L’IGBT Fig.16e) -...

• allo stato bloccato:- una tensione diretta massima ammessa.

I transistori di potenza utilizzati in variazione di velocità possono funzio-nare a frequenze di qualche kilohertz.

L’IGBT (C Fig.16e)È un transistore di potenza comandato da una tensione applicata ad unelettrodo chiamata griglia o « gate » isolata dal circuito di potenza, da cuiil nome « Insulated Gate Bipolar Transistor ».

Questo componente richiede delle energie minime per far circolare dellecorrenti elevate.

Viene oggi utilizzato in interruttore ON/OFF nella maggior parte deiconvertitori di frequenza fino a potenze elevate (dell’ordine di MW).

Le sue caratteristiche tensione corrente sono simili a quelle dei transistoribipolari, ma le sue prestazioni in energia di comando e frequenza dicommutazione sono nettamente superiori a tutti gli altri semi-conduttori.

Le caratteristiche degli IGBT progrediscono molto rapidamente; attual-mente sono disponibili dei componenti alta tensione (> 3 kV) e correntielevate (diverse centinaia di Ampere).

Il transistore IGBT presenta le seguenti caratteristiche principali:• una tensione di comando:

- che consente la messa in conduzione e il bloccaggio del componente.

• allo stato passante:- una caduta di tensione composta da una tensione di soglia e da una

resistenza interna,- una corrente massima permanente ammessa.

• allo stato bloccato:- una tensione diretta massima ammessa.

I transistori IGBT utilizzati in variazione di velocità possono funzionare afrequenze di qualche decine di kilohertz.

Il transistore MOS (C Fig.16f)Questo componente funziona in modo diverso dai precedenti, mediantemodifica del campo elettrico in un semi-conduttore ottenuta polarizzandouna griglia isolata da cui il nome MOS che stà per Metal Oxide Semiconductor.

Il suo impiego in variazione di velocità è limitato agli utilizzi a bassatensione (variatori di velocità alimentati tramite batteria) o bassa potenza,poiché la superficie di silicio necessaria all’ottenimento di una tensione dibloccaggio elevata con una caduta di tensione non importante allo statopassante non è realizzabile dal punto di vista economico.

Il transistore MOS ha le seguenti caratteristiche principali:• una tensione di comando:

- che consente la messa in conduzione e il bloccaggio del componente.

• allo stato passante:- una resistenza interna,- una corrente massima permanente ammessa.

• allo stato bloccato:- una tensione diretta massima ammessa (che può superare i 1000 V).

I transistori MOS utilizzati in variazione di velocità possono funzionare afrequenze di alcune centinaia di kilohertz. Sono d’impiego quasi universale negli alimentatori switching, sotto formadi componenti discreti o di ciruito integrato comprendente la potenza(MOS) e i circuiti di comando e regolazione.

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A Fig. 16f L

A Fig. 16e L

L’IPM (Intelligent Power Module)Non è proprio un semi-conduttore, ma un assemblaggio (C Fig.17) cheraggruppa un ponte ondulatore a transistori di potenza IGBT e la loroelettronica di comando basso livello.

Sono contenuti nella stessa cassetta compatta:- 7 componenti IGBT, di cui sei per il ponte ondulatore e uno per la

frenatura,- i circuiti di comando degli IGBT,- 7 diodi di potenza di ruota libera associati agli IGBT per consentire la

circolazione di corrente,- le protezioni contro i cortocircuiti, le sovracorrenti e il superamento dei

limiti di temperatura,- l’isolamento galvanico di questo modulo.

Il ponte raddrizzatore a diodi è spesso integrato a questo stesso modulo.

Questo assemblaggio consente di gestire nel miglior modo possibile ivincoli di cablaggio e di comando degli IGBT.

5.7 Variatore-regolatore per motore a corrente continua

b Principio generaleL’antenato dei variatori di velocità per motori a corrente continua è ilgruppo Ward Leonard (C capitolo 3 Motori e carichi).

Questo gruppo, composto da un motore di azionamento, generalmenteasincrono e da un generatore a corrente continua a eccitazione variabile,alimenta uno o più motori a corrente continua. L’eccitazione è regolatada un dispositivo elettromeccanico (Amplidyne, Rototrol, Regulex) o daun sistema statico (amplificatore magnetico o regolatore elettronico).

Questo dispositivo è stato oggi totalmente abbandonato a vantaggio deivariatori di velocità a semi-conduttori che realizzano in modo statico lestesse operazioni ma con prestazioni superiori.

I variatori di velocità elettronici sono alimentati ad una tensione fissa apartire dalla rete alternata e forniscono al motore una tensione continuavariabile.

Un ponte di diodi o un ponte a tiristori, generalmente monofase, consentel’alimentazione del circuito di eccitazione.

Il circuito di potenza è un raddrizzatore. Poichè la tensione da fornire deveessere variabile, questo raddrizzatore deve essere di tipo controllato, devecioè comprendere componenti di potenza la cui conduzione può esserecomandata (tiristori). La variazione della tensione di uscita si ottienelimitando più o meno il tempo di conduzione durante ogni semi-periodo.

Più l'innesco del tiristore viene ritardato rispetto allo zero del semi-periodo,più il valore medio della tensione viene ridotto e, di conseguenza, lavelocità del motore sarà più bassa (ricordiamo che lo spegnimento di untiristore avviene automaticamente quando la corrente passa a zero).

Per dei variatori di bassa potenza o dei variatori alimentati da una batteriadi accumulatori, il circuito di potenza, talvolta costituito da transistori dipotenza (chopper), fa variare la tensione continua di uscita regolando iltempo di conduzione. Questo modo di funzionamento è detto MLI (Modulazione a Larghezzad’Impulso).

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A Fig. 17 LModulo IPM (Intelligent Power Module)

5.6 Composizione, componenti degli avviatorie variatori elettronici

5.7 Variatore-regolatore per motore a correntecontinua

Partenze-motore

b RegolazioneLa regolazione consiste nel mantenere con precisione la velocitàal valore impostato nonostante i disturbi (variazione della coppia resistente,della tensione di alimentazione, della tempertaura).Comunque, in fase di accelerazione o in caso di sovraccarico, l'intensitàdella corrente non deve raggiungere un valore tale da danneggiare ilmotore o il dispositivo di alimentazione.

Un anello di regolazione interno al variatore mantiene la corrente ad un valore accettabile. Questo limite è accessibile per consentire la regolazione in funzione delle caratteristiche del motore. La velocità è fissata da un segnale, analogico o digitale, trasmessotramite un bus di campo o da un altro dispositivo che fornisce unatensione immagine della velocità desiderata.

Il riferimento può essere fisso o variare durante il ciclo di funzionamentodella macchina azionata.

Delle rampe di accelerazione e di decelerazione regolabili applicano inmodo progressivo la tensione di riferimento corrispondente alla velocitàdesiderata. L’evoluzione di questa rampa può seguire tutte le forme volute.

La regolazione delle rampe definisce la durata dell’accelerazione e delrallentamento.

Ad anello chiuso la velocità reale viene misurata permanentemente da unadinamo tachimetrica o da un generatore di impulsi (C capitolo 6Acquisizioni di dati) e confrontata con il riferimento. Se viene rilevato unoscarto, l'elettronica di controllo realizza una correzione della velocità. La gamma di velocità si estende da alcuni giri al minuto fino alla velocitàmassima. All’interno di questa gamma di variazione, si ottiene facilmenteuna precisione superiore all’1 % in regolazione analogica e superiore a1 / 1 000 in regolazione digitale. Accumulando tutte le variazioni possibili(vuoto/carico, variazione di tensione, di temperatura, ecc...), la regolazionepuò anche essere effettuata a partire dalla misura della tensione delmotore tenendo conto della corrente che lo attraversa.

Le prestazioni sono in questo caso nettamente inferiori, sia nella gammadi velocità che nella precisione (qualche % tra marcia a vuoto e marcia incarico).

b Inversione del senso di marcia e frenatura conrecupero di energia

Per invertire il senso di marcia, è necessario invertire la tensionedell’indotto mediante dei contattori (soluzione ormai abbandonata) o instatico mediante inversione della polarità di uscita del variatore di velocitào della polarità della corrente di eccitazione.

Quest’ultima soluzione è molto rara data la costante di tempo dell’induttore.

Quando si desidera una frenatura controllata o il tipo di carico la impone(coppia di azionamento), è necessario rinviare l’energia alla rete. In fase di frenatura il variatore funziona come ondulatore, in altri termini lapotenza che lo attraversa è negativa.

I variatori in grado di effettuare i due tipi di funzionamento (inversione efrenatura mediante recupero di energia) sono dotati di due ponti collegatiin antiparallelo (C Fig.18).

Ciascuno dei due ponti consente di invertire la tensione, la corrente e ilsegno dell’energia che circola tra la rete e il carico.

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A Fig. 18 LSchema di un variatore con inversione di marcia e frenatura mediante recupero di energia per un motore a corrente continua

b Modi di funzionamento possibili Il tipo di carico viene trattato in modo più dettagliato nel capitolo 3Motori e carichi. Per quanto riguarda il funzionamento del motore acorrente continua, verrà trattato il funzionamento « a coppia costante » e ilfunzionamento a « potenza costante ».

v Funzionamento detto a « coppia costante »Ad eccitazione costante, la velocità del motore dipende dalla tensioneapplicata all’indotto del motore. La variazione di velocità è possibiledall’arresto fino alla tensione nominale del motore scelta in funzione dellatensione alternata d’alimentazione.

La coppia motore è proporzionale alla corrente d’indotto e la coppianominale della macchina può essere ottenuta in modo continuo a tutte levelocità.

v Funzionamento detto a « potenza costante »Quando la macchina è alimentata alla sua tensione nominale è ancorapossibile aumentare la sua velocità riducendo la corrente di eccitazione. Il variatore di velocità deve, in questo caso, comprendere un ponteraddrizzatore controllato che alimenta il circuito di eccitazione. La tensione d’indotto rimane allora fissa e uguale alla tensione nominale e lacorrente di eccitazione viene regolata per ottenere la velocità desiderata.

La potenza viene espressa con la formula:P = E . IoveE rappresenta la tensione di alimentazione,I rappresenta la corrente d’indotto.

La potenza, per una data corrente d’indotto, è quindi costante sull’interagamma di velocità, ma la velocità massima viene limitata da dueparametri:

- il limite meccanico legato all’indotto e in particolare la forza centrifuga massima supportabile dal collettore,

- le possibilità di commutazione della macchina, generalmente piùlimitative.

Il costruttore del motore deve quindi effettuare la scelta più corretta,soprattutto in funzione della gamma di velocità a potenza costante.

5.8 Convertitore di frequenza per motore asincrono

Il variatore di velocità per motore asincrono riprende gli stessi principibase del variatore per motore a corrente continua. La comparsa sul mercato di variatori di velocità economici per motoriasincroni è abbastanza recente. In Francia Telemecanique è stata unadelle aziende pioniere del settore. L’evoluzione delle tecnologie hapermesso la realizzazione di variatori economici, affidabili e performanti.

b Principio generaleIl convertitore di frequenza, alimentato a tensione e frequenza fissedalla rete, garantisce al motore, in funzione delle esigenze di velocità,la sua alimentazione a corrente alternata con tensione e frequenza variabili.

Per alimentare correttamente un motore asincrono a coppia costante,qualsiasi sia la velocità, è necessario mantenere il flusso costante;perché questo si verifichi occorre che la tensione e la frequenza evolvanosimultaneamente e nelle stesse proporzioni.


5.7 Variatore-regolatore per motore acorrente continua

5.8 Convertitore di frequenza per motoreasincrono

Partenze-motore

b ComposizioneIl circuito di potenza è composto da un raddrizzatore e un convertitoreche, a partire dalla tensione raddrizzata, produce una tensione diampiezza e frequenza variabili (C Fig. 19). Per rispettare la direttiva CE e le norme associate, a monte del ponteraddrizzatore viene posizionato un filtro «rete».

v Il raddrizzatoreIl raddrizzatore è generalmente dotato di un ponte raddrizzatore a diodi edi un circuito di filtraggio costituito da uno o più condensatori in funzionedella potenza. Un circuito di limitazione controlla la corrente alla messasotto tensione del variatore. Alcuni convertitori utilizzano un ponte atiristori per limitare la corrente di spunto dei condensatori di filtraggio,caricati ad un valore più o meno uguale al valore cresta della sinusoiderete (circa 560 V in 400 V trifase).Malgrado la presenza di circuiti di scarica, i condensatori potrebbero conservareuna tensione pericolosa in assenza della tensione rete. Un intervento all’internodel prodotto può quindi essere effettuato esclusivamente da personale qualificatoche ben conosce le precauzioni indispensabili da prendere (circuito di scaricoaggiuntivo o conoscenza del tempo di attesa).

v L’ondulatoreIl ponte ondulatore, collegato a questi condensatori, utilizza sei semi-conduttori di potenza (solitamente degli IGBT) e dei diodi di ruota liberaassociati.

Questo tipo di variatore è destinato all'alimentazione dei motori asincronia gabbia. L’Altivar di Telemecanique consente di creare una mini-reteelettrica a tensione e frequenza variabili in grado di alimentare un unicomotore o diversi motori in parallelo.

Comprende: - un raddrizzatore con condensatori di filtraggio, - un ondulatore a 6 IGBT e 6 diodi,- un chopper collegato ad una resistenza di frenatura (generalmente

esterna al prodotto),- i circuiti di comando dei transistori IGBT,- un’unità di controllo organizzata intorno ad un microprocessore che

garantisce il comando dell’ondulatore,- sensori interni per misurare la corrente motore, la tensione continua

presente ai morsetti dei condensatori e in alcuni casi le tensioni presenti ai morsetti del ponte raddrizzatore e del motore oltre che tuttele grandezze necessarie al controllo e alla protezione dell’insieme moto-variatore,

- un’alimentazione per i circuiti elettronici basso livello.

L’alimentazione viene realizzata da un circuito a sezionamento collegato aimorsetti dei condensatori di filtraggio che utilizza la riserva di energia. In tal modo l’Altivar permette di evitare fluttuazioni della rete e breviinterruzioni della tensione, offrendo prestazioni interessanti in presenza direti fortemente disturbate.

b La variazione di velocitàLa generazione di tensione di uscita si ottiene mediante modulazionedella tensione raddrizzata attraverso impulsi la cui durata, quindilarghezza, viene modulata in modo tale che la corrente alternata risultantesia il più possibile sinusoidale (C Fig.20).

Questa tecnica conosciuta con il nome di MLI (Modulazione a Larghezzad’Impulsi o PWM in inglese) condiziona la rotazione regolare a bassavelocità e limita i riscaldamenti. La frequenza di modulazione è un compromesso: deve essere sufficientementeelevata per ridurre l’ondulazione di corrente e il rumore nel motore senzanaturalmente aumentare le perdite nel ponte ondulatore e nei semi-conduttori.

Due rampe regolano l'accelerazione e il rallentamento.

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A Fig. 19 LSchema di principio di un convertitoredi frequenza

A Fig. 20 LLa modulazione di larghezza di impulsi

b Le protezioni integrateIl variatore è autoprotetto e a sua volta protegge il motore contro iriscaldamenti eccessivi, bloccandosi fino al ripristino di una temperaturaaccettabile.

Lo stesso vale per tutti i disturbi o le anomalie che possono alterare ilfunzionamento dell’insieme, quali sovratensioni, sottotensioni, assenze difase in ingresso o uscita.

Alcuni modelli di variatore integrano in un unico modulo IPM (IntelligentPower Module) il raddrizzatore, l’ondulatore, il chopper, il comando e leprotezioni contro i cortocircuiti.

b Legge di comando del motore asincronoI variatori di velocità per motori asincroni di prima generazione utilizzavano ilcomando scalare o V/Hz, che dal punto di vista economico rappresentaval’unica possibilità realizzabile. La comparsa dei microprocessori con leloro notevoli potenze di calcolo ha permesso il passaggio al controllovettoriale, molto più performante. I costruttori di variatori propongonooggi sulla maggior parte dei loro prodotti il controllo scalare, il controllovettoriale senza sensore e, su alcuni modelli il controllo vettoriale consensore.

v Funzionamento in U/fIn questo tipo di funzionamento il riferimento velocità impone unafrequenza all’ondulatore e di conseguenza al motore, determinando lavelocità di rotazione. La tensione d’alimentazione è in relazione direttacon la frequenza. Questo funzionamento viene spesso chiamatofunzionamento a U/f costante o funzionamento scalare.

Se non viene effettuata nessuna compensazione, la velocità reale varia con ilcarico e in questo modo la gamma di funzionamento e le prestazioni vengonolimitate. Una compensazione sommaria può essere utilizzata per tener contodell’impedenza interna del motore e limitare la caduta di velocità in carico.

v Controllo vettoriale di flusso senza trasduttoreGrazie all’elettronica di comando che utilizza il controllo vettoriale diflusso o CVF (CFig.21) le prestazioni aumentano notevolmente.



Partenze-motore

A Fig. 21 LSchema di principio di un variatore a controllo vettoriale di flusso

Quasi tutti i variatori moderni integrano questa funzione di base. Nella maggior parte delle applicazioni, l’impostazione o la valutazione deiparametri della macchina consente di fare a meno del sensore di velocità.In questo caso un motore standard può essere utilizzato con la limitazioneusuale del funzionamento prolungato a bassa velocità.

Il variatore elabora le informazioni a partire dalle grandezze misurate aimorsetti della macchina (tensione e corrente).

Questo modo di controllo offre prestazioni accettabili senza aumentare icosti.

Per ottenere tali prestazioni è necessario conoscere alcuni parametri dellamacchina.

Alla messa in servizio l’operatore deve inserire nei parametri diregolazione del variatore le caratteristiche indicate sulla targa motore: UNS: tensione nominale motore,FRS: frequenza nominale statore,NCR: corrente nominale statore,NSP: velocità nominale,COS: coseno motore.

Queste sigle vengono utilizzate dai variatori Altivar di Telemecanique.

A partire da questi valori il variatore calcola le caratteristiche del rotore:Lm, Tr. (Lm: induttanza magnetizzante, Tr: momento della coppia).

Alla messa sotto tensione un variatore con controllo vettoriale di flussosenza sensore (tipo ATV71 di Telemecanique) esegue un’autoregolazioneche gli consente di determinare i parametri statorici Rs, Lf. Questa misura può essere effettuata con motore collegato alla meccanica.

La durata varia in funzione della potenza motore (da 1 a 10 s).

Questi valori vengono memorizzati e consentono al prodotto di elaborarele leggi di comando.

L’oscillogramma della Fig. 22 rappresenta la messa in velocità di unmotore alla sua coppia nominale alimentato da un variatore senza sensore.

Si noterà la linearità della messa in velocità e la rapidità di ottenimentodella coppia nominale (meno di 0.2 s).La velocità nominale si ottiene in 0.8 secondi.

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A Fig. 22 LCaratteristiche di un motore alla sua messa sotto tensione medianteun variatore con controllo vettoriale di flusso senza sensore (tipo ATV71 – Telemecanique)

v Variatore con controllo vettoriale di flusso ad anello chiuso contrasduttore

Il controllo vettoriale di flusso ad anello chiuso con trasduttore è un’altrapossibilità. Questa soluzione ricorre alla trasformata di Park e consente dicontrollare indipendentemente la corrente (Id) garantendo il flusso nellamacchina e la corrente (Iq) garantendo la coppia (uguale al prodotto Id, Iq).

Il comando del motore è analogo a quello di un motore a corrente continua.

Questa soluzione (C Fig.23) garantisce la risposta alle applicazioniesigenti: forte dinamica durante i transitori, precisione di velocità, coppianominale all’arresto.

La coppia massima transitoria è pari a 2 o 3 volte la coppia nominalea seconda del tipo di motore.

Inoltre, la velocità massima raggiunge spesso il doppio della velocitànominale, o di più se il motore lo permette dal punto di vista meccanico.

Questo tipo di controllo consente anche delle bande passanti moltoelevate e delle prestazioni paragonabili e anche superiori a quelle deimigliori variatori a corrente continua. In compenso, il motore utilizzato nonè di costruzione standard per la presenza di un encoder edeventualmente di una ventilazione forzata.

L’oscillogramma della Fig. 24 rappresenta la messa in velocità di unmotore caricato alla sua coppia nominale, alimentato mediante unvariatore con controllo vettoriale di flusso con trasduttore. La scala dei tempi è di 0.1 s per divisione. Rispetto allo stesso prodottosenza sensore, l’aumento delle prestazioni è sensibile. La coppianominale si stabilisce in 80 ms e il tempo di salita in velocità, nelle stessecondizioni di carico, è di 0.5 secondi.

In conclusione, la tabella della Fig. 25 mette a confronto le rispettiveprestazioni di un variatore nelle tre configurazioni possibili.

b Inversione del senso di marcia e frenatura

Per invertire il senso di marcia, un ordine esterno (su un ingresso dedicatoa questo effetto, oppure per un segnale che circola su un bus dicomunicazione) genera l’inversione nell’ordine di funzionamento deicomponenti dell’ondulatore, quindi del senso di rotazione del motore.



Partenze-motore

A Fig. 24 LOscillogramma della messa in velocitàdi un motore, caricato alla sua coppianominale alimentato mediante unvariatore con controllo vettoriale diflusso (tipo ATV71 – Telemecanique).

