Automation diModena e Reggio Emilia Controllo di Macchine ... · per trasformare un prodotto grezzo...

Università degli Studidi Modena e Reggio Emilia

AutomationRobotics and

SystemCONTROL

Controllo di Macchine Automatiche

1- Introduzione alle problematiche trattate nel Corso

Cesare Fantuzzi ([email protected])[email protected]

Ingegneria MeccatronicaIngegneria della Gestione Industriale

AA 2011/2012

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Sommario

2C. di Macchine Automatiche - 1. Introduzione

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

• lattine, • vetro, • bottiglie in PET

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

05/03/2012 - C. Fantuzzi, D. Borghi

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Obiettivi didattici del modulo

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

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


C. di Macchine Automatiche - 1. Introduzione

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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– 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.



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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.



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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 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.



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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.

� 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.



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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 parte operativa della macchina.

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



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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 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.



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“Il Mondo del

Packaging”

Pharmaceutical

Chocolate

Personal Care

Solid Food

Semi-SolidFood

Beverages

AsepticLiquid Food

PastorizedLiquid Food

Beauty Care

Tissues

Toys

Cigarettes

others…

Ice CreamsLinks

Packaging Machines05/03/2012 - C. Fantuzzi, D. Borghi


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Global Beverage Market

[in billion hectoliters]05/03/2012 - C.

Fantuzzi, D. BorghiC. di Macchine Automatiche - 1.

Introduzione

Assignment 1

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



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Lo schema di funzionamento

di una macchina



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The iLine™

solutions

Tetra Pak® A3/Flex

Tetra Pak® A3/Speed

Tetra Pak® A3/CompactFlex



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Tetra Pak A3/Speed iLine™

Full line offeringFull line offeringFull line offeringFull line offering

�Tetra Pak A3/Speed iLine™ includes:

Tetra Pak A3/Speed 0200

Accumulator Helix 30

Straw Applicator 30*

Multi Shrink 30 Speed

Cardboard Packer 30 Speed

Line Controller 30

Tray Shrink 30

Palletizer05/03/2012 - C.

Fantuzzi, D. BorghiC. di Macchine Automatiche - 1.

Introduzione

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Raw MaterialSupply

Cap

Food Supply

FoodTreatment

Converting

PalletizeCardBoard

PackingLabelFill

(e.g.: UHT, Past.)

(e.g.: cows)

(e.g.: carton layers)

(e.g.: trees)

The Packaging Material

The Product

Carton Packages

DownStream / Distribution Equipment /

Secondary Packaging



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Distribution Equipment(DownStream Equipment / Secondary Packaging)

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

Macchine automatiche situate dopo la macchina

riempitrice (filling machine)



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 valore per il cliente.

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



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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.



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Carro ponte



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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).



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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 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”



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Assignment 2

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



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Controllo Continuo vs

Controllo Logico� Il controllo logico è identificabile con una sequenza di

operazioni 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 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.



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Conclusioni



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• 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 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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