L'Intelligent Edge si sta diffondendo in tutto il comparto industriale, sostituendo i sensori e gli attuatori edge precedenti. L'Intelligent Edge può utilizzare i comuni alimentatori di vecchia generazione? In alcuni casi sì, ma nella maggior parte dei casi no! È necessario progettare alimentatori adatti allo scopo e più avanzati
Il settore degli alimentatori per sensori industriali è attualmente ricco di innovazioni e di sfide. L'implementazione di un Intelligent Edge implica una preparazione dei dati altrettanto intelligente. Ciò richiede innovazioni negli alimentatori. In alcuni casi, i sensori dell'Intelligent Edge devono essere alimentati da un singolo cavo a coppia intrecciata, che può essere fornito da una soluzione SPoE (Single-Pair Power over Ethernet) a coppia-singola. In altre applicazioni, una soluzione nanopower può aiutare a risparmiare energia per ottenere tempi di funzionamento prolungati con una batteria dal lato del sensore. Inoltre, alcuni sensori intelligenti richiedono un'alimentazione a bassissimo rumore, in modo da non compromettere i propri dati. Infine, l'aggiunta di sensori intelligenti all'edge richiederà un alimentatore con una maggiore densità di potenza. Questo perché i nuovi sensori devono essere inseriti nel form factor esistente.
Cos’è l’Intelligent Edge?
Il termine Intelligent Edge si riferisce ai sensori dei sistemi industriali in grado di selezionare ed elaborare i dati in modo indipendente. Tra i sensori e l'unità di controllo centrale viene trasmesso un volume di dati inferiore, per cui la trasmissione dei dati risulta meno impegnativa. Naturalmente, per elaborare i dati forniti dai sensori è necessario un microcontrollore. Un esempio semplice è rappresentato da un sensore ottico utilizzato per il rilevamento di informazioni specifiche. Ad esempio, può rilevare le persone che entrano accidentalmente in un'area di produzione automatizzata, mettendosi così in pericolo. I dati dell'immagine devono essere elaborati in modo tale da poter identificare inequivocabilmente una persona, al fine di arrestare rapidamente le macchine. Questo dovrebbe servire a prevenire gli infortuni. L'obiettivo è quello di elaborare i dati delle immagini nell'Intelligent Edge. Soltanto un segnale, quello relativo alla persona rilevata nel campo visivo della telecamera, viene trasmesso al computer centrale. Il trasferimento dei dati delle immagini al computer centrale viene eliminato. Di conseguenza, la larghezza di banda di trasmissione richiesta è minore e la trasmissione viene semplificata.
Come viene progettato l’Intelligent Edge?
Grazie all'unità di elaborazione aggiuntiva (microcontrollore) dell'Intelligent Edge, viene creato uno smart sensor. Tuttavia, questa unità ha un assorbimento di corrente maggiore. Per fornire al sensore questa corrente più elevata, sono necessari concetti innovativi. Questo vale soprattutto per gli impianti e le infrastrutture industriali esistenti. Le soluzioni devono fornire mezzi semplici e sicuri per soddisfare le maggiori richieste di corrente, oltre a consentire una trasmissione dei dati sicura.
Realizzazione dell'Intelligent Edge con un cavo a due fili preesistente (ad esempio, un'interfaccia da 4 mA a 20 mA)
La tecnologia SPoE contribuisce alla realizzazione dell'Intelligent Edge, in quanto può essere utilizzato per l'alimentazione tramite cavo a 2 fili. Il SPoE è simile all'alimentazione via Ethernet (PoE), ma può essere implementata con un cavo a due fili preesistente (ad esempio, un'interfaccia da 4 mA a 20 mA). Con il SPoE è possibile trasmettere fino a 52 W su 400 metri o fino a 20 W su una distanza di 1 chilometro. Le specifiche SPoE sono riportate nello standard IEEE 802.3cg. La linea funziona alla tensione di 24 V o 55 V. La particolarità di questo tipo di alimentazione è che sia il trasporto di energia che la trasmissione dei dati possono avvenire sullo stesso cavo a due fili. La comunicazione dei dati si basa sullo standard 10BASE-T1L. La Figura 1 mostra un SPoE che fornisce fino a 52 W attraverso un singolo cavo a due fili, fino a 1 km di lunghezza.
Sensori nanopower in ambienti industriali
Un esempio di sensore a basso consumo in ambiente industriale, nel contesto dell'Intelligent Edge, è rappresentato dai sensori di vibrazione distribuiti in un impianto di processo per monitorare le singole macchine.
