Tesina tritarifiuti (5 MByte)

TESINA ANNO SCOLASTICO 2006/2007
A cura di:
Bertolani CarloAlberto
D’Anna Gianvito
Di Chiara Daniele
Filippini Marco
Gibellini Gabriele
Zecchi Manuel
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INDICE
I. Abstract………………………………………………………………………………..pag. 4
• Inglese...................................................................................................pag. 4
• Italiano………………………………………………………………………..pag. 4
II. Introduzione…………………………………………………………………………..pag. 5
• Accettazione…………………………………………………………………pag. 5
• Lavorazione………………………………………………………………….pag. 7
• smistamento…………………………………………………………………pag. 7
III. Componentistica…………………………………………………………………….pag. 8
• DLC:………………………………………………………………………….pag. 8
a. sistema operativo…………………………………………………pag. 9
b. funzionamento…………………………………………………….pag. 9
c. locazioni di memoria e flags di sistema………………………...pag. 11
d. tastiera pannello operativo……………………………………….pag. 12
e. timers……………………………………………………………….pag. 12
f. counters (contatori)……………………………………………….pag. 12
g. ingressi e uscite analogiche……………………………………...pag. 13
h. comunicazione con dispositivi esterni…………………………..pag. 13
i. programmazione, linguaggio ladder (a contatti)……………….pag. 14
j. indirizzi input ed output…………………………………………...pag. 22
• Attuatori:……………………………………………………………………...pag. 23
a. Inverter……………………………………………………………..pag. 23
b. freno elettromagnetico……………………………………………pag. 27
c. freno veloce………………………………………………………..pag. 27
d. motori 24 Volt D.C………………………………………………...pag. 28
e. 2 Motore da 12 Volt D.C………………………………………….pag. 28
• Sensori:………………………………………………………………………pag. 28
a. Generalità………………………………………………………….pag. 28
b. Induttivi……………………………………………………………..pag. 31
c. Capacitivi…………………………………………………………..pag. 34
d. Ultrasonici………………………………………………………….pag. 36
e. disco encoder con fotoelettrico a fibra ottica…………………..pag. 38
f. cella di carico……………………………………………………...pag. 41
• PIC con interfaccia………………………………………………………….pag. 42
a. Generalità e caratteristiche………………………………………pag. 42
b. Programmazione del PIC………………………………………...pag. 45
c. scheda pesatura…………………………………………………..pag. 48
1. INA118……………………………………………………….pag. 49
2. LM78L12 e LM79L12……………………………………….pag. 49
3. LM336………………………………………………………..pag. 50
4. LF351………………………………………………………...pag. 51
5. jumper………………………………………………………..pag. 51
6. diodi…………………………………………………………..pag. 51
7. schema elettrico…………………………………………….pag. 52
• Circuiti aggiuntivi:…………………………………………………………...pag. 53
a. inversione e arresto del motore 12 Volt selezionatore………..pag. 53
b. inversione rotazione motore scivolo…………………………….pag. 54
c. adattatore segnale DLC/inverter………………………………...pag. 55
d. alimentazione 5 Volt motore pettine...…………………………..pag. 55
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e. adattatore segnale PIC con ingresso DLC……………………..pag. 56
IV. Conclusioni…………………………………………………………………….……..pag. 57
V. Ringraziamenti……………………………………………………………………….pag. 57
VI. Bibliografia……………………………………………………………………………pag. 58
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ABSTRACT
We can subdivide the works of our machine (shunt and erase the refusal’s objects) in three
phase :
• the acceptance has the more complex function: recognize the different kind
of material and weight of the refusal through software, and put the garbage
which comes from the working in a refuse (or work) channel;
• the working includes the job of the motor and how the motor destroy the
refusal with the help of a comb that pushes the object on the blades;
• the phase of shunting consist of :
1. shunt the garbage in the appropriate containers;
2. tell at the PLC when the containers are full.
TRADUZIONE IN INGLESE DELL’ ABSTRACT
Possiamo suddividere il lavoro della nostra macchina (eliminazione e selezione degli
oggetti di rifiuto) in tre fasi:
• l’ accettazione ha la più complessa funzione: riconoscere i differenti tipi di
materiale e peso dei rifiuti attraverso un programma, e mettere i rifiuti
derivanti dalla lavorazione in un canale di scarto ( o di lavoro);
• la lavorazione include il lavoro del motore e come il motore distrugge i rifiuti
con l’ aiuto di un pettine che spinge l’ oggetto sulle lame;
• la fase dello smistamento consiste:
1. smistare i rifiuti in appropriati bidoni;
2. dire al PLC quando i contenitori sono pieni.
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INTRODUZIONE
Accettazione
Figura 1: Blocco accettazione
In questa sezione la macchina “accetta” il rifiuto dall’utente in uno spazio apposito,
sostenuto dalla placca metallica montata sulla cella di carico. La placca metallica è
provvista di un sensore capacitivo il quale rileva qualsiasi oggetto posizionatosi sopra,
mentre sul selezionatore vi è un sensore induttivo schermato, che rileva solo i materiali
ferrosi.
Successivamente, i due sensori collegati opportunamente al DLC (Displayer Logic
Controller), informano la tipologia di rifiuto (lattina o bottiglia di plastica) inserita
nell’apposito spazio, mentre la cella di carico, tramite circuito, segnala se è stata superata
la soglia di peso, arbitrariamente imposta da noi corrispondente al materiale del rifiuto.
Dato che il peso specifico varia a seconda del materiale, abbiamo preventivamente
assegnato dei valori in grammi per cui, la lattina o la bottiglia di plastica non sono
considerate da scartare, poiché non contengono nulla al loro interno.
In seguito il DLC effettuerà via software la decisione di scarto o di lavorazione.
Nell’immagine è raffigurato il selezionatore blu nella posizione di riposo segnalata
dall’encoder ottico posto al di sopra. Se il rifiuto è considerato da scartare, il peso
dell’oggetto è maggiore di quello consentito, quindi il DLC azionerà il motore del
selezionatore che, tramite una cinghia di trasmissione, porterà l’oggetto nel canale di rifiuto
(verso sinistra).
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Il selezionatore, posizionatosi sul foro di scarto, consentirà
all’oggetto di cadere dentro al canale, il quale raggiungerà
direttamente il bidone degli scarti.
In questa posizione come in figura numero 2 a lato, il
selezionatore sarà rilevato da un sensore induttivo che
segnala la fine corsa e quindi si fermerà per un tempo di 3
secondi (arbitrariamente imposto dal programmatore), per dare
il tempo al rifiuto di cadere.
Successivamente il DLC azionerà il motore nel senso contrario
finché l’encoder ottico segnalerà la posizione di riposo, così il
motore si fermerà e sarà attivato un freno che arresta il
selezionatore.
Figura 2: selezionatore in fase di scarto
Figura 3: (sinistra) finecorsa induttivi per selezionatore; (destra) motore c.c. e freno elettromagnetico
Se l’oggetto è considerato da lavorare, il
selezionatore blu, eseguirà l’istruzione analoga a
quella degli scarti, con la differenza che il DLC
comanderà il motore di deviare il rifiuto nella parte
opposta (verso destra) vedi figura numero 4.
In contemporanea a questa istruzione, verranno
attivati anche i motori riguardanti il movimento
delle lame e il pettine.
ll rifiuto sarà lasciato cadere nel secondo blocco
della macchina: la lavorazione.
A questo punto, il selezionatore blu, potrà
ritornare nella posizione di “riposo” iniziale.
Figura 4: selezionatore in fase di
scarto
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Lavorazione
Figura 5: Blocco lavorazione
In questa fase, il rifiuto viene tritato dalle lame agganciate al motore trifase. Le lame che
eseguono l’operazione di tritamento sono dischi precari, i qua li ruotano per tagliare la
bottiglia o lattina. Per permettere la lavorazione è stato aggiunto un pettine che spinge il
materiale verso le lame connesso ad un motore alimentato a 24Volt con una bassa
velocità e alta potenza Per motivi di vibrazione sono stati applicati tra il motore e la base
degli spessori in gomma che fungono da ammortizzatori e un piano in ferro per rinforzare il
piano in legno.
Il motore di cui disponiamo è di forma cilindrica, quindi l’abbiamo montato sulla piastra con
un supporto che lo tiene immobile .
Smistamento
Durante il procedimento di accettazione è stata anche decisa la destinazione del lavorato,
quindi quest’ultimo blocco orienta uno scivolo mobile tramite un motore 12 Volt CC
comandato dal DLC che devia i trucioli nell’apposito contenitore.
Vengono utilizzati 3 sensori induttivi non schermati che informano la posizione dello
scivolo, posizionati in corrispondenza dei tre bidoni. In aggiunta, sono stati installati dei
sensori ultrasonici che indicano, quando i bidoni non possono contenere più trucioli, poiché
sono pieni.
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COMPONENTISTICA
DLC
(Displayed Logic Controller)
Per la gestione e il controllo della nostra machina trita rifiuti abbiamo deciso di utilizzare un
DLC (Displayed Logic Controller) KERNEL VTP 402/R.
Un DLC è l’integrazione in un unico oggetto fra un PLC (Programmable Logic Controller)
ed un terminale operatore. Quest’ultimo è un oggetto costituito da una tastiera e da un
display sul quale posso essere visualizzate i messaggi di errori o qualsiasi altra cosa che
possa servire per colloquiare con l’operatore.
Questo consente di ottimizzare la realizzazione di un’automazione sia a livello di costi che
di semplicità di collegamenti fra l’apparecchiatura ed il mondo esterno.
Il terminale operatore ed il PLC sono perfettamente integrati in quanto condividono le
stesse risorse, ma al tempo stesso sono logicamente distinti in modo da consentire lo
sviluppo delle due parti (PLC e display)in modo indipendente.
Per la comunicazione tra il PLC e un terminale sono presenti diverse modalità di
connessione e quindi vi sono diverse architetture, come:
• Architettura punto a punto: collega un terminale ed un PLC;
• Architettura Local: collega un terminale ad uno o più strumenti di misura o
controllore di processo o inverter o altra apparecchiatura intelligente;
• Architettura Master: collega un terminale ad un PLC;
• Architettura Multi-Port: per i terminali con due porte seriali consente diverse
combinazioni delle architetture precedenti.
Noi per la nostra macchina utilizziamo solo due di questi protocolli appena elencati,
l’architettura Local e quella Master. La prima viene utilizzata per pilotare un inverter che è
collegato ad un alimentatore monofase a 230V con una frequenza decisa da noi e
impostata sull’inverter. In questo caso il Master è il PLC mentre lo Slave è l’inverter. La
seconda viene utilizzata nella pratica solo una volta, quando programmiamo il PLC con un
computer portatile tramite seriale RS232. Il computer si comporta da Master e il PLC da
Slave. Il Master interroga in continuazione lo Slave dopo l’avvio della programmazione con
un protocollo adatto a scrivere nella locazioni di memoria dedicate per il salvataggio del
programma.
Nella tabella che segue verranno elencate le caratteristiche più importanti del DLC:
Tabella 1: Caratteristiche DLC VTP 402 (continua nella pagina succesiva)
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SISTEMA OPERATIVO
I DLC sono dotati di un sistema operativo, cioè di un insieme di programmi che si
occupano della gestione a basso livello de l hardware e dell’ interfaccia operatore e che
richiamano l’ applicazione scritta dall’utente. Il sistema operativo gestisce perciò le risorse
del sistema fornendo le opportune funzioni che consentono all’ applicazione di girare
correttamente. Il processore utilizzato nei DLC ha una memoria di 128 Kbytes, 64 dei quali
(per la precisione i primi) sono utilizzati dal sistema operativo. Quest’ultimo è suddiviso in
due parti :
• boot loader (3Kbytes) ed è fisso e non è soggetto ad aggiornamenti, inoltre non è
modificabile senza l’apposita scheda KS 251 e l’opportuna kit di cavi;
• sistema operativo che può essere soggetto a modifiche ed aggiornamenti per
migliorarne le funzionalità e per aggiungere nuove funzioni.
All’atto dell’accensione il boot loader controlla che il sistema operativo sia effettivamente
presente; in caso ci fosse lancia il sistema operativo che prende il controllo del DLC e
lancia successivamente l’applicazione utente. In caso di assenza del sistema operativo il
display non visualizza nulla ed il beeper presente nel sistema emette continuamente due
brevi suoni seguiti da una pausa ; in tal caso è possibile caricare una nuova versione del
sistema operativo per mezzo del solo cavo seriale di connessione fra DLC e Computer,
cavo utilizzato anche per la connessione.
Al momento della compilazione di un applicazione questa viene linkata con le funzioni del
sistema operativo : è assolutamente indispensabile che la versione del sistema operativo
residente sul DLC e quella sul PC di sviluppo siano allineate, altrimenti l’ applicazione non
può funzionare correttamente.Una situazione di non allineamento viene comunque
segnalata dal messaggio SYSTEM MISMATCH all’ accensione del DLC.
FUNZIONAMENTO
L’ applicazione su un DLC si sviluppa in due parti:
• una relativa all’ interfaccia operatore, con il programma grafico FLASH;
• l’altro relativa al ciclo PLC, che può essere sviluppato in lista istruzioni con un
qualsiasi editor ASCII (notepad, wordpad, etc) oppure in linguaggio ladder (come
nel nostro caso specifico).
Noi utilizziamo come linguaggio di programmazione il LADDER con il programma Flash.
Una volta compilata e caricata l’ applicazione gira sul DLC sotto il controllo del sistema
operativo. Il ciclo PLC viene richiamato da una funzione di interrupt ogni 2.0 millisecondi
(ms) (valore modificabile in fase di definizione del progetto);in questo intervallo di tempo
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devono essere eseguite tutte le istruzioni del programma , ciascuna delle quali dura
tipicamente 0.5 microsecondi (µs).
Il PLC ha un funzionamento ciclico di tipo sequenziale; è in grado di eseguire le funzioni
programmate con ripetitività, da quando viene
alimentato e messo in stato di RUN fino a quando o
lo si porta in stato di STOP e si toglie alimentazione
oppure si presentino condizioni che generino
situazioni di guasto o di errore.
Il ciclo di un intero programma è denominato ciclo di
scansione, mentre il tempo impiegato a compierlo si
chiama tempo di scansione.
