motion control

MOTION CONTROL
Moderazione a cura del Prof. Claudio Melchiorri
Università di Bologna
Dal processo produttivo al fine linea:
dove la robotica incontra il
motion control
Maurizio Tarozzi
Global Technology Manager – Packaging Solutions
B&R Automazione Industriale
Evoluzione del processo
Dal controllo di maccchina al controllo di linea
 Total Cost of Ownership (TCO)
Automazione
Il PROCESSO PRODUTTIVO
Le linee produttive nel processo manifatturiero
– Efficienza
• Performance
• Integrazione orizzontale e
verticale
• Sostenibilità
• Energy saving
• Safety
• Security
• OEE
Il PROCESSO PRODUTTIVO
• Le linee produttive nel processo manifatturiero
– Flessibilità
•
•
•
•
Cambio formato
Cambio prodotto
Riconfigurazione
Robotica
Il Motion Control
• La crescente importanza del Motion Control
– HW
• Attuazione elettrica
• Attuazione idraulica
– SW
•
•
•
•
•
Posizionamento semplice
Camma elettronica
Controllo numerico
Controllo idraulico
Robotica a cinematiche variabili
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
Motion Control - Idraulico
• Soluzioni HW di attuazione
– Idraulico
• Pompe a portata
fissa/variabile
• Servoattuatore con valvola
proporzionale
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
Motion Control - SW
• Il SW nel Motion Control
• Universalità nel controllo del Motion (Camme elettroniche,
CNC, Robotica....)
• Indipendenza dall‘attuatore
z
• Gestione della logica macchina - I/O
z x
y
• Astrazione dall‘Hardware
z
z
x
y
• Visualizzazione
x
y
x
y
• Time to Market
z
4
3
4
4
5
6
3
3
5
5
6
2
x2
y2
z1
y1
x1
6
Motion Control - SW
• Il SW nel Motion Control
– Il concetto di astrazione dall‘HW
Codice utente
PLCopen
Motion Control
DC, Stepper, Idraulico
CNC
Generazione
traiettoria
Robotica
Servo
FU
Attuatori
Motion Control - HW
• Esempio d’integrazione attraverso POWERLINK
– 100.000 + assi installati
nel 2010
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
Esempio di MC integrato
• Linea per la lavorazione del vetro
•
•
•
•
•
Movimentazione di Robot
Taglio/Lavorazione
Foratura
Trasporto materiale
Processi paralleli
SAFETY e Motion Control
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
SMART SAFE REACTION
• Safe Operating Stop  calcolo dell’errrore sul tempo di risposta
– L’errore innesca un accelerazione di 10m/s2 ad un asse fermo in coppia
• Soluzione tradizionale cablata
• SafeMC su POWERLINK
– Distanza ridotta
del 99.2%  130x
– Energia dell’impatto ridotta
del 99.2%  130x
80ms
7ms
 32mm percorsi
 0.25mm percorsi
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
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
SMART SAFE REACTION
• Permette una manutenzione sicura
dell’impianto
• Ottimizza la gestione del MC
• Diminuisce il footprint
• Aumenta la produttività della
macchina
Grazie per l’attenzione
“Controllo di mandrini brushless sensorless in deflussaggio spinto,
con recupero di energia di frenatura”
Autore: Andrea Mazzolani
Drive & Automation
Bonfiglioli Italia
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
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
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
Caratteristiche salienti del motore brushless
sensorless
asse q
ROTORE
Rotore anisotropo a magneti permanenti
annegati a singola barriera. (iPMSM)
•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”.
asse d
Caratteristiche salienti del motore brushless
sensorless
asse q
asse d
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 .
mel s  is 
mel r,d  is,q  is,d is,q  ld  lq 


 
 

me
mrel
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)
Caratteristica coppia/velocità del mandrino brushless
sensorless utilizzato
10
9
8.7 Nm
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
4000
8000
12000
10000 g/m
16000
20000
24000
g/m
Caratteristica Potenza/Velocità del mandrino
brushless sensorless utilizzato
kW
14
12.5 kW
12
10
9.2 kW
8
6
4
2
0
0
4000
8000
12000
10000 rpm
16000
20000
24000
rpm
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.
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).
mel s  is 
mel r,d  is,q  is,d is,q  ld  lq 


