Quello dello sviluppatore è senza dubbio un lavoro molto vario e interessante. Un giorno potrebbe essere dedicato all'esame dei dettagli di un'interfaccia seriale, mentre in quello successivo l'attenzione potrebbe essere rivolta all'impostazione di un sistema per l'acquisizione dati di un nuovo progetto e la settimana lavorativa potrebbe terminare con lo studio di una soluzione di alimentazione per un motore da 20 kW. Ognuna di queste attività richiede competenze e conoscenze in settori molto differenti tra di loro, dall'elettronica ai protocolli per la trasmissione dati, dalla programmazione software alla sicurezza elettrica. Molti progettisti sono abbastanza restii a parlare del proprio lavoro, forse perché non vogliono manifestare apertamente la soddisfazione che procura loro. Tuttavia, c'è anche un aspetto del lavoro dello sviluppatore che non va assolutamente trascurato, che è quello di migliorare la vita delle persone e l'ambiente in cui vivono. I progettisti sono costantemente impegnati a ridurre i consumi di energia, minimizzare gli scarti in produzione e aumentare la durata operativa delle apparecchiature mediante una manutenzione attenta e mirata. A questo scopo è essenziale avere accesso ad apparecchiature di elevata qualità in grado di misurare segnali, grandi e piccoli, che consentano ai progettisti di compiere scelte appropriate durante lo sviluppo e il debug dei sistemi, il test di fine linea e l'installazione delle apparecchiature.
Misure precise del consumo di energia
Le apparecchiature industriali non sono certo note per l'attenzione verso gli aspetti estetici o per la cura dei dettagli relativi all'interfaccia utente. Non è questo il caso della serie di analizzatori di energia di Carlo Gavazzi per sistemi bifase e trifase. Pur disponendo del tipico display LCD retroilluminato, gli analizzatori EM530 ed EM540 (Figura 1) sono stati concepiti per garantire sempre la massima usabilità, dall'installazione all'uso quotidiano. Ad esempio, i numeri dopo il punto decimale nel display di misura dell'energia sono più piccoli delle cifre prima del punto decimale. Ciò permette di minimizzare i problemi legati alla difficoltà di lettura dei display numerici. La funzione "presentazione" (slideshow) visualizza le misure desiderate in sequenza senza dover toccare l'unità.
Questi dispositivi prevedono anche un sistema a menù molto semplice da navigare azionato da tre tasti meccanici. Con questi analizzatori è possibile ottenere un alto livello di accuratezza grazie a una risoluzione in frequenza di 0,001 Hz e una risoluzione di energia di 0,001 kWh. Tra le altre caratteristiche di rilievo degli analizzatori EM540 e EM530 si segnala un tempo di risposta di 100 ms per le misure di corrente, tensione, potenza e altre variabili a livello di sistema e su singola fase. Ciò rappresenta un indubbio vantaggio nel caso delle installazioni fotovoltaiche (PV) che richiedono una gestione di tipo "zero-fed" (ossia con impossibilità di reimmissione in rete dell'energia generata) rispetto ad altri analizzatori di energia disponibili sul mercato che risultano troppo lenti per questo scopo.
Figura 1: Per applicazioni di monitoraggio dell'energia, gli analizzatori EM530 ed EM540 di Carlo Gavazzi permettono di accedere ai dati da remoto, dispongono di un'interfaccia utente "pulita", possono essere utilizzati per sistemi bifase e trifase e vengono proposti in versioni con certificazione MID
Gli analizzatori di energia possono anche fornire registrazioni accurate delle ore di funzionamento a supporto della manutenzione predittiva. Questi analizzatori possono funzionare come contaore, semplicemente impostando una soglia superiore rispetto ai consumi in modalità "stand-by" dell'apparecchio collegato. Il tempo di "stand-by" può anche essere determinato sottraendo le ore di funzionamento dal tempo operativo totale. I dati per i sistemi di monitoraggio sono disponibili attraverso l'interfaccia Modbus RTU. Quando abbinato al gateway UWP (Universal Web Platform), i team di supporto possono utilizzare questa connessione dati per rilevare possibili errori di cablaggio e ricevere informazioni sulle azioni correttive da apportare per risolvere il problema da remoto.
Il mod. EM530 è adatto per i quadri elettrici in bassa tensione ed è collegato tramite trasformatori con una corrente sul secondario di 5 A. Ciò ne consente l'installazione in impianti con corrente nominale di 10 kA. Il modello EM540 è un analizzatore per connessione diretta fino a 65 A. Entrambe le unità, ospitate in un alloggiamento per montaggio su guida 3-DIN, sono disponibili con opzione MID (con punto di tenuta), adatta quindi per il rilevamento dei consumi nelle applicazioni residenziali.
