INTRODUZIONE

Nel primo articolo ho iniziato a descrivere che cos’è l’Industria 4.0, dando rilevanza, oltre a tutti gli aspetti che copre questa nuova rivoluzione industriale, alla comunicazione. Infatti tutte le branchie che copre l’Industria 4.0, senza una interconnessione tra sistemi, quindi comunicazione, l’Industria 4.0 e tutto quello che comporta non è possibile.

Abbiamo bisogno di raccogliere i dati dai vari dispositivi o macchine in modo da analizzarli e prevedere il loro comportamento. Senza una comunicazione, stabile ed affidabile, questo non è possibile.

In questo articolo e nei prossimi, inizierò un’analisi di come i sistemi elettronici comunicano, su che basi si poggia la comunicazione digitale di oggi. Farò una breve storia per introdurre come sono nati i protocolli e gli standard di comunicazione. La comunicazione di oggi parte e si basa sul sistema ISO/OSI, ma prima di inoltrarci nello studio di questo sistema, andiamo a vedere, come i sistemi comunicano.

BREVE ED IMPRECISA STORIA DELLA COMUNICAZIONE

Questa non vuole essere una storia dettagliata della comunicazione, ma solo una breve introduzione.

La comunicazione è sempre stata alla base dello sviluppo della nostra civiltà. All’inizio la comunicazione era solo verbale, poi si è iniziato a fissarla su pietra, con i disegni rupestri del neolitico

poi su tavolette di cera ed iniziano anche la prime la comunicazioni a distanza con i segnali di fumo o di fuoco e con tamburi

successivamente è stato scoperto il telegrafo, il codice morse, il telefono, e dalla scoperta del telefono possiamo dire che è nata la comunicazione moderna, con la trasmissione di voce, immagini, musica e video.

COMUNICAZIONE TRA CALCOLATORI_[1]

Parlando di industria 4.0 parliamo di comunicazione tra dispositivi elettronici. I dispositivi elettronici comunicano principalmente con due tipi di connessioni, parallele e seriali. Nelle comunicazioni parallele il livello fisico sono costituite da un numero di linee o fili, pari al numero di bit necessari a formare l’informazione da trasmettere, su ogni linea un bit. Nelle comunicazioni seriali il livello fisico è costituito da una sola linea ed i bit che formano l’informazione sono inviati in sequenza. Entrambe queste comunicazioni hanno bisogno di una sincronizzazione in modo che il ricevitore riesca a riconoscere le informazioni che riceve.

Le comunicazioni parallele per il momento le lasciamo da parte e forse le riprenderemo più avanti in modo più dettagliato, qui proseguiremo con le comunicazioni seriali in quanto tutte le comunicazioni sono di tipo seriale. Le comunicazioni seriali sono meno dispendiose rispetto alle parallele in quanto occupano meno spazio sia a livello circuitale sia a livello di ingombro e quindi le infrastrutture per supportale tale tecnologia hanno ingombri minori.

Le connessioni seriali si dividono in due gruppi, trasmissioni sincrone e trasmissioni asincrone. Le trasmissioni asincrone sono caratterizzate da una linea mantenuta a livello logico 1, finché non sono trasmessi i dati. Prima di ogni insieme di dati la linea è portata a livello logico 0 per un periodo di tempo corrispondente ad un bit, ciò segnala al ricevitore l’inizio di un trasferimento dati e permette la sincronizzazione tra sorgente e destinatario. La durata del bit è nota (sia al trasmettitore, sia al ricevitore) in quanto è definita una velocità di trasmissione. Alla fine del messaggio la linea è portata a livello logico 1 per un periodo di tempo pari ad un certo numero di bit.

Le trasmissioni sincrone, la sincronizzazione è data da un segnale di clock insito nel pacchetto di dati, che è captato da un circuito apposito denominato circuito di aggancio di fase. Questa tecnica è la più efficiente e più adatta alle alte velocità.