 
 

me
mrel
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.
Signal Flow Graph di un motore asincrono
Signal Flow Graph di una macchina sinrona PMSM
Schema di principio FOC sensorless
M
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.
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.
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.
Soluzione sviluppata e relativi vantaggi
• Mandrino 9.2kW iPMSM -> 10000 rpm ; 500Hz ; 211V ; max vel. 20000rpm
• 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
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.
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.
Grazie per l’attenzione
Il sincronismo tra drives per la
movimentazione in applicazioni ad altissima
precisione di posizionamento
Relatore: Ing. Alberto Landoni
Casi esaminati
• Linea di manutenzione treni
ad alta velocità (TGV)
• Linea di assemblaggio
attrezzature aeronautiche
Requisito fondamentale
• Sincronismo ad altissima precisione tra
movimentazioni.
– In questi casi la velocità e la dinamica non sono
determinanti
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
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 (
)
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 = 1048576 counts/giro
(262144 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.
Loop di regolazione ad alta banda passante
• Loop di corrente a:
• Loop di velocità a:
• Loop di posizione a:
83.3 mS
250 mS
500 mS
Reg. Posizione
Rif. posizione
+
(12 KHz)
( 4 kHz)
( 2 kHz)
Reg. Velocità
+
Reg. Corrente
+
-
-
-
d/dt
Encoder
Motore
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
Tutta la gestione della potenza di movimentazione
(drive+motore) è locale dove serve  (distribuita)
Comunicazione sincrona tra drives
•
•
•
•
•
72 bit di dato
Alta velocità
Sincronizzazione tra i nodi
Singolo Master
Multiplo Slave
la Sincronizzazione remota tra gli Slave
Synch.
Tasks
Speed
Loop
Phase
Speed
Lock
Loop
Loop
Phase
Speed
Lock
Loop
Loop
Sync. With
Speed Loops
RS485
MASTER
SLAVE 1
SLAVE 2
RS485
System Jitter = +/- 2us
Posizione, velocità,
Accelerazione,
Coppia
Posizione, velocità,
Accelerazione,
Coppia
USER DATA
REFERENCE 3
(8bit)
USER DATA
REFERENCE 2
(32bit)
PLL Sync. BIT
USER DATA
REFERENCE 1
(32bit)
Master Reference Data
StrutturaVirtual
telegramma
Synch Bit
Bit di Controllo o
sincronizzazione
Esempio con task Pos a 500us
500 uS
Dati
250us
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 sincronismo tra i drives
RMINT
Pos Task
Master
Pos Task
Slave
RS485
Comms
Impulso di
sincronismo con
errore max 35nS
Il Master scrive i dati in un
Impulso
di all’ interno
istante
qualsiasi
delllasincronismo
task Pos. con
maxtrasferiti
35nS durante
I datierrore
verranno
il ciclo successivo
I dati sono disponibili per lo
Slave il ciclo ancora
successivo
Impulso di
sincronismo con
errore max 35nS
Comunicazione asincrona tra drives
•
•
Elevato volume di dati
Alta velocità
Comunicazione asincrona tra drives
_Rx%
_Sx%
_Sx
uP
uP
_Sx%
_Rx%
_R
Comunic. FAST (1 mS)
Comunic. SLOW (ogni N Fast)
I numeri di
Mega bit/s
link (fast+slow) per ogni nodo
parametri 32 bit per link
parametri scambiati per nodo
CTNet Impostazione grafica
nessuna linea di configurazione
è richiesta dal programma
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
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
Grazie per l’attenzione
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.
Obiettivi automazione macchine di serie