A Fig. 25 LPrestazioni rispettive di un variatorenelle tre configurazioni possibili (tipoATV71 – Telemecanique)

A Fig. 23 LSchema di principio di un variatore con controllo vettoriale di flussocon trasduttore

Sono possibili diversi funzionamenti.

v 1° caso: inversione immediata del senso di comando deisemiconduttori

Se il motore è sempre in rotazione al momento dell’inversione del sensodi marcia, si avrà uno scorrimento importante e la corrente nel variatoresarà uguale alla soglia massima ammessa (limitazione interna). La coppia di frenatura è debole a causa del forte scorrimento e laregolazione interna riporta il riferimento di velocità ad un valore basso.Quando il motore raggiunge la velocità nulla, si avrà l’inversione dellavelocità secondo la rampa. L’eccesso di energia non assorbita dallacoppia resistente e dagli attriti viene dissipata nel rotore.

v 2° caso: inversione del senso di comando dei semiconduttoripreceduta da una decelerazione con o senza rampa

Se la coppia resistente della macchina è tale che la decelerazionenaturale è più rapida della rampa fissata dal variatore, quest’ultimocontinuerà a fornire energia al motore. La velocità diminuisce progressivamente e si inverte. Se la coppiaresistente della macchina è tale da avere una decelerazione naturale piùlenta della rampa fissata dal variatore, il motore si comporterà come ungeneratore ipersincrono e restituirà energia al variatore. Tuttavia, dal momento che la presenza del ponte di diodi impedisce ilrinvio di energia verso la rete, i condensatori di filtraggio si caricano, latensione aumenta e il variatore si blocca. Per evitare questo è necessario disporre di una resistenza collegata aimorsetti dei condensatori mediante un chopper in modo da limitare latensione ad un valore accettabile. La coppia di frenatura sarà limitata solopiù dalle capacità del variatore di velocità: la velocità diminuisce progres-sivamente e s’inverte.

Per questo tipo di funzionamento il costruttore del variatore fornisce delleresistenze di frenatura dimensionate in funzione della potenza del motoree delle energie da dissipare. Poiché nella maggior parte dei casi il chopper è incluso di base nelvariatore, solo la presenza di una resistenza di frenatura distingue unvariatore in grado di garantire una frenatura controllata. Questo modo di frenatura quindi risulta essere particolarmente economico.

Questo tipo di funzionamento consente di rallentare un motore finoall’arresto senza necessariamente invertire il senso di rotazione.

v 3° caso: funzionamento prolungato in frenaturaUn caso tipo di applicazione è rappresentato dai banchi di prova permotori. Essendo impossibile ipotizzare la dissipazione dell’energia cosìprodotta nelle resistenze, il bilancio energetico sarebbe inaccettabile e ladissipazione delle calorie problematica. La maggior parte dei costruttoripropone della associazioni che consentono di restituire alla rete l’energiarecuparata. Generalmente il ponte di diodi collegato alla rete viene sostituito da unponte di semiconduttori controllati composto da IGBT. La restituzione, con un comando MLI adatto, avviene nella maggior parte dei casi sottoforma di corrente sinusoidale.

v Altre possibilità di frenaturaUna frenatura economica può essere facilmente realizzata facendofunzionare l’uscita del variatore come chopper con iniezione di correntecontinua negli avvolgimenti. La coppia di frenatura non è controllata. Si tratta di un metodo poco efficace soprattutto a grande velocità, chenon assicura il controllo della rampa di decelerazione. Tuttavia è una soluzione pratica per diminuire il tempo di arresto naturaledella macchina. Poiché l’energia viene dissipata nel rotore questo tipo difunzionamento è, per natura, occasionale.

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b I modi di funzionamento possibiliv Funzionamento detto a « coppia costante »Finchè la tensione fornita dal variatore può evolvere e nella misura in cui ilflusso nella macchina è costante (rapporto U/f costante o meglio ancoracon controllo vettoriale di flusso), la coppia motore sarà grosso modoproporzionale alla corrente e la coppia nominale della macchina potràessere ottenuta sull’intera gamma di velocità (C Fig.26a).

Tuttavia il funzionamento prolungato alla coppia nominale a bassa velocitàè possibile solo se è prevista una ventilazione forzata del motore cherichiede quindi un motore speciale. I variatori moderni dispongono dicircuiti di protezione che stabiliscono un’immagine termica del motore infunzione della corrente, dei cicli di funzionamento e della velocità dirotazione: la protezione del motore è quindi garantita.

v Funzionamento detto a « potenza costante »Quando la macchina è alimentata a tensione nominale è ancora possibileaumentarne la velocità alimentandola ad una frequenza superiore a quelladella rete di distribuzione. Tuttavia, dal momento che la tensione di uscitadel convertitore non può superare quella della rete, la coppia disponibilesi abbassa in modo inversamente proporzionale all’aumentare dellavelocità (C Fig.26b).

Al di sopra della velocità nominale, il motore non funziona più a coppiacostante, ma a potenza costante (P = Cω), fino a quando la caratteristicanominale del motore lo consente.

La velocità massima è limitata da due parametri:- il limite meccanico legato al rotore,- la riserva di coppia disponibile.

Per una macchina asincrona alimentata a tensione costante, dal momentoche la coppia massima varia con il quadrato della velocità (C capitolo 3Motori e carichi), il funzionamento a « potenza costante » è possibile soloall’interno di una gamma limitata di velocità determinata dallacaratteristica di coppia della macchina.



Partenze-motore

A Fig. 26a LCoppia di un motore asincrono acarico costante alimentato da unconvertitore di frequenza [a] – zona difunzionamento a coppia costante, [b] –zona di funzionamento a potenzacostante

A Fig. 26b LCoppia di un motore asincrono acarico costante alimentato da unconvertitore di frequenza [a] – zona difunzionamento a coppia costante, [b] –zona di funzionamento a potenzacostante

5.9 Variatore di tensione per motore asincrono

b Storia e presentazioneQuesto dispositivo di variazione della tensione (C Fig.27) utilizzabile perl’illuminazione e il riscaldamento non viene praticamente più utilizzatocome variatore di velocità.

Nel passato questa soluzione veniva utilizzata con motori asincroni a gabbia resistente o ad anelli. Il modo di funzionamento è riportato nellaFig. 28. Si può chiaramente vedere che una variazione di velocità èpossibile facendo variare la tensione e in particolare con un motore agabbia resistente. Questi motori asincroni sono nella maggior parte deicasi trifase, solo occasionalmente monofase per le piccole potenze (fino a3 kW circa). Molto utilizzati in passato per alcune applicazioni quali lavariazione di velocità dei piccoli ventilatori, i variatori di tensione sonoquasi scomparsi a vantaggio dei più economici convertitori di frequenza.

Il variatore di tensione, chiamato anche soft starter, è universalmenteutilizzato per l’avviamento dei motori.

I motori asincroni sono nella maggior parte dei casi trifase, solooccasionalmente monofase per le piccole potenze (fino a 3 kW circa).

Il variatore di tensione viene utilizzato come avviatore rallentatoreprogressivo se non è necessaria una coppia di avviamento elevata econsente di limitare lo spunto di corrente, la caduta di tensione che nederiva e gli urti meccanici dovuti alla comparsa improvvisa della coppia.

Tra le applicazioni più comuni citiamo l’avviamento delle pompecentrifughe e dei ventilatori, dei nastri trasportatori, delle scale mobili, degli impianti di lavaggio automobili (a tunnel), delle macchine dotate dicinghie, ecc... e in variazione di velocità sui motori di bassissima potenzao sui motori universali, come negli utensili elettrici portatili.

Nel caso delle pompe la funzione rallentatore consente anche di eliminarei colpi di ariete.

Sul mercato sono disponibili tre tipi di avviatori: ad una fase controllatanelle piccole potenze, a due fasi controllate (la terza è una connessionediretta), o con tutte le fasi controllate. I primi due sistemi sono adatti solo per cicli di funzionamento poco severia causa dell’elevato tasso di armoniche.

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A Fig. 27 LAvviatore di motori asincroni e formadella corrente d’alimentazione

A Fig. 28 LCoppia disponibile di un motore asincrono alimentato a tensionevariabile e il cui ricevitore presenta una coppia resistente parabolica(ventilatore) [a] – motore a gabbia di scoiattolo,[b] – motore a gabbia resistente

b Principio generale

Il gruppo di potenza comprende per ciascuna fase 2 tiristori montati inantiparallelo (C Fig. 28).

La variazione di tensione si ottiene facendo variare il tempo di conduzionedei tiristori nel corso di ogni semi-periodo. Più l'istante di innesco vieneritardato, più il valore della tensione risultante sarà basso.

L'innesco dei tiristori è gestito da un microprocesssore che garantisceanche le seguenti funzioni:

- controllo delle rampe di aumento tensione e di diminuzione tensioneregolabili; la rampa di decelerazione potrà essere seguita solo se iltempo di decelerazione naturale del sistema azionato è più lungo,

- limitazione di corrente regolabile,- sovracoppia all’avviamento,- comando di frenatura con iniezione di corrente continua,- protezione del variatore contro i sovraccarichi,- protezione del motore contro i riscaldamenti dovuti ai sovraccarichi o

agli avviamenti troppo frequenti,- rilevamento squilibri o assenze di fase, difetti tiristori.

Un’unità di regolazione dei diversi parametri di funzionamento offre unvalido aiuto alla messa in servizio, all'impiego e alla manutenzione.

Alcuni variatori di tensione come l’Altistart (Telemecanique) possonocomandare l’avviamento e il rallentamento

- di un solo motore,- di più motori simultaneamente, entro i limiti del suo calibro,- di più motori in successione mediante commutazione.

In regime stabilito, ogni motore viene alimentato direttamente dallarete attraverso un contattore.

Solo l’Altistart dispone di un dispositivo brevettato che consente unastima della coppia motore permettendo di effettuare accelerazioni edecelerazioni lineari e, se necessario, di limitare la coppia motore.

b Inversione del senso di marcia e frenaturaL’inversione del senso di marcia si effettua mediante inversione delle fasid’ingresso dell’avviatore. La frenatura si effettua quindi in contro correntee tutta l’energia viene dissipata nel rotore della macchina.Il funzionamento è quindi per natura intermittente.

b Frenatura di rallentamento mediante iniezione dicorrente continua

Una frenatura economica è facilmente realizzabile facendo funzionarel’uscita dell’avviatore come raddrizzatore iniettando una corrente continuanegli avvolgimenti.La coppia di frenatura non è controllata e la frenatura è poco efficace,soprattutto a grande velocità. Di conseguenza la rampa di decelerazionenon è controllata. Si tratta di una soluzione pratica per diminuire il tempodi arresto naturale della macchina.

Poichè l’energia viene dissipata nel rotore questo modo di funzionamentoè occasionale.



Partenze-motore

5.10 Motovariatori sincroni

b Principio generaleI motovariatori sincroni (C Fig. 29) sono l’associazione di un convertitoredi frequenza e di un motore sincrono a magneti permanenti dotato di unsensore. Questi servomotori vengono spesso chiamati « motori brushless ».

Questi servomotori sono destinati a mercati specifici, come quello deirobot, dell’automazione o delle macchine-utensili, che richiedono volumiridotti, accelerazioni rapide e una banda passante tesa.

b Il motoreQuesto tipo di motore è presentato nel capitolo sui motori e quanto seguecompleta le informazioni per consentire al lettore di comprendere l’alimen-tazione con variatore di velocità. Il rotore del motore è dotato di magnetipermanenti in neodimio e samario (terre rare) per ottenere un campo elevatoin un volume ridotto. Lo statore comprende avvolgimenti trifase A, B, C (CFig.30).

Questo tipo di motori possono accettare correnti di sovraccarico importantiper realizzare accelerazioni molto rapide. Questo tipo di motori sonodotati di un sensore per indicare al variatore la posizione angolare dei polidel motore, al fine di garantire la commutazione degli avvolgimenti (C Fig.31).

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5.10 Moto-variatori sincroni

A Fig. 30 LRappresentazione semplificata dellostatore motore sincrono a magnetipermanenti « motore brushless »

A Fig. 29 LFotografia di un moto-variatoresincrono (Variatore Lexium + motore,Schneider Electric)

A Fig. 31 LRappresentazione semplificata di un motore sincrono a magnetipermanenti « motore brushless » che illustra il sensore angolare diposizione del rotore

b Il variatoreNella sua composizione il variatore è simile ad un convertitore difrequenza: funziona in modo analogo.

È costituito da un raddrizzatore e da un ondulatore a transistor a modula-zione di larghezza di impulsi (MLI) che fornisce una corrente di uscita diforma sinusoidale. È frequente trovare più variatori di questo tipo alimentatida una stessa sorgente di corrente continua. Su una macchina-utensile,ad esempio, ciascun variatore comanda uno dei motori associati agli assidella macchina. Una sorgente comune a corrente continua alimenta inparallelo il gruppo di variatori. Questo tipo di installazione consente dimettere a disposizione dell’insieme di variatori l’energia che verrebbe dallafrenatura di uno degli assi.

Come nei convertitori di frequenza una resistenza di frenatura associataad un chopper consente di smaltire l’energia di frenatura in eccesso.

Le funzioni di asservimento dell’elettronica e le basse costanti di tempomeccaniche ed elettriche garantiscono accelerazioni e più in generalebande passanti molto elevate unite ad una grandissima dinamica divelocità.

5.11 Motovariatori passo-passo

b Principio generaleIl motovariatore passo-passo, progettualmente simile ad un convertitoredi frequenza, è un apparecchio che associa l’elettronica di potenza ad unmotore passo-passo.

Funzionano ad anello aperto (senza trasduttore) e sono adatti alleapplicazioni di posizionamento.

b Il motoreIl motore può essere a riluttanza variabile (VR(), a magneti permanenti ocombinare le due soluzioni (C per informazioni dettagliate, capitolo 3Motori e carichi).

b Il variatoreNella composizione il variatore è analogo ad un convertitore di frequenza(raddrizzatore, filtraggio e ponte costituito da semiconduttori di potenza).

Lo stadio di uscita alimenta le bobine del motore passo-passo, comenell’esempio della Fig. 32 per un motore passo-passo bipolare.

Tuttavia il suo funzionamento è fondamentalmente diverso nella misurain cui l’obiettivo è iniettare una corrente costante negli avvolgimenti.


5.10 Moto-variatori sincroni5.11 Moto-variatori passo-passo

Partenze-motore

A Fig. 32 LSchema di principio di un variatore per motore bipolare passo-passo

Talvolta ricorre alla modulazione a larghezza d’impulsi (MLI) per otteneremigliori prestazioni, soprattutto nei tempi di salita della corrente (C Fig.33),permettendo in tal modo di estendere la gamma di funzionamento.

Il funzionamento (C Fig.34) a micropassi, già citato nel capitolo 3 Motori ecarichi, consente di moltiplicare artificialmente il numero di posizionipossibili del rotore creando degli stadi successivi nelle bobine, perciascuna sequenza. Le correnti in entrambe le bobine sembreranno quindidue correnti alternate sfasate di 90°.

Il campo risultante è la composizione vettoriale dei campi creati dalle duebobine. Il rotore assume così tutte le posizioni intermedie possibili.

Lo schema rappresenta le correnti di alimentazione delle bobine B1 e B2e le posizioni del rotore sono rappresentate dal vettore.

5.12 Le funzioni complementari dei variatori di velocità

b Le possibilità di dialogoPer poter assicurare un funzionamento corretto del motore, i variatoriintegrano un certo numero di sensori per il controllo della tensione, dellecorrenti e dello stato termico del motore. Questi dati, indispensabili per ilvariatore, possono essere utili per l’utilizzo.

Grazie ai progressi tecnologici e ai bus di campo I variatori e gli avviatoripiù recenti integrano funzioni di dialogo avanzate. Consentono quindi lagenerazione di informazioni utilizzabili da un controllore programmabile eda un supervisore per il comando della macchina; le informazioni dicontrollo vengono fornite dal controllore programmabile attraverso lostesso canale.

La funzione di dialogo mette a disposizione le seguenti informazioni:- impostazioni di velocità,- ordini di marcia o di arresto,- regolazioni iniziali del variatore o modifiche delle regolazioni con

motore in funzione,- stato del variatore (marcia, arresto, sovraccarico, difetto),- allarmi,- stato del motore (velocità, coppia, corrente, temperatura).

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5.11 Moto-variatori passo-passo5.12 Le funzioni complementari

dei variatori di velocità

A Fig. 33 LAndatura della corrente risultante di uncomando a MLI

A Fig. 34 LDiagramma, curve di corrente e principio di gradi per un comando amicropassi di un moto-variatore passo-passo

Le funzioni di dialogo vengono utilizzate anche in collegamento con un PCper semplificare le regolazioni all’avviamento (telecaricamento) o perl’archiviazione delle regolazioni iniziali.

b Le funzioni integratePer assicurare un gran numero di applicazioni i variatori dispongono didiversi parametri di regolazione quali:

- i tempi delle rampe di accelerazione e di decelerazione,- la forma delle rampe (lineari, a S, a U o configurabili),- le commutazioni di rampe che permettono di ottenere due rampe di

accelerazione o di decelerazione per consentire ad esempio unaccostamento in dolcezza,

- la riduzione della coppia massima comandata da un ingresso logico oda un’impostazione,

- la marcia passo-passo,- la gestione del comando di un freno per le applicazioni di sollevamento,- la scelta di velocità preselezionate,- la presenza di ingressi sommatori che consentono di sommare le

impostazioni di velocità,- la commutazione dei riferimenti presenti all’ingresso del variatore,- la presenza di un regolatore PI per gli asservimenti semplici (velocità o

portata ad esempio),- l’arresto automatico in seguito ad un’interruzione rete che permette la

frenatura del motore,- il recupero automatico con ricerca della velocità del motore per una

ripresa al volo,- la protezione termica del motore a partire da un’immagine generata

nel variatore,- la possibilità di collegamento di sonde PTC integrate al motore,- l’occultazione di frequenza di risonanza della macchina (la velocità

critica viene occultata in modo che il funzionamento permanente a quella frequenza sia reso impossibile),

- il blocco temporizzato a bassa velocità nelle applicazioni dipompaggio in cui il fluido partecipa alla lubrificazione della pompa edevita il grippaggio.

Sui modelli più sofisticati di variatori quali l’ATV61 - ATV71 diTelemecanique queste funzioni sono spesso funzioni base.

b Le schede opzionaliPer le applicazioni più complesse i costruttori offrono delle schedeopzionali che consentono di realizzare funzioni specifiche, quali adesempio il controllo vettoriale di flusso con sensore, oppure schedededicate ad una funzione specifica.

Sono ad esempio disponibili: - schede « commutazione di pompe » per realizzare in modo economico

una stazione di pompaggio con un solo variatore che alimenta in successione più motori,

- schede « multimotori »,- schede « multiparametri» che consentono la commutazione

automatica dei parametri predefiniti nel variatore,- schede personalizzate sviluppate su specifica richiesta del Cliente.

Alcuni costruttori propongono anche delle schede controllore integrate alvariatore per le applicazioni semplici. L’operatore dispone quindi diistruzioni di programmazione e di I/O per la realizzazione di piccoli sistemidi automazione che non giustificano la presenza di un controlloreprogrammabile.


5.12 Le funzioni complementari dei variatori di velocità

Partenze-motore

5.13 I variatori di velocità e il bilancio energetico

b Fattore di sfasamentov NotaIl fattore di sfasamento o coseno ϕ è il coseno dell’angolo di sfasamentodella corrente rispetto alla tensione. Il fattore di sfasamento ha significatosolo per tensioni e correnti sinusoidali della stessa frequenza. Se la corrente prelevata alla sorgente presenta delle armoniche, comeaccade per la maggior parte dei variatori di velocità, il fattore di potenzasarà per definizione lo sfasamento della fondamentale (o prima armonica)della corrente rispetto alla fondamentale della tensione d’alimentazione.

v 1° caso: il circuito d’ingresso composto da semiconduttoricomandati tipo tiristore (es. variatore per motore a corrente continua)Il fattore di sfasamento è all’incirca uguale al coseno dell’angolo di ritardoall’innesco. In altri termini se la tensione di uscita è bassa (bassa velocità),il coseno ϕ è basso. Se la tensione di uscita è elevata (velocità elevata) ilcoseno ϕ si avvicina all’unità.

Il coseno ϕ diventa negativo se il variatore restituisce energia alla rete nelcaso di variatore reversibile.

v 2° caso: ponte di diodi composto da diodi (es. convertitore difrequenza per motore asincrono)La componente fondamentale della corrente è quasi in fase con latensione d’alimentazione e il coseno ϕ è vicino a 1.

v 3° caso: circuito d’ingresso composto da semiconduttoricomandati tipo IGBTQuesta soluzione viene utilizzata per prelevare corrente sinusoidale. Con un comando MLI appropriato, il coseno ϕ è pari o vicino a 1.

Un convertitore di frequenza associato ad un motore asincrono ha un migliorfattore di sfasamento rispetto al motore stesso. Infatti il ponte di diodi di cuigeneralmente è dotato questo tipo di convertitore ha un fattore di sfasamentovicino a 1. Sono i condensatori di filtraggio integrati nel variatore che fungono da« riserva » di energia reattiva.

b Fattore di potenzav NotaIl fattore di potenza è il rapporto tra la potenza apparente S e la potenzaattiva P.

Fp = P/S

La potenza attiva P è il prodotto della tensione fondamentale per lacorrente fondamentale e il coseno ϕ

P = U x I x coseno ϕ

La potenza apparente S è uguale al prodotto del valore efficace dellatensione per il valore efficace della corrente. Se la tensione e la correntesono deformate sarà necessario effettuare la somma quadratica dei valoriefficaci di ciascun ordine.

Se l’impedenza della rete è bassa (come si verifica generalmente), la tensione d’alimentazione sarà vicina alla sinusoide. In compenso lacorrente assorbita dai semiconduttori è ricca in armoniche, tanto più riccaquanto più bassa sarà l’impedenza della rete.

