Ogni controllore programmabile è costruito attorno a un ciclo di scansione: leggere gli ingressi, eseguire il programma utente, scrivere le uscite e ripetere all'infinito finché è presente l'alimentazione a 24 V. Gran parte di questa memoria di lavoro è una SRAM veloce e volatile, che perde il contenuto nell'istante in cui viene a mancare l'alimentazione — eppure una linea di produzione si aspetta che i suoi contatori, i relè di latch, i valori di ricetta e l'orologio in funzione sopravvivano allo spegnimento notturno, a un brown-out o a un buco di rete, e una macchina utensile si aspetta che sopravvivano anche i suoi parametri, le correzioni utensile e le posizioni di riferimento zero degli assi. La ritenzione non è quindi una funzione opzionale, ma un sottosistema definito con un proprio profilo di carico e una propria economia del guasto. Questo primo articolo sulla ritenzione al nichel-metallo idruro per controllori PLC e controlli CNC spiega esattamente cosa deve essere ricordato e perché, e seziona il carico a corrente bassissima che mantiene in vita una SRAM CMOS e un orologio in tempo reale quando viene meno l'alimentazione principale. Controllori reali ancorano la trattazione: una piccola famiglia di PLC offre o RAM più condensatore per circa due settimane di ritenzione a 25 °C, oppure RAM più batteria per circa cinque anni; un PLC compatto molto diffuso si affida a un supercondensatore interno per circa 50-100 ore di ritenzione dell'orologio e a una scheda batteria opzionale fino a 200 giorni; una CPU di fascia alta indica un tempo di backup di circa sei settimane a 40 °C e aree dati ritentive misurate in megabyte; e i controlli CNC usano da tempo celle al litio primario da 3,6 V, alcune con una finestra di hot-swap di soli cinque minuti. Questi dati fanno da cornice alle tre architetture di ritenzione — condensatore, batteria e memoria completamente non volatile —, di cui il secondo articolo affronta la selezione e la progettazione.
Durante il funzionamento la CPU esegue il programma utente — scritto nei linguaggi IEC 61131-3 in un PLC — dalla memoria di lavoro, aggiornando a ogni scansione le immagini di ingresso/uscita, i merker interni, i timer, i contatori e i registri dati. La SRAM veloce è preferita perché offre endurance illimitata e tempi di scrittura rapidi, ma è volatile: togliendo l'alimentazione i suoi bit decadono in millisecondi. Il codice programma è di solito rispecchiato in flash, ma lo stato live della macchina — conteggi accumulati, lotti parziali, setpoint inseriti dall'operatore — esiste solo in quel contenitore volatile.
I controllori designano quindi zone ritentive (di latch) il cui contenuto deve sopravvivere alla perdita di alimentazione, distinte dai tag non ritentivi che possono essere azzerati. Una CPU modulare moderna può ritenere vari megabyte di questi dati; il progettista marca quali tag sono ritentivi e l'hardware deve mantenere in vita precisamente quelle celle, oltre all'orologio in tempo reale, per tutta l'interruzione.
L'orologio in tempo reale (RTC) mantiene corretti timestamp, log eventi, routine programmate e contatori turno durante lo spegnimento. È un circuito minuscolo — le schede usano chip RTC dedicati come il DS3231 o il PCF2129 con ingresso di backup — ma funziona in continuo e la sua accuratezza è specificata a parte, comunemente entro poche decine di secondi al mese a 25 °C (un PLC compatto indica più/meno 90 secondi al mese, una famiglia modulare circa 27).
Poiché l'RTC non si ferma mai, il suo assorbimento in microampere è integrato sull'intero intervallo da spento e spesso domina il bilancio energetico di ritenzione insieme alla corrente di standby della SRAM. Una sorgente in grado di tenere una grande SRAM per giorni ma incapace di mantenere in funzione anche l'oscillatore fallisce comunque l'applicazione; ecco perché il dimensionamento della ritenzione somma sempre standby SRAM, RTC ed eventuali circuiti di supervisione, anziché contare la sola memoria.
Un controllo CNC alza la posta. Oltre al programma ladder, memorizza i parametri di sistema, la taratura dei servo, la geometria utensile e le correzioni d'usura, la compensazione dell'errore di passo e, per gli assi con encoder assoluti, le posizioni di riferimento di zero-return della macchina. Perdere questa memoria con backup a batteria significa reinserire i parametri ed eseguire di nuovo l'homing di ogni asse: ore di fermo specializzato e il rischio di una collisione se una correzione viene ripristinata in modo errato. Per questo i piani di manutenzione CNC trattano la batteria di memoria come un ricambio critico.
