Se ti sei mai trovato accanto a una fresatrice CNC ad alta velocità o a un tornio di precisione che esegue un taglio complesso, probabilmente ti sarai chiesto come fa ogni parte del processo ad allinearsi in modo così fluido. Una delle domande più comuni che ricevo dai costruttori di macchine utensili, dai tecnici della manutenzione e dai responsabili della produzione è questa: un VFD per il mandrino di una macchina utensile può comunicare con un PLC? In qualità di fornitore di questi azionamenti specializzati, lavoro con questi componenti ogni giorno e la risposta in breve è sì, ma ci sono molti fattori che contribuiscono a rendere affidabile tale comunicazione, motivo per cui è una parte così critica delle prestazioni delle moderne macchine utensili.
Iniziamo con ciò che fa ciascuna di queste parti, per preparare il terreno. Un VFD (azionamento a frequenza variabile) per il mandrino di una macchina utensile non è lo stesso del VFD che potresti utilizzare per un trasportatore o una ventola di base. È costruito per gestire le esigenze estreme della lavorazione: velocità elevate che possono superare i 20.000 giri/min, controllo preciso della coppia per tagli pesanti e regolazione rigorosa della velocità per evitare l'usura dell'utensile o difetti delle parti. Un PLC (controllore logico programmabile), d'altra parte, è il "cervello" della macchina: esegue il programma che dice alla macchina quando spostare gli assi, cambiare utensili, regolare le velocità di avanzamento e, sì, controllare il mandrino. Affinché questi due possano lavorare insieme, devono “parlare” tra loro in modo coerente, indipendentemente da quanto diventi impegnativo il processo di lavorazione.
Quando ho iniziato in questo settore, molti VFD del mandrino funzionavano con semplici segnali di accensione/spegnimento o tensione analogica che indicavano al mandrino di accelerare o rallentare. Funzionava per le applicazioni di base, ma se avevi bisogno di regolare la velocità a metà taglio, sincronizzare la velocità del mandrino con la velocità di avanzamento di una filettatura o ottenere dati in tempo reale sulla temperatura o sul carico del mandrino, i segnali analogici non erano sufficienti. L'analogico può essere soggetto a rumore elettrico proveniente da altri componenti della macchina, il che porta a velocità incoerenti o addirittura a messaggi di errore che spengono la macchina a metà lavoro. È qui che entrano in gioco i protocolli di comunicazione digitale, ed è qui che avviene la vera magia quando un VFD e un PLC si collegano.
Esistono diversi protocolli comuni utilizzati oggi nelle applicazioni delle macchine utensili e non tutti i VFD li supportano. In qualità di fornitore, mi assicuro che il VFD per il mandrino della macchina utensile che forniamo funzioni con gli standard di comunicazione PLC più utilizzati, tra cui PROFINET, Modbus RTU/TCP ed Ethernet/IP. Questi protocolli consentono al PLC di inviare più di un semplice comando di velocità: possono dire al mandrino di cambiare velocità da 1.000 giri/min a 15.000 giri/min in millisecondi, regolare la coppia in base al materiale da tagliare e ottenere dati in tempo reale come carico del mandrino, temperatura o codici di allarme. Ad esempio, se una taglierina inizia a usurarsi durante un lungo periodo, il PLC può comunicarlo al VFD del mandrino per regolare leggermente la velocità per compensare, mantenendo costante la qualità della parte senza interrompere la produzione.
Parliamo di come funziona nella configurazione di una macchina utensile nel mondo reale. L'anno scorso, un cliente che costruisce centri di lavoro in alluminio ad alta precisione ci ha contattato perché il suo vecchio VFD del mandrino non comunicava in modo affidabile con il nuovo PLC, con conseguenti frequenti pezzi di scarto e tempi di fermo. Il loro vecchio azionamento utilizzava solo segnali analogici e nella loro struttura erano in funzione molti altri macchinari che causavano interferenze elettriche, che facevano tremare i segnali di velocità. Abbiamo consigliato un VFD per mandrino di macchine utensili che supporti PROFINET, un protocollo progettato per l'automazione industriale, perché è più immune al rumore e ha un trasferimento dati più veloce. Una volta sostituito il vecchio disco e programmato il PLC per comunicare con esso, il problema è scomparso. Ora, il PLC può regolare la velocità del mandrino in sincronia con il movimento dell'asse, riducendo il tempo ciclo del 12% e tagliando le parti di scarto dell'8%. Questo è il tipo di differenza che fa una buona comunicazione.
Un'altra cosa da considerare è la compatibilità. Non tutti i PLC funzionano con tutti i protocolli di comunicazione VFD, quindi è importante verificarli entrambi prima di effettuare un acquisto. Ad esempio, se la tua fabbrica utilizza PLC Allen-Bradley, la scelta di un VFD che supporti Ethernet/IP renderà l'integrazione molto più semplice, poiché sono progettati per funzionare insieme senza problemi. È qui che brillano anche azionamenti specializzati come il nostro inverter di frequenza con mandrino CNC da 380 V: sono preconfigurati per funzionare con i PLC comuni, quindi non devi dedicare settimane alla risoluzione dei problemi di comunicazione durante l'installazione. Ho visto clienti sprecare migliaia di dollari perché hanno acquistato un VFD che funziona solo con un protocollo proprietario e il loro PLC non è compatibile. Prendersi il tempo necessario per adeguare i protocolli in anticipo evita molti grattacapi in seguito.