Il valore efficace della corrente viene espresso con la seguente formula:Ieff = (I1_ + I2_+ I3_+ …… In_) 0.5

E la potenza apparente S con: S= Veff x Ieffoppure: S = V x Ieff

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Schneider Electric



Partenze-motore

Un basso rapporto P/S denota una rete di alimentazione sovraccarica per la presenza di armoniche, con rischi di riscaldamento dei conduttoriche dovranno quindi essere dimensionati di conseguenza.

v 1° caso: circuito d’ingresso composto da semiconduttoricomandati tipo tiristore (es. variatore per motore a corrente continua)Il prelievo di corrente è più o meno quadrato. Il fattore di potenza è bassocon una bassa tensione di uscita e migliora con l’aumentare dellatensione di uscita per raggiungere il valore di 0.7 circa.

v 2° caso: ponte di diodi composto da diodi (es. convertitore difrequenza per motore asincrono)La corrente prelevata è ricca di armoniche (C Fig.35) e il fattore di potenzaè basso qualsiasi sia la velocità del motore. Questo fenomeno può essere sopportato dai piccoli variatori ma diventapenalizzante con l’aumentare delle potenze. Per ridurre questo problemadiventa indispensabile installare delle induttanze di linea e delle induttanzenei circuiti dell’alimentazione continua, in serie con i condensatori difiltraggio. Si otterrà quindi un’attenuazione dell’ampiezza delle armonichee il miglioramento del fattore di potenza. I convertitori di frequenza che utilizzano un ponte di diodi, senzainduttanza di linea o induttanza nel circuito continuo hanno un fattore dipotenza dell’ordine di 0.5.

v 3° caso: circuito d’ingresso composto da semiconduttoricomandati tipo IGBTQuesta soluzione viene utilizzata per prelevare corrente sinusoidale. Con un comando MLI adatto. Permette di ottenere una corrente vicinaalla sinusoide e un fattore di potenza ottimale quasi uguale al fattore disfasamento e vicino all’unità (C Fig.36).

Il costo elevato di questa soluzione spiega la sua limitata diffusionenell’offerta dei costruttori.

b Rendimentov Perdite nel convertitoreLe perdite nei convertitori sono associate ai semiconduttori da cui sonocomposti.

La perdite di energia nei semiconduttori sono di due tipi:- perdite per conduzione dovute alla tensione residua nell’ordine del

volt,- le perdite per commutazione legate alla frequenza di commutazione.

I semiconduttori con tempi di commutazione rapidi presentano le perditedi commutazione più basse, come nel caso degli IGBT che consentonofrequenze di commutazione elevate.

Di conseguenza i convertitori presentano rendimenti eccellenti superiori al90%.

v Perdite nel motoreI motori associati ai convertitori vedono aumentare le loro perdite a causadella commutazione della tensione applicata. Tuttavia dal momento che lafrequenza di commutazione è elevata la corrente assorbita è quasi sinusoidale(C Fig. 37) e le perdite supplementari possono essere considerateinsignificanti.


A Fig. 36 LPrelievo sinusoidale

A Fig. 37 LAndatura della corrente motore

A Fig. 35 LForme della corrente assorbita daun variatore di velocità

5.14 I variatori di velocità e il risparmio energetico e di manutenzione

5.14 I variatori di velocità e il risparmio energetico e di manutenzione

b Scelta del motoreI convertitori di frequenza possono alimentare motori standard senzaparticolari precauzioni, se non il declassamento a bassa velocità nel casodi motori autoventilati.

Tuttavia sarà sempre preferibile scegliere il motore con il migliorrendimento e il più alto cos ϕ.

Per le basse potenze un motovariatore sincrono può essere una sceltaintelligente per il rendimento superiore di questa associazione. La differenza del prezzo di acquisto viene infatti rapidamente ammortizzata.

b Tipo di caricoI convertitori di frequenza sono la soluzione migliore per la regolazione diportata delle pompe e dei ventilatori in ragione della caratteristica dicoppia di questi carichi (C capitolo 3 Motori e carichi).

L’utilizzo di variatori di velocità, per funzionamenti ON/OFF o sistemi diregolazione che utilizzano valvole, saracinesche o alette, permette unrisparmio energetico notevole.

La documentazione dei costruttori fornisce esempi di calcolo di risparmioenergetico che consentono di valutare il ritorno sull’investimento. Questorisparmio può essere valutato solo conoscendo perfettamentel’applicazione; gli specialisti dei costruttori sono in grado di guidarel’utente nella scelta.

b Riduzione delle operazioni di manutenzioneI convertitori di frequenza e gli avviatori elettronici (C capitolo 4Avviamento dei motori) effettuano un avviamento progressivo che elimina ilimiti meccanici imposti alla macchina che può in questo modo essereottimizzata direttamente in fase di progettazione.

Nei comandi multimotore (ad es. una stazione di pompaggio) la gestioneappropriata dei motori permette di equilibrare le ore di funzionamento diciascun motore e di aumentare la disponibilità e la durata dell’installazione.

b ConclusioneDal momento che la scelta di un variatore di velocità è profondamentelegata al tipo di carico azionato e alle prestazioni desiderate, la ricerca ela definizione di un variatore devono passare attraverso l’analisi delleesigenze funzionali dell’apparecchioe e quindi delle prestazioni richiesteper il motore stesso.

Nella documentazione dei produttori di variatori di velocità vengonoanche indicati parametri quali coppia costante, coppia variabile, potenzacostante, controllo vettoriale di flusso, variatore reversibile, ecc...

Queste indicazioni caratterizzano tutti i dati necessari per una correttascelta del variatore più adatto.

Una scelta non corretta del variatore può portare ad un funzionamentodeludente.

Allo stesso modo occorre tener conto della gamma di velocità desiderataper una corretta scelta dell’associazione motore/variatore.

Si consiglia di rivolgersi ai servizi di assistenza specializzati dei costruttoricon tutti i dati necessari a selezionare il variatore che possa garantire ilmiglior rapporto prezzo/prestazioni.

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5.15 Tabella di scelta delle partenze-motorePartenze-motore

5.15 Tabella di scelta delle partenze-motore


Avviatore Variatore Relè Protezioni Porta Interruttore Interruttore Interruttore autom. AvviatoreContattore Interruttore

progressivo velocità termico complementari fusibili fusibili autom. linea magneto-termico controlloreProdotto

Funzione

Seziona-mento

Interruzione

Protezionecortocircuiti

Sovraccarico

Funzionicomplemen-

tari

Commutazione(ON/OFF, 2V, ∆)

Commutazionea velocitàvariabile

Commutazionea velocitàvariabile

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6chapitreAcquisition de données: rilevamentoPrésentation:• Fonctions et des technologies de rilevamento• Tableau de choix6capitoloRilevamento datiPresentazione:- Funzioni e tecnologie di rilevamento- Tabella di scelta

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6. Rilevamento datiSommario

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b 6.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 136

b 6.2 Finecorsa elettromecanici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 137

b 6.3 Interruttori di prossimità induttivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 138

b 6.4 Interruttori di prossimità capacitivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 140

b 6.5 Interruttori fotoelettrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 142

b 6.6 Interruttori ad ultrasuoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 144

b 6.7 Sistema di identificazione a radio frequenza RFID

o Radio Frequency IDentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 146

b 6.8 Sistemi di visione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 149

b 6.9 Encoder optoelettronici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 153

b 6.10 Pressostati e vacuostati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 158

b 6.11 Conclusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 161

b 6.12 Guida alla scelta delle diverse tecnologie . . . . . . . . . . . . . . . pagina 162

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6.1 IntroduzioneRilevamento dati

Il campo del rilevamento dati comprende due grandi famiglie di prodotti:i dispositivi di rilevamento, ovvero tutti i prodotti in grado di rilevare unasoglia, un limite o di valutare una grandezza fisica e i dispositivi di misura,ovvero i prodotti che permettono di misurare con una data precisione unagrandezza fisica.

I rilevatori dedicati in modo specifico alla sicurezza delle macchine sonopresentati nel capitolo Sicurezza.

Il lettore interessato troverà un gran numero di pubblicazioni sullasicurezza delle macchine ove vengono presentati tutti i rilevatoridisponibili sul mercato.

I dispositivi di rilevamento offrono tre funzioni fondamentali, comemostrato dalla Fig. 1.

6.1 Introduzione

b Il rilevamento: una funzione essenzialeLa funzione “ rilevamento ” è fondamentale perchè rappresenta la primamaglia della catena di misura e controllo di un processo industriale (C Fig.2 ). In un sistema automatico gli interruttori garantiscono infatti la raccoltadelle informazioni riguardanti:

- tutti gli eventi necessari al controllo per l’acquisizione da parte deisistemi di comando, in base ad un programma predefinito,

- la successione delle diverse fasi del processo di esecuzione del programma predefinito.

b Le diverse funzioni del rilevamentoLe esigenze di rilevamento sono svariate. Quelle più elementari sono le seguenti:

- il controllo della presenza, dell’assenza o del posizionamento di un oggetto,

- la verifica del passaggio, dello scorrimento o di un intasamento di oggetti mobili e del conteggio.

Queste esigenze richiedono in genere semplici dispositivi “ ON/OFF”, ad esempio nelle applicazioni tipiche di rilevamento pezzi nelle catene diproduzione o nelle attività di movimentazione, oltre che nel rilevamento dipersone e di veicoli.

Nelle applicazioni industriali vi sono poi altre esigenze più specifiche quali:- il rilevamento della pressione (o del livello) di un gas o di un liquido,- il rilevamento della forma,- il rilevamento della posizione (angolare, lineare),- il rilevamento di etichette, con lettura e scrittura di dati codificati.

A queste si aggiungono numerose altre esigenze applicative cheriguardano in modo più specifico le condizioni ambientali circostanti. Gli interruttori devono, in base alla condizione d’impiego, poter resistere:

- all’umidità, o all’immersione (es: tenuta maggiorata),- alla corrosione (industrie chimiche o anche impianti agricoli,...),- a forti variazioni di temperatura (es. regioni tropicali), - a depositi di sporco di vario genere (all’esterno o nelle macchine),- ad atti di vandalismo, ecc...

Per rispondere a tutte queste esigenze applicativi Telemecanique hacreato molti tipi di interruttori con tecnologie diverse.

b Le diverse tecnologie degli interruttori I produttori di interruttori ricorrono a principi di misura fisica diversi;citiamo qui di seguito i principali:

- meccanica (pressione, forza) per i finecorsa elettromeccanici,

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A Fig. 1 Funzioni essenziali del rilevamento

A Fig. 2 Catena di informazioni di un sistema industriale

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6.1 Introduzione6.2 Finecorsa elettromeccanici

- elettromagnetismo (campo, forza) per i rilevatori magnetici e gli interruttori di prossimità induttivi,- luce (potenza e deviazione luminosa) per le cellule fotoelettriche,- campo elettrico per gli interruttori di prossimità capacitivi,- acustica (tempo di percorso di un’onda) per gli interruttori ad ultrasuoni,- fluido (pressione) per i pressostati,- ottica (analisi d’immagine) per la visione.

Questi principi di misura determinano vantaggi e limiti in ogni tipo diinterruttore; per questo alcuni interruttori sono robusti ma richiedono uncontatto con l’oggetto da rilevare, mentre altri possono essere installati inambienti agressivi ma sono utilizzabili solo con pezzi in metallo.

La presentazione delle diverse tecnologie nelle pagine che seguono ha loscopo di facilitare la comprensione degli imperativi d’installazione e diutilizzo dei rilevatori disponibili sul mercato per i sistemi di automazione ele apparecchiature industriali.

b Le funzioni aggiuntive degli interruttori Per facilitare l’impiego degli interruttori sono state sviluppate diversefunzioni, tra le quali l’auto-apprendimento.

Questa funzione permette, con la semplice pressione di un tasto, didefinire il campo di rilevamento effettivo del dispositivo; ad esempio,l’apprendimento molto preciso della portata minima e massima(soppressione primo piano e sfondo) nell’ordine di ± 6 mm per gliinterruttori ad ultrasuoni e l’acquisizione dell’ambiente circostante per gliinterruttori fotoelettrici.

6.2 I finecorsa elettromeccanici

Il rilevamento avviene attraverso un contatto fisico (sensore o organo dicomando) con un oggetto fisso o mobile. L’azionamento del dispositivo di comando provoca un cambiamento di stato del contatto elettrico.L’informazione viene trasmessa al sistema di elaborazione attraverso uncontatto elettrico (ON/OFF).

Questi dispositivi composti da dispositivo di comando e contatto elettricosono chiamati finecorsa. Sono presenti in tutti i sistemi di automazione esono impiegati nelle applicazioni più svariate grazie alla loro versatilità e ainumerosi vantaggi offerti dalla loro tecnologia.

b Movimenti di rilevamentoLe teste di comando o dispositivi di azionamento sono disponibili condiversi tipi di comandp (C Fig.3 ) per consentire il rilevamento in piùposizioni e adattarsi facilmente agli oggetti da rilevare:

- movimento rettilineo, - movimento angolare, - movimento multidirezionale.

b Modo di funzionamento dei contatti L’offerta dei costruttori è caratterizzata dalla tecnologia utilizzata perl’azionamento dei contatti.

v Contatto ad intervento rapidoLa manovra dei contatti è caratterizzata da un fenomeno di isteresi,ovvero da punti di intervento e rilascio distinti (C Fig.4 ).

La velocità degli spostamenti dei contatti mobili è indipendente dalla velocitàdel dispositivo di comando. Questa particolarità consente di ottenereprestazioni elettriche soddisfacenti anche in caso di bassa velocità dispostamento del dispositivo di comando.

137

6

A Fig. 3 Illustrazione dei diversi movimenti dei rilevatori comunemente utilizzati

A Fig. 4 Le diverse posizioni di un contatto ad intervento rapido

Schneider Electric

6.2 Finecorsa elettromeccanici6.3 Interruttori di prossimità induttivi

Rilevamento dati

I finecorsa con contatti ad azione rapida utilizzano sempre piùfrequentemente contatti a manovra positiva di apertura.

Un apparecchio è detto a manovra positiva di apertura quando“garantisce che tutti gli elementi di contatto ad apertura possano essereriportati con sicurezza nella posizione corrispondente alla posizione diapertura dell'apparecchio, senza alcun collegamento elastico tra i contattimobili e il dispositivo di comando al quale viene applicata la forza diazionamento”.

Questo riguarda sia il contatto elettrico del finecorsa che il dispositivo diazionamento che deve trasmettere il movimento senza deformazione.

Le applicazioni di sicurezza impongono l’utilizzo di apparecchi a manovrapositiva di apertura.

v Contatto ad azione lenta (C Fig.5)Il modo di funzionamento dei contatti ad azione lenta è caratterizzato da:

- punti di azione e rilascio non distinti,- velocità di spostamento dei contatti mobili uguale o proporzionale alla

velocità dell’organo di comando (che non deve essere inferiore a 0.1 m/s= 6 m/mn). Al di sotto di questi valori l’apertura dei contatti avvienetroppo lentamente a discapito del corretto funzionamento del contatto(rischio d’arco mantenuto troppo a lungo),

- la distanza di apertura dipende anch’essa dalla corsa dell’organo di comando.Questi contatti sono per costruzione a manovra positiva di apertura: il pulsante agisce direttamente sui contatti mobili.

6.3 Gli interruttori di prossimità induttivi

Gli interruttori di prossimità induttivi sono utilizzati principalmente nelleapplicazioni industriali e funzionano solo con materiali metallici, rilevanocioè senza contatto qualsiasi oggetto metallico.

b PrincipioUn circuito induttivo (bobina con induttanza L) costituisce l’elementosensibile. Questo circuito è associato ad un condensatore di capacità Cper formare un circuito risonante ad una frequenza Fo generalmentecompresa tra 100 KHz e 1 MHz.

Un circuito elettronico permette di avere oscillazioni conformi alla formula:

Queste oscillazioni creano un campo magnetico alternato davanti alla bobina.

Uno schermo metallico posizionato all'interno del campo magneticodiventa sede di correnti di Foucault che costituiscono un carico addizio-nale, modificando di conseguenza le condizioni di oscillazione (C Fig.6).

La presenza di un oggetto metallico davanti all’interruttore diminuisce ilcoefficiente di qualità del circuito risonante.

1° caso, senza schermo metallico:

Attenzione:

2° caso, presenza di uno schermo metallico:

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Posizioneeccitazione

Posizionediseccitazione

A Fig. 5 Esempio di un contatto ad azione lenta

A Fig. 6 Principio di funzionamento di un interruttore induttivo

Schneider Electric

Il rilevamento avviene mediante la misura della variazione del coefficientedi qualità (dal 3% al 20% circa alla soglia di rilevamento).

L’avvicinamento dello schermo metallico si traduce con una diminuzione delcoefficiente di qualità e quindi una diminuzione dell’ampiezza delle oscillazioni.

La distanza di rilevamento dipende dal tipo di metallo da rilevare (dallasua resistività ρ e dalla sua permeabilità relativa µr ).

b Descrizione di un interruttore induttivo (C Fig.7)

Trasduttore: È composto da una bobina in filo di rame intrecciato (filo diLitz) posizionata all’interno di un elemento in ferrite che dirige le linee dicampo verso la parte anteriore dell’interruttore.

Oscillatore: esistono numerosi tipi di oscillatore, quali ad esempiol’oscillatore a resistenza negativa fissa R uguale in valore assoluto allaresistenza parallela Rp del circuito oscillante alla portata.

- Se l’oggetto da rilevare è oltre la portata nominale, lRpl > l-Rl allora leoscillazioni saranno mantenute,

- Se al contrario l’oggetto da rilevare è al di qua della portata nominale,

lRpl < l-Rl, allora le oscillazioni non saranno più mantenute e si avrà ilblocco dell’oscillatore.

Stadio di messa a punto: costituito da un rilevatore di cresta seguito daun comparatore a due soglie (Trigger) per evitare le commutazioniintempestive quando l’oggetto da rilevare è vicino alla portata nominale.Origina il fenomeno chiamato isteresi dell’interruttore (C Fig.7bis).

Stadio di alimentazione e di uscita: consente di alimentare l’interruttore conampie gamme di tensione d’alimentazione (da 10 VCC fino a 264 V AC).Il modulo di uscita consente di comandare carichi da 0.2 A in CC a 0.5 Ain CA, con o senza protezione contro i cortociruiti.

b Prestazioni del rilevamento induttivoLa distanza di rilevamento:

- dipende dall’importanza della superficie di rilevamento.- Sn: portata nominale (su acciao dolce) variabile da 0.8 mm

(interruttore Ø 4) a 60 mm (interruttore 80 x 80).- isteresi: corsa differenziale (dal 2 al 10 % di Sn) che evita i rimbalzi

alla commutazione.- frequenza di rilevamento del passaggio degli oggetti davanti

all’interruttore, detta di commutazione (max 5 kHz).

b Funzioni particolari• Interruttori protetti contro i campi magnetici delle saldatrici.

• Interruttori a uscita analogica.

• Interruttori con fattore di correzione 1* per i quali la distanza dirilevamento è indipendente dal metallo rilevato (ferroso o non ferroso).

• Interruttori selettivi materiali ferrosi e non ferrosi.

• Interruttori per controllo rotazione: rilevatori di controllo sottovelocitàsensibili alla frequenza di passaggio degli oggetti in metallo.

• Interruttori per atmosfere esplosive (norme NAMUR).*Quando l’oggetto da rilevare non è in acciaio, la distanza di rilevamento dell’interruttore è proporzionale al fattore di correzione del materiale di cui è composto l’oggetto.

DMat X = DAcciaio x KMat X

I valori tipici del fattore di correzione (KMat X ) sono:- Acciaio = 1- Inox = 0.7- Ottone = 0.4 - Alluminio = 0.3- Rame = 0.2Esempio: DInox = DAcciaio x 0.7

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6

A Fig. 7 Schema di un interruttore induttivo

A Fig. 7bis Isteresi dell’interruttore

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6.4 Interruttori di prossimità capacitiviRilevamento dati

6.4 Gli interruttori di prossimità capacitivi

Gli interruttori di prossimità capacitivi sono adatti al rilevamento di tutti itipi di materiali conduttori e isolanti quali vetro, olio, legno, plastica, ecc.

b PrincipioUn interruttore di prossimità capacitivo è composto da un oscillatorei cui condensatori rappresentano la faccia sensibile.

Sulla faccia sensibile dell’interruttore viene applicata una tensione sinusoidaleche crea un campo elettrico alternato davanti all’interruttore stesso.

Considerato che alla tensione sinusoidale è assegnato un valore rispettoad un potenziale di riferimento (terra o massa ad esempio), la secondaarmatura è costituita da un elettrodo collegato al potenziale di massa(armatura della machina, ad esempio).

I due elettrodi installati faccia a faccia costituiscono un condensatore lacui capacità è data dalla formula:

ove ε0 = 8,854187.10-12 F/m permittività del vuoto εr permittività relativadel materiale presente tra i 2 elettrodi.

1° caso: Nessun oggetto tra i 2 elettrodi (C Fig.8)

2° caso: Presenza di un oggetto isolante tra i 2 elettrodi (C Fig.9)

=> (εr = 4)

L’elettrodo di massa può essere in questo caso il tappeto in metallo di unnastro trasportatore.

Quando il valore della costante dielettrica εr diventa superiore a 1 inpresenza di un oggetto, il valore di C aumenta.

Misurando l’aumento del valore di C è possibile rilevare la presenzadell’oggetto isolante.

3° caso: Presenza di un oggetto conduttore tra i 2 elettrodi (C Fig.10)

con εr 1 (aria) =>

La presenza di un oggetto in metallo si traduce anche in questo caso conun aumento del valore di C.

b I diversi tipi di interruttori capacitiviv Interruttori capacitivi senza elettrodo di massaIl loro funzionamento si basa direttamente sul principio sopra descritto.

Per rilevare materiali conduttori (metallo, acqua) a distanze importanti ènecessario un collegamento alla massa (potenziale di riferimento).

Applicazione tipo: Rilevamento di materiali conduttori attraverso unmateriale isolante (C Fig.11).

v Interruttori capacitivi con elettrodo di massaNon sempre è possibile trovare un collegamento alla massa, ad esempionel caso in cui si desideri rilevare del materiale isolante (recipiente vuotoin vetro dell’esempio precedente).

La soluzione consiste nell’installare l’elettrodo di massa sulla faccia dirilevamento.

