Proiect A.S.C.N. - Sa se proiecteze un automat secvential pentru preambalari in industria alimentara

UNIVERSITATEA "TRANSILVANIA" DIN BRASOV

Facultatea de Inginerie Electrica si Stiinta Calculatoarelor

Catedra de Automatica Si Informatica Aplicata

Proiect A.S.C.N. 2

(tema nr. 11A)

Tema proiect nr. 11A

Sa se proiecteze un automat secvential pentru preambalari in industria alimentara.

Instalatia permite preambalare produselor alimentare in pungi de plastic, prin sudarea intre ele a doua folii-una inferioara, alta superioara-, dupa ce, in prealabil, aerul a fost scos din punga-ambalaj. Schema de principiu a instalatiei este prezentata in figura 1, in care s-a notat cu :

BC: banda transportoare (are o miscare sacadata) si poarta pe ea caserolele ce vor contine pachetele cu produs preambalat;

MA: motor pentru antrenarea BC;

CS: caserola;

BF1 : rola pentru antrenarea foliei inferioare de material plastic;

BF2: rola pentru antrenarea foliei superioare de material plastic;

I: incalzitor;

CV: cap de vidare.

Elementele principale ale CV sunt prezentate in figura 2. Instalatia cuprinde urmatoarele subansamble:

O banda transportoare BC pe care se afla caserolele in care se vor introduce pe rand: folia de plastic inferioara, produsul alimentar si apoi folia superioara. Un mecanism de antrenare asigura o miscare sacadata a benzii. Timpul de oprire al benzii intre 2 pasi este reglabil (depinde de RT1 si de RT2).

Un incalzitor I, cu rezistenta, care permite mularea foliei inferioare, antrenate de pe o rola (BF1), pe fundul caserolei.

Un cap de vidare CV, care este un mecanism complex si indeplineste functiile:

a). Sudeaza incomplet, cu ajutorul ramei de sudare 1, RS1, foliile inferioara si superioara (termic, cu rezistente montate pe RS1.(figura 2).

b). Evacueaza aerul din ambalaj prin cuplarea la o pompa de vid (actioneaza un electroventil care pune in legatura pompa de vid cu caserola si ambalajul).

c). Sudeaza complet, cu ajutorul ramei RS2, ambalajul (sudura termica).

d). Taie ambalajul la un capat cu ajutorul unui cutit actionat de tija unui cilindru hidraulic .

CICLUL DE FUNCTIONARE

In starea de repaus, BC este instabila.

La apasare pe butonul p (pornit), BC face un pas, fiind antrenata de M. Un contact de fund , a, al postului de lucru, sesizeaza daca exista produs alimentar in caserola ce se afla in dreptul postului de lucru.

In caz ca a=0 (nu exista produs), capul de vidare nu este actionat si BC mai executa un pas. Urmeaza acelasi test.

Daca a=1, CV este actionat de tija cilindrului de coborare C1, pana cand este atins un limitator B₁ de

cap de cursa. In acelasi moment, o data cu CV, sunt coborate ramele de sudare RS1, RS2 si are loc sudarea incompleta, pe o durata data de un releu de timp RT1(Se comanda inchiderea contactului K₁ si astfel trece curent prin rezistenta ramei RS1. Dupa un timp, reglat prin releul RT1, contactul K₁ este deschis, sudura fiind terminata).

Se comanda un electroventil care pune in legatura camera caserolei si ambalajul cu o pompa de vid si astfel are loc evacuarea aerului din ambalaj. Durata vidarii este reglata printr-un releu de timp RT2.

In momentul decuplarii pompei de vid, se inchide contactul K₂ si are loc sudura completa, prin rama RS2, pe o durata de timp egala cu cea data de RT1.

La sfarsitul sudurii complete, un distribuitor electro-hidraulic comanda cilindrul CT in cursa activa. Tija cilindrului antreneaza lama unui cutit care taie ambalajul la unul din capete. Sfarsitul cursei este dat de inchiderea limitatorului t.

Inchiderea limitatorului t comanda ridicarea simultana a cutitului si a capului de vidare.

Cursa de revenire a capului CV este controlata de atingerea limitatorului de cursa inferioara, b₂.

