MOTION CONTROL. Moderazione a cura del Prof. Claudio Melchiorri. Università di Bologna

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1 MOTION CONTROL Moderazione a cura del Prof. Claudio Melchiorri Università di Bologna

2 Dal processo produttivo al fine linea: dove la robotica incontra il motion control Maurizio Tarozzi Global Technology Manager Packaging Solutions B&R Automazione Industriale

3 Dal controllo di maccchina al controllo di linea Total Cost of Ownership (TCO) Evoluzione del processo Automazione

4 Il PROCESSO PRODUTTIVO Le linee produttive nel processo manifatturiero Efficienza Performance Integrazione orizzontale e verticale Sostenibilità Energy saving Safety Security OEE

5 Il PROCESSO PRODUTTIVO Le linee produttive nel processo manifatturiero Flessibilità Cambio formato Cambio prodotto Riconfigurazione Robotica

6 Il Motion Control La crescente importanza del Motion Control HW SW Attuazione elettrica Attuazione idraulica Posizionamento semplice Camma elettronica Controllo numerico Controllo idraulico Robotica a cinematiche variabili

7 Motion Control - Elettrico Soluzioni HW di attuazione Elettrico Corrente continua (DC) Motore passo-passo Motore a spazzole Corrente alternata (AC) Motore sincrono (brushless) Motore asincrono

8 Soluzioni HW di attuazione Idraulico Pompe a portata fissa/variabile Servoattuatore con valvola proporzionale Motion Control - Idraulico

9 Motion Control Necessità di una piattaforma moderna di automazione SW di Motion astratto dalla piattaforma di controllo HW e dal sistema fisico di attuazione Vasta disponibilità di soluzioni HW per le diverse esigenze di Motion Control Rete ethernet real-time con protocollo aperto

10 Motion Control - SW Il SW nel Motion Control Universalità nel controllo del Motion (Camme elettroniche, CNC, Robotica...) Indipendenza dall attuatore Gestione della logica macchina - I/O Astrazione dall Hardware Visualizzazione Time to Market y 4 y 3 z 4 z 3 x 4 z 2 x 3 y 5 z 5 y 6 z 6 x 5 x 6 y 2 x 2 z 1 y 1 x 1

11 Il SW nel Motion Control Il concetto di astrazione dall HW Motion Control - SW PLCopen Motion Control CNC Robotica DC, Stepper, Idraulico Servo FU Codice utente Generazione traiettoria Attuatori

12 Esempio d integrazione attraverso POWERLINK assi installati nel 2010 Motion Control - HW

13 Esempio di MC integrato Dividella Pharma Packaging Technology [Körber Medipak] 450 axis (40 gruppi di assi con funzionalità di robotica) 150 servomotori 300 passo passo

14 Esempio di MC integrato Linea per la lavorazione del vetro Movimentazione di Robot Taglio/Lavorazione Foratura Trasporto materiale Processi paralleli

15 SAFETY e Motion Control

16 SMART SAFE REACTION SAFETY e Motion Control SAFETY FUNCTIONS STO Safe Torque Off SBC Safe Brake Control SOS Safe Operating Stop SS1 Safe Stop 1 SS2 Safe Stop 2 SLS Safe Limited Speed SDI Safe Direction SLI Safe Limited Increment SLP Safe Limited Position Safe referencing

17 Safe Operating Stop calcolo dell errrore sul tempo di risposta L errore innesca un accelerazione di 10m/s 2 ad un asse fermo in coppia Soluzione tradizionale cablata 80ms 32mm percorsi SafeMC su POWERLINK 7ms 0.25mm percorsi Distanza ridotta del 99.2% 130x Energia dell impatto ridotta del 99.2% 130x SMART SAFE REACTION

18 SMART SAFE REACTION Monitorare la velocità al Tool Center Poing (TCP) Informazioni di base Il movimento del TCP di un robot implica il movimento di diversi assi. La sua velocità è la risultante del movimento dei singoli giunti (dipende dalla cinematica del robot) Pertanto monitorare in modo sicuro la velocità degli assi sui giunti non è sufficiente, la velocità risultante al TCP potrebbe superare la velocità sui giunti Braccio sportente del robot TCP chiude il centro di rotazione

19 SMART SAFE REACTION Monitorare la velocità sicura SLS del TCP e dei giunti di un robot è però fondamentale per garantire la sicurezza operativa del robot. Tipicamente la velocità al TCP non può superare i 250 mm/s

20 SMART SAFE REACTION Permette una manutenzione sicura dell impianto Ottimizza la gestione del MC Diminuisce il footprint Aumenta la produttività della macchina

21 Grazie per l attenzione

22 Controllo di mandrini brushless sensorless in deflussaggio spinto, con recupero di energia di frenatura Autore: Andrea Mazzolani Drive & Automation Bonfiglioli Italia

23 Caratteristiche salienti di un applicazione Mandrino Elevate velocità di rotazione Rapidi e frequenti cicli di accelerazione e decelerazione per massimizzare la produttività della macchina Controllo robusto su ampio range di inerzie del carico (direct drive) Stabilità della velocità durante la lavorazione Fermata del mandrino entro 10s in caso di emergenza/mancanza rete Possibilità di controllare diversi mandrini con lo stesso drive

24 Caratteristiche salienti di un applicazione Mandrino ->come si riflettono sull algoritmo di controllo Elevate velocità di rotazione ->controllo stabile anche in condizioni di forte deflussaggio dove i parametri di macchina variano notevolmente in funzione della frequenza. E necessario massimizzare la tensione di uscita per sfruttare appieno le performace del motore in deflussaggio. Frequenza di uscita molto elevata >1kHz necessita quindi di elevata velocità di esecuzione del controllo di corrente Rapidi e frequenti cicli di accelerazione e decelerazione ->possibilità di elevato sovraccarico e fine controllo della tensione di bus dc in decelerazione Controllo robusto su ampio range di inerzie del carico -> anelli di regolazione di velocità\corrente robusti e auto-adattativi

25 Caratteristiche salienti di un applicazione Mandrino ->come si riflettono sull algoritmo di controllo Stabilità della velocità durante la lavorazione ->robustezza alle variazioni di carico; specialmente nelle lavorazioni di materiali morbidi come il legno, fluttuazioni di velocità si riflettono in difetti sulla superficie lavorata. Fermata del mandrino entro 10s in caso di emergenza/mancanza rete - >fine controllo della decelerazione soprattutto in caso di mancanza rete, dove occorre modulare la decelerazione in modo da permettere, indipendentemente dall inerzia dell utensile utilizzato, la rigenerazione del mandrino per consentirne il controllo fino alla completa fermata. Possibilità di controllare diversi mandrini con lo stesso drive -> tramite cambio data set si commuta fra diversi mandrini, inoltre nello specifico progetto, i mandrini possono essere indifferentemente sincroni o asincroni; pertanto l algoritmo di controllo è in grado di pilotare entrambi

26 Caratteristiche salienti del motore brushless sensorless ROTORE Rotore anisotropo a magneti permanenti annegati a singola barriera. (ipmsm) asse q asse d Motore ad alta coppia specifica; Struttura rotorica costruttivamente semplice. STATORE Avvolgimento concentrato A parita di Nspire, consente di avere testate piu corte e quindi minori perdite rispetto agli avvolgimenti distribuiti.

27 Caratteristiche salienti del motore brushless sensorless Il rotore a 6poli a magneti permanenti annegati presenta una marcata anisotropia magnetica (viste le diverse riluttanze dei circuiti magnetici a cui si riferiscono, l induttanza diretta ld e quella in quadratura lq, sono fra loro diverse). Questo comporta, rispetto al rotore anisotropo, che la conversione elettromeccanica e quindi la coppia da esso generata, risulti essere la somma delle due componenti: coppia elettrica e coppia di riluttanza. m i i i l m el i s s el r,d q m e s, d s, q d q s, l Nel funzionamento in deflussaggio il flusso rotorico generato dai magneti viene ridotto ai fini di mantenere costante la tensione indotta sul motore, tale indebolimento causa una riduzione della coppia elettrica che nelle macchine a rotore anisotropo viene compensata dall aumento della coppia di riluttanza (poiché id<0 ed ld<lq) m rel asse q asse d

28 Caratteristica coppia/velocità del mandrino brushless sensorless utilizzato Nm g/m g/m

29 Caratteristica Potenza/Velocità del mandrino brushless sensorless utilizzato kw kw kw rpm rpm

30 Controllo Sensorless Lo studio di controlli sensorless da molti anni è incentrato sul miglioramento delle performance del controllo motore specialmente a bassi giri o da fermo per garantire prestazioni sempre più simili al funzionamento ad anello chiuso, lo sviluppo dei principali algoritmi è ormai ritenuto solido e affidabile. Completamente diverso è lo stato dell arte delle soluzioni sensorless nell ambito del controllo di motori ad elevata velocità ed in particolare in deflussaggio spinto, casistica a cui le applicazioni mandrino appartengono e ne rappresentano l estremizzazione essendo richiesti deflussaggio fino a 2 o 3 volte la velocità nominale con velocità di rotazione di oltre 24000giri/minuto e conseguenti frequenze di uscita di oltre 1200Hz. Per permettere il funzionamento in deflussaggio del mandrino si deve necessariamente utilizzare un rotore anisotropo a magneti annegati; l anisotropia è necessaria per sfruttare la coppia di riluttanza che compensa la diminuzione di coppia dovuta all indebolimento del campo magnetico nella zona di funzionamento in deflussaggio, inoltre i magneti annegati consentono di vincere le elevate forze centrifughe dovute ai regimi di rotazione estremamente elevati, cosa non fattibile con magneti superficiali.