140

A Fig. 8 Assenza oggetto tra i 2 elettrodi

A Fig. 9 Presenza oggetto isolante tra i 2 elettrodi

A Fig. 10 Presenza di un oggetto conduttore tra i 2 elettrodi

A Fig. 11 Rilevamento della presenza d’acqua in un recipiente in vetro o plastica

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Il campo elettrico si crea indipendente dal collegamento alla massa (C Fig.12).

Applicazione: Rilevamento di tutti i materiali.

Possibilità di rilevare materiali isolanti o conduttori dietro una superficieisolante, ad esempio dei cereali in una scatola in cartone.

b Prestazioni di un interruttore capacitivoLa sensibilità degli interruttori capacitivi, secondo la formula baseprecedentemente indicata, dipende sia dalla distanza oggetto - rilevatoreche dal materiale di cui è composto l’oggetto.

v Distanza di rilevamentoÈ legata alla costante dielettrica o permittività relativa εr del materiale dicui è composto l’oggetto da rilevare.

Per poter rilevare una grande variétà di materiali i rilevatori capacitivi sonogeneralmente dotati di un potenziometro di regolazione della sensibilità.

v MaterialeLa tabella della Fig. 13 riporta le costanti dielettriche di alcuni materiali.

141

6

materiale εr

Acetone 19.5

Aria 1.000264

Ammoniaca 15-25

Etanolo 24

Farina 2.5-3

Vetro 3.7-10

Glicerina 47

Mica 5.7-6.7

Carta 1.6-2.6

Nylon 4-5

Petrolio 2.0-2.2

Vernice al silicone 2.8-3.3

Polipropilene 2.0-2.2

Porcellana 5-7

Latte in polvere 3.5-4

Sale 6

Zucchero 3.0

Acqua 80

Legno secco 2-6

Legno verde 10-30

A Fig. 13 Costanti dielettriche di alcuni materiali

A Fig. 12 Principio di un interruttore capacitivocon elettrodo di massa

Contaminanti

Elettrodo principaleElettrodo di compensazioneElettrodo di massa

(a): campo di compensazione (eliminazione dellacontaminazione esterna)(b): campo elettrico principale

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6.5 Interruttori fotoelettriciRilevamento dati

6.5 Gli interruttori fotoelettrici

Gli interruttori fotoelettrici consentono il rilevamento di oggetti diqualsiasi tipo, opachi, riflettenti o quasi-trasparenti e sono anche adattialle applicazioni di rilevamento presenza persone (apertura di porte,barriere di sicurezza).

b Principio (C Fig.14)

Un diodo elettroluminescente (LED) emette degli impulsi luminosi,generalmente nel vicino infrarosso (da 850 a 950 nm).

Il fascio di luce viene o meno ricevuto da un fotodiodo o fototransistor infunzione della presenza o assenza dell’oggetto da rilevare.

La corrente fotoelettrica creata viene amplificata e confrontata con unasoglia di riferimento per fornire un’informazione ON/OFF.

b I diversi sistemi di rilevamentov Sistema a sbarramento (C Fig.14bis)Emettitore e ricevitore sono installati in due scatole separate.

L’emettitore, un LED posizionato nel fuoco di una lente convergente, creaun fascio luminoso parallelo.

Il ricevitore, un fotodiodo (o fototransistor) posizionato nel fuoco di una lenteconvergente, fornisce una corrente proporzionale all’energia ricevuta.

Il sistema fornisce un’informazione ON/OFF in funzione della presenza oassenza dell’oggetto all’interno del fascio luminoso.

Vantaggi: La distanza di rilevamento (portata) può arrivare fino a oltre 50 m.in base alla dimensione delle lenti e quindi dell’interruttore.

Svantaggi: Richiede due scatole e quindi di due alimentazioni separate.

L’allineamento per distanze di rilevamento superiori a 10 m puòpresentare una certa difficoltà.

v Sistemi a riflessioneIl rilevamento a riflessione può essere di due tipi: a riflessione diretta e ariflessione polarizzata.

• A riflessione diretta (C Fig.15)Il fascio luminoso è generalmente nella gamma del vicino infrarosso (da850 a 950 nm).

Vantaggi: L’emettitore e il ricevitore sono nello stesso involucro (un unicocavo di alimentazione). La distanza di rilevamento (portata) è notevole,benchè inferiore a quella del sistema a sbarramento (fino a 20 m ).

Svantaggi: Un oggetto riflettente (vetro, carrozzeria d’auto, ecc...) puòessere visto come catarifrangente e non venire rilevato.

• A riflessione polarizzata (C Fig.16)Gli interruttori a riflessione polarizzata emettono luce rossa visibile (660 nm).

Il fascio luminoso emesso vie polarizzato verticalmente da un filtro polariz-zante lineare, quindi viene depolarizzato e infine rinviato dal catarifrangente.Una parte del fascio luminoso rinviato ha quindi una componenteorizzontale. Il filtro ricevitore lascia passare la luce riflessa sul pianoorizzontale e la luce raggiunge il componente di ricezione.

Un oggetto riflettente (specchio, lamiera, vetro) al contrario delcatarifrangente non cambia lo stato di polarizzazione. La luce rinviata dall’oggetto non potrà quindi raggiungere il polarizzatorein ricezione (C Fig.17).

Vantaggi: Permette di evitare gli svantaggi del sistema a riflessione diretta.

Svantaggi: Ha un costo superiore e copre distanze di rilevamento inferiori:

Riflessione diretta IR -->15mRiflessione polarizzata ---> 8m

142

A Fig. 14 Principio di un interruttore fotoelettrico

Parte operativa Parte comando

Ricevitoredi luce

Emettitoredi luce

Analisi Misura

Modulodi uscita

A Fig. 15 Rilevamento a riflessione

Uscita

A Fig. 16 Rilevamento a riflessione polarizzata

A Fig. 17 Principio del non rilevamento di materiali riflettenti

Rif.

A Fig. 14bis Rilevamento a sbarramento

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v Sistema a riflessione diretta (sull’oggetto)• A riflessione diretta (C Fig.18)Utilizza la riflessione diretta (diffusa) dell’oggetto da rilevare.

Vantaggi: Non è più necessario il catarifrangente.

Svantaggi: La distanza di rilevamento non supera i 2 m e varia con ilcolore dell’oggetto da “vedere” e dallo sfondo davanti al quale si trova(per una data regolazione, la distanza di rilevamento è maggiore per unoggetto bianco che per un oggetto grigio o nero) e uno sfondo più chiarodell’oggetto da rilevare può compromettere il funzionamento del sistema.

• A riflessione diretta con soppressione dello sfondo (C Fig.19)Questo sistema il rilevamento permette di rilevare oggetti di colore eriflettività diversi mediante triangolazione.

La distanza di rilevamento (fino a 2 m) non dipende dal potere diriflessione dell’oggetto, ma solo dalla sua posizione: un oggetto chiaroviene rilevato alla stessa distanza di un oggetto scuro. Infine uno sfondo posto al di là della zona di rilevamento verrà ignorato.

v Fibre ottiche• PrincipioIl principio della propagazione delle onde luminose nella fibra ottica è lariflessione totale interna.

La riflessione totale interna si verifica quando un raggio luminoso passada un materiale ad un altro materiale avente indice di rifrazione inferiore. La luce viene riflessa totalmente (C Fig.20) e non si verifica alcuna perditadi luce quando l’angolo di incidenza del raggio luminoso è maggioredell’angolo critico [θc].

La riflessione totale interna è regolata da due fattori: gli indici di rifrazionedei due materiali e l’angolo critico.

Questi due fattori sono collegati dalla seguente formula:

Conoscendo gli indici di rifrazione dei due materiali dell’interfaccial’angolo critico è facilmente calcolabile.

Fisicamente l’indice di rifrazione di un materiale è il rapporto tra la velocitàdella luce nel vuoto (c) e la sua velocità nel materiale (v).

L’indice di rifrazione dell’aria è considerato uguale a quello del vuoto,poichè la velocità della luce nell’aria è all’incirca uguale a quella nel vuoto.

• Fibre ottiche multimodali e monomodaliEsistono due tipi di fibra ottica: multimodale e monomodale (C Fig.21).

- Fibre ottiche multimodali

La parte centrale delle fibre che conduce la luce ha un diametro granderispetto alla lunghezza d’onda utilizzata (φ da 9 a 125 µm, Lo = da 0.5 a1 mm). Il profilo dell’indice di rifrazione delle fibre multimodali può essere:a gradino (step-index) o graduale (graded-index).

- Fibre ottiche monomodali

La parte centrale delle fibre che conduce la luce ha un diametro moltopiccolo rispetto alla lunghezza d’onda utilizzata (φ <= 1 µm, Lo =generalmente 1.5 µm). Le fibre monomodali hanno profilo d’indice agradino. Sono utilizzate soprattutto per le telecomunicazioni.

È importante ricordare che la loro messa in opera richiede un’attenzioneparticolare, soprattutto nell’installazione delle fibre (sforzi di trazione ridottie raggi di curvatura limitati come indicato dai produttori).

143

6

A Fig. 18 Riflessione diretta

A Fig. 19 Riflessione diretta con soppressionedello sfondo

A Fig. 20 Principio della propagazione delle ondeluminose nella fibra ottica

A Fig. 21 Principio della propagazione delle ondeluminose nella fibra ottica

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6.5 Interruttori fotoelettrici6.6 Interruttori ad ultrasuoni

Rilevamento dati

144

Le fibre ottiche più utilizzate nell’industria sono quelle multimodali cheoffrono i vantaggi di tenuta elettromagnetica (EMC o CompatibilitàElettroMagnetica) e semplicità di messa in opera.

• Tecnologia degli interruttoriLe fibre ottiche sono posizionate davanti al LED emettitore e davanti alfotodiodo o fototransistor ricevitore (C Fig.22).

Questo principio di funzionamento permette:- di allontanare l’elettronica dal punto di controllo,- di raggiungere spazi molto esigui o a temperature elevate, - di rilevare oggetti molto piccoli (nell’ordine del mm),- di funzionare in modo sbarramento o prossimità a seconda della

posizione dell’estremità delle fibre.

È importante notare che i collegamenti tra il LED emettitore o ilfototransistor ricevitore e la fibra ottica devono essere realizzati conestrema cura per ridurre al minimo le perdite di trasmissioni.

b Prestazioni degli interruttori fotoelettriciLe prestazioni di questi sistemi di rilevamento possono essere influenzateda diversi fattori quali:

- la distanza (interruttore-oggetto),- il tipo di oggetto da rilevare (materiale diffusore, riflettente o

trasparente, colore e dimensioni),- le caratteristiche ambientali (luce ambiente, presenza sfondo, ecc...).

6.6 Gli interruttori ad ultrasuoni

b PrincipioI sensori ad ultrasuoni sono dispositivi composti da un trasduttoreelettroacustico che convertono l’energia elettrica (C Fig.23) che gli vienefornita in energia meccanica di vibrazione. Possono essere piezoelettrici o magnetostrittivi a seconda che utilizzino ilprincipio della magnetostrizione o l’effetto piezoelettrico (C Fig.23).

L’interruttore a ultrasuoni misura il tempo di propagazione dell’ondaacustica tra il rilevatore e l’oggetto da rilevare.

La velocità di propagazione è di 340 m/s nell’aria a 20 °C (ad esempio per1 m il tempo da misurare è dell’ordine di 3 ms).

Il tempo viene misurato dal contatore di un microcontrollore.

Il vantaggio dei sensori a ultrasuoni è rappresentato dalla grande distanza dirilevamento (fino a 10 m), ma soprattutto dalla capacità di rilevare qualsiasioggetto che riflette il suono, indipendentemente dalla sua forma e dal colore.

b Applicazione (C Fig.24)

Eccitato dal generatore alta tensione il trasduttore (emettitore-ricevitore)emette un’onda ultrasonica pulsata (da 100 a 500 kHz a seconda delprodotto) che si sposta nell’aria alla velocità del suono.

Nel momento in cui l’onda incontra un oggetto, un’onda riflessa (eco)ritorna verso il trasduttore. Un microprocessore analizza il segnalericevuto e misura l’intervallo di tempo tra il segnale emesso e l’eco.

Il confronto tra i tempi predefiniti o rilevati consente al microprocessore dideterminare e controllare lo stato delle uscite. Conoscendo la velocità dipropagazione del suono è possibile dedurre una distanza applicando laseguente formula:D = T.Vs/2 ove D: distanza dall’interruttore all’oggetto, T: tempo trascorso tra l’emissione dell’onda e la sua ricezione, Vs: velocità del suono (300 m/s).

A Fig. 22 Principio di funzionamento di un interruttore a fibre ottiche

A Fig. 23 Principio di un trasduttoreelettroacustico

A Fig. 24 Principio di un interruttore ad ultrasuoni

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Il modulo di uscita [5] controlla un commutatore statico (transistor PNP oNPN) corrispondente ad un contatto a chiusura o ad apertura, o mette adisposizione un segnale analogico (corrente o tensione) direttamente oinversamente proporzionale alla distanza dell’oggetto misurata.

b Particolarità degli interruttori ad ultrasuoniv Definizioni (C Fig.25)Zona cieca: Zona compresa tra la faccia sensibile dell’interruttore e laportata minima all’interno della quale nessun oggetto può essere rilevatoin modo affidabile. In questa zona è impossibile rilevare gli oggetti inmodo corretto.

Evitare il passaggio di oggetti nella zona cieca durante il funzionamentodell’interruttore perchè questo potrebbe provocare un’instabilità delle uscite.

Zona di rilevamento: campo nel quale l’interruttore è sensibile. A seconda dei modelli degli interruttori, la zona di rilevamento può essereconfigurata in regolabile o fissa con un semplice pulsante.

Fattori d’influenza: Gli interruttori ad ultrasuoni sono adatti in modoparticolare al rilevamento di oggetti duri e con una superficie pianaperpendicolare all’asse di rilevamento.

Tuttavia il funzionamento degli interruttori ad ultrasuoni può esseredisturbato da diversi fattori:

- Le correnti d’aria brusche e di forte intensità possono accelerare odeviare l’onda acustica emessa dal prodotto (espulsione del pezzocausata da un getto d’aria).

- I gradienti di temperatura importanti nel campo di rilevamento. Un forte calore sprigionato da un oggetto crea zone a temperaturediverse che modificano il tempo di propagazione dell’onda impedendoun rilevamento affidabile.

- Gli isolanti fonici. I materiali quali il cotone, i tessuti, la gommaassorbono il suono; per questi prodotti si consiglia il rilevamento «a riflessione».

- L’angolo tra la faccia dell’oggetto da rilevare e l’asse di riferimentodell’interruttore. Quando l’angolo è diverso da 90°, l’onda non viene piùriflessa nell’asse dell’interruttore e la portata di lavoro diminuisce. Maggiore è la distanza tra l’oggetto e l’interruttore tanto più accentuato èquesto effetto. Oltre i ± 10°, il rilevamento è impossibile.

- La forma dell’oggetto da rilevare. Conseguentemente a quanto sopraprecisato un oggetto molto spigoloso è più difficile da rilevare.

v Modo di funzionamento (C Fig.26)• A riflessione diretta. Un solo ed unico interruttore emette l’onda sonorapoi la capta dopo la riflessione su un oggetto.

In questo caso è l’oggetto che garantisce la riflessione.

• A riflessione. Un solo ed unico interruttore emette l’onda sonora poi la ricevein seguito alla riflessione di un riscontro fisso; di conseguenza l’interruttore ècostantemente in funzione. Il riscontro fisso, in questo caso, sarà un elementopiano e rigido, eventualmente una parte della macchina. Il rilevamento dell’oggetto viene effettuato quindi mediante interruzionedell’onda. Questo sistema è adatto in modo particolare al rilevamento dimateriali ammortizzanti o di oggetti spigolosi.

• A sbarramento. Il sistema a sbarramento è composto da due prodottiindipendenti che devono essere posizionati faccia a faccia: un emettitoread ultrasuoni e un ricevitore.

b Prestazioni del rilevamento ad ultrasuoniNessun contatto fisico con l’oggetto, quindi nessuna usura e possibilità dirilevare oggetti fragili o con vernice fresca.

Rilevamento possibile di qualsiasi materiale, qualsiasi sia il colore, allastessa portata, senza regolazione o fattore di correzione.

145

6

A Fig. 25 Limiti d’impiego di un interruttore ad ultrasuoni

A Fig. 26 Utilizzo degli interruttori ad ultrasuonia) In modo prossimità o riflessione diretta,b) In modo riflessione

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6.6 Interruttori ad ultrasuoni 6.7 Sistema di identificazione a radio frequenza

RFID o Radio Frequency IDentification

Rilevamento dati

Apparecchi statici: nessun pezzo in movimento all’interno dell’interruttore,quindi durata indipendente dal numero di cicli di manovra.

Buona tenuta alle caratteristiche ambientali industriali: resistente allevibrazioni e agli urti, resistente agli ambienti difficili.

Funzione di apprendimento mediante semplice pressione su un pulsanteper definire il campo di rilevamento effettivo. Apprendimento della portataminima e massima (soppressione dello sfondo e del piano anteriore moltoprecisa ± 6 mm).

6.7 Sistema di identificazione a radio frequenza RFID o Radio Frequency IDentification

Questo capitolo presenta i dispositivi utilizzati per il salvataggio e lagestione dei dati memorizzati nelle etichette elettroniche a partire da unsegnale radiofrequenza.

b GeneralitàIl sistema di identificazione radiofrequenza (RFID) è una tecnologia diidentificazione automatica relativamente recente, adatta alle applicazioniche richiedono il controllo di oggetti o persone (rintracciabilità, controlloaccessi, smistamento, stoccaggio).

Il principio è quello di associare a ciascun oggetto una capacità dimemorizzazione accessibile senza contatto, in lettura e in scrittura.

I dati vengono salvati in una memoria accessibile mediante semplicecollegamento in radio frequenza, senza contatto né campo di visione, ad una distanza che da qualche centimetro può arrivare a diversi metri.Questa memoria prende la forma di un’etichetta elettronica o tag RFID,chiamata anche trasponder, all’interno della quale si trova un circuitoelettronico e un’antenna.

b Principi di funzionamentoUn sistema RFID è costituito dai seguenti elementi (C Fig.27 e 28):

- Un’etichetta elettronica o tag,- Una stazione di lettura/scrittura (o lettore rfid).

v Il lettore Modula l’ampiezza del campo irradiato dalla sua antenna per trasmetteredegli ordini di lettura o di scrittura alla logica di elaborazione dell’etichetta.Simultaneamente, il campo elettromagnetico generato dalla sua antennaalimenta il circuito elettronico dell’etichetta.

v L’etichetta Trasmette le sue informazioni in ritorno verso l’antenna del lettore modulando ilsuo proprio consumo. Questa modulazione viene rilevata dal circuito diricezione del lettore che la converte in segnali digitali (C Fig.29).

b Descrizione degli elementi v Le etichette elettroniche (C Fig.30)Le etichette elettroniche sono costituite da tre elementi principalicontenuti in un involucro.

• AntennaL’antenna deve essere adatta alla frequenza della portante, quindi puòpresentarsi sotto diverse forme:

- Bobina in filo di rame, con o senza nucleo di ferrite (canalizzazionedelle linee di campo), o ancora incisa su circuito stampato flessibile origido, o stampata (inchiostro conduttivo) per le frequenze inferiori a20 MHz.

- Dipolo inciso su circuito stampato, o stampato (inchiostro conduttivo)per le frequenze molto alte (>800 MHz).

146

A Fig. 28 Presentazione degli elementi di unsistema RFID (Sistema Inductel diTelemecanique)

A Fig. 30 Fotografia interna di un’etichetta RFID

A Fig. 29 Funzionamento di un sistema RFID

A Fig. 27 Organizzazione di un sistema RFID

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• Un circuito logico di elaborazioneIl suo ruolo è di assicurare l’interfaccia tra gli ordini captati dall’antenna ela memoria.La sua complessità dipende dalle applicazioni, dalla sempliceconfigurazione fino all’utilizzo di un microcontrollore (ad esempio schededi pagamento protette con algoritmi di criptografazione).

• Una memoriaPer memorizzare le informazioni nelle etichette elettroniche vengonoutilizzati diversi tipi di memorie (C Fig.31).

Le capacità di queste memorie vanno da qualche byte fino a più decine dik byte.

Alcune etichette dette «attive» integrano una pila che alimenta la parte elettronica.Questa configurazione consente di aumentare la distanza di dialogo tra l’etichettae l’antenna, ma richiede la sostituzione regolare della pila.

v Un involucroPer riunire e proteggere i tre elementi attivi di un’etichetta sono stati creatiinvolucri adatti a ciascun tipo di applicazione, quali ad esempio: (C Fig.32a)

- Badge formato carta di credito per controllo accesso delle persone,- Supporto adesivo per identificazione dei libri nelle biblioteche, - Capsula in vetro (microchip) per identificazione degli animali domestici

(iniezione sottocutanea),- Targhette in plastica per l’identificazione di capi di abbigliamento e di

biancheria,- Targhette per il controllo della posta.

Sono disponibili molte altre varianti di involucri: portachiavi, «chiodi» inplastica per l’identificazione di pallet di legno, o contenitori resistenti agliurti e ai prodotti chimici (C Fig.32b) adatti alle applicazioni industriali(trattamento superfici, forni, ecc...).

v Le stazioni:Una stazione (C Fig.33a) svolge la funzione di interfaccia tra il sistema digestione (controllore programmabile, computer, ecc...) e l’etichettaelettronica, attraverso un’apposita porta di comunicazione (RS232,RS485, Ethernet, ecc...).

A seconda delle applicazioni si può anche integrare un certo numero difunzioni complementari:

- ingressi/uscite ON/OFF,- elaborazione locale per funzionamento in autonomo, - comando di più antenne,- rilevamento con un’antenna integrata per un sistema più compatto

(C Fig.33b).