Non tutti i tipi di PLC utilizzano lo stesso tipo ti
scansionamento, perché ve ne sono di 3 tipi:
• sincrona di ingresso e di uscita : questo tipo
di scansionamento è caratterizzato dalla
lettura da parte della CPU con una gerarchia
data dagli indirizzi dello stato di tutti gli
ingressi presenti, successivamente lo stato Figura 6: scansione sincrona in
ingresso e uscita
logico viene memorizzato all’interno di un
registro dedicato, denominato registro
immagine degli ingressi. Segue poi
l’elaborazione del programma da parte della
CPU; durante questa fase gli stati delle uscite
che man mano si determinano sono assegnati
al registro immagine delle uscite, senza che
siano inoltrati ai moduli di output. Soltanto
dopo
l’esecuzione
completa
dell’ultima
istruzione del programma tutte le uscite
vengono effettivamente aggiornate, in modo
sequenziale con la gerarchia degli indirizzi. Se
durante lo svolgimento del ciclo appena
descritto si verifica una variazione degli
ingressi, è quasi certo che questa non potrà
essere rilevata che all’inizio di una nuova
scansione. Fare riferimento anche alla figura
numero 6.
• sincrona di ingresso e asincrona di uscita:
anche questo tipo di ciclo di scansionamento è
caratterizzato dalla lettura di tutti gli input
all’inizio della scansione. Le uscite vengono
invece trasmesse all’esterno via via che
maturano i risultati durante lo svolgimento del
programma: ogni uscita viene perciò attivata
nel momento in cui è stata elaborata la
funzione
logica
ad
essa
assegnata.
Figura 7: scansione sincrona di
ingressi e asincrona di uscita
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Con questo tipo di scansione si ha un aggiornamento delle uscite più rapido di
quello che consente il ciclo precedente. Guardare la figura numero 7 nella pagina
precedente.
• asincrona di ingresso e di uscita: questo
terzo tipo di scansione è particolarmente
attento a eventuali modifiche degli ingressi,
cioè se un bit del registro immagine delle
uscite
viene
modificato
durante
l’elaborazione, si ha un immediato invio
dello stato logico risultate al modulo di
output
corrispondente.
Fare riferimento alla figura numero 8
presente a lato.
Il tempo di risposta, ovvero il tempo che passa tra
la variazione degli ingressi e la corrispondente
variazione delle uscite, è quindi di solito sempre
superiore al tempo di scansione. L’inconveniente
non si dimostra particolarmente grave per molte
applicazioni, dato l’ordine di grandezza molto
piccolo di questo tempo; è infatti di solito
compreso tra 5 e 45 ms. a seconda della quantità
di istruzioni contenute nel programma e del tipo di
CPU.
Il nostro PLC (DLC) esegue una scansione di tipo
sincrona di ingressi e uscite. Questo tipo come
descritto prima è lento e se cambiano gli ingressi
non se ne accorge, ma dato che nel nostro caso
non sono necessarie velocità elevate possiamo
considerarci soddisfatti.
All’accensione del DLC viene eseguita, per una
Figura 8: scansione asincrona di ingressi
sola volta, una funzione di inizializzazione e di uscite
(INITIALIZE); tale funzione, che può essere vuota
, deve contenere tutte le inizializzazioni delle varie funzioni speciali eventualmente
utilizzate nel programma principale. Durante il normale ciclo di funzionamento il sistema
operativo si occupa, fra l’a ltro, della gestione del pannello operatore.
Pannello e PLC condividono la stessa area variabile, per cui, per esempio, il contenuto
della locazione DATA_100 è sia visualizzabile/modificabile dal pannello che dal PLC : se il
PLC inserisce il valore 1234 in DATA_100 il pannello lo visualizza e, viceversa, se un
operatore inserisce un nuovo valore questo è immediatamente disponibile a livello PLC.
Tutte le risorse del DLC (timers, counters, analogica, flag di sistema) sono gestite dal
sistema operativo nel modo opportuno (alcune ad interrupt, altre in background), e rese
disponibili alla applicazione nel linguaggio PLC.
LOCAZIONI DI MEMORIA E FLAGS DI SISTEMA
Il PLC dispone di 1024 locazioni di memoria interne a 16 bit (word) denominate DATA.
Queste locazioni sono destinate a contenere le variabili del programma in esecuzione e
sono nominate da DATA_00 a DATA_1023; tali locazioni sono visibili e condivise sia dal
lato PLC che dal lato terminale e possono pertanto essere lette e scritte da entrambi.
Nel DLC sono definiti diversi flags di sistema per rendere disponibili informazioni relative
allo stato e per abilitare/disabilitare alcune risorse interne.
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TASTIERA PANNELLO OPERATIVO
La tastiera del pannello operatore può essere utilizzata per
effettuare diverse operazioni e può essere gestita in tre modi
diversi: ogni tasto può richiamare una macro, venir appoggiato su
una data memory ed inoltre può essere visto come un ingresso da
un’istruzione di caricamento. Le locazioni di memoria sono
denominate KEY numerate da 01 a 21 come si vede nella tabella
di fianco numero 2.
Tabella 2: locazioni di memoria corrispondenti ai tasti sul DLC
TIMERS
Il DLC dispone di 32 timers a 16 bit per la implementazione di ritardi su ingressi o eventi in
generale, numerati da TIM_00 a TIM_31 e con una risoluzione di 1/100 secondi. Ciascun
timer può essere programmato con ritardo all’eccitazione o alla diseccitazione, con una
relazione ingresso uscita come descritta in figura numero 9:
Figura 9: rappresentazione grafica nell’andamento del tempo dei timer
oltre ai timer normali, possiede anche 8 timer veloci a 16 bit free running (in continuazione)
con un periodo di 1 ms, ciascuno dei quali può essere abilitato e disabilitato in tempo reale
per mezzo del suo flag di abilitazione.
COUNTERS (contatori)
Il DLC dispone di 32 contatori a 16 bit per l’implementazione di conteggi su eventi; essi
possono essere programmati a funzionare a incremento e decremento. Ogni contatore ha
due ingressi ed un’uscita: un ingresso è il segnale di conteggio, l’altro il segnale di reset
che inizializza il contatore, mentre l’uscita viene attivata, quando il conteggio raggiunge lo
zero, con una relazione ingresso uscita descritta in figura numero 10:
Figura 10: rappresentazione grafica del conteggio
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Nel nostro programma non è stato utilizzato per motivi di tempo per la programmazione,
altrimenti si poteva utilizzare quante lattine, bottiglie o scarto venivano inserite nella
macchina.
INGRESSI E USCITE ANALOGICHE
Il DLC è dotato di 4 ingressi analogici a 10 bit (numero di
combinazioni 210 = 1024 [0..1023]) a 0..10V. per utilizzare
tali ingressi è necessario attivare il flag di sistema SYS_19;
a questo punto il valore letto dal convertitore a 10 bit è
disponibile sui DATA_1020…1023. Guardare tabella
numero 3 a lato.
Tabella 3: locazioni di memoria
input analogici
QUANTOinput analogico =
Vmax
10
= 9,76 mV
=
= 0,009765 V
bit
bit
numBIT 1024
Inoltre dispone di 2 uscite analogiche a 8 bit (numero di
combinazioni 28 = 256 [0..255]) sempre a 0..10V. per
impostare un valore analogico in uscita è necessario nel
data memory corrispondente, fare riferimento alla tabella
numero 4.
QUANTOoutput analogico =
Tabella 4: locazioni di memoria
output analogici
Vmax
10
= 39,06 mV
=
= 0,03906 V
bit
bit
numBIT 256
In totale gli ingressi sono 14, tutti PNP e le uscite sono 10 di tipo a relè 24 V 3 A.
Nelle esigenze di utilizzo nel nostro del DLC non sfruttiamo mai a pieno le capacità del
DLC, cioè non utilizziamo funzioni o parti hardware del DLC come:
• i contatori;
• la EEPROM esterna: memoria di tipo non volatile ed è solitamente usata per
memorizzare dati permanenti, come parametri macchina, cicli di lavorazione e
ricette di produzione; la capacità di memoria è di 16 Kbytes;
• l’orologio interno: è tampinato con batteria che rimane aggiornato anche a terminale
spento;
• la gestione ricette;
• la gestione motori passo - passo;
• le camme elettroniche;
• il generatore PWM;
• la lettura encoder;
• il regolatore P.I.D (Proporzionale Integrativo Derivativo);
• i timer veloci;
COMUNICAZIONE CON DISPOSITIVI ESTERNI
E’ possibile collegare un DLC con altri dispositivi esterni dotati di linea seriale per
scambiare comandi e parametri.La comunicazione avviene sempre attivando alcuni flag di
sistema e appoggiando le variabili su alcuni DATA memory.
Sono possibili due operazioni durante la fase di comunicazione:
• LETTURA, può essere singola o a blocchi;
• SCRITTURA, può essere solo singola.
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La comunicazione avviene sempre secondo il protocollo selezionato in fase di creazione
del progetto; il DLC si comporta in questo caso da master, ed è pertanto possibile
collegare più dispositivi slave in una rete master/slave, ciascuno con il suo indirizzo di
nodo.
La comunicazione avviene in background (contemporaneamente), senza rallentare il ciclo
del PLC e viene sincronizzata per mezzo dei flag di sistema.
PROGRAMMAZIONE, LINGUAGGIO LADDER (A CONTATTI)
Questa modalità di programmazione è completamente grafica con il programma FLASH e
viene selezionata all’apertura di un nuovo progetto e consente un’agevole scrittura e
comprensione del programma utente del DLC. Quando si crea un nuovo progetto bisogna
inserire il nome
del
progetto,
selezionare
il
modello
del
terminale che si
desidera e attivare
la voce Ladder.
Fare
riferimento
alle
2
figure
laterali numero 11
e 12.
Figura 11: nuovo progetto, selezione terminale
Figura 12: nuovo progetto, attivare voce Ladder
Nell’immagine successiva numero 13 vi è raffigurata la finestra dopo aver dato l’OK ed è
possibile impostare tutte le opzioni del progetto in corso, che verranno scaricate nel DLC
insieme alle pagine e all’applicazione. Alcune delle opzioni sono proprie dei terminali e
vengono mantenute nei dlc, anche se nella maggior parte delle applicazioni non usate,
esse riguardano infatti solo gli impianti in cui il DLC è collegato anche ad altri dispositivi
per i quali funziona come pannello operatore.
Figura 13: impostazioni del DLC
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Dopo aver aperto il progetto, aprire la finestra in cui verrà fatta
Figura 14
la programmazione in Ladder cliccando sull’icon apparsa in alto
al centro come in figura numero 14.
Nella figura successiva numero 15 è rappresentata la finestra di programmazione.
Sottostante vi è la tabella numero 5 in cui sono riportati i pulsati e il loro relativo significato.
Figura 15: finestra programmazione Ladder
Tabella 5: pulsanti e significati
In un programma in ladder devono necessariamente essere presenti il ciclo principale ed
una funzione di inizializzazione che è eseguita una volta sola all' accensione.
Pertanto un programma deve essere strutturato come nella figura seguente: la istruzione
di END chiude il programma principale, la istruzione di SBR inizia la funzione di
inizia lizzazione e la istruzione ENDSBR la termina.
Figura 16: programma minimo necessario
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Quando si posizionano i contatti all’interno del programma si possono selezionare quattro
tipi diversi di interruttori:
• Normale: funziona normalmente cioè è attivato o disattivato in
corrispondenza dell’attivazione e disattivazione del indirizzo cui è
associato;
•
Negato: funziona uguale a quello normale, solo che all’attivazione
dell’indirizzo corrisponde alla disattivazione dell’interruttore, così anche
per la disattivazione dell’indirizzo corrisponde all’attivazione del contatto
associato;
•
Fronte di salita: si attiva per pochissimo tempo, solo durane la
commutazione
dal
live llo
basso
a
quello
alto
(RISE);
•
Fronte di discesa: si attiva per pochissimo tempo, solo durane la
commutazione da livello alto a quello basso (FALL).
Dopo aver selezionato il tipo di contatto inserire l’indirizzo che si desidera associare ed
eventualmente commenta per una più veloce comprensione.
Per posizionare un timer, un contatore o una funzione particolare, cliccare sull’icona
corrispondente e selezionare la voce desiderata.
Un programma in linguaggio ladder è composto da diversi network; ogni network può
essere composta da un solo blocco di contatti.
Nella finestra principale del programma Flash dopo aver creato il progetto, appaiono
quattro finestrelle come si vede in figura numero 17 e sono:
• La finestra display in cui è possibile inserire i testi fissi di ciascuna pagina;
• La finestra allarmi ne lla quale sono inseriti i testi degli allarmi;
• La finestra dei tasti in cui è possibile gestire le macro associate ai tasti ed al cambio
pagina;
• La finestra riassuntiva delle variabili nella quale sono elencate le variabili presenti
nella pagina corrente.
Figura 17: finestra principale programma FLASH
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Di seguito saranno raffigurate e commentate i vari network del programma fatto da noi.
Network 0000 – Ciclo principale.
Questo come detto precedentemente è il programma minimo per il funzionamento del
DLC. L’ istruzione di END chiude il programma principale, l’istruzione di SBR inizia la
funzione di inizializzazione e l’istruzione ENDSBR la termina.
Network 0001 – Motore dell'accettatore verso destra.
Il motore del selezionatore gira verso destra solo quando o:
• Il sensore capacito è attivo e la cella di carico non rileva il superamento della soglia;
• Il FLAG_01 è sul fronte di discesa (cioè il TIMER 1 si è azzerato);
• Il FLAG_05 è attivo (memorizza lo stato del motore nelle network successive), la
barriera di protezione non rileva niente e quando il FLAG_09 è attivo (memorizza lo
stato del tasto F1).
Il motore del selezionatore si ferma di girare quando o:
• La fibra ottica è sul fronte positivo cioè è nella posizione di riposo;
• Il FLAG_00 è sul fronte di discesa (cioè il TIMER 0 si è azzerato);
• La barriera è attiva.
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Network 0002 – Timer 0 (motore accettatore verso destra).
Il Timer scatta, quando il fine corsa destro è sul fronte di discesa e viene memorizzato nel
FLAG_00. Durata timer 300ms.
Network 0003 – Timer 1 (motore accettatore verso sinistra).
Il Timer scatta, quando il fine corsa sinistro è sul fronte di discesa e viene memorizzato nel
FLAG_01. Durata timer 300ms.
Network 0004 – Frenatura veloce
L’uscita viene settata alta quando o:
• Il capacitivo è attivo;
• Il FLAG_00 è sul fronte di discesa (cioè il TIMER 0 si è azzerato);
• Il FLAG_01 è sul fronte di discesa (cioè il TIMER 1 si è azzerato);
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Network 0005 –Motore dell’accettatore verso sinistra.
