Automation diModena e Reggio Emilia Automazione ... · 1- Introduzione alle problematiche trattate...

Università degli Studidi Modena e Reggio Emilia

AutomationRobotics andSystemCONTROL

Automazione Industriale1- Introduzione

alle problematiche trattate nel Corso alle problematiche trattate nel Corso

Cesare Fantuzzi ([email protected])

Ingegneria MeccatronicaIngegneria della Gestione Industriale

AA 2010/2011

Sommario

� Descrizione di alcune macchine automatiche attraverso filmati, schemi concettuali, descrizione a parole e casi d’uso.– Macchine automatiche per impacchettamento in:

• lattine,

22Automazione Industriale - 1. Introduzione

• lattine, • vetro, • bottiglie in PET

– Macchina riempitrice Tetra Pak– Macchine per il “packaging secondario” Tetra Pak

28/08/2010 - C. Fantuzzi

Obiettivi didattici del modulo

� Comprensione delle problematiche tipiche di controllo di una macchina industriale.

� Come esempio sono proposte le macchine automatiche per l'impacchettamento.

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per l'impacchettamento.

28/08/2010 - C. Fantuzzi Automazione Industriale - 1. Introduzione 3

Automazione

� Il termine automazione identifica la tecnologia che usa sistemi di controllo per gestire macchine e processi, riducendo la necessità dell'intervento umano.

� L’automazione si introduce per effettuare operazioni – Ripetitive – Complesse– Complesse– Ove l’ambiente sia pericoloso o non idoneo sicurezza degli

operatori umani. – Per ottenere una elevata qualità della produzione. – Ove sia richiesta energia e potenza elevate certezza

dell'azione o semplicemente per maggiore comodità.


La Macchina Automatica

� La macchina automatica è un dispositivo meccatronico che esegue operazioni automatiche (in cui cioè non è richiesto l’intervento diretto dell’uomo nel ciclo di lavorazione)

� per trasformare un prodotto grezzo in un prodotto finito mediante l’uso di energia.


Terminologia

� Parte operativa: parte della macchina automatica che esegue la lavorazione richiesta. E’ costituita da componenti meccaniche studiate per interagire con il prodotto.

� Energia: la parte operativa richiede fonti di energia per effettuare i necessari movimenti meccanici. L’energia è sempre legata ad un movimento meccanico, e solitamente ha sempre legata ad un movimento meccanico, e solitamente ha origine elettrica, pneumatica o oleodinamica, successivamente trasformate da un dispositivo di attuazione (attuatore).

� Attuatore: il dispositivo che trasforma una forma di energia primaria in una energia meccanica. I motori elettrici sono gli attuatori più utilizzati per la loro praticità nelle macchine automatiche.


Terminologia (cont.)

� Materia prima: sono le parti grezze che debbono essere lavorate per ottenere il prodotto finale. Spesso le parti grezze possono essere semilavorati (es. prodotti intermedi, quali scatole preformate da riempire) prodotti da altre macchine. In tal caso, come sovente avviene, la macchina è inserita in una linea di produzione.è inserita in una linea di produzione.

� Prodotto finito: sono i prodotti lavorati dalla macchina automatica. Questi prodotti possono essere anche semilavorati che vengono presi in ingresso come prodotto grezzo da una altra macchina automatica.

� Sensori: sono componenti elettronici sensibili che consentono di misurare variabili di processo all’interno della parte operativa della macchina.


Terminologia (cont.)

� Unità di governo: implementa il sistema di controllo della macchina. Solitamente è costituito da un calcolatore elettronico con particolari funzioni specificatamente studiate per acquisire i segnali dai sensori e fornire segnali di comando agli attuatori che si trovano nella segnali di comando agli attuatori che si trovano nella parte operativa della macchina.

� Software di controllo: implementa la parte di algoritmi che sovraintendono alle operazioni di controllo della unità di governo.


Macchine automatiche per il confezionamento e l’imballaggio

� Nella catena di produzione di una azienda manifatturiera si possono distinguere tre fasi produttive:– Il processo: in cui viene preparato il prodotto mediante

processi continui svolti a lotti (produzione batch) lavorato il prodotto.

– Il confezionamento e imballaggio, in cui il prodotto viene – Il confezionamento e imballaggio, in cui il prodotto viene lavorato per permetterne la spedizione e la manipolazione in modo che venga mantenuta l’integrità e la sterilità. Queste operazioni, dette anche “packaging” sono solitamente svolte da macchine automatiche, dette macchine per il packaging.