147

6A Fig. 31 Diversi tipi di memorie utilizzate per memorizzare le informazioni nelle etichette elettroniche

A Fig. 32 a e b Diverse forme di etichette RFIDadatte al loro uso

A Fig. 33a Stazione d’interfaccia RFID

A Fig. 33b LLettore RFID Telemecanique Inductel

Tipo Vantaggi Inconvenienti

ROM • Buona resistenza alle temperature elevate • Solo lettura

• Prezzo basso

EEPROM • Nessuna pila o batteria di emergenza • Tempo di accesso relativamente lungo in lettura o scrittura

• Numero di scritture limitato a 100 000 cicli per byte

RAM • Rapidità di accesso ai dati • Richiede di inserire una pila di emergenza

• Capacità elevata nell’etichetta

• Numero illimitato di letture o scritture

FeRAM • Rapidità di accesso ai dati • Numero di scritture e letture limitato a 10 12

(ferroelettrica) • Nessuna pila o batteria di emergenza

• Capacità elevata

a b

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6.7 Sistema di identificazione a radio frequenzaRFID o Radio Frequency IDentification

Rilevamento dati

v AntenneLe antenne sono caratterizzate dalle loro dimensioni (che determinano la forma della zona nella quale possono scambiare le informazioni con leetichette) e dalla frequenza del campo irradiato. L’utilizzo di ferritipermette di concentrare le linee di campo elettromagnetico in modo da aumentare la distanza di lettura (C Fig.34) e diminuire l’eventualeinfluenza di masse metalliche vicine all’antenna.

Le frequenze utilizzate dalle antenne sono ripartite su più bande distinte,poiché ogni banda presenta dei vantaggi e degli inconvenienti (C Fig.35).

148

A Fig. 34 Influenza di un’antenna in ferrite sullelinee di campo elettromagnetico

Le potenze e le frequenze utilizzate variano in funzione delle applicazionidei diversi Paesi. Sono state identificate tre grandi zone geografiche diriferimento: Nord America, Europa e resto del mondo. A ciascuna zona e a ciascuna frequenza corrisponde un modelloautorizzato di spettro di emissione (norma CISPR 300330) nel qualeciascuna stazione/antenna RFID deve essere iscritta.

v Codifica e protocolloI protocolli di scambio tra le stazioni e le etichette sono definiti da normeinternazionali (ISO 15693 - ISO 14443 A/B).

Vi sono anche standard più specializzati in corso di definizione, ad esempioquelli destinati al settore della grande distribuzione (EPC -Electronic ProductCode-) o per l’identificazione degli animali (ISO 11784).

b Prestazioni del sistema d’identificazione RFIDRispetto ai dispositivi a codice a barre (etichette o marcature e lettori), ilsistema d’identificazione RFID presenta i seguenti vantaggi:

- possibilità di modifica delle informazioni contenute nell’etichetta,- lettura/scrittura attraverso la maggior parte dei materiali non metallici,- insensibilità a polveri, incrostazioni, ecc.- possibilità di registrare diverse migliaia di caratteri in un’etichetta,- confidenzialità delle informazioni (blocco dell’accesso ai dati contenuti

nell’etichetta).

Tutti questi vantaggi concorrono allo sviluppo dell’identificazione RFID nelsettore dei servizi (ad esempio: controllo accessi sulle piste da sci) e delladistribuzione.

La diminuzione costante dei prezzi delle etichette RFID dovrebbe inoltreportare i dispositivi RFID a sostituire i tradizionali codici a barre suicontenitori (cartoni, container, bagagli) in diversi settori, quali la logistica ei trasporti, ma anche sui prodotti in corso di fabbricazione nell’industria.

Frequenza Vantaggi Inconvenienti Applicazione tipica

125-134 khz (BF) • Immunità agli ambienti • Bassa capacità di memoria • Identificazione degli animali (metallo, acqua, ecc...) • Tempo di accesso lungo domestici

13.56 Mhz (HF) • Protocolli di dialogo • Sensibilità agli ambienti • Controllo dei libri nelle bibliotecheantenna/etichetta normalizzati metallici • Controllo dell’accesso(ISO 15693 - ISO 14443 A/B) • Pagamenti

850 - 950 Mhz (UHF) • Bassissimo costo delle etichette • Gamme di frequenze non • Gestione dei prodotti nella • Distanza di dialogo importante omogenee da un Paese all’altro distribuzione

(diversi metri) • Disturbi creati da ostacoli(metallo, acqua, ecc...) nella zona

2.45 Ghz • Velocità elevata di trasferimento • « Buchi » nella zona di dialogo • Controllo dei veicoli(micro-onde) tra antenna ed etichetta difficili da controllare (pagamenti autostradali)

• Distanza di dialogo importante • Costo dei sistemi di lettura(diversi metri)

A Fig. 35 Descrizione delle bande di frequenze utilizzate in RFID

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6.7 Sistema di identificazione a radio frequenzaRFID o Radio Frequency IDentification

6.8 Sistemi di visione

Tuttavia è importante precisare che, utilizzando questi sistemi, l’attraenteidea dell’identificazione automatica del contenuto dei carrelli davanti allecasse degli ipermercati, senza spostamento della merce, non può ancoraessere presa in considerazione per ragioni fisiche e tecniche.

6.8 Sistemi di visione

b PrincipioÈ l’occhio della macchina che fornisce la vista al sistema di automazione.

Su un’immagine presa da una fotocamera le caratteristiche fisichedell’oggetto sono digitalizzate e permettono quindi di conoscerne(C Fig.36):

- le dimensioni,- la posizione,- l’aspetto (stato della superficie, colore, luminosità, presenza di difetti),- la marcatura (loghi, marchi, caratteri, ecc...).

L’utente può anche automatizzare funzioni complesse:- di misura,- di guida,- e d’identificazione.

b I punti chiave del sistema di visioneUn sistema di visione industriali è costituito da un sistema ottico(illuminazione, fotocamera e gruppo ottico), associato ad un’unità dielaborazione e ad un comando di azionatori.

• IlluminazioneÈ essenziale avere un’illuminazione specifica e ad hoc, in grado di creareun contrasto sufficiente e stabile, per valorizzare gli elementi dacontrollare.

• Fotocamera e OtticaDalla scelta dell’ottica e della fotocamera dipende la qualità dell’immagine(contrasto, definizione); questo con una distanza definitafotocamera/oggetto e un oggetto da esaminare ben determinato(dimensione, stato della superficie e dettagli da acquisire).

• Unità di elaborazioneL’immagine acquisita dalla fotocamera viene trasmessa all’unità dielaborazione che contiene gli algoritmi di formazione e di analisidell’immagine necessari alla realizzazione dei controlli.

I dati ottenuti vengono successivamente trasmessi al sistemadi automazione o comandano direttamente un azionatore.

v Illuminazione• Le tecnologie di illuminazione

- Illuminazione a LED (Diodo Elettro Luminescente)Attualmente è il tipo di illuminazione privilegiato che assicura un’illuminazione omogenea di lunghissima durata (30 000 ore).

È disponibile a colori, ma il campo coperto è limitato a 50 cm circa.

- Illuminazione a tubo fluorescente alta frequenzaIlluminazione a luce bianca che assicura una lunga durata (5 000 ore); il volume illuminato o «campo» è importante e dipende evidentemente dalla potenza luminosa utilizzata.

- Illuminazione alogena Illuminazione a luce bianca caratterizzata da una breve durata (500 ore);richiede una potenza notevole e può coprire un campo importante.

149

6

A Fig. 36 Controllo di un pezzo meccanico. I contrassegni indicano le zoneverificate dal sistema

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6.8 Sistemi di visioneRilevamento dati

Questi tipi di illuminazione possono essere applicati in diversi modi. Per far risaltare la caratteristica da controllare vengono utilizzatiprincipalmente cinque sistemi(C Fig.37):

- Anulare,- Retro-illuminazione,- Lineare diretto,- Radente,- Coassiale.

150

A Fig. 37 Tabella dei diversi tipi di illuminazione per i sistemi di visione industriale

Sistemi Caratteristiche Applicazioni tipo

Anulare

• Insieme di LED disposti ad anello • Consigliato per un controllo di precisione,

• Sistema d’illuminazione molto potente di tipo marcatura

• Permette d’illuminare l’oggetto lungo il suo asse, dall’alto

Retroilluminazione • Illuminazione posizionata dietro l’oggetto e di fronte alla fotocamera • Consigliato per misurare le dimensioni di un oggetto

• Consente di mettere in evidenza la sagoma • o analizzare elementi opachidell’oggetto (ombra cinese)

Lineare diretto

• Utilizzato per mettere in evidenza una piccola superficie • Consigliato per la ricerca di difetti precisi, dell’oggetto da controllare e creare un’ombra portata il controllo della filettatura, ecc...

Radente

• Rilevamento dei bordi (contorni) • Consigliato per controllare i caratteri stampati,

• Controllare una marcatura lo stato di una superficie, rilevare le graffiature, ecc...

• Rilevare i difetti su superfici vetrate o metalliche

Coassiale

• Consente di mettere in evidenza delle superfici liscie • Consigliato per controllare, analizzare e misurare perpendicolari all’asse ottico orientando superfici metalliche piane o altre la luce verso uno specchio semi-riflettente superfici riflettenti

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v Fotocamere e ottica• Le tecnologie delle fotocamere

- Fotocamera digitale CCD (Charged Coupled Device). Attualmente queste fotocamere vengono privilegiate per la loro buona definizione.Per i processi continui si utilizzano fotocamere lineari (CCD a configurazione lineare).

In tutti gli altri casi si utilizzano fotocamere a configurazione matriciale(CCD matriciale).

Le fotocamere industriali utilizzano diversi formati di risoluzione delsensore (C Fig.38) definiti in pollici: 1/3, 1/2 e 2/3 (1/3 e 1/2:videocamera, 2/3 e oltre: alta risoluzione industriale, televisione, ecc...).

Le ottiche sono dedicate a ciascun formato per utilizzare tutti i pixel disponibili.

- Fotocamera con sensore CMOS: progressivamente sostituita dalla tecnologia CCD. Costo interessante –>utilizzo per applicazioni base- Fotocamera Vidicon (tubo): ormai obsoleta.

• La scansioneLe fotocamere utilizzano principalmente due modi per visualizzare il segnale video: la scansione interlacciata e la scansione progressiva(Progressive scan = full frame).

Nel caso in cui le vibrazioni e la presa d’immagine al volo siano frequenti si consiglia di utilizzare un sistema a Scansione progressiva (ProgressiveScan) o Full Frame.

I rilevatori CCD consentono l’esposizione di tutti i pixel nello stesso momento.

• La scansione interlacciataLa scansione interlacciata, usata nei formati televisivi standard, visualizzasoltanto la metà delle linee orizzontali in una volta (C Fig.39).

Viene visualizzato il primo campo, contenente le linee con numero dispari,seguito dal secondo campo, contenente e linee con numero dispari.Questa tecnica permette di non aumentare la larghezza di banda aprezzo di qualche difetto poco visibile su uno schermo piccolo, ingenere lo scintillio.

• La scansione progressivaÈ la tecnologia utilizzata in informatica: visualizza tutte le linee orizzontalidi un immagine in una volta, come frame singolo (C Fig.40). A differenza della scansione interlacciata permette di acquisire l’immagineriga per riga: le immagini acquisite non vengono suddivise in campidiversi come accade con la scansione interlacciata. Questo tipo di tecnologia è particolarmente utile nelle applicazioni divideosorveglianza, soprattutto nel caso in cui sia necessario visualizzarein dettaglio immagini in movimento come nel caso di persone in fuga. Il suo interesse consiste soprattutto nell’eliminazione dello scintillio enell’ottenimento di un’immagine stabile (C Fig.41).

• Il gruppo ottico- Gli obiettivi più utilizzati negli ambienti industriali sono quelli da avvitare con passo C o CS, Ø 25.4 mm.

- La distanza focale (f in mm) si esprime direttamente a partire dalledimensioni dell’oggetto da inquadrare (H in m), dalla distanza D tral’oggetto e l’obiettivo (D in m) e dalla dimensione dell’immagine (h inmm): f= D x h/H (C Fig.42). Si avrà anche angolo di campo = 2 x arctg(h/(2xf)). Quindi minore è la distanza focale e più il campo coperto ègrande.

- La scelta del tipo di obiettivo si effettua quindi in funzione delladistanza D e della dimensione del campo visualizzato H.

v Unità di elaborazioneLa sua elettronica ha due funzioni fondamentali: formare l’immagine e poianalizzarla migliorata.

151

6

A Fig. 38 I formati di rilevatori utilizzatinell’industria

A Fig. 39 Scansione interallacciata

A Fig. 40 Scansione progressiva

A Fig. 41 Confronto delle scansioni

A Fig. 42 La distanza focale

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6.8 Sistemi di visioneRilevamento dati

• Algoritmi di formazione dell’immagineLe pre-elaborazioni cambiano il livello di grigio dei pixel. Il loro scopo è di migliorare l’immagine, per poterla analizzare con piùefficacia. Tra le possibili funzioni di pre-elaborazione le più utilizzate sono:

- la binarizzazione,- la proiezione,- l’erosione/dilatazione,- l’apertura/chiusura.

• Algoritmi di analisi di immagine.Nella tabella della Fig. 43 sono presenti diversi algoritmi di analisi diimmagine. È importante notare che nella colonna «Requisiti» sonoindicate le elaborazioni d’immagine che precedono questa analisi.

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Algoritmo Principio di funzionamento e utilizzodi analisi privilegiato (in grassetto)

Requisiti Vantaggi Limitidell’immagine

Conteggio di pixel, d’oggetto Binarizzazione ed Attenzione alla stabilità

LineaPresenza/Assenza, conteggio

eventualmente Molto rapido (<ms) dell’immagine rispettoregolaz. dell’esposizione alla binarizzazione

Conteggio di pixel Binarizzazione ed Attenzione alla stabilitàFinestra binaria Presenza/Assenza, analisi di superficie, eventualmente Rapido (ms) dell’immagine rispetto

controllo d’intensità regolazione esposizione alla binarizzazione

Finestra Calcolo del livello di grigio medio

livello di grigioPresenza/Assenza, analisi di superficie,

Nessunocontrollo d’intensità

Rilievo bordo su immagine binariaBinarizzazione ed Precisione al pixel.

Bordo binario Misura, presenza/assenza, eventualmente Attenzione alla

posizionamentoregolazione esposizione stabilità dell’immagine

rispetto alla binarizzazione

Nessuno ed Precisione sub-pixel Bordo livello Rilievo bordo su immagine a livello di grigio eventualmente possibile. Pre-elaborazione

Richiede un

di grigio Misura, presenza/assenza, posizionamento regolazione esposizione proiezione livello riposizionamento

di grigio possibilepreciso

Conteggio, rilevamento oggetto, rilevamento Binarizzazione edNumerosi risultati Precisione al pixel.

Estrazione misure e parametri geometrici eventualmenteestratti, polivalente. Attenzione alla

di forma Posizionamento, ri-posizionamento, regolazioneConsente un stabilità dell’immagine

misura, smistamento, identificazione esposizioneriposizionamento rispetto alla binarizzazione.a 360° Tempo da 10 a 100 ms

Riconoscimento di forma,Riconoscimento limitato

Confrontoposizionamento, ri-posizionamento, Nessuno

Facile da realizzare a 30°. Tempo da 10 a avanzato

misura, smistamento, conteggio, identificazione 100 ms se modello e/o zona di ricercaimportante

Attenzione particolare Lettura di ogni tipo di Attenzione alla stabilità

Riconoscimento caratteri (OCR) al contrasto dell’immagine. carattere o logo mediante della marcatura da

OCR/OCVo verifica di caratteri o loghi (OCV)

Ingrandire al massimo apprendimento controllare nel l’immagine. Utilizzare di una biblioteca tempo (ad es. pezziun riposizionamento (alfabeto) imbutiti)

A Fig. 43 I diversi algoritmi di analisi dell’immagine utilizzati nei sistemi di visione industriali

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6.9 Encoder optoelettronici

6.9 Gli encoder optoelettronici

b Presentazione di un encoder rotativo optoelettronicov ComposizioneL’encoder rotativo optoelettronico è un rilevatore di posizione angolare.L'asse dell'encoder è collegato meccanicamente all'albero della macchinache lo trascina e fa ruotare un disco ad esso collegato che presenta unaserie di parti opache e trasparenti in successione.

La luce emessa da diodi elettroluminescenti (LED) attraversa le zonetrasparenti del disco giungendo sui fotodiodi ricevitori. I fotodiodi generano quindi un segnale elettrico che viene amplificato econvertito in segnale digitale prima di essere trasmesso ad una unità dielaborazione.La Fig. 44 mostra un encoder rotativo optoelettronico.

v PrincipiLa rotazione di un disco graduato, funzione dello spostamentodell’oggetto da controllare, genera degli impulsi tutti simili in uscita da unrilevatore ottico.

La risoluzione, ovvero il numero di impulsi al giro, corrisponde al numerodi piste sul disco o ad un multiplo di quest’ultimo. Più il numero di punti èelevato, più il numero di misure al giro consentirà una divisione più finedello spostamento o della velocità dell’oggetto mobile collegatoall’encoder.

Esempio applicativo: taglio in lunghezza.

La risoluzione si esprime con la formuladistanza percorsa per 1 giro

numero di punti

Quindi, se il prodotto da tagliare misura 200 mm e la precisione del taglio è 1mm, l’encoder dovrà avere una risoluzione di 200 punti. Per una precisionedi 0.5 mm la risoluzione dell’encoder dovrà essere uguale a 400 punti.

v Realizzazione pratica (C Fig.45)La parte emissione viene realizzata da una sorgente luminosa triplacomposta da tre fotodiodi o LED (per la ridondanza), con una durata dai10 ai 12 anni.

Un ASIC associato al rilevatore ottico consente di ottenere dei segnalidigitali dopo l’amplificazione.

Il disco è in POLYFASS (Mylarmica) incassabile per risoluzioni cheraggiungono:

- 2 048 punti per un diametro di 40 mm,- 5 000 punti per un diametro di 58 mm,- 10 000 punti per un diametro di 90 mm,

o VETRO per risoluzioni superiori e frequenze di lettura elevate, fino a 300 KHz.

b Gamme di encoder optoelettroniciL’offerta dei costruttori consente di coprire tutte le applicazioni industriali.con diverse gamme di prodotti (C Fig.46) :

- gli encoder incrementali che consentono di conoscere la posizione diun oggetto mobile e di controllarne lo spostamento medianteconteggio bidirezionale degli impulsi emessi,

- gli encoder assoluti di posizione che forniscono la posizione esatta suuno o più giri.

Entrambe le gamme offrono varianti quali:- gli encoder assoluti multi-giro,- gli encoder tachimetrici che forniscono anche le misure di velocità,- i tachimetri che elaborano le informazioni per fornire le misure di velocità.

153

6

A Fig. 44 Encoder rotativo optoelettronico

A Fig. 45 Principio di un encoder incrementale

A Fig. 46 Disco graduato di un encoderincrementale

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6.9 Encoder optoelettronici Rilevamento dati

Tutti questi dispositivi utilizzano tecniche simili e si distinguono per la finestratura deidischi e il modo in cui il segnale ottico viene elaborato o codificato.

v Encoder incrementaliGli encoder incrementali sono adatti alle applicazioni di posizionamento edi controllo dello spostamento di un oggetto mobile mediante conteggiobidirezionale degli impulsi emessi.

• Il disco di un encoder incrementale è composto da due tipi di piste:- una o più piste esterne (vie A e B), suddivise in “n” intervalli uguali,

alternativamente opachi e trasparenti, ove “n” rappresenta larisoluzione o il numero di periodi dell'encoder. Dietro la pista esternasono installati due fotodiodi scalati che forniscono segnali digitali A e B ogniqual volta il fascio luminoso attraversa una zona trasparente. Lo sfasamento di 90° elettrico (1/4 di periodo) dei segnali A e B consente dideterminare il senso di rotazione: (C Fig.47). In un senso, il segnale B è a 1 in corrispondenza del fronte di salita del segnale A, mentre nel senso opposto è a 0,

- una pista interna (pista Z) comprendente una sola finestra, chefornisce la posizione di riferimento e che consente unareinizializzazione ad ogni giro (top 0). Il segnale Z, chiamato "top zero"è sincronizzato con i segnali A e B.

• Utilizzo delle vie A e BGli encoder incrementali consentono tre livelli di precisione dielaborazione:

- utilizzo dei fronti di salita solo della via A: elaborazione semplice,corrispondente alla risoluzione dell'encoder,

- utilizzo dei fronti di salita e di discesa solo della via A: la precisione di elaborazione è raddoppiata,

- utilizzo dei fronti di salita e di discesa delle vie A e B: la precisione di elaborazione è quadruplicata. (C Fig.48).

• Eliminazione dei disturbiQualsiasi sistema di conteggio può essere disturbato dalla comparsa diparassiti in linea che vengono conteggiati come impulsi emessidall'encoder.

Per evitare questo rischio la maggior parte degli encoder incrementali emette,oltre ai segnali A, B e Z, i segnali complementari . Se il sistema dielaborazione è progettato per poterli utilizzare (comandi numerici NUM adesempio), i segnali complementari consentono di differenziare gli impulsi encoderdagli impulsi parassiti (C Fig.49), evitando che questi ultimi vengano presi inconsiderazione, o addiritttura la ricostruzione del segnale emesso (C Fig.50).

v Encoder assoluti• Principio di realizzazioneGli encoder assoluti sono destinati alle applicazioni di controllospostamento e posizionamento di un oggetto mobile.

Sono rotativi e funzionano in modo simile ai rilevatori incrementali, ma sene distinguono per il tipo di disco che presenta più piste concentrichedivise in segmenti uguali alternativamente opachi e trasparenti. Un encoder assoluto emette costantemente un codice che rappresental'immagine della posizione reale dell'oggetto mobile da controllare.