Per la trasmissione dati esistono varie codifiche, tutte creata a semplificare i circuiti di codifica e decodifica, e le più famose o meglio quelle che si sono diffuse maggiormente sono:

– codifica bipolare o NRZ-L: il livello logico zero è il livello di tensione alto e viceversa

– codifica NRZI: il livello logico 1 corrisponde ad una transizione della tensione, mentre lo zero corrisponde a nessuna transizione

– codifica Manchester: la transizione della tensione avviene all’interno dell’intervallo di tempo del bit: 1 fronte di salita, 0 fronte di discesa

– codifica Manchester differenziale: si ha la transizione al centro dell’intervallo di tempo del bit. Lo 0 corrisponde a questa transizione, mentre l’uno è assente questa transizione

Caratteristiche e problematiche fondamentali delle reti_[2]

Ciò che caratterizza una rete sono i seguenti attributi

TOPOLOGIA con topologia si intende il modo in cui sono connesse le varie stazioni o nodi presenti nella rete

RETI A COMMUTAZIONE DI CIRCUITO E A COMMUTAZIONE DI PACCHETTO il collegamento tra due o più nodi può essere fatto in due modi, solitamente:

– le reti a commutazione di circuito, nelle quali è stabilito un canale fisico di comunicazione attraverso la rete, tra mittente e destinatario

– le reti a commutazione di pacchetto, nelle quali i messaggi sono spezzettati in pacchetti e trasmessi attraverso la rete, fino al destinatario

CONTROLLO DELL’ACCESSO AL CANALE TRASMISSIVO nelle reti a commutazione di circuito è necessario prevedere meccanismi che consentano ad ogni utenti di richiedere un collegamento al partner desiderato. Mentre per le reti a commutazione di pacchetto in cui tutti gli utenti sono collegati ad un unico canale trasmissivo, si pone il problema di volta in volta quale degli utenti abbia il diritto all’uso del canale e di dirimere eventuali conflitti.

INSTRADAMENTO DEI MESSAGGI nelle reti a commutazione di pacchetto c’è il problema di stabilire il cammino dei pacchetti all’interno della rete.

INTERCONNESSIONE TRA RETI DIVERSE per risolvere questa problematica ci si deve appoggiare ad ulteriori dispositivi che prendono un nome diverso a seconda del numero di livelli ISO/OSI che implementano.

CONCLUSIONI

Fino a questo punto abbiamo solo fatto una panoramica dei vari metodi per creare una rete di calcolatori. Una panoramica necessaria per poter introdurre i prossimi articoli che andranno ad analizzare più in dettaglio il modello ISO/OSI e la rete internet, che tutti conosciamo. Questo è stato necessario perché nell’industria ci sono molti metodi o protocolli di comunicazione, proprietari e non, per questo abbiamo bisogno di capire come interfacciare le varie reti e prelevare o scambiare i dati che ci servono. Dato che l’industria 4.0 è un’innovazione che da la possibilità alla condivisione ed elaborazione dei dati, è necessario capire come nascono queste architetture di rete per poterle connettere tra di loro. In questo ci aiuta il modello ISO/OSI, che inizieremo a vedere nei prossimi articoli.

BIBLIOGRAFIA – SITOGRAFIA

• [1] Manuale dell’ingegnere – Nuovo Colombo 84° edizione – Terzo volume – Sezione N – Pagina 181
• [2] Manuale dell’ingegnere – Nuovo Colombo 84° edizione – Terzo volume – Sezione N – Pagina 186

REVISIONI

• 13 APRILE 2020 Pubblicazione

INTRODUZIONE

Nell’articolo precedente siamo giunti a definire che le vibrazioni generate da un dispositivo o da una macchina, sono fonte d’informazione sullo stato attuale e che è possibile individuare attraverso esse i guasti. In questo articolo analizzeremo le vibrazioni da cosa e perché sono generate e cercheremo di ottenere una diagnosi attraverso la loro analisi.