31 Controllo Sensorless Le principali tematiche che il controllo sensorless deve risolvere nel caso di macchina sincrona a magneti permanenti ( ipmsm) sono: Stima della posizione del campo magnetico rotorico alla partenza, per garantire la massimizzazione della coppia che il controllo vettoriale del drive può sviluppare. Corretto funzionamento in deflussaggio per massimizzare le coppie sviluppabili dal motore (sfruttamento della coppia di riluttanza). m el i s s m el r,d is, q is, d is, q ld lq m e m rel

32 Controllo Sensorless Fra i parametri di macchina l induttanza statorica Ls, direttamente dipendente dal flusso magnetico statorico, è fortemente influenzata nel funzionamento in deflussaggio e le sue variazioni avvengono con dinamiche proporzionali alle accelerazioni mantenute in fase di deflussaggio. Le variazioni dell induttanza statorica si traducono in una stima di velocità rumorosa e quindi in una perdita di dinamica. Le strategie del controllo sviluppato sono atte a risolvere le problematiche sopra esposte, tipiche dei motori sincroni a rotore anisotropo a magneti annegati, ma anche ad adattarsi al controllo di mandrini asincroni per garantirne l applicabilità in macchine in cui è richiesta la gestione di entrambe le tipologie di motore con drive unico.

33 Signal Flow Graph di un motore asincrono

34 Signal Flow Graph di una macchina sinrona PMSM

35 Schema di principio FOC sensorless M

36 Rigenerazione Le applicazioni mandrino sono tipicamente caratterizzate da frequenti cicli di lavoro con elevate velocità di rotazione e rapide accelerazioni e decelerazioni. Il sistema Drive+Spindle sviluppato nell ambito del progetto EROD (Energy Reduction Oriented Device) visto il focus su nuove tecnologie orientate al risparmio energetico applicabili alle macchine, ha portato oltre che alla scelta di progettare un mandrino ipmsm ad alta efficienza, a sviluppare anche un semplice controllo rigenerativo che permette di stabilizzare la tensione del bus-dc e recuperare l energia di frenatura durante le fasi di decelerazione.

37 Rigenerazione Le applicazioni mandrino sono tipicamente caratterizzate da frequenti cicli di lavoro con elevate velocità di rotazione e rapide accelerazioni e decelerazioni. Il sistema Drive+Spindle sviluppato nell ambito del progetto EROD (Energy Reduction Oriented Device) visto il focus su nuove tecnologie orientate al risparmio energetico applicabili alle macchine, ha portato oltre che alla scelta di progettare un mandrino ipmsm ad alta efficienza, a sviluppare anche un semplice controllo rigenerativo che permette di stabilizzare la tensione del bus-dc e recuperare l energia di frenatura durante le fasi di decelerazione.

38 Rigenerazione Per non aumentare in maniera significativa i costi di macchina e non complicare il lay-out complessivo, si è scelto di recuperare l energia senza utilizzare una modulazione PWM che necessiterebbe di conoscere con precisione sia modulo che fase delle tensioni di rete per l opportuna sincronizzazione. L inverter rigenerativo con l utilizzo solo di induttanza d interfaccia rete riesce, tramite opportuni algoritmi, ad avere una sincronizzazione sensorless che permette la rigenerazione con due singoli impulsi a periodo, limitando l energia persa in fase di commutazione.

39 Soluzione sviluppata e relativi vantaggi Mandrino 9.2kW ipmsm -> rpm ; 500Hz ; 211V ; max vel rpm Inverter trifase 11kW F OutMax=1600Hz Elevato rendimento del motore >91% corrispondente ad un grado di efficienza 3 (valore che soddisfa la normativa comunitaria 640 che sarà obbligatoria da gennaio 2015) contro un rendimento tipico dell 85% di un mandrino sincrono di pari potenza Il miglior rendimento del motore consente una maggior compattezza della macchina aumentandone la rigidità torsionale (permettendo quindi la velocità di rotazione maggiore anche con utensili di grosso diametro) Raffreddamento semplificato (calore concentrato solo sullo statore) La velocità di lavorazione degli utensili rimane costante al variare del carico migliorando il risultato tecnologico della lavorazione. La minor inerzia rotorica, rispetto ad un mandrino asincrono di pari prestazioni, consente un apprezzabile diminuzione di potenza richiesta nelle frequenti fasi di accelerazione; inoltre il miglior rendimento del motore consente un più efficiente recupero di energia durante le fasi di decelerazione

40 Vantaggi della soluzione sviluppata Vista la tensione nominale di 211V del mandrino, l inverter non necessita di costosi dispositivi di protezione da sovratensione (alla massima velocità di utilizzo 24000rpm in caso di fault dell inverter il motore sincrono, venendo a mancare la corrente id che ne indeboliva il flusso rotorico, svilupperebbe una tensione di 211*2.4=506V che non provocherebbe danni al bus-dc). Nei centri di lavoro per legno, il mandrino viene tipicamente utilizzato su teste a 5 assi che utilizzano contatti striscianti per addurre alimentazione ai vari motori che la movimentano. Grazie allo sviluppo del controllo brushless sensorless non si devono predisporre ulteriori contatti striscianti per rendere disponibile al drive i segnali di feedback di velocità. Il sensorless sviluppato permette di controllare sia motori sincroni che asincroni, in questo modo, con un unico drive si risolvono le tipiche esigenze delle macchine per lavorazione legno, che utilizzano mandrino ad alte prestazioni per operazioni di fresatura, tenonatura, sgrossatura, taglio ecc.. ed un mandino asincrono a bassa frequenza per le forature.

41 Vantaggi della soluzione sviluppata La soluzione elaborata per il recupero dell energia di frenatura, caratterizzata da brevi durate e picchi di notevole intensità, non necessita di filtri sinusoidali e di dispositivi per misurare le tensioni di rete per sincronizzarsi, risultando economica e di semplice impiego e integrazione nel quadro elettrico.

42 Grazie per l attenzione

43 Il sincronismo tra drives per la movimentazione in applicazioni ad altissima precisione di posizionamento Relatore: Ing. Alberto Landoni

44 Casi esaminati Linea di manutenzione treni ad alta velocità (TGV) Linea di assemblaggio attrezzature aeronautiche

45 Requisito fondamentale Sincronismo ad altissima precisione tra movimentazioni. In questi casi la velocità e la dinamica non sono determinanti

46 Requisiti specifici delle applicazioni Sincronismo tra stazioni e tra coppie di stazioni Switch tra coppie di motori per funzioni diverse (movimento sollevamento e movimento rotazione) non richieste contemporaneamente

47 Punti determinanti Feedback in grado di garantire le precisioni desiderate Feedback in grado di garantire letture anche a bassissima velocità Loop di regolazione ad alta banda passante Colloquio sincrono tra i drive per la trasmissione dei riferimenti di posizione ( ) Colloquio asincrono ad alta velocità per la supervisione delle funzionalità ( )

48 Feedback in grado di garantire le precisioni desiderate e letture anche a bassissima velocità Encoder Sin/Cos da almeno 1024 sinusoidi giro Ogni sinusoide viene campionata con 1024 campioni ottenendo una risoluzione equivalente ad un encoder incrementale da 1024 x 1024 = counts/giro ( step/giro). Conteggio di 8.7 counts per campionamento con rotazione ad 1RPM e chiusura del loop di posizione in 500 ms. Trasmissione della posizione assoluta all accensione o su richiesta evitando la ricerca di zero meccanico.

