1. Introduzione alle problematiche trattate nel Corso

Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Automation Robotics and System CONTROL

Automazione Industriale

1- Introduzione

alle problematiche trattate nel Corso

alle problematiche trattate nel Corso

Cesare Fantuzzi (cesare.fantuzzi@unimore.it) Ingegneria Meccatronica

Ingegneria della Gestione Industriale AA 2010/2011

Sommario

סּ Descrizione di alcune macchine automatiche attraverso

filmati, schemi concettuali, descrizione a parole e casi d’uso.

– Macchine automatiche per impacchettamento in:

• lattine,

2 2 Automazione Industriale - 1. Introduzione

• lattine,

• vetro,

• bottiglie in PET

– Macchina riempitrice Tetra Pak

– Macchine per il “packaging secondario” Tetra Pak

Obiettivi didattici del modulo

סּ Comprensione delle problematiche tipiche di controllo di

una macchina industriale.

סּ Come esempio sono proposte le macchine automatiche

per l'impacchettamento.

3

per l'impacchettamento.

Automazione

סּ Il termine automazione identifica la tecnologia che usa

sistemi di controllo per gestire macchine e processi, riducendo la necessità dell'intervento umano.

סּ 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

סּ 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)

סּ per trasformare un prodotto grezzo in un prodotto finito

mediante l’uso di energia.

Terminologia

סּ Parte operativa: parte della macchina automatica che esegue

la lavorazione richiesta. E’ costituita da componenti meccaniche studiate per interagire con il prodotto.

סּ 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).

סּ 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.)

סּ 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.

סּ 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.

סּ Sensori: sono componenti elettronici sensibili che

consentono di misurare variabili di processo all’interno della parte operativa della macchina.

Terminologia (cont.)

סּ 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.

סּ 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

סּ 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”

Global Beverage Market

11

[in billion hectoliters]

Un esempio di Macchina

Assignment 1

סּ 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 funzionamento

di una macchina

Una linea di produzione

Filling Machine

16 28/08/2010 - C. Fantuzzi Automazione Industriale - 1. Introduzione

Filling Machine

17 28/08/2010 - C. Fantuzzi Automazione Industriale - 1. Introduzione

The iLine

solutions

Tetra Pak® _A3/Flex

18

Tetra Pak® _A3/Speed

Tetra Pak® _{A3/CompactFlex}

Tetra Pak A3/Speed iLine

Full line offering

סּ_{Tetra Pak A3/Speed iLine}™ _includes:

Tetra Pak A3/Speed 0200

Accumulator Helix 30

19

Straw Applicator 30*

Multi Shrink 30 Speed

Cardboard Packer 30 Speed Line Controller 30

Tray Shrink 30

Palletizer

Tetra Pak A3/CompactFlex iLine

Full line offering

Tetra Pak A3/CompactFlex 0100

Accumulator Helix 10

Straw Applicator 30 Flex Domino unit A-300

20

Straw Applicator 30 Flex

Film Wrapper 32

Cardboard Packer 32 Line Controller 30

Tray Shrink 30

Palletizer

Raw Material Supply

Converting

Card (e.g.: carton layers)

(e.g.: trees)

The Packaging Material

Carton Packages

(e.g.: UHT, Past.)

(e.g.: cows)

The Product

DownStream / Distribution Equipment /

Secondary Packaging

Distribution Equipment

Distribution Equipment

(DownStream Equipment / Secondary Packaging) (DownStream Equipment / Secondary Packaging)

סּ Accumulators סּ Cap Applicators

סּ Card-Board Packers

Macchine automatiche situate dopo la macchina riempitrice (filling machine)

22 סּ Card-Board Packers סּ Film Wrappers סּ Handle Applicators סּ Straw Applicators סּ etc..

Accumulator

23

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

24

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).

Accumulator

The floating gear immediately registers the stoppage and begins to move up/downwards enabling the unaffected conveyor to accumulate packages. A constant package flow is maintained without the packages coming into contact with one another. When the problem has been rectified and production has been restarted, the conveyor affected by the stoppage

25

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.

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

restarted, the conveyor affected by the stoppage will again start moving at the same pace as the other conveyor.

Cap Applicator

26 28/08/2010 - C. Fantuzzi Automazione Industriale - 1. Introduzione

Cap Applicator

General Description

סּ The machine shown before is the Tetra Cap Applicator 88.

It is used for the purpose of attaching a recloseable screw Cap.

סּ Packages must have a pre-punched hole in the packaging

material. The cap is attached over the pre-punched hole

27

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

Package Infeed Belt Brake

סּ _{The packages are taken on a conveyor from the}

packaging machine to the cap applicator.

סּ When the cap is correctly positioned, the brake starts

and 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 in the carrier chain of the machine.

– The brake consists of the two belts, between which

28

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

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

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

סּ The motor is activated by photocells before and after the

brake..

סּ 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.

סּ The paddle elevator consists of a belt with carriers, taking the

caps from the magazine up to the mechanical feeder.

Cap Handling

29

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 photocells that indicates the below-minimum (not enough caps) and maximum (conveyor full) amount of caps.

סּ 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.

סּ The indexing wheel is driven, through a gear, by a belt

connected to the main shaft of the machine. The gear turns the disc forwards in 45° step.

Cap Application

30

the disc forwards in 45° step.

