Ottimizzazione processo industriale tesina

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. Infatti

diminuendo il raggio del supporto dove viene avvolto il cavo, aumentano

proporzionalmente il numero di giri da effettuare secondo una determinata equazione

matematica.

Sopra le immagini della bobina di riferimento costruita e del suo supporto.

a) Bobina di RICERCA

Il cavo di rame utilizzato per gli avvolgimenti delle bobina ha un diametro 0,25mm ed è

smaltato, ovvero è completamente ricoperto/isolato esternamente da una patina di

vernice permettendoci di poter avvolgere il cavo senza mandare la bobina in

cortocircuito quando viene percorsa da corrente. Il filo viene avvolto per 10 volte a un

pezzo circolare di compensato da 15cm spesso 1,3cm. Avvolgendo il filo su di una base

di tipo circolare viene aumentato il campo magnetico prodotto.

Bisogna inoltre evitare che fattori esterni come temperatura/umidità non interferiscano

con il campo magnetico prodotto, quindi la bobina viene isolata con del nastro adesivo

nero isolante per “proteggere” il cavo di rame in cui scorre la corrente. 9

COMPARAZIONE E AMPLIFICAZIONE

In questa parte viene presa in considerazione la seconda parte del circuito a partire

dal transistor di comparazione dei segnali ottenuti dagli oscillatori fino all’uscita

effettiva del segnale amplificato.

IL LAVORO DEL TRANSISTOR “Q3”

Dal circuito notiamo come al transistor Q3 entrino i 2 segnali generati dagli

oscillatori, quest’ultimi vengono messi in modo da essere in contro fase in fase di

“riposo” e che quindi la loro somma dia 0.

La figura in seguito mostra un esempio di due segnali in contro fase: 10

Chiamiamo il segnale della bobina di riferimento V e quello della bobina di ricerca

a

V .

b

La prima condizione è che la somma dei segnali generati dalle bobine debba

essere 0 e quindi : V + V = 0.

a b

Se però alla bobina di ricerca gli si avvicina un metallo è facilmente intuibile come

cambiando il segnale V cambi anche la fase e quindi la somma dei due non darà

b

più 0: V + V ≠ 0.

a b

Quella differenza di fase tra le due sarà ciò che otteniamo in uscita del transistor

Q3.

L’AMPLIFICAZIONE A CASCATA

All’uscita del transistor troviamo un segnale con ampiezza picco-picco bassa ma

per avere la differenza di potenziale in uscita del circuito abbiamo bisogno della

stessa tensione ai capi della resistenza da 1KΩ, ed è per questo che il segnale

verrà amplificato 3 volte in modo che raggiunga la stessa tensione

dell’alimentazione: questo perché ai capi della resistenza da 1KΩ abbiamo bisogno

di ottenere una d.d.p. uguale a 0 in modo che in uscita non ci sia nulla fino alla

rilevazione del metallo. Quando il metallo viene rilevato la tensione (detta Vx) sul

nodo tra il collettore del transistor e la giunzione del resistore (ovvero il nostro

segnale in uscita del transistor Q3) diminuisce a seconda della distanza del metallo

e della quantità. Avremmo quindi una d.d.p. diversa da 0 questo per la relazione:

alim−¿ V x

u=¿ V ¿

V ¿

Dove Vu è la differenza di potenziale ai capi del resistore.

LA VERIFICA DEL FUNZIONAMENTO

Per verificare il funzionamento del nostro dispositivo basta collegare in parallelo

alla resistenza da 1KΩ un altoparlante che resterà quindi OFF(non genera suono

udibile) quando il sistema è a riposo, mentre andrà ON quando la bobina di ricerca

avrà nelle vicinanze un metallo. Si è notato che tenendo l’altoparlante collegato

all’uscita assieme al cavo che comunica con il PLC, il segnale era molto più debole

(in termini di valori di differenza di potenziale ai capi).