– Logistica, in cui il prodotto viene stoccato in magazzini per disaccoppiare la produzione dalla domanda del cliente finale.


“Il Mondo del Packaging”

Solid Food

Semi-SolidFood

Pastorized

Toys

others…

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Pharmaceutical

Chocolate

Personal Care Beverages

AsepticLiquid Food

PastorizedLiquid Food

Beauty Care

Tissues

Cigarettes

Ice CreamsLinks

Packaging Machines28/08/2010 - C. Fantuzzi Automazione Industriale - 1. Introduzione

Global Beverage Market

11[in billion hectoliters]

28/08/2010 - C. Fantuzzi Automazione Industriale - 1. Introduzione

Un esempio di Macchina


Assignment 1

� Considerando i precedenti filmati di esempio, si individuino gli elementi fondamentali della macchina automatica facendo riferimento alla terminologia introdotta nei lucidi precedenti.


Lo schema di funzionamentodi una macchina


Una linea di produzione


Filling Machine


Filling Machine (cont’d)


The iLine™

solutions

Tetra Pak® A3/Flex

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Tetra Pak® A3/Speed

Tetra Pak® A3/CompactFlex


Tetra Pak A3/Speed iLine™

Full line offering

�Tetra Pak A3/Speed iLine™ includes:

Tetra Pak A3/Speed 0200

Accumulator Helix 30

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Straw Applicator 30*

Multi Shrink 30 Speed

Cardboard Packer 30 Speed

Line Controller 30

Tray Shrink 30

Palletizer28/08/2010 - C. Fantuzzi Automazione Industriale - 1. Introduzione

Tetra Pak A3/CompactFlex iLine™

Full line offering

Tetra Pak A3/CompactFlex 0100

Accumulator Helix 10

Straw Applicator 30 Flex

Domino unit A-300

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Straw Applicator 30 Flex

Film Wrapper 32

Cardboard Packer 32

Line Controller 30

Tray Shrink 30

Palletizer


Raw MaterialSupply

Converting

Card

(e.g.: carton layers)

(e.g.: trees)

The Packaging Material

Carton Packages

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Cap

Food Supply

FoodTreatment

PalletizeCardBoard

PackingLabelFill

(e.g.: UHT, Past.)

(e.g.: cows)

The Product

DownStream / Distribution Equipment / Secondary Packaging


Distribution EquipmentDistribution Equipment(DownStream Equipment / Secondary Packaging)(DownStream Equipment / Secondary Packaging)

� Accumulators� Cap Applicators� Card-Board Packers

Macchine automatiche situate dopo la macchina riempitrice (filling machine)

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� Card-Board Packers� Film Wrappers� Handle Applicators� Straw Applicators� etc..


Accumulator

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floating gear


THE TETRA HELIX 21 consists of two parallel conveyors, which operate at the same speed yet, are independent of one another. The one conveyor is for in-feed, the other for out-feed. Between the two conveyors, and at the heart of the system, is a floating gear.

When the production line is operating normally and both conveyors are running at the same

Accumulator

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and both conveyors are running at the same pace, the gear remains in a fixed position between the two conveyors. When a stoppage occurs, one of the conveyors will slow down or stop moving (the in-feed conveyor if the stoppage is upstream, the out-feed conveyor if it is downstream).


AccumulatorThe floating gear immediately registers thestoppage and begins to move up/downwardsenabling the unaffected conveyor to accumulatepackages. A constant package flow ismaintained without the packages coming intocontact with one another. When the problem hasbeen rectified and production has beenrestarted, the conveyor affected by the stoppage

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The floating gear retracts and the packages which have been accumulated are then discharged in the same order as when they were admitted (FIFO). Each package reenters the production line in the same perfect condition as when it entered.


restarted, the conveyor affected by the stoppagewill again start moving at the same pace as theother conveyor.

Cap Applicator


Cap ApplicatorGeneral Description

� The machine shown before is the Tetra Cap Applicator 88.It is used for the purpose of attaching a recloseable screwCap.

� Packages must have a pre-punched hole in the packagingmaterial. The cap is attached over the pre-punched hole

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material. The cap is attached over the pre-punched holeby means of hot melt. Tetra Cap Applicator 88 consists ofthe following sections: applicator, mechanical feeder andcap magazine with paddle elevator.


Package Infeed Belt Brake

� The packages are taken on a conveyor from thepackaging machine to the cap applicator.