A, B et Z

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A Fig. 47 Principio di rilevamento del senso di rotazione e del top zero

A Fig. 48 Aumento del numero di punti

A Fig. 50 Ricostruzione di un segnale disturbato con e senza segnale complementare

A Fig. 49 Eliminazione dei disturbi

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La prima pista interna (C Fig.51) è composta da una metà opaca e da unametà trasparente. La lettura di questa pista consente di determinare inquale metà si trova l’oggetto (MSB: Most Significant Bit).

Le piste successive, dal centro verso l’esterno del disco, sono suddivise inquattro quarti alternativamente opachi e trasparenti. La lettura di questapista, combinata con la lettura della pista precedente, consente dideterminare in quale quarto di giro è situato l’oggetto. Le piste successiveconsentono infine di determinare in quale ottavo di giro, sedicesimo di giro,ecc., si trova l’oggetto.

La pista esterna, corrisponde al bit meno significativo (LSB : LeastSignificant Bit).

Il numero di uscite parallele corrisponde al numero di bit o di piste deldisco. L’immagine dello spostamento richiede una coppiadiodo/fototransistor pari ai bit emessi o alle piste del disco. La combinazione di tutti i segnali in un dato istante fornisce la posizionedell’oggetto.

Per ogni posizione angolare dell'asse il disco degli encoder assolutifornisce un codice numerico. Un solo codice corrisponde ad una solaposizione. Il codice emesso da un encoder assoluto può essere un codicebinario o un codice Gray (C Fig.52).

• Vantaggi degli encoder assolutiL’encoder assoluto presenta due importanti vantaggi rispetto all’encoderincrementale:

- insensibilità alle interruzioni dell’alimentazione dal momento che allamessa sotto tensione o in caso di interruzione della tensione l’encoderfornisce un’informazione immediatamente utilizzabile dal sistema dielaborazione, corrispondente alla posizione angolare reale dell’oggetto.L’encoder incrementale richiede tuttavia una reinizializzazione prima dipoter utilizzare utilmente i segnali.

- insensibilità ai disturbi in linea. Un disturbo può modificare il codice emessoda un encoder assoluto, ma questo codice torna automaticamente correttoalla scomparsa del disturbo. Con un encoder incrementale il disturbo vieneelaborato tranne che nel caso in cui vengano utilizzati i segnalicomplementari .

• Utilizzo dei segnaliPer ogni posizione angolare dell’asse il disco fornisce un codice che puòessere un codice binario oppure un codice Gray:

- Il codice binario permette di effettuare le 4 operazioni aritmetiche su numeri espressi in questo codice ed è quindi direttamente utilizzabile dai sistemi di elaborazione (controllori programmabili ad esempio) per effettuare calcoli o comparazioni. Tuttavia presenta l'inconveniente di avere più bit che cambiano di stato tra due posizioni con conseguente possibile ambiguità di lettura.Per evitare questa ambiguità gli encoder assoluti generano un segnaled’inibizione che blocca le uscite ad ogni cambio di stato.- Il codice Gray presenta il vantaggio di avere un solo bit che cambia tra

due numeri consecutivi evitando possibili ambiguità di lettura. Per essere utilizzato da un sistema di automazione il codice Graydeve essere precedentemente transcodificato in binario (C Fig.53).

• Utilizzo di un encoder assolutoNella maggior parte delle applicazioni, la costante ricerca diottimizzazione della produttività impone spostamenti rapidi a grandevelocità con successivi rallentamenti che permettano posizionamentiprecisi.

Per raggiungere questo obbiettivo con schede I/O standard, quando lavelocità è elevata è necessario controllare gli MSB in modo da farintervenire il rallentamento a un semi-giro (C Fig.54).

155

6

A Fig. 51 Dischi incisi da un encoder assoluto

A Fig. 52 Segnale fornito in codice Gray da unencoder rotativo assoluto

A Fig. 53 Principio di transcodificazione di Gray in binario

A Fig. 54 Posizionamento di un oggetto mobile su un asse

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6.9 Encoder optoelettronici Rilevamento dati

156

v Varianti degli encoder Per rispondere alle diverse esigenze d’impiego sono disponibili diversevarianti di prodotti quali:

- Encoder assoluti multi-giro,- Encoder tachimetrici e tachimetri,- Encoder ad asse pieno,- Encoder ad asse cavo,- Encoder ad asse traversante.

v Associazione encoder - unità di elaborazioneI circuiti d’ingresso delle unità di elaborazione devono essere compatibilicon i flussi d’informazioni forniti dagli encoder (C Fig.55).

b I rilevatori di velocitàGli encoder sopra citati permettono di fornire un’informazione di velocitàmediante elaborazione del segnale di uscita.

La panoramica sui rilevatori non è completa se tralasciamo di citare irilevatori analogici di velocità, utilizzati principalmente per i sistemi diasservimento velocità e associati in particolare ai variatori per motori acorrente continua. Per il funzionamento ad anello chiuso dei convertitoridi frequenza i variatori moderni utilizzano un rilevatore di velocità virtualeche, a partire da grandezze elettriche misurate nel variatore,ricostituiscono la velocità reale della macchina.

v Alternatore tachimetricoQuesto rilevatore di velocità (C Fig.56) è composto da uno statoreformato da più avvolgimenti e da un rotore che integra dei magneti.

Questo dispositivo è simile ad un alternatore.

La messa in rotazione provoca delle tensioni alternate negli avvolgimentidello statore.

L’ampiezza e la frequenza del segnale generato dipendono direttamentedalla velocità di rotazione.

Per realizzare un asservimento o un’indicazione della velocità è possibileutilizzare sia la tensione (efficace o raddrizzata) che la frequenza.

Lo sfasamento degli avvolgimenti permette di rilevare facilmente il sensodi rotazione.

v Dinamo tachimetricaQuesto tipo di rilevatore di velocità è composto da uno statore checomprende un avvolgimento fisso e da un rotore che incorpora deimagneti (C Fig.57). Il rotore è dotato di un collettore e di spazzole.

A Fig. 57 Rappresentazione schematica di una dinamo tachimetrica e di una realizzazione industriale

Unità di elaborazione Encoder

Incrementale Assoluto

Frequenza del segnale (kHz)Collegamento in parallelo

=< 0,2 =< 40 > 40

Controllori Ingressi ON/OFF X Xprogrammabili

Conteggio rapido X XSchede d’assi

ControlloX X X

numerico

Microcomputer Ingressi paralleli X

Schede specifiche X X X X

A Fig. 55 Principali tipi di unità di elaborazione utilizzate nell’industria

A Fig. 56 Rappresentazione schematica di un alternatore tachimetrico

N

N

S

S

a

-c

b-a

c

-b

a'

-c'

b'

-a'

c'

-b'

Schneider Electric

Questo dispositivo cchina è simile ad un generatore di corrente continua. Il collettore e il tipo di spazzole vengono scelti per limitare le tensioni disoglia e le discontinuità di tensione al passaggio delle spazzole. Permette di funzionare su un’ampia gamma di velocità.

La messa in rotazione induce una tensione continua la cui polaritàdipende dal senso di rotazione e la cui ampiezza è proporzionale allavelocità.

Ampiezza e polarità possono essere utilizzate per realizzare unasservimento o avere un’indicazione della velocità.

La tensione fornita da questo tipo di rilevatore è compresa tra 10 e60 volt/1000 giri al minuto; in alcuni modelli di dinamo può essereprogrammata dall’utente.

v I sensori di velocità a riluttanza variabileLo schema della Fig. 58 mostra questo tipo di sensore.

Il nucleo magnetico della bobina è sottoposto ai flussi d’induzione di unmagnete permanente. La bobina è posizionata a lato di un disco (ruotapolare) o di un elemento ferromagnetico rotante.

Lo scorrimento delle discontinuità magnetiche (denti, fessure, fori) deldisco o dal pezzo in rotazione provoca una variazione periodica dellariluttanza del circuito magnetico della bobina che induce in quest’ultimauna tensione di frequenza e d’ampiezza proporzionali alla velocità dirotazione.

L’ampiezza della tensione dipende:- dalla distanza bobina/pezzo,- dalla velocità di rotazione: inizialmente è proporzionale a questa

velocità. A bassa velocità l’ampiezza può essere troppo ridotta peressere rilevata, al di sotto di questa velocità limite il rilevatore diventainutilizzabile.

L’ampiezza di misura dipende dal numero di discontinuità magnetiche delpezzo in rotazione. La velocità minima misurabile è tanto più bassaquanto più elevato è il numero di passi. In compenso la velocità massimamisurabile sarà tanto più elevata quanto più basso sarà il numero di passia causa della difficoltà di elaborare segnali di frequenza elevata. Le possibilità di misura variano in una gamma da 50 giri/min a 500 giri/mincon una ruota da 60 denti ad una gamma da 500 giri/min a 10000 giri/mincon una ruota da 15 denti.

La composizione del tachimetro a corrente di Foucault è simile; questodispositivo è utilizzabile a fianco di un elemento rotante in metallo nonferromagnetico.

L’insieme bobina magnete permanente è sostituito da un circuitooscillante. La bobina, che è la testa di misura, costituisce l’induttanza Ldel circuito di un oscillatore sinusoidale. L’avvicinamento di un conduttorein metallo modifica le caratteristiche L e R della bobina.

La rotazione di una ruota dentata davanti alla bobina produce, alpassaggio di ciascun dente, l’interruzione dell’oscillatore che vienerilevato, ad esempio, dalla modifica della corrente d’alimentazionedell’oscillatore.

Il segnale corrispondente ha una frequenza proporzionale alla velocità dirotazione e la sua ampiezza, non essendo qui determinata dalla velocitàdi rotazione, è indipendente da questa velocità. Ne risulta che questo tipodi rilevatore è utilizzabile a basse velocità.

Questo tipo di sensore può anche essere utilizzato per la misura di sotto-velocità o sovra-velocità, come ad esempio il sensore induttivo percontrollo rotazione XSAV o XS9 di Telemecanique.

157

6A Fig. 58 Rappresentazione schematica

di un rilevatore a riluttanza variabile

Schneider Electric

6.10 Pressostati e vacuostatiRilevamento dati

6.10 Pressostati e vacuostati

b Cos’è la pressione?La pressione è il risultato di una forza applicata su una superficie. Se P è la pressione, F la forza e S la superficie, si avrà la relazione P=F/S.

La terra è circondata da uno strato d’aria che ha una certa massa equindi esercita una data pressione chiamata “Pressione atmosferica”.

La pressione atmosferica è data in hpa (ettopascal) o mbar. 1hPa = 1mbar.

L’unità di misura della pressione del Sistema Internazionale è il Pascal (Pa): 1 Pa= 1N/1m2

L'unità di misura più comunemente utilizzata è invece il bar:1bar = 105Pa = 105N/m2 = 10N/cm2

Pressostati, vacuostati e trasmettitori di pressione hanno la funzione dicontrollare, regolare o misurare una pressione o una depressione in uncircuito idraulico o pneumatico.

I pressostati o vacuostati trasformano un cambiamento di pressione insegnale elettrico “ON/OFF” al raggiungimento dei punti di riferimentovisualizzati. Possono essere elettromeccanici o elettronici (C Fig.59).

I trasmettitori di pressione (detti anche rilevatori analogici) trasformano lapressione in un segnale elettrico proporzionale e sono a tecnologiaelettronica.

b I rilevatori per il controllo della pressionev PrincipioGli apparecchi elettromeccanici utilizzano lo spostamento di unamembrana, di un pistone o di un soffietto per azionare meccanicamentedei contatti elettrici (C Fig.60).

I I trasduttori di pressione elettronici Telemecanique sono caratterizzati dauna cellula ceramica di misura della pressione (C Fig.61). La deformazione di questa cellula, dovuta alla variazione di pressione,viene rilevata dalle resistenze del Ponte di Wheatstone serigrafate sullaceramica stessa. La variazione della resistenza viene in seguito trattatadal circuito elettronico integrato per dare un segnale digitale oproporzionale alla pressione (es.: 4-20mA , 0-10v…).

Il controllo o la misura della pressione risultano dalla differenza tra lepressioni ai due lati dell’elemento sottoposto alla pressione. A seconda della pressione di riferimento, si utilizza la seguente terminologia:

Pressione assoluta: misurata rispetto ad un contenitore sigillato,generalmente sotto vuoto

Pressione relativa: misurata rispetto alla pressione atmosferica.

Pressione differenziale: misura la differenza tra due pressioni.

È importante notare che i contatti elettrici di uscita possono essere:- di potenza, bipolari o tripolari, per il comando diretto di motori

monofase o trifase (pompe, compressori, ecc...), - standard, per il comando delle bobine di contattori, relè, elettrovalvole,ingressi controllore, ecc...

v Terminologia (C Fig.62)

• Terminologia generale

- Gamma di funzionamentoÈ l'intervallo definito dal valore minimo del punto inferiore (PB) ed ilvalore massimo del punto superiore (PA) per i pressostati e i vacuostati.Corrisponde all’ampiezza di misura dei trasmettitori di pressione (orilevatori analogici). È importante notare che le pressioni visualizzatesugli apparecchi hanno per base la pressione atmosferica.

158

A Fig. 59 Esempio di rilevatori di pressione(marchio Telemecanique) a: Pressostato elettromeccanico tipo XML-B b: Pressostato elettronico tipo XML-F c:Trasmettitore di pressione tipo XML-G

A Fig. 60 Principio di un rilevatore di pressioneelettromeccanico (marchio Telemecanique)

A Fig. 61 Sezione di un rilevatore di pressione(marchio Telemecanique)

A Fig. 62 Rappresentazione grafica dei terminicomunemente utilizzati

a b c

Schneider Electric

- Calibro Valore massimo del campo di funzionamento per i pressostati.Valore minimo del campo di funzionamento per i vacuostati.

- Punto d’intervento superiore (PA)È il valore massimo della pressione regolato sul pressostato o sulvacuostato e in corrispondenza del quale il contatto cambierà di statoquando la pressione sarà crescente.

- Punto basso di riferimento (PB)È il valore minimo della pressione regolato sul pressostato o sulvacuostato e in corrispondenza del quale l’uscita del prodottocambierà di stato quando la pressione sarà discendente.

- Differenziale È la differenza tra il punto d’intervento superiore (PA) e il puntod’intervento inferiore (PB).

- Apparecchi a differenziale fissoIl punto d’intervento inferiore (PB) è direttamente collegato al puntod’intervento superiore (PA) attraverso il differenziale.

- Apparecchi a differenziale regolabileLa regolazione del differenziale consente di fissare il puntod’intervento inferiore (PB).

• Terminologia specifica dell’elettromeccanica (C Fig.63):

- Precisione d’impostazione del punto di riferimento (C Fig.63a)Tolleranza tra il punto d’intervento visualizzato e il valore reale diattivazione del contatto. Per un punto d’intervento preciso (1ainstallazione del prodotto), utilizzare il riferimento di un dispositivo ditaratura (manometro, ecc.).

- Ripetibilità (R) (C Fig.63b)È la variazione del punto di intervento tra due manovre successive.

- Deriva (F) (C Fig.63c)È la variazione del punto di intervento per tutta la duratadell’apparecchio.

• Terminologia specifica dell’elettronica:

- La gamma di misura (EM) di un sensore di pressione corrispondeall’intervallo delle pressioni misurate dall’apparecchio. È compresa tra 0 bar e la pressione corrispondente al calibro del sensore.

- La precisione è costituita dalla linearità, dall’isteresi, dalla ripetibilità edalle tolleranze di regolazione. È espressa in % del campo di misuradel sensore di pressione (% EM).

- La linearità è la differenza maggiore tra la curva reale del sensore e lacurva nominale (C Fig.64a).

- L’isteresi è la differenza maggiore tra la curva a pressioneascendente e la curva a pressione discendente (C Fig.64b).

- La ripetibilità è la banda di dispersione massima ottenuta facendovariare la pressione in date condizioni (C Fig.64c).

- Le tolleranze di regolazione sono le tolleranze di regolazione fornitedal costruttore del punto zero e della sensibilità (pendenza della curvadel segnale di uscita del sensore).

- Derive in temperaturaLa precisione di un sensore di pressione è sempre sensibile allatemperatura di funzionamento. È proporzionale alla temperatura e siesprime in % EM / °C.

- Deriva della sensibilità e del punto zero (C Fig.65a e b)Il punto zero corrisponde al valore del segnale in assenza dipressione. La sensibilità fornisce il rapporto tra il segnale di uscita e lapressione.

159

6

A Fig. 63 Rappresentazione grafica dei terminispecifici all’elettromeccanica

A Fig. 64 Rappresentazione grafica:a) la linearità. b) l'isteresi. c) la ripetibilità.

A Fig. 65 Rappresentazione grafica delle derive:a) della sensibilità. b) del punto zero.

a

b

c

Schneider Electric

6.10 Pressostati e vacuostatiRilevamento dati

- Pressione massima ammissibile ad ogni ciclo (Ps)Pressione che un pressostato è in grado di sopportare ad ogni ciclosenza alcun effetto sulla sua durata. È pari, come minimo, a 1,25volte il calibro dell’apparecchio.

- Pressione massima ammissibile accidentalmenteÈ la pressione massima, fuori choc di pressione, a cui il sensore dipressione può essere sottomesso occasionalmente senza causaredanni all’apparecchio

- Pressione di rotturaÈ la pressione oltre la quale il sensore di pressione rischia dipresentare una fuga o un’esplosione della parte meccanica.

Tutte queste definizioni riguardanti le pressioni sono di fondamentaleimportanza nella scelta del prodotto in grado di rispondere in modoottimale alle esigenze applicative.

v Altre caratteristiche dei rilevatori di presenza In questo capitolo sono state presentate le diverse tecnologie dirilevamento, ognuna delle quali presenta particolari vantaggi e limitid’impiego.

Per scegliere tra una tecnologia e un’altra è necessario tenere contoanche di altri criteri valutando con attenzione i dati riportati nelle tabelle discelta inserite nei cataloghi dei costruttori. In base ai rilevatori è necessario prendere in considerazione in modoparticolare:

- le caratteristiche elettriche,- le caratteristiche ambientali,- le opzioni di messa in opera.

b Criteri di sceltaI paragrafi successivi presentano alcuni esempi di criteri di scelta che,senza essere centrati sulla funzione base, presentano vantaggi nellamessa in opera e nell’utilizzo. Tutte queste informazioni sono presenti nei cataloghi dei costruttori epermettono di scegliere il dispositivo in modo corretto.

v Le caratteristiche elettriche• La tensione d’alimentazione che può essere AC o DC tenendo

conto della gamma di variazione.

• Le tecnologie di commutazione: tecnologia “2 fili” o “3 fili”(C Fig.66).

Tecnologia “2 fili”: il sensore è alimentato in serie con il carico ed è quindisoggetto ad una corrente residua allo stato non passante e ad una cadutadi tensione allo stato passante. L’uscita può essere normalmete aperta onormalmete chiusa (NO/NC) ed essere quasi costantemente protetta controi cortocircuiti.

Tecnologia “3 fili”: il rilevatore possiede due fili di alimentazione e un filo perla trasmissione del segnale di uscita (o più, in caso di prodotti a più uscite).L’uscita può essere del tipo a transistor PNP o NPN.

Entrambe le tecnologie sono comuni a molti costruttori, ma è importanteprestare particolare attenzione alle correnti residue e alle cadute ditensione ai morsetti dei sensori: valori bassi garantiscono una migliorcompatibilità con qualsiasi tipo di carico.

v Caratteristiche ambientali• Elettriche:- immunità ai disturbi in linea,- immunità alle radiofrequenze,- immunità agli shock elettrici,- immunità alle scariche elettrostatiche.

160

A Fig. 66 Collegamento 2 fili e 3 fili

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6.10 Pressostati e vacuostati6.11 Conclusione

• TermicheGeneralmente tra -25 e +70° per arrivare fino a -40 +120°C.

• Umidità/polveri

Grado di protezione dell’involucro (tenuta stagna): IP 68 ad esempio perapplicazioni sottoposte a emissioni di olio da taglio nelle macchine utensili.

v Opzioni di messa in opera- Forma geometrica (cilindrica o parallelepipeda),- Scatola in metallo/in plastica,- Montaggio immerso o non immerso nel metallo,- Dispositivi di fissaggio,- Tipo di collegamento, con cavo o connettore, - Funzioni di auto-apprendimento.

6.11 Conclusione

b E in futuro?Le prestazioni dei sensori elettronici migliorano continuamente grazieall’evoluzione dell’elettronica, sia per quanto concerne le caratteristicheelettriche dei componenti che le loro dimensioni.

Con il boom delle telecomunicazioni (Internet, telefoni cellulari), lefrequenze di lavoro dell’elettronica sono aumentate, da qualche centinaiadi MHz ai Ghz. Di conseguenza è possibile, ad esempio, misurare piùfacilmente le velocità di propagazione delle onde e quindi liberarsi dafenomeni fisici locali. Inoltre, le tecnologie Bluetooth o Wi FI hannopermesso la realizzazione di dispositivi wireless (senza fili), concollegamenti radio su frequenze dell’ordine di 2.4 Ghz.

Altro aspetto interessante dell’elettronica moderna è rappresentatodall’elaborazione digitale del segnale: la diminuzione dei costi dei micro-controllori consente di aggiungere funzioni evolute a semplici sensori(autotuning sulle caratteristiche ambientali con acquisizione eventualepresenza di umidità, fumo, elementi metallici vicini, rilevatori “intelligenti”con funzioni di autocontrollo).