49 Loop di regolazione ad alta banda passante Loop di corrente a: 83.3 ms (12 KHz) Loop di velocità a: 250 ms ( 4 khz) Loop di posizione a: 500 ms ( 2 khz) Reg. Posizione Reg. Velocità Reg. Corrente Motore Rif. posizione d/dt Encoder

50 I risultati ottenuti Lunghezza del treno sollevato Fino a 200 m Peso del treno sollevato 386 tonnellate Numero di stazioni in sincronismo 13 coppie di movimentazione) Accuratezza di posizionamento tra un estremo e l altro = 1 mm

51 Tutta la gestione della potenza di movimentazione (drive+motore) è locale dove serve (distribuita)

52 Comunicazione sincrona tra drives 72 bit di dato Alta velocità Sincronizzazione tra i nodi Singolo Master Multiplo Slave

53 la Sincronizzazione remota tra gli Slave Speed Loop Synch. Tasks Phase Lock Loop Speed Loop Phase Lock Loop Speed Loop Sync. With Speed Loops RS485 MASTER RS485 SLAVE 1 SLAVE 2 System Jitter = +/- 2us

54 Synch Bit Virtual Master Reference Data Struttura telegramma PLL Sync. BIT USER DATA REFERENCE 1 (32bit) USER DATA REFERENCE 2 (32bit) USER DATA REFERENCE 3 (8bit) Posizione, velocità, Accelerazione, Coppia Posizione, velocità, Accelerazione, Coppia Bit di Controllo o sincronizzazione

55 Esempio con task Pos a 500us Dati 250us 500 us Dati Il Master può anch esso comportarsi da Slave e quindi rileggere i dati da sè stesso emessi due cicli prima assicurando Dati così il perfetto sincronismotra i drives RMINT Pos Task Master Pos Task Slave RS485 Comms Impulso di sincronismocon errore max 35nS Il Master scrive i dati in un istante Impulso qualsiasi di all interno delllasincronismocon task Pos. I dati errore verranno maxtrasferiti 35nS durante il ciclo successivo I dati sono disponibili per lo Slave il ciclo ancora Impulso di successivo sincronismocon errore max 35nS

56 Comunicazione asincrona tra drives Elevato volume di dati Alta velocità

57 Comunicazione asincrona tra drives up _Rx% _Sx% _Sx% _Rx% up Comunic. FAST Comunic. SLOW (1 ms) (ogni NFast)

58 I numeri di Mega bit/s link (fast+slow) per ogni nodo parametri 32 bit per link parametri scambiati per nodo

59 CTNet Impostazione grafica nessuna linea di configurazione è richiesta dal programma

60 Funzionalità alza / ruota E possibile affrontare la necessità di due diverse movimentazioni non contemporanee esclusivamente prevedendo la lettura permanente (senza commutazioni) di tutti i feedback ed utilizzando solo 2 drives per stazione. Si commuta esclusivamente la potenza sui motori da controllare

61 Punti vincenti del controllo distribuito Modularità Drives vicino alla movimentazione Connessione tramite rete di comunicazione autoconfigurante ( ) Feedback e segnali gestiti localmente Posizioni per sincronizzazione tramite bus sincrono ( ) Applicativi software semplificati ed ottimizzati per la specifica funzione

62 Grazie per l attenzione

63 INTEGRAZIONE DI FUNZIONALITA DI MOTION E POWER CONTROL IN UNA PIATTAFORMA DI AUTOMAZIONE OTTIMIZZATA PER MACCHINE DI SERIE Ing. Adriano Chinello Direttore Tecnico Divisione Componenti per Automazione Gefran S.p.A.

64 Obiettivi automazione macchine di serie Software PLC standard (IEC , PLCopen) Software HMI di semplice gestione e manutenzione Disponibilità librerie software ad alto valore aggiunto Ambiente integrato per lo sviluppo del software applicativo Architettura hardware ottimizzata (costo) Prestazioni: produttività, ripetibilità, efficienza energetica Un caso specifico: full-electric injection moulding machine (FE IMM)

65 Peculiarità applicative FE IMM Passaggi precisi e ripetitivi tra modalità di controllo diverse (posizione velocità coppia pressione) su singoli assi Compresenza di processi molto diversi tra loro: - Motion control (ciclico + eventi) µs - I/O (ciclico) 2 10 ms - Termoregolazione (ciclico) ms - HMI (eventi) > 100 ms - Supervisione, SPC, ecc (ciclico + eventi) bassa priorità

66 Architettura di sistema HMI task Panel PC I/O real-time control Remote I/O Monitoring / data collection GDnet / CANopen Modbus / CANopen Servo rack Optical internal link Power high-level control PLC / SPC / aux tasks Motion high-level control Position / AI Loop Speed / Torque Ref Current Torque Speed Loop Power Controller Power / Thermo Loop Pressure Sensor Analog Input

67 Panel PC: performance e costo CPU

68 Power control Limitazione picchi di assorbimento Controllo power factor Delocalizzazione anelli di termoregolazione con funzioni di controllo avanzato (soft-start, power / voltage feedback, ) Efficienza energetica Minori costi per filtri, ecc Migliori performance di regolazione Attuatori anche non lineari (IR, SiC, ) Maggiore vita utile degli attuatori

69 Motion control Alimentazione rack condivisa tra gli assi (recupero di energia con sovrapposizioni mirate) C ( + ) D ( - ) Opzione front-end rigenerativo Assi kw Controllo di posizione, velocità, coppia, su segnale analogico: AC / DC Supply CORE CPU A X I S 1 A X I S 2 A X I S 3 A X I S 4 A X I S A X I S 8 ciclo 250 µs Passaggio tra diverse modalità di controllo: step 250 µs 3ph 400Vac M M M M M M

70 PLC motion application library Standard PLCopen Programmazione di alto livello, indipendente dal fieldbus e dall hardware Function Block standard con add-on (maggiore flessibilità) Function Block speciali con interfacce allineate allo standard

71 Esempio: controllo asse iniezione V, PR V1 P1 ANALOGINPUT THRESHOLD V2 P2 PR5 V3 P3 PR6 V4 PR7 DONE1 DONE2 INCONTROL5 INCONTROL6 INCONTROL7 DONE8 t EXE1 ABORT. EXE2 BL. PREV. EXE3 BL. PREV. EXE4 BL. PREV. EXE5 BLENDING SWITCHOVER EXE6 ABORT. P4 EXE7 ABORT. EXE8 ABORT. 1 - MC_MoveAbsolute P1 V1 Aborting 2 - MC_MoveAbsolute P2 V2 Blending Previous 3 - MC_MoveAbsolute P3 V3 Blending Previous 4 - MC_MoveAbsolute P4 V4 Blending Previous 5 - MC_AnalogControl PR5 Blending 6 - MC_AnalogControl PR6 Aborting 7 - MC_AnalogControl PR7 Aborting 8 - MC_Stop Aborting Controllo agevolmente realizzabile con serie di Function Block accodati Switchover su posizione, pressione, Fasi del controllo precaricate sul drive

72 Principali caratteristiche di macchina Forza di chiusura stampo: 110 ton Pressione di iniezione tipica: 1500 kgf/cm 2 Velocità asse iniezione: 800 mm/s Tempo di accelerazione asse iniezione: ms (0 800 mm/s) Precisione controllo di posizione: 0,01 mm Precisione controllo di pressione: ± 2 kgf/cm 2 Max overshoot di pressione + 50 kgf/cm 2

73 Test asse iniezione: accelerazione 47 ms 800 mm/s

74 Test asse iniezione: switchover

75 Grazie per l attenzione

76 Pacchetto software integrato per programmazione, simulazione e supervisione sistemi di palettizzazione utilizzanti assi con cinematica cartesiana o robot antropomorfi Relatore: Davide Buratti Ocme S.r.l (PARMA) Università degli studi di Parma

77 La Storia Anni 60 Anni 90 Oggi

78 Le richieste del mercato Elevate velocità di produzione Grande variabilità dei formati e dei packaging Tempi di cambio formato ridotti Utilizzo di contenitori primari e secondari sempre più sottili e fragili Le caratteristiche del sistema di pallettizzazione Manipolazione e movimentazione del prodotto veloce Flessibilità del sistema Riduzione dello stress meccanico sul prodotto Riconfigurazione rapida e automatica

79 Le configurazioni

80 L architettura Hardware CPU PC Industriale Robot Manipolazione Azionamenti e servo motori Robot presa Strato

81 Programmazione testuale Test su macchina reale

82 Programmazione grafica Simulazione

83 Pacchetto software integrato Paradigma Model-View-Control Programmazione Simulazione Un unico modello rappresentativo della macchina reale Supervisione Riuso del codice e consistenza del comportamento delle applicazioni

84 Scomposizione in oggetti del modello

85 Class Diagram semplificato relativo ai componenti base del modello

86 Programmatore 1 - Definizione del layout 2 -Scomposizione in lotti 3 -Calcolo dei parametri

87 Caratteristiche paletta Generazione automatica dei layout Caratteristiche pacco

88 Editing

89 Definizione della sequenza dei lotti Calcolo automatico dei parametri

90 Simulatore Verifica dei programmi di pallettizzazione Analisi di interferenza tra i manipolatori Analisi di superamento extracorsa degli assi Stima della velocità di produzione

91 Determinazione dell intervallo di simulazione Paradigma time driven Vs. Paradigma event driven

92 Gestione della coda relativa agli arresti mediante segment tree

93 Strutturazione del Simulatore in FIFO Lotto in ingresso Nastri d ingresso Manipolatore 1 Manipolatore 2 Arresti

94 Supervisore Monitoraggio della macchina Intervento dell operatore guidato Riduzione al minimo dei tempi di fermo macchina.

