Controllo Velocità Di Un Sistema "svolgitore Carta-goffratore-rib

[cecco88]

Un saluto a tutti, mi chiamo Francesco e sono uno studente di ingegneria informatica presso il politecnico di Milano.

Eccomi giunto alla fine del terzo anno ed alle prese con la tesi della laurea triennale.

Premetto che ho trovato questo forum facendo ricerche su google e devo dire che è veramente interessante.

Siccome non sono un grande esperto di automazione (come probabilmente la maggior parte degli utenti di questo forum), avendo fatto solamente un paio di corsi inerenti alla materia, volevo chiedere a qualcuno di voi se fosse disponibile a darmi qualche consiglio!

Obiettivo finale della mia tesi è la creazione di un simulatore (molto, ma molto semplificato) di un plc per il controllo della parte iniziale di una macchina che produce rotoli di carta (asciugatutto e igienica principalmente).

Procedendo con metodo didattico, come visto a lezione, si parte dalla stesura di uno schema SFC (Sequential Functional Chart) che rappresenta l'evolversi delle fasi di lavoro in base agli input e output di comandi e sensori, si traduce in seguito tale schema in codice (uso Scilab).

Riporto brevemente la struttura di cui dovrei svolgere la simulazione.

I dispositivi sono:

- svolgitore su cui viene caricata la bobina di carta

- goffratore che imprime una trama più o meno evidente a seconda del prodotto in lavorazione

- ribobinatrice che avvolge la carta formando dei log (rotoli di diametro pari al prodotto finito, che in seguito verranno tagliati a formare i singoli “rotolini”).

Vi è poi una coppia di “ballerini” situati in due punti differenti che determinano automaticamente il tiraggio della carta:

- il primo è posto tra lo svolgitore e il goffratore e ne controlla la velocità di svolgimento della carta dalla bobina presente sullo svolgitore

- il secondo è situato tra il goffratore e la ribobinatrice e ne controlla la velocità della carta che deve passare attraverso i rulli del goffratore

Entrambi devono garantire che la carta sia sempre ben tesa, senza eccedere troppo, per evitare rotture.

Vi sono più motori che governano i vari dispositivi e per semplificarmi leggermente la vita, ho pensato di considerarne uno per lo svolgitore, uno per il goffratore e uno per la ribobinatrice.

Il problema è che non ho idea di come venga fatto il controllo di velocità dei motori per evitare rotture della carta tra un dispositivo e l’altro… se in velocità, in coppia o altro….

Un meccanico mi ha spiegato che viene impostata la velocità di regime alla ribobinatrice e fintanto che non è stata raggiunta, il motore della ribobinatrice incrementa la sua velocità.

Ne consegue un incremento di velocità anche dei motori dello svolgitore e del goffratore.

Qualcuno ha un consiglio da darmi sul metodo di controllo da utilizzare?

L’ideale sarebbe trovare una soluzione che possa essere simulata con un PID.

Spero di aver dato sufficienti indicazioni. Se così non fosse, sono disponibilissimo a fornirne altre!!

Un ringraziamento anticipato a chi avrà avuto la pazienza di leggere tutto il mio topic e ovviamente un grazie anche a chi fornirà una sua risposta o un semplice parere!!

Francesco

[Livio Orsini]

Se ci sono due ballerini il controllo più semplice e più affidabile è il controllo in velocità dell'aspo.

In altri termini la velocità angolare dell'aspo varierà in continuo per mantenere costante la velocità periferica.

Il regolatore più semplice si basa su di un PID che mantiene costante la posizione del ballerino, così da avere la tensione del materiale costante..

Per la descrizione della regolazione ti rimando al mio tutorial sui controlli. Lo trovi nella sezione didattica, sottosezione elettrotecnica. Nel sesto capitolo c'è anche un esempio di controllo d'aspo.

Prova a leggere il tutorial. E' estremamente semplice, con la teoria ridotta all'essenziale. Poi, eventualmente, poni delle domande su argomenti mirati.

[cecco88]

Innanzitutto la ringrazio per aver cominciato a far luce nella mia testa

Direi che l’esempio sul “controllo d’avvolgitura tipo servo diametro” sembra proprio fare al caso mio, nel senso che è molto simile a ciò che dovrei realizzare nel mio simulatore.

Nel suo manuale sono spiegati molto bene i concetti di coppia, dei metodi per calcolarla ecc…

solo che essendo alle prime armi, non mi è proprio chiaro tutto.

Per semplificare ulteriormente le cose, comincerei inizialmente con il considerare solamente lo svolgitore (rullo su cui viene messa la bobina) e l’avvolgitore (ribobinatrice adibita alla formazione dei log).

Sia lo svolgitore che la ribobinatrice hanno un motore ciascuno che ne determina la rotazione.

Considerando svolgitore e avvolgitore (ribobinatrice), è necessario un solo ballerino.

Riporto il mio esempio per farmi capire meglio:

L’avvolgitore viene impostato per produrre 20 log/minuto (a regime)

Tralasciamo per un momento il transitorio iniziale relativo alla velocità dell’avvolgitore e di conseguenza, tramite il ballerino, anche dello svolgitore.