Si è deciso così di scollegare l’altoparlante con un semplice pulsante dopo aver

regolato le bobine. Inoltre dato che il segnale udibile generato dall’altoparlante non

ci soddisfaceva, abbiamo deciso di crearne uno separato dal metal detector che

rispecchiava meglio le caratteristiche di un allarme sonoro aziendale. 11

IL MONTAGGIO DEL SENSORE

Dopo aver ideato lo schema elettrico ed aver costruito le bobine, abbiamo

collaudato il tutto su breadboard come è possibile vedere nella seguente immagine:

Dopo averne testato il funzionamento è iniziata la realizzazione a computer del

circuito stampato, partendo dal programma per realizzazioni di schemi elettrici

“CAPTURE” dove è stato realizzato lo schema elettrico, per poi poterlo associare

ad un altro programma “LAYOUT” (Entrambi programmi dell’insieme ORCAD),

programma che permette la realizzazione dei circuiti stampati in base alla

componentistica, lo spazio disponibile e i valori di correnti che vengono utilizzati.

L’immagine seguente è il risultato del nostro stampato su layout: 12

Da questo schema è stato possibile creare il lato rame da stampare su lucido da

dare all’apposita azienda che si occupa di costruzione di circuiti stampati, in seguito

la figura del lato rame ottenuto dallo schema:

Abbiamo quindi fatto stampare la scheda, l’abbiamo forata e saldato sopra i

componenti, per ottenere infine il nostro prototipo di metal detector: 13

CAPITOLO 2 14

IL CONTROLLORE LOGICO PROGRAMMABILE (PLC)

 un computer industriale specializzato nella gestione dei processi industriali. Il

È

PLC elabora i segnali digitali ed analogici provenienti da sensori e produce,

attraverso l’esecuzione di un algoritmo di controllo, quelli diretti agli attuatori

 Questa apparecchiatura elettronica è costituita internamente da un

microprocessore e viene ampiamente utilizzata per la sua ottima capacità di

gestire segnali analogico/digitali e soprattutto per il buon funzionamento in

ambienti industriali, dove vi sono presenti numerosi fattori inquinanti come

temperature elevate,shock meccanici e disturbi elettromagnetici che spesso

interferiscono con il funzionamento delle strumentazioni elettroniche

 Nel mercato sono reperibili varie taglie di PLC a partire da modelli che

gestiscono 10 segnali digitali fino ad arrivare a modelli da oltre 10.000 Ingressi /

Uscite. FUNZIONAMENTO

La prima operazione che il PLC compie durante un ciclo di funzionamento è la

lettura degli ingressi: sia digitali che analogici.

Le istruzioni di comando (presenti nel programma utente inserito in memoria)

vengono elaborate in sequenza dalla CPU e il risultato viene memorizzato nel

registro delle uscite. Infine, il contenuto del registro viene trasferito nelle uscite

fisiche

TIPOLOGIA DI PLC UTILIZZATA

Il modello di PLC prodotto dalla Siemens che viene utilizzato è di tipo “S7-300” ed il

software da noi impiegato per scrivere il programma utente è chiamato Simatic

Manager Step7 STRUTTURA INTERNA

ALIMENTATORE 15

L'alimentatore è un apparato necessario per il funzionamento dei PLC. Esso

fornisce una tensione elettrica a tutti i moduli a 24V in continua.

CPU

La CPU è il cervello del PLC. È una scheda complessa basata su una logica

programmabile con funzionalità di memorizzazione e accesso ad I/O, e con una

zona di memoria a disposizione del programma utente, cioè del programma di

automazione.

La CPU durante il funzionamento a regime, comunica con tutti i moduli

trasferendo dati e comandi da e verso il mondo esterno (input e output).

MODULI DI INGRESSO E USCITA DIGITALI

I moduli di ingresso digitali sono utilizzati per il controllo di grandezze digitali, cioè

di tensioni a due valori come ad esempio 0 V o 24 V

I moduli di uscita digitali sono utilizzati per i comandi di attuatori. Ad esempio per

eccitare un relè.

MODULI DI INGRESSO E USCITA ANALOGICI

Questo tipo di moduli di ingresso permette il controllo di grandezze elettriche il cui

valore può variare in modo continuo entro un intervallo. Le grandezze in gioco sono

in tensione o in corrente.

I moduli di uscita analogici permettono di controllare degli attuatori variabili.

VISUALIZZAZIONE E CONTROLLO DELLE VARIABILI DI INGRESSO/USCITA

Prima di iniziare a programmare bisogna dichiarare tutte le variabili di

ingresso/uscita che il PLC deve utilizzare. Durante la programmazione se è

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richiesto l’uso di specifici blocchi speciali che consentono di accedere a

determinate funzioni, bisogna anch’essi dichiararli nella tabella dei simboli.