� When the cap is correctly positioned, the brake startsand feeds the packages into the carrier chain.– The purpose of the brake is to separate and space

the packages, so that they are placed correctly inthe carrier chain of the machine.

– The brake consists of the two belts, between which

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– The brake consists of the two belts, between whichthe packages are to pass.

– A space between the individual packages is created,due to the speed of the brake being slower than thatof the conveyor.

– The brake belts are driven by an electric motor via aworm gear and a drive belt

� The motor is activated by photocells before and after thebrake..


� A paddle elevator collects the caps from a cap magazine,taking them up to a mechanical feeder.– The feeder turns the cap so they are correctly oriented.– Then the caps travel into the applicator on a cap conveyor.

� The paddle elevator consists of a belt with carriers, taking thecaps from the magazine up to the mechanical feeder.

Cap Handling

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caps from the magazine up to the mechanical feeder.– The mechanical feeder orients the caps to be positioned with the

screw cap downwards.– There are three air nozzles, which blow away caps that are

wrongly positioned. In the cap conveyor there are two photocellsthat indicates the below-minimum (not enough caps) andmaximum (conveyor full) amount of caps.


� At the end of the conveyor there is a cap pusher, which feeds the caps into an indexing wheel. The indexing wheel consists of an aluminium disc with recesses for 8 caps.

� The indexing wheel is driven, through a gear, by a beltconnected to the main shaft of the machine. The gear turnsthe disc forwards in 45° step.

Cap Application

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the disc forwards in 45° step.� Before the application unit, hot melt is forced in a circular

shape on the cap. After a second indexing the cap is collectedby the applicator chain and is taken on towards the package.

� The package is moved forward, while at the same time, thecap on the chain moves forwards at the same speed and inposition above the package.


Hot melt applicator

Applicator chain

Cap Applicator

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Applicator chain


On the applicator chain there are several cams that drives th e chain units:• keeps the cap in position (pick cap align);• presses the cap on the packages until the hot melt has solidif ied (apply cap align);• releases the cap just before the discharge point (release ca p).

Cap Applicator Chain


Card-Board Packertrays


� The packages are transported from the packaging machine to the Cardboard Packer by a conveyor.

� The packages are separated by belts so that they can be counted and be distributed into lanes. In the lanes the packages form queues and it’s possible to form different packaging pattern (with n x m packages).

� A brake is activated to create a gap between the groups of packages.� A loader pushes in the packages on the tray blank.

Card-Board Packer

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� A loader pushes in the packages on the tray blank. � The two long sides of the tray are folded in.� The tray passes the hot melt guns which apply hot melt to the two minor

flaps of the long sides.� In the compression station, the flaps of the tray are kept under pressure

while the adhesive solidifies.


Film WrapperTetra Film Wrapper is used to wrap Tetra Brik packages in stretched film. Themachine capacity is set in accordance with the capacity of the filling machine. It canalso be provided with a design correction system for printed film.

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Infeed

Grouping

WrappingSealing


Film WrapperGeneral description

� Infeed The packages are transferred from the filling machine to the FilmWrapper on a conveyor. The packages are counted by photocells. When thecorrect number of packages has passed the photocell, brake stops. The feedstop divides the packages into two lanes.

� Grouping The machine has two magazines for stretch film reels, one upperand one lower. There is a pusher that makes one, two or three strokesbefore the sealing is performed.

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before the sealing is performed.

� Wrapping There are film brakes that stop the film feed. As the wrapping iscompleted, the film will be stretching around the package group by a jawdriven by a pneumatic cylinder.

� Sealing A knife goes up and cuts the film, which is than sealed by aconstantly warm heating jaw. When the sealing is completed the knife andthe heating jaw return to their lower position and the sealing will be cooledby compressed air.


Handle Applicator

tapereels

paper labels

adhesive tape

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paddle


� The machine applies handles to unitswrapped in film.

� The tape is delivered in reels and thepaper labels are delivered pre-cut.Paper labels are fed into the machinevia a magazine and applied to theadhesive tape.

� Thereafter the handle is transferred to

Handle Applicator

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� Thereafter the handle is transferred tothe units via a paddle. During therotation of the paddle the handle is cutoff by a knife.

� When entering the Tetra HandleApplicator the units are separated tocreate the necessary gap for theapplication. The units are fed throughthe machine in a constant flow to avoidqueuing.