Caratteristiche prodotto da lavorare (rotolo di igienica):

- numero strappi: 200

- lunghezza strappo: 122mm = 0.122m

- lunghezza rotolo: num strappi*lungh. strappo=200strappi*0.122m/strappo=24,4 m (ogni log)

- diametro rotolo vuoto (anima): 40mm

- diametro rotolo pieno (anima+carta)=116mm

Ricaviamo la velocità a regime dello svolgitore che coincide con quella dell’avvolgitore:

- velocità = 20 log/min * 24,4m/log = 488 m/min

Raggiunta la velocità di regime quindi si avrà:

- velocità lineare costante (ininfluente accelerazione angolare)

- velocità angolare dell’avvolgimento cambia continuamente

--> coppia istantanea del motore varia per mantenere costante il tiro

Questi sono alcuni dei miei quesiti:

- potrei considerare l’inerzia del solo svolgitore? avendo i log (formati dall’avvolgitore) diametri decisamente inferiori rispetto allo svolgitore? oppure è meglio considerare anche quella dei log?

L’avvolgitore crea il log molto rapidamente, pertanto mi risulta un po’ difficile trovare un metodo per considerare le variazioni istantanee di velocità angolare, di coppia ecc…

- come posso calcolare la coppia istantanea? Ho difficoltà nel calcolo dei valori di coppia.

- complessivamente, le seguenti grandezze sono sufficienti oppure mi manca qualcosa?

- coppia svolgitore

- velocità svolgitore

- coppia avvolgitore

- velocità avvolgitore

- tensione materiale

- velocità angolare

- la tensione del materiale è sempre costante anche nel transitorio iniziale oltre a quando si raggiunge la velocità di regime?

Considerando ora il transitorio iniziale riferito all’esempio precedente.

Partiamo dalla macchina ferma.

All’avvio, il motore dell’avvolgitore fornirà una certa coppia facendone aumentare la velocità. Anche il motore dello svolgitore fornirà una coppia in modo da metterlo in rotazione.

Il ballerino ovviamente consentirà l’adeguamento della velocità dell’avvolgitore a quella dello svolgitore.

- E’ possibile quindi simulare un PID che controlla il ballerino in modo da mantenere la tensione del materiale costante? mi potrebbe dare qualche altro consiglio al riguardo?

Spero che abbia un po’ di pazienza visto che l’ho tartassata di domande!!

Dovrei terminare il simulatore entro fine mese, spero di riuscire a farcela, anche perché altrimenti dovrei rimandare la possibilità di laurearmi a febbraio....

Grazie mille per la sua disponibilità!!

Francesco

[Livio Orsini]

L'esempio del servo diametro serve solo per capire come funziona un avvolgitore (svolgitore).

Il servo diametro lavora controllando la coppia ad anello aperto; nel tuo caso, disponendo di due ballerini, la regolazione ottimale è controllare la velocità tramite il ballerino.

Usando il controllo in velocità tutti i problemi di inerzia vengono saltati perchè se li assorbe il regolatore dell'azionamento.

Con un raporto diametri <1:3 non hai praticamente nessun problema particolare.

Di seguito ti schematizzo la filosofia di regolazione.

Calcola la velocità angolare corrispondente al diametro medio, preleva l'uscita di velocità dal regolatore del goffratore che corrisponde alla velocità di linea e la riduci in modo che il valore massimo corrisponda al valore calcolato per diametro medio.

COnsidera la posizione mediana della corsa del ballerino come posizione di riferimento, confronta la posizione istantanea del ballerino con questo valore; processa la differenza (errore) con un regolatore PI(D).

L'uscita del regolatore PI(D) lo sommi al valore di velocità ricavato dalla velocità del goffratore. Il nuovo valore costituirà il riferimento di velocità per l'aspo controllato dla ballerino.

Viste le prestazioni non eccezionali richieste alla macchina non dovresti avere nessun problema di emssa a punto del sistema.

PS. Sul forum ci si considera tutti amici e colleghi, quindi l'uso del tu è normale.

[cecco88]

Grazie di nuovo Livio.

Sul web ho trovato qualche informazione in più riguardante il controllo di velocità con ballerino.

Al momento però non ho dati precisi sulla macchina che sto analizzando, anche perché in fabbrica non si trova più la documentazione della macchina (è una CMG della linea CONTACT).

E’ stato richiesto di rispedire la documentazione, ma non si può avere se non si compra qualcosa…. Quindi sono un po’ in difficoltà anche da questo punto di vista. Facevo anche affidamento su quello per avere tutti i dati tecnici del caso.

Consideriamo per il momento un sistema ancor + semplice di quello presentato nel mio post di apertura, ovvero tralasciando il goffratore. (per cercare di capire meglio i passi da seguire )

Il sistema sarà composto dallo svolgitore e dall’avvolgitore

Usando il controllo in velocità tutti i problemi di inerzia vengono saltati perchè se li assorbe il regolatore dell'azionamento.

Con il ballerino quindi, si può evitare di considerare i valori di inerzia?

Con un rapporto diametri <1:3 non hai praticamente nessun problema particolare.

Per “rapporto diametri” intendi il rapporto tra il diametro del rotolo (finito) creato dall’avvolgitore e il diametro dello svolgitore?

Provo a spiegarmi meglio…

Ho le misure di alcuni prodotti, due tipi di asciugatutto e due tipi di carta igienica.

Il diametro della bobina di carta si aggira sui 1800mm, mentre i diametri dei prodotti (finiti) si aggirano sull’ordine 120-200mm quindi il rapporto tra questi ultimi e la bobina sarebbe di molto inferiore a 1/3.

E’ quello che intendevi?

Calcola la velocità angolare corrispondente al diametro medio, …

Per diametro medio si intende quello dello svolgitore o quello dell’avvolgitore?

O sono necessari entrambi?

