La stessa filosofia di progettazione può essere applicata a entrambi?

"È semplicemente un armadio dotato di contattori, relè e PLC: quanto possono essere davvero diversi?"

Questo è un malinteso comune tra gli ingegneri neolaureati. Sebbene entrambi siano armadi di controllo a bassa tensione, una scatola montata a parete che controlla una pompa dell'acqua da 2,2 kW funziona secondo una logica di progettazione completamente diversa da un sistema collegato a quattro armadi che gestisce una linea di produzione di 200 metri. La disparità non risiede nei componenti stessi, ma nel pensiero architettonico.

Questo articolo analizza le differenze di progettazione tra questi due tipi di armadi elettrici in sei dimensioni: passaggio da sistemi autonomi a armadio singolo a sistemi collegati a più armadi e passaggio da una progettazione "adatta allo scopo" a una progettazione affidabile ed espandibile.

I piccoli armadi di controllo adottano tipicamente una configurazione con un unico armadio per una macchina. Tutti i componenti sono alloggiati in un unico involucro montato a parete. Gli I/O nativi del PLC stesso soddisfano tutti i requisiti, integrando funzioni di alimentazione, controllo e protezione.

Prendiamo come esempio la scatola di controllo di una ventola: contiene uno Schneider M221 (TM221CE16R), insieme a interruttori automatici, contattori e relè di sovraccarico termico. Una volta cablato, l'unità è pronta per la consegna.

I grandi armadi di controllo collegati seguono una filosofia di progettazione a zone. Una linea di produzione è solitamente suddivisa in più armadi dedicati:

• Armadio di alimentazione e distribuzione in entrata: gestisce l'accesso all'alimentazione principale e la distribuzione graduale dell'alimentazione, dotato di interruttori automatici scatolati serie Schneider ComPact NSX.
• Armadio di controllo principale: ospita il PLC principale (ad esempio Siemens S7-1500 CPU 1516-3 PN/DP) e l'HMI.
• Armadio I/O remoto: utilizza i moduli I/O distribuiti ET200SP per distribuire terminali di segnale vicino alle apparecchiature di campo.
• Armadio VFD/Soft Starter: concentra azionamenti ad alta potenza.

Il vantaggio principale della suddivisione in zone: il guasto di un armadio non spegnerà l'intero sistema e la manutenzione può essere eseguita isolando l'alimentazione alle singole zone.

La pianificazione degli I/O per quadri elettrici di piccole dimensioni è semplice. Gli ingegneri contano il numero di motori, sensori e pulsanti, quindi assegnano i punti punto per punto. Il totale degli ingressi e delle uscite digitali ammonta solitamente a trenta-quaranta punti, che possono essere coperti dagli I/O integrati del PLC; se sono necessari più punti è sufficiente un piccolo numero di moduli di espansione aggiuntivi.

La progettazione di armadi collegati di grandi dimensioni deve dare priorità allo spazio di espansione. Normalmente, all'interno di ciascun armadio viene riservato il 20%–30% di punti I/O di riserva e spazio sulla guida DIN. Questo non è uno spreco, ma una lezione appresa dalla pratica: durante la messa in servizio vengono spesso aggiunti ulteriori sensori e nuove funzioni possono essere adattate in un secondo momento. Senza capacità inutilizzata, gli ingegneri dovranno affrontare lavoro extra, tra cui la foratura del mobile, l'installazione dei moduli e la modifica del programma.

Configurazione consigliata: Siemens ET200SP (IM 155-6 PN ST) per stazioni I/O remote abbinate a moduli di espansione Schneider Modicon TM3. Entrambi supportano l'hot swap su guide DIN, consentendo l'espansione della capacità senza arresto del sistema.

I piccoli armadi generalmente adottano un interruttore principale per l'alimentazione in ingresso, con fusibili o interruttori automatici miniaturizzati (MCB) per i circuiti derivati ​​interni.

Ad esempio, un armadio di controllo compatto per una pompa dell'acqua utilizza uno Schneider iC65N 2P C32A come interruttore in ingresso e ciascun circuito del motore è protetto da un interruttore automatico del motore GV2-ME abbinato a un contattore LC1D. Il layout è semplice e chiaro.

I grandi armadi collegati richiedono una distribuzione graduale dell'alimentazione:

• Livello 1: interruttore principale di ingresso, generalmente un interruttore automatico scatolato estraibile (come l'interruttore automatico ABB Emax 2 o l'interruttore aperto Schneider MTZ) dotato di uno sganciatore di comunicazione per la commutazione remota.
• Livello 2: le sbarre principali distribuiscono l'alimentazione a ciascun armadio funzionale, con un interruttore automatico indipendente sul terminale di ingresso di ogni sottoarmadio.
• Livello 3: protezione indipendente per ciascun circuito all'interno dei singoli armadi; i carichi critici adottano la doppia alimentazione.

Scopo della protezione graduale: l'intervento di un guasto su un circuito del motore non deve provocare l'arresto dell'intera linea di produzione.

La maggior parte delle piccole apparecchiature si basa su un cablaggio punto-punto cablato o su un singolo collegamento Modbus RTU che si collega all'HMI. L'armadio può disporre di una sola porta Ethernet per il funzionamento locale del touchscreen.

I grandi armadi collegati richiedono una robusta dorsale di comunicazione:

• Livello di controllo host: Industrial Ethernet (Profinet/EtherNet/IP) collega il PLC con SCADA e HMI.
• Livello di campo: le stazioni I/O remote e gli azionamenti a frequenza variabile comunicano tramite Profinet o EtherCAT.
• Interfaccia del sottosistema: i dispositivi di terze parti (contatori intelligenti, unità di monitoraggio dell'energia) si collegano tramite gateway Modbus TCP/RTU.