Software PLC standard (IEC 61131-3, 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)
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
- I/O
- Termoregolazione
- HMI
- Supervisione, SPC, ecc…
(ciclico + eventi)
(ciclico)
(ciclico)
(eventi)
(ciclico + eventi)
250 ÷ 500 µs
2 ÷ 10 ms
50 ÷ 100 ms
> 100 ms
bassa priorità
Architettura di sistema
HMI
task
Remote I/O
Panel PC
I/O real-time
control
Monitoring /
data collection
GDnet / CANopen
Servo rack
Modbus / CANopen
Power
high-level
control
Motion
high-level
control
Position / AI
Loop
PLC /
SPC / aux
tasks
Speed /
Torque Ref
Analog
Input
Power
Controller
Power /
Thermo Loop
Pressure
Sensor
Optical internal link
Current
Torque
Speed
Loop
Panel PC: performance e costo CPU
www.cpubenchmark.net
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
Motion control
 Alimentazione rack
condivisa tra gli assi
(recupero di energia con
sovrapposizioni mirate)
 Opzione front-end
rigenerativo
 Assi 3 – 120 kW
 Controllo di posizione,
velocità, coppia, su
segnale analogico:
ciclo 250 µs
 Passaggio tra diverse
modalità di controllo:
step 250 µs
C(+)
D(-)
AC
/
DC
Supply
CORE
CPU
A
X
I
S
1
A
X
I
S
2
A
X
I
S
3
M
3ph 400Vac
M
A
X
I
S
4
A
X
I
S
…
M
M
A
X
I
S
8
M
M
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
Esempio: controllo asse iniezione
V, PR
P1
V1
ANALOGINPUT
THRESHOLD
PR5
P2
V2
V3
PR6
P3
V4
DONE1
EXE1
ABORT.
EXE2
BL. PREV.
1 - MC_MoveAbsolute
2 - MC_MoveAbsolute
3 - MC_MoveAbsolute
4 - MC_MoveAbsolute
5 - MC_AnalogControl
6 - MC_AnalogControl
7 - MC_AnalogControl
8 - MC_Stop
EXE3
BL. PREV.
P1
P2
P3
P4
PR5
PR6
PR7
EXE4
BL. PREV.
V1
V2
V3
V4
INCONTROL5
DONE2
EXE5
BLENDING
Aborting
Blending Previous
Blending Previous
Blending Previous
Blending
Aborting
Aborting
Aborting
SWITCHOVER
PR7
INCONTROL6
EXE6
ABORT.
INCONTROL7
P4
EXE7
ABORT.
DONE8
t
EXE8
ABORT.
 Controllo agevolmente realizzabile con serie
di Function Block accodati
 Switchover su posizione, pressione, …
 Fasi del controllo precaricate sul drive
Principali caratteristiche di macchina







Forza di chiusura stampo:
Pressione di iniezione tipica:
Velocità asse iniezione:
Tempo di accelerazione asse iniezione:
Precisione controllo di posizione:
Precisione controllo di pressione:
Max overshoot di pressione
110 ton
1500 kgf/cm2
800 mm/s
45 - 50 ms
0,01 mm
± 2 kgf/cm2
+ 50 kgf/cm2
(0  800 mm/s)
Test asse iniezione: accelerazione
47 ms
800 mm/s
Test asse iniezione: switchover
Grazie per l’attenzione
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
La Storia
Anni 60
Anni 90
Oggi
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
Le configurazioni
L’architettura Hardware
CPU
PC Industriale
Robot
Manipolazione
Azionamenti e servo motori
Robot presa
Strato
Programmazione testuale
Test su macchina reale
Programmazione grafica
Simulazione
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
Scomposizione in oggetti del modello
Class Diagram semplificato relativo ai componenti base del modello
Programmatore
1 - Definizione del layout
2 -Scomposizione in lotti
3 -Calcolo dei parametri
Caratteristiche
paletta
Generazione
automatica dei
layout
Caratteristiche
pacco
Editing
Definizione della sequenza dei lotti
Calcolo
automatico dei
parametri
Simulatore
•
•
•
•
Verifica dei programmi di pallettizzazione
Analisi di interferenza tra i manipolatori
Analisi di superamento extracorsa degli assi
Stima della velocità di produzione
Determinazione dell’intervallo di simulazione
Paradigma time driven
Vs.
Paradigma event driven
Gestione della
coda relativa
agli arresti
mediante
segment tree
Strutturazione del Simulatore in FIFO
Lotto in
ingresso
Nastri d’ingresso
Manipolatore 1
Manipolatore 2
Arresti
Supervisore
• Monitoraggio della macchina
• Intervento dell’operatore guidato
• Riduzione al minimo dei tempi di fermo macchina.
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
Grazie per l’attenzione
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
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
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.
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.
SOLUZIONE HARDWARE
TOUCH
PANEL
RS232
Sensore fine
etichetta
Encoder rullo
prodotti
Sensore
prodotto
Ingresso
interrupt
Ingresso
encoder
Ingresso
interrupt
PLC
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
SOLUZIONE HARDWARE
TOUCH
PANEL
Rullo nastro
vuoto
RS232
Sensore fine
etichetta
Encoder rullo
prodotti
Sensore
prodotto
RS232
Ingresso
interrupt
Ingresso
encoder
Ingresso
interrupt
PLC
DRIVER
USCITA
IMPULSI
DRIVER
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…
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
Dp
 CM 
T
1
2
Dp
2
Calcolando il numero di etichette che vengono espulse in un giro carta ottengo:
 * Dp
C1 
p
dove Dp è il diametro di partenza, p è il passo dell’etichetta e
C1 sono il numero di etichette espulse il primo giro
C2 
 * D1 
 Dp  2 s 
p
p
dove s è lo spessore della carta
C3 
 * D2 
 Dp  2 * 2 s 
p
p
in generale
 * Di 1 
Ci 
 Dp  2(i  1) s 
p
p
Esplicitando il numero di etichette espulse in funzione del numero di giri ottengo:
 