Il diametro della bobina è sempre decrescente: da bobina nuova (circa 1800mm) si svolge progressivamente la carta finchè non si raggiunge il diametro di 250mm. Raggiunta tale soglia, in automatico il controllo dell’avvolgitore riduce la velocità della macchina (a una velocità nota) per segnalare che la carta si sta esaurendo. Sarà l’operatore, che manualmente, dovrà premere il pulsante per far fermare completamente la macchina.

Per quanto riguarda il diametro dei log in formazione la cosa è un po’ più complessa.

Supponendo che l’avvolgitore produca 20 log/min, significa che viene creato un log ogni 3 secondi.

Quale/i grandezza/e dell’avvolgitore è meglio gestire con il regolatore?

La velocità angolare, la coppia, la crescita del diametro, il tempo?

Mi risulta una velocità angolare di 517°/sec (corrispondente al diametro medio dello svolgitore)

Riporto i dati di seguito svolgitore:

- velocità di linea a regime = 488 m/min = 8.13 m/s

- raggio medio bobina svolgitore = 0.9m

- circonferenza svolgitore (media) = 2*Pi*r = 2*3.14*0.9 = 5.652

- tempo impiegato per compiere un giro = t = s/v= 5.652/8.13= 0.6952

- velocità angolare = 360°/t = 360°/0.6952 = 517°/sec

… preleva l'uscita di velocità dal regolatore del goffratore che corrisponde alla velocità di linea e la riduci in modo che il valore massimo corrisponda al valore calcolato per diametro medio.

Come posso ridurre la velocità di linea se l’ho utilizzata nel calcolo della velocità angolare appena sopra?

Considera la posizione mediana della corsa del ballerino come posizione di riferimento, confronta la posizione istantanea del ballerino con questo valore; processa la differenza (errore) con un regolatore PI(D).

Supponendo che il ballerino si discosti dal normale valore di 10cm verso l’alto e verso il basso a seconda che debba aumentare o diminuire la tensione del materiale.

Nel PI(D) come potrei simulare prima e poi rilevare la posizione del ballerino rispetto alla posizione nominale?

L'uscita del regolatore PI(D) lo sommi al valore di velocità ricavato dalla velocità del goffratore. Il nuovo valore costituirà il riferimento di velocità per l'aspo controllato dla ballerino.

- il controllo va fatto sulla velocità dello svolgitore o dell’avvolgitore? (Credo dell’avvolgitore poiché è quello dal quale viene impostata la velocità, o sbaglio?)

- il regolatore agisce sulla posizione del PID in modo da mantenere costante la tensione del materiale.

Non mi è chiaro come potrei considerare il legame velocità linea / posizione del PID.

Ci sono anche le coppie da considerare?

Probabilmente si starà pentendo di aver risposto al mio primo post

Molte di quelle che le ho fatto saranno sicuramente domande stupide, però non ha idea di quanto tempo ci stia dedicando e mi sembra di non trovare la retta via da seguire.

Mi auguro che abbia ancora un po’ di pazienza e ti auguro una buona serata!!

Francesco

[Livio Orsini]

I controlli di avvolgitura non sono proprio banali; per realizzarne uno, anche semplice come il tuo, bisogna comunque conoscere almeno i rudimenti della regolazione ed ad avere un minimo di conoscenza di base sugli azionamenti.

Il sistema sarà composto dallo svolgitore e dall’avvolgitore

Un sistema simile, detto stracannaggio, è più difficile da regolare di quello che hai descritto inizialmente. Infatti non esiste un punto fisso di velocità (traino goffratore) ed i due aspi s'influenzano a vicenda. (detto in modo semplificato e banalizzato)

Rapporto diametri: rapporto tra diametro minimo (nucleo) e diametro massimo avvolto.

Quando si regola la velocità, ci pensa il regoaltore dell'azionamento a fornire il valore di coppia corretta.

Per diametro medio si intende

: (Dmax+Dmin)/2

Quale/i grandezza/e dell’avvolgitore è meglio gestire con il regolatore?

La velocità gestita dal ballerino tramite il PID

il controllo va fatto sulla velocità dello svolgitore o dell’avvolgitore?

Su entrambi, ognuno con il suo ballerino

Non mi è chiaro come potrei considerare il legame velocità linea / posizione del PID.

L'uscita del PID va sommata algebricamente alla velocità della linea riparametrizza per il diametro medio.

Come ho scritto nell'incipit del messaggio, senza avere un minimo di conoscienza delle problematiche di regoalzione non è possibile progettare e realizzare un cotrollo di avvolgitura, anche semplicissimo come quello che proponi.

[cecco88]

Purtroppo me ne sto rendendo conto che i controlli d'avvolgitura non sono per niente banali.

Pensavo che considerando un sistema senza goffratore e con un ballerino le cose sarebbero state un po’ più semplici dal momento che si dovrebbe considerare un minor numero di dispositivi.

Vedo se riesco a recuperare qualche altra nozione… comunque non la vedo per niente semplice.

Spero di non dover cambiare tesi, dal momento che mi sembrava un bell’argomento, però non avendo praticamente mai fatto meccanica, è ancora più dura.

Intanto grazie di nuovo. Ciao Livio

Francesco

[Livio Orsini]

Domanda banale. Nel tuo piano di studi è presente un esame sui controlli?

[cecco88]

Si si, ne sono presenti tre per la precisione: fondamenti di automatica, ingegneria e tecnologia dei sistemi di controllo e automazione dei processi produttivi. Ma quasi nulla ha a che vedere con cose di meccanica.

Abbiamo visto esempi molto semplificati proprio a scopo didattico e un esempio un pò più completo di cui è stata fatta lo schema SFC e poi la traduzione in codice e simulazione.