Le vibrazioni registrate corrispondono a diverse frequenze e forniscono un'indicazione che permette di comprendere se la meccanica dei cuscinetti e degli alberi possa ancora funzionare in modo affidabile. Da essi è possibile identificare i primi segni di invecchiamento. In questo modo è possibile ridurre la probabilità di fermo macchina non programmato o di funzionamento al di fuori di specifiche tolleranze. Questa risposta è resa possibile dalla misurazione precisa delle vibrazioni. Il monitoraggio dei dati sulle vibrazioni richiede algoritmi sofisticati che valutano grandi quantità di dati in tempo reale. L'elaborazione dei dati può avvenire localmente nel luogo di installazione o in una postazione centrale. In caso di valutazione centralizzata, tutti i dati raccolti dai sensori devono essere trasmessi via cavo o in modalità wireless tramite onde radio.
In molte applicazioni, risulta vantaggioso implementare la valutazione dei dati a livello locale, direttamente sul sensore. Per questa implementazione, gli impianti industriali esistenti possono essere semplicemente dotati di sensori di vibrazione; non è necessario posare ulteriori cavi. Se rileva un intervallo di frequenza al di fuori delle tolleranze, il sensore emette un segnale di avvertimento definito.
Questo tipo di sensore può essere fissato magneticamente a una macchina o a un'apparecchiatura e fornisce dati tramite onde radio, spesso in una rete mesh. In questa, i vari sensori comunicano tra loro e trasmettono informazioni su quale cuscinetto mostri segni evidenti di invecchiamento. Un impianto industriale può quindi essere facilmente dotato di funzionalità di manutenzione predittiva. Un esempio è la tecnologia Analog Devices OtoSense Smart MotorSensor (SMS) technology. Si tratta di una soluzione hardware e software chiavi in mano basata sull'AI per il condition-based monitoring. L'ADI OtoSense SMS monitora le condizioni dei motori elettrici, combinando le migliori tecnologie di rilevamento esistenti con un'analisi dei dati all'avanguardia.
Un prerequisito importante per avere un sistema funzionante è la disponibilità di una fonte di energia adeguata per i sensori. Il sensore di vibrazione deve disporre dell'alimentazione necessaria non solo a sé stesso, ma anche al funzionamento del microprocessore locale per la valutazione dei dati e ai moduli RF utilizzati per la comunicazione wireless. Il sistema di sensori è progettato per un assorbimento di corrente minimo. Come fonte di energia si può utilizzare una batteria o l'energy harvesting (recupero energetico). Le due tecnologie sono spesso utilizzate insieme. L'energy harvesting viene aggiunto per prolungare la durata della batteria che, di conseguenza, deve essere sostituita con minor frequenza. Il recupero energetico può avvenire da diverse fonti. A seconda della posizione del sensore, si possono utilizzare celle solari, generatori termoelettrici (TEG) o convertitori piezoelettrici. Soprattutto negli impianti di processo industriali, sono spesso presenti gradienti di temperatura che possono essere convertiti in energia elettrica con i TEG. Anche i movimenti meccanici possono essere convertiti in energia elettrica, con l'aiuto di sensori piezoelettrici.
Per i dispositivi alimentati da batterie e dall'energy harvesting, la conversione ottimale della tensione gioca un ruolo fondamentale. L'alta efficienza è un fattore essenziale. A questo scopo esistono diversi circuiti integrati per la gestione nanopower.
La Figura 2 mostra un esempio di circuito di conversione di tensione con il MAX38650. Si tratta di un regolatore switching nanopower step-down da 100 mA. Può funzionare con una tensione di alimentazione in ingresso fino a 5,5 V e fornire una tensione di uscita regolata compresa tra 1,2 V e 5 V. Durante il funzionamento, il regolatore a commutazione assorbe solo 390 nA di corrente (valore tipico). Si tratta di una corrente a riposo molto bassa. Quando è spento, il regolatore assorbe appena 5 nA. I dati del sensore non vengono acquisiti continuamente e la comunicazione è necessaria solo in caso di guasto. Ciò significa che il MAX38650 può essere commutato di frequente in modalità risparmio energetico, per ottenere un ulteriore risparmio di energia.
Ogni circuito di base per la conversione di tensione è normalmente dotato di un pin di feedback. Per ottenere una tensione di uscita regolata è necessario un semplice partitore di tensione resistivo. Tuttavia, in un circuito a risparmio energetico un partitore di tensione a resistori non ha molto senso. A seconda dei valori dei resistori, o il flusso di corrente attraverso il partitore di tensione è troppo alto e comporta perdite elevate, oppure i valori dei resistori sono così alti che il nodo di feedback ha un'impedenza estremamente elevata. Di conseguenza, il rumore può accoppiarsi al nodo di retroazione e influenzare direttamente la regolazione della tensione richiesta. I disturbi sono un problema soprattutto negli impianti industriali. Come illustrato nella Figura 2, il MAX38650 dispone di un pin RSEL. Funziona con una sola resistenza, che imposta la tensione di uscita. Quando il MAX38650 viene acceso, una corrente di 200 µA scorre per un breve periodo attraverso il resistore esterno. La tensione risultante imposta la tensione di uscita richiesta per l'intera durata di funzionamento del convertitore di tensione. Questo trae il meglio dai due mondi: una bassa corrente di perdita durante il funzionamento e una tensione di uscita regolabile e robusta.