VIBRAZIONI DI UNA MACCHINA ELETTRICA_[1]

Le principali aree di vibrazione nelle macchine elettriche rotanti sono:

• Risposta del nucleo di statore alla forza attrattiva sviluppata tra statore e rotore
• Risposta delle testate degli avvolgimenti di statore alle forze elettromagnetiche nei conduttori
• Comportamento dinamico del rotore
• Risposta dei cuscinetti dell’albero alla vibrazione trasmessa dal rotore

Forze elettromagnetiche

La maggior parte delle macchine elettriche basa il proprio funzionamento su due principi:

• La forza esercitata su di un conduttore percorso da corrente elettrica ed immerso in un campo magnetico (Forza di Lorentz)
• La forza prodotta da strutture ferromagnetiche percorse da un flusso magnetico (Forza di Maxwell)

La forza che tende a chiudere il traferro tra due blocchi di materiale ferromagnetico è definita come la forza radiale del tensore di Maxwell. Il tensore di Maxwell rappresenta le forze elettromagnetiche che concorrono in una macchina rotante e sono perpendicolari allo statore ed al rotore e simmetriche, quindi con risultante zero. La perfetta simmetria può avvenire se e solo se rotore e statore sono perfettamente concentrici, per cui ideali. Il tensore di Maxwell può essere rappresentato in termini di induzione magnetica (B) come segue:

Nelle prossime righe c’è la dimostrazione che la frequenza principale di vibrazione di un motore elettrico è il doppio della frequenza di alimentazione, per cui le pagine che seguono sono la dimostrazione matematica di questa asserzione.

Il flusso magnetico Φ è dato dalla forza magnetomotrice M diviso la riluttanza del circuito magnetico (formula a)

dato che la riluttanza del traferro è molto più elevata di quella del nucleo in ferro, in prima approssimazione si tende a trascurare questa riluttanza del nucleo nel calcolo della forza magnetomotrice necessaria a produrre un determinato flusso magnetico Φ.

La riluttanza al traferro è (formula b)

dove

• δ è lunghezza del traferro [m]
• μ₀ è permeabilità magnetica del vuoto [H/m]
• S è la superficie normale attraverso cui passa il flusso [m²]

il flusso Φ è dato dalla densità di flusso dell’induzione magnetica B che attraversa una superficie perpendicolare S (formula c)

mettendo assieme le formule precedenti [a, b e c] si ottiene

La componente armonica principale della forza magnetomotrice M, ha una distribuzione spaziale sinusoidale al traferro, con periodo che dipende dal numero di paia di poli p_pe ampiezza variabile sinusoidalmente nel tempo in funzione della frequenza di alimentazione f

dove

Di conseguenza anche il campo B avrà lo stesso comportamento e la sua prima armonica

Formula dell’induzione magnetica

La componente radiale del tensore di Maxwell è proporzionale al quadrato di B per cui elevando al quadrato l’espressione di B

ricordiamo che

Si nota che la componente radiale dovuta al tensore di Maxwell presenta una componente sinusoidale nel tempo con frequenza doppia della frequenza di alimentazione.

Per cui la frequenza principale delle vibrazioni della cassa di statore è due volte la frequenza di alimentazione, anche quando rotore e statore sono perfettamente concentrici.

In condizioni di perfetta simmetria tra rotore e statore, se integriamo lo sforzo di Maxwell lungo tutto il traferro otteniamo che entrambe le componenti orizzontale e verticale sono nulle. Per cui dobbiamo andare a verificare in caso di eccentricità

Eccentricità statica

È la situazione in cui l’asse del rotore non è in asse con l’asse dello statore

Dato che il rotore è simmetrico al proprio asse non abbiamo sbilanciamento meccanico. In questo caso la lunghezza del traferro può essere espressa

nell’espressione dell’induzione magnetica (vista nel paragrafo precedente) abbiamo che la lunghezza del traferro è a denominatore, per cui dobbiamo calcolare l’inverso

si dimostra che

ponendo

si ottiene

da questa possiamo calcolare l’induzione magnetica dovuta all’eccentricità statica

ponendo

ricordando che

si ottiene

l’induzione al traferro, in presenza di eccentricità statica, è dovuto all’interazione di tre armoniche con diversi numeri di paia di poli

nelle prossime due formule per maggior leggibilità abbiamo raccolto β

Integrando lo sforzo di Maxwell lungo il traferro si ottiene una risultante diversa da zero nella direzione del traferro minimo. Per cui con eccentricità statica si ha un aumento della vibrazione doppia rispetto alla frequenza di alimentazione.