Solamente che il prof ci lavora con ste cose, per noi studenti la cosa è un pò diversa.

Francesco

[Livio Orsini]

Comunque avrai fatto qualche cosa sui regolatori, sul feed forvard, etc. Qualche regoaltore ad anello chiuso lo avrai studiato.

Se ci ragioni un po', ti accorgerai che il ballerino deve lavorare come un posizionatore. La posizione da raggiungere e mantenere è quella di riferimento, in altri termini è la posizione di equilibrio tra peso del ballerino e tensione del materiale. La variazione di posizione la si ottiene variando la differenza di velocità tra apso e goffratore; se la differneza di velocità è = 0 il ballerino sta fermo, altrimenti sale o scende in funzione del segno della differenza di velocità.

Si considera come variabile indipendente la velocità del goffratore (traino), mentre quella dell'aspo risulta essere la variabile dipendente.

In un sistema del genere bastano le conoscenze generali di meccanica, per intenderci quelle del corso di Fisica 1 (almeno ai miei tempi si chiamava così).

Dovresti studiarti un poco i principi genrali degli azionamenti (per azioanmento si intende alimentatore-regolatore + motore + trasduttore di velocità eventuale).

Anche in rete trovi delle ottime dispense universitarie sugli azionamenti. Trovi anche molto materiale generale.

Modificato: 6 agosto 2010 da Livio Orsini

[cecco88]

Si si, di regolatori ne abbiamo visti un pò.

Grazie di nuovo per i tuoi preziosissimi consigli.

Ho ripreso gli appunti dei corsi inerenti a tali materie e spero di capire qualcosa di più.

Per le dispense sugli azionamenti allora cercherò in rete!

Presto ti farò sapere come stanno andando le cose!!!

Ciao ciao

Francesco

[cecco88]

Una considerazione, forse fin troppo banale...

stavo ragionando sulla posizione del ballerino al variare delle velocità dei dispositivi coinvolti e mi chiedevo:

Ipotizziamo di partire da una situazione in cui tutto è fermo (vel=0).

Quando l'avvolgitore deve portarsi alla velocità di set point (ad es 100m/min), il ballerino si sposta (verso l'alto) solo finchè c'è differenza di velocità tra la parte a monte e quella più a valle,

portandosi POI nella posizione iniziale quando la differenza di velocità è nulla?

oppure

rimane in una determinata posizione (diversa da quella iniziale) dopo che è stata raggiunta la velocità di 100m/min?

A intuito, il comportamento sarà simmetrico in fase di diminuzione di velocità con l'unica differenza che il ballerino si sposta verso il basso.

Sinceramente credo che la risposta corretta sia la seconda ipotesi (dopo l'oppure)...

In ottica di avere un regolatore [PI(D)] che regoli la posizione del ballerino in funzione della velocità istantanea (campionata), potrebbe aver senso avere uno spostamento lineare del ballerino?

Ovviamente anche l'incremento di velocità nelle fasi di raggiungimento del set point sarebbe lineare.

Grazie

Francesco

[Livio Orsini]

Se consideri macchina ferma e ballerino in posizione di riferimento, durante il transitorio di avviamento la posizione del ballerino è determinata dalle accelerazioni e dalla velocità di risposta del regolatore.

Se la velocità periferica dell'aspo è perfettamente sincrona con quella del traino, il ballerino non si muove. Nella realtà un ballerino ben regolato, compie piccole oscillazioni nell'intorno della posizione di riferimento.

Non capisco cosa intendi per "spostamento lineare" del ballerino.

Come ti ho scritto prima il sistema è assimilabile ad un posizionatore dove hai un trasduttore di posizione (in genere un potenziometro o un sonar); la velocità dell'asse è data dalla differenza di velocità tra il traino e l'aspo.

[cecco88]

Chiara la spiegazione della prima parte di risposta del post.

Per spostamento lineare in pratica mi hai già risposto, in quanto mi hai detto

la posizione del ballerino è determinata dalle accelerazioni e dalla velocità di risposta del regolatore.

Avrei qualche altra domanda (tanto per cambiare )

Domanda 1 (forse fin troppo banale)

Nel transitorio di incremento/decremento di velocità dell'avvolgitore, il motore responsabile del movimento dell'avvolgitore si porta ad un valore di giri fissi finché non si raggiunge la velocità di riferimento? E rimane a un numero di giri costante quando si è raggiunta la velocità di regime? Devo avere anche un motore per la posizione del ballerino quindi? (prima di rispondere, prova a vedere anche la domanda 3)

Domanda 2

Bisogna sapere a priori la posizione che deve assumere il ballerino in base alla differenza=v_avvolgitore-v_traino?

Ovvero se devo avere la caratteristica tra la differenza di velocità e lo spostamento del ballerino...

Ad esempio: se la differenza è +10m/min il ballerino deve spostarsi di +2 cm,

oppure

se la differenza è +20m/min deve spostarsi di +4 cm

oppure

se la differenza è -10m/min deve spostarsi di -2 cm ecc...

Nota: segno spostamento relativo alla posizione a riposo, ovvero quando la differenza = 0

Domanda 3

Per effettuare il controllo di posizione del ballerino dovrei avere uno schema a blocchi tipo la seguente?

http://img517.imageshack.us/img517/2999/contrposvelorig.jpg

Oppure basterebbe solo un controllo di posizione del ballerino tipo questo?

http://img514.imageshack.us/img514/97/contrposorig.jpg

A mio parere servirebbero entrambi i regolatori dato che la posizione del ballerino deve essere regolata in funzione della velocità...