95 Sviluppi Futuri: Database centralizzato per programmi di paletizzazione Archiviazione e consultazione Riduzione tempi generazione nuovi programmi Ottimizzazione processo interno Estensione tool di programmazione a tutti i componenti dell impianto Simulazione e Programmazione Flusso prodotto ( Trasporti ingresso) Zona formazione ( Robot, manipolatori, tappeti ) Zona palettizzazione ( Robot, palettizzatore classico ) Unica interfaccia di programmazione Analisi offline delle prestazioni Riduzione tempi

96 Grazie per l attenzione

97 LA GENERALIZZAZIONE DEL FUNZIONAMENTO DI UNA TESTA ETICHETTATRICE PER IL SETTORE LABELLING GRAZIE ALLE INNOVATIVE FUNZIONALITA MOTION ED ALLE ELEVATE PERFORMANCE DEL NUOVO PLC COMPATTO DI ULTIMA GENERAZIONE E STATO POSSIBILE RIMPIAZZARE LA VECCHIA ELETTRONICA DEDICATA CON UN CONTROLLORE PROGRAMMABILE AD ELEVATE PERFORMANCE Relatore: Ing. Castioni Giuliano

98 Quando si parla di automazione industriale, è sempre molto difficile riuscire a generalizzare l hardware, ma soprattutto il software, per un applicazione. Solitamente la parte hardware deve essere studiata insieme alla macchina e tutti i componenti devono essere in grado di essere integrati fra loro. Per la parte software invece vengono fornite delle librerie, pezzi di software preconfezionati, che aiutano il system integrator a completare il lavoro in modo più rapido ed efficiente. In questo modo ogni applicazione, macchina, impianto viene personalizzata. SW HW

99 In questo caso, però, dopo uno studio del mercato dei costruttori di macchine per il labelling, abbiamo visto che, la tecnologia di un particolare pezzo, la testa etichettatrice, che serve per l applicazione di etichette è praticamente uno standard.

100 RICHIESTE CLIENTI 1) Precisione di applicazione dell ordine di +/- 1 mm. 2) Velocità di avanzamento prodotti dell ordine di circa 90 mt/min. 3) Rampe di accelerazione e decelerazione impostabili separatamente. 4) Velocità regolabile durante il funzionamento. 5) Soluzione flessibile, plc based, quindi la possibilità di implementare ulteriori funzioni utilizzando sempre lo stesso hardware. 6) Gestione dell intero processo tramite pannello 7) OPZIONE: Possibilità di controllare l avvolgitore di etichette.

101 SOLUZIONE HARDWARE Sensore fine etichetta Encoder rullo prodotti Sensore prodotto Ingresso interrupt Ingresso encoder Ingresso interrupt TOUCH PANEL PLC RS232 USCITA IMPULSI DRIVER Rullo motorizzato L encoder è letto dal plc tramite l ingresso ad impulsi alla massima frequenza di 50KHz, mentre il sensore di fine etichetta ed il sensore di prodotto sono letti attraverso l ingresso di interrupt. L uscita ad impulsi del plc, invece, comanda il rullo motorizzato che trascina il nastro rilasciando così l etichetta

102 SOLUZIONE HARDWARE Sensore fine etichetta Encoder rullo prodotti Sensore prodotto Ingresso interrupt Ingresso encoder Ingresso interrupt TOUCH PANEL PLC RS232 RS232 USCITA IMPULSI DRIVER DRIVER Rullo nastro vuoto Rullo motorizzato Il servoazionamento del rullo nastro vuoto, comunica con il plc attraverso una porta RS232. In questo modo è possibile impostare i parametri di coppia e velocità interna che regolano il funzionamento di questa movimentazione, infatti

103 SOLUZIONE RULLO NASTRO VUOTO uno dei problemi, era l aumento ( e quindi il controllo ) dell inerzia del Rullo Nastro Vuoto, che continuando ad aumentare di diametro esigeva, da parte del motore, uno sforzo sempre maggiore. Inoltre non si volevano utilizzare ingressi/uscite per il controllo del servoazionamento. Dalla figura a lato abbiamo ricavato T che è la forza costante impressa sul foglio. Come si vede dalla relazione all aumentare del diametro dovrò aumentare la coppia del motore tenendo T costante. CM = Coppia motore T = Forza costante impressa al foglio Dp = Diametro partenza rullo T CM 1 Dp 2 CM Dp T 2

104 Calcolando il numero di etichette che vengono espulse in un giro carta ottengo: C 1 * Dp p dove Dp è il diametro di partenza, p è il passo dell etichetta e C 1 sono il numero di etichette espulse il primo giro * D C 1 2 Dp 2s p p * D C 2 3 Dp 2* 2s p p dove s è lo spessore della carta in generale C * Di 1 Dp 2( i 1 p p i ) s

105 Esplicitando il numero di etichette espulse in funzione del numero di giri ottengo: 1 * * 1 2 * n s Dp n p is Dp p C C C C C n i i n Infine esplicitando n ottengo: s p C Dp p s p s Dp p s Dp p n n Abbiamo così ottenuto il numero di giri in funzione delle etichette emesse. Utilizzando questo dato per calcolare il diametro del rullo possiamo sapere la coppia da applicare al motore per avere una forza di tiro costante.

106 SOLUZIONE SOFTWARE A livello software è stata creata un infrastruttura che permette, inserendo dei valori, di calcolare i parametri necessari per il funzionamento della macchina. Ovviamente i valori inseriti saranno diversi a seconda della tipologia di macchina implementata ed a seconda della meccanica di supporto. Nella figura sottostante è possibile vedere la function block che regola il funzionamento della testa etichettatrice

107 SOLUZIONE SOFTWARE EncoderChannelNumber indica il numero di canale encoder sul quale si andranno a leggere gli impulsi. MotionchannelNumber indica il canale sul quale usciranno gli impulsi del canale di controllo del rullo motorizzato. LabelStartPosition indica il numero di impulsi che la funzione attende per partire con il posizionamento dell etichetta. LabelStopPosition indica il numero di impulsi che la funzione attende per finire il movimento

108 SOLUZIONE SOFTWARE InitialSpeed è un parametro variabile a seconda della velocità TargetSpeed impostata, questo valore può passare da un minimo di 6Hz ad un massimo definibile a seconda della struttura meccanica. TargetSpeed è la velocità di applicazione etichetta anch essa regolata dalla lettura dell encoder. AccelTime e DecelTime sono i tempi di accelerazione e decelerazione impostabili per l applicazione

109 SOLUZIONE SOFTWARE Infatti, questa applicazione prevede un tempo di accelerazione maggiore rispetto al tempo di decelerazione, in quanto in partenza il nastro porta etichette non deve subire danni (strappi, rotture, etc..) mentre in fermata si deve fermare nel più breve tempo possibile, in quanto le etichette possono essere distanziate sul nastro anche di 3mm.

110 SOLUZIONE SOFTWARE Il profilo della movimentazione della testa sarà come quello mostrato in figura. Come si può notare sono appunto previste delle rampe di accelerazione e decelerazione diverse per i motivi visti precedentemente. Inoltre con un limitato tempo di partenza delle funzione ( circa 30 μs ) si può garantire un elevato grado di precisione. Inoltre è possibile cambiare la velocità durante il funzionamento.

111 RICHIESTE CLIENTI SODDISFATTE 1) Precisione di applicazione dell ordine di +/- 1 mm. 2) Velocità di avanzamento prodotti dell ordine di circa 90 mt/min. 3) Rampe di accelerazione e decelerazione impostabili separatamente. 4) Velocità regolabile durante il funzionamento. 5) Soluzione flessibile, plc based, quindi la possibilità di implementare ulteriori funzioni utilizzando sempre lo stesso hardware. 6) Gestione dell intero processo tramite pannello 7) OPZIONE: Possibilità di controllare l avvolgitore di etichette.

112 SVILUPPI FUTURI OPZIONE: Possibilità di controllare due teste etichettatrici in modalità MASTER-SLAVE Sarà possibile controllare due teste etichettatrici in serie per fare in modo che se la prima ha bisogno di manutenzione oppure ha un guasto oppure si deve sostituire la bobina delle etichette parte automaticamente la seconda testa. Questo miglioramento porterà ad un annullamento dei tempi morti di produzione.

113 SVILUPPI FUTURI Implementazione di una soluzione per il taglio al volo. Il tipo di movimentazione della testa etichettatrice è molto simile alla movimentazione di macchine per il taglio al volo. Sostanzialmente abbiamo sempre un sensore di start per la partenza, un tempo di attesa per far scorrere il prodotto da tagliare ( la lunghezza ), ed il taglio che può essere paragonato all applicazione dell etichetta.