Eccentricità dinamica

l’eccentricità dinamica è il caso in cui il rotore ruota attorno all’asse dello statore e non al proprio asse. Non essendo coincidenti, si ha anche uno sbilanciamento meccanico, che può essere espresso come una forza centrifuga che ruota alla velocità del rotore. Il traferro ruota alla velocità Ω, per cui la sua lunghezza può essere espressa così

l’eccentrica dinamica produce una forza elettromagnetica rotante alle velocità del rotore Ω, che si aggiunge a quella dovuto allo sbilanciamento meccanico.

Seguendo lo stesso ragionamento dell’eccentricità statica si può calcolare l’espressione dell’induzione magnetica B e del tensore di Maxwell che è proporzionale al quadrato di B. Si trova che l’eccentricità dinamica produce delle vibrazioni anche alle frequenze

dover f_s è la frequenza dello statore ed f_r è la frequenza del rotore. Dove nei motori asincroni avremo

mentre nei motori sincroni avremo

Metodi per diagnosticare l’eccentricità

Motori Asincroni

Si è visto nei paragrafi precedenti che l’ampiezza delle armoniche di vibrazione 2f_s, f_r, 2f_s±f_r

• aumenta rapidamente con l’eccentricità (statica e dinamica) specialmente a vuoto
• l’eccentricità statica ha solo una piccola influenza sulla componente a frequenza f_r

L’ampiezza delle armoniche di corrente a frequenza f_s±f_r

• è fortemente dipendente dal grado di eccentricità sia statica che dinamica
• l’effetto dell’eccentricità dinamica aumenta passando dal funzionamento a carico nominale a quello a vuoto

Per diagnosticare l’eccentricità di rotore nei motori asincroni a gabbia, sono state considerate altre armoniche di corrente, che dipendono anche dal numero di barre di rotore.

Generatori sincroni

Le armoniche di corrente sono a frequenza 5f_s, 7f_s, 11f_s, 13f_s, 17f_s, 19f_s, la loro ampiezza aumenta con l’eccentricità dinamica per entrambi i tipi di rotore (poli lisci, poli salienti).

Motori Brushless

l’ampiezza dei componenti di forza radiale e di conseguenza le armoniche di vibrazione, aumenta con l’eccentricità dinamica. Aumenta maggiormente nei motori a magneti interni, rispetto a quelli a magneti superficiali. Perché la diversa posizione dei magneti crea una diversa distribuzione del flusso magnetico nel ferro.

Conclusioni

L’eccentricità provoca una forza elettromagnetica sbilanciata sul rotore, chiamata Unbilanced Magnetic Pull (UMP), che cerca di spostare ulteriormente il rotore. Questo può provocare un aumento della dell’usura dei cuscinetti. Inoltre le forze dovute all’eccentricità, sottopongono gli avvolgimenti di statore a vibrazioni potenzialmente dannose. Un elevato UMP può provocare uno strisciamento del rotore sullo statore.

Qui concludo, ci siamo soffermati soprattutto sull’analisi delle vibrazioni, in quanto l’analisi delle vibrazione è la tecnica più diffusa al momento e ci permette di diagnosticare una eventuale eccentricità del rotore. Non proseguo con la diagnostica in quanto i prossimi punti di analisi non sono oggetto dell’attuale sviluppo di queste pagine. Nei prossimi articoli affronteremo altri temi dell’industria 4.0 come la comunicazione, la gestione della grossa mole di dati generata dai vari sensori presenti in un impianto, per il monitoraggio dello stato.

Si fa notare che tutte le dimostrazioni sono equazioni lineari, ma come già sappiamo dagli anni 60, la natura non è certo un’equazione lineare. Un famoso ingegnere disse: Dio non potrebbe essere più scortese da usare per la natura equazioni non lineari _[2] . Questo per anticipare che tutti i risultati empirici che troveremo discosteranno sempre dalla teoria.

BIBLIOGRAFIA – SITOGRAFIA

• [1] Analisi delle vibrazioni 2 di Lucia Frosini, docente Università di Pavia
• [2] “Dio gioca a dadi? La nuova matematica del caos” di Ian Stewart, pg.89

REVISIONI

• 25 DICEMBRE 2019 Pubblicazione

INTRODUZIONE

Con l’articolo sull’industria 4.0 si è parlato che l’analisi dei dati può prevenire fermi macchina improvvisi e quindi prevedere riparazioni o sostituzioni in momenti più consoni alla produzione.

