Sostituzione dei tradizionali azionamenti monodimensionali! Quanto possono risparmiare le imprese con le soluzioni EtherCAT multiasse?

Perché l’architettura degli azionamenti servo multi-asse garantisce risparmi immediati sull’infrastruttura

Eliminazione di componenti ridondanti: nessuno switch esterno, nessun hub né ripetitori a cascata

Gli azionamenti servo a più assi integrano tutte queste funzioni di controllo in un unico pacchetto, eliminando la necessità di tutta quella strumentazione di rete aggiuntiva che è invece standard negli obsoleti sistemi monoasse. Quando tutti i componenti vengono integrati, non è più necessario ricorrere a switch, hub o quegli scomodi ripetitori a cascata. Questi componenti complicano semplicemente il sistema, introducono ulteriori punti di potenziale guasto e, nel tempo, comportano costi significativamente più elevati per le aziende. L’integrazione di più assi all’interno di un singolo azionamento intelligente consente ai produttori di risparmiare circa il 15–20 percento soltanto sui costi dei componenti, rendendo nel contempo i loro sistemi molto meno soggetti a problemi di connessione. Alcuni rapporti sull’efficienza nell’automazione hanno rilevato che questi sistemi consolidati riducono i collegamenti elettrici di circa tre quarti rispetto agli approcci tradizionali. Ciò si traduce direttamente in installazioni più rapide e nella totale eliminazione della preoccupazione legata alla manutenzione di tutta quell’ulteriore strumentazione di rete. Inoltre, la progettazione semplificata riduce i tempi di validazione durante la messa in servizio di circa il 40 percento rispetto al passato.

Riduzione dello spazio nell'armadio e del cablaggio: gli azionamenti a due e quattro assi riducono l'ingombro dell'armadio fino al 60%

Quando si tratta di sistemi di azionamento, le configurazioni consolidate riducono notevolmente la necessità di infrastrutture fisiche. I modelli a due e quattro assi integrano fondamentalmente diversi regolatori di motore in un’unica unità, consentendo di liberare circa il 60% di spazio aggiuntivo all’interno dell’armadio rispetto all’installazione di azionamenti separati. Grazie alle configurazioni con bus in corrente continua condiviso e alle porte di comunicazione integrate, la quantità complessiva di cablaggio necessaria risulta drasticamente ridotta. Parliamo infatti di una riduzione dei cavi compresa tra il 70% e l’85%, il che significa minor numero di canaline che attraversano le pareti, minor lavoro di terminazione nei punti di connessione e, ovviamente, risparmi di tempo e denaro per la manodopera di installazione. Secondo le segnalazioni dei tecnici sul campo, i tempi di installazione si riducono tipicamente del 30%. Vi sono inoltre altri vantaggi economici: armadi di controllo più piccoli comportano costi inferiori per i materiali degli involucri, mentre la minore generazione di calore riduce i requisiti di raffreddamento per l’impianto. Per i produttori che operano in spazi ristretti, queste soluzioni compatte di azionamento permettono di ottenere risultati impressionanti con un rapporto di 3 assi per piede quadrato (circa 3 assi per 0,093 m²) di superficie occupata. Ciò rende molto più semplice l’ampliamento delle linee di produzione senza dover apportare modifiche sostanziali agli impianti esistenti.

Prestazioni deterministiche di EtherCAT come leva diretta per la riduzione dei costi

Jitter sub-microsecondo e orologi distribuiti che abilitano una sincronizzazione precisa di azionamenti servo multiasse, riducendo gli errori di movimento e i costosi tentativi hardware ripetuti

Il sistema di orologi distribuiti di EtherCAT consente una sincronizzazione inferiore a un microsecondo, eliminando praticamente i problemi di temporizzazione che compromettono l’allineamento nei sistemi di movimento multiasse. Con questo livello di precisione, gli errori di posizionamento dei servo si riducono di circa il 90% rispetto alle precedenti tecnologie fieldbus, con conseguente minor numero di tentativi ripetuti dovuti a problemi hardware e notevole riduzione degli scarti di materiale. Anche i risultati ottenuti nella pratica sono impressionanti: le aziende del settore del packaging hanno registrato circa il 40% in meno di fermi legati a problemi di movimento dopo aver sostituito i propri azionamenti servo con soluzioni basate su EtherCAT. Ciò si traduce, secondo il rapporto 2023 dell’Istituto Ponemon sui costi dell’arresto dei sistemi di automazione industriale, in un risparmio annuo di circa settecentoquarantamila dollari per singola linea produttiva.

Comunicazione a singolo cavo e singolo frame, scalabile a oltre 10.000 nodi – riduce l’overhead di comunicazione per asse di circa il 70%

La funzione di elaborazione in tempo reale di EtherCAT consente di collegare in serie fino a oltre 65.000 dispositivi utilizzando un solo cavo ogni volta che vengono connessi tra loro in configurazione testa-coda. Ciò sostituisce le complesse configurazioni di rete a stella con soluzioni molto più semplici e che richiedono complessivamente molto meno equipaggiamento. Le aziende riferiscono risparmi compresi tra il 60 e l’80 percento sui cavi rispetto alle tradizionali connessioni punto-punto, riducendo contemporaneamente anche i tempi di trasmissione dei messaggi attraverso il sistema. I ritardi di comunicazione scendono a circa 30 microsecondi per ogni mille punti di ingresso/uscita e gli ingegneri impiegano attualmente circa la metà del tempo per configurare queste reti. Anche importanti produttori hanno ottenuto risultati tangibili: alcuni riportano una riduzione del carico di comunicazione pari a circa il settanta percento quando si estendono sistemi oltre i diecimila nodi, senza dover ricorrere a ulteriore hardware come switch o ripetitori. Questi miglioramenti si traducono in risparmi economici concreti: una fabbrica ha riportato risparmi pari a quasi due milioni di dollari dopo cinque anni di utilizzo di sistemi robotici ad alto numero di assi.