Inchiderea lui b₂ permite reluarea ciclului.

Antrenarea benzii transportoare BC se face printr-un motor electric prevazut cu reductor de viteza (figura 3). O cama inchide dupa o rotatie completa un limitator d, (montat dupa reductor). O rotatie completa corespunde deplasarii cu un pas (o caserola) a benzii BC.

Proiectul va contine urmatoarele scheme de comanda:

Comanda motorului M de antrenare a benzii transportoare BC.

Comanda incalzitorului I.

Comanda coborarii si urcarii capului de vidare CV.

Comanda sudarii incomplete a foliilor de plastic.

Comanda cutitului de taiere.

OBSERVATII. Vor fi luate in considerare urmatoarele interblocari:

a.)        O celula fotoelectrica CF1 interzice comanda incalzitorului I daca nu exista folie pe rolatorul BF1 al foliei inferioare. De asemenea, blocheaza antrenarea BC si a CV.

b.)        O celula fotoelectrica CF2 interzice comanda CV daca nu exista folie pe rolatorul BF2 al foliei superioare si opreste BC.

Comanda motorului M de antrenare a benzii transportoare BC

Variabilele primare pentru antrenarea benzii BC sunt : p,o,d,b₂,t, iar variabila de iesire M.

Butoanele p si o permit cuplarea schemei de comanda a intregii instalatii. Ele sunt introduse intr-o schema clasica cu automentinere. In starea initiala, cama inchide limitatorul d, iar capul de vidare CV se afla in pozitia limita superioara (b₂ =1). Realizam o variabila artificiala t printr-un releu RT cu temporizare la inchidere si un releu T, comandat de contactul normal deschis rt al releului RT. Realizam astfel o temporizare τ=t_RT din momentul inchiderii de catre cama a contactului d.

Daca in tot timpul t_RT , incepand din momentul aparitiei starii initiale, b₂ nu devine 0 ( nu coboara) CV, rezulta ca nu exista produs de preambalat in caserola din dreptul CV si in momentul aparitiei semnalului t motorul va fi cuplat. Se desface d datorita rotirii motorului, dar se asigura mentinerea pe inca un timp scurt, t_DT a contactului t, prin releul DT, cu temporizare la deschidere. In momentul cand s-a efectuat o rotatie completa la motor (un pas al benzii transportoare BC) se revine in starea initiala de asteptare (M decuplat). De fiecare data cand din starea initiala apare mai intai t (in raport cu desfacerea lui b₂) se repeta ciclul descris mai sus. Daca insa, o data aflati in starea initiala, se desface b₂ intr-un interval de timp mai mic decat t_RT (adica exista produs, a=1), motorul va ramane blocat. In continuare, apare t, dar M=0 si cand b₂ redevine 1 (s-a incheiat ciclul complex de la postul de lucru), se tranziteaza in starea care permite efectuarea unui nou pas si pozitionarea unei noi caserole sub CV. In plus se vor introduce interblocarile date de fotodiodele CF1, CF2 pentru existenta foliei inferioare, respectiv superioare.

Comanda incalzitorului I(comanda combinationala-figura 4)

Incalzitorul va contine in schema de alimentare un contact c_i care poate fi inchis numai atunci cand instalatia este pornita si exista folie inferioara (CF₁=0).

Comanda coborarii si urcarii capului de vidare CV

Pentru comanda capului de vidare se utilizeaza un cilindru hidraulic C1 cu dublu efect, comandat de un distribuitor electrohidraului DC1( vezi figura 5). Variabilele primare sunt urmatoarele: contactul a (pentru prezenta de produse de preambalat), a=0 inhiba comanda de coborare a bratului, CF₂(pentru prezenta foliei superioare de plastic), n-indica starea de functionare a motorului m de antrenare pas cu pas a benzii transportoare BC, b₂-limitatorul de cap de cursa superioara a capului de vidare CV,c_T-llimitatorul de cap de cursa de coborare a cutitului, b₁-limitatorul de cap de cursa inferioara a CV.

Variabila de iesire se noteaza cu CCV (comanda cap de vidare).