n 
Cn  C1  C2  C3  ...  Ci  i 0  * Dp  2is   n  1* Dp  s * n  1
p
 p
Infine esplicitando n ottengo:


2
 
2



 Dp  s  
Dp

s

s
Dp

C
4
n
2


p
p
p p

n

2 s
p
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.
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”
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
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
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.
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.
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.
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.
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.
Grazie per l’attenzione
Soluzioni motion in real time
su Ethernet standard
Ing. Roberto Loce
Solution Architect Motion Control
Il Motion Control gestito via rete
PC
Anni ’80 – Interfacciamento analogico
PC
Controllore
Motion
Drive
Segnale
analogico
Feedback & I/O
HMI
Motore
Macchina
Feedback & I/O
PC Anni ’90 – Interfacciamento tramite reti digitali
HMI
Reti Motion Control tradizionali
– SERCOS I, II,III
– PROFIbus
– CanOpen
– ServoWire
– NyQuist/Firewire
– LightBus
– 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
Controllore
Motion
HMI
Rete
Motion
Control
Drive
Motore
Feedback & I/O
Macchina
Migrazione verso una rete di controllo unica
• 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
• 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
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
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.
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.
Ethernet IEEE 802.3 e il TCP/UDP/IP
• IEEE 802.3 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: 131.150.186.10
• 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
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
Lo standard IEEE-1588- CIP Sync
Master System Time
Slave System Time
Master
Slave
Tm
Master Time Stamp
Tm
Slave Time Stamp
Ts
Tm
Calcolo dell’offset sul
sistema slave
Time Offset: Tm-Ts
Ts
Tm
Tm
Tm
Regolazione frequenza
clock slave:
(Tm-Ts)/Sync Period
Ts
Tm
Ts
Un piccolo offset persiste
tra i due clock dovuto al
ritardo nella comunicazione
Tm
Tm
Tm
Tm
Tm
Tm
Time
Tm
Time
Regolazione dell’offset
di tempo nel clock dello
slave dovuto alla
comunicazione:
(Tm-Ts)/2
Nuova regolazione
della frequenza
CIP Motion Single-Cycle Timing Model
Drive Update Period
Drive Timer Events
Il drive riceve il
conteggio dal
feedback e calcola
la posizione attuale
da spedire al
controllore.
Drive Interrupt Service
Il Drive incapsula
l’informazione nei
Drive-to-Control Connection (Input)
dati CIP Motion e
trasmette il
pacchetto via
Control-to-Drive Connection (Output) Ethernet.
Input Traffic
No Motion Traffic
Coarse Update
Il controllore
incapsula nel
telegramma CIP
Motion i dati e
Actualspedisce
Position
il
pacchetto via
Ethernet.
1
2
Output Traffic
Il drive riceve e
processa il pacchetto
ethernet e calcola il
nuovo comando di
posizione per
l’interpolazione fine.
250 msec
4
Cmd Position
Il controllore riceve e
3
processa il
pacchetto Ethernet e
Motion Planner
Motion Planner
calcola il nuovo
comando di
Coarse Update Period (1 msec)
Controller Timer Events
posizione sulla base
della posizione
attuale ricevuta.
Motion Task Phase Offset ~330 msec
Controller Task
5
Targeting del riferimento di posizione usando il Time Stamp
Last Command
Position
Fine Interpolation
Polynomial
Target Command
Position
Target Time
Last Target Time
187.5 usec
Drive
Task
Drive
Task
Target Time =
Tctr1 + 2*CUP
Drive
Motion Task
Motion Task
Controller
Tctr2
Tctr1
Tctr2
CUP
1 msec
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.
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
Permette una vera architettura distribuita
Servo Drive
With Local
Path Planner
Quality of Service (QoS)
• CIP Sync implementa il Quality of Service
– 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
Other Devices Messages
Ethernet
Switch
Traffic Type
Time Sync
Motion
I/O
Other
Priority
7 (Highest)
6
5
4 (Lowest)
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
– Tipi di controllo:
• P – Controllo di posizione
• V – Controllo di velocità
• T – Controllo di coppia
• N – Solo feedback
Motion
Profiles
Time Sync
IEEE 1588
Data Link Layer
Gli utilizzatori possono trarre vantaggio da un set di interfacce comuni ed indipendenti dalla tecnologia