Costo totale di proprietà: azionamenti servo multi-asse rispetto a implementazioni fieldbus mono-asse

Risparmi su cablaggio e manodopera: 60–80% in meno di cavi, canaline e connessioni rispetto a CANopen/PROFIBUS

Quando si tratta di azionamenti servo multiasse, questi sistemi integrano il controllo di circa 2–4 assi all'interno di un'unica unità compatta. Questa configurazione riduce notevolmente la necessità di infrastrutture fisiche. Parliamo di installazioni che richiedono dal 60% all'80% in meno di cablaggio rispetto ai tradizionali sistemi CANopen o PROFIBUS. Cosa significa questo? Niente più tubi corrugati da trascinare per chilometri, niente più centinaia di punti di terminazione da gestire e niente più complicati fasci di cavi da assemblare, operazione che in passato richiedeva un tempo considerevole. Prendiamo ad esempio una linea di produzione tipica da 50 assi: i risparmi sono davvero significativi, con circa 18.000 dollari risparmiati soltanto sui costi del cavo in rame. E non dimentichiamo neppure il risparmio di tempo per l’installazione: gli operatori devono ora collegare un solo cavo di alimentazione e un solo cavo EtherCAT per ogni azionamento, anziché dover posare cavi separati per ciascun motore come avveniva in passato con i sistemi obsoleti. Anche il montaggio degli armadi elettrici risulta molto più rapido, con tempi di costruzione ridotti del 40–65%. Ciò significa che l’intero sistema entra in funzione più velocemente che mai.

Fattori nascosti del TCO: tempo dedicato all'ingegneria, cicli di validazione, inventario dei ricambi e manutenzione a lungo termine

Oltre ai risparmi sull'hardware, gli azionamenti servo multiasse riducono i costi nascosti lungo l'intero ciclo operativo:

• Sovraccarico ingegneristico si riduce del 30–50% grazie a topologie standardizzate e alla minore necessità di programmazione personalizzata
• I cicli di validazione si accorciano eliminando i rischi per l'integrità del segnale derivanti dalle connessioni in cascata
• L'inventario dei ricambi si riduce del 60%: un singolo azionamento sostituisce da 2 a 4 unità monosso
• La manutenzione predittiva è semplificata grazie al monitoraggio centralizzato dello stato attraverso le diagnosi EtherCAT

Gli stabilimenti riportano costi annuali di manutenzione inferiori del 35% a causa del minor numero di punti di guasto. I fermi non programmati causati da corrosione dei connettori o danni ai cavi diminuiscono sensibilmente – aspetto critico per settori ad alta disponibilità, come quello dell'imballaggio, dove ogni ora di fermo comporta un costo stimato di 740.000 USD (Ponemon Institute, Rapporto di riferimento sui costi dei fermi nell'automazione industriale , 2023).

Superare gli ostacoli all'adozione: perché gli OEM esitano – e come colmare il divario

Anche se gli studi dimostrano un risparmio complessivo sui costi compreso tra il 35 e il 42 percento con l’implementazione di azionamenti servo multiasse, molti costruttori di macchine originali (OEM) continuano a incontrare difficoltà nell’adozione diffusa di questi sistemi nelle proprie operazioni. In sostanza, si frappongono quattro principali ostacoli. Il primo è rappresentato dalla complessità dell’integrazione della nuova tecnologia con apparecchiature obsolete che utilizzano standard di comunicazione diversi. Poi c’è sempre la questione dei costi: nessuno desidera affrontare fin dall’inizio l’argomento degli investimenti iniziali, che appaiono elevati in assenza di un ritorno sull’investimento visibile entro pochi mesi. Spesso i team di manutenzione non dispongono di una formazione adeguata sulla tecnologia EtherCAT, creando un ulteriore ostacolo. E non dobbiamo dimenticare il peggiore incubo di tutti: le fermate produttive durante la fase di retrofitting delle macchine esistenti con questa tecnologia più recente. Tutti questi fattori, combinati tra loro, generano una seria esitazione, nonostante i vantaggi finanziari a lungo termine che attendono alla fine del tunnel.

L'approccio migliore? Iniziare con piccoli passi, implementando i cambiamenti prima sulle linee di produzione meno critiche. Ciò consente alle aziende di verificare l’efficacia delle modifiche prima di un’adozione su larga scala, riducendo così i potenziali rischi. Ha senso anche collaborare con partner certificati: questi professionisti possiedono una solida esperienza nell’integrazione di nuovi sistemi e nella formazione adeguata del personale; la loro competenza nel campo del controllo del movimento può effettivamente accelerare notevolmente i tempi di implementazione. Analizzando i costi nel tempo, va sottolineato un aspetto rilevante relativo ai driver servo multiasse rispetto a quelli monosasse: studi indicano risparmi compresi tra il 60 e l’80 percento esclusivamente sui costi di cablaggio e manodopera. Questi risparmi si accumulano rapidamente. La maggior parte dei progetti pilota da noi osservati tende ad ammortizzarsi in circa un anno e mezzo, grazie alla riduzione delle scorte necessarie e al minor numero di ore dedicate alla manutenzione per la risoluzione di problemi. E non dimentichiamo neppure i design modulari dei driver: consentono sostituzioni agevoli durante i normali interventi di manutenzione, senza dover interrompere completamente le operazioni. Inoltre, sono compatibili anche con gli impianti più datati, quindi non è necessario sostituire subito quanto già in dotazione.