L’uscita viene portata allo stato 1 quando o:
• Il capacitivo è attivo e la cella di carico non rileva il superamento della soglia;
• Il FLAG_00 è sul fronte di discesa (cioè il TIMER 0 si è azzerato);
• Il FLAG_05 è sul fronte di discesa (memorizza lo stato del motore nelle network
successive), la barriera non è attiva e quando il FLAG_09 è attivo (memorizza lo
stato del tasto F1).
L’uscita viene portata allo stato 0 quando o:
• Sul fronte di salita della fibra ottica;
• Sul fronte di discesa del FLAG_01 (cioè il TIMER 1 si è azzerato);
• Il sensore a barriera non rileva nulla.
Network 0006 – Frenatura elettromagnetica
Si setta quando:
• La fibra ottica è sul fronte di salita.
Sì resetta quando:
• Il capacitivo rileva qualcosa.
Network 0007 – Motore lame rotanti:
Viene attivato quando o:
• Il fine corsa destro è sul fronte di discesa;
• Il FLAG_08 è attivo (memorizza lo stato del motore nelle network successive), la
barriera non rileva nulla e quando il FLAG_09 è attivo (memorizza lo stato del tasto
F1).
Network 0008 – Timer 2 (ritardo pettine)
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Il timer inizia la temporizzazione, quando vi è il fronte di salita del freno elettromagnetico e
viene memorizzato nel FLAG_02.
Network 0009 – Motore pettine
Inizia a muoversi quando o:
• Il FLAG_02 è sul fronte di discesa (cioè il TIMER 1 si è azzerato);
• Il FLAG_07 è attivo (memorizza lo stato del motore nelle network successive), la
barriera non rileva nulla e il FLAG_09 (memorizza lo stato del tasto F1).
Network 0010 –Timer 3 (lavorazione)
Il timer inizia la temporizzazione, quando vi è il fronte di salita del motore pettine e viene
memorizzato nel FLAG_03
Network 0011 – Motore smistamento lavorato verso destra (Lattine )
Funziona, quando sono attivi sia l’induttivo, sia che il motore del selezionatore che
l’induttivo posto sotto per rilevare che il motore arrivi a posizionarsi nel posto giusto.
Network 0012 – Motore smistamento lavorato verso sinistra (Plastica)
Funziona, quando sono attivi sia il motore del selezionatore verso destra che l’induttivo,
l’induttivo posto sotto per rilevare che il motore arrivi a posizionarsi nel posto giusto deve
essere inattivo.
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Network 0013 – Memorizzazione degli stati delle operazioni
In questa network vengono memorizzate in vari flag di sistema tutte le operazioni del
motore del selezionatore, delle lame e del pettine.
Poi nell’ultima parte controlla che il pulsante F1 venga schiacciato per far ripartire la
macchina.
Network 0014 –LED e Allarme
In questo blocco, dopo che la macchina si è fermata perché qualcuno ha intersecato i
raggi della barriera lampeggia il LED con una frequenza di 1Hz. Viene settato alto il bit per
segnalazione di errore, mentre viene settato basso quando FLAG_09 è sul fronte di
discesa.
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Network 0015 –Ultrasonici sui Bidoni
Anche in questo blocco controlla se gli ultrasonici sono attivi. Se fosse attivo anche uno
solo dei tre, viene fermata la macchina e riparte dopo aver sostituito il bidone pieno con
uno vuoto e aver premuto F1.
Figura 18: DLC con visuale posteriore.
INPUT
Indirizzo
INP_00
INP_01
INP_02
INP_03
INP_04
INP_05
INP_06
INP_07
INP_08
INP_09
INP_10
INP_11
INP_12
INP_13
Commento
Tipologia
Sensore presenza Lattine
Induttivo schermato
Sensore fine corsa destro
Induttivo non schermato
Sensore fine corsa sinistro
Induttivo non schermato
Sensore presenza pezzo
Capacitivo schermato
Posizione accettatore
Fotoelettrico Fibra ottica
Sensore peso pezzo
Cella di Carico
Sensore sicurezza
Fotoelettrico Barriera ottica
Sensore bidone 1 pieno
Ultrasonico
Sensore bidone 2 pieno
Ultrasonico
Sensore bidone 3 pieno
Ultrasonico
Sensore bidone 4 pieno
Ultrasonico
Sensore posizione 1 scivolo
Induttivo schermato
Sensore posizione 2 scivolo
Induttivo schermato
Sensore posizione 3 scivolo
Induttivo schermato
Simbolo
Induttivo
Fine dx
Fine sx
Capacitivo
Fibra ottica
Cell load
Area sensor
Ultrasonico1
Ultrasonico2
Ultrasonico3
Ultrasonico4
Induttivo 5
Induttivo 6
Induttivo 7
Tabella 6: indirizzi degli input con commento, tipologia e simbolo (nome all’interno del programma)
OUTPUT
Indirizzo
Commento
OUT_00
Frenatura veloce
OUT_01
Motore accettatore sinistra
OUT_02
Motore accettatore destra
OUT_03 Frenatura con elettromagneti
OUT_04
Motore pettine
OUT_05 Motore scivolo senso orario
OUT_06 Motore scivolo senso antiorario
OUT_09
Motore lame rotanti
T ipologia
Relè 24Volt
Motore elettrico DC
Motore elettrico DC
2 Elettromagneti
Motore elettrico DC
Motore elettrico DC
Motore elettrico DC
Motore elettrico AC
Simbolo
Frena veloce
Mot acc sx
Mot acc dx
Elettromagne
Mot pettine
Mot scivo dx
Mot scivo sx
Mot lame
Tabella 7: indirizzi degli output con commento, tipologia e simbolo (nome all’interno del programma)
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FLAG
Nome
Flag 0
Flag 1
Flag 2
Flag 3
Flag 4
Flag 5
Flag 6
Flag 7
Flag 8
Flag 9
Commento
Utilizzo
Memoria temporanea
Timer 0
Memoria temporanea
Timer 1
Memoria temporanea
Timer 2
Memoria temporanea
Timer 3
Memoria temporanea
Stato Barriera
Memoria temporanea Stato Motore accettatore sinistra
Memoria temporanea Stato Motore accettatore destra
Memoria temporanea
Stato Motore pettine
Memoria temporanea
Stato Motore lame
Memoria temporanea
Stato Continua lavorazione
Simbolo
Timer 0
Timer 1
Timer 2
Timer 3
Stato barri
Stato acc sx
Stato acc dx
Stato pettine
Stato lame
Stato contin
Tabella 8: Flag utilizzati con commento, utilizzo e simbolo (nome all’interno del programma)
TIMER
Nome Durata
Commento
Utilizzo
Simbolo
Timer 0 300
Tempo attivazione motore accettatore destra Motore accettatore destra T mot acc dx
Timer 1 300 Tempo attivazione motore accettatore sinistra Motore accettatore sinistra T mot acc sx
Timer 2 100
Tempo di ritardo azionamento motore pettine
Ritardo pettine
Rit pettine
Timer 3 500
Tempo di lavorazione del rifiuto
Lavorazione
Lavorazione
Tabella 9: Timer utilizzati con durata, commento, utilizzo, simbolo (nome all’interno del programma)
ATTUATORI
Gli attuatori sono trasduttori, cioè parti fisiche mobili della macchina, che comandate da
un’unità di controllo elettronico, attraverso un segnale in input, nel nostro caso il DLC,
agiscono per svolgere determinate azioni, come un movimento fisico.
Nel nostro progetto gli attuatori sono 6. Il numero di questi è inferiore al numero di uscite
utilizzate del PLC (8), perché per due motori, più precisamente quello dello scivolo e
dell’accettatore, si utilizzano 2 uscite cadauno per invertire il verso di marcia grazie ad un
circuito stampato con relè.
Gli attuatori sono:
• L’inverter, collegato a un motore monofase a 230 Volt con frequenza prestabilita su
di esso;
• Il freno con 2 elettromagneti;
• Il freno veloce che cortocircuita gli avvolgimenti del motore dell’accettatore per
rallentarlo;
• Il motore a 24 Volt con bassa velocità ma ottima potenza viene collegato al pettine
che schiaccia il pezzo da lavorare verso le lame;
• Il motore a 12 Volt che fa girare lo scivolo per lo smistamento del lavorato nei bidoni
predisposti;
• Il motore a 24 Volt viene utilizzato a 12 Volt, esso fa girare l’accettatore per lo
smistamento del pezzo inserito nella macchina.
L’INVERTER
L’ inverter è un dispositivo elettronico in grado di convertire una corrente alternata a una
certa frequenza in un'altra corrente con frequenza diversa o anche continua.
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Di seguito verrà raffigurato e illustrato un esempio di inverter:
Figura 19: connessioni esterne al DLC
Nell’immagine è raffigurato un inverter alimentato con una trifase (L1, L2, L3) a 400 Volt e
pilota un motore trifase decidendo anche il verso di rotazione a seconda se gli ingressi FW
e RW sono attivi.
Tra le linee di alimentazione e l’inverter vi sono stati messi dei particolari interruttori dotati
di fusibili per protezione del dispositivo. Successivamente, seguendo le connessioni tra i
cavi che portano alla destra dell’immagine possiamo vedere
un trasformatore in mezzo a due fusibili per ridurre la
tensione ai capi dei pulsanti presenti nel circuito di
autoritenuta. Questo è stato messo al posto di un normale
interruttore perché in caso di improvvisa mancanza di
tensione generale la macchina si ferma (in tutti e i due i
casi).Quando la tensione viene ripristinata se ci fosse un
interruttore partirebbe subito il motore a cui è collegato,
mentre con questo particolare circuito bisogna riattivarlo
manualmente. Il circuito di autoritenuta è stato
appositamente inserito per la sicurezza dell’uomo che si
trova nei pressi della macchina o su di essa per
manutenzione.
Funzionamento circuito di auto ritenuta:
Quando gli interruttori dotati di fusibile, denominati Q, sono
chiusi si chiude il rispettivo omonimo presente nel circuito di
autoritenuta, questo fa passare corrente nel resto del
circuito.
Tra l’interruttore Q (in alto nel circuito di autoritenuta) e la
bobina K del circuito vi sono altri quattro contatti:
Figura 20: circuito di
autoritenuta
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Uno è un relè termico (RT) normalmente chiuso che in caso di sovratemperatura si
apre e disconnette l’alimentazione;
• Uno è un pulsante (E superiore) normalmente chiuso che funge da STOP, cioè se
premuto, apre il circuito non facendo passare la corrente e quindi fa diseccitare la
bobina K aprendo i contatti relativi;
• Uno è un pulsante (E inferiore) normalmente aperto che funge da START cioè,
quando vi è tensione e viene premuto fa passare corrente che eccita la bobina K
che chiude i sui relativi contatti;
• L’ultimo è K (posizionato di fianco allo start) che fa parte dei contatti de lla bobina;
questo serve perché quando viene premuto lo start che fa eccitare e chiudere i
contatti di K anche se si rilascia il pulsante E il circuito continua a funzionare perché
baipassa il pulsante.
Nel caso in cui l’inverter fosse alimentato, stesse facendo girare il motore trifase e venisse
a mancare la tensione generale la bobina K di diseccita facendo aprire i suoi contatti.
Successivamente quando verrà riattivata la tensione generale l’inverter non sarà
alimentato fino a quando non si darà di nuovo lo START manualmente.
Proseguendo con la spiegazione dell’immagine numero 19 possiamo vedere che
connesse all’inverter due interruttori che a seconda dei quali è schiacciato decide in che
verso deve girare il motore.
Tra l’inverter e il motore trifase è montato un relè termico per protezione contro le
sovratemperatura.
•
Figura 21: schema a blocchi interno del DLC
L’immagine numero 21 viene raffigura lo schema interno del blocco denominato ALTIVAR
5 (TELEMECANIQUE) dell’immagine numero 19
L’immagine è divisa in 15 blocchi:
1) Ci sono dei diodi raddrizzatori che trasformano la tensione sinusoidale in tensione
continua con una variazione di ripple;
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2) Il secondo blocco è composto da un relè e una resistenza posta in parallelo ai
contatti di esso, questo serve per poter far in modo che possa essere inserita o
disinserita una resistenza per evitare che ci sia troppa assorbimento di corrente;
3) Il terzo è un condensatore che annulla quasi del tutto il ripple;
4) Serve per ritrasformare la tensione in continua in un’ alternata trifase per alimentare
il motore, in fondo al blocco sulla destra è presente una resistenza denominata RF
questa serva per protezione dalla corrente che il motore genera quando rallenta per
forza di inerzia;
5) Questo blocco serve per controllare che la tensione non cali mai o non superi mai la
tensione prestabilita, e controlla l’inverter;
6) Può essere comandato dal blocco 5 ed è il comando delle vie;
7) Controlla il blocco della frenata del motore;
8) Blocco dell’alimentazione;
9) Sono una serie di potenziometri che regolano vari parametri come: U/f rappresenta
tensione/frequenza, APR controllo corrente, LSP low speed, HSP, high speed;
10)Multiplexer, serve per trasformare da parallelo delle informazioni in seriale in
ingresso al blocco successivo;
11)E’ un convertitore analogico/digitale che converte i parametri dati in ingresso con
una variazione di tensione da un potenziometro in una parola di tot bit;
12)E’ il microcontrollore che gestisce i parametri dell’inverter;
13)LED che viene acceso appena vi è una anomali;
14)Questo blocco serve per interfacciare un DISPLAY;
15)Sono i due ingressi che decidono in che verso di rotazione deve andare il motore,
tra gli interruttori e il microcontrollore, all’interno dell’inverter vi sono 2 blocchi uguali
e sono fotocopiatori ottici per l’isolamento galvanico. Servono per proteggere il
microcontrollore, cioè in caso di una tensione troppa alta non si danneggia niente a
parte il fotocopiatore, oppure per isolare la parte in cui ci sono 400 Volt dalla parte
in cui vi è l’alimentazione del microcontrollore.
Nel nostro progetto l’inverte è pilotato dal DLC, è alimentato con una monofase a 230 Volt
(valore efficace) a 50Hz e pilota un motore trifase a una tensione di 230 Volt (valore
efficace) a una frequenza di 45Hz.
Figura 22: inverter
Figura 23: motore trifase
Al nostro inverter sono collegati l’alimentazione, motore trifase e il segnale del DLC
adattato con un circuito che verrà illustrato più avanti. Il segnale del DLC viene mandato
alla schedina che lo converte e lo invia all’inverter nell’ingresso sf, mentre SC è a massa.
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FRENO ELETTROMAGNETICO
Figura 24: motore del selezionatore e freno elettromagnetico
Il freno elettromagnetico è composto come si vede in figura numero 24 da due
elettrocalamite poste una di fronte all’altra comandate da un segnale proveniente dal DLC
di 24Volt.