114 Grazie per l attenzione

115 Soluzioni motion in real time su Ethernet standard Ing. Roberto Loce Solution Architect Motion Control

116 PC PC Il Motion Control gestito via rete Anni 80 Interfacciamento analogico Controllore Motion Segnale analogico Feedback & I/O Drive Motore Feedback & I/O Macchina Le reti digitali eliminano fino a una dozzina di collegamenti fisici per ogni drive. La configurazione del drive avviene attraverso il controllore motion Il controllore riceve le informazioni di stato e diagnostica dal drive Il loop di posizione ha performance maggiori Minori costi nell integrazione del sistema HMI HMI PC Anni 90 Interfacciamento tramite reti digitali Reti Motion Control tradizionali SERCOS I, II,III PROFIbus CanOpen ServoWire Controllore Motion Rete Motion Control Drive Motore Macchina NyQuist/Firewire LightBus HMI Feedback & I/O

117 La tendenza emergente è di convergere verso una sola rete di controllo basata su Ethernet Supporto per Motion, I/O ed HMI Connessione a PC Workstation, IT, e WWW Semplificazione della configurazione della rete Semplificazione della manutenzione della rete Semplificazione dell integrazione del sistema Incremento delle prestazioni Riduzione dei costi Migrazione verso una rete di controllo unica Ormai la corsa a nuove soluzioni basate su Ethernet in grado di gestire Motion Control ed I/O è iniziata: EtherCat PROFInet IRT V3 SERCOS III PowerLink

118 Esempio: SERCOS Stato dell arte: Approvato come standard internazionale nel 1995 (la tecnologia risale a metà anni 80) Tipica comunicazione master-slave Velocità fino a 16 MBd Possibilità di inviare comandi e dati di configurazione (IDN) Molto diffuso ed utilizzato in diverse applicazioni Soluzione robusta, affidabile e semplice da implementare Motivi che portano al cambiamento: Rete locale, specializzata per il motion control: non adatta ad interfacciarsi con il resto dell IT di fabbrica Tecnologia legata ad unico ASIC SERCON 816 Velocità di comunicazione limitata Topologia ad anello SERCOS sta migrando verso soluzioni Ethernet (SERCOS III) Alcune soluzioni Ethernet-based sono già sul mercato

119 Requisiti di una rete digitale per il Motion Control Perchè una rete sia adatta ad applicazioni motion, deve avere delle caratteristiche molto stringenti per quanto riguarda il determinismo, il sincronismo ed il tempo di latenza. Il determinismo, inteso come capacità di far arrivare un messaggio a destinazione in un intervallo di tempo massimo, è possibile ottenerlo solo evitando le collisioni. Per farlo ci sono tre approcci: Utilizzare un protocollo a livello applicativo Utilizzare switch e priorizzare i messaggi Utilizzo di una schedulazione nella trasmissione dei telegrammi tramite hardware specifici. Il sincronismo è chiaramente basilare in quanto per poter eseguire operazioni sincronizzate, tutti gli apparecchi devono avere la stessa valutazione del tempo. Il sincronismo può essere ottenuto in due modi: Utilizzando un particolare telegramma a distanze temporali note che genera direttamente un impulso di sincronizzazione Seguendo lo standard IEEE1588 precision time protocol Il periodo di latenza è il vero e proprio ritardo dovuto alle tempistiche della trasmissione e sicuramente verrà sempre più ridotto dagli sviluppi tecnologici e dalla sempre maggiore velocità di Ethernet.

120 Ethernet nel tempo è cambiata Ethernet del 20 secolo 10 Mega Baud Half-Duplex Distribuzione basata su hub Collisioni nella comunicazione Nessuna priorizzazione dei frame Nessun servizio di sinconizzazione temporale Bassa affidabilità della rete Alti costi per nodo Ethernet del 21 secolo 100 Mega Baud Fast Ethernet Full-Duplex 200 Mega Baud Distribuzione basata su switch Eliminate le collisioni Priorizzazione dei telegrammi (QoS) IEEE-1588 (Precision Clock Synchronization Protocol) Dimostrata affidabilità per applicazioni industriali Basso costo per nodo La tecnologia Ethernet attuale è adatta ad applicazioni industriali, è deterministica, è adatta al motion control.

121 Ethernet IEEE e il TCP/UDP/IP IEEE è lo standard fisico di Ethernet definito nel 1985 da IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers IP - Internet Protocol è il protocollo più utilizzato sulla rete Ethernet per attribuire gli indirizzi di nodo e di LAN o sub-net: Formato di un IP Address: 32 Bit, suddivisi in 4 campi di 8 Bit Ciascun campo è identificato da un numero intero (0-255): Esempio: TCP - Transmission Control Protocol è il protocollo più utilizzato sulla rete Ethernet per il trasferimento dei dati anche su ampie aree geografiche al di fuori dei confini di una LAN (p.e. Internet) UDP - User Datagram Protocol è un protocollo più semplice del TCP che permette una maggiore velocità di trasmissione, ma non il trasferimento dati al di fuori di una subnet

122 ODVA standard globale per una rete aperta Time synchronization su EtherNet/IP Precisione di 100ns Basato su IEEE 1588 standard Supporta Servo Drive e AC drives Control to control, Sincronizzazione tra I drives appartenenti a controllori diversi Drive to drive, pianificazione delle traiettorie locale(sul drive) Robust Global Standards Insure Multi-Vendor Interoperability

123 Lo standard IEEE CIP Sync Master System Time Master Tm Slave Slave System Time Master Time Stamp Slave Time Stamp Tm Ts Tm Tm Tm Ts Tm Calcolo dell offset sul sistema slave Time Offset: Tm-Ts Ts Tm Ts Regolazione frequenza clock slave: (Tm-Ts)/Sync Period Tm Tm Un piccolo offset persiste tra i due clock dovuto al ritardo nella comunicazione Tm Time Tm Tm Tm Tm Time Regolazione dell offset di tempo nel clock dello slave dovuto alla comunicazione: (Tm-Ts)/2 Nuova regolazione della frequenza

124 Controller Task Controller Timer Events CIP Motion Single-Cycle Timing Model Drive Update Period Il drive riceve il Input Traffic No Motion Traffic Output Traffic conteggio dal Il drive riceve e feedback e calcola processa il pacchetto la posizione attuale Coarse Update ethernet e calcola il Drive Timer Events da spedire al nuovo comando di controllore. posizione per l interpolazione fine. 250 msec Drive Interrupt Service 1 Il controllore 5 incapsula nel telegramma CIP Il Drive incapsula Motion i dati e Actual Position Drive-to-Control Connection (Input) l informazione nei spedisce il dati CIP Motion e pacchetto via trasmette il Ethernet. pacchetto via 4 Control-to-Drive Connection (Output) Ethernet. 2 Motion Planner Cmd Position Il controllore riceve e processa il 3 pacchetto Ethernet e Motion Planner calcola il nuovo comando di posizione sulla base Coarse Update Period (1 msec) della posizione attuale ricevuta. Motion Task Phase Offset ~330 msec

125 Targeting del riferimento di posizione usando il Time Stamp Last Command Position Target Command Position Fine Interpolation Polynomial Last Target Time Target Time usec Drive Task Target Time = Tctr1 + 2*CUP Drive Task Drive Motion Task Motion Task Controller Tctr1 CUP 1 msec Tctr2 Tctr2 Trasmettere il riferimento di posizione con il Time Stamp permette al drive di drive di calcolare una traiettoria per trovarsi nella posizione giusta al tempo stabilito.

126 EtherNet/IP con CIP Sync 100ns time synchronization per dispositivi su EtherNet/IP time stamp per allarmi ed eventi Time stamp di Dati e inputs Sequenze di eventi Time scheduled Outputs Attuazione sincronizzata Aquisizione sincronizzata Integrazione del sistema informativo Automation Controller With or without Motion Planner Standard Ethernet Switch Distributed Registration Scheduled Output Safety I/O Distributed Aux Feedback Servo Drive With Local Path Planner Permette una vera architettura distribuita

127 CIP Sync implementa il Quality of Service Quality of Service (QoS) 802.1Q tagged frames on Ethernet: nel telegramma viene inserito uno specifico campo (tag) che identifica la priorità del messaggio rispetto ad altri dati eventualmente accodati. Assicura la consegna puntuale dei messaggi a priorità più elevata 1588 PTP Messages CIP Motion Drive message Distributed I/O Messages Ethernet Switch Traffic Type Priority Time Sync 7 (Highest) Motion 6 I/O 5 Other 4 (Lowest) Other Devices Messages

128 EtherNet/IP con CIP Motion CIP Motion fornisce una rete flessibile e un interfaccia comune a una grande varietà di dispositivi motion control. Tipi di drive: Volts / Hertz o Drive a frequenza variabile Drive a controllo vettoriale ad anello chiuso Servoazionamenti Motion Profiles Time Sync IEEE 1588 Tipi di controllo: P Controllo di posizione V Controllo di velocità T Controllo di coppia N Solo feedback Data Link Layer Gli utilizzatori possono trarre vantaggio da un set di interfacce comuni ed indipendenti dalla tecnologia drive adottata.