Ho trovato quegli schemi bazzicando su internet... non è che voglio trovare le cose già fatte, però è un ottimo spunto, non trovi?

Domanda 4

Potrei considerare il sistema (svolgitore-ballerino1-goffratore-ballerino2-avvolgitore) privandolo del ballerino 1, supponendo che la velocità dell'aspo sia sincrona con quella del traino? in questo modo non sarebbero più semplificate le cose?

Conclusione

Ti sto facendo queste domande perchè molto presto (nei prossimi giorni) devo cominciare a simulare il tutto sul pc, in modo che presentandomi al prof (sempre nei prossimi giorni) possa far vedere ciò che ho analizzato... poi mi dovrebbe dare qualche consiglio anche lui ovviamente!!

Grazie di nuovo Livio!!!

Francesco

[Livio Orsini]

Vediamo se riesco a condensare nelle poche righe di un messaggio le risposte.

Transitori di velocità.

In una macchina semplice come la tua è sufficiente l'uscita del regolatore PID del ballerino.

Desciviamo solo l'avvolgitore per semplicità. Ipotizza la macchina ferma. All'istante t0 si comanda l'avvio. Il goffratore accelera e l'aspo è fermo:il ballerino tende a scendere. L'errore di posizione causa un'uscita dal regolatore diversa da 0. Questo valore, applicato al riferimento di velocità del motore del'aspo, farà muovere l'aspo tentando di recuperare la posizione. Il ballerino tenderà a rimanere al disotto della posizione di riferimento sino al termine del transitorio. A velocità costante del materiale il regolatore farà recuperare la posizione al ballerino con una piccola serie di oscilalzioni smorzate nell'intorno del punto di riferimento.COn errore zero sarà la parte integrale del regolatore a mantenere l'esatto riferimento di velocità dell'aspo.

Ci sono varie complicazioni per mantenere piccolo il valore dell'integrale per massimizzare la velocità di risposta nei transitori. Nel tuo caso è sufficiente, come ti ho spiegato in precedenza, usare il riferimento di velocità del goffratore, riparametrizzato per il valore congruo al diametro emdio dell'aspo, come riferimento di velocità dell'aspo. A questo riferimento si somma l'uscita del regolatore (feed forward + feed back).

In questo mdo l'aspo è portato a seguire la velocità del goffratore; il regolatore del ballerino porta a sincronizzare le due velocità.

Caratteristica di velocità del ballerino

Non esite, dipende dalla differenza di velocità perifierica tra aspo e goffratore. Se, per ipotesi, la differenza di velocià è pari ad 1m/1" avrai 0.5m/1" per un classico ballerino a due falde. Fai il disegnino del percorso del materiale e ti sarà evidente.

Schemi a blocchi.

Quello più vicino alla realtà è il secondo anche se, a mio parere, l'integratore finale non c'entra per nulla. Riepilogo. Errore di posizione==>processo PID==>riferimento di velocità aspo. QUesto è quello che serve, almeno come base. Nel tuo caso potrebbe essere sufficiente, anzi lo è. Ci sono numerosissime macchine, con prestazioni anche un poco più esasperate della tua, che stanno lavorando con questa semplicissima regolazione.

Domanda 4. Sarebbe una semplificazione arbitraria.

Vedrò se riesco (tempo e voglia permettendo ) a ricavare, dalla "bibbia" degli avvolgitori [sono anni che è working progress] un semplice schema a blocchi di regolazione da ballerino e te lo allego al prossimo messaggio.

[cecco88]

Devo ammettere di aver a che fare con una persona veramente squisita quale sei tu Livio. Ogni volta rispondi in modo esauriente.

Devo dire che con l'ultima risposta ci stiamo avvicinando molto a quanto devo realizzare.

Ho capito quasi interamente la dinamica dello svolgimento a partire dalla situazione in cui la macchina è ferma. Ancora qualche dubbio...

1) Quando dici "Il goffratore accelera e l'aspo è fermo" intendi che il goffratore accelera per inseguire la velocità di riferimento dell'avvolgitore, giusto?

2) Nota la posizione del ballerino ad ogni campionamento, come si potrebbe ricavare la differenza di velocità tra l'avvolgitore e la velocità della carta che passa nel goffratore supposta la stessa dello svolgitore?

3) Mi servirebbe conoscere le caratteristiche costruttive del ballerino...

Hai idea di dove possa trovarne? possibilmente simili a quelli che vengono impiegati in sistemi simili a quello di cui stiamo parlando.

Non avendo a disposizione la documentazione della macchina, non è semplicissimo. (La macchina è una CMG CONTACT)

Ho cercato su internet senza trovare nulla di utile, magari la tua esperienza può consigliarmi qualcosa.

4) In particolare... che dispositivo fisico agisce per variare la posizione del ballerino?

Il goffratore accelera e l'aspo è fermo: il ballerino tende a scendere.

5) Magari è stata una svista oppure sono io che avevo pensato una cosa sbagliata...

Se la velocità della carta che passa attraverso il goffratore è maggiore di quella che transita a partire dallo svolgitore, il ballerino non si sposta verso l'alto permettendo il passaggio di carta? Oppure deve andare verso il basso esercitando una pressione tale da garantire che la carta sia ben tesa?

6) Più o meno di quanto sono le escursioni di posizione del ballerino? Nell'ordine di quanti centimetri? Come chiedevo prima, se ci fosse qualche caratteristica tecnica di ballerino, non sarebbe affatto male!!

A velocità costante del materiale il regolatore farà recuperare la posizione al ballerino con una piccola serie di oscilalzioni smorzate nell'intorno del punto di riferimento.