Appena il sensore fotoelettrico a fibra ottica rileva che l’accettatore è in posizione, viene
attivata l’uscita corrispondente al freno elettromagnetico. Le elettrocalamite creano un
campo magnetico attraendosi l’una con l’altra facendo in modo che il pezzo di metallo che
passa tra loro, agganciato sul supporto mobile, sia schiacciato tra esse creando attrito e
quindi frenando l’accettatore.
FRENO VELOCE
L’uscita del DLC connessa al freno
veloce fa sì che i relè commutino
cortocircuitando gli avvolgimenti
del motore. Facendo così il motore
rallenta in prossimità dei fine corsa
e della posizione di riposo.
Figura 25:circuito Freno veloce
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MOTORI A 24 VOLT D.C.
Viene utilizzato un motore di 24 Volt, per il
pettine che ha molta potenza e poca velocità.
Dato che i giri al minuto rimangono comunque
troppo elevati, abbiamo optato di alimentarlo
con una tensione molto inferiore pari a 5 Volt.
Figura 26: motore
24Volt
2 MOTORI DA 12 VOLT D.C.
Figura 27: motore 12 Volt scivolo
Figura 28: motore 12 Volt selezionatore
I motori due alimentati a 12 Volt sono:
• Uno quello che tramite una cinghia fa girare lo scivolo dove passerà il lavorato per
finire dei contenitori appositi;
• Uno che muove il selezionatore con una cinghia spostandolo nelle 3 posizioni
consentite, posizione di riposo, di scarto e di lavorazione.
SENSORI
Per il controllo della macchina abbiamo utilizzato i seguenti sensori:
• 6 sensori induttivi di cui: 1 posizionato nel selezionatore per il rilevamento di lattine,
2 usati come fine corsa nel blocco dell’accettazione e 3 per il rilevamento della
posizione dello scivolo nella parte di smistamento;
• 1 sensore di prossimità capacitivo posizionato nel quadro dell’accettazione, montato
su un supporto di collegato alla cella di carico, per identificare l‘ eventuale presenza
di un oggetto;
• 4 sensori di prossimità ultrasonici (uno per bidone), situati nel piano di smistamento
dei rifiuti, rivolti verso l’interno dei bidoni, tarati in modo tale da poter percepire
Pagina 28 di 58
•
l’altezza del materiale all’interno del bidone; di conseguenza dirci con precisione se
è pieno. Se lo fosse invia un segnale d’uscita digitale al DLC che blocca l’attività
della macchina.
1 encoder ottico (sostituito con un fotoelettrico a fibra ottica) lo utilizziamo per poter
rilevare la posizione di riposo del selezionatore.
Per la realizzazione della macchina tritarifiuti abbiamo utilizzato dei sensori di prossimità
(chiamati anche proximity). Gli interruttori di prossimità sono dei sensori in grado di rivelare
la presenza di oggetti nelle immediate vicinanze del lato sensibile del sensore stesso,
senza che vi sia un effettivo contatto fisico. Devono essere alimentati da una sorgente
stabile priva di disturbi, ciò porta a scegliere un’ alimentazione separata e filtrata che deve
rimanere abbondantemente entro i valori nominali. E’ di solito usuale scegliere dispositivi
con un certo grado di protezione per prevenire eventuali problemi alla linea di
alimentazione, come i cortocircuiti/sovraccarichi (ovvero la corrente che assume un valore
eccessivo a causa di un guasto) e le sovratensioni.
Le uscite degli interruttori di prossimità si suddividono in due tipi:
Elettromeccaniche;
Allo stato solido
Le uscite elettromeccaniche sono caratterizzate dalla presenza di un relè, possono pilotare
carichi in AC o in DC interessati anche da correnti molto elevate ( oltre 500mA). In questo
dispositivo una bobina, se alimentata, attrae un meccanismo che apre o chiude uno o più
contatti, mentre se viene tolta l’alimentazione, i contatti ritornano nella posizione di riposo
per l’azione di una molla. I contatti possono essere normalmente aperti (NA) o
normalmente chiusi (NC). Nessuna protezione è possibile contro i corto circuiti, poiché i
relè hanno un funzionamento meccanico, sono soggetti ad usura e, pertanto, hanno una
vita utile di esercizio limitata; se attraversati da un basso livello di corrente, l’ossidazione
può inoltre danneggiare i contatti. I tempi di risposta dei relè sono generalmente di
15÷25ms, molto superiori a quelli della maggior parte delle uscite allo stato solido: ciò
limita sensibilmente la massima frequenza di commutazione. Grazie all’ isolamento
elettrico della sorgente di alimentazione e alla mancanza di dispersioni i relè possono
essere facilmente collegati in serie o/e
in parallelo.
Le uscite allo stato solido vanno prese
in considerazione per applicazioni che
richiedono frequenti commutazioni o
commutazioni di basse tensioni e
basse correnti. Inoltre si possono
dividere in analogiche o digitali.
Figura 29
Dispongono inoltre di circuiterie
interne contro il cortocircuito. Se sono del tipo digitale, hanno come interruttore i seguenti
dispositivi:
• Transistor bipolari (BJT);
• Transistor ad effetto di campo;
• Tiristori (SRC o Triac).
Un’uscita allo stato solido non comprende alcun componente mobile. I transistor bipolari
sono tipici dispositivi di uscita allo stato solido per sensori in DC a bassa tensione;
composti da un chip di materiale semiconduttore (generalmente silicio), hanno tre
terminali:
• La base (B), che è il terminale di comando;
• L’emettitore (E);
• Collettore (C), a cui fa capo il contatto allo stato solido.
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Esistono due tipi standard di transistor bipolari : PNP e NPN. Per l’uscita con transistor
PNP, il carico (load) deve essere collegato fra l’ uscita dell’interruttore e collegamento
negativo (-) di a limentazione.
Per un’ uscita con un transistor NPN, il carico deve essere collegato fra l’ uscita dell’
interruttore e il collegamento positivo (+) di alimentazione.
Questi tipi di uscita sono in grado di pilotare unicamente carichi in corrente continua e
presentano anche una bassissima corrente di dispersione ( misurata in micro Amper) e
una corrente di pilotaggio del carico relativamente elevata ( di solito 100 mA ) al fine di
potersi interfacciare facilmente con la maggior parte dei dispositivi.
Figura 30: collegamenti PNP e NPN
Un ulteriore parametro caratteristico risulta essere la frequenza di commutazione che,
negli interruttori di prossimità con uscite a transistor bipolare variano da 10 Hz a qualche
KHz.
Caratteristiche dell’ uscita a FET ( transistor a effetto di campo ) sono l’ assenza di
corrente di dispersione e la capacità di comandare carichi in corrente alternata o continua (
con valori inferiori a 100 mA ), con frequenza di commutazione più elevata rispetto alla
soluzione con transistor bipolare.
Invece il transistor MOSFET ( transistor ad ossido metallico a effetto di campo) assicura gli
stessi vantaggi di bassa corrente di dispersione e di elevata frequenza di commutazione di
un transistor FET, ma in più è in grado di comandare carichi relativamente più alti (si
possono raggiungere correnti fino a 500mA sia in DC sia in AC). I tiristori (SCR o
Triac)sono dispositivi d’uscita allo stato solido previsto unicamente per la commutazione in
AC. In particolare i triac sono caratterizzati da un’ elevata corrente di pilotaggio e da una
bassa caduta di tensione; presentano però una corrente di dispersione molto più elevata
rispetto alle soluzioni a transistor. Tale corrente può superare 1 mA, rendendo i Triac
inadeguati come dispositivi di ingresso per i controlli logici programmabili (PLC) e altri
ingressi allo stato solido. La frequenza di commutazione non può sorpassare le decine di
Hz.
Figura 31: uscite a MOSFET e Triac
Per la maggior parte delle applicazioni, i MOSFET offrono le migliori caratteristiche di
uscita.
Gli interruttori di prossimità possono essere suddivisi in base alle loro configurazioni di
cablaggio, le cui soluzioni più comuni sono quelle a due o tre fili. I dispositivi a due fili sono
destinati a essere collegati in serie con il carico, mentre, nella configurazione a tre fili, due
dei tre conduttori forniscono l’ alimentazione elettrica, mentre il terzo commuta il carico.
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Entrambi i tipi di interruttori possono essere collegati, previi opportuni accorgimenti e con
qualche limitazione, in serie o in parallelo: a questo proposito, nella successiva sezione
dedicata agli interruttori di prossimità induttivi, saranno presentati alcuni possibili schemi di
collegamento.
SENSORI INDUTTIVI
Altri due sensori sono stati posizionati all’ estremità del campo di rilevamento del
selezionatore per fungere da fine corsa; per protezione di quest’ ultimi abbiamo
opportunamente aggiunto una sorta di protezione metallica.
Infine abbiamo optato per questa scelta di componenti perché i fine corsa meccanici che
avevamo installato precedentemente si sarebbero guastati immediatamente.
Mentre gli altri tre sono situati nel piano di smistamento dei rifiuti. In base alla tipologia del
materiale di scarto derivante dalla triturazione(plastica o alluminio) dobbiamo essere in
grado di indirizzare quest’ultimo in tre diversi bidoni di raccolta (uno per alluminio, uno per
la plastica e per un’eventuale espansione). Per far ciò abbiamo aggiunto allo scivolo una
piccola lamina di metallo in modo che, una volta che il motore (comandato dal DLC) sposti
per mezzo di una cinghia lo scivolo, la piccola lamina attiva il sensore e induce il DLC a
fermare il motore, poiché si è esattamente arrivati in prossimità del bidone desiderato.
I sensori di tipo induttivo sono sensori privi di parti soggette ad usura meccanica (numero
di manovre praticamente illimitato), poiché non risentono eccessivamente dell’accumulo
sulla superficie di rilevamento di agenti contaminati quali polvere, liquidi, grasso, olio o
fuliggine, permettono di lavorare in condizioni ambientali difficili. Grazie alle caratteristiche
di speciali circuiti elettronici, possono lavorare in ambienti difficili anche dal punto di vista
della temperatura di funzionamento (-25°C / 85°C) nei confronti dei disturbi elettrici. Inoltre
presentano elevate frequenze di commutazione (fino a 5KHz); queste caratteristiche
permettono di risolvere problemi di automazione in modo ottimale rispetto alle normali
soluzioni elettromeccaniche, rendendo la tecnologia induttiva più idonea per applicazioni
industriali in condizioni di utilizzo gravose. Questa tipologia di interruttori di prossimità
viene utilizzata per rivelamenti di oggetti sia ferrosi sia non ferrosi (ma comunque metallici)
e presenta al suo interno un oscillatore ad alta frequenza in grado di produrre un campo
elettromagnetico nelle immediate vicinanze dell’interruttore.
Figura 32: schema a blocchi di un sensore induttivo
La presenza di un oggetto metallico (azionatore), nel campo di azione dell’interruttore,
smorza l’ampiezza dell’oscillazione che risulta, quindi, decrescente quanto più si riduce la
distanza
tra
l’oggetto
metallico
e
l’interruttore.
È possibile così ottenere all’uscita, in alcuni tipi di interruttore e relativamente alla
posizione dell’oggetto, un’informazione analogica (una tensione o corrente variabile entro
un certo intervallo, ad esempio da 0 – 10 V), oppure la stessa può essere convertita, in un
segnale digitale (on/off) che commuta a una certa distanza minima tra l’interruttore e
l’oggetto metallico. Il circuito trigger, a sua volta va a comandare un circuito amplificatore
(vedi figura 32) il quale aziona il circuito di uscita che, in genere, ottiene come contatto un
dispositivo elettronico (transistor o tiristore che può essere un SCR o un TRIAC) che
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consentirà di comandare carichi come relè, elettrovalvole o apparecchiature elettroniche
come controllori logici programmabili (PLC).
La distanza operativa è data dalla capacità
dell’interruttore di rilevare un oggetto è
determinata dal materiale, dalle dimensioni, dalla
forma e dalla distanza dell’oggetto stesso. La
distanza operativa nominale è un’entità
convenzionale utilizzata per definire la misura
raggiunta la quale un oggetto standard, che si
avvicina alla faccia dell’interruttore, determina il
cambiamento
de l
segnale
in
uscita.
Figura 33
Con oggetto standard si intende un pezzo
quadrato di acciaio dolce (tipo Fe 360) dello spessore di 1 mm, con lati della stessa misura
del diametro della faccia di rilevamento, oppure lunghi tre volte la distanza operativa
nominale, a seconda di quale dei suddetti valori è maggiore. Per stabilire la distanza
operativa nominale di altri tipi di metallo, occorre moltiplicare la distanza operativa relativa
all’oggetto standard Sn con un fattore di correzione che dipende dal materiale con cui è
realizzato
l’oggetto.
Tabella 10
Nello schema sopra elencato sono stati proposti alcuni fattori di correzione; sarà
necessario, quindi, consultare le eventuali schede delle specifiche dell’interruttore per
valutare il va lore correttivo da applicare al sensore che si intende utilizzare (in questo caso
induttivo).
Nelle applicazioni pratiche la distanza operativa non viene influenzata solo dalla
composizione dell’oggetto da rilevare, dalle sue dimensioni e dalla forma. Per una corretta
rilevazione in base a tali specifiche è necessario che:
gli oggetti siano piatti e composti da materiali ferrosi altrimenti si verrebbe a ridurre la
distanza operativa;
non abbiano dimensioni ne minori (ridurrebbero la
distanza operativa) ne maggiori (aumenterebbero la
distanza operativa);
non siano lamine.
La distanza operativa nominale non prende in
considerazione le tolleranze di produzione ne
variazioni dovute a condizioni esterne, quali la
tensione di alimentazione o la temperatura; valutando
questi fattori; la distanza operativa reale di un
particolare interruttore può variare anche fino al 20%
rispetto
al
valore
nominale.
Gli oggetti possono essere rilevati dal sensore di
prossimità passando di fronte alla sua faccia
sensibile, oppure avvicinandosi e allontanandosi dalla
stessa: nella maggior parte delle applicazioni,
Figura 34
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l’affidabilità del sensore risulta maggiore, quando l’oggetto passa di fronte alla faccia di
rilevamento.
Quando si utilizza questo tipo di rilevamento e di fondamentale importanza valutare la
frequenza di commutazione, ovvero la massima frequenza, misurata in Hz, alla quale
l’uscita del sensore è in grado di commutare in risposta alla presenza/assenza di
azionatori di riferimento, che scorrono ad una distanza dal sensore pari a Sn/2 e distanziati
tra loro di 2d. Vedi figura 34.
