Foratrice automatica a PLC

La “Pertugiatrice”, uno slang italiano, è una Foratrice automatica a PLC di alta precisione progettata e realizzata su specifiche necessità. Una società industriale italiana produce filtri per applicazioni speciali come filtrazione di acqua e/o trattamento per liquidi industriali. L’elemento attivo dei filtri è il corpo filtrante interno che è, essenzialmente, un tubo con fori calibrati sulla superficie. Questi fori inizialmente (e per un lungo periodo) era realizzati manualmente sul tubo con un trapano a mano. Il fatto è che questo presentava diversi svantaggi:

  • Per produrre un singolo corpo filtrante era necessario un tempo da una a due settimane, un tempo troppo lungo se paragonato agli standard industriali;
  • Bassissima precisione se considetiamo che una persona aveva da ricercare il punto preciso sul quale eseguire il foro;
  • Non era possibile scendere sotto un certo diametro del foro (meno di 1mm) – questo non consentiva alla compagnia di produrre filtri di alta precisione e non consentiva quindi di aumentare i guadagni;
  • Durante la forature spesso il trapano o la punta si rompevano

Il titolare della società mi chiese de era possibile trovare una soluzione tecnica ed ottimizzare il processo di produzione per aumentare la qualità del prodotto finale.

La fase preliminare iniziò includendo l’analisi di tutte le necessità, comprese le seguenti:

  • Capacità della macchina di gestire fori del diametro di 0,5mm
  • Corpo filtrante con caratteristiche fisiche molto diverse: lunghezza da meno di 100mm fino a 2000mm e diametro da un minimo di 25mm fino a 300mm con spessore del corpo molto diverso
  • possibilità di parametrizzare il salto in termini di distanza tra i fori nei due assi
  • Possibilità di sceglie posizioni diversi tra circonferenze susseguenti: allineate o incrociate
  • Un sistema completamente autonomo capace di completare il lavoro senza assistenza dell’uomo

FASE DI PROGETTAZIONE

Dopo la fase di analisi e studio si rese necessario selezionare i giusti componenti, stimando il costo. La macchina così concepita aveva tre assi di posizionamento ed un utensile controllato in velocità. I componenti selezionati, divisi tra meccanici ed elettrici, erano:

  • Elettrica:

    • Unità centrale di controllo: PLC (Programmable Logic Controller)
      SIEMENS Simatic Step7 CPU313C-2DP – una CPU capace di gestire 2 canali Profibus separati come master e con una capacità di memoria e di programma per mantenere viva l’applicazione e tutti i dati per eseguire i calcoli necessari
    • 2x Servo-Driver di posizionamento lineare: FESTO SEC-AC-305-PB – servo driver per il posizionamento di alta precisione controllato via Profibus
    • 1x  Servo-Driver per posizionamento lineare subordinato ad una slitta meccanica a movimento lineare: FESTO SEC-DC-A-PB – servo driver per il posizionamento di alta precisione controllato via Profibus
    • 1x controllore per variazione di velocità per motore asincrono trifase: un Inverter Toshiba Speed Controller VF-511 che controlla la velocità del motore del mandrino in accordo con un riferimento di velocità calcolato da uno specifico algoritmo del sistema
    • 1x pannello operatore tattile: HAKKO 7” touchscreen a colori con interfaccia di comunicazione Profibus (RS-485) – questo componente si occupa di fare da interfaccia tra la macchina e l’operatore
    • 1x unità di alimentazione: un Siemens SITOP Power unit che genera l’alimentazione giusta per tutta la macchina

  • Meccanica:

    • Asse Lineare FESTO LS-5, 2290mm di lunghezza totale con un servo-motore MT-054, 500Watt con resolver di alta precisione premontato a bordo
    • Asse Rotante FESTO RF-1, 390mm di diametro esterno totale con servo-motore MT-054, 500Watt con resolver di alta precisione premontato a bordo, accoppiato ad un meccanismo di trasmissione a cinghia
    • Asse Lineare FESTO VP-2, 390mm di lunghezza totale con servo-motore 200Watt con resolver di alta precisione premontato a bordo

Tutte le parti meccaniche sono state assemblate sul posto per determinare il movimento giusto dell’utensile. La macchina appariva come un CNC 2 assi vecchio stile.

FASE DI SVILUPPO DEL SOFTWARE

La fase di sviluppo del software inizio impostando i driver attraverso il software di configurazione FESTO e collegando tutti gli elementi fisicamente e logicamente, testando la reazione dei servo-driver ai comandi del PLC.
Il software applicativo del PLC è stato sviluppato nell’ambiente Simatic Step 7 v5.3 organizzando l’intero programma in blocchi differenti raggruppati per specifica designazione, per esempio inizializzazione generale e dei servo, logica generale, logica del movimento, orientamento globale degli assi, comunicazione tra pannello touchscreen e i comandi proncipali e così via.