drive adottata.
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
• Drive to drive
– Pianificazione delle traiettorie
locale (sul drive)
EtherNet/IP
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
Scalable
Automation
Controllers
Business System
Standard
Ethernet
Switches
HMI
Servo Drive
Aux Feedback
Pneumatic
Valves
Registration
Scheduled Output
Safety I/O
Vision
Frequency
Converter
Standard
I/O
Robots
Utilizzando la tecnologia Ethernet standard si raggiungono alte prestazioni nel controllo dei Drives
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.
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
• 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.
Ad anello
• 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.
Differenti approcci nelle soluzioni Motion Control
Ethernet-based
Application
Application
Software
Real-time data exchange
TCP
UDP
UDP
TCP
UDP
Real-time data
exchange
IP
Hardware
TCP
Application
Standard-Data Realtime-data
Media Access Control
CSMA/CD
Ethernet
Standard Ethernet TCP/IP
Ethernet/IP, Modbus/TCP
IP
Media Access Control
CSMA/CD
Ethernet
Bypassing of layer 3 & 4
Powerlink, Profinet V2
Performance delle diverse soluzioni Ethernet-based
IP
Realtime
Media Access Control CSMA/CD
Ethernet
Real-Time Data Exchange
in Hardware
SERCOS III, EtherCAT,
Profinet V3
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 802.3 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.
Grazie per l’attenzione
Motion ControlSW Modulare per macchine Motion Centric
Antonio Marra
Schneider Electric Italia SpA
Oggi
Domanda
Multipacking
Cartoning
Stacking
Product
filling
Product
filling 2
Sealing and Cutting
Thermoforming
Unwinding
TREND: MODULARITA’
Uno sguardo al mercato
Food
Beverage
Pharmaceutical
Dairy
Home
Care
Tobacco
Personal
Care
Tissue
and Paper
Other
OEM vs Mercato
- I consumatori richiedono
maggiore convenienza
- I produttori sempre maggiore
efficienza
Food
- Velocità, meccatronica,
innovazione tecnologica,
consentono sempre nuove
forme di confezionamento
Pharmaceutical
Dairy
- L‘attenzione dei consumatori,
attratta dalle novità, richiede
M1
diversificazioni del Package
Tobacco
Beverage
Home
Care
Personal
Care
Tissue
and Paper
Other
OEM vs End User
- Prezzo (riduzione dei costi)
Food
- Brevi tempi di consegna
Beverage
- Alta Flessibilità
- Rispetto di Normative e
validazioni (FDA, GAMP…)
Home
Care
- Qualità.
- „Personalizzazione“ del
prodotto
- .…………….
Pharmaceutical
Dairy
Tobacco
Personal
Care
Tissue
and Paper
Other
Come posso gestire
il SW?
Costi di Sviluppo nell‘ingegneria del SW
Source: Bender, Glas, Kohen, McKinsey
- Modularità del SW
- Standardizzazione delle interfacce
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”?
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.
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
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.
Modularità
3
1
2
Interfaccia di comando e
comunicazione
1
2
3
Qual è il problema?
1
2
3
………………………..
Al crescere dei moduli crescono le interfacce, quindi la
complessità della gestione.
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
Abbiamo parlato:
1. Modularità
2. Standardizzazione
dell’interfaccia
E come affrontiamo lo sviluppo
SW?
Moduli „Meccatronici“
Modalità Operative
Processo
Diagnostica
Gestione Errori
Definire uno standard di interfaccia tra i diversi moduli SW
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
Esempi di moduli SW
Automation Modules
Mechatronic Modules
IntelligentLineShaft
Robotic
Error Handler
Machine State Control
Contactor Contrfol
Sequence Control
Logger
Multi Belt
Unwinder
Vertical Sealing
Flying Shear
Smart Infeed
Axis
Fonte: SE, PacDrive TemplateLib
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?
Grazie per l’attenzione
Doppio manipolatore per pasta
Case History
Ricciarelli S.p.A. F. Divella S.p.A.
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.
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.
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.
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.
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.
elettronica
dedicata
HMI
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
Lay out elettronica
Interfaccia Operatore
HMI TP 177B
ET200S
PROFIBUS
Cpu
ETHERNET
ETHERNET
Input/Output