La precisione è tutto nelle macchine utensili, ed è qui che la comunicazione digitale si distingue davvero dai vecchi metodi analogici. Con l'analogico, il segnale di velocità è solitamente un segnale 0-10 V o 4-20 mA, il che significa che la velocità può variare leggermente in base alle cadute di tensione o al rumore. Con un protocollo digitale, i dati vengono inviati come codice binario, quindi è quasi impossibile che le interferenze elettriche alterino il comando effettivo. Ciò significa che il mandrino funzionerà esattamente a 10.000 giri/min quando il PLC lo dirà, né più né meno. Per applicazioni come la pressofusione o la costruzione di stampi, dove anche una variazione di velocità dell'1% può rovinare una parte, quel livello di precisione non è negoziabile.
Mi viene anche chiesto se questa comunicazione è bidirezionale, e questo è un punto chiave. Molte persone pensano che sia solo il PLC a inviare comandi al VFD, ma anche il VFD può inviare dati al PLC. Si chiama "monitoraggio dello stato del dispositivo" ed è un enorme vantaggio per la manutenzione e la produttività. Ad esempio, se il mandrino si surriscalda a causa di un cuscinetto usurato, il VFD può inviare un segnale di avviso al PLC, che può rallentare il mandrino per raffreddarlo o avvisare l'operatore di programmare la manutenzione prima di un guasto catastrofico. Questa funzionalità di manutenzione predittiva riduce i tempi di inattività non pianificati, il che rappresenta un grosso problema per i responsabili della produzione che cercano sempre di aumentare i tempi di attività.
Naturalmente, ci sono alcuni fattori che possono influenzare la comunicazione tra un VFD e un PLC, anche se utilizzano lo stesso protocollo. Il cablaggio è un problema importante: gli ambienti industriali presentano molte EMI (interferenze elettromagnetiche) provenienti da motori, saldatrici e altre apparecchiature, quindi è importante utilizzare cavi Ethernet schermati e tenerli lontani dai cavi di alimentazione. Se il cablaggio viene eseguito troppo vicino a linee ad alta tensione, il segnale può risultare distorto, causando errori di comunicazione. Un altro fattore è la programmazione del PLC: se le istruzioni per l'invio dei comandi di velocità o la lettura dei dati non sono impostate correttamente, anche il miglior VFD e protocollo non funzioneranno. Ecco perché è prezioso collaborare con un fornitore che offra supporto per l'installazione e la programmazione; aiutiamo i clienti a garantire che la comunicazione sia configurata correttamente fin dall'inizio.
Affrontiamo anche un malinteso comune: alcune persone pensano che, poiché VFD e PLC sono realizzati da produttori diversi, non possano comunicare. Anche se è vero che alcuni protocolli proprietari limitano la compatibilità, i protocolli industriali più comuni sono standard aperti, il che significa che qualsiasi produttore può costruire un dispositivo che li supporti. Ecco perché è così importante scegliere un VFD che utilizzi protocolli aperti, come quelli che offriamo. Il nostro team collabora con i clienti per confermare la compatibilità con i loro specifici modelli di PLC, in modo che non debbano preoccuparsi di incorrere in problemi.
Per le officine meccaniche più piccole, potresti pensare che questo livello di comunicazione sia eccessivo, ma anche per le frese o i torni CNC più piccoli, i vantaggi si sommano. Una piccola officina con cui ho lavorato l'anno scorso gestiva parti personalizzate per produttori locali e la loro vecchia configurazione utilizzava un semplice interruttore di accensione/spegnimento per il mandrino, quindi dovevano regolare manualmente la velocità ruotando un potenziometro sull'unità. Passando a un VFD per il mandrino di una macchina utensile che comunica con un piccolo PLC, ora possono memorizzare più profili di velocità per materiali diversi, come alluminio o acciaio, in modo da non dover regolare l'azionamento ogni volta che cambiano lavoro. Ciò ha ridotto i tempi di cambio lavoro di 20 minuti per ogni pezzo, con un risparmio di centinaia di dollari al mese.
Ora, se sei alla ricerca di un nuovo VFD per il mandrino della tua macchina utensile o stai cercando di aggiornare la tua configurazione attuale per migliorare la comunicazione con il tuo PLC, è importante cercare un azionamento appositamente costruito per le macchine utensili, non solo un VFD per uso generico. I VFD per uso generale potrebbero funzionare per ventilatori o pompe, ma non hanno la regolazione della velocità o le capacità di comunicazione necessarie per la lavorazione di precisione. I VFD specializzati per mandrini, come il nostro inverter di frequenza per mandrino CNC da 380 V, sono progettati per gestire gli elevati carichi dinamici della lavorazione, supportare i protocolli di comunicazione necessari e integrarsi perfettamente con i PLC.
Se sei stanco di errori di comunicazione, velocità del mandrino incoerenti o tempi di inattività non pianificati dovuti alla scarsa integrazione tra VFD e PLC, è tempo di apportare un cambiamento. Abbiamo aiutato centinaia di costruttori e operatori di macchine utensili a far funzionare i loro sistemi in modo affidabile e possiamo aiutare anche te. Che tu stia lavorando su una nuova macchina o aggiornando una configurazione esistente, il nostro team può guidarti nella scelta del VFD giusto per il mandrino della macchina utensile che si adatta al tuo PLC, impostare il protocollo di comunicazione e fornire supporto in ogni fase del percorso. Contattaci oggi per saperne di più sulle nostre soluzioni e su come possiamo migliorare le prestazioni della tua macchina utensile.
Riferimenti
- "Protocolli di comunicazione industriale per applicazioni di macchine utensili", IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 17, n. 3, 2021
- "Azionamenti a frequenza variabile per la lavorazione di precisione: compatibilità e prestazioni", Scienza e tecnologia della lavorazione, vol. 25, n. 4, 2022
- "Integrazione di PLC e azionamenti mandrino: migliori pratiche per l'automazione industriale", rivista di automazione industriale, secondo trimestre 2023
- "Compatibilità elettromagnetica nella comunicazione di azionamenti industriali", Journal of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 22, n. 2, 2022