Gran parte della teoria dell’industria 4.0 si basa su un’analisi di dati, provenienti da vari sensori distribuiti nell’impianto o nella macchina, da questa analisi ne esce una predizione su possibili guasti o fermi macchina. Senza uno studio o senza avere delle basi di diagnostica e manutenzione anche il miglior programmatore/software non riuscirà a prevedere il deterioramento di un dato componente. In questo articolo, cercherò di introdurre il concetto di diagnostica e manutenzione, cercando di mantenere una linea generale in modo da riuscire a coprire il maggior numero di casi.

DIAGNOSTICA

[1] La diagnostica: è una procedura di traduzione, delle informazioni derivanti dalla misura dei parametri e dalla raccolta di dati relativi alla macchina, in informazioni sui guasti effettivi o incipienti della macchina stessa. La diagnostica è un protezione al guasto, cioè si attiva a guasto avvenuto, per questo in ottica 4.0 è necessario trasformare la protezione in prevenzione, ma per eseguire questo passaggio è necessario capire i principi di diagnosi e di manutenzione.

[1] Qui iniziamo a parlare di manutenzione preventiva, la quale presenta alcuni difetti:

– per ovvi motivi economici gli interventi di manutenzione non possono esser frequenti

– durante le fasi di revisione si cerca di effettuare tutti controlli riparazioni e sostituzioni possibili, anche quelli non necessariamente necessari. Facendo lievitare i costi ed i tempi durante queste fasi di manutenzione.

Per risolvere questi difetti di natura economica e mantenere allo stesso tempo una macchina efficiente dobbiamo iniziare a parlare di diagnosi predittiva. Questo termine significa avere lo stato effettivo di ogni componente in modo da prevedere o determinare con un alto grado di affidabilità, quando il componente potrà rompersi, dando la possibilità di pianificare interventi mirati e quyindi ridurre i costi di manutenzione.

DIAGNOSTICA DELLE MACCHINE ROTANTI

[2] Iniziamo con l’analizzare i motori e loro cause di guasto, questo perché i motori sono presenti in tutta l’automazione industriale e quindi una delle principali cause di malfunzionamento degli impianti. In più conoscendo le principali cause di rottura sarà possibile avere diagnosi più accurate.

Dove posso avvenire i guasti in un motore

questo argomento non è di facile sviluppo, in quanto in letteratura non si trova molto, e quel poco che si trova è datato. Qui riporto un paio di studi, citati dalla docente Lucia Frosini dell’università degli studi di Pavia, nelle sue diapositive, potete trovare il link in fondo all’articolo. Gli studi a cui fa riferimento sono, uno della EPRI (Electric Power Research Institute), lo studio è fatto su un campione di 5000 motori (in corrente continua e corrente alternata) impiegati in diversi ambienti e applicazioni con potenze maggiori di 150kW, la maggior parte di essi sono motori asincroni alimentati a tensione maggiore di 1000V. Questa indagine è stata svolta nel 1985. L’altro studio è del 1995, ed è stato svolto nel settore petrolifero in Norvegia e riguarda motori posti in ambienti esterni e con potenze maggiori di 10kW e tensioni minori di 1000V. I risultati delle due indagini sono parzialmente differenti, a causa delle taglie dei motori e ambiente di impiego. Le cause alla base dei guasti non sono di facile aggregazione, ma si può dedurre che le cause principali sono l’utilizzo improprio, componenti difettosi e manutenzione inadeguata. Nei due grafici che seguono si possono vedere i componenti principali che sono soggetti a guasti.

CONCLUSIONE INDAGINE EPRI

CONCLUSIONI INDAGINE NORVEGIA

Faccio una precisazione, nella seconda indagine non è spiegata la voce (che io ho nominato) cause esterne, nell’indagine “External device”, per cui non possiamo ipotizzare nulla a riguardo. Quello che però salta all’occhio è che in entrambi gli studi la maggioranza dei casi di guasto sono dovuti ai cuscinetti ed agli avvolgimenti di statore.

