Ottimizzazione processo industriale tesina

Ottimizzazione di un processo industriale

Progetto per l’Esame di Stato

Anno scolastico 2013-2014 1

Gentili Andrea, de Sire Raffaele, Mouizina Salah Eddine

Indice

Motivo progettuale 3

Il processo 4

La struttura generale 5

Capitolo 1: Il metal detector 6

Oscillazione e rilevamento 7

Costruzione delle bobine 9

Comparazione e amplificazione.. 10

La verifica di funzionamento 11

Il montaggio del sensore 12

Capitolo 2: Il controllore logico programmabile (PLC) 15

Funzionamento 15

Struttura interna 16

La pulsantiera di controllo .17

La programmazione del PLC .19

Il programma utente 21

Il relè 27

Capitolo 3: Gli allarmi di segnalazione 28

Allarme sonoro 28

Allarme luminoso 29

Capitolo 4: Il motore del nastro trasportatore 30

Motore corrente continua

Capitolo 5: Dimensionamento motore e nastro aziendali 31

Definizioni 31

Campi di applicazione dei motori33 2

Motivo progettuale

L’idea di creare questo progetto è nata quando la classe 4Bele ha visitato nell’anno 2012/2013 la lavanderia industriale “ZBM” di Arco. Dopo aver effettuato un giro all’interno dell’azienda abbiamo constatato assieme ai manutentori che si occupano dei macchinari di lavaggio, che numerosi oggetti vengono rinvenuti nelle tasche delle maglie e pantaloni dei medici (quelli trovati più spesso sono le penne biro, ma si è potuto trovare anche strumentazione medica estremamente pericolosa come bisturi e forbici)

La presenza di questi oggetti dimenticati nelle tasche può portare al danneggiamento permanente degli ingranaggi e delle membrane interne della costosa macchina di lavaggio, rallentando sensibilmente il ciclo di produzione

L’azienda fino ad oggi per trovare questi oggetti indesiderati ingaggia una persona che fruga in tutte le tasche dei pantaloni e delle camicie.

Ci siamo quindi chiesti: si può trovare un modo migliore, veloce ed efficiente per rilevare questi oggetti potenzialmente pericolosi senza cercare manualmente nel vestiario risparmiando tempo prezioso?

Dopo averci posto questa domanda abbiamo deciso così di trovare una soluzione di tipo industriale non invasiva, attraverso la creazione di un sistema automatizzato per identificare gli oggetti metallici che rimangono dimenticati nei vestiti

Abbiamo costruito (simulando il ciclo produttivo aziendale) un modellino funzionante di una struttura automatizzata (con dimensioni ridotte rispetto al reale) che potesse rivelare la presenza di oggetti metallici su di un nastro trasportatore in movimento.

Si è scelto di utilizzare il PLC rispetto ad un microcontrollore perché abbiamo voluto che il nostro lavoro somigliasse il più possibile ad una struttura utilizzata in campo industriale

Il processo

3

La costruzione del progetto si è svolta per un periodo di circa 8 mesi durante le ore di laboratorio di TDP (4 ore settimanali, circa 132 ore totali)

Lo sviluppo del progetto si è così suddiviso:

• Studio dei principi di funzionamento di vari tipi di metal detector e scelta del tipo
• Costruzione delle bobine e montaggio del circuito elettrico su breadboard
• Collaudo del metal detector
• Stesura su Orcad Layout del circuito elettrico
• Montaggio componenti sulla scheda e test di collaudo
• Studio ed elaborazione del programma su Step7
• Test di collaudo del programma di gestione
• Progettazione e montaggio della struttura e scelta del tipo di nastro trasportatore
• Studio e scelta del tipo di motore per muovere il nastro
• Collaudo del sistema generale

Struttura generale

La struttura è composta principalmente dalle seguenti parti:

• PLC
• Allarme sonoro e luminoso
• Pulsantiera di controllo 4
• Motore corrente continua
• Metal detector
• Nastro trasportatore Schema a blocchi generale

Capitolo 1: Il metal detector

Il metal detector è uno strumento che usa l’induzione elettromagnetica per rivelare la presenza di metalli. Viene utilizzato in tutte quelle situazioni in cui è necessario rilevare la presenza di corpi metallici all’interno di oggetti di altra natura. 5

La forma più semplice di metal detector consiste in un oscillatore che produce corrente alternata la quale passando per una bobina produce a sua volta un campo magnetico alternato. Se un pezzo metallo conduttore è vicino alla bobina, per la legge delle correnti parassite l’oggetto produrrà esso stesso un campo magnetico alternato. Un’altra bobina funzionerà da magnetometro e il cambiamento del campo magnetico principale rivelerà la presenza di un oggetto.