Azionamenti
SIMOTION D435
SINAMICS S120
SI
Nastri alimentazione
ENGINEERING STATION
Programmazione
Assistenza
Manipolatore 1
MOTORI BRUSHLESS
Manipolatore 2
Apertura
Cartone
MOTORI ASINCRONI
Prelievo
Cartone
Formazione
Strato
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
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
– Verifica motore in fase di sostituzione
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 contattori a monte e
valle del drive
– Possibile arresto specifico per ogni gruppo di drive
– Il circuito intermedio (DC bus) può rimanere attivo
Unico software
– Unico software sia per la
programmazione che per le
funzioni di sicurezza
SIMOTION D435
Scout: software macchina
Funzionalità PLC
Linguaggi di programmazione MCC (Motion Control Chart); KOP/FUP
(ladder logic) e ST (Testo Strutturato) secondo IE 61311-3
Funzionalità Motion Control ed Oggetti Tecnologici
camme digitali, funzioni di posizionamento, interpolazione 3 D per
differenti cinematiche, controllo di temperatura, PID,…
Messa in servizio e manutenzione
unico progetto software integrato, Compact Flash contenete i dati di
progetto, parametrizzazione assi, oscilloscopio integrato e web server
SIMOTION D435
Simotion D435
Tutta l’automazione della
cartonatrice-riempitrice è gestita
da un’unica cpu.
Il doppio manipolatore
Doppio manipolatore a braccio articolato sul piano xz.
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
P4
P1
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.
• Unico ambiente software per la programmazione e
assistenza
• Uniformità dell’architettura elettronica
• Riduzione dei tempi di sviluppo, progettazione e
messa in servizio
Grazie per l’attenzione
PROFINET IO
Isocrono
Applicazione per centri di lavoro a
Controllo Numerico
Ing. Giulio DelBono – Electro Engineering srl (BS)
Parma, 26 maggio 2011
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.
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Parma, 26 maggio 2011
Aderenza allo standard ProfiDrive IEC 61800-7-3 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)
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Parma, 26 maggio 2011
4/20
Soluzione ELECTRO ENGINEERING
Scheda di controllo centrale basata su PC104 (IO-controller):
CPU104+ e CP1604 (ERTEC based)
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 60204-1
Parma, 26 maggio 2011
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Software application nell’IO-Controller:
Basato sul Linux kernel 2.6.30 + patch RTAI 3.8.1
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)
Parma, 26 maggio 2011
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.
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Parma, 26 maggio 2011
Presentata come novità mondiale
nello stand Siemens
durante la fiera BI-MU nel 2008
Soluzione innovativa proposta da
Buffoli ed Electro Engineering
Pat. Nr: BS2006A000014
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)
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Parma, 26 maggio 2011
Monocenter: struttura connessioni
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Parma, 26 maggio 2011
Prima Applicazione: “Monocenter” per Fiera BIMU 2008
• 8 assi “servo” (di cui una morsa rotante in continuo con motore “coppia” con encoder a 27bit EnDat)
• 2 Controllori CNC Electro Engineering + CN 840Dsl 730.2 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
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Parma, 26 maggio 2011
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)
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Parma, 26 maggio 2011
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 CP1604 + 4 IO devices CU320 con CBE20
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Parma, 26 maggio 2011
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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 390
1 alimentatore con Telegramma 370
Parma, 26 maggio 2011
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
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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 CP1604 + 6 IO devices CU320 con CBE20
+ 3 IO devices RT Combiver F5 + 1 accoppiatore reti
Topologia ProfiNET:
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Parma, 26 maggio 2011
Buffoli “562”: Configurazione Hardware progetto Step7