7) Quando la velocità dello svolgitore raggiunge la velocità di set point (dell'avvolgitore) la differenza è nulla.

Pertanto il ballerino si trova nella stessa posizione come quando tutto è fermo? La differenza è ancora nulla...

8) Nelle fasi di transitorio di velocità (accelerazioni) agiscono sia la parte proporzionale che integrale del PID. Una volta che l'avvolgitore e lo svolgitore (di conseguenza) hanno raggiunto la velocità di regime (errore zero), è sufficiente la sola azione integrale.

E' noto che un alto valore della costante della parte proporzionale garantisce un tentativo di correzione molto rapido, rischiando però l'instabilità.

Che valori potrei considerare come costante di tempo proporzionale e integrale?

9) Non mi è molto chiaro quanto riportato qui:

Ci sono varie complicazioni per mantenere piccolo il valore dell'integrale per massimizzare la velocità di risposta nei transitori. Nel tuo caso è sufficiente, come ti ho spiegato in precedenza, usare il riferimento di velocità del goffratore, riparametrizzato per il valore congruo al diametro medio dell'aspo, come riferimento di velocità dell'aspo. A questo riferimento si somma l'uscita del regolatore (feed forward + feed back).

In questo modo l'aspo è portato a seguire la velocità del goffratore; il regolatore del ballerino porta a sincronizzare le due velocità.

Vediamo se ho capito qualcosa. Premesso che possa andare bene lo schema di controllo seguente: http://img708.imageshack.us/img708/3411/contrposmod.jpg

Mi servono altri regolatori o questo è l'unico?? (fa che sia l'unico, hehe)

L'ingresso del regolatore è la posizione di riferimento del ballerino.

Come si può sapere tale valore se a regime la posizione sarà quella di riposo? (deduzione probabilmente errata... infatti ho chiesto qualcosa al riguardo al punto 8).

All'ingresso si somma poi la retroazione del valore di posizione del ballerino misurata ad ogni campionamento.

Il regolatore agisce sul motore aumentandone o diminuendone la velocità di rotazione in modo che la posizione del ballerino assuma quella di riferimento.

L'uscita del regolatore potrebbe essere la tensione che alimenta il motore.

Non avendo idea di che tipo di motore possa governare uno svolgitore (passo passo, brushless...), immagino che la tensione vari continuamente in funzione del diametro (decrescente) della bobina. Oppure è qui che intendi di utilizzare il diametro medio dell'aspo? Se ho la bobina nuova di 2000mm e la bobina esaurita di 200mm il diametro medio è 1100mm. Mi è sufficiente utilizzare solo questo valore?

Dopo che è stata variata la velocità del motore, come posso rilevare la nuova posizione campionata del ballerino? Dalla simulazione ad esempio?

Caratteristica di velocità del ballerino

OK

Errore di posizione==>processo PID==>riferimento di velocità aspo

10)Il blocco processo PID è quello che va ad agire sul motore in modo da indurre la posizione del ballerino ad eguagliare quella di riferimento?

Caspita... ti ho sommerso nuovamente di domande...

Se riesci a ricavare il semplice schema a blocchi, tanto di cappello .

Comunque siamo sulla buona strada. Rispetto alla nebbia iniziale, comincia ad intravedersi un pò di luce!! E tutto grazie alla tua preziosa disponibilità!

Non dico queste cose con la speranza di ottenere continuamente tue risposte, lo penso veramente!!

E credo che te lo abbiano già detto in molti!!

Di nuovo grazie

Francesco

[Livio Orsini]

1) Quando dici "Il goffratore accelera e l'aspo è fermo" intendi che il goffratore accelera per inseguire la velocità di riferimento dell'avvolgitore, giusto?

No. Il goffratore deve essere il master di velocità. In altri termini il riferimento di velocità della linea agisce direttamente su questo motore.

2) Nota la posizione del ballerino ad ogni campionamento, come si potrebbe ricavare

Meccanica elementare: la derivato dello spazio equivale alla velocità (del ballerino). RIsalire alla differenza di velocità è ....elementare.

3) Mi servirebbe conoscere le caratteristiche costruttive del ballerino...

Queste le devi ricavare dalla meccanica della macchina. Non è un componente standard come un motore. Ma la macchina l'hai vista? Non hai dei disegni meccanici?

4) In particolare... che dispositivo fisico agisce per variare la posizione del ballerino?

Dipende da come è costruita la macchina. Potrebbe essere il peso del ballerino, oppure un sistema fluidico, oppure una molla meccanica, o altro ancora.

Se la velocità della carta che passa attraverso il goffratore è maggiore di quella che transita a partire dallo svolgitore, il ballerino non si sposta verso l'alto permettendo il passaggio di carta?

Si. Però se fai riferimento, come nel mio esempio, all'avvolgitore succede esattamente il contrario. Prova a ragionarci e capirai.

6) Più o meno di quanto sono le escursioni di posizione del ballerino?

Dipende dalla macchina. Si va da pochi millimetri a parecchi metri (anche un centinaio su certi ballerini accumulatori). Nel tuo caso presumo sia dell'ordine dei 20cm-30cm.

Necessiti di un regolatore per ogni ballerino. La posizione di riferimento del ballerino è, usulamente, il punto intermedio della sua corsa. Usualmente, se si usa un trasduttore di posizione costituito da un potenziometro, si alimenta il potenziometro con 2 tensioni di identico valore e inversa polarità (+5v e -5v p.e.). In questo modo la posizione di riferimento coincide con lo 0v.