Quando l’oggetto si avvicina a un interruttore di prossimità direttamente verso la sua fascia
di rilevamento, l’affidabilità del dispositivo può essere aumentata prendendo in
considerazione gli effetti dell’isteresi.
L’isteresi è quel valore di distanza tra il punto di
commutazione in avvicinamento dell’oggetto da rilevare e il
punto di commutazione in allontanamento. (Vedi figura 35)
L’isteresi è necessaria per evitare in caso di vibrazioni
dell’oggetto di una commutazione on/off del sensore
rilevando un dato sbagliato.
Per evitare queste commutazioni indesiderate le vibrazioni
non devono superare l’ampiezza della distanza di isteresi.
I sensori induttivi possono essere costruiti per funzionare in
corrente continua oppure in corrente alternata ed hanno
Figura 35: isteresi
generalmente l’uscita allo stato solido, cioè all’uscita vi è
un transistor o un triac (ossia quel dispositivo d’uscita allo stato solido previsto unicamente
per la commutazione in AC).
Questi rivelatori di metalli sono divisi in due tipo logie: tipo schermato e non schermato.
L’interruttore schermato è interamente contenuto nel corpo metallico filettato e ha una
distanza di intervento ridotta, ma permette l’istallazione su piastre a filo con eventuali parti
metalliche adiacenti o in montaggio affiancato di più interruttori (entro certi limiti), senza
problemi di falsa attivazione e di mutua interferenza. È costruito con un anello di
schermatura attorno alla bobina e al nucleo di ferrite: il campo elettromagnetico viene così
concentrato nella parte anteriore della faccia di attivazione. Questa tipologia può essere
posizionata lateralmente vicino ad un altro dello stesso tipo ad una distanza pari al
diametro dei due e a due volte il diametro se frontalmente. L’interruttore non schermato ha
la superficie sensibile sporgente ed è costruito senza la lamina metallica attorno alla
bobina/nuc leo, per cui il campo elettromagnetico generato non viene altrettanto
concentrato verso la faccia dell’interruttore, come nel caso del dispositivo schermato: ciò
rende l’interruttore non schermato più sensibile alle parti metalliche vicine. (Vedi figura 36)
Figura 36: campo di rilevazione di un induttivo e montaggio
Questa tipologia di sensore presenta un campo di rilevamento maggiore del 50% rispetto
al dispositivo schermato di pari dimensioni; è perciò più semplice la rilevazione di oggetti
difficili come piastre o oggetto piccoli. Questi dispositivi se posizionati adiacenti ad un altro
dello stesso tipo devono stare ad un distanza minima tra loro di tre volte il diametro della
faccia di rilevamento, quattro volte se posizionati frontalmente.
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Figura 37: distanza minima per non creare interferenze tra due sensori uguali
La superficie sensibile del sensore deve essere posizionata lontano da un eventuale
supporto meccanico, di almeno una volta il valore della distanza di intervento nominale
(Sn), evitando così malfunzionamenti.
Eventuali corpi metallici, posti frontalmente alle superfici sensibili devono trovarsi, per
entrambi i tipi ad una distanza di almeno tre volte Sn, affinché non si abbiano interferenze.
Gli interruttori di prossimità capacitivi presentano i seguenti vantaggi a seconda del loro
utilizzo:
1. Nessuna zona cieca;
2. Non sono influenzati dall’umidità, ambienti polverosi e/o sporchi;
3. Assenza di parti mobili, quindi nessuna usura meccanica;
4. Funzionamento indipendente dal colore degli oggetti;
5. Minore dipendenza dalla superficie rispetto ad altre tecnologie di
rilevamento:
Ed alcuni svantaggi:
1. Rilevamento de lla sola presenza di oggetti metallici;
2. Campo operativo inferiore a quello di altre tecnologie;
3. Possono essere influenzati da forti campi magnetici provenienti da altri
macchinari.
SENSORI CAPACITIVI
I sensori di tipo capacitivo hanno una tecnologia senza contatto per l’individuazione di
metalli, ma soprattutto è indicata per rilevare oggetti non metallici (legno, plastica, carta,
vetro, ecc.) in quanto è maggiormente affidabile e conveniente economicamente. Il
principio di funzionamento è simile a quello induttivo. La differenza di quest’ultimi è che
reagiscono alle alterazioni in un campo elettrostatico. La sonda situata dietro alla faccia
dell’interruttore è costituita da due piastre metalliche concentriche che realizzano le
armature di un condensatore.
E’ formato in parte dalla superficie di protezione della faccia, in parte dall’aria ed in parte
dall’oggetto da rilevare. La vicinanza di un oggetto conduttivo riduce lo spessore del
dielettrico aria, mentre la vicinanza di un oggetto non conduttivo aumento la costante
dielettrica: ambedue gli eventi producono un incremento nel valore della capacità.
il circuito di rilevazione è costituito da un oscillatore di cui la capacità della faccia sensibile
costituisce un elemento del ramo di reazione un suo aumento oltre un certo valore ne
determina l’innesco. Questa risposta, provoca la commutazione dell’elemento di uscita,
cha passa dallo stato OFF a quello ON.
La capacità di rilevamento de ll‘interruttore è direttamente proporzionale alla costante
dielettrica dell’ oggetto, e inversamente proporzionale alla sua distanza dal sensore. La
costante dielettrica è un numero che dipende dal materiale: gli oggetti con un’ e levata
costante dielettrica sono rilevati più facilmente rispetto a quelli aventi un valore basso.
Gli interruttori di prossimità analogamente a quelli induttivi possono essere classificata in
base alla propria struttura schermata e non schermata.
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Il tipo schermato presenta una lamina metallica attorno alla sonda, tale configurazione
permette di installare l’ interruttore a filo con il supporto di fissaggio, senza il rischio di false
attivazioni. Data l’elevata sensibilità del dispositivo qualsiasi materiale (come polvere,
umidità, piccole gocce d’acqua o d’olio…) che entra a contatto con il campo elettrostatico
potrebbe provocare false commutazioni.
Figura 38
Questo problema è ovviato negli interruttori non schermati, poiché essendo sprovvisti della
lamina metallica , generano un campo elettrostatico meno concentrato. Inoltre sono
spesso dotati di una sonda di compensazione che permette al sensore di ignorare
qualsiasi agente accumulatosi sul sensore che altererebbe la rilevazione, quindi possiamo
affermare con certezza che il modello non schermato è preferibile per gli ambienti
polverosi rispetto a quella schermata e per alcuni materiali anche dal punto di vista della
distanza di rilevazione.
Figura 39
Per calcolare la distanza operativa Sr, conoscendo la
distanza operativa nominale Sn dell’interruttore che si
intende utilizzare, si possono usare i diagrammi forniti dal
costruttore (vedi esempio sottostante).
Figura 40: La distanza di commutazione reale Sr dipende dalla
costante dielettrica del materiale dell’elemento di comando
In alcuni modelli è possibile, mediante una vite, regolare la
distanza di intervento per adattare l’ interruttore ad una
specifica applicazione.
Come per gli interruttori di prossimità induttivi, anche i capacitivi hanno gli stessi concetti di
impiego e gli stessi parametri elettrici, ad esempio:
• Tensione di alimentazione;
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• Corrente di uscita.
Per questi interruttori esistono sia modelli funzionanti in corrente continua con uscita a
transistor (NPN o PNP), sia modelli funzionanti in corrente alternata con uscita dotata di
tiristori (Triac). Per garantire un’ elevata sicurezza di funzionamento contro i cortocircuiti, i
sovraccarichi e le inversioni di polarità i modelli funzionanti in DC sono dotati di alcune
misure di protezione.
Gli interruttori di prossimità capacitivi presentano i seguenti vantaggi a seconda del loro
utilizzo :
1. Diverse possibilità di montaggio;
2. Capacità di vedere attraverso alcuni materiali;
3. Possono essere realizzati con componenti allo stato solido e quindi possono avere
una lunga durata.
Ed alcuni svantaggi:
1. Bassa distanza di rilevamento ;
2. Grande sensibilità ai fattori ambientali;
3. Rilevamento non selettivo per l’ oggetto da
individuare.
SENSORI ULTRSONICI
Per riuscire a tarare il sensore induttivo, occorre triggerare il
trigger.
A differenza degli interruttori di prossimità induttivi e
Figura 41
capacitivi che riescono a rilevare oggetti sino ad una
distanza massima di 50mm (oltre al quale non si avrebbe
alcuna rilevazione), gli interruttori di prossimità a ultrasuoni consentono, invece, di rilevare
oggetti a distanze comprese tra 6 cm e i 15m.
Esistono due principali modalità di funzionamento:
• Modalità TASTER (o reflex);
• Modalità a BARRIERA (o contrapposta).
Nella modalità taster (o reflex) questi interruttori emettono un impulso sonoro che viene
riflesso dagli oggetti che entrano nel campo dell’onda. Il suono riflesso, o “eco”, viene così
ricevuto dal sensore e tale rilevamento genera un segnale di uscita, analogico o digitale,
per un attuatore o un PLC.
La tecnologia di rilevamento si basa sul principio che il suono ha una velocità
relativamente costante: il tempo necessario all’onda ultrasonica generata dell’interruttore
per colpire l’oggetto ed essere riflessa è direttamente proporzionale alla distanza
dell’oggetto. Per questo motivo, gli interruttori a ultrasuoni taster sono utilizzati
frequentemente per applicazioni di misurazioni della distanza, come il controllo di livello.
Questa tipologia di interruttori è composta da quattro parti fondamentali:
1. Trasduttore/ricevitore;
2. Comparatore;
3. Circuito di rilevamento;
4. Uscita allo stato solido.
Il trasduttore a ultrasuoni genera impulsi, diffondendo onde sonore dalla faccia del sensore
verso l’esterno. Il ricevitore riceve gli echi di tali onde, che vengono rinviati da un oggetto.
Quando l’interruttore riceve l’eco, il comparatore calcola la distanza confrontando gli
intervalli di tempo di emissione/ricezione con la velocità del suono. L’uscita allo stato solido
genera un segnale elettrico che viene poi inviato, per esempio, ad un PLC.
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Il segnale emesso dal sensore digitale indica la presenza o l’assenza di un oggetto nel
campo di rilevamento. Questi interruttori sono in grado di rilevare la maggior parte degli
oggetti metallici o non metallici, trasparenti od opachi, liquidi, solidi o granulari, con un
sufficiente fattore di riflessione acustica (come l’acciaio, la plastica e il vetro).
L’aspetto negativo è invece rappresentato dal fatto che i materiali fonoassorbenti, quali
stoffa, la gomma elastica, la farina e la schiumarono difficili da rilevare.
Nella modalità contrapposta (o a sbarramento) gli interruttori
sono caratterizzati da un trasmettitore e un ricevitore separati:
Quando un oggetto si interpone fra i due, il ricevitore dà o
nega il segnale d’uscita, a seconda della tipologia
dell’interruttore.
In generale, gli interruttori industriali funzionano a una
frequenza compresa fra 25 e 500 Khz; per le unità medicali a
ultrasuoni, la frequenza di esercizio è di 5MHz o superiore.
La frequenza di rilevamento è inversamente proporzionale alla
distanza di rilevamento; un’onda sonora di 50 KHz potrà così
Figura 42
essere attiva fino a una distanza di 10 metri o più, mentre
un’onda di 200 KHz è limitata a campi di rilevamento di circa 1 metro.
Studiando il comportamento di un interruttore ultrasonico di tipo taster (riportato sotto).
Figura 43: campo di azione di un fotoelettrico
Si evidenzia:
1. Una zona inattiva o area cieca, entro la quale la risposta dell‘ interruttore non è
affidabile;
2. Una zona di blocco, dove la zona inattiva e quella di blocco corrispondente alla
distanza minima a cui un oggetto può trovarsi dall’interruttore senza che l’eco sia
ignorato o letto in modo errato dall’interruttore stesso;
3. Una zona di intervento selezionata, entro la quale la distanza di intervento può
essere regolata tramite un potenziometro, presenti sul circuito di controllo;
4. Oltre il va lore finale, l’interruttore non rileva più gli oggetti, oppure non li rileva con
la dovuta precisione.
Il materiale e le dimensioni dell’ oggetto determinano la distanza massima a cui
l’interruttore è in grado di rilevare l’oggetto stesso: a una maggiore difficoltà di
individuazione dell’oggetto corrisponde una minore distanza di rilevamento massima.
Alcuni modelli sono caratterizzati dalla presenza di un potenziometro a vite che consente
di regolare il valore finale della zona di intervento selezionata, mentre il valore iniziale è
fisso ( per esempio 20cm): per questi modelli non esiste la zona di blocco.
Altri modelli, invece, hanno la possibilità di regolare sia il valore finale della zona di
intervento selezionata, sia il valore iniziale con l’aiuto di un secondo potenziometro a vite,
anch’ esso posizionato sul corpo del dispositivo. La segnalazione LED (Light Emitted
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Diode) dell’ interruttore ha, in questo caso, la doppia funzione di indicare, con luce
continua, quando l’oggetto da rilevare si trova nella zona di intervento selezionata e, con
luce intermittente, eventuali errori di impostazione (come, per esempio, se il valore iniziale
impostato è maggiore di quello finale). Gli oggetti non bersaglio ma che si trovano nel
campo di rilevamento possono essere nascosti all’interruttore da materiali fonoassorbenti,
oppure posizionandoli in modo che i loro echi vengano riflessi lontano dall’ interruttore.
Tutti i modelli di interruttori di prossimità di tipo ultrasonico funzionano in corrente continua
e, di norma hanno un’uscita a tre fili di tipo NPN o PNP, a seconda del tipo di transistor
utilizzato nel circuito d’uscita.
In base al campo di applicazione questa tipologia di interruttori presenta i seguenti
vantaggi rispetto ad altri:
1. Sono in grado di rilevare oggetti di grandi dimensioni fino a una distanza di 15m;
2. La risposta non dipende dal calore della superficie né dal fattore di riflessione
ottica dell’oggetto;
3. I dispositivi con uscite digitali presentano un’ eccellente accuratezza della
ripetibilità di rilevamento;
4. La risposta dei dispositivi con uscita analogica varia linearmente in base alla
distanza dell’ oggetto.
