Istituto Tecnico L. Galvani
Ghedi
Francesco
Piattaforma Girevole per Rimessa
Locomotive Azionata da Motore Passo-Passo
il fermodellismo non è
un gioco, ma piuttosto la serena applicazione di una
disciplina che nasce sul terreno di lavoro Bruno Boni sindaco di
Brescia |
Genesi
dellidea
Il
primo monumento italiano alla locomotiva N.1 S.N.F.T. |
Sono
un fermodellista, ovvero un appassionato di treni. Dedico quindi
parte del mio tempo libero alla realizzazione di plastici
ferroviari. Sono socio del C.F.B., Club Fermodellistico Bresciano
che opera sin dagli anni 50 e nel 2000 si è iscritto nel
registro delle associazioni no-profit. Questassociazione
nel 1961 ha ottenuto, dal comune la sala del Piccolo Miglioallinterno
del castello sul colle Cidneo per poter costruire un plastico
ferroviario. Questo locale fu concesso anche grazie allallora
sindaco di Brescia, Bruno Boni, in concomitanza con linaugurazione
del primo Monumento Italiano alla Locomotiva a Vapore
posto nel piazzale tra le mura del castello stesso, e da allora
chiamato Piazzale della locomotiva. In segno di
riconoscenza, i soci del club ringraziarono la cittadinanza con
il dono del plastico Cidneo, consegnato alla città nel giorno di
Santa Lucia del 1969. Un plastico per lepoca allavanguardia
in fatto dautomatismi, grazie a decine di relè ed
interruttori ed ad oltre 32km di cavi elettrici. Nel corso della
costruzione fu importante anche il supporto di varie case
costruttrici di modelli ferroviari, soprattutto quelle italiane,
come la L.I.M.A. (Lavorazione Italiana Metalli e Affini) di
Vicenza, che è stata poi assorbita dallaltro grande
marchio italiano, la RivaRossi di Como, che a sua volta, negli
anni 90 è stata acquisita da una nuova società, con sede
a Brescia e che ha ripreso lo storico nome LIMA.
Purtroppo ora è sottoposta a procedura concorsuale.
Una
foto depoca in unapertura al pubblico del
plastico (anni 60/70) |
Col
passare del tempo i relè diventavano obsoleti e a causa dellelevato
numero di componenti i guasti erano molto frequenti; anche il
paesaggio si deteriorava, finchè nel 1998, dopo quasi 30 anni di
funzionamento pressoché ininterrotto, si diede inizio ai lavori
per semplificare i tracciati, sostituire ai relè schede
elettroniche o relè di recente fattura e una notevole
rielaborazione del paesaggio. A questi lavori partecipai in
maniera abbastanza attiva, arrivando ad assumere la responsabilità
dellelaborazione e costruzione di alcuni sistemi
automatici, quali il circuito di controllo in logica a relè
della funivia e il comando a P.L.C. (Programmable Logic
Controller) per la gestione di due linee.
Ora i
che lavori di ristrutturazione del Plastico Cidneo sono quasi al
termine, a me è rimasto poco da fare, per cui ho spostato la mia
attenzione ad altri aspetti di questo hobby. Infatti, collaboro
nella realizzazione del sito internet www.Plasticando.com con la
stesura di alcuni articoli dedicati a chi vuole avvicinarsi a
questa passione. Ho in progetto la costruzione di un mio plastico.
Per questa ragione ho realizzato un modello di piattaforma
girevole utilizzata negli scali ferroviari per lo smistamento dei
vari vagoni.
Uno
dei vecchi quadri a relè |
Vista
complessiva del plastico |
Una
vista complessiva del plastico Cidneo dopo i recenti
lavori |
Questo
sistema può trovare molte applicazioni anche nellindustria.