סּ Before the application unit, hot melt is forced in a circular

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

סּ The package is moved forward, while at the same time, the

cap on the chain moves forwards at the same speed and in position above the package.

Hot melt applicator

Applicator chain

Cap Applicator

31

Applicator chain

On the applicator chain there are several cams that drives the chain units:

• keeps the cap in position (pick cap align);

• presses the cap on the packages until the hot melt has solidified (apply cap align);

• releases the cap just before the discharge point (release cap).

Cap Applicator Chain

32 28/08/2010 - C. Fantuzzi Automazione Industriale - 1. Introduzione

Card-Board Packer

trays

33 28/08/2010 - C. Fantuzzi Automazione Industriale - 1. Introduzione

סּ The packages are transported from the packaging machine to the Cardboard

Packer by a conveyor.

סּ 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).

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

Card-Board Packer

34 סּ _{A loader pushes in the packages on the tray blank.}

סּ The two long sides of the tray are folded in.

סּ The tray passes the hot melt guns which apply hot melt to the two minor

flaps of the long sides.

סּ In the compression station, the flaps of the tray are kept under pressure

while the adhesive solidifies.

Film Wrapper

Tetra Film Wrapper is used to wrap Tetra Brik packages in stretched film. The

machine capacity is set in accordance with the capacity of the filling machine. It can also be provided with a design correction system for printed film.

35

Infeed

Grouping Wrapping Sealing

Film Wrapper General description

סּ Infeed _{The packages are transferred from the filling machine to the Film}

Wrapper on a conveyor. The packages are counted by photocells. When the correct number of packages has passed the photocell, brake stops. The feed stop divides the packages into two lanes.

סּ Grouping _{The machine has two magazines for stretch film reels, one upper}

and one lower. There is a pusher that makes one, two or three strokes before the sealing is performed.

36

before the sealing is performed.

סּ Wrapping _{There are film brakes that stop the film feed. As the wrapping is}

completed, the film will be stretching around the package group by a jaw driven by a pneumatic cylinder.

סּ Sealing _{A knife goes up and cuts the film, which is than sealed by a}

constantly warm heating jaw. When the sealing is completed the knife and the heating jaw return to their lower position and the sealing will be cooled by compressed air.

Handle Applicator

סּ The machine applies handles to units

wrapped in film.

סּ _{The tape is delivered in reels and the}

paper labels are delivered pre-cut. Paper labels are fed into the machine via a magazine and applied to the adhesive tape.

סּ Thereafter the handle is transferred to

Handle Applicator

38

סּ Thereafter the handle is transferred to

the units via a paddle. During the rotation of the paddle the handle is cut off by a knife.

סּ When entering the Tetra Handle

Applicator the units are separated to create the necessary gap for the application. The units are fed through the machine in a constant flow to avoid queuing.

Straw Applicator

סּ The packages are fed on the conveyor (1). The infeed brake

separates the packages. When a package is registered by the hotmelt photocell (2), the hotmelt gun (3) applies two dots of hotmelt onto the package.

סּ The package continues on the conveyor and is registered by

the package photocell (4), which starts the straw application

Straw Applicator

General Description

40

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

סּ The chain (5) brings the package in position, the revolver

feed wheel (6) moves one position and the forks (7) press the straw to the hotmelt dots on the package.

Fine linea e logistica automatica

Controllo del Traffico

Robotica Mobile @ Unimore

Funzionamento a sequenze

סּ 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.

סּ 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.

סּ Tali sequenze operative possono essere descritte

utilizzando una sequenza di stati – transizioni.

Un esempio – Una

automazione a carro ponte

סּ 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

סּ Un diagramma a stati descrive la logica di funzionamento di un

sistema.

סּ 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, dalle azioni che il sistema compie (una azione può essere anche l’attesa di un

comando)-– Una transizione: descrive l’evoluzione da uno stato ad uno (o più

di uno) successivi.

סּ 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 di

attivazione di un sensore).

Controllo logico

סּ Il controllo logico è definito dalla sequenza di stati e

transizioni che deve seguire il sistema nel suo funzionamento.

סּ 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 seguire stati e delle stransizioni in modo astratto, senza seguire una 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 il

software di controllo che deve implementare tale logica.

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

Assignment 2

סּ Descrivere con un diagramma a stati di tipo “astratto” la

sequenza operativa di un carro ponte

Controllo Continuo vs

Controllo Logico

סּ Il controllo logico è identificabile con una sequenza di

operazioni finite che portano alla esecuzione di un compito complesso.

סּ Il controllo continuo (definito nei corsi di base di

Controlli 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 variabile controllata viene mantenuta ad un valore prestabilito

(detto riferimento) che può anche essere variabile nel

tempo (in tal caso viende detto “traiettoria” di riferimento) attraverso un sistema di controllo in retroazione.

סּ Una azione di un controllo logico può essere il comando

di un movimento di un robot a sua volta eseguito tramite un controllo continuo.

Conclusioni

• Sono stati presentati gli aspetti salienti della

tecnologia del packaging in cartone, lattina, bottiglie

di plastica e di vetro.

• Si e' studiata, piu' in dettaglio, un tipica linea di

impacchettamento di cibi liquidi asettici in packaging

material multistrato asettico. La linea risulta composta

51 28/08/2010 - C. Fantuzzi Automazione Industriale - 1. Introduzione 51

material multistrato asettico. La linea risulta composta

da 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 funzioni