Ma anche svantaggi:
1. Per poter ricevere un forte eco, gli interruttori di prossimità a ultrasuoni devono
vedere una superficie con una trattoria perpendicolare;
2. Sebbene questi interruttori presentino una buona immunità al disturbo di fondo,
essi sono ancora soggetti a false risposte provocate da forti rumori;
3. Le variazioni delle condizioni ambientali, quali la temperatura, la pressione e l’
umidità influenzano la risposta;
4. Nel caso di interruttori di tipo reflex, prima che quest’ultimi siano pronti a ricevere
l’eco riflesso, deve trascorrere un intervallo di tempo più lungo rispetto a quelli del
tipo a sbarramento i cui tempi di risposta sono nell’ ordine di 2÷3 msec (quindi più
veloci).
DISCO ENCODER CON FOTOELETTRICO A FIBRA OTTICA
Il sensore a barriera montato all‘estremità del carrello di rilevamento della macchina trita
rifiuti, è molto utile perché, grazie ad esso, è possibile, qual’ ora venga rilevato
un’intrusione nel campo di rilevamento, fermare il motore delle lame, il motore del pettine,
ed eventualmente anche quello del carrello di smistamento per sicurezza; inoltre è
possibile anche, una volta che la barriera ha rilevato un eventuale “intruso”, comandare
altri due sensori che verificano se è stato posizionato qualcosa nel carrello di rivelamento.
Per poter individuare se il supporto mobile, dopo che è stato spostato per lo scartamento o
l’accettazione, è tornato in posizione di riposo utilizziamo un sensore di tipo fotoelettrico a
fibra ottica di plastica come un encoder, cioè abbiamo applicato sull’asse del supporto
mobile un disco forato solo in un punto dove sarà la posizione di riposo. Appena il fascio di
luce partito dall’emettitore del sensore fotoelettrico entra nel ricevitore il supporto si trova
nella posizione giusta. Con il materiale a disposizione non si riusciva a far in modo che il
supporto si fermasse precisamente nel punto desiderato perché il motore per inerzia
anche senza corrente continua a girare per un breve tempo, ma eccedo per le nostre
esigenze così è stato creato un freno artigianale con 2 elettromagneti posti uno di fronte
all’altro, poi sul disco dove vi è il foro montato sull’asse del supporto è stato aggiunto una
sporgenza metallica che passa in mezzo a queste 2 elettromagneti. Il freno si attiva
appena il sensore fotoelettrico rileva che il supporto metallico è nel posto giusto grazie al
disco monoforo.
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Quando il supporto con all’interno il contenitore ruota fino toccare una sporgenza in ferro
su cui montato un sensore induttivo che funge da fine corsa, questo viene utilizzato perché
se venissero usati dei fine corsa meccanici dopo qualche giorno di funzionamento della
macchina si sarebbero danneggiati.
Per determinare la posizione di riposo del selezionatore è stato preso il disco di un
encoder, diviso alternativamente in segmenti opachi e trasparenti, mentre la parte ottica è
stata sostituita con un sensore fotoelettrico a fibra ottica.
I dischi possono essere di due tipi:
• Incrementali
• Assoluti
I primi, quando i segnali d’ uscita sono proporzionali in modo incrementale allo
spostamento effettuato; sono usati sia come trasduttori di velocità sia come trasduttori di
posizione.
I secondi, assoluti, quando ad ogni posizione dell’ albero corrisponde un valore ben
definito, usati principalmente come trasduttori di posizione e in misura minore come
trasduttori di velocità.
Quello che abbiamo utilizzato noi è di tipo incrementale. Questo perché è utilissimo per
poter rilevare la posizione.
Nel nostro caso abbiamo preferito oscurare tutti fori trasparenti a parte uno perché ci
occorreva rilevare quell’ unica posizione.
È stata utilizzata la soluzione del sensore foto elettrico perché la fibra ottica essendo
esente da qualsiasi disturbo elettromagnetico, ci permette di poter trasmettere senza errori
e senza disturbi, visto l’utilizzo di quattro attuatori e di varie apparecchiature elettroniche.
La luce emessa dal diodo led è trasmessa attraverso una fibra trasparente contenuta in
cavi per poi ripresentarsi all’ altra estremità; successivamente, il fascio trasmesso viene
inviato al ricevitore attraverso un’ altra fibra. La fibra ottica è costituita, come si può vedere
in figura 46, da un filamento centrale di material vetroso, detto Core (nucleo), avvolto da un
altro materiale dielettrico meno rifrattivo, denominato Cladding (mantello). Questa struttura
vetrosa viene protetta da una serie di guaine di materiale plastico, denominate Jacket
(mantello), che ne garantiscono robustezza e isolamento rispetto ad agenti inquinanti.
Figura 44: denominazione strati
Figura 45:dimensione strati
Successivamente il segnale luminoso viene inviato ad un dispositivo chiamato rivelatore
ottico, che provvede a riconvertirlo in segnale elettrico.
Il suo principio di funzionamento è il seguente:
qual’ ora la luce che viaggia attraverso un mezzo trasparente incontra una superficie di un
altro mezzo trasparente possono accadere due cose:
• Parte di luce viene riflessa, con lo stesso angolo di incidenza;
• Parte di luce viene trasmessa nel secondo mezzo trasmissivo;
Nel primo caso, come si può vedere dalla figura 48, nella fibra ottica avviene un fenomeno
di riflessione totale interna, per cui la discontinuità dell'indice di rifrazione tra i materiali del
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nucleo e del mantello intrappola la radiazione luminosa finché questa mantiene un angolo
abbastanza radente, cioè finché la fibra non compie curve troppo brusche.
Figura 46: sezione della fibra
Nel secondo caso avviene un fenomeno che viene comunemente chiamato rifrazione.
Succede che quando la luce trasmessa entra nel secondo materiale, cambia direzione;
questo perché la luce viaggia a velocità differenti nei due mezzi.
Ogni materiale è provvisto del suo indice di rifrazione; conoscendo ciò si può calcolare la
derivazione che subirà il raggio entrante nel secondo mezzo.
In figura 49 si possono vedere due chiari esempi di rifrazione.
Figura 47
Qual’ ora avvenga che la luce passi da un mezzo con un alto indice di rifrazione ad uno
con indice più basso, avviene che l’ angolo di rifrazione Θ2 è sempre più grande dell’
angolo di incidenza Θ1.
Vi sono due modi di propagazione nelle fibre ottiche. Il primo, contenuto nelle fibre
monomodali, consente la propagazione di luce secondo un solo modo hanno un diametro
del core compreso tra 8 µm e 10 µm; invece, nelle fibre multimodali vi è la propagazione e
hanno un diametro del core di 50 µm o 62.5 µm. Il mantello, solitamente, ha un diametro di
125 µm.
Le fibre multimodali consentono l’utilizzo di dispositivi economici, in compenso però
subiscono il fenomeno della dispersione intermodale, per cui i diversi modi si propagano a
velocità leggermente diverse, e questo ne limita la distanza massima a cui il segnale può
essere ricevuto correttamente.
Le fibre monomodali invece hanno un prezzo molto più elevato rispetto alle multimodali,
però riescono a coprire distanze e a raggiungere velocità molto superiori.
I principali vantaggi delle fibre ottiche sono:
1. Resistono a condizioni ambienta li estreme grazie ai componenti elettronici installati
a distanza;
2. Resistenti a urti, vibrazioni.
3. Inserimento in spazi ristretti o con limitato spazio d’ accesso;
4. Immunità ai disturbi;
5. Ottimi per rilevare piccoli oggetti.
I principali svantaggi sono :
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1. Range di rilevamento molto limitato;
2. Contaminazione dell’ ambiente operativo può causare seri problemi di affidabilità di
rilevamento;
CELLA DI CARICO
I trasduttori di forza, noti anche come celle di carico, sono utilizzati sia nelle misure di forza
vere e proprie, sia per la determinazione della massa (pesatura). Generalmente questi
trasduttori impiegano sensori che convertono la forza applicata in una deformazione o in
una deflessione di un elemento elastico.
Queste a loro volta, tramite un estensimetro o un trasduttore piezoelettrico, producono un
segnale elettrico di uscita.
Gli estensimetri, noti anche come strain gage sono sensori in grado di convertire una
deformazione fisica in una variazione di resistenza elettrica. Essi possono essere metallici
o a semiconduttore.
Gli estensimetri metallici sono costituiti da una griglia di misura, incollata su un supporto di
plastica sottile, alla estremità della quale vengono saldati due conduttori. I 'estensimetro
viene applicato,mediante un collante adatto, direttamente sul corpo di cui si vuole misurare
la deformazione in modo che questa venga trasmessa alla griglia che la trasforma in una
variazione di resistenza elettrica. II montaggio dell'estensimetro deve avvenire in modo che
I ' asse della griglia coincida con la direzione dello sforzo che si intende misurare.
II materiale del conduttore che costituisce la griglia può essere a sezione rettangolare per
gli estensimetri a foglio o a sezione circolare per gli estensimetri a filo.
Questi ultimi hanno il disegno della griglia sempre dello stesso tipo, sono molto robusti ma
presentano, per la loro forma, una ridotta capacita di smaltimento del calore.
Gli estensimetri a semiconduttore hanno come elemento sensibile una griglia di materiale
semiconduttore. La variazione di resistenza è ora prevalentemente attribuibile all'effetto
piezoresistivo. Esso si manifesta attraverso un cambiamento della distribuzione della
carica superficiale (e quindi di resistenza) sulle facce del dispositivo quando esso è
sottoposto a sforzi meccanici.
Rispetto agli estensimetri metallici, quelli a semiconduttore non presentano fenomeni di
isteresi meccanica, hanno una sensibilità ovvero un fattore di taratura GF (gage factor) da
50 a 100volte superiore.
Gli svantaggi tuttavia non mancano e sono dovuti alla non linearità, alla fragilità, al costo
elevato, al limitato campo di impiego e alla difficoltà di compensazione termica. L ‘impiego
tipico è quello della misurazione di deformazioni debolissime, In molti campi peraltro gli
estensimetri a semiconduttore consentono l’ analisi di fenomeni molto rapidi poiché,
essendo molto sensibili, non richiedono I 'utilizzo di amplificatori con le inevitabili limitazioni
di banda che ne conseguono.
Questo componente ha la funzione fondamentale di tramutare
una forza fisica (quale il peso) in una grandezza elettrica
direttamente proporzionale; questo significa che all’aumentare
della forza presente sulla piattaforma aumenta la tensione in
uscita. Per questa conversione, la cella sfrutta il suo circuito
interno provvisto di un ponte di wheatstone (vedi figura
numero 48).
Essendo la cella di carico un estensimetro, le resistenze che
possiede all’interno variano al variare di lunghezza e sezione
e in caso di quelle piezoelettriche varia anche il coefficiente di
resistività,portando
così
ad
una
variazione
della
Figura 48: ponte di Wheatstone
tensione in uscita.
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La cella di carico di cui disponiamo presenta un over range di 10 kg, ed è caratterizzata dal
legame di 2 mV in uscita per ogni volt di alimentazione in ingresso.
Di conseguenza con una semplice operazione si ottiene
Vmax = 2mV * 10V = 20mV
La risoluzione al grammo sarà:
Risoluzione =
Vmax
20 *10 −3
=
= 2 *10 -6 =
Pmax
10 * 10 3
2 µV g
Figura 49: foto cella di carico
PIC CON INTERFACCIA
Un microcontrollore (µC) detto anche computer single chip che è un sistema a
microprocessore completo, integrato in un solo chip, ma orientato all’utilizzo specifico nelle
applicazioni dell’elettronica e dell’automazione, progettato soprattutto per ottenere la
massima autosufficienza funzionale ed un ottimo rapporto qualità/prezzo. La sua funzione
principale è la gestione di linee di ingresso e uscita ovvero, eseguendo ciclicamente un
programma presente al suo interno, preleva i dati presenti in ingresso, li elabora e attiva
opportunamente le uscite.
Figura 50: microcontrollore PIC16F877A
Il µC che noi utilizziamo è fabbricato dalla Microchip e fa parte della serie PIC 16F87X
(PIC = Peripheral Interface Controller “Controllore di periferiche programmabili”) che
comprende 4 dispositivi:
• PIC 16F873
• PIC 16F874
• PIC 16F876
• PIC 16F877
I qua li hanno la stessa architettura di base della CPU di tipo RISC, cioè a set di istruzioni
ridotte (solo 35 istruzioni assembler).
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Tutti utilizzano una memoria di programma di tipo FLASH, indicata nella sigla dalla F, è
molto utilizzato questo tipo di memoria perché consente una facile cancellazione e
riprogrammazione del componente elettricamente.
Il PIC 16F873 e il PIC 16F876 sono disponibili in contenitore DIP(dual in-line package)da
28 pin, mentre gli altri sono da 40 pin.
IL µC di cui ci serviamo è il PIC 16F877 (quello grande in figura). Può essere alimentato da
2 a 5,5V.
Il PIC dispone al suo interno di numerosi dispositivi:
• Cinque porte di I/O (A=6 pin, B=8 pin, C=8 pin, D=8 pin, E=3 pin) per un totale di 33
linee programmabili con corrente massima di assorbimento di 25mA.
• 3 Temporizzatori/contatori, Timer0 = 8Bit, Timer1 = 16Bit, Timer2 = 8Bit, con
prescaler
programmabile.
Il Timer0 può essere programmato per svolgere la funzione di timer o di contatore.
L’elemento principale è il registro (8 bit) TMR0, il cui contenuto può essere letto o
scritto in qualsiasi momento dal programma. TMR0 viene incrementato da un
segnale di clock o dall’esterno, tramite il pin RA4/T0CKI (contatore), oppure
utilizzando il generatore di frequenza interno dividendo la frequenza per 4 (timer).
Figura 51
Il prescaler è un insieme di otto flip-flop in cascata che hanno la funzione di dividere
la frequenza già divisa precedentemente per 4 in base alla combinazione di 3 Bit
(PS2,
PS1,
PS0)
appartenenti
al
registro
OPTION.
Il prescaler può essere assegnato sia al Timer0 che al Watchdog Timer
(temporizzazione di supervisore, letteralmente: cane da guardia) tramite il bit PSA
del registro OPTION. Il Watchdog timer è un contatore decrementale che se
raggiunge valore nullo resetta il microcontrollore, è utilizzato come controllo sul
programma per evitare loop (ciclo infinito indesiderato), andrà rinfrescato
continuamente in modo da non lasciargli raggiungere lo 0, se però è presente un
rinfresco
all’interno
del
loop
non
segnalerà
errore.
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•
•
•
•
Un convertitore analogico/digitale a 10 bit di
risoluzione e multiplexer a 8 canali,
quest’ultimo è indispensabile in quanto è
presente un solo A/D converter. L’ingresso
analogico carica il sample and hold, la cui
uscita è l’ingresso del convertitore. L’A/D
genera il risultato in digitale attraverso
approssimazioni successive (il risultato è un
numero a 10 bit), per funzionare necessita
solo di un clock e di una Vref (tensione di
riferimento). Gli 8 canali utilizzabili da l
convertitore sono quelli del portA escluso
RA4 e il portE.