Per la comunicazione tra armadi si consigliano gli switch gestiti Siemens SCALANCE XB208 per realizzare reti ad anello ridondanti. La comunicazione del sistema rimane ininterrotta se un singolo segmento di fibra si guasta.

I piccoli armadi generano un calore limitato e di solito si affidano alla ventilazione naturale dell'armadio. Con pochi componenti all'interno sono sufficienti due canaline portacavi (una per i cavi di potenza, una per i cavi di segnale).

La generazione di calore non può essere trascurata nei grandi armadi collegati. Quando più VFD funzionano contemporaneamente, la temperatura interna dell'armadio può facilmente superare i 45°C. La gestione termica sistematica è obbligatoria:

• Installare ventole di raffreddamento o condizionatori d'aria per armadi VFD.
• Separare i componenti che generano calore dai PLC; posizionare i PLC sul lato della presa d'aria.
• Adotta la presa d'aria inferiore + lo scarico dell'aria superiore per formare una convezione efficace.

Gli standard di cablaggio devono essere aggiornati da "abbastanza funzionali" a una gestione gerarchica:

• Far passare i cavi di alimentazione ad alta tensione (380 V / 220 V) nella canalina sul lato sinistro dell'armadio.
• Far passare i cavi a bassa tensione (segnali di controllo 24 V, cavi di comunicazione) in canaline separate sul lato destro.
• Utilizzare cavi schermati per il cablaggio di uscita del VFD e mantenere una distanza minima di 200 mm tra i cavi di alimentazione e i cavi di segnale.

Si consigliano armadi a pavimento: serie Schneider Spacial SF (IP55) o Rittal TS 8 (IP55). I loro telai modulari facilitano l'installazione affiancata di più armadi.

Per i quadri elettrici di piccole dimensioni, gli interruttori automatici, i relè di sovraccarico termico e un pulsante di arresto di emergenza soddisfano la maggior parte dei requisiti applicativi.

La progettazione della sicurezza per armadi collegati di grandi dimensioni è un compito ingegneristico sistematico:

• Implementa PLC di sicurezza (ad esempio Siemens CPU 1516F-3 PN/DP) per elaborare segnali di arresto di emergenza, interblocchi di porte di sicurezza e ingressi di barriere fotoelettriche.
• I circuiti di sicurezza utilizzano un cablaggio rosso dedicato e non devono condividere la canalina con altri cavi di segnale.
• Applicare la ridondanza del doppio contattore (due contattori Schneider LC1D collegati in serie) per garantire la disconnessione del circuito principale anche in caso di guasto di un contattore.
• Segnali di interblocco critici cablati invece di fare affidamento esclusivamente sui collegamenti di comunicazione. L'esperienza sul campo conferma che le rotture dei cavi di comunicazione potrebbero non attivare gli allarmi.

1. Architettura: Armadietti di piccole dimensioni – design autonomo a contenitore singolo; Grandi armadi collegati – zonizzazione multi-armadio e disaccoppiamento funzionale.
2. Pianificazione I/O: piccoli armadi – dimensionati per soddisfare esattamente la domanda; Armadi collegati di grandi dimensioni: riservano il 30% di capacità di riserva e supportano lo scambio a caldo.
3. Distribuzione dell'alimentazione: piccoli armadi – singolo circuito in ingresso protetto da MCB; Grandi armadi collegati – protezione a tre livelli con interruttori principali estraibili.
4. Comunicazione: Armadietti – Modbus RTU o connessione Ethernet singola; Grandi armadi collegati – reti ad anello ridondanti più gateway multiprotocollo.
5. Termico e cablaggio: piccoli armadi – raffreddamento naturale, semplice doppio canale; Grandi armadi collegati: controllo attivo della temperatura, cablaggio separato alta/bassa tensione.
6. Sicurezza: armadietti di piccole dimensioni – arresto di emergenza + protezione da sovraccarico termico; Grandi armadi collegati – PLC di sicurezza + ridondanza a doppio canale.

1. Schneider TM221CE16R – PLC compatto per armadi autonomi per piccole apparecchiature
2. Schneider TM241CE40R – PLC di fascia media per macchine, linee di confezionamento e trasporto di medie dimensioni
3. Siemens CPU 1516-3 PN/DP – PLC di fascia alta per quadri elettrici principali di grandi sistemi collegati
4. Siemens CPU 1516F-3 PN/DP – PLC di sicurezza per sistemi di grandi dimensioni che richiedono conformità alla sicurezza funzionale
5. Siemens ET200SP IM 155-6 PN ST – Modulo di interfaccia I/O distribuito per stazioni I/O remote
6. Schneider ComPact NSX100F – Interruttore automatico scatolato per alimentazione in ingresso e protezione graduata in armadi di grandi dimensioni
7. Schneider iC65N 2P C32A – Interruttore automatico miniaturizzato per la protezione dell'ingresso principale o delle diramazioni in piccoli armadi
8. Schneider GV2-ME14 – Interruttore automatico del motore, applicabile ai circuiti motore di armadi sia piccoli che grandi
9. Siemens SCALANCE XB208 – Switch industriale gestito per anelli di comunicazione tra armadi ridondanti
10. Schneider HMISTU855 – HMI touchscreen per pannelli operativi locali su armadi di piccole e medie dimensioni