Durante la fase di implementazione, molti aspetti meccanici e nuovi bisogni furono presi in considerazione. Per esempio, durante il posizionamento e la rotazione era necessario un controllo costante della posizione relativa del trapato perchè alcune parti meccaniche potevano collidere. Un altro aspetto era la non lineare superfice del tubo in produzione, i fori potevano riuscire diversi compromettendo la qualità totale del prodotto finale. Alcune manovre manuali erano necessarie perchè l’operatore aveva la necessità di misurare alcune quote direttamente sul tubo in produzione mentre la macchina era in fase di preparazione alla partenza del ciclo. Un servizio di posizionamento manuale si rendeva necessario in caso di produzione speciale o eccezionale.

Un aspetto critico dell’applicazione era calcolare la corretta velocità di rotazione della punta mentre avveniva la penetrazione nel tubo. Se la velocità di rotazione non era proporzionalmente regolata alla velocità di penetrazione allora la punta poteva romperti totalmente o in parte compromettendo l’integrità del prodotto o distruggendo la macchina. Quindi si rendeva necessario sviluppare un algoritmo di calcolo che fosse capace di determinare la corretta velocità di rotazione del mandrino in base alla velocità di avanzamento dello stesso: l’algoritmo di calcolo venne chiamato “perforation brain” perchè era responsabile del continuo aggiostamento di velocità dei due assi (penetrazione e rotazione).
Dopo un lungo periodo di aggiostamento fine, l’algoritmo fu definitivamente testato e risultò perfettamente affidabile.
Il software è stato sviluppato secondo la logica del sequenziatore multi-salto capace di assumere differenti stati controllando i giusti servo-azionamenti in base allo stato che stà girando in quel momento.

FASE FINALE

La fase finale iniziò appena un mese dopo la produzione di filtri e i test del caso. L’interfaccia uomo/macchina, realizzata da un pannello Hakko 7” touchscreen full-color, è stata sviluppata con il software V Series Editor. Il pannello ereditò tutte le necessità in termini di controllo e gestione, dando all’operatore tutte le informazioni in un singolo punto e l’avilità di cambiare i parametri di lavoro, funzioni con operazioni manuali ed automatiche che la foratrice può eseguire. Una grande quantità di funzionalità furono aggiunte ed il pannello operatore è diventato una interfaccia facile da usare.

La foratrice è capace di completare autonomamente un lavoro completo con una grande possibiltà di gestione dei parametri in termine di

  • dimensione del tubo (lunghezza, diametro, spessore)
  • spazio orizzontale tra i fori
  • numero dei fori per circonferenza
  • punto di inizio e di fine sul tubo
  • velocità di penetrazione e rotazione
  • molte funzionalità manuali e variazioni durante l’esecuzione del ciclo
  • molte funzioni manuali per ottenere esattamente il risultato voluto
  • auto diagnosi e indicazioni per l’operatore

In fine, la macchina fu equipaggiata con una webcam il cui ruolo era trasmettere il video a distanza durante le pause di lavoro, il pranzo o i periodi di riposo.

 

Attualmente, la “pertugiatrice” ha spento 12 candeline ed è costantemente in produzione

Il capo, all’inizio, era entusiasta ma adesso lui è molto contento e veramente più entusiasta perchè la strana creature, mai esistita prima, è ancora in produzione senza mai aver presentato un problema e con una lunga storia alle spalle.

Dettagli del Progetto

  • CAMPO
    Industriale – manipolazione della plastica
  • DESCRIZIONE
    Macchina industriale per la produzione di corpi filtranti per sistemi di filtrazione industriale
  • STATO
    Finalizzato, attualmente in produzione
  • DATA
    Dicembre 2006

Piattaforme

Hardware

  • Siemens Simatic STEP7 PLC – CPU 300 Profibus Master
  • HMI Operator Panel Hakko 7” Touch-Screen Color
  • FESTO Axis Servo Controller modello SEC-AC-305 Profibus Device
  • FESTO Axis Servo Controller modello SEC-DC Profibus Device
  • Inverter Toshiba Compact Drive

Design Software

  • Siemens Simatic STEP7
  • FESTO GSD and Configuration Software
  • V Series Editor Panel Pro

Notizie dall’interno

Alcuni aspetti interessanti del progetto sono:

  • Software
    • Per consentire al sistema di funzionare, ci sono due blocchi software che devono giare insieme. Il primo è nel controllore sviluppato in AWL (lista di istruzioni in Simatic Step 7) ed il secondo, sviluppato in formato grafico nel TOUCH PANEL.
    • La comunicazione tra questi due componenti software è assicurata ad un cavo Profibus RS-485
  • Elettronica
    • Tutti i componenti elettrici del sistema sono contenuti in un unico cabine installato sotto la macchina
    • Tutti i cavi sono preassemblati in fabbrica e connessi sul posto dopo l’installazione della componentistica meccanica.
  • Fatti interessanti
    • Il quadro elettrico è stato sistemato in un giorno e la parte meccanica in una settimana
    • La fase dei test iniziò un lunedì di pioggia mentre una settimana dopo iniziò la prima produzione
    • La foratrice è attualmente in produzione senza mai essersi fermata una volta
    • La quantità di fori durante una produzione è di citca 250-300.000
    • Attualmente, la macchina ha totalizzato un così alto numero di fori eseguiti che non è possibile contenerli nella memoria del PLC in generale, quindi nessuno sa esattamente quanti fori avrà fatto
    • Il costo totale della costruzione della macchina (incluso software e progettazione) si è ripagato in un mese

 

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