I controlli diffusi usano pacchi litio primario — una cella da 3,6 V e 1.750 mAh o un pacco doppio da 6 V sono ricambi comuni — e diversi specificano una breve finestra di pochi minuti entro cui la cella esaurita va sostituita con il controllo ancora alimentato, prima che la memoria CMOS decada. Questo vincolo di hot-swap è una conseguenza diretta della mancanza di un serbatoio energetico indipendente nel progetto di ritenzione.
L'industria conserva la memoria volatile in tre modi. Un condensatore o supercondensatore accumula carica sufficiente per SRAM e RTC durante le interruzioni brevi — un piccolo PLC ottiene circa due settimane da un condensatore, un controllore compatto circa 50-100 ore di orologio da un supercondensatore interno caricato durante il funzionamento — con il vantaggio di una vita a cicli praticamente illimitata e senza ricambi, ma lo svantaggio di un orizzonte di pochi giorni che si riduce ad alta temperatura. Una batteria primaria o ricaricabile estende la ritenzione a mesi o anni. La terza via elimina del tutto la memoria volatile, usando flash, FRAM o MRAM così che i dati di latch siano intrinsecamente non volatili; una moderna famiglia di PLC modulari pubblicizza una CPU senza batteria proprio su questa base, e una serie compatta mantiene l'orologio per dieci giorni grazie a un grande condensatore caricato nei primi trenta minuti di funzionamento.
La prima figura animata stratifica i dati che un controllore deve ritenere; la seconda confronta, qualitativamente, come le tre architetture preservano quei dati man mano che il tempo da spento cresce da minuti ad anni, mostrando i punti di incrocio attorno a cui il progettista deve progettare.
La ritenzione ha due fasi elettriche. Nell'istante del guasto un supervisore — un rilevatore di tensione e un watchdog della classe di un TPS3823 o MAX6369 — rileva il rail che crolla, attiva un avviso non mascherabile e concede alla CPU un breve intervallo di hold-up, spesso da un condensatore, per finire la scansione e scaricare i registri critici nel dominio ritentivo. Dopodiché rimane solo il carico di standby a livello di microampere della SRAM ritentiva e dell'RTC, sostenuto per la lunga interruzione dalla sorgente di ritenzione.
Questa suddivisione — una breve fase di salvataggio ordinato a corrente più elevata e una lunghissima fase di ritenzione a corrente ultra-bassa — detta la scelta della sorgente. Un condensatore eccelle nella prima ma non può coprire mesi; una batteria copre la lunga coda ma deve essere inserita in modo pulito e monitorata; la memoria non volatile gestisce la persistenza, ma il flash ha una endurance di scrittura finita, che una famiglia di PLC quantifica in circa 100.000 aggiornamenti, rendendolo meno adatto a dati riscritti a ogni scansione.
L'analisi produce una specifica chiara: una sorgente che sostenga il carico in microampere sommato di standby SRAM e RTC per l'intervallo da spento target alla temperatura del caso peggiore; un breve serbatoio di hold-up per il salvataggio ordinato al power-fail; una commutazione pulita che non interrompa mai il rail di ritenzione; una vita di servizio prevedibile con una strategia di monitoraggio o sostituzione; e, per la CNC, il supporto a una sostituzione sicura della batteria senza perdere la memoria. Il secondo articolo trasforma questo in un progetto di ritenzione concreto e confronta onestamente il nichel-metallo idruro ricaricabile con i supercondensatori, il litio primario e la memoria completamente non volatile; il terzo mappa le evidenze IEC 61131-2, EMC, ambientali e delle norme sulle batterie alla base di un controllore conforme.
Riconoscere la ritenzione come un sottosistema bifase dominato dai microampere è la mentalità che separa un controllore che si riavvia nello stato corretto, con l'ora giusta e le posizioni degli assi corrette, da uno che accoglie l'operatore con memoria cancellata e un turno di produzione perso.
Weijiang Power progetta e produce celle sigillate al nichel-metallo idruro e pacchi industriali abbinati per apparecchiature remote, fuori rete e legate alla sicurezza, e supporta i partner OEM con file di prestazione IEC 61951-2, evidenze di sicurezza IEC 62133-2, caratterizzazione del carico a impulsi, prove su ampio intervallo di temperatura e co-validazione caricabatterie/pacco. Comunicateci il vostro ciclo di lavoro, la corrente di picco, l'intervallo di temperatura, l'obiettivo di autonomia e le norme che il vostro prodotto deve soddisfare, e i nostri ingegneri definiranno una combinazione cella-e-pacco che tuteli autonomia, affidabilità e vita utile. Consultate la gamma nella pagina dei prodotti.