Infatti, sullo stesso principio funzionano le tavole rotanti di
molte macchine transfer per le quali si ha lesigenza di
posizionare esattamente la tavola in corrispondenza dellunità
che deve lavorare. In molti casi la rotazione della tavola compie
un angolo fisso per cui è possibile realizzarla mediante
dispositivi esclusivamente elettromeccanici o oleodinamici. Per
una questione di modularità e quindi per poter adattare il
funzionamento della tavola ad applicazioni diverse può essere
conveniente non predisporre angoli fissi, ma poterli programmare
a piacere.
Descrizione
del modulo
Foto
del modulo ancora in fase di costruzione |
Il
modulo è un pezzo di plastico. In altre parole è come se
costruissimo un plastico in tanti elementi smontabili, ed ognuno
rappresenta una o più determinate situazioni, Ad esempio questo
modulo riproduce una rimessa locomotive circolare con piattaforma
girevole.
Il
modulo si divide in due livelli. Il livello più alto, formato da
due binari è la Main Line, che è la linea principale. Il
livello basso, invece, è la Branch Line, che rappresenta una
linea secondaria ed è su questo percorso che si trova la rimessa
locomotive.
Foto
allalto della piattaforma girevole con alcune
indicazioni |
La
funzione della rimessa locomotiva è di ricoverare le locomotive
quando sono inutilizzate, e lo scopo della piattaforma è dindirizzare
le locomotive al rispettivo binario di sosta. Questa struttura si
può paragonare ad uno scambio con tante deviazioni. Unaltra
utilità della piattaforma girevole è quella di permettere la
Giratura delle locomotive a vapore, che essendo
unidirezionali, necessitano di essere girate per permettere il
viaggio di ritorno. Il funzionamento della rimessa locomotive è
molto semplice: una locomotiva entra sul Binario dentrata,
sale sul Ponte Girevole ed una volta che è ferma sul
ponte, questultimo ruota e porta la locomotiva al binario
di sosta stabilito. Giunti in posizione la locomotiva scende e va
a parcheggiarsi, oppure, il ponte compirà una rotazione di 180°
invertendo così il senso di marcia della locomotiva, che scende
dalla piattaforma e rientra sulla linea nel senso contrario a
quello precedente.
Foto
dallalto con numerazione dei binari serviti dalla
piattaforma |
La
struttura della piattaforma è un kit di montaggio importato
dagli Stati Uniti, ed originariamente ne prevedeva il solo
funzionamento manuale, in altre parole bisogna far girare il
ponte con le mani. Naturalmente in commercio esistono piattaforme
motorizzate, però montano un motore in Corrente Continua a basso
voltaggio (12-15 VDC), il che non permette un giusto
posizionamento del ponte rispetto ai binari di sosta, senza lutilizzo
di accorgimenti meccanici.
Vista
la similitudine, come già detto, con le tavole girevoli delle
macchine transfer, ho pensato di risolvere il problema del
posizionamento nello stesso modo, con lutilizzo di un motore
speciale. Questo tipo di motore deve garantire degli
spostamenti precisi, notevole semplicità dutilizzo, ed un
costo ridotto, per questi motivi ho utilizzato motore
passo-passo acquistato a pochi euro ad un mercatino
dellelettronica.
Introduzione
ai motori passo-passo
Centro
di lavoro montato su macchina transfer a CNC con 4 assi
interpolati azionato mediante motori brushless |
Da
qualche decina danni, alle classiche macchine elettriche
rotanti, quali alternatore e motore asincrono, si sono aggiunti
altri 2 tipi di macchine di tipo sincrono, il motore Brushless,
letteralmente senza spazzole ed il motore passo-passo,
detto anche Stepping motor. La loro diffusione è stata
favorita soprattutto dalla notevole evoluzione ottenuta dallelettronica
sia di potenza sia di controllo, che li ha resi molto versatili,
soprattutto nel campo dellautomazione di qualsiasi tipo.