Tabella 11: OPTION_REG
Un’unità
di
trasmissione
seriale
sincrona/asincrona USART (universal synchronous asynchronous receiver
transmitter) che permette comunicazioni asincrone full-duplex o sincrone halfduplex. Sul chip sono previsti due pin che possono essere usati per I collegamenti
seriali (RC5-TX, RC6-RX). Non sono previsti segnali di controllo; per questo I
protocolli di comunicazione con un PC possono essere solo di tipo software (Xon,
Xoff); è comunque possibile testare i registri interni del dispositivi per sapere se un
carattere è stato trasmesso o ricevuto. Per il collegamento ad un PC bisognerà
aggiungere traslatori di livello TTL→RS232 e viceversa come ad esempio il
MAX232. Per la trasmissione non è richiesto un cavo seriale completo ma solo tre
fili: TX, RX, GND. Al modulo sono associati tre registri che permettono di impostare
il tipo di trasmissione (sincrona o asincrona), il baud rate ed altre funzioni.
3 memorie di cui una Program memory e due Data memory.
La memoria di programma comprende un Program Counter con capacità 13 Bit, 8
locazioni di stack per la memorizzazione degli indirizzi di ritorno e 8Kword per 14 bit
di
memoria
flash
per
il
programma.
La memoria dati è suddivisa in due parti di tipo diverso, più precisamente, 368 Byte
di RAM-registri (volatile) e 256 Byte di E2PROM (non volatile) per mantenere alcuni
dati in caso di mancanza di alimentazione. La memoria dati volatile viene suddivisa
in 4 banchi di registri.
15
sorgenti
possibili
di
interruzione
(Interrupt).
L’ interrupt è una particolare istruzione che consente l’interruzione di un processo
(programma) al verificarsi di determinate condizioni. Per questo PIC esistono ben
quindici diverse condizioni che possono dare un interrupt:
1. Overflow del Timer0 (utilizzando il nome RTCC)
2. Overflow del Timer0 (utilizzando il nome TIMER0)
3. Overflow del Timer1
4. Overflow del Timer2
Un Timer può essere a 8 o 16 bit, questi bit fanno parte di un registro
(diverso per ogni timer) che parte dal valore 0x00 esadecimale, fino ad
arrivare al valore 0xFF per quelli a 8 bit e a 0xFFFF per quelli a 16 bit; una
volta raggiunto il valore massimo (tutti i bit a 1) si ha l’overflow (trabocco) del
Timer e tutti quanti i bit tornano a zero, ricominciando da capo il conteggio.
5. Interrupt esterno
viene data dal cambiamento di stato del pin RB0. Il Programmatore decide se
attivare l’interrupt sul fronte di salita (rising) o di discesa (falling).
6. Completa mento conversione A/D al momento in cui il convertitore ha finito di
prelevare i segnali dal sample and hold e ha concluso la conversione crea un
Pagina 44 di 58
7.
8.
interrupt in modo che il programma possa sapere che la conversione è finita.
Questo è molto importante, poiché il tipo di convertitore presente nel PIC
(SAR) è relativamente lento.
RS232 TXBuffer vuoto.
Nella trasmissione seriale questo interrupt significa che il pacchetto è stato
inviato e quindi si può procedere al successivo.
RS232 è pronto alla ricezione dei dati
Figura 52: schema interno PIC 16F877
PROGRAMMAZIONE DEL PIC
Per la programmazione di microcontrollori microchip vengono utilizzati 2 specifici
programmi:
CCS
È un programma che viene utilizzato per definire i parametri e gli include del PIC. Tali
impostazioni riguardano ad esempio interrupts, timer, frequenza, interfaccia seriale RS232,
I/O Ports, convertitore… Il PIC W izard permette di impostare tutte queste caratteristiche
fornendo il progetto su cui ci baseremo per la scrittura del programma (scritto in MPLAB).
Qui
sotto
ne
proponiamo
un
esempio.
Utilizziamo CCS anche come “dizionario di funzioni” grazie alla sua guida che fornisce
esempi e chiarimenti (ovviamente in inglese) sulle varie funzioni.
#include <16F877.h>
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#device ICD=TRUE
#device adc=10
#fuses NOWDT,HS, PUT, NOPROTECT, NOBROWNOUT, NOLVP, NOCPD, NOWRT, NODEBUG
#use delay(clock=20000000)
#use rs232(baud=9600,parity=N,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7,bits=8)
#int_RTCC
RTCC_isr()
{
}
#int_EXT
EXT_isr()
{
}
void main()
{
setup_adc_ports(AN0_AN1_VSS_VREF);
setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);
setup_psp(PSP_DISABLED);
setup_spi(FALSE);
setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_1);
setup_timer_1(T1_DISABLED);
setup_timer_2(T2_DISABLED,0,1);
enable_interrupts(INT_RTCC);
enable_interrupts(INT_EXT);
enable_interrupts(GLOBAL);
// programma
}
MPLAB
È un sistema di sviluppo per i microcontrollori PIC della Microchip.
Di seguito vi sarà scritto il programma sviluppato da noi per poter far in modo di attivare
un’uscita quando la tensione in ingresso all’A/D converter e quindi il peso sulla cella di
carico sono troppo elevate e superano la soglia stabilita.
#include <16F877A.h>
#device adc=10
//utilizzo dell'A/D a 10 Bit.
#fuses NOWDT,HS, NOPUT, NOPROTECT, NOBROWNOUT, NOLVP, NOCPD, NOWRT, DEBUG
#use delay(clock=14745600)
//frequenza del clock a cui opera il PIC.
#use rs232(baud=9600,parity=N,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7,bits=8)
//set parametri Rs232.Non utilizzata nel programma.
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
unsigned long cont=0; //variabile globale che permette di essere
// incrementata anche al di fuori del Void main
#int_RTCC
//#int_RTCC è un interrupt che utilizza il Timer0
RTCC_isr(){cont++;}
//RTCC_isr(){} e ogni 1.1 ms incrementa la variabile cont di 1.
/p ottenere una interruzione di questo tipo
//abbiamo dovuto ricorrere all'uso del prescaler dividendo per 16.
void main()
{
long StatoA0[8];
long i,SUMBit;
float MedA0;
Pagina 46 di 58
long int RealState=0;
port_b_pullups(TRUE);
//abilitazione delle resistenze di pull-up sul PORT B.
setup_psp(PSP_DISABLED);
//parallel Slave Port (PSP) disabilitata.
setup_adc_ports(AN0_AN1_VSS_VREF); //set terminali utilizzati da A/D.
setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);
//clock A/D interno.
setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_16);
//set Timer0 per Interrupt e Prescaler.
setup_timer_1(T1_DISABLED);
//timer1 disabilitato.
setup_timer_2(T2_DISABLED,0,1);
//timer2 disabilitato.
enable_interrupts(INT_RTCC);
enable_interrupts(GLOBAL);
//abilitazione Interrupt.
//abilitazione Interrupt.
for(;;)
{
SUMBit=0;
for(i=0;i<8;i++)
{
//ciclo che rileva 8 campioni dal convertitore
//e li posiziona nel vettore StatoA0.
cont=0;
do{
}while(cont!=100);
set_adc_channel(0);
StatoA0[i]= read_adc();
RealState=StatoA0[i];
//ciclo do{}While(); che attende che
//la variabile cont arrivi a cento.
//l'uscita del convertitore
//verrà quindi ogni 110 ms.
//set canale analogico PIC
//se è 0 si utilizza il terminale A0.
//lettura del valore in uscita dal PIN A0.
//visualizzazione del valore rilevato sui
//lED collegati al PORT D(8 Bit).
RealState=RealState >>2;
output_d(RealState);
//si shifta di due posizione verso destra
//escludendo i 2 bit meno significativi
//e si visualizzando i due più significativi.
delay_us(150);
//tempo di ritardo per la lettura dall'A/D.
}
for(i=0;i<8;i++)
{
SUMBit=SUMBit + StatoA0[i];
//crea un unica variabile con la somma degli 8 campioni dell'A/D.
}
MedA0=(float)SUMBit/8;
//media degli 8 valori
if(MedA0>0x0D0)
{
//if per l'identificazione del superamento del peso.
//la soglia è di 0x0D0(valore in uscita dal convertitore)
//per la quale il rifiuto deve essere scartato direttamente.
output_high(PIN_E2);
//pone alta l'uscita E2 che è collegata all'ingresso 5 del DLC.
delay_ms(5);
//tempo di ritardo per la lettura del DLC.
}
Pagina 47 di 58
else
output_low(PIN_E2);
//l'uscita E2 viene mantenuta a zero fin
//che il rifiuto non superi la soglia.
}
}
//fine ciclo for infinito
//fine main
SCHEDA PESATURA
Figura 53: Scheda PIC dataci dal Professor Vicenzi Giuliano
Il PIC considerato finora
viene utilizzato su una
scheda di interfaccia che
ha la funzione di acquisire
il segnale di uscita da una
cella di carico, amplificarlo
con opportuni integrati, e
trasmetterlo
al
convertitore
analogicodigitale
del
microcontrollore.
Successivamente, in base
al
valore
misurato
bisognerà
inviare
un
segnale digitale (0-24V) al
PLC per determinare se la
lattina o bottiglia è piena.
L’immagine riportata a lato
illustra il circuito stampato
a cui collegare la scheda
da noi progettata e
realizzata. Essa deve
essere collegata al circuito
tramite uno dei connettori
a 64 pin, a destra della figura.
Le dimensioni della schedina da interfacciare sono le seguenti:
58 mm di a ltezza;
115 mm di larghezza;
15 mm di profondità
La cella di carico da interfacciare ha un fondo scala di 10 Kg ed un’uscita pari a 2mV/V.
Dopo aver pesato con una bilancia le bottigliette o lattine piene, vuote e semipiene
abbiamo deciso che il massimo peso accettabile è di circa 40g. Di conseguenza la
tensione in uscita dalla cella di carico corrispondente alla soglia è uguale 80µV.
20mV : 10Kg = X : 40g
X=
(20 *10 −3 ) * 40
= 8*10-5 = 80µV
3
10 * 10
Maggiori informazioni sulla cella di carico e sulle sue caratteristiche sono già state esposte
nella sezione dei Sensori.
Pagina 48 di 58
In ingresso al microcontrollore possiamo inviare fino ad un massimo di 5V; ma, siccome la
scheda principale a cui verrà collegata la nostra, usa una tensione di riferimento pari a
2,5V, utilizziamo questo valore come quello massimo.
Per elaborare il segnale della cella sono stati usati i seguenti componenti:
INA118
La tensione in uscita dalla cella di carico è molto piccola, quindi abbiamo optato per
l’utilizzare dell’INA118 che è un amplificatore da strumentazione che offre un’ eccellente
precisione ed un prezzo adeguato. Come caratteristiche ha, valore molto basso di tensione
di offset di circa 50µV, un CMRR di 110dB a guadagno di 1000 e ha un assorbimento di
corrente di 350µA.Contiene al suo interno tre amplificatori operazionali di piccole
dimensioni che lo rendono l’ ideale per un vasto uso di applicazioni e risulteranno molto
utili per i nostri scopi. Utilizziamo 2 amplificatori per avere un guadagno sufficiente per la
nostra applicazione cioè pari a 500.
50 KΩ
G = 1+
Rg
Il terzo A.O. funge da differenziale dando in uscita differenza di potenziale che si ha dal
ponte di W heastone amplificata.
Il guadagno de ll’ INA dipende dalla resistenza esterna Rg e può variare da 1 a 10000,
quindi avere una Rg precisa (tolleranza dell’ 1%) assicura anche un errore trascurabile.
Rg =
50KΩ
+1
G
Rg =
50 *103
+1 = 101
500
Figura 54:(sinistra) schema a blocchi dell’INA118 (destra) piedinatura dello stesso componente
La tensione di sogli in uscita sarà:
Vout = Vin con 40g di peso *G = 80*10-6*500 = 4*10 -2V = 40mV
LM7XL12
Dalla scheda principale si possono prelevare diversi valori di tensione: +15V, -15V, +5V e
la massa.
Siccome le tensioni +15V e –15V sono disturbate, mentre a noi servono misure precise
(tolleranza ±5%) utilizziamo due regolatori:
LM78L12 che è un ottimo regolatore di tensione positiva che stabilizza la tensione a +12V;
Pagina 49 di 58
LM79L12 che è un ottimo regolatore di tensione negativa che stabilizza la tensione a –
12V.
Questi regolatori possono fornire un’ uscita di
100mA e al loro interno hanno tre blocchi di
protezione che sono contro: i sovraccarichi di
corrente in uscita e cortocircuito, elevata
temperatura di giunzione e area di lavoro di
sicurezza.
La protezione contro il sovraccarico di corrente
ed il cortocircuito consiste nel limitare la
corrente di uscita ad un dato valore. La
protezione termica è impiegata per evitare che
il regolatore si danneggi a causa del
superamento del limite di temperatura di
Figura 55: regolatori di tensione LM79L12 e
LM78L12
giunzione. La protezione riguardante l’area di
lavoro si riferisce al problema del “breakdown
secondario” o “secondo breakdown”.
I condensatori posti in ingresso ai due regolatori possono essere da 10µF o 330nF e
fungono da filtri. Noi abbiamo optato per quelli da 10µF (elettrolitici).
I condensatori in uscita invece servono per eliminare le possibili oscillazioni del regolatore
e sono di grandezza pari a 100nF (ceramico).
A volte si decide di collegare anche un diodo posto tra l’uscita e l’ingresso del regolatore
positivo polarizzato direttamente, e in quello negativo po larizzato inversamente, perché
nell’istante in cui viene tolta la tensione in ingresso i condensatori sono ancora carichi e si
devono scaricare. Se i condensatori posti in uscita avessero una capacità superiore a
quelli posti in ingresso ci metterebbero più tempo e danneggerebbero il regolatore, con il
diodo il problema è risolto. Non è il nostro caso perché i condensatori all’uscita ha una
capacità minore rispetto a quelli in ingresso.
LM336
Come detto in precedenza (PIC) il convertitore analogico-digitale del microcontrollore è di
tipo SAR e quindi necessita anche di una Vref, utilizziamo questo componente proprio per
fornire una Vref=2,5V. Il LM336 è un regolatore di
precisione e da quindi maggiore affidabilità alle
misure, le sue caratteristiche principali sono:
Temperatura di lavoro compresa fra 0°C e 70°C.