Garantire l'efficienza negli azionamenti
Da diversi decenni, l'efficienza energetica dei motori elettrici è nel mirino degli Enti normatori. In base ai dati forniti da IEA (International Energy Association), negli anni 2000, i motori hanno contribuito ai consumi energetici dell'intero settore industriale in misura pari al 69%. Oggigiorno, le classi di efficienza energetica delle apparecchiature elettriche rotanti sono definite dallo standard IEC 60024. Quest'ultimo prevede quattro classi, da IE (International Efficiency)-1 (livello 1) a IE-4 (livello 4), anche se i motori IE-1 sono stati vietati in molte aree geografiche del globo, inclusa la Comunità Europea. L'efficienza dei motori elettrici può essere valutata con apparecchiature come il mod. 5335C di B&K Precision, un misuratore di potenza AC/DC compatto monofase (Figura 2). Lo strumento è in grado di misurare tensioni e correnti fino a 600 Vrms e 20 Amrs rispettivamente, garantendo un'ampiezza di banda massima di 100 kHz. L'oscilloscopio integrato visualizza le forme d'onda sia di tensione sia di corrente, eliminando il ricorso a ulteriori strumenti di misura.
Figura 2: Con il misuratore di potenza mod. 5335C di B&K Precision è possibile effettuare misure accurate dell'efficienza di motori e dispositivi pilotati in DC, oltre a collaudi in linea di prodotti
Quando si devono effettuare misure di correnti di valore superiori ai 20 A previsti per questo strumento, è possibile collegare trasduttori esterni (10 A/2 V). Nelle applicazioni in cui il controllo della velocità del motore viene effettuato utilizzando la modulazione PWM, il mod. 5335C è in grado di misurare segnali di ingresso compresi tra 0,5 Hz e 100 kHz (Figura 3). Infine, le interfacce per la connettività, i collegamenti per i test e l'ingresso per un trigger esterno sono disposti in maniera ordinata e razionale nella parte posteriore dello strumento. Dotata di un display a colori da 4,3" di tipo TFT, questa unità può essere configurata mediante nove tasti funzione. Lo strumento consente di visualizzare simultaneamente fino a 12 parametri, tra cui la corrente di spunto di picco e le sovratensioni. Grazie alla possibilità di eseguire misure fino alla 50 ma armonica, questo misuratore viene utilizzato per i test di pre-conformità EMC come previsto dalla normativa IEC 62000-3-2/4-7. Per i test automatizzati, sono disponibili interfacce RS232, LAN e USB (conforme a USBTMC), mentre per l'analisi dei sistemi collegati alla rete, la funzione di integrazione fornisce misure integrali della corrente e della potenza attiva (Wh) con commutazione automatica dell'intervallo di misura.
Figura 3: Il misuratore di potenza mod. 5335C è in grado di determinare l'efficienza di motori la cui velocità viene controllata in modalità PWM con tensioni di ingresso fino a 600 V. E' anche prevista la possibilità di utilizzare trasduttori di corrente esterni. (Fonte: B&K Precision Corporation)
Raccolta dei dati elettronici
Il successo dei nuovi progetti elettronici dipende da un'approfondita comprensione dei dati acquisiti dai relativi sensori. Nel caso si decida di utilizzare tecniche di apprendimento automatico (ML - Machine Learning), è necessaria una mole di dati enorme. Gli algoritmi di apprendimento automatico consentono agli sviluppatori di software embedded di affrontare problemi estremamente complessi che sarebbero difficili da risolvere utilizzando i tradizionali metodi di programmazione basati su regole. Per individuare i problemi che possono presentarsi sul lungo periodo, come ad esempio il deterioramento del funzionamento di un alimentatore o di un motore, è necessario conoscere numerosi parametri, come le temperature locale e ambiente, la corrente assorbita, le variazioni di carico, e le tensioni di ingresso e uscita in condizioni operative dinamiche.
I tool ispirati al modello "imposta e dimentica", come i DAQ MCC USB-230 di Digilent rappresentano l'opzione ideale per acquisire i dati necessari nel modo più economico possibile. Disponibili in due versioni caratterizzate da velocità di campionamento di 50KS/s (USB-231) e 100KS/s (USB-234), queste unità si collegano con un PC o un laptop attraverso una porta micro-USB Tipo B (Figura 4). Questi DAQ prevedono quattro ingressi differenziali a 16 bit (oppure 8 ingressi a terminazione singola) che supportano tensioni di ±10V (con protezione contro le sovratensioni di ±30V) con ampiezza di banda di 300kHz per le misure analogiche. L'uscita analogica può funzionare con tensioni massime di ±10 V e una velocità di campionamento di 5kS/s (max.) per canale. Le unità sono corredate da otto I/O digitali che operano con tensioni fino a 5V e correnti di ±4mA. Un contatore a 32 bit attivato sui fronti di salita del segnale completa il profilo di questi DAQ.