129 Possibilità offerte da CIP Motion Control to drive Controllo ad anello aperto e chiuso Control to control Sincronizzazione fra i drive appartenenti a controllori diversi EtherNet/IP Drive to drive Pianificazione delle traiettorie locale (sul drive)

130 Alte prestazioni con Ethernet standard 100Mbps fast Ethernet per alte prestazioni La priorizzazione dei frame assicura la corretta temporizzazione delle informazioni motion Tempo di sincronizzazione di 100ns Drive loop di 125us Standard EtherNet Provata affidabilità industriale Servo Drive Scalable Automation Controllers Registration Scheduled Output Safety I/O Standard Ethernet Switches Aux Feedback HMI Pneumatic Valves Business System Vision Frequency Converter Standard I/O Robots Utilizzando la tecnologia Ethernet standard si raggiungono alte prestazioni nel controllo dei Drives

131 Supporto di differenti topologie Topologia a stella Supporta la sostituzione e la riprogrammazione automatica on-line di un drive senza disturbare il funzionamento degli altri. Supporta l aggiunta on-line di nuovi drives. E una topologia interessante quando i drives sono localizzati centralmente vicino allo switch.

132 Tecnologia con Embedded Switch Permette una topologia lineare o ad anello della rete EtherNet/IP Gli oggetti in EtherNet/IP con switch integrato possono collegarsi in daisy-chain agli apparecchi vicini o completare l anello per ottenere un alta disponibilità. Lineare Ad anello Questa configurazione permette di estendere notevolmente la lunghezza dell applicazione A differenza della configurazione a stella, non richiede di collegare ogni apparecchio ad un unico switch. E una rete in grado di tollerare un singolo guasto La configurazione ad anello non richiede hardware aggiuntivo per essere implementata L alta disponibilità della comunicazione permette di aumentare la produttività delle macchine Copyright 2008 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.

133 Differenti approcci nelle soluzioni Motion Control Ethernet-based Application Real-time data exchange Application Application Standard-Data Realtime-data Software TCP IP UDP TCP IP UDP Real-time data exchange TCP IP UDP Hardware Media Access Control CSMA/CD Ethernet Standard Ethernet TCP/IP Ethernet/IP, Modbus/TCP Media Access Control CSMA/CD Ethernet Bypassing of layer 3 & 4 Powerlink, Profinet V2 Performance delle diverse soluzioni Ethernet-based Realtime Media Access Control CSMA/CD Ethernet Real-Time Data Exchange in Hardware SERCOS III, EtherCAT, Profinet V3

134 Comparazione fra soluzioni non-standard e standard NON STANDARD Problemi di interoperabilità con apparecchi, tools, servizi standard Ethernet Problemi nell implementazione delle possibilità future offerte da ethernet standard Complessità nella configurazione della rete es. Configurazione dei time slot. Modificare il contenuto o la lunghezza del telegramma oppure aggiungere o togliere nodi dinamicamente risulta molto difficoltoso se non impossibile STANDARD L utilizzo di componenti Standard Ethernet (es. chips, switches e routers) riduce I costi totali del sistema grazie alla grande disponibilità commerciale e ai grandi volumi in gioco. La rete non ha necessità di essere schedulata, semplificando così la configurazione e lo start-up. Le dimensioni dei pacchetti scambiati ed il loro contenuto può essere modificato in maniera dinamica. Qualunque apparecchiatura conforme a Ethernet IEEE può far parte della rete senza particolari switch o gateways. Compatibile con topologie standard Ethernet come la stella e la trunk/line dropline Un upgrade delle performances verso le velocità di 1 Gigabit/sec e 10 Gigabit/sec risulta semplice sia per l utente che per il fornitore dell apparecchiatura. Con alcuni accorgimenti (es. Selettori rotativi per impostare le ultime tre cifre dell indirizzo IP) c è poi la possibilità di implementare funzionalità già presenti su altre reti che implementano CIP come l ADR (Automatic Device Reconfiguration). CIP motion è pensato per gestire allo stesso modo qualunque apparecchiatura che sia predisposta per il collegamento via Ethernet/IP.

135 Grazie per l attenzione

136 Motion Control- SW Modulare per macchine Motion Centric Antonio Marra Schneider Electric Italia SpA

137 Domanda Oggi

138 Unwinding Thermoforming Product filling Product filling 2 Sealing and Cutting TREND: MODULARITA Multipacking Cartoning Stacking

139 Uno sguardo al mercato Food Beverage Dairy Pharmaceutical Personal Care Home Care Tissue and Paper Tobacco Other

140 - I consumatori richiedono maggiore convenienza OEM vs Mercato Food Beverage - I produttori sempre maggiore efficienza Dairy Pharmaceutical Personal Care - L attenzione dei consumatori, attratta dalle novità, richiede diversificazioni del Package M1 Home Care Tissue and Paper - Velocità, meccatronica, innovazione tecnologica, consentono sempre nuove forme di confezionamento Tobacco Other

141 - Prezzo (riduzione dei costi) OEM vs End User - Brevi tempi di consegna Food Beverage - Alta Flessibilità - Rispetto di Normative e Dairy Pharmaceutical Personal Care validazioni (FDA, GAMP ) - Qualità. Home Care Tissue and Paper - Personalizzazione del prodotto -.. Tobacco Other

142 Costi di Sviluppo nell ingegneria del SW Source: Bender, Glas, Kohen, McKinsey Come posso gestire il SW?

143 - Modularità del SW - Standardizzazione delle interfacce

144 Modularità, Standardizzazione, sono termini molto interessanti ma. Cosa faccio? Dove posso trovare aiuto? Quanto mi costa? Quanto rimango flessibile? Quanto riesco ad essere indipendente? I miei prodotti perdono unicità?

145 Modularità SW Proprietà del SW che misura quanto questo è composto in parti separate chiamate Moduli. Ogni modulo genera una funzionalità per uno specifico scopo e comunica con gli altri attraverso un interfaccia per produrre un comportamento generale desiderato. La modularità serve per semplificare lo sviluppo, il test, la riutilizzabilità e la manutenzione di programmi di grosse dimensioni, che vedono coinvolti più sviluppatori.

146 Modularità SW: Caratteristiche Suddivisione del programma in singoli moduli Indipendenza dei moduli Interazione minima di ciascun modulo con il mondo esterno Facile validazione dei moduli come entità isolate Dichiarazione esplicita delle interfacce mediante le quali i moduli comunicano tra loro

147 Interfaccia L interfaccia è il punto, l'area o la superficie sulla quale due entità qualitativamente differenti si incontrano. Viene spesso usato in associazione ad un dispositivo fisico o virtuale. Ogni entità espone una sua faccia, con il suo particolare protocollo di comunicazione.

148 Modularità Interfaccia di comando e comunicazione 1 2 3

149 Qual è il problema? Al crescere dei moduli crescono le interfacce, quindi la complessità della gestione.

150 Interfaccia Standard Cercare di definire i comandi e le informazioni (dati) comuni di ogni modulo differenziandoli da quelli caratteristici. Mantenere i vantaggi della modularità cercando di semplificare la loro gestione. Dati e comandi comuni Dati e comandi Caratteristici

151 1. Modularità Abbiamo parlato: 2. Standardizzazione dell interfaccia E come affrontiamo lo sviluppo SW?

152 Moduli Meccatronici ModalitàOperative Processo Diagnostica Gestione Errori

153 Definire uno standard di interfaccia tra i diversi moduli SW

154 Modulo Meccatronico Asse Controls (asse in coppia, stato, errori, coerenza dati ) Homing Mode Manual Mode Automatic Mode Endless Cammming Positioning Torque 1. Init Asse 2. Gestore della Potenza (abilitazione) 3. Gestore degli Errori 4. Gestore delle Modalità Operative 5. Logger eventi 6. Homing 7. Jog 8. Camming /Posizionamento / Endless (con inizializzazione) 9. Gestione del Freno 10. Scambio segnali IN/OUT

155 Esempi di moduli SW Automation Modules Mechatronic Modules IntelligentLineShaft Error Handler Machine State Control Contactor Contrfol Sequence Control Logger Robotic Multi Belt Unwinder Vertical Sealing Flying Shear Smart Infeed Axis Fonte: SE, PacDrive TemplateLib

156 Interfaccia Standard e Modularità Ovvero: Concentrarsi su parti di SW che forniscono alla macchina il vero valore aggiunto. Bisogna per forza ogni volta reinventare la ruota?