Comanda sudarii incomplete a foliilor de plastic (comanda intrerupatorului k₁)

Pentru comanda inchiderii contactului k₁ (care prin inchidere permite trecerea curentului prin RS1) se poate utiliza (intr-o prima varianta) o schema cu releu de temporizare la inchidere, RT1, (durata acestei temporizari da timpul de sudare). Sudarea incompleta este initiata in momentul in care capul de vidare CV, in miscarea sa de coborare, a atins limitatorul de fund b₁. Se va studia si solutia fara releu cu temporizare.

Comanda cutitului de taiere

Schema de principiu a actionarii cutitului este prezentata in figura 6. Se utilizeaza un cilindru CT alimentat de un distribuitor electrohidraulic (releul CCT). Variabilele de comanda sunt : p-incheiere sudura completa, c-limitator de cursa activa a cutitului. Variabila de iesire: CCT (releul distribuitorului electrohidraulic).

OBSERVATIE. Se considera ca dupa efectuarea taierii (c_T=1) prin comanda impusa se elibereaza mai intai limitatorul c_t si imediat apoi p (reglaj mecanic).

Proiectul va cuprinde urmatoarele puncte:

Diagrama de semnale : "intrari-iesiri" pentru automatul secvential proiectat.

Determinare matricei(tabelei) primitive a starilor.

Reducerea numarului de stari ale tabelei primitive (construirea matricei reduse a starilor).

Codificarea starilor matricei reduse

Determinarea matricelor tranzitiilor starilor si obtinerea functiilor de excitatie ale automatului.

Determinarea matricelor iesirilor si a functiilor de iesire ale schemei.

Implemantarea schemei cu relee si contacte electrice.

Analiza schemei obtinute.

1. Comanda motorului

Exista doua cazuri de functionare a motorului M:

daca nu exista produs de ambalat in caserola (a=0);

daca exista produs de ambalat in caserola (a=1).

Diagrama de semnal pentru cazul in care nu exista produs in caserola (a=0) :

S₀ S₁ S₂ S₃ S₄

d ₀¹

b_{2 0}¹

t ₀¹

M ₀¹

^{1 2 3}

t_RT t_DT

se inchide cama d=1

nu exista produs a=0, b₂ nu se modifica

soseste impulsul t, se actioneaza motorul M

s-a facut o rotatie completa a motorului, cama se inchide d=1, motorul se opreste M=0.

Diagrama de semnal pentru cazul in care exista produs in caserola (a=1) :

S₀ S₄ S₅ S₁ S₂ S₃ S₀

d ₀¹

b_{2 0}¹

t ₀¹

M ₀¹

^{1 2 3 4}

t_RT t_DT

se inchide cama d=1

exista produs a=1, iar b₂ devine 0

a aparut impulsul t, dar cum b₂=0, motorul nu mai este actionat

CV a ajuns sus b₂=1 se actioneaza n pentru a pozitiona o noua caserola

Matricea primitiva a starilor

Matricea primitiva a starilor pentru comanda motorului este:

Matricea completa a iesirilor

Are aproximativ aceeasi dimensiune ca matricea primitiva a starilor. Se completeza situatiile de nedefinire astfel:

iesirile pentru starile stabile;

iesirile pentru starile instabile.

Astfel daca :

a)      starile stabile intre care are loc tranzitia au aceleasi iesiri s_i às_j este absolut obligatoriu ca in cursul starii instabile sa se pastreze iesirea neschimbata;

b)      cand tranzitia are loc intre doua stari stabile cu iesiri diferite s_i às_j

daca tranzitia are loc in prima jumatate a intervalului de tranzitie, iesirea starii instabile corespunde cu iesirea starii stabile;

daca tranzitia are loc in a doua jumatate a intervalului de tranzitie, starea instabila s_j are iesirea corespunzatoare starii stabile s_i.

Reducerea matricii primitive a starilor Poligonul alipirilor (fuziunilor))

Iesirea trebuie sa fie identica in cele doua stari. Astfel cele 6 stari se pot alipi dupa cum urmeaza:

S₁ cu S₂ si S₃ vor forma A(1,2,3)

S₀ cu S₄ si S₅ vor forma B(0,4,5).