Straw Applicator

conveyor

beltbrake

hotmeltphotocell

hotmelt

packagephotocell

chain

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hotmelt gun

revolver feed wheel

forks


� The packages are fed on the conveyor (1). The infeed brakeseparates the packages. When a package is registered bythe hotmelt photocell (2), the hotmelt gun (3) applies twodots of hotmelt onto the package.

� The package continues on the conveyor and is registered bythe package photocell (4), which starts the straw application

Straw ApplicatorGeneral Description

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the package photocell (4), which starts the straw applicationcycle (feed wheel, forks).

� The chain (5) brings the package in position, the revolverfeed wheel (6) moves one position and the forks (7) pressthe straw to the hotmelt dots on the package.


Fine linea e logistica automatica


Controllo del Traffico


Robotica Mobile @ Unimore


Funzionamento a sequenze

� Una macchina automatica può essere considerata come un sistema sequenziale (catena di montaggio) che esegue in maniera automatica una sequenza di operazioni su un prodotto.

� Ciascuna operazione corrisponde ad una sequenza operativa in cui il prodotto viene trattato per aggiungere operativa in cui il prodotto viene trattato per aggiungere valore per il cliente.

� Tali sequenze operative possono essere descritte utilizzando una sequenza di stati – transizioni.


Un esempio – Una automazione a carro ponte

� Descrizione: un sistema di movimentazione a carro ponte ha come scopo la movimentazione di merci in senso verticale e orizzontale, ad esempio per spostare merci da un nastro trasportatore di arrivo ad un nastro trasportatore di partenza evitando un ostacolo posto tra i due.due.


Carro ponte


Diagramma a stati

� Un diagramma a stati descrive la logica di funzionamento di un sistema.

� E’ costituito da due elementi principali:– Uno stato di funzionamento : descrive lo stato in cui si trova un

sistema ad un certo istante. Lo stato è definito, ad esempio, dalleazioni che il sistema compie (una azione può essere anche l’attesadi un comando)-

– Una transizione : descrive l’evoluzione da uno stato ad uno (o piùdi uno) successivi.

� Ciascuno dei due elementi sopra definiti è caratterizzato da una:– Lo stato è associato alle azioni compiute dal sistema in quello stato

(es. Movimento di un robot).– La transizione è associata alle condizioni che debbono essere

verificate affinchè la transizione avvenga (es. Il segnale diattivazione di un sensore).


Controllo logico

� Il controllo logico è definito dalla sequenza di stati e transizioni che deve seguire il sistema nel suofunzionamento.

� Il controllo logico è progettato in due fasi:– La parte di “astrazione” in cui è definita la sequenza degli

stati e delle stransizioni in modo astratto, senza seguirestati e delle stransizioni in modo astratto, senza seguireuna ben definita implementazione.

– Ci si concentra su “cosa deve fare la macchina”– La parete di “implementazione”, in cui sono definite la

tecnologia di esecuzione delle operazioni, e quindi ilsoftware di controllo che deve implementare tale logica.

– Ci si concentra su “come deve essere fatto quello chela macchina deve fare”


Assignment 2

� Descrivere con un diagramma a stati di tipo “astratto” la sequenza operativa di un carro ponte


Controllo Continuo vsControllo Logico

� Il controllo logico è identificabile con una sequenza dioperazioni finite che portano alla esecuzione di un compito complesso.

� Il controllo continuo (definito nei corsi di base diControlli Automatici) è cositutito da un anello di controllo(oggi esclusivamente di tipo digitale) in cui una variabile(oggi esclusivamente di tipo digitale) in cui una variabilecontrollata viene mantenuta ad un valore prestabilito(detto riferimento) che può anche essere variabile neltempo (in tal caso viende detto “traiettoria” di riferimento) attraverso un sistema di controllo in retroazione.

� Una azione di un controllo logico può essere il comandodi un movimento di un robot a sua volta eseguito tramiteun controllo continuo.


Conclusioni

• Sono stati presentati gli aspetti salienti dellatecnologia del packaging in cartone, lattina, bottigliedi plastica e di vetro.

• Si e' studiata, piu' in dettaglio, un tipica linea diimpacchettamento di cibi liquidi asettici in packaging material multistrato asettico. La linea risulta composta


material multistrato asettico. La linea risulta compostada una macchina riempitrice, seguita da Distribution Equipment, o macchine adibite al Secondary Packaging.

• Per ogni macchina sono stati accennate e affrontate le diverse problematiche meccatroniche che le funzionidi impacchettamento comportano.

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