Motore
passo-passo su una stampante ink-jet |
Questi
tipi di motore trovano notevoli applicazioni sia in campo
industriale sia in campo civile, come ad esempio il controllo
degli assi nelle macchine utensili a controllo numerico (CN),
lazionamento di tavole girevoli, lo spostamento delle
testine di stampanti o plotter, lapertura graduale di
valvole a portata variabile per liquidi o gas, le varie
movimentazioni di robot e posizionatori, ed altre situazioni dove
si richiedono degli spostamenti molto precisi.
Tra i
due il più diffuso è il motore Passo-passo, che vanta
una notevole economicità, pochi euro per i piccoli motori, molta
precisione nei movimenti e facilità dutilizzo. Gli unici
inconvenienti sono dovuti alla coppia relativamente bassa, che li
rende inadatti a situazioni di lavoro, ed inoltre non possono
superare una determinata velocità.
Vari
motori passo-passo di piccola taglia |
Comè
fatto un motore passo-passo e come funziona
Il
motore passo, come tutti i motori, è formato da un rotore e da
uno statore. Il rotore è costituito da un magnete permanente che
genera un flusso magnetico, mentre lo statore va a formare due
particolari circuiti magnetici.
Vista esterna del motore |
Vista del motore smontato |
La
caratteristica dello statore è di porre gli avvolgimenti in una
disposizione radiale rispetto allasse di rotazione. Questa
disposizione fa in modo che i flussi da loro generati obblighino
il flusso rotorico ad allinearsi, per via delle forze dattrazione
e repulsione tra i poli, facendo così girare il rotore.
Disposizioni degli avvolgimenti
sullo statore |
Questi
attuatori si dividono in due categorie, i motori unipolari
ed i motori bipolari.
Schema
di massima di un motore unipolare con circuito di comando |
I
motori unipolari sono costituiti da due avvolgimenti per circuito
magnetico posti in contrapposizione tra loro e con un capo in
comune. Questi avvolgimenti creano due flussi opposti, per cui
verranno alimentati uno alla volta. La conformazione prevede il
passaggio in un solo verso della corrente, semplificando il
circuito di comando che sarà formato da due soli interruttori
per circuito magnetico.
I
motori bipolari sono costituiti da una sola bobina per circuito
magnetico, e la reversibilità del flusso è effettuata mediante
linversione della corrente allinterno delle spire.
Questaccorgimento permette la costruzione di motori di
piccole dimensioni, mentre il circuito di comando sarà
rappresentato da un ponte a H per ogni avvolgimento.
Schema di
massima di un motore bipolare con circuito di comando |
Schema del
ponte a H per linversione di polarità di un
singolo avvolgimento |
Come
già detto, il motore passo-passo è una macchina sincrona, perciò
si dovrà pilotare gli avvolgimenti con una determinata sequenza,
così facendo si farà girare il campo magnetico che sarà
seguito dal campo magnetico del rotore provocandone la rotazione.
Questa sequenza si effettuerà alimentando alternativamente gli
avvolgimenti, invertendo anche la polarità ai loro capi e in
questo modo si varia il senso dei flussi magnetici. Per invertire
la rotazione basta semplicemente invertire la sequenza di comando.
Fase
1 |
Si
alimentata in senso positivo lavvolgimento A |
|
Fase
2 |
Si
toglie tensione allavvolgimento A e si alimenta lavvolgimento
B. |
|
Fase
3 |
Si
toglie tensione allavvolgimento B e si alimenta lavvolgimento
A in senso negativo. |
|
Fase
4 |
Si
toglie tensione allavvolgimento A e si alimenta lavvolgimento
B in senso negativo. |
|
Fase
1 |
Si
toglie tensione allavvolgimento B e si alimenta lavvolgimento
A in senso positivo, tornando alla situazione iniziale. |
|
Questo
invece è il grafico delle correnti negli avvolgimenti di un
motore bipolare in base alle fasi di rotazione. IA
corrente nellavvolgimento A, IB corrente nellavvolgimento
B
Numero
di passi dei motori in commercio |
|
Numero
di passi |
Gradi
desecuzione |
20 |
18° |
24 |
15° |
40 |
9° |
48 |
7,5° |
100 |
3,6° |
200 |
1,8° |
Naturalmente
quello nelle figure è un ipotetico motore a 4 passi, ovvero 90
° a passo, ma in commercio esistono motori con un alto numero di
passi da garantire un minor angolo di esecuzione, ed una maggior
precisione.