Matricea redusa a starilor este:

Matricea redusa a iesirilor este:

Matricea codificata si redusa a starilor

Codificarea matricii reduse a starilor si iesirilor se face conform relatiei 2^p>q unde q este numarul starilor reduse, p numarul variabilelor de stare necesare pentru a codifica q stari reduse.

Astfel avem 2 stari reduse q rezula ca avem o variabila de stare y (p ) si o singura functie de excitatie Y.

Matricea codificata si redusa a iesirilor

Intocmirea matricii starilor si obtinerea functiilor de excitatie

Este practic matricea codificata si redusa a starilor unde, in locul starii se trece codul prin care a fost codificata starea respectiva. Astfel A(1,2,3) a fost codificata cu 0 iar B(0,4,5) cu 1.

Tabelul de forma 4x4 este:

Functia de excitatie este Y=

Matricea iesirilor si obtinerea functiei de iesire este, practic, matricea codificata a iesirilor care are forma de 4x4 urmatoare.

Functia de iesire este

Implementarea a functiei de comanda a motorului M

O p

r R

d D

DT

dt    RT

rt T

CF₁ CF₂ t d

b₂ Y

d

b₂ t M

2. Comanda incalzitorului

Cum incalzitorul depinde in functionarea sa doar de semnalul diodei CF₁ schema poate fi implementata direct.

a p

r R

CI

CF₁

Astfel daca exista folieà CF₁ inchis, se actioneaza releul CI care inchide contactul C_i

Astfel daca nu exista folieà CF₁ deschis, se actioneaza releul CI care deschide contactul C_i

3. Comanda coborarii si urcarii capului de vidare CV

Variabilele de comanda sunt:

contactul a;

fotodioda CF₂;

starea de functionare a motorului M -n;

limitatorul cap de cursa superioara a capului de vidare CV -b₂;

limitatorul cap de cursa inferioara a capului de vidare CV -b₁;

limitatorul de cap de cursa de coborare a cutitului -c_t;

Deoarece fotodioda CF₂ si contactul a blocheaza coborarea capului de vidare CV indiferent de celelalte semnale, ele pot fi integrate in schema automatului de comanda ca realizand operatia logica SI astfel:

Daca CF₂=1 si a 1 se executa coborarea si urcarea capului de vidare CV.Daca una este 0 nu se face nimic.

CF₂ a

Restul circ. de comanda al

CV

Diagrama de semnal este

S₀ S₁ S₂ S₃ S₂ S₁ S₀

n ₀¹

b_{2 0}¹

c_{t 0}¹

CCV ₀¹

CF₂=1 si a 1 banda se roteste n

s-a oprit banda n=0, CCV=1, se coboara capul de vidare;

ca urmare a coborarii capului de vidare s-a deschis b₂

se efectueaza operatiile de sudura incompleta,vidare, sudura completa;

taindu-se produsul,cutitul ajunge jos, si se comanda urcarea capului de vidare CCV

Matricea primitiva a starilor

Matricea completa a iesirilor

Reducerea matricii primitive a starilor Poligonul alipirilor (fuziunilor))

Iesirea trebuie sa fie identica in cele doua stari. Astfel cele 6 stari se pot alipi dupa cum urmeaza:

S₁ cu S₂ vor forma A(1,2)

S₃ cu S₄ si S₅ vor forma B(3,4,5).

S₀ ramane singur si va forma C

Matricea redusa a starilor

Matricea redusa a iesirilor

Codificarea matricii reduse a starilor

Avem 3 stari reduse care se pot codifica cu 2 variabile. Pentru a pastra proprietatea de adiacenta se va mai adauga o stare suplimentara D pentru a codifica toate starile adiacent.    