L'uscita del regolatore potrebbe essere la tensione che alimenta il motore.

ASSOLUTAMENTE NOOO!

Devi prima farti una cultura di base sugli azionamenti, altrimenti è inutile discuterne.

Anche per le restanti domande vale il concetto espresso sopra. Se non hai le conoscenze di base sulla regolazione in generale e sui sistemi discreti nel tempo succede che non ci capiremo mai. Capirai che non è possibile condensare in alcuni post tutta la teoria della regolazione

Leggiti bene il mio tutorial. Non è rivolto a studenti universitari, ma a tecnici di installazione e manutenzione, però potrebbe aiutarti sia a chiarirti meglio le idee sulla regolazione, sia a farti capire quali argomenti dovrai approfondire.

Forse avrai cominciato a comprendere che è più facile fare un buon caffè che un buon regolatore.

Modificato: 11 agosto 2010 da Livio Orsini

[cecco88]

Ciao Livio,

anche se è un pò che non scrivo, non è che mi sia dato alla pazza gioia (purtroppo... )

In questi giorni, grazie anche all'aiuto di un amico, mi sono dato all'analisi degli azionamenti imparando per lo meno le nozioni elementari.

Inoltre ho fatto anche qualche sopralluogo in azienda per chiedere svariate cose.

Ho realizzato una prima simulazione in Excel del sistema che sto analizzando (svolgitore, ballerino, avvolgitore); ora sto procedendo a fare la simulazione in Java, dal quale poi verranno creati file interpretabili da scilab utili per il plot dei risultati.

In Excel attraverso alcuni passaggi, dalla posizione del ballerino, ricavo la differenza di velocità tra avvolgitore e svolgitore.

Dalla differenza di velocità ricavo la velocità a cui deve portarsi lo svolgitore (la variazione di incremento/decremento della velocità dello svolgitore è proporzionale alla differenza di velocità).

Sapendo la velocità di setpoint a cui deve portarsi lo svolgitore (calcolata ad ogni passo di campionamento), ricavo il valore di frequenza che dovrà emettere l'inverter per alimentare il motore in modo da avere il numero di giri corrispondente alla velocità di set point appena nominata.

Una prima parte di simulazione è già pronta anche in Java, solo che ora ho qualche problema nel proseguire.

Dovrei progettare un regolatore PI(D) per variare la velocità in rpm di un motore asincrono controllato in frequenza tramite inverter.

Per far ciò mi occorrerebbe una funzione di trasferimento, per questo mi chiedevo se avesse senso parlare di funzione di trasferimento di un motore asincrono.

Avresti qualche consiglio da darmi?

Ho fatto svariate ricerche in internet e ho chiesto anche a due miei amici che frequentano ingegneria meccanica, ma non ho ottenuto risposte significative.

Livio, ancora una volta ho bisogno del tuo parere, quando puoi ovviamente

Ciao ciao

[Livio Orsini]

Consiglio pratico.

Un azionamento è composto da motore, alimentatore_regolatore ed eventuali trasduttori (corrente e velocità).

Considera l'azionamento e non il motore.

La funzione di trasferimento dell'azionamento, se è retroazionato in velocità, è semplicissima. Si tratta di una costante che adatta il valroe di riferimento (in volto o Hz o numero) al valore in uscita espresso in rpm o rps; oltre a questo c'è un ritardo. Il ritardo è il tempo di risposta dell'azionamento stesso al gradino di riferimento. Il ritardo è fondamentale anche per la messa a punto pratica del sistema, perchè determina la ripidità di risposta alle correzioni.

[cecco88]

Ciao Livio, grazie anche ai tuoi consigli, sono riuscito finalmente a terminare la tesi.

Se mi lasci il tuo indirizzo mail, appena l'avrò terminata definitivamente ti posso allegare il file pdf, se ti può interessare

Non dimenticherò certamente di citarti nella sezione ringraziamenti!!

Sfortunatamente non ho passato l'ultimo esame, così dovrò rimandare la possibilità di laurearmi a febbraio.

Nel frattempo vedo se trovarmi qualche lavoretto, se proseguire nella specialistica o se iniziare un'altra laurea triennale.

A risentirci e Buona giornata

Ciao ciao

Francesco

[batta]

Non ho letto tutto, quindi può essere che quanto dirò sia già stato chiarito.

Dai primi post però vedo che si cerca di calcolare la velocità angolare della ribobinatrice.

Ecco, su queste macchine non serve, perché non si effettua un tipo di avvolgitura con aspo, ma il log viene formato accompagnandolo esternamente con tre rulli (almeno uno dei quali si muove per adeguarsi al diametro). Non si deve quindi variare la velocità del motore al variare del diametro, ma semplicemente mantenere costante tale velocità.

Il movimento del rullo superiore determina la compattezza del log, e lo strappo avviene solitamente applicando una repentina accelerazione a questo rullo (operazione da sincronizzare con l'inserimento della nuova anima), che causerà, assieme allo strappo, anche l'espulsione del log.

Il controllo poi, avendo un ballerino tra goffratore ribobinatrice ed uno tra goffratore e svolgitore, avviene semplicemente in velocità.

Aggiungo che io considererei come master la velocità del goffratore (svolgitore e ribobinatrice effettuano piccole regolazioni per mantenere costante la posizione dei ballerini), e non quella della ribobinatrice.