Alimentatori per segnali estremamente piccoli con rumore minimo anche a basse frequenze
Molti sensori possono misurare segnali estremamente piccoli. Per evitare che questi segnali vengano distorti, è necessario utilizzare un alimentatore a bassissimo rumore. Le fonti di interferenze condotte e irradiate svolgono un ruolo importante. Anche se quelle condotte possono essere notevolmente ridotte con l'aiuto di circuiti di filtraggio aggiuntivi in ingresso e in uscita dal regolatore switching dell'alimentatore a commutazione, ciò non è altrettanto facile per le sorgenti di segnali irradiati. Un buon layout della scheda può proteggere da un'eccessiva irradiazione di interferenze. Anche in questo caso, il sistema presenta un accoppiamento di rumore residuo. Questo può essere ridotto solo con una buona schermatura, cioè un involucro metallico. Tuttavia, la produzione di una tale schermatura richiede tempo e implica costi elevati.
Un regolatore a commutazione che utilizza la tecnologia Silent Switcher offre una soluzione molto intelligente per ridurre al minimo le interferenze irradiate. I tratti di circuito caratterizzati da corrente pulsata, che esistono in qualsiasi alimentatore a commutazione, sono progettati in modo simmetrico per far sì che i campi magnetici che si generano si annullino a vicenda. Questa tecnologia, in combinazione con la tecnologia flip chip, che elimina i fili di collegamento nel circuito integrato del regolatore a commutazione, riduce drasticamente le interferenze irradiate.
È possibile ridurre questo tipo di interferenza fino a 40 dB. Ciò corrisponde a una riduzione della potenza irradiata di un fattore pari a 10.000.
La Figura 3 mostra il design simmetrico della tecnologia Silent Switcher, con le correnti pulsate locali che si generano simultaneamente indicate in verde. Le correnti pulsate generano campi magnetici pulsati con polarità diverse e si annullano a vicenda quasi del tutto.
La tecnologia Silent Switcher è giunta alla terza generazione. In quest’ultima, viene impiegata una speciale tecnologia ultralow-noise anche nei regolatori lineari a bassissimo rumore per ridurre le interferenze nella gamma delle basse frequenze, in particolare tra 10 Hz e 100 kHz. Questa generazione della tecnologia Silent Switcher consente, in molte applicazioni, di omettere il regolatore lineare di filtraggio tra il regolatore switching dell'alimentatore a commutazione e il carico sensibile.
Quando le dimensioni sono fondamentali - regolatori a commutazione con un solo induttore
Alcuni sensori devono essere posizionati in spazi molto ristretti, soprattutto quando un sensore preesistente deve essere sostituito con un moderno sensore Intelligent Edge nello stesso punto. A causa della funzionalità migliorata, spesso sono necessari anche più componenti elettrici. Di conseguenza è necessario trovare modi nuovi per ridurre le dimensioni fisiche.
Un esempio interessante dal mondo della conversione di tensione è il SIMO (Single Inductor, Multiple Outlet), che consente di generare diverse tensioni di uscita con un unico induttore. In questo modo è possibile risparmiare lo spazio sulla scheda, che altrimenti sarebbe occupato da più induttori.
La Figura 4 mostra un esempio di un semplice circuito regolatore SIMO per due tensioni di uscita regolate con precisione. È possibile generare facilmente altre tensioni di alimentazione. È necessario solo un induttore L.
La tecnologia SIMO può essere implementata come segue: Il singolo induttore viene utilizzato in successione per tutte le singole tensioni di uscita. Una certa quantità di energia viene immessa nell'induttore e quindi utilizzata per generare la tensione VOUT1. Successivamente, un'altra quantità definita di energia viene immessa nell'induttore e utilizzata per generare la tensione VOUT2. In questo modo, ogni tensione generata riceve esattamente la quantità di energia necessaria a mantenerla stabile.
I sensori industriali richiedono alimentatori adeguati
Le innovazioni nel campo dell'alimentazione descritte in questo articolo mostrano come i moderni sensori industriali possano essere alimentati in modo ottimale. I sensori stanno diventando sempre più intelligenti. I dati che generano vengono già valutati localmente nell'Intelligent Edge. Sempre più sensori vengono utilizzati negli impianti industriali, per ottimizzare i processi e ridurre al minimo i tempi di fermo macchina. Per tenere il passo con questa tendenza, sarà necessario utilizzare concetti di alimentazione innovativi come quello dell'energy harvesting.