Questi
motori vengono pilotati da speciali circuiti chiamati azionamenti.
Gli azionamenti si possono dividere in 2 parti: la parte di
potenza e la parte di comando.
La parte
di potenza ha il compito di alimentare gli avvolgimenti
seguendo le istruzioni impartite dalla logica di comando,
naturalmente agli interruttori delle precedenti figure vengono
sostituiti dei transistor o relè statici.
La parte
di comando è il cervello del sistema, in altre parole deve
pilotare la parte di potenza in modo adeguato, affinché
il motore compia determinate funzioni. Ultimamente si affida il
comando a dei sistemi a Logica Programmata, essendo più
versatili dei sistemi a Logica Cablata che presentano
notevoli limiti rispetto ai primi.
Per
il mio scopo ho utilizzato un PLC per quanto riguarda la parte di
comando, mentre la parte di potenza è formata da una scheda dinterfaccia
a 8 relè statici per la creazione del doppio ponte ad H.
Descrizione
del sistema
Il sistema si compone dei seguenti elementi, che andrò in seguito a spiegare:
Parte meccanica, che comprende:
Parte elettrica, che comprende (vedere schemi allegati):
Programma di comando e controllo da PLC (software), vedere schemi allegati.
Ø
Parte meccanica
Foto
del gruppo meccanico con alcune indicazioni |
Per
questa applicazione ho adoperato un motore a 200 passi per giro,
con una risoluzione di 1,8° di rotazione dellalbero per
passo. Però non posso collegare il motore direttamente al ponte,
infatti, come visto prima, il motore passo-passo ha una bassa
coppia, ed inoltre, per avere un movimento il più lineare
possibile, non a scatti, occorre farlo girare non al di sotto di
una determinata velocità., due fattori meccanici che non si
adattano alla funzionalità del sistema.
Per
ovviare a ciò ho utilizzato un meccanismo di riduzione della
velocità, formato da 2 pulegge dentate di diverso diametro e da
una cinghia sincrona, ed il loro rapporto di trasmissione è di 1:5
ovvero 5 giri motore corrispondono ad 1 giro del ponte.
I
vantaggi del sistema sono la riduzione della velocità ed un
aumento della coppia tra lalbero motore e lalbero
trainato e le dentature garantiscono una notevole precisione. Un
altro importante vantaggio è la notevole precisione ottenuta sul
ponte. Precisione dovuta ad una risoluzione di 1/1000 di giro per
passo, ovvero 0,36°.
Disegno
indicativo della parte meccanica |
Ø
Parte elettrica
Vista
del quadro elettrico |
La
parte elettrica è formata da un quadro in vetroresina che
contiene i vari componenti cablati tra loro, per il funzionamento
del sistema. In allegato trovate lo schema elettrico.