00

10 01

11

Matricea codificata si redusa a starilor

Matricea codificata si redusa a starilor

Intocmirea matricii starilor si obtinerea functiilor de excitatie Y₁ si Y₂

Functia de excitatie este Y₁=

Y₁=

Matricea iesirilor si functia de iesire

Z=

Implementarea cu relee si contacte

CF₂ a n

Y₁

n y₂

C_t    Y₂

y₁ y₂

CCV

4. Comanda sudarii incomplete a foliilor de plastic

• Sudarea incompleta este declansata de inchiderea contactului cu cama b₁ si dureaza un interval de timp t_RT1 determinat de releul cu temporizare la inchidere RT₁

Diagrama de semnal

b_{1 0}¹

K_{1 0}¹

Implementarea schemei

b₁

RT

rt₁

K₁

5. Comanda cutitului de taiere

Variabilele de comanda sunt:

P - incheiere sudura completa;

C_t - limitator de cursa activa a cutitului;

Diagrama de semnal

S₀ S₁ S₂ S₃ S₀

p ₀¹

C_{t 0}¹

CCT

in momentul in care s-a terminat sudura(p 1) se actioneaza cutitul(CCT

cand s-a incheiat sudura se activeaza limitatorul de cursa activa a cutitului (C_t

Matricea primitiva a starilor

Matricea completa a iesirilor

Reducerea matricii primitive a starilor(Poligonul alipirilor (fuziunilor))

Cele 4 stari se pot alipi dupa cum urmeaza:

S₀ va fi A(0)

S₁ va fi B(1)

S₂ cu S₃ vor forma C(2,3).

Matricea redusa a stariilor

Matricea redusa a iesirilor

Codificarea matricii reduse a starilor

Avem 3 stari reduse care se pot codifica cu 2 variabile. Pentru a pastra proprietatea de adiacenta se va mai adauga o stare suplimentara D pentru a codifica toate starile adiacent.

10 01

Matricea redusa si codificata a starilor

Matricea redusa si codificata a iesirilor

Intocmirea matricii starilor si obtinerea functiilor de excitatie Y₁ si Y₂

Y₁=

Y₂=

Matricea iesirilor si functia de iesire

Z=

Implementarea schemei

c_t

Y₁

p y₁

Ct    y₂   

p y₂ Y₂

y₁

CCT

6. Analiza

Analiza implementarii cu relee a motorului M

La apasarea butonului p, releul R inchide contactul r asigurand trecerea curentului prin circuit si dupa incetarea actiunii asupra butonlui p; la apasarea butonului o releul R nu mai este alimentat si se deschide contactul r astfel incat prin circuit nu mai circula curent dupa incetarea actiunii asupra butonului o.

Cazul a=0(nu exista produs)

In starea s₀ d=1 deci: d inchis,t inchisàDT inchide dtàRT este alimentat à Y face ca y_{(linia 4)} inchis, y_{(linia 5)} deschisà nu se roteste motorul M

b₂=1 atunci b_2(linia41) inchis iar b_2(linia42) deschis;

Daca nu exista produs in caserola b₂ ramane 1à are loc inchiderea C_t dupa un timp t_RT àT alimentat deschide tà Y nu mai este alimentatà y_{(linia 4)} se deschide, y_{(linia 5)} se inchideà se actioneaza M pentru a aduce urmatoarea caserola. Se deschide dàdupa un timp t_DT de deschide dtà se deschide rt à de deschide dà T inchide t. La finalul unei rotatii a motorului M se inchide d_{(linia 2)} si d_(linia4) ne regasim in starea initiala s_0.

Cazul a=1(exista produs de ambalat in caserola)

d_{(linia 2)} inchis, DT inchide dt, d_(linia4) inchis, t inchis, b₂=1 atunci b_2(linia41) inchis iar b_2(linia42) deschis àY este alimentat à y_{(linia 4)} inchis, y_{(linia 5)} deschisàmotorul nu se roteste;

daca exista produsà b₂ devine 0à are loc modificarea lui b₂ inainte de inchiderea rt;

b₂ inchis, à Y continua sa fie alimentat prin t si d chiar daca b₂ se deschideà y continua sa fie deschisà motorul M nu se roteste;

dupa t_RT Rt inchide rtàT este alimentat deschide t;

CV isi termina operatiile

b₂ devine 1à b₂ se inchide àY nu mai este alimentatàd se inchideàM se roteste àd se deschide , b₂ la fel, d_{(linia 2)} se deschide dupa timpul t_DT, DT deschide dtàRT deschide rtàT se inchide;

dupa o rotatie a motorului M se inchide d_{(linia 2)} si d_(linia4) si ne aflam in starea initiala.

