering: OCE consenteagli informatici di sviluppare applicazioni di controllo specifiche in Java o C++ e con diversi sistemi operativi, senza dover conoscere l'ambiente di sviluppo del controllo. OCE offre anche una soluzione nell'ambito di funzioni moltospecifiche, come l'elaborazione delle immagini.

"Negli anni abbiamo sviluppato una complessatrasformazione delle coordinate che abbiamotrasposto in linguaggio di programmazione C; cioccorrevano sistemi di azionamento e comando ingrado di integrare questo know-how."

Detlev Philipp, WEISS GmbH

"Il nostro considerevole know-how deve essere protetto. Inoltre vogliamo interfacce aperte per consentire ai nostri programmatori di reagire molto rapidamente alle richieste dei clienti. Un controllo numerico che consenta l'accesso al core del sistema da parte di sw esterni ci consente la massima sicurezza e flessibilità."

Chen Yan, Han’s Laser

Per aumentare al massimo il tasso di disponibilità delle macchine riducendo al contempo i costi di manutenzione, i servizi di manutenzione cercano di prevedere i guasti nel modo più preciso e precoce possibile.

Le applicazioni di manutenzione predittiva utilizzano una notevole quantità di dati eterogenei che superano il semplice processo e sono elaborati su scala di uno o più stabilimenti tramite interfacce web. il motion control deve quindi integrare un web server che consenta l'accesso ai dati

Trasmissione dei dati di processo e gestione macchina

e/o la loro trasmissione ad un livello superiore senza rallentare il processo.

Bosch Rexroth propone oggi, in collaborazione con Bosch Software Innovations, una serie di soluzioni per lo sviluppo di applicazioni di manutenzione.

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Connettività

IoT Gateway viene implementato in modo molto semplice grazie a 3 applicazioni integrate:

Devices App Connessione delle periferiche

Processing App Elaborazione e trasmissione dei dati

Dashboard AppDashboard che offre una panoramica dei dati e l'accesso all'amministrazione del sistema.

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IoT Gateway

Il gateway IoT è un software integrato nel controllo che consente di accedere non solo a tutti i dati del sistema di azionamento ma anche a dati esterni e di farli confluire verso un livello superiore (MES, Cloud) per elaborazione e analisi

IoT Gateway funziona indipendentemente dal controllo della macchina e non interferisce in alcun modo nel processo.

IoT Gateway è basato su standard aperti (Linux, Java, OGSI framework) per consentire lo sviluppo e l'integrazione di moltissime applicazioni personalizzate..

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Scopri tutti i nostri white paper su:expertise.boschrexroth.it

Il Motion Control di nuova generazione consente già oggi ai costruttori e agli utenti di macchine di aumentare la loro competitività con:

• la semplificazione delle architetture e lariduzione del numero di componenti,

• la riduzione dei tempi di sviluppo,di integrazione e messa in servizio,

• l'aumento dell'affidabilità edella disponibilità delle macchine,

• la riduzione dei costi di manutenzione e delconsumo energetico,

• il pieno controllo del movimento.

Il Motion Control di nuova generazione è già pronto per lo stabilimento digitale e intelligente con:

• componenti interoperabili a livello OT e ingrado di comunicare con i sistemi IT,

• soluzioni di trasmissione dati versosistemi di elaborazione superiori,

• maggiore apertura verso applicazioni terze,

• maggiore flessibilità nella riconfigurazionedi linee e stabilimenti.

IN SINTESISemplice, adattabile, compatta, efficace, sicura e connessa: questa è oggi per noi la macchina automatica ideale.

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