Dominio RT
IO-controller
Dominio IRT
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Dominio di Sync ed occupazione della banda disponibile per IRT top
Totale IRT: 123.6 µs (su ciclo di 1ms):
26 moduli servo gestiti col Telegramma
ProfiDrive 116
3 moduli RT (no sync) KEB-combivert F5 :
scambiate 8 PZD IN e 8 PZD OUT per ognuno
6 CU con Telegramma 390
1 alim. con Telegramma 370
1 IE-PBlink (no sync) trasparente che
diventa Master ProfiBus per PC
Marposs P7ME; dati scambiati:
24 PZD IN e 21 PZD OUT
Parma, 26 maggio 2011
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
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Parma, 26 maggio 2011
18/20
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 firmware 2.5.0 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
Parma, 26 maggio 2011
Benefici nell’uso di PROFINET_IRT raggiunti:
1. Utilizzare un proprio CN per centri di lavoro mantenendo cicli speciali già
2.
3.
4.
5.
6.
collaudati e testati nel tempo.
Mantenere la propria interfaccia di programmazione pezzo (HMI)
Semplificare il cablaggio
Diagnosticare allarmi e configurare parametri dei drives e dei motori.
Fornire sulla stessa rete l’accesso a servizi IT standard (es: teleassistenza).
Integrare più partner (controller) con domini di sync diversi tramite PN-PN
coupler o PN-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)
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Grazie per l’attenzione
“Misura di velocità di un
Direct Drives e tecniche di
controllo tramite applicazione
di un osservatore di stato”
Ing. Gianluca Mangialardo
LTi ITALiA srl
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
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
Sistema controllo-motore-carico: differenze sistema a singola doppia inerzia
• comportamento dinamico equivalente in bassa frequenza tra i due sistemi
Sistema con inerzia singola
• assenza di frequenze di risonanza
banda passante controllo di velocità limitata solo dal tempo di ciclo degli anelli di
controllo
Sistema a due inerzie
• frequenza di risonanza che limita la banda passante dell’anello di velocità
Fr =
1
J + JL
CF M
2π
JM JL
• la misura di velocità del carico coincide con quella del motore solo in bassa frequenza
Sistema controllo-motore-carico: struttura con filtri digitali
• possiblità di compensazione di coppia inerziale
• il feedback di velocità è affetto da disturbi anche in bassa frequenza
• il filtraggio digitale della misura di
velocità pone una severa limitazione alla
banda passante dell’anello di controllo
anche nel caso di sistema a singola
inerzia
Struttura di un osservatore di stato
• un algoritmo in grado di “misurare” il valore di grandezze di un sistema fisico reale utilizzando
un modello matematico, ed essendone noti i valori di ingresso ed uscita.
• ingresso osservatore: TM, M
• variabili osservate: M, M, L, TL, TT
Utilizzo dell'osservatore di stato
• è un filtro per il rumore presente nel sistema di misura di posizione
• le grandezze osservate sono quindi utilizzabili come misure filtrate per il sistema di
controllo
• L'osservatore di stato fornisce i valori di variabili non altrimenti misurabili come la
coppia resistente sul carico TL, coppia di trasmissione TT, e la velocità del carico wL
• mediante le variabili non misurabili osservate è possible effettuare azioni di
compensazione evolute (coppia resistente sul carico)
Sistema di controllo con osservatore di stato
Filtraggio velocità con filtro del primo ordine
Posizionamento utilizzando il filtro passabasso sulla misura di velocità con frequenza di taglio a 795 Hz.
Filtraggio velocità con osservatore di stato
Posizionamento utilizzando l'osservatore di stato.
Conclusioni
- L'utilizzo di motori direct drive permette di ottenere dinamiche molto elevate di
controllo della velocità in assenza di fenomeni di risonanza meccanica.
- Tale aumento di dinamica è possibile solo mantenendo alta la frequenza di taglio
del filtro soppressore di rumore nella misura di velocità. Ciò implica normalmente
l'utilizzo di encoder ottici ad alta risoluzione con costi più elevati.
- Mediante il filtraggio della velocità tramite osservatore di stato è possibile ottenere
una elevata dinamica di controllo anche utilizzando encoder magnetici con
risoluzione inferiore.
Grazie per l’attenzione