Dopo diversi studi e ricerche siamo riusciti a prendere spunto e ad ideare uno schema elettrico del nostro dispositivo, che verrà diviso in 2 parti: la prima di oscillazione e rilevamento, la seconda di amplificazione e adattamento dell’uscita.

Questo è lo schema elettrico ideato:

I componenti utilizzati per la realizzazione dello schema elettrico sono:

• 5 Condensatori da 100nF
• 4 Condensatori da 10nF
• 2 Condensatori da 220uF polarizzati
• 6 Transistor NPN 2N2222A
• Bobina di riferimento e ricerca
• 2 Resistori da 39 KΩ
• 1 Resistore da 2.2MΩ 6
• 1 Resistore da 1KΩ
• 5 Resistori da 10kΩ

Come è stato detto in precedenza, il circuito è diviso principalmente in 2 parti:

Oscillazione e rilevamento

La parte presa in considerazione è appunto quella cerchiata in rosso.

Le due oscillazioni sono ottenute dalle bobine A e B che fanno ciascuna parte di un oscillatore di Colpitts a 3 punti.

Quando viene alimentato il circuito, le due bobine vengono collegate a due oscillatori uguali, chiamati tecnicamente di “Colpitts a tre punti”.

Un oscillatore in elettronica è un particolare circuito in grado di generare autonomamente un segnale di diverse forme d’onda, (sinusoidale, triangolare, a dente di sega, onda quadra) a frequenza desiderata, (in base ai valori dei componenti utilizzati) senza l’intervento di alcuna sollecitazione elettrica esterna.

Questo circuito è detto a “tre punti” perché utilizza per funzionare tre componenti fondamentali, una induttanza (che rappresenta la bobina) e due condensatori.

La frequenza del segnale che genera va da: 20 kHz-200 MHz. Nel nostro circuito generiamo un segnale sinusoidale a frequenza pari a 105kHz.

Una delle caratteristiche fondamentali di questo oscillatore è la relativa semplicità di costruzione e l’economicità dei componenti elettrici. 7

Il seguente è lo schema elettrico di un generale oscillatore di Colpitts:

I due oscillatori generano entrambi un segnale sinusoidale a frequenza costante che viene immesso nelle due bobine che attraversate dalla corrente generano un campo magnetico esattamente uguale. Se un oggetto contraddistinto da proprietà magnetiche (ovvero che genera autonomamente un campo magnetico in base al materiale di cui è costituito) viene posto in vicinanza alla bobina di rilevazione, il campo magnetico prodotto dalla bobina varia e di conseguenza cambia anche il valore della frequenza del segnale generato dall’oscillatore.

Quando la frequenza del segnale della bobina di “rilevazione” (A) varia, essa viene comparata con la frequenza del segnale generato dalla bobina di “riferimento” (B) (opportunamente posta lontana da oggetti metallici e da eventuali disturbi elettrici).

A riposo, ovvero quando non viene rilevato nessun oggetto la differenza tra i due segnali nelle bobine è uguale a zero.

Le due oscillazioni vengono comparate dal transistor di cui si parlerà in seguito.

I due oscillatori sono quindi formati da 2 condensatori da 100nF e da una bobina con oscillazioni intorno al centinaio di KHz (105KHz). I condensatori li abbiamo trovati senza problemi, mentre le bobine sono state costruite e tarate manualmente da noi.

Costruzione delle bobine

Bobina di riferimento

Il compito di questa bobina è quello di generare un campo magnetico di “riferimento”.

Essa dovrà essere ben isolata una volta completati gli avvolgimenti e bisogna porla

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all’interno di un tubo di plastica che la contenga al sicuro da eventuali disturbi fisici ed elettrici.

Sul supporto di tipo cilindrico lungo 5cm e avente diametro 0,6 cm avvolgiamo 125 giri di filo. La lunghezza effettiva del cavo di rame in entrambe le bobine è di 4,71 m.