Figura 4: Per l'acquisizione dati è possibile utilizzare il DAQ MCC USB-230 di Digilent, un tool basato su USB. I blocchi terminali semplificano il collegamento dei segnali con unità DAQ
Ovviamente, i dispositivi di acquisizione dati USB-230 sono supportati da una vasta gamma di tool software. DAQami, ad esempio, è un tool visuale da utilizzare per l'acquisizione dati e la generazione del segnale. L'interfaccia di questa applicazione, di tipo "drag-and-drop", permette di visualizzare i dati in maniera molto semplice e può supportare più dispositivi USB-230 collegati al medesimo PC. La MCC Universal Library è destinata ai progettisti che intendono sviluppare software personalizzato per acquisizione dati per soddisfare esigenze specifiche e prevede il supporto di programmazione per Python su Windows. Per gli sviluppatori che operano in ambiente Linux è invece disponibile uldaq. In alternativa, è anche previsto il supporto per i linguaggi di programmazione LabVIEW e MATLAB.
Uno sguardo alle interfacce seriali
Nel momento in cui un progettista decide di utilizzare un nuovo fornitore di microcontrollori, uno dei maggiori problemi da affrontare è il corretto apprendimento del funzionamento delle periferiche. Registri, funzionalità e descrizioni contenute nei datasheet sono infatti sempre differenti rispetto a quelli abituali. Di conseguenza, la messa a punto delle interfacce seriali si rivela spesso un compito arduo, in quanto gli sviluppatori sono tenuti a verificare se la velocità di trasferimento dati e altre impostazioni siano state interpretate correttamente e configurate nella maniera più appropriata. Per questo motivo un progettista deve dotarsi di un analizzatore logico se, ovviamente, non ne possiede già uno.
In ogni caso, oggigiorno, non esistono scusanti per non avere uno strumento di questo tipo sul banco di lavoro. L'analizzatore logico USB di SparkFun è uno strumento a otto canali caratterizzato da una velocità di campionamento di 24 MHz e disponibile a un prezzo assolutamente accessibile (Figura 5). Supportato da sigrok, un progetto software open source per l'analisi dei segnali, questo analizzatore mette a disposizione decodificatori di protocollo, dai più comuni ai meno conosciuti. Oltre che per quelli tradizionali, come SPI e I2C, è previsto il supporto per la decodifica dei protocolli utilizzati per le memorie EEPROM e i display a 7 segmenti, i protocolli DALI, LIN, CAN, oltre a quelli delle varie interfacce di debug dei processori Arm.
Figura 5: L'analizzatore logico a 8 canali/24 MHz basato su USB di SparkFun è in grado di effettuare in tempi brevi il debug di quasi tutti i tipi di interfacce seriali ed è disponibile a un prezzo estremamente contenuto
L'hardware è in grado di gestire segnali fino a 5,25 V ed è alimentato attraverso la porta USB alla quale è connesso. I ponticelli femmina-femmina con codifica a colori semplificano i collegamenti con la scheda target: per alcune schede, come ad esempio Arduino, è necessario un connettore (di tipo pin header) maschio aggiuntivo. Per iniziare a utilizzare questo strumento, SparkFun mette a disposizione un eccellente tutorial che descrive l'uso dell'interfaccia utente grafica (GUI) di sigrok e dell'interfaccia a riga di comando (CLI).
Misurare grandi e piccoli segnali
Da sempre, i progettisti fanno affidamento su dati di elevato livello qualitativo per prendere le migliori decisioni di progetto, a livello di sistema oppure durante la fase di sviluppo di un sistema. Poiché attualmente uno dei problemi più critici è l'efficienza energetica, gli analizzatori di potenza stanno attirando sempre più l'interesse di parecchi team di sviluppo. Senza dimenticare che in alcune applicazioni è possibile conseguire ulteriori miglioramenti solo con l'utilizzo di tecniche di apprendimento automatico. Anche se si tratta di una semplice rete neurale, è necessaria una grande quantità di dati per proseguire nella fase di addestramento, ed è in un contesto di questo tipo che entrano in gioco dispositivi come i sistemi di acquisizione dati. Microcontrollori e interfacce seriali sono sicuramente indispensabili per il lavoro dei progettisti, anche se il loro utilizzo pratico crea non pochi problemi. Grazie alla disponibilità di hardware a basso costo e agli sforzi fatti dalla comunità open source, ora non esistono più scusanti per non avere sul banco di lavoro un analizzatore logico che permetta di vedere ciò che accade in quei fili.