Quantità |
Componente |
Descrizione |
|
1 |
CPU Siemens S5 CPU102 Codice : 6ES5 102-8MA02 |
Central
Proces Unit Unità centrale del PLC |
Gruppo
PLC |
2 |
Unita
ingressi digitali 8x24VDC Siemens S5 Codice : 6ES5 431-8MA11 |
Unità
ingressi del PLC N° 8 ingressi a 24 VDC |
|
3 |
Unita
uscite digitali 8x24V/0,5A DC Siemens S5 Codice : 6ES5 441-8MA11 |
Unità
uscite del PLC N° 8 uscite a 24 VDC e 0,5A di
corrente duscita |
|
3 |
Modulo
di BUS Siemens S5 Codice: 6ES5 700-8MA11 |
Zoccolo
di Bus del PLC |
|
1 |
AL1 Alimentatore 24VDC 1,5A Omron PS221 |
Alimentatore
switching Usato per lalimentazione
PLC e logica. |
|
1 |
MRS1 Modulo 8 relè a stato solido input 24 VDC / output 60 VDC 2A Euro Instrument |
Modulo
8 relè a stato solido Usato per il comando degli
avvolgimenti del motore. |
|
1 |
TR1 Trasformatore 220/24V 80 VA |
Trasformatore
Usato per lalimentazione di
potenza del motore. |
|
1 |
RD1 Gruppo di raddrizzamento |
Gruppo
di raddrizzamento formato da un ponte diodi da 10A ed un
condensatore elettrolitico. Usato per lalimentazione di
potenza del motore. |
|
1 |
Quadro
in vetroresina Marina Legrand |
|
Ø
Programma di comando e controllo
Il software del PLC è stato da me elaborato e si sviluppa in questo modo:
3 blocchi organizzativi |
OB1 OB21 OB22 |
Per il funzionamento interno del PLC |
1 blocco programma |
PB1 |
Programma vero e proprio del sistema |
N° segmento |
Funzione |
Dal 1 al 24 |
Comandi base |
Dal 25 al 33 |
Controllo motore |
Dal 34 al 43 |
Gestione logica di posizionamento |
Dal 44 al 70 |
Gestione posizioni |
Dal 71 al 72 |
Gestione modalità 180° |
Dal 73 al 76 |
Gestione spie |
Il PB1 si può dividere in varie zone di competenza in base ai segmenti, vedi tabella a lato:
Ø
Interfaccia uomo-macchina Human-Machine Interface (HMI)
Pulsantiera
di macchina transfer |
Linterfaccia
uomo-macchina comprende tutti quei sistemi che permettono la
comunicazione tra lutilizzatore e la macchina stessa. Ad
esempio, un pulsante permette allutilizzatore di far
compiere un determinato lavoro alla macchina, mentre una lampada
spia, comunica allutilizzatore un qualsiasi messaggio da
parte del sistema. Oggigiorno, con lelevata complessità
dellautomazione, lHMI è diventata una componente
essenziale. Infatti, e se qualche anno fa bastavano pochi
elementi tra pulsanti e spie, ora si utilizzano dei pannelli
operativi elettronici per migliorare la comunicazione uomo-macchina,
con notevoli altri vantaggi.
Pannello
operativo di macchina transfer |
Pannello
Operativo e Pulsantiera su armadio elettrico di macchina
transfer |
Naturalmente,
per la piattaforma girevole, utilizzerò una piccola pulsantiera
da me costruita, con in seguito la descrizione dei vari elementi.
Pulsantiera di comando della
piattaforma |
Descrizione
degli elementi della pulsantiera |
Dicitura |
Descrizione |
Funzione |
AUTO
MAN |
Selettore
a leva 2 posizioni |
Selettore
di modo AUTO = funzionamento in
modalità automatica MAN = funzionamento in modalità
manuale |
INSERIMENTO
POSIZIONATORE |
Pulsante
luminoso verde |
Pulsante
sistema di posizionamento Funzione
ON/OFF Acceso = posizionatore
inserito |
IMPULSI |
Pulsante
luminoso rosso |
Pulsante
modo impulsi (solo in modalità
manuale) Acceso = modo impulsi
inserito |
RESET |
Pulsante
rosso |
Pulsante
di reset / stop Stop dei
movimenti e Reset posizionatore tramite sequenza |
COPPIA MOTORE |
Selettore
a leva 2 posizioni |
Selettore
mantenimento coppia motore Mantenimento
del motore fermo in coppia Leva bassa = motore libero Leva alta = motore in
coppia |
180° |
Pulsante
luminoso verde |
Pulsante
rotazione di 180° Inserimento
rotazione di 180° (1/2 giro) Funzione ON/OFF Acceso = rotazione 180°
inserita |
POSIZIONE
RAGGIUNTA |
LED
verde |
Led
di posizione raggiunta Indica se il
ponte è in posizione Acceso = ponte in posizione Lampeggiante = manca Set
Posizionatore |
Selettore
a leva 3 posizioni astabile |
Selettore
di direzione Leva a destra =
rotazione del ponte oraria Leva a sinistra = rotazione
del ponte antioraria |
|
LED giallo |
Led
di rotazione antioraria Indica se
il ponte si muove in senso antiorario |
|
LED giallo |
Led
di rotazione oraria Indica se il
ponte si muove in senso orario |
Oltre
alle spie, cè anche un segnale acustico, fatto da una
cicalina che suona in modo intermittente quando la piattaforma si
muove in automatico.