[Livio Orsini]

....ma il log viene formato accompagnandolo esternamente con tre rulli (almeno uno dei quali si muove per adeguarsi al diametro)

Non su tutte. Questo tipo di avvolgitura, in genere, in genere avviene per avvolgimenti con diametri più grandi di quelli della macchina in oggetto. In questi casi si ripartisce anche la coppia in percentuale differente tra i rulli inferiori in funzione del diametro di avvolgimento; anche la pressione del rullo superiore varia sempre in funzione del diametro, seguendo funzioni specifiche in funzione dle tipo di materiale (grammatura, consistenza, etc).

Questa, dalla descizione, sembrerebbe una macchina piccola e semplice, pertanto anche la regolazione è semplificata.

A titolo informativo: alcune informazioni, particolari per l'applicazione, le ho date direttamente a Francesco

[batta]

Non posso escludere che esistano macchine diverse, ma per l'avvolgitura di rotoli di carta igienica e carta da cucina, io non ho mai visto macchine con aspo per l'avvolgitura.

Questa, dalla descizione, sembrerebbe una macchina piccola e semplice, pertanto anche la regolazione è semplificata.

Nel post #3 si parla di 20 log/minuto (uno ogni 3 secondi), e di velocità di avvolgitura di quasi 500m/min.

Rispecchia esattamente la tipologia di macchine per questo tipo di lavoro che conosco io.

E non la considero una macchina proprio piccola e con una regolazione così facile.

O meglio, sarebbe facile se tutto si limitasse a tenere stabili i ballerini.

Il bello viene invece col movimento del rullo superiore (pressino), che determina il diametro finale e la compattezza del log, e con la gestione dello strappo e dell'espulsione del log, e inserimento della nuova anima.

Modificato: 11 settembre 2010 da batta

[Livio Orsini]

O meglio, sarebbe facile se tutto si limitasse a tenere stabili i ballerini.

Senza alcun intento polemico, però basta saperlo fare, non è difficile, anzi.

Con quel rapporto diametri e quella velocità massima è una macchina tranquilla.

Le macchine difficli son ben altre: rapporto diametri >10, tempi di accelerazione di circa <10" con velocità >= 20m/1".

Magari, come nel tessile, con aspi larghi >2m e diametri >1m, che frenano da 1200m/1' a 0 in poco più di 1" con tutta la linea in perfetto sincronismo per evitare stiramenti.

Ho fatto anche ribobinatori per carta, con avvolgitore arrangiato come lo descrivi tu, e diamentro >1m, senza ballerino tra traino e aspo.

Ma questo non c'entra con questa discussione, il cui tema non è mostrare le proprie conoscenze di macchine, ma dare una mano ad uno studente nella preparazione di una tesi.

Forse ti è sfuggito, ma la macchina serve per una modellizzazione di un lavoro per una tesi di laurea di primo livello.

Francesco non ha mai accennato a rulli pressori, può darsi che non gli fosse stato comunicato, ma la macchina che ha descritto è differente.

Per lavori di questo genere si semplifica un poco, cercando di lavorare sull'essenziale. Ora attendo di leggere tutta la tesi, che Francesco ha promesso di inviarmi, per capire meglio il lavoro.

Modificato: 12 settembre 2010 da Livio Orsini

[batta]

Ma questo non c'entra con questa discussione, il cui tema non è mostrare le proprie conoscenze di macchine, ma dare una mano ad uno studente nella preparazione di una tesi.

Forse ti è sfuggito, ma la macchina serve per una modellizzazione di un lavoro per una tesi di laurea di primo livello.

Francesco non ha mai accennato a rulli pressori, può darsi che non gli fosse stato comunicato, ma la macchina che ha descritto è differente.

Il mio intervento era volto proprio a chiarire questo.

Se si tratta di un lavoro puramente teorico, non c'è problema, ben venga l'aspo con relativi calcoli di diametro e/o coppia.

Non conosco inoltre quali siano le specifiche che a Francesco sono state imposte, e cosa invece Francesco abbia deciso personalmente.

Tutto sta a capire se se la tesi è da sviluppare sul controllo di una macchina per avvolgitura di rotoli di carta igienica (nel qual caso è sbagliata l'avvolgitura con aspo), o sul controllo di avvolgitura con aspo (nel qual caso è sbagliata la tipologia di macchina).

Ho fatto anche ribobinatori per carta, con avvolgitore arrangiato come lo descrivi tu, e diamentro >1m, senza ballerino tra traino e aspo.

Nel tipo di macchina di cui stiamo parlando questo tipo di avvolgitura non è un "arrangiamento", ma una scelta obbligata. Come faresti, con un aspo, a cambiare bobina ogni 3 secondi?

Si tratta di rotoli di piccolo diametro (quello, appunto dei rotoli di carta igienica), ma che superano abbondantemente i 2 metri di larghezza.

Inoltre si parla di avvolgere un materiale con una consistenza piuttosto "effimera" e, quando viene avvolto, presenta già le perforazioni per gli strappi.

Non è possibile quindi determinare la compattezza regolando il tiro, perché non si può parlare di un vero e proprio tiro.

Vorrei chiarire che non sto assolutamente affrontando la discussione con vena polemica, solo non sono convinto che la tesi di Francesco stia procedendo nel giusto verso.

Se dovessi valutare la tesi, considererei la scelta dell'avvolgitura con aspo per una macchina per rotoli di carta igienica un gravissimo errore.

Se si tratta di risolvere il problema da un punto di vista puramente teorico, va benissimo così.

Diversamente, Francesco potrebbe essere ancora in tempo per cambiare il tipo di avvolgitura, o il tipo di macchina (sempre ché, ovviamente, non siano entrambi dati di partenza imposti).

Ne verrebbe fuori, secondo me, una tesi più concreta.

Modificato: 12 settembre 2010 da batta