Poco fa ho menzionato le possibili cause dei guasti, utilizzo improprio, componenti difettosi e manutenzione inadeguata. Le prime due cause non le analizzerò perché esulano dall’argomento di questo articolo, in quanto si possono ricondurre ad errori di progettazione. Quella che analizzerò è la manutenzione inadeguata. Il significato di questa causa ha come principale significato un’errata analisi del problema, che comporta una azione di riparazione o manutenzione errata. Anche nell’industria 4.0 ci possono essere queste deficienze, perché l’analisi è sempre eseguita dall’uomo e possibili errori possono esserci, ma con dati storici e analisi minuziose questi errori si possono ridurre, e per ottenere questo dobbiamo menzionare l’intelligenza artificiale, che verrà introdotta nei prossimi articoli. Il concetto di fondo, per iniziare ad analizzare gli eventuali guasti, è che quando un motore od un componente si sta per rompere, ci sono dei segnali premonitori che se raccolti e analizzati possono prevenire fermi macchina inaspettati. Allora la domanda è cosa dobbiamo analizzare per capire se un componente si sta rompendo? In una macchina elettrica ci sono vari aspetti da analizzare, elettrici, magnetici, meccanici, fluidodinamici e termici, e tutti interagiscono tra loro e quindi si possono distinguere vari indicatori di guasto.

Indicatori elettromagnetici:

• correnti
• tensioni
• scariche parziali
• flussi magnetici

indicatori meccanici:

• rumore
• velocità angolare
• forza
• coppia

indicatori termici e chimici:

• temperatura
• analisi degli oli e dei gas

poi possiamo misurare il rendimento oppure l’analisi visiva, ma tra tutte le possibili analisi la più utilizzata, è la misura delle vibrazioni.

Le vibrazioni sono indicative delle forze generate dal moto del rotore, in una macchina elettrica rotante, specialmente a causa di un suo sbilanciamento. L’analisi delle vibrazioni è finalizzata ad individuare non solo problemi meccanici, ma anche problemi elettrici in quanto un’anomalia elettrica produce un’asimmetria nella distribuzione del flusso magnetico al traferro e determina una variazione del flusso disperso, che produce una diversa distribuzione delle forze elettromagnetiche e si ripercuote sull’andamento delle vibrazioni. Per questo può essere utile il rilevamento anche sulla cassa motore. Da questo primo approccio appare chiaro che alla presenza di guasti le vibrazioni della macchina cambiano. Purtroppo però non sono facili da individuare perché sono mascherate da altre vibrazioni esterne alla macchina stessa. In ogni caso le tecniche di analisi dei segnali di vibrazione sono state sviluppate per evidenziare in maniera selettiva quali parti posso essere soggette a guasti o mal funzionamenti, ed in base alle frequenze si riesce a determinare quale potrebbe essere il guasto. Nel determinare se una determinata frequenza è dovuta ad un guasto, dobbiamo iniziare a discernere le varie frequenze, soprattutto le vibrazioni naturali, che mascherano quelle vibrazioni che evidenziano un malfunzionamento. Ogni macchina produce delle vibrazione sue, dovute alle sue caratteristiche meccaniche, per questo è necessario eliminare tutte queste frequenze per riuscire a determinare una vibrazione che identifica un guasto.

CONCLUSIONI

Qui si conclude la prima parte di questo lungo capitolo, ho deciso di suddividerlo in più parti in modo da rendere più semplice la lettura. Nella seconda parte si approfondirà l’analisi delle vibrazioni per determinare i guasti e poi si introdurranno le cause principali di guasti nelle macchina rotanti.

BIBLIOGRAFIA – SITOGRAFIA

• [1] Introduzione alla diagnostica di macchine e azionamenti elettrici di Lucia Frosini, docente Università di Pavia
• [2] Analisi delle vibrazioni 1 di Lucia Frosini, docente Università di Pavia

REVISIONI

• 11 OTTOBRE 2019 Pubblicazione
• 25 DICEMBRE 2019 Aggiornamento link articoli