Manuale duso
La piattaforma funziona in diverse modalità che spiegherò singolarmente.
Modalità MANUALE
Si ottiene portando il selettore di modo verso destra su MAN.
In questa condizione, la piattaforma gira quando viene manipolato il selettore di direzione, e si ferma quando viene rilasciato, per cui è possibile fermare il ponte tra 2 postazioni.
Quando il ponte arriva in posizione si ferma per 1s in modo da poter rilasciare il selettore, se invece non avviene il rilascio, a tempo scaduto, riprende il moto.
Modalità MANUALE-IMPULSI
Questa modalità si utilizza per il settaggio del sistema di posizionamento e per compiere dei movimenti molto precisi.
Si ottiene portando il selettore di modo verso destra su MAN e inserendo il modo impulsi con PULSANE MODO IMPULSI, si disinserisce autonomamente quando si passa in modalità automatico.
In questa condizione si può muovere il ponte un passo motore alla volta tramite la manipolazione del selettore di direZIONE, rendendo così possibile uno spostamento molto preciso.
Procedura di settaggio del sistema
di posizionamento:
1) Si porta il ponte il più possibile vicino alla posizione 0 in modalità manuale.
2) Si inserisce la Modalità MANUALE-IMPULSI e si porta passo-passo il ponte in posizione.
3) Si inserisce il sistema di posizionamento e il mantenimento del motore in coppia con il Selettore mantenimento coppia motore.
4) Si tiene premuto il Pulsante di reset / stop per 5s, fino allaccensione di Led di posizione raggiunta ed al segnale acustico.
5) Il sistema di posizionamento è settato.
Modalità AUTOMATICO
È il modo di lavoro della piattaforma.
Si ottiene portando il selettore di modo verso sinistra su AUTO.
In questa condizione il ponte si muove manipolando, con un solo impulso, il SELEttore di direzione, il ponte si muove fino al raggiungimento della postazione seguente, se invece si mantiene il selettore attivato, la tavola salta la posizione senza fermarsi, ovvero si ferma alla postazione successiva al rilascio del comando.
Se durante la rotazione si preme il Pulsante
di reset / stop, la tavola si blocca ed è poi possibile
riprendere il moto sempre con lutilizzo del SELEttore di
direzione.
Modalità AUTOMATICO-180°
Questo movimento permette la giratura delle locomotive, tramite una rotazione di 180° (1/2 giro) del ponte, è una modalità utilizzabile solo quando il sistema è già in modalità automatico.
Per ottenere una rotazione di 180° bisogna inserire questa modalità tramite Pulsante rotazione di 180°, si manipola il SELEttore di direzione, e la piattaforma compie una rotazione di 1/2 giro, ovvero si sposta di 10 posizioni. Se durante la rotazione si disinserisce questa modalità il ponte si ferma alla prima postazione che incontra.
Si ringrazia:
Tecno
Transfer s.r.l.
Produzione macchine Transfer e Sistemi dAutomazione Industriale
Via Mulini 124/D Travagliato (BS)
C.F.B.
Club Fermodellistico Bresciano
Segreteria
FERMODELLISMO GILLI
Sito
WEB: http://cfb.fermod.org e-mail:
cfb@fermod.org
Fax. 030/2907819