Grazie alle evoluzioni tecnologiche i sensori di rilevamento saprannorispondere in modo ottimale alle esigenze iniziali ed essere al contempofacilmente adattabili alle evoluzioni e ai cambiamenti futuri; tutto questoad un costo pressochè invariato. Il processo di innovazione richiede tuttavia investimenti importanti cheattualmente solo i grandi produttori sono in grado di affrontare.

b L’importanza dei rilevatoriTutti i progettisti e gli utenti di sistemi automatici, dalla semplice porta digarage alla catena di produzione, sanno bene che il correttofunzionamento di un sistema di automazione dipende dalla scelta deisensori atti a:

- proteggere i beni e le persone,- rendere più affidabile il sistema di automazione di un processo

industriale,- ottimizzare il controllo e comando delle apparecchiature industriali,- controllare i costi di gestione.

I rilevatori hanno tuttavia precise esigenze per quanto concerne la loromessa in opera e il loro utilizzo, esigenze inerenti le tecnologie utilizzate.

La tabella della Fig. 67 elenca le caratteristiche delle diverse tecnologie.

Questo per meglio valutare i limiti d’impiego e le regolazioni necessarie aidiversi prodotti.

In caso di dubbio o di difficoltà nella scelta del prodotto consigliamo diconsultare gli specialisti dei costruttori.

161

6

Schneider Electric

6.12 Guida alla scelta delle diverse tecnologieRilevamento dati

6.12 Guida alla scelta delle diverse tecnologie

162

Oggetto rilevato

Elementi indeformabili

Pezzi metallici

Magneti

Qualsiasi tipo di pezzo

Etichetta elettronica,libri, pezzi, pacchi…

Oggetti da semplici a complessi

Distanza di rilevamento

Mediante contatto da 0 a 400mm(leva)

--> 60mm

--> 100mm

--> 300m

--> 60 mm

--> 15m

Alcuni metri

--> 1m

Ambiente

Tutti i tipi

Senza polveriSenza presenza di fluidi

Secco

Senza rumori rilevanti(onde d’impulso)Senza vapori

Sensibile al metallo

Richiede un’illuminazionespecifica

Tecnologia

Meccanica

Induttiva

Magnetica

Fotoelettrica

Capacitiva

Ultrasonica

Radiofrequenza

Ottica

Trasferimento emessa in forma

Contattoelettromeccanico

Statico ON/OFF o analogico

Contact reed

Statico ON/OFF oanalogico

Dati numerici

Algoritmo diriconoscimento Dati digitali o analogici

Vantaggi

Intuitivo, contatto a seccodi forte potenzaContatto positivo

Robusto, a tenuta stagnaDifficilmente perturbabile

Rileva attraverso tutti imateriali non ferrosi

Portata elevataRilevamento di tutti itipi di oggetti

Rilevamento attraversotutti i materiali nonconduttori

Robusto Rileva i materialitrasparenti e le polveri

Etichetta per letturascrittura, rintracciabilità

Controllo di presenza,di forma, di colori

A Fig. 67 Guida alla scelta dei sensori

7capitoloSicurezza delle persone e delle macchineLa regolamentazione europea in materia di sicurezza delle persone e dell’ambiente, le norme IEC per le macchine e i prodotti. Esempi applicativi di prodotti e di reti di sicurezza

Schneider Electric

7. Sicurezza delle persone e delle macchine

Sommario

165

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

M

b 7.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 166

b 7.2 Gli incidenti sul lavoro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 167

b 7.3 La legislazione europea e le norme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 169

b 7.4 Il concetto di funzionamento sicuro (safe operation). . . . . . . pagina 176

b 7.5 L acertificazione e il marchi CEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 177

b 7.6 I principi per gli organi di sicurezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 179

b 7.7 Le funzioni di sicurezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 180

b 7.8 La sicurezza delle reti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 182

b 7.9 Esempio applicativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 183

b 7.10 Le funzioni e i prodotti di sicurezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 185

b 7.11 Conclusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 186

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7.1 IntroduzioneSicurezza delle persone e delle macchine

166

Dopo la presentazione e la definizione delle normative che regolano lasicurezza, ci dedicheremo alle macchine oltre che alla tecnologia deidiversi prodotti, al fine di soddisfare le esigenze dei Clienti e risolvere idiversi vincoli legislativi.

7.1 Introduzione

b Il ruolo della sicurezza e definizioni

La legge esige che vengano adottate delle misure preventive perpreservare e proteggere la qualità dell’ambiente e la salute del genereumano. Per raggiungere questi obbiettivi, il legislatore ha elaborato delledirettive europee che devono essere applicate dagli utenti dei mezzi diproduzione oltre che dai costruttori di apparecchiature e macchine.

Il legislatore ha fissato anche la responsabilità verso eventuali incidenti.

• A dispetto dei vincoli imposti, la sicurezza delle macchine presenta leseguenti conseguenze positive: - Eliminazione degli incidenti sul lavoro. - Protezione dei lavoratori e del personale mediante misure di sicurezza

appropriate che prendono in considerazione l’uso delle macchine edelle caratteristiche ambientali locali.

• Tutto ciò permette di ridurre i relativi costi diretti e indiretti- Riducendo i danni fisici.- Riducendo i premi assicurativi.- Riducendo le perdite di produzione e le eventuali penalità di ritardo. - Limitando i danni e le spese di manutenzione.

• Un funzionamento sicuro implica due concetti, la sicurezza el’affidabilità del processo (C Fig.1)- La sicurezza è la proprietà di un apparecchio di limitare ad un livello

accettabile i rischi corsi dalle persone. - L’affidabilità di funzionamento è la capacità di un sistema o di un

apparecchio di realizzare la funzione per la quale è stato definito inqualsiasi momento e per un tempo specificato.

• La sicurezza deve essere presa in considerazione fin dall’inizio delprogetto e mantenuta per l’intera durata di vita della macchina, quindidal trasporto, installazione, avviamento, manutenzione, fino allosmantellamento

• Le macchine e gli stabilimenti sono fonti di rischi potenziali e laDirettiva Macchine esige uno studio dei rischi per l’intero insieme, alfine di ridurre questa eventualità al di sotto del rischio tollerabile

• La norma EN 1050 definisce il rischio nel seguente modo (C Fig.2):il rischio è la gravità moltiplicata per la possibilità di comparsa

A Fig. 1 La sicurezza e affidabilità del processo

A Fig. 2 Definizione del rischio

Rischiolegato al

potenzialepericolo

= xGravità

dei danni legatial potenziale

pericolo

Probabilità di comparsa- frequenza e durata di esposizione- possibilità di limitare o evitare la

probabilità di comparsadell’evento che può provocaredanni

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7.1 Introduzione7.2 Gli incidenti sul lavoro

167

• La norma europea EN 1050 (principio dell’analisi dei rischi)Definisce un processo iterativo per realizzare la sicurezza delle macchinein base al quale il rischio per ciascun potenziale pericolo può esseredeterminato in quattro tappe. Questo metodo fornisce una base per lariduzione indispensabile dei rischi utilizzando le categorie descritte dallanorma EN 954. Il diagramma della Fig. 3 illustra questo processo chedescriveremo in dettaglio nelle pagine che seguono.

7.2 Gli incidenti sul lavoroUn incidente sul lavoro provoca una lesione più o meno grave, dovuta allavoro stesso, su di una persona intenta a lavorare o ad intervenire su diuna macchina (installatore, operatore, tecnico della manutenzione, ecc...).

b Fattori all’origine degli incidenti sul lavoro

• Fattori legati agli uomini (progettisti o utilizzatori) - Errori nella progettazione della macchina e negli studi preliminari.- Assuefazione ai rischi (abitudine e ripetitività dei gesti) e banalizzazione

dei comportamenti di fronte al pericolo. - Sottostima dei rischi con conseguente neutralizzazione delle protezioni.- Riduzione dell’attenzione nelle funzioni di controllo (fatica). - Mancato rispetto delle procedure.- Aumento dello stress (rumore, ritmo di lavoro, ecc.).- Precarietà dell’impiego che può portare ad una formazione

insufficiente.- Manutenzione scarsa o mal eseguita può essere all’origine di rischi

imprevedibili.

7

A Fig. 3 Il processo di sicurezza delle macchine

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7.2 Gli incidenti sul lavoroSicurezza delle persone e delle macchine

168

• Fattori legati alle macchine - Dispositivi di protezione inadatti. - Alta tecnologia dei sistemi di controllo e comando.- Rischi relativi alla macchina (movimento alternativo di una macchina,

avviamento intempestivo o arresto precario).- Macchine non adatte all’impiego o alle caratteristiche ambientali

(allarmi sonori coperti dal rumore prodotto dal parco macchine).

• Fattori legati agli impianti - Circolazione delle persone (linee di produzione automatizzate). - Assemblaggio di macchine di provenienza e tecnologia diverse. - Flusso di materiale o prodotti tra le macchine.

b Le conseguenze - Pericolo più o meno grave per l’integrità fisica dell’utilizzatore. - Arresto della produzione della macchina interessata. - Arresto del parco macchine dello stesso tipo per perizie, ad esempio,

da parte dell’Ispettorato del lavoro. - Modifica delle macchine per messa in conformità, se necessaria. - Cambio del personale e formazione sul posto di lavoro. - Deterioramento dell’immagine aziendale.

b Conclusione La spesa legata agli infortuni sul lavoro nell’Unione Europea è stimata incirca 20 miliardi di Euro.

Per prevenirli ed azzerarne le possibili cause ed effetti negativi sononecessarie azioni energiche e tecnicamente qualificate che coinvolganol’intera popolazione aziendale: è indispensabile un impegno effettivo cherichiede per prima cosa una volontà politica e strategica dell’impresa. La riduzione degli incidenti sul lavoro dipende dalla sicurezza dellemacchine e dei componenti.

b Tipi di rischi

Le cause che possono portare ad una lesione o ad un danno alla salutedel personale possono essere classificati in tre gruppi principali comemostrato dalla Fig. 4.

A Fig. 4 I principali rischi di una macchina

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7.3 La legislazione europea e le norme

169

7.3 La legislazione europea e le normeL’obbiettivo principale della Direttiva Macchine 98/37/CE è quello digarantire un livello di sicurezza minimo alle macchine eall’equipaggiamento immessi sul mercato della Comunità Europea.

Al fine di autorizzare la libera circolazione delle macchine e delleapparecchiature all’interno della Comunità Europea il costruttore deveapporre sul prodotto il marchio CE creando così una documentazione diautocertificazione e di dichiarazione di conformità della sua macchina. La Direttiva Macchine in vigore dal 1995, vale anche per tutti i componentidi sicurezza a parire dal gennaio 1997.

L’utilizzatore ha inoltre l’obbligo di rendere il suo parco macchine conformealla Direttiva Sociale 89/655/CEE che fissa gli obbiettivi minimi di protezionenell’ambiente di lavoro e che riguarda in particolare l’impiego dei prodotti.

b Le norme di riferimentov IntroduzioneLe norme comuni europee traducono in termini teorici le specificherelative ai requisiti fondamentali in materia di sicurezza definiti dallaDirettiva corrispondente.

L’obbiettivo principale è di garantire un livello di sicurezza minimoalle macchine e alle apparecchiature immessi sul mercato della ComunitàEuropea, autorizzandone la libera circolazione all’interno dei Paesi dellaComunità Europea.

v I 3 tipi di norme europee legate alla sicurezza• Norme di tipo ASono le norme fondamentali che specificano i principi generali diprogettazione applicabili a tutti i tipi di macchine. EN ISO 12100 (primaEN 292).

• Norme di tipo BSono le norme di gruppo, relative agli aspetti particolari della sicurezza olegate ad un dispositivo di sicurezza specifico utilizzabile su una vastagamma di macchine.

• Norme di tipo B1Sono le norme relative a caratteristiche specifiche dei dispositivi elettricidelle macchine, EN 60204-1 (es: rumore, distanze di sicurezza, dispositividi controllo, ecc...).

• Norme di tipo B2Sono le norme relative ai dispositivi di sicurezza di arresto di emergenza,compresi i dispositivi di comando a due mani, (EN 574) le barriere disicurezza (EN 418), ecc...

• Norme di tipo CSono le norme di sicurezza per le diverse famiglie di macchine (es: presseidrauliche EN 693, robot, ecc...) e che forniscono prescrizioni dettagliateapplicabili.

La Fig. 5 presenta in modo non esaustivo le diverse norme.

7

A Fig. 5 Le diverse norme

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7.3 La legislazione europea e le normeSicurezza delle persone e delle macchine

170

La tabella della Fig. 6 elenca, senza tuttavia citarle tutte, le norme europeelegate alla sicurezza.

Standard Tipo Soggetto

EN ISO12100-1, -2 A Sicurezza delle macchine - Nozioni fondamentali

Parte 1 Terminologia metodologiaParte 2 Principi tecnici

EN 574 B Dispositivi di comando a due mani- norme di studio

EN 418 B Dispositivi di arresto di emergenza - norme di studio

EN 954-1 B Prescrizioni di sicurezza - norme di studio

EN 349 B Distanza minima per evitare lo schiacciamento dellepersone

EN 294 B Distanze di sicurezza per impedire il raggiungimentodelle zone pericolose con gli arti superiori

EN 811 B Distanze di sicurezza per impedire il raggiungimentodelle zone pericolose con gli arti inferiori

EN 1050 B Sicurezza delle macchine -Principi per la valutazione del rischio

EN 60204-1 B Sicurezza delle macchine - Dispositivi elettrici dellemacchine - Parte 1: prescrizioni generali

EN 999 B Posizionamento dei dispositivi di protezione infunzione della velocità di avvicinamento delle partidel corpo

EN 1088 B Dispositivi di bloccaggio associati a dispositivi diprotezione - Principi di progettazione e di scelta

EN 61496 B Apparecchiature di protezione elettrosensibili

EN 60947-5-1 B Apparecchi elettromeccanici per circuiti di comando

N 842 B Segnali visivi di pericolo - Esigenze generali,progettazione e prove

EN 201 C Macchine per la lavorazione della gomma e dellematerie plastiche - Macchine a iniezione -Prescrizioni di sicurezza

EN 692 C Presse meccaniche - Sicurezza

EN 693 C Sicurezza - Presse idrauliche

EN 289 C Macchine per la lavorazione della gomma e dellematerie plastiche - Presse - Prescrizioni di sicurezza

EN 422 C Macchine per stampaggio mediante soffiaggio perla fabbricazione dei corpi cavi - Prescrizioni per laprogettazione e la costruzione

EN 775 C Robot manipolatori industriali - Sicurezza

EN 415-4 C Sicurezza delle macchine d'imballaggio Parte 4: pallettizzatori e depallettizzatori

EN 619 C Prescrizioni di sicurezza e EMC per leapparecchiature di movimentazione meccanica dei carichi isolati

EN 620 C Prescrizioni di sicurezza e EMC per i trasportatori a cinghie fisse per prodotti sfusi

EN 746-3 C Dispositivi termici industriali Parte 2: prescrizioni di sicurezza per la generazionee l’utilizzo di gas d'atmosfera

EN 1454 C Motoseghe, seghe a disco, a motore termico -Sicurezza.

A Fig. 6 Alcune norme della sicurezza macchine

Schneider Electric171

v La norma armonizzata EN 954-1 Parti dei sistemi di comandolegate alla sicurezza

La norma EN 954-1 “Parti dei sistemi di comando legate alla sicurezza” è entrata in vigore nel mese di marzo del 1997. Questa norma di Tipo Bfornisce prescrizioni di sicurezza e consigli sui principi di progettazionedelle parti dei sistemi di comando legate alla sicurezza. Per queste parti la norma specifica delle categorie e descrive lecaratteristiche delle loro funzioni di sicurezza.

Nelle norme di Tipo C queste parti di sistema sono chiamate categorie.

In questa norma le prestazioni di sicurezza in relazione con il grado dicomparsa dei guasti sono classificate in cinque categorie (B, 1, 2, 3, 4). È in progetto un’evoluzione (EN ISO 13849-1 PR).

• Categorie di guasto (C Fig.7)• Diagramma dei rischi

7

A Fig. 7 Le cinque categorie di guasto

A Fig. 8 Griglia di scelta

Comportamento del sistema Principi per ottenere la sicurezza

B Un guasto può portare ad una perdita Scelta del componente adattodella funzione di sicurezza.

1 Stesso risultato di B ma con l’esigenza Scelta del componente adattodi una maggior affidabilità della funzione di sicurezza.

2 Un guasto può portare ad una perdita Autocontrollodella funzione di sicurezza tra due ispezioni periodiche; questa perdita viene rilevata dal controllo (ad ogni test).

3 Se il guasto è unico, la funzione di Ridondanzasicurezza è sempre garantita.Possono essere rilevati solo alcuni guasti.L’accumulo di guasti non rilevati può portare alla perdita della funzione di sicurezza.

4 Quando si verificano dei guasti la Ridondanza + autocontrollofunzione di sicurezza è sempre garantita. I guasti verranno rilevati in tempo per non perdere la funzione di sicurezza.

A seconda della definizione del rischio, nella norma EN 954-1 vieneproposto un metodo pratico di selezione della categoria che prende inconsiderazione:

- S: La gravità delle lesioni.- F: La frequenza dell’occorrenza e/o dell’esposizione a potenziali pericoli.- P: La possibilità di evitare l’incidente.

Le categorie risultanti definiscono la tenuta ai guasti e il comportamento delsistema di controllo in caso di guasto (C Fig. 8).

S Risultato dell’incidente

S1 Lesioni non gravi

S2 Lesioni gravi, incapacità permanente, decesso.

F Presenza nella zona pericolosa

F1 Da raro ad abbastanza frequente

F2 Da frequente a permanente

P Possibilità di previdenza

P1 Talvolta possibile

P2 Virtualmente impossibile

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Sicurezza delle persone e delle macchine

172

Per illustrare questo concetto, procediamo con una valutazione dei rischisu una pressa idraulica alimentata manualmente (C Fig.9).

- Gravità delle lesioni: S2, rischio d’invalidità.- Frequenza ed esposizione: F2, la presenza dell’operatore è

permanente.- Possibilità di impedire la comparsa del pericolo: P2, è virtualmente

impossibile impedire la comparsa del pericolo.

Il diagramma indica un rischio di categoria 4.

Per completare questo esempio, selezioniamo una barriera a bloccaggio(norma EN 1088).

In questo esempio (C Fig.10), lo schema è conforme alla categoria 4.Quando si verificano dei guasti, questi ultimi vengono rilevati in tempo adevitare la scomparsa della funzione di sicurezza.

v Sicurezza funzionale e livello d’integrità di sicurezza (safety integraty level SIL)

Le nuove tecnologie consentono dei risparmi che possono essererealizzati con una strategia di protezione intelligente. Questa normaprende in considerazione l’utilizzo di queste tecnologie nei prodotti e nellesoluzioni di sicurezza proponendo delle linee direttrici per calcolare laprobabilità di guasto.

Un numero sempre maggiore di prodotti e dispositivi di sicurezza dedicatialla sicurezza delle macchine integrano dei sistemi elettroniciprogrammabili complessi; ed è proprio in ragione di questa complessitàche nella pratica è difficile determinare il comportamento di tali dispositiviin caso di guasto.

Per questo motivo, la norma IEC/EN 6158 intitolata « Sicurezza funzionaledei sistemi elettrici, elettronici ed elettronici programmabili relativi allasicurezza » propone un nuovo approccio valutando l’affidabilità dellefunzioni di sicurezza.

Per l’industria e i settori che mettono in opera dei processi, questa è lanorma base per la sicurezza.

La norma IEC/EN 62061 specifica invece i requisiti e fornisce consigli perla progettazione, l'integrazione e la convalida dei sistemi di comandoelettrici, elettronici ed elettronici programmabili relativi alla sicurezza(SRECS) per le macchine nel quadro della norma EN 61508.

La norma EN 62061 è armonizzata con la Direttiva Macchine europea.

Il livello di sicurezza integrato (SIL) è la nuova valutazione definita dallanorma IEC 61508 riguardante la probabilità di guasto di una funzione o diun sistema di sicurezza.

A Fig. 9 Valutazione del rischio su una pressaidraulica

A Fig. 10 Valutazione del rischio su una barriera a bloccaggio


• Definizione della sicurezza funzionale secondo la norma IEC/EN 61508La sicurezza funzionale è un elemento della sicurezza diun’apparecchiatura sotto controllo (Equipment Under Control: EUC).

Dipende dal corretto funzionamento dei sistemi legati alla funzione disicurezza che includono dispositivi elettrici, elettronici, elettroniciprogrammabili, oltre che altri dispositivi esterni che partecipano allariduzione dei rischi.

• Livelli d’integrità di sicurezza (SIL)Vi sono due modi di definire la SIL, a seconda che il sistema di sicurezzafunzioni in modo di bassa sollecitazione o, al contrario, che funzioni incontinua o a forte sollecitazione. La SIL è suddivisa in 4 livelli (da SIL1 aSIL4): più la SIL è alta, più la disponibilità del sistema di sicurezza èelevato.

La sicurezza si ottiene mediante riduzione dei rischi (IEC/EN 61508). Ilrischio residuo è quello che rimane una volta adottati i mezzi di protezione(C Fig.11). I sistemi di protezione elettrici, elettronici, ed elettroniciprogrammabili (sistemi E/E/EP) contribuiscono alla riduzione dei rischi.

L’integrità di sicurezza esamina la probabilità di guasto. Per unamacchina, la probabilità di guasto pericoloso all’ora di un sistema dicontrollo nella norma IEC/EN 62061 è chiamata PFHd (C Fig.12).

7

A Fig. 12 Posizionamento della norma EN 61508 e delle norme che ne derivano

A Fig. 11 La riduzione dei rischi

sistema di sicurezza funzionante in modo di forte sollecitazione sistema di sicurezza funzionante in modo di bassa sollecitazioneSIL

Probabilità di guasto pericoloso all’ora (PFHd) Probabilità media di guasto per attivare la funzione prevista (PFDa)

4 > = 10-9 to 10-8 > = 10-5 to 10-4

3 > = 10-8 to 10-7 > = 10-4 to 10-3

2 > = 10-7 to 10-6 > = 10-3 to 10-2

1 > = 10-6 to 10-5 > = 10-2 to 10-1

A Fig. 13 Livello di SIL

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7.3 La legislazione europea e le normeSicurezza delle persone e delle macchine

174

La norma IEC 61508 considera due modi di sollecitazione:- forte sollecitazione o modo continuo, quando il sistema relativo alla

sicurezza viene sollecitato più di una volta all’anno o ad una frequenzadoppia della frequenza di verifica del dispositivo.