157 Grazie per l attenzione

158 Doppio manipolatore per pasta Case History Ricciarelli S.p.A. F. Divella S.p.A.

159 Il contesto Il pastificio Divella risale al 1890, anno in cui il fondatore, Francesco Divella costruisce il primo molino per la macinazione del grano. L'impianto è di piccole dimensioni ma dotato di una robusta macina in pietra francese che è diventata il simbolo della azienda: la produzione di pasta è limitata a 1000 Kg. Oggi Divella detiene il 9% di quota del mercato italiano macinando quotidianamente 1500 tonnellate di grano duro e producendo 900 tonnellate di pasta al giorno. Nata come Garibaldo Ricciarelli nel 1843 all epoca come produttrice di trafile per la pasta - da oltre 150 anni il marchio storico Ricciarelli è riconosciuto in tutto il mondo come sinonimo di qualità e garanzia nel confezionamento, con una posizione di leadership mondiale nel settore del packaging, sia in termini di completezza di gamma che di avanguardia tecnologica dei suoi prodotti.

160 Incartonatrice Ran241V La macchina Ran241V è un incartonatrice per sacchetti di pasta corta che permette di inscatolare fino a 240 confezioni al minuto. Per le sue potenzialità si presta ad essere installata in linee di processo in pastifici che hanno esigenze di produzioni elevate e continuative. Ricciarelli ha installato 5 Ran241V presso il pastificio F. Divella S.p.A. a Rutigliano (BA) per una capacità produttiva teorica di 30 tonnellate pasta l ora.

161 Ran241V:moduli macchina Il magazzino cartoni è il modulo dove l operatore macchina pone i cartoni piani ancora da aprire. Il modulo prelievo e apertura cartone preleva i cartoni dal magazzino, li apre e li porta sotto i due manipolatori per il riempimento. Il modulo di alimentazione sacchetti è costituito da due nastri di trasporto motorizzati che ricevono i sacchetti dalle confezionatrici a monte. Una volta riempiti i cartoni vengono introdotti nel modulo chiusura cartone che si occupa della chiusura con colla o nastro adesivo. Il modulo di manipolazione strato si occupa di formare le file di sacchetti e di portarli sotto i due manipolatori che li aspirano e li depongono nei cartoni.

162 Caratteristica di Ran241V è quella di poter ricevere le confezioni da due macchine confezionatrici indipendenti e di avere un unico magazzino cartoni da gestire e un unico modulo di chiusura cartone (incollatore/nastratore). Flusso prodotti Il formato che meglio permette di sfruttare le potenzialità della macchina è il cartone da 24 sacchetti: sei strati in base 4 (cioè strato di 4 pacchi). Con un alimentazione di 240 sacchetti al minuto si hanno in uscita dalla macchina 10 cartoni al minuto.

163 Evoluzione dell elettronica Architettura preesistente In passato l architettura di base dell incartonatrice Ran241V era costituita da elettronica dedicata sviluppata all interno di Ricciarelli. La necessità di gestire un doppio manipolatore obbligava ad utilizzare un elettronica di commercio creando un sistema spurio al quale andava aggiunta una terza variabile costituita dall interfaccia uomo-macchina. Il sistema quindi era composto da tre tipi diversi di elettronica, ognuno con un proprio sistema di sviluppo e programmazione ed un proprio protocollo di comunicazione. HMI elettronica dedicata controllo manipolatore HMI controllo manipolatore automazione macchina Architettura attuale Con il sistema Simotion, Ricciarelli è riuscita ad integrare le funzioni base della macchina, il controllo dei manipolatori e l interfaccia uomo-macchina all interno di un unica struttura. Non è più necessario interfacciarsi con il dispositivo di controllo del manipolatore essendo adesso parte del sistema. Ciò permette di averne pieno controllo in fase di sviluppo e di avere la possibilità di monitorare tutte le variabili e gli oggetti tecnologici in fase di test. Ora tutta l intelligenza, dal motion control alla logica della macchina, è racchiusa in unico punto. Nella Compact Flash della cpu sono racchiusi tutti i dati del progetto, i codici e le parametrizzazioni degli assi e degli azionamenti

164 Lay out elettronica Interfaccia Operatore HMI TP177B PROFIBUS ET200S Cpu ETHERNET ETHERNET Input/Output SIMOTION D435 SINAMICS S120 Azionamenti ENGINEERINGSTATION Nastri alimentazione Programmazione Assistenza Manipolatore1 MOTORI BRUSHLESS MOTORI ASINCRONI Manipolatore2 Apertura Cartone Prelievo Cartone Formazione Strato

165 Sistema azionamenti Sinamics S120 Sistema a DC-BUS con alimentatore rigenerativo per ottimizzazione bilancio energetico all interno del sistema assi e recupero in rete dell energia altrimenti dissipata sulle resistenze di frenatura MOTORI BRUSHLESS MOTORI ASINCRONI Unico drive per qualsiasi motorizzazione Riduzione della componentistica e delle parti di ricambio Drive a doppio canale per la gestione simultanea di motori asincroni e brushless

166 Connessione assi-motore IP 20 Connessione encoder via Drive-CLiQ Riduzione dei tempi di cablaggio e errori Drive-CLiQ Connessione digitale tra il trasduttore di posizione e gli azionamenti IP 67 Targhetta Elettronica Autolettura della targhetta motori Verificamotore in fase di sostituzione

167 Safety Integrated STO (Safety Torque Off): protezione contro partenze inaspettate del motore Gli impulsi di pilotaggio degli IGBT sono disabilitati in sicurezza Nessuna apparecchiatura di switching per la verifica di assenza di coppia ed eliminazione di contattoriamonte e valle del drive Possibile arrestospecifico per ogni gruppo di drive Ilcircuito intermedio (DC bus) può rimanere attivo Unico software Unico software sia per la programmazione che per le funzioni di sicurezza SIMOTION D435

168 Scout: software macchina Funzionalità PLC Linguaggi di programmazione MCC (Motion Control Chart); KOP/FUP (ladder logic) e ST (Testo Strutturato)secondoIE FunzionalitàMotion Control ed Oggetti Tecnologici camme digitali, funzioni di posizionamento, interpolazione 3Dper differenticinematiche, controllo di temperatura, PID, SIMOTION D435 Messain servizioemanutenzione unico progetto softwareintegrato,compact Flash contenetei dati di progetto, parametrizzazione assi, oscilloscopio integrato eweb server Simotion D435 Tutta l automazione della cartonatrice-riempitrice è gestita da un unica cpu.

169 Il doppio manipolatore Doppio manipolatore a braccio articolato sul piano xz.

170 Il doppio manipolatore L incartonatrice Ran241V prevede un doppio manipolatore. Ogni manipolatore ha un braccio articolato a due assi per eseguire movimenti di pick and place sul piano xz e riceve le confezioni da un proprio nastro di alimentazione. Il primo dei due manipolatori riempie la metà del cartone presente nella sua stazione, il secondo manipolatore completa il riempimento del cartone presente nella propria stazione. Il ciclo di lavoro del manipolatore è il seguente: attesa dello strato da prelevare, prelievo dello strato, esecuzione del percorso di deposito, rilascio dello strato nel cartone e esecuzione del percorso di ritorno. Queste funzioni di handling sono gestite da Simotion D grazie ad un apposita libreria: l operatore inserisce sull interfaccia uomo-macchina i punti chiave della traiettoria e il sistema calcola i punti della traiettoria del polso del manipolatore a cui corrispondono, in funzione della meccanica utilizzata, i movimenti dei motori. Grazie a funzioni standard si possono definire i profili di moto tramite interpolazione di punti in un sistema cartesiano con aree specifiche per i raccordi tra diversi profili e cambio al volo del profilo. Anche i limiti dinamici degli assi (quali accelerazione e jerk) sono parametrizzabili e possono essere utilizzati per il calcolo del profilo di velocità Il sistema permette anche di modulare la velocità lungo il percorso per migliorare le prestazioni del manipolatore. R2 P3 P2 R3 P1 P4

171 Il doppio manipolatore Nel formato standard dei cartoni si raggiungono velocità di 120 confezioni al minuto per nastro di alimentazione e quindi per manipolatore. Il manipolatore deve eseguire in due secondi: calcolo della traiettoria di andata, esecuzione traiettoria, deposito dello strato nel cartone, calcolo traiettoria di ritorno, esecuzione traiettoria di ritorno, prelievo dello strato. Le traiettorie vengono sempre calcolate prima di essere eseguite poiché ogni deposito è ad una quota diversa da quello precedente.