Variazione di tensione di breakdown inversa
compresa fra 2.6mV e 10mV.
Variazione della tensione in relazione alla
temperatura compresa fra 1.8mV e 6mV.
(N.B. Queste variazioni si verificano se la
Tamb=25°C).
Viene schematizzato come un diodo zener:
Abbiamo scelto questa configurazione con la
resistenza in ingresso di 2.5KΏ perché è alimentato a 5V; in aggiunta vi sono due diodi
che servono per regolare il coefficiente di temperatura nel caso variasse. Presumendo che
la temperatura all’ interno della macchina rimanga costante, non abbiamo bisogno di agire
sulla tensione inversa di breakdown e quindi basta variare la corrente Ir agendo sulla
resistenza.
Figura 56: configurazione LM336-2.5
Pagina 50 di 58
LF351
È un amplificatore operazionale di tipo JFET a basso costo, ma con un’ elevata velocità
con un trimmer interno per la tensione di offset in ingresso. Il componente richiede una
bassa corrente di alimentazione e viene utilizzato come integrato ad alte velocità,
convertitori D/A ed altri circuiti che richiedono una bassa tensione di offset in ingresso ed
un’ ampia larghezza di banda.
Le caratteristiche che ci interessano sono:
• Una tensione di offset del trimmer interno pari a 10mV.
• Una bassa corrente di a limentazione pari a 1.8mA.
• Un’ alta impedenza all’ ingresso.
Figura 57: (sinistra) tipica configurazione LF351 (destra) piedinatura
JUMPER
Abbiamo inserito 2 jumper perché nella scheda principale vi si possono collegare fino ad
un massimo di 2 schede, quindi per poterle usare contemporaneamente dobbiamo
utilizzare due canali diversi (A1 e A2 del PIC). Con questi si può selezionare il canale da
utilizzare.
DIODI
Vengono utilizzati 3 diodi posizionati in serie connessi a massa all’uscita dell’INA118 per
limitare la tensione a 2,1 Volt.
In seguito sono stati aggiunti in uscita al LF351 due transistor uno PNP e uno NPN per
poter rimediare ed adattare le impedenze, dato che la cella di carico ha un’impedenza di
350Ω e quella dell’amplificatore non è nulla vi era una caduta di tensione e la cella di
carico non veniva alimentata a 10Volt.
SCHEMA ELETTRICO
Di seguito verrà raffigurata lo schema elettrico dell’interfaccia.
Pagina 51 di 58
1
2 JP1
RA5 A/D
1
2 JP2
MAX 2.1 V
D6
a32
a31
a30
a29
a28
a27
a26
a25
a24
a23
a22
a21
a20
a19
a18
a17
a16
a15
a14
a13
a12
a11
a10
a9
a8
a7
a6
a5
a4
a3
a2
a1
RA4 A/D
D7
A32
A31
A30
A29
A28
A27
A26
A25
A24
A23
A22
A21
A20
A19
A18
A17
A16
A15
A14
A13
A12
A11
A10
A9
A8
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1
JDH2
B32
B31
B30
B29
B28
B27
B26
B25
B24
B23
B22
B21
B20
B19
B18
B17
B16
B15
B14
B13
B12
B11
B10
B9
B8
B7
B6
B5
B4
B3
B2
B1
DIN 64_AB-H
GND
c32
Vdd
c31
+15 Volt
c30
-15 Volt
c29
c28
c27
c26
c25
c24
c23
c22
c21
c20
c19
c18
c17
c16
c15
c14
c13
c12
c11
c10
c9
c8
c7
c6
c5
c4
c3
c2
c1
D8
-15Volt
IN
OUT
3
GND
2
0
-12Volt
C3
C4
U2
LM79L12AC/TO
+12 V
0.1uF
1
0.33uF
+12Volt
C2
0.1uF
R1 180
CON4
R2 220
0
6
INA118/BB
2
C1
0.33uF
3
U3.
ININ+
RG1VO
RG2
REF
V-
VOUT
2
3
1
8
5
CellaDiCaricoNeg
CellaDiCaricoPos
4
VIN
0
4
3
2
1
+12 V
1
GND
+15Volt
U4
0
LM7812/TO
V+
7
J3
3
10V
-12 V
0
5 V
in
100nF
2.5k
2
-
R4
LM336-2.5V/TO
1
6
out
U3
1k
3
2
LF351
Q2
2N1711
2
2N2905
Q1
-12 V
2
2
0
+
3
D1
3
1 1
7
1
R7
vdd
4
5
C5
0
D3
2
D2
1
3
1
3
R5 100k
R3
5.1k
R6
10k
Figura 58: schema elettrico completo dell’interfaccia tra per la cella di carico al PIC
Successivamente ad aver disegnato il circuito elettrico è stato portato in layout per poterlo
stampare fisicamente.
Figura 59: circuito della figura 56 in LAYOUT
Pagina 52 di 58
CIRCUITI AGGIUNTIVI
INVERSIONE E ARRESTO DEL MOTORE 12 VOLT SELEZIONATORE & INVERSIONE
ROTAZIONE MOTORE SCIVOLO
Figura 60: foto del circuito di inversione e arresto dei motori a 12 Volt
VCC
K1
+12
3
4
5
8
6
7
1
2
K3
RELAY
J2
1
2
3
3
6
PLC1
PLC2
PLC3
1
2
PLC
K2
3
6
1
2
4
4
5
8
MOT1
7
MOT2
J3
1
2
MOTORE
RELAY
5
8
7
RELAY
Figura 61: schema elettrico del circuito di inversione e arresto del motore a 12Volt selezionatore
Questo circuito è stato preventivamente progettato per permettere al DLC di pilo tare il
senso di rotazione del motore e anche il suo arresto.
Pagina 53 di 58
Dato che per invertire il senso di marcia del motore, è sufficiente invertire la polarità di
alimentazione del medesimo, ci è sembrato adeguato l’ impiego di relé.
Quando si desidera attivare il motore in un senso il DLC, tramite programma, fornirà una
tensione alla bobina di un solo relé a 24 volt.
Ne consegue che la bobina, attraversata dalla corrente, si eccita e che il deviatore
all’interno commuta le uscite, fornendo al motore l’alimentazione positiva.
Nel caso in cu si voglia cambiare il senso di marcia, il DLC farà eccitare l’altro interruttore
elettronico (o relé), il quale consentirà il passaggio di una tensione negativa.
Il terzo relé, anch’esso comandato dal DLC, si occupa di aprire il circuito
dell’alimentazione, per evitare l’ attivazione di ambedue i sensi di rotazione ed arrestare
quindi il motore.
INVERSIONE ROTAZIONE MOTORE SCIVOLO
Figura 62: foto del circuito
di inversione di marcia del
scivolo
K1
3
4
5
8
6
7
1
2
RELAY
J2
2
1
PLC1
PLC2
J3
1
2
MOTORE
OUTPUT DLC
K2
J1
1
2
12V
3
6
1
2
4
5
8
7
RELAY
Figura 63: schema elettrico del circuito di inversione di marcia del motore a 12Volt scivolo
Pagina 54 di 58
Nella figura riportata sopra è rappresentato il circuito che fa invertire il verso di rotazione
del motore dello scivolo. Questo è praticamente identico a quello precedente in figura 61,
ma senza un relè che serviva per fermare il motore.
ADATTATORE SEGNALE DLC/INVERTER
J3
R1
1
2
1k
Figura 65; foto adattatore segnale
DLC per inverter
2
Q1
BC547
INVERTER
3
OUTPUT DLC
1
2
1
J1
Figura 64: schema elettrico adattatore segnale DLC
per inverter
Questo circuito serve per adattare il segnale in uscita al DLC per essere successivamente
utilizzato dall’inverter. La resistenza collegata alla base del transistor serve come
protezione contro le sovratensioni. Il transistor, invidie fa passare tutti 24 volt che ci
fornisce il DLC e gli scarica a massa poiché l’ inverter ragiona in logica negativa. Il
transistor è un BJT nome BC547 NPN a emettitore comune: l'emettitore è in comune con
la base, cioè sono alla stessa tensione VBE (tensione base emettitore). Il transistor si
comporta come un interruttore.
ALIMENTAZIONE 5VOLT MOTORE PETTINE
K1
J2
3
1
2
6
5V
J1
1
2
1
2
OUTPUT DLC
4
5
8
7
J4
1
2
MOTORE PETTINE
RELAY DPDT
Figura 66: schema elettrico alimentazione 5 Volt motore pettine
Il circuito soprastante è comandato dal DLC. Facendo chiudere i contatti di un relè riesce a
far passare una tensione in uscita pari a 5V per riuscire ad alimentare il motore pettine nel
reparto smistamento. Abbiamo deciso di alimentare il motore a 5V anziché a 24 V, per
ridurre la rotazione dell’ albero motore a cui è collegato il pettine che altrimenti avrebbe
spinto in maniera eccessiva il materiale da tritare contro le lame rischiando di inceppare il
meccanismo.
Il suo funzionamento è il seguente:
Pagina 55 di 58
nel caso in cui arrivassero i 24V del DLC, entrano nel connettore 1 denominato J1 e
immediatamente viene eccitata la bobina del relè che causa la chiusura dei contatti. Così
fa passare la tensione di alimentazione necessaria per il connettore 3 chiamato J3 ad
alimentare il motore del pettine. Il relè in questione è rappresentato in figura 66, da K1.
Il connettore 2 (J2) ha in ingresso la tensione i 5Volt che servono per alimentare il motore.
ADATTATORE SEGNALE PIC CON INGRESSO DLC
5V
1
2
J2
J3
1
3
5 Volt
10K
Q1
2
1
2
1
R1
24V
BC237
AND2
2
1
OUTPUT PIC
3.6 Volt
U1
3
2
1
2
3
J1
5
K2
4
RELAY SPDT
J4
1
2
INPUT DLC
0
Figura 67: schema elettrico adattatore segnale PIC con ingresso DLC
In caso l'oggetto sia da scartare, il DLC deve essere informato attraverso una tensione di
24 volt. Il procedimento più complesso è stato elaborato dalla schedina riguardante la cella
di carico approfondita precedentemente che, riassumendo fornisce una tensione di +3,6
volt circa in uscita al PIC se il rifiuto presenta un peso maggiore a quello consentito.
Lo schema circuitale in figura 67 serve proprio da tramite per il DLC. Gli ingressi
cortocircuitati tra loro della porta logica AND vengono connessi all'uscita del PIC in modo
da trasformare il livello logico alto in una tensione di 5 volt.
A questo punto, all'uscita dell'AND verrà connessa la base di un transistor, scelto da noi
per le sue caratteristiche il BC237 di tipo NPN utilizzato come interruttore.
Quando sulla base del BC237 verranno applicati 5 volt, esso saturerà cortocircuitando il
collettore con l'emettitore e di conseguenza l'alimentazione posta sul collettore, passerà
facendo eccitare la bobina di un relè.
Infine il contatto del relè permetterà il passaggio dei 24Volt in ingresso al DLC.
Pagina 56 di 58
CONCLUSIONI
Lo scopo di questo progetto è quello di realizzare una macchina tritarifiuti utilizzando le
nozioni di elettronica, T.d.P. e sistemi automatici acquisite durante il corso del triennio
scolastico. Data la complessità del progetto abbiamo conciliato un lavoro svolto a scuola,
dove abbiamo ricevuto assistenza dai nostri professori (anche fornendoci dispense) e dai
tecnici della scuola che ci hanno messo a disposizione laboratori e materiale tecnico, a un
lavoro integrativo svolto in privato (sostenendo in parte i costi che si sono resi necessari).
L’obiettivo del sistema che lavora i rifiuti, poteva essere raggiunto più semplicemente
ottenendo anche un risultato migliore, ma date le strumentazioni a disposizione e il voler
concretamente “mettere in pratica” tutte le conoscenze teoriche acquisite, abbiamo
preferito proseguire in un modo più complesso, ma interessante ed esaustivo.
La realizzazione del progetto escludeva il fine di commercializzare il prodotto e quindi non
si è considerato alcuno scopo di lucro. Di conseguenza risparmiato sulle materie prime, sui
componenti elettronici e applicazioni correlate.
In definitiva, il modello proposto, dimostra generalmente l’applicazione dei diversi concetti
teorici che abbiamo studiato quali:
1. PLC(Program Logic Controller);
2. programmazione DLC tramite software KERNER;
3. interruttori di prossimità(o sensori);
4. estensimetri (cella di carico);
5. motori in corrente continua e alternata;
6. encoder ottici;
7. motori pilotati da inverter;
8. circuiti elettronici per inversione del senso di marcia e frenatura;
9. circuiti elettronici limitatori di tensione;
10. circuiti elettronici di conversione linguaggio TTL a PLC;
11. interfacce circuitali;
12. PIC;
13. programmazione microprocessore con linguaggio di programmazione C tramite
MPLAB;
14. trasmissione dati con RS232.
RINGRAZZIAMENTI
Sentiti ringraziamenti per la collaborazione e per il sostegno sia morale che tecnico al
professor Artioli Enrico, al professor Vicenzi Giuliano, al professor Ferrari Claudio, a
tutti gli assistenti tecnici, all’Istituto Fermo Corni e all’ azienda GI-CAR SRL che ci ha
pazientemente sopportato e supportato.
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BIBLIOGRAFIA
Per la realizzazione della tesina abbiamo utilizzato :
1. dispense e materiale didattico (con relative immagini) fornitaci dal professor
Claudio Ferrari per la descrizione di tutti i sensori di prossimità e alcune specifiche
riguardanti l’ inverter, il dlc e gli attuatori:
• dispensa denominata “interruttori di prossimità capacitivi” ;
• dispensa denominata “interruttori di prossimità induttivi, capacitivi, a
ultrasuoni e fotoelettrici” anche se quest’ultimi non gli abbiamo utilizzati;
• dispensa denominata “sensori di prossimità a ultrasuoni”;
• Dispensa denominata “Kernel402 ” per quanto riguarda il DLC.
2. appunti presi durante l’anno scolastico e dal libro “sistemi elettronici automatici”
per la parte riferita al PIC.
3. relazioni effettuate durante l’anno scolastico ovvero l’” Interfacciamento tra una cella
di carico e un microcontrollore” per la realizzazione della parte riguardante i
microcontrollori.
4. il sito dell’Omron (www.omron.it) per le caratteristiche fondamentali (essendo il
nostro inverter dell’ o monima marca);
5. il sito della Kernel (www.kernel.com) per le specifiche relative al DLC VTP402;
Pagina 58 di 58