In orice moment deschiderea lui CF₁ sau CF₂ opreste motorul M.

Analiza incalzitorului

La apasarea butonului p, releul R inchide contactul r asigurand trecerea curentului prin circuit si dupa incetarea actiunii asupra butonlui p; la apasarea butonului o releul R nu mai este alimentat si se deschide contactul r astfel incat prin circuit nu mai circula curent dupa incetarea actiunii asupra butonului o.

Circuitul este alimentatàCI alimentatà I incalzeste

CF₁ deschis(nu avem folie)à CI nu mai este alimentat deci nu mai incalzeste

CF₁ inchis(avem folie)à CI este alimentat deci I incalzeste.

Analiza functionarii capului de vidare CV

Initial n à n_{1(linia 1)} inchis iar n_(linia2) deschisà Y₁ este alimentatày_{1(linia 4)} deschisà CCV este sus;

b₂=1 b₂ nu conteaza in acesta implementareàY₂ nu este alimentatày_{2(linia 4)} inchis;

n devine 0 (se opreste banda)àn_(linia1) deschisà Y₁ nu este alimentatà n_{(linia 2)} inchis(coboara CCV)àCCV este alimentat;

C_{t(linia 3)} devine 1(s-a taiat produsul)à C_t inchisà Y₂ este alimentatày_2(linia2) inchis Y₂ este alimentat àn_{(linia 2)} deschisàCCV nu mai este alimentat(incepe sa urce) ;

C_t devine 0 (cutitul revine din cursa sa)à C_{t(linia 3)} dar Y₂ continua sa fie alimentat prin ramura 2;

n devine 1(se roteste motorul)à n_{1(linia 1)} se inchideà Y₁ este alimentatày_1(linia4) deschis

n_(linia2) se deschideà Y₂ nu mai este alimentatày_{2(lina 4)} inchisàprin linia 4 nu mai circula curent adica CCV nu mai este alimentat si s-a ajuns in starea initiala.

In absenta foliei dioda CF₂ se deschide si se opreste instalatia.

Absenta produsului de ambalat a=0 face ca acest circuit de comanda sa nu faca nimic (CCV ramane sus).

Analiza comenzii sudurii incomplete a foliilor de plastic

Initial b₁=0à b₁este deschis

Se inchide b₁àRT₁ este alimentat , dupa un timp t_RT RT comanda deschiderea rt₁àK₁ este alimentat (adica se sudeaza)

K₁ nu mai este alimentatàs-a incheiat sudura.

Analiza comenzii cutitului de taiere

Initial p=0àp_{(lina 2)}deschis, p_{(lina 4)}deschisàY₁ nu este alimentat ày_{1(linia 2)} deschis,y_{1(lina 4)} inchis ;

C_t=0à C_t(linia1) este deschis, C_t(linia3) inchisà Y₂ nu este alimentatà y_{2(linia 3)} si y_{2(linia 5)} deschiseà CCT nu este alimentat;

Dupa t_RT3 releul RT₃ comanda terminarea sudarii complete iar p devine 1;

P=1à p_{(lina 2)} si p_{(lina 4)} inchiseà Y₂ este alimentat pe linia 4, y_{2(linia 3)} inchis àY₂ este alimentat si pe linia 3

y_{2(linia 5)} inchis àCCT este alimentat (se coboara cutitul de taiere);

cuttitul si-a terminat cursa à C_t devine 1à C_t(linia1) inchisà Y₁ este alimentat pe linia 1à y_{1(linia 2)} inchis, y_{1(lina 4)} deschis;

C_t(linia2) deschisà Y₂ nu mai este alimentat pe nici o ramura à y_{2(linia 5)} deschiseàCCT nu este alimentat (cutitul este sus);

Cand cutitul a urcat C_t devine 0à C_t(linia1) deschisà Y₁ este alimentat dar prin linia 2

C_t(linia3) inchisàp devine 0àp_(linia2) si p_(linia4) sunt deschise àam ajuns in starea initiala.