172 Unico ambiente software per la programmazione e assistenza Uniformità dell architettura elettronica Riduzione dei tempi di sviluppo, progettazione e messa in servizio

173 Grazie per l attenzione

174 PROFINET IO Isocrono Applicazione per centri di lavoro a Controllo Numerico Ing. Giulio DelBono Electro Engineering srl (BS)

175 Parma, 26 maggio /20 PROFINET IO è un protocollo Real-Time Ethernet noto e definito negli standard IEC61158 e IEC61784 PROFINET IO ISOCRONO si affida ad hardware dedicato (ASIC) sul quale è implementato anche il Precision Time Protocol, IEEE-1588 standard, per garantire incertezza <1µs su tempi ciclo di 250µs.

176 Parma, 26 maggio /20 Aderenza allo standard ProfiDrive IEC annex C (mapping to ProfiNET) ProfiDrive Application model Controllo Centralizzato in Classe 4 Necessario per applicazioni su macchine utensili dove sono pesantemente coinvolte sequenze di lavorazioni coordinate su più drives Ottenibile con il più stringente dei protocolli Profinet IO Isocrono: IRT top (topology: bassa flessibilità di configurazione, altissima precisione deterministica nello scambio dati)

177 Soluzione ELECTRO ENGINEERING Scheda di controllo centrale basata su PC104 (IO-controller): CPU104+ e CP1604 (ERTEC based) Parma, 26 maggio /20 Attuatori del comando (IO-devices): svariate CU320-2PNDP + CBE20 (ognuna capace di pilotare 6 drive in servo mode della serie S120 Solution Line) Gruppo azionamenti booksize con alimentatore centrale rigenerativo in rete CBE20 option board Safety level: Safe Stop 2 (SS2) Category 2 according to EN

178 Parma, 26 maggio /20 Software application nell IO-Controller: Basato sul Linux kernel patch RTAI Dialogo dell applicazione proprietaria con la scheda Siemens CP1604 mediante IO-base.lib e drivers compilati con supporto RTAI in ambiente Debian Accesso ai dati ciclici ed aciclici Scrittura / lettura di parametri mediante PAP (parameters access point) secondo lo standard ProfiDrive: ApplicationRelation stabilite tra Controller e P-device In modo iscocrono real time (IRT)

179 Parma, 26 maggio /20 Software application nell IO-Controller: Sincronizzazione dei processi Grazie al determinismo di RTAI è possibile agganciarsi con basso jitter alla Callback STARTOP generata alla fine ogni scambio ciclico IRT ed elaborare i dati in ingresso per preparare quelli in uscita.

180 Parma, 26 maggio /20 Presentata come novità mondiale nello stand Siemens durante la fiera BI-MU nel 2008 Soluzione innovativa proposta da Buffoli ed Electro Engineering Pat. Nr: BS2006A Caratteristiche: Elettromandrino con avanzamento a cannotto a sostentamento idrostatico (20000 rpm) Unità compatta su carro a croce XY (corse da 300mm e 350mm) Tempo cambio utensile -c2c- ridotto: 2,5s Braccio cambio utensile a motorizzazione diretta Encoder assoluti (no set-assi)

181 Monocenter: struttura connessioni Parma, 26 maggio /20

182 Parma, 26 maggio /20 Prima Applicazione: Monocenter per Fiera BIMU assi servo (di cui una morsa rotante in continuo con motore coppia con encoder a 27bit EnDat) 2 Controllori CNC Electro Engineering + CN 840Dsl PN Siemens accoppiati mediante PN-PN coupler Cambio utensile con mot. diretta e porta utensili integrati nell unità sinistra (1.1) Interpolazioni su 4 assi: Z-X-Y-A Ampliamento 2010: unità destra (1.3) Recesso Mandrino + Avanzamento + Recesso Filettature monoutensile, maschiature rigide, fresature e torniture +3 assi servo (Z-M-R) semplicemente aggiungendo un IO-device (CU320) in coda agli altri

183 Parma, 26 maggio /20 Dominio di Sync ed occupazione della banda disponibile per IRT top 1) Definizione dei ruoli 2) Definizione del tipo di sincronismo (IRT top) 3) Calcolo della banda IRT occupata su base ciclica di 1ms (45.7 µs)

184 Parma, 26 maggio /20 Caratteristiche: Tavola (motore torque) verticale 6 stazioni doppie 12 unità di lavorazione doppie Tempo ciclo per 2 pezzi: <2sec. Totale: 18 assi servo in un unica rete PROFINET_IRT_top 1 IO controller CP IO devices CU320 con CBE20

185 Parma, 26 maggio /20 Dominio di Sync IRT_top: Rispetto al precedente caso la banda occupata sale a 86.8 µs (su ciclo di 1ms): 18 moduli servo gestiti col Telegramma ProfiDrive 116 (application class 4 +DSC): 11 word PZD INput + 19 word PZD OUTput (PZD=Prozessdaten) 4 CU con Telegramma alimentatore con Telegramma 370

186 Parma, 26 maggio /20 Motore coppia : Siemens 1FW6150 elevata dinamica elevata precisione di ripetibilità non necessari elementi meccanici di trasmissione Utilizzo di rampe ad S, limitazione del jerk t. posizionamento del settore di 60 : 0,25s Encoder: Heidenhain RCN729 EnDat 2.2, 29bit/giro

187 Parma, 26 maggio /20 Caratteristiche: Tavola verticale a 12 stazioni singole 10 unità di lavorazione con rotazione pezzo 3 unità fresatura X-Y-Z con elettromandrini Jager da 30000rpm 3 unità tastatura Post Process con sonde Marposs per controllo qualità e compensazione automatica sulla lavorazione Gateway Profinet Profibus (Siemens IE-PB link) Totale: 29 assi servo in un unica rete PROFINET mista IRT_top e RT 1 IO controller CP IO devices CU320 con CBE IO devices RT Combiver F5 + 1 accoppiatore reti Topologia ProfiNET:

188 Parma, 26 maggio /20 Buffoli 562 : Configurazione Hardware progetto Step7 Dominio RT IO-controller Dominio IRT

189 Parma, 26 maggio /20 Dominio di Sync ed occupazione della banda disponibile per IRT top Totale IRT: µs (su ciclo di 1ms): 26 moduli servo gestiti col Telegramma ProfiDrive moduli RT (no sync) KEB-combivert F5 : scambiate 8 PZD IN e 8 PZD OUT per ognuno 6 CU con Telegramma alim. con Telegramma IE-PBlink (no sync) trasparente che diventa Master ProfiBus per PC Marposs P7ME; dati scambiati: 24 PZD IN e 21 PZD OUT

190 Parma, 26 maggio /20 Possibilità offerte da ProfiNET Integrazione con la rete aziendale e servizi TCP/IP (teleassistenza) Diagnostica estesa di ogni componente Mix di HW di produttori diversi (gsdml conforme) coesistenza di I/O, drives, webcams, safety, dispositivi wireless e molto altro Cablaggio semplificato perché diversi componenti PROFINET IO con prestazioni differenti convivono nella stessa rete Proxy verso altre reti (IOLink, ASi, ProfiBus.) Ridondanza ad anello (MRP domain) Scalabilità in tutte le direzioni Prestazioni Ridondanza Gestione della rete

191 Parma, 26 maggio /20 CP1604 WEB-server: diagnostica Situazione reale online con ciclo applicazione IRT registrato come Controller (vedi IOcontroller: Operate ) e con tutti i partner sincronizzati ed in ciclo isocrono. (operating mode: Run ) Da provare in future applicazioni: nuovo firmware2.5.0 già rilasciato -web server potenziato per visualizzazione esaustiva della topologia e dello stato degli I/O -il controller può pilotare io-devices condivisi da altri controller -altre migliorie

192 Parma, 26 maggio /20 Benefici nell uso di PROFINET_IRT raggiunti: 1. Utilizzare un proprio CN per centri di lavoro mantenendo cicli speciali già collaudati e testati nel tempo. 2. Mantenere la propria interfaccia di programmazione pezzo (HMI) 3. Semplificare ilcablaggio 4. Diagnosticare allarmi econfigurare parametri dei drives e dei motori. 5. Fornire sulla stessa rete l accessoaservizi IT standard (es: teleassistenza). 6. Integrare più partner (controller) con domini di sync diversi tramite PN-PN coupler opn-dp coupler. Centro di lavoro CNC in progettazione per inizi 2012: Tavola orizzontale con 12 morse rotanti 24 stazioni con carri a croce e doppio mandrino abbinato Per un totale di 130 assi servo: previsione di usare 2 IO-Controller e 22 CU320-2 come IO-Device (topologia modulare)

193 Grazie per l attenzione

194 Misura di velocità di un Direct Drives e tecniche di controllo tramite applicazione di un osservatore di stato Ing. Gianluca Mangialardo LTi ITALiA srl

195 Sistema controllo-motore-carico:il modello a due inerzie presenza di elasticità nella trasmissione tra motore e carico descrive sistemi motore/carico con trasmissione non perfettamente rigida

196 Sistema controllo-motore-carico: il modello a singola inerzia assenza di elasticità nella trasmissione tra motore e carico descrive sistemi ove il carico è direttamente connesso al motore

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