Istituto Tecnico L. Galvani

Ghedi Francesco

Anno Scolastico 2003/04

Area di progetto

 

 

 

 

 

 

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 dell’idea

 

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. Quest’associazione nel 1961 ha ottenuto, dal comune la sala del “Piccolo Miglio”all’interno del castello sul colle Cidneo per poter costruire un plastico ferroviario. Questo locale fu concesso anche grazie all’allora sindaco di Brescia, Bruno Boni, in concomitanza con l’inaugurazione 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 l’epoca all’avanguardia in fatto d’automatismi, 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 dall’altro 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 d’epoca in un’apertura al pubblico del plastico (anni 60/70)

 Col passare del tempo i relè diventavano obsoleti e a causa dell’elevato 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 dell’elaborazione 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 nell’industria. Infatti, sullo stesso principio funzionano le tavole rotanti di molte macchine transfer per le quali si ha l’esigenza di posizionare esattamente la tavola in corrispondenza dell’unità 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 all’alto 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 d’indirizzare le locomotive al rispettivo binario di sosta. Questa struttura si può paragonare ad uno scambio con tante deviazioni. Un’altra 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 d’entrata”, sale sul “Ponte Girevole” ed una volta che è ferma sul ponte, quest’ultimo 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 dall’alto 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 l’utilizzo 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 l’utilizzo di un “motore speciale”. Questo tipo di motore deve garantire degli spostamenti precisi, notevole semplicità d’utilizzo, ed un costo ridotto, per questi motivi ho utilizzato “motore passo-passo” acquistato a pochi euro ad un mercatino dell’elettronica.

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 d’anni, 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 dall’elettronica sia di potenza sia di controllo, che li ha resi molto versatili, soprattutto nel campo dell’automazione 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), l’azionamento di tavole girevoli, lo spostamento delle testine di stampanti o plotter, l’apertura 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 d’utilizzo. 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

Com’è 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 all’asse di rotazione. Questa disposizione fa in modo che i flussi da loro generati obblighino il flusso rotorico ad allinearsi, per via delle forze d’attrazione 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 l’inversione della corrente all’interno delle spire. Quest’accorgimento 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 l’inversione 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 l’avvolgimento A
Fase 2

Si toglie tensione all’avvolgimento A e si alimenta l’avvolgimento B.

Fase 3

Si toglie tensione all’avvolgimento B e si alimenta l’avvolgimento A in senso negativo.

Fase 4

Si toglie tensione all’avvolgimento A e si alimenta l’avvolgimento B in senso negativo.

Fase 1

Si toglie tensione all’avvolgimento B e si alimenta l’avvolgimento 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 nell’avvolgimento A, IB corrente nell’avvolgimento B

 

 

Numero di passi dei motori in commercio
Numero di passi Gradi d’esecuzione
20 18°
24 15°
40
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 d’interfaccia 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:

 

Ø       Il motore.

Ø       Il gruppo di trasmissione del moto.

Ø       Struttura della piattaforma.

 

Parte elettrica, che comprende (vedere schemi allegati):

 

Ø       Quadro elettrico cablato.

Ø       Scheda di potenza per comando del motore.

Ø       PLC (Hardware).

 

Programma di comando e controllo da PLC (software), vedere schemi allegati.

 

Interfaccia uomo-macchina, formata dalla pulsantiera.

 

 

 

Visione totale del sistema

 

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 dell’albero 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 l’albero motore e l’albero 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 d’uscita

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 l’alimentazione 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 l’alimentazione 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 l’alimentazione 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

 L’interfaccia uomo-macchina comprende tutti quei sistemi che permettono la comunicazione tra l’utilizzatore e la macchina stessa. Ad esempio, un pulsante permette all’utilizzatore di far compiere un determinato lavoro alla macchina, mentre una lampada spia, comunica all’utilizzatore un qualsiasi messaggio da parte del sistema. Oggigiorno, con l’elevata complessità dell’automazione, l’HMI 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, c’è anche un segnale acustico, fatto da una cicalina che suona in modo intermittente quando la piattaforma si muove in automatico.

Manuale d’uso

 

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 all’accensione 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 l’utilizzo 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 d’Automazione 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

 

 

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