- bassa sollecitazione, quando il sistema relativo alla sicurezza vienesollecitato meno di una volta all’anno o ad una frequenza inferiore aldoppio della frequenza di verifica del dispositivo.

Il funzionamento a bassa sollecitazione è considerato dalla norma IEC/EN62061 come non applicabile alla sicurezza macchine.

È importante notare anche che il livello SIL 4 non viene preso inconsiderazione dalla norma IEC/EN62061, poiché non è applicabile allariduzione dei rischi normalmente associati alle macchine.

L’integrità di sicurezza si calcola mediante la probabilità di guasto λ(C Fig.13) che si esprime con la seguente formula λ= λs+λdd +λdu

ove: λs è il tasso di guasti senza pericoloλdd è il tasso di guasti pericolosi rilevati λdu è il tasso di guasti pericolosi non rilevati

Nella pratica il rilevamento dei guasti pericolosi viene effettuato mediantefunzioni specifiche.

Il calcolo del PFHd per un sistema o un sotto-sistema, dipende da piùparametri:

- Il tasso di guasti pericolosi (λd) degli elementi del sotto-sistema.- La tolleranza agli errori, ossia il livello di ridondanza del sistema. - L’intervallo di tempo di diagnostica (T2).- L’intervallo di tempo di verifica del sistema di sicurezza (T1) o la

durata (il minore dei due).- Il rischio di guasti comuni (λ).

Il grafico della Fig. 14 illustra la norma IEC/EN 61508-5 e i parametri delrischio.

A Fig. 14 Grafo del rischio


7

Parametro del rischio Classificazione Commenti

Conseguenze (C) C1 Lesioni non gravi La classificazione è stata sviluppata per prendere in considerazione le lesioni e i decessi delle persone. Sarebbe necessario sviluppare altri approcci

C2 Invalidità permanente nei riguardi dell’ambiente e dei danni materialidi una o più persone,decesso di una persona

C3 Decesso di più personeC4 Decesso

di numerose personeFrequenza F1 Da rara a molto frequente Vedere il commento sopra riportatoe tempo di esposizione esposizionenella zona pericolosa (F) nella zona pericolosa

F2 Da frequente a permanente esposizione nella zona pericolosa

Possibilità di evitare P1 Possibile Questo parametro prende in considerazione:l’evento pericoloso in alcune condizioni • Il modo operativo del processo (controllato, eseguito da personale addestrato

P2 Quasi impossibile • o meno)• La rapidità di comparsa del fenomeno pericoloso (immediato, rapido, lento)• La facilità d’identificazione del fenomeno pericoloso (ad esempio:

visto immediatamente, rilevato da mezzi tecnici o meno)• Le possibilità di evacuazione dalla zona pericolosa (uscite di sicurezza

utilizzabili, non utilizzabili o utilizzabili in alcune condizioni)• Le eventuali esperienze simili

Probabilità di comparsa W1 Comparse non desiderate L’obiettivo del fattore W è di stimare la frequenza di comparsa dell’eventonon desiderata (W) bassissime e non desiderato senza aggiungere sistemi di sicurezza di tipo E/E/EP e senza

bassissima occorrenza prendere in considerazione dispositivi esterni di riduzione del rischio.W2 Comparse non desiderate basse Se non esiste alcuna base di esperienza per un caso simile, il fattore W

e bassa occorrenza può essere il risultato di un calcolo che tiene conto delle peggiori condizioni.

W3 Comparse non desideraterelativamente alte eoccorrenze frequenti

A Fig. 15 Parametri di rischi (esempio nella norma IEC/EN 61508)

A Fig. 16 Processo di valutazione

La Fig. 16 presenta il processo di valutazione del rischio per una macchina.

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7.4 Il concetto di funzionamento sicuro (safe operation)


176

7.4 Il concetto di funzionamento sicuro (safe operation)

Il funzionamento sicuro è la messa in pratica delle nozioni sviluppate neiparagrafi precedenti che comprendono più aspetti:

- Lo studio e la realizzazione della macchina, inclusa la stima del rischio.- L’installazione, l’implementazione e la convalida.- L’utilizzo della macchina, inclusa la formazione.- La manutenzione con prove periodiche di verifica.

Il concetto di funzionamento sicuro può essere suddiviso in cinque tappe.

b Prima tappa: stima del rischio(norme EN ISO1200-1, EN 1050)

L’obbiettivo è di eliminare o ridurre il rischio e selezionare una soluzione diprotezione efficace per le persone.

Per facilitare questa valutazione verrà utilizzato il procedimento iterativogià proposto nella Fig. 3. Prima di effettuare la stima del rischio, sarànecessario identificare i potenziali pericoli. Sarà possibile effettuareun’analisi rigorosa ed esauriente utilizzando l’AMDEC (Analisi dei Modi diGuasto e della loro Gravità).

b Seconda tappa: decisione delle misure di riduzione delrischio (norma EN ISO 12100-1)

Evitare o ridurre il più possibile i potenziali pericoli a livello dellaprogettazione (norma EN ISO 1200-2).

Utilizzare i dispositivi di sicurezza per proteggere le persone contro ipericoli che non è possibile eliminare con disposizioni ragionevoli o ridurread un livello accettabile in fase di progettazione (norme EN 418, EN 953barriere, EN 574 dispositivi di comando a due mani, EN 1088 bloccaggiassociati a barriere).

Informare sul modo di utilizzo della macchina.

b Terza tappa: definizione delle esigenze e delle categorie(norma EN 954-1)

In funzione delle stime preliminari dei rischi, nella norma EN 954-1 vienefornito un metodo pratico di selezione di un sistema di controllo.

b Quarta tappa: progettazione delle parti del controllorelative alla funzione di sicurezza (norma EN 954-1)

In questa fase il progettista della macchina seleziona i diversi prodotti. In fondo al capitolo vengono proposti alcuni esempi basati sull’utilizzo deiprodotti di sicurezza Schneider Electric.

b Quinta tappa: convalida del livello di sicurezza ottenutoe delle categorie (norma EN 954-1)

La convalida dovrà confermare che le parti considerate del controllo cheintervengono sulla sicurezza siano conformi alle esigenze.

Questa convalida deve essere effettuata mediante apposite analisi e test(norma EN 954-1 clausola 9).

Ad esempio, uno di questi test è la simulazione di guasto sui circuiti con icomponenti realmente installati, in particolar modo nel caso in cuisussista un dubbio sul comportamento dei circuiti rispetto agli studiteorici.

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7.5 La certificazione e il marchio CE

177

7.5 La certificazione e il marchio CE

Il processo di certificazione e apposizione del marchio CE sulle macchineè suddiviso in sei tappe:

1. Individuazione delle normative applicabili 2. Conformità alle esigenze essenziali riguardanti la salute e la sicurezza 3. Redazione della documentazione tecnica 4. Esame di conformità 5. Redazione della dichiarazione di conformità6. Apposizione del marchio CE

b La Direttiva MacchineLa Direttiva Macchine è storicamente il primo esempio del «Nuovoapproccio» per un’armonizzazione tecnica e normativa dei prodotti. Si basa su:

- Esigenze essenziali relative alla salute e alla sicurezza che devonoessere rispettate prima che la macchina venga immessa sul mercato.

- Un processo volontario di armonizzazione delle norme intrapreso dalComitato Europeo di Nominalizzazione (CEN) e dal Comitato Europeodi normalizzazione elettrica (Cenelec).

- Procedure di valutazione di conformità adeguate ai tipi di rischi eassociate ai tipi di macchine.

- Il marchio CE apposto dal costruttore per indicare che la macchina èconforme alle direttive applicabili. Le macchine su cui è appostoquesto marchio sono libere di circolare nella Comunità Europea.

La direttiva ha semplificato notevolmente le leggi nazionali in vigore e diconseguenza eliminato barriere che rendevano difficile il commercionell’Unione Europea. Tutto ciò ha permesso anche di ridurre il costosociale degli incidenti. Le direttive del «Nuovo Approccio» sono applicabilisolo ai prodotti che vengono messi in circolazione o in servizio per laprima volta. La lista delle macchine in oggetto si può trovare nellaDirettiva Macchine allegato 4.

b Le esigenze essenziali La Direttiva Macchine allegato I raggruppa le esigenze essenziali inmateria di salute e sicurezza per l’immissione sul mercato e la messa inservizio delle macchine e dei componenti di sicurezza all’interno dellaComunità Europea.

Ne deriva che:- nessun Paese membro della Comunità Europea può opporsi alla

circolazione di un prodotto che risponde alle esigenze della direttiva - se al contrario le esigenze della direttiva non vengono soddisfatte,

l’immissione sul mercato del prodotto può essere vietata o può essererichiesto il ritiro dal mercato del prodotto stesso.

Nell’Unione Europea questo riguarda i costruttori o i loro distributori, maanche gli importatori e i rivenditori che commercializzano o mettono inservizio le macchine.

b Le norme armonizzate Il modo più semplice per dimostrare la conformità alle direttive è di esserein conformità con le Norme Europee Armonizzate.

Se per un prodotto dell’allegato 4 della Direttiva Macchine non esiste unanorma armonizzata, o le norme esistenti non sono adatte a coprire leesigenze di sicurezza essenziali o il costruttore considera che tali normenon siano applicabili al suo prodotto, è possibile sollecitare un accordopresso una terza parte, un organismo abilitato.

7

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7.5 La certificazione e il marchio CESicurezza delle persone e delle macchine

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Gli Organismi Notificati sono abilitati dai singoli Stati Membri dell’UnioneEuropea per l’attività di certificazione in forza della propria “expertise”riconosciuta per emettere una tale opinione (TÜV, BGIA, INRS, HSE, etc.)

La presenza di una parte terza, anche se autorizzata dalla CommissioneEuropea ad attestare la conformità di un prodotto, non esime tuttavia ilproduttore dalla sue responsabilità; in definitiva è sempre il costruttore o ilsuo rappresentante a rispondere della conformità del prodotto.

b Dichiarazione di conformità In base all’articolo 1 della Direttiva Macchine il costruttore o il suorappresentante ufficiale stabilito nella Comunità Europea deve compilareuna Dichiarazione Europea di Conformità per ciascuna macchina (ocomponente di sicurezza). Questo al fine di certificare che la macchina o ilcomponente di sicurezza è conforme alla Direttiva.

Prima dell’immissione sul mercato il costruttore o il suo rappresentantedeve presentare un fascicolo tecnico alle autorità competenti.

b Marchio CEPer concludere, il marchio CE deve essere applicato sulla macchina dalcostruttore o dal suo rappresentante ufficiale nella Comunità Europea. Il marchio CE è obbligatorio dal 1° gennaio 1995 e può essere appostosolo se la macchina rispetta l’insieme delle direttive applicabili, quali adesempio:

- La Direttiva Macchine 98/37/EC- La Compatibilità Elettromagnetica (EMC) 89/336/EEC- La Direttiva Bassa Tensione 73/23/EEC

Esistono altre direttive applicabili a seconda dei casi quali ad esempio laDirettiva ascensori, la direttiva apparecchi medicali ecc...

Il marchio CE è il passaporto che permette la libera circolazione dellamacchina nella Comunità Europea e la sua commercializzazione in tutti iPaesi della comunità senza tener conto delle normative proprie di ciascunPaese.

Il metodo della marcatura CE è riassunto nello schema della Fig. 17.

A Fig. 17 Metodo della marcatura CE

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7.6 I principi per gli organi della sicurezza

179

7.6 I principi per gli organi della sicurezza

b Linea direttrice per realizzare un controllo di sicurezza La norma EN 954-1 definisce le esigenze di sicurezza relative agli organidi sicurezza di un sistema di comando.

La norma definisce 5 categorie e descrive le proprietà specifiche dellerelative funzioni di sicurezza che sono:

- i principi di sicurezza base. - i principi di sicurezza provati. - i componenti di sicurezza provati.

Per illustrare la nozione di principio di sicurezza provato, qui di seguitoviene presentato un estratto della lista riportata nella norma EN 945-2:

- Utilizzare contatti legati meccanicamente. - Utilizzare cavi ad un solo conduttore per evitare i cortocircuiti. - Prevedere distanze adatte fra le bobine di un contatto per consentire

la tenuta agli choc elettrici e garantire l’isolamento del circuito. - Evitare le condizioni indefinite: costruire sistemi di controllo

deterministici. - Utilizzare il modo di azione positivo. - Sovradimensionare. - Semplificare il sistema di controllo. - Utilizzare dei componenti con un modo di guasto. - Utilizzare dei temporizzatori senza alimentazione utilizzando l’energia

di un condensatore.- Prevedere della ridondanza (raddoppiamento dei componenti critici).

Qui di seguito vengono proposti anche alcuni esempi per sistemi elettrici(C Fig.18):

- Interruttori con modo di attivazione positivo. - Arresti di emergenza (secondo la norma EN 60947-5-5).- Interruttori di potenza.- Contattore principale (solo quando sono soddisfatte le esigenze

aggiuntive della norma). - Contattori ausiliari con contatti legati meccanicamente, (solo quando

sono soddisfatte le esigenze aggiuntive della norma).- Valvola elettromagnetica.

I paragrafi che seguono forniranno al lettore un certo numero diinformazioni su nozioni tecniche conosciute principalmente daglispecialisti del settore.

b Azione positiva È un’azione di apertura di circuito diretta (IEC 60947-5-1): la separazionedei contatti è il risultato di un movimento dell’interruttore mediante undispositivo di comando rigido.

La Fig. 19 illustra come l’apertura dei contatti normalmente chiusi sia garantitadal movimento dell’asta rigida e sia invece indipendente dalle molle.

Ogni elemento di contatto ad azione di apertura di circuito deve essereidentificato, all’esterno, in modo chiaro e indelebile dal marchio riportato nellaFig. 20.

b Contatti legati meccanicamente I relè, i contattori e gli interruttori comprendono generalmente una serie di contatti. Per le operazioni di sicurezza è necessario conoscere laposizione di ciascuno di questi contatti quando sono utilizzati in unacatena di sicurezza.

In queste condizioni è possibile determinare il comportamento del circuitoin caso di guasto. I contatti legati meccanicamente forniscono unasoluzione che risponde a questa esigenza (C Fig.21).

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A Fig. 18 Qualche esempio di sistemi elettriciprovati

A Fig. 19 Principio dell’attivazione positiva

A Fig. 21 Contatti legati meccanicamente

A Fig. 20 Simbolo di contatto ad apertura diretta

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7.6 I principi per gli organi della sicurezza7.7 Le funzioni di sicurezza


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La norma (IEC/ EN 60947-5-1) definisce i contatti legati meccanicamentenel seguente modo:“[ …] I contatti legati sono contatti collegati meccanicamente in mododa garantire che i contatti in apertura ed i contatti in chiusura non sichiudano mai contemporaneamente.

In caso di saldatura di un contatto in apertura, i contatti in chiusura nondovranno più potersi chiudere durante l’eccitazione della bobina. Incaso di saldatura di un contatto in chiusura, i contatti in apertura nondovranno più potersi chiudere durante la diseccitazione della bobina”.

7.7 Le funzioni di sicurezza

A partire dalla stima dei rischi, la sicurezza può essere garantita mediantel’adattamento delle funzioni esistenti (C Fig.22).

Come già detto precedentemente questo può essere realizzato in due modi:- utilizzando la ridondanza o l’autocontrollo.- aumentando la sicurezza dei componenti.

Contrariamente all’approccio classico che consisteva nel suddividere isistemi di automazione in funzioni per gestirli singolarmente, la sicurezzadeve essere vista globalmente. Per facilitare la realizzazione di sistemi diautomazione i costruttori di componenti propongono dei prodotti specificicertificati che integrano insiemi di funzioni.

La Fig. 23 presenta delle soluzioni generiche corrispondenti alle prime quattrocategorie (B, 1, 2, 3). Verranno analizzate in dettaglio in esempi di applicazionistandard; infine verrà presentata una realizzazione più complessa.

Per soddisfare le esigenze della categoria 4, vengono proposti dei modulidi sicurezza; un esempio viene riportato alla fine del capitolo.

b L’arresto di emergenzaA Fig. 22 Adattamento delle funzioni di controllo

esistenti

A Fig. 23 Soluzioni generiche di sicurezza

E

1

2

3

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7.7 Le funzioni di sicurezza

181

L’arresto di emergenza (C Fig.24) è destinato ad allertare o a ridurre gli effetti diun potenziale pericolo per le persone, la macchina o il processo. L’attivazione dell’arresto di emergenza è manuale.

L’arresto di emergenza deve:- per la categoria di arresto 0: provocare l’arresto mediante sospensione immediata dell'alimentazione di potenza agli attuatori di macchina (arrestonon controllato) o mediante disinnesto meccanico. Se necessario, èpossibile applicare un dispositivo di arresto non controllato (ad esempioun freno meccanico). - per la categoria di arresto 1: provocare l’arresto controllato mantenendo

l'alimentazione di potenza agli attuatori di macchina fino all'arresto dellamacchina e sospendendo poi la potenza ad arresto avvenuto.

Il dispositivo di comando ed il relativo attuatore devono operare secondoil principio dell'azione meccanica positiva (norma EN 292–2).

La funzione d'arresto d'emergenza deve essere disponibile ed operante inqualsiasi momento, indipendentemente dal modo operativo.

Lo schema della Fig. 25 mostra un esempio tipico di arresto di emergenza:

Se il dispositivo di arresto di emergenza deve agire su più di un circuito,lo schema di sicurezza diventa complesso. Per questo motivo si consiglia di utilizzare un modulo di sicurezza.

Lo schema della Fig. 26 rappresenta la funzione di arresto di emergenzaper 2 circuiti.

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A Fig. 24 Arresto di emergenza

A Fig. 25 Schema di arresto di emergenza tipico

A Fig. 26 Arresto di emergenza per 2 circuiti

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7.7 Le funzioni di sicurezza7.8 La sicurezza delle reti


182

Lo schema della Fig. 27 mostra l’associazione di un arresto di emergenzacon un variatore di velocità (arresto categoria 1).

7.8 La sicurezza delle reti

I progressi della tecnologia, una maggior affidabilità e la comparsa dinuovi standard hanno contribuito a far evolvere le reti industriali e renderepossibile il loro utilizzo per applicazioni più esigenti in termini di sicurezza.

La maggior parte delle reti hanno una versione protetta; qui di seguitoverrà descritta la rete ASI che viene utilizzata a livello componenti.Per ulteriori informazioni sulle reti, far riferimento al capitolo 9Le rete industriali.

b AS-Interface (ASI)

AS-i (Actuator Sensor Interface) è un bus di campo di basso livello, natoper ridurre notevolmente il cablaggio di sensori ed attuatori (soprattuttodigitali). Si tratta di una tecnologia non proprietaria, sviluppata da unconsorzio a cui aderiscono molte fra le più note case che operanonell'automazione industriale.

Velocità, riduzione dei tempi d’installazione, riduzione dei costi,semplificazione della manutenzione ed alta disponibilità sono lecaratteristiche di questa rete standardizzata.

La rete ASI è ideale per una trasmissione rapida e affidabile di piccolequantità di dati in un ambiente industriale difficile.

v Integrità dei dati L’insensibilità alle interferenze nella trasmissione dei dati è unacaratteristica importante nella messa in rete di rilevatori e attuatori in unambiente industriale. Grazie all’utilizzo di una codifica specifica APM(alternating pulse modulation o modulazione alternata di impulsi) e alcontrollo permanente della qualità del segnale, il bus ASI offre la stessaintegrità di dati degli altri bus di campo.

v I componenti utilizzati sulla rete ASI Il logo ASI viene apposto sui componenti omologati dal centro test

indipendente ASI. Questo certifica che prodottiprovenienti da costruttori diversi funzionerannosenza problemi su una rete ASI.

A Fig. 27 Arresto di emergenza categoria 1

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7.8 La sicurezza delle reti7.9 Esempio applicativo

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v Master e gateway, alimentazioni, ripetitori

Il cuore del sistema ASI è la presenza di una stazione Master o gateway con capacità di diagnostica. I controllori programmabili comuni oltre che isoftware PC possono sempre essere utilizzati poiché il componentecollegato al bus ASI è visto come un ingresso o un’uscita remotata.

L’alimentazione specifica garantisce anche un disaccoppiamento dei dati.Appositi ripetitori consentono di estendere la rete oltre i 100 m garantendol’isolamento elettrico dei circuiti primari e secondari, aumentando così ilgrado di sicurezza in caso di cortocircuito.

b Applicazione: controllo di un dispositivo di comandoa due mani su un bus ASI (Safety at work)

Gli operatori al comando di macchine pericolose possono incorrere inlesioni gravi. Fra le macchine pericolose vi sono quasi tutte leapparecchiature della famiglia delle presse idrauliche: presse,punzonatrici, piegatrici, ecc...

La macchina viene spesso rifornita manualmente da un operatore.Durante la fase di lavoro vi è un rischio maggiore aggravato dall’abitudinee dalla ripetitività dei gesti.

I dispositivi di comando a due mani (C Fig.28) sono dispositivi cheobbligano l’operatore ad avviare l’operazione pericolosa azionandosimultaneamente con ciascuna mano due comandi distinti. I dispositivi di comando a due mani comprendono due comandi e undispositivo di arresto di emergenza.

I quattro contatti di uscita dei due comandi (C Fig.29) sono controllati perassicurare la loro interdipendenza.

L’intervallo di tempo che separa la manovra dei due comandi non devesuperare i 500 millisecondi e i due comandi devono essere azionatidurante lo svolgimento completo del processo pericoloso della macchina.

7.9 Esempio applicativo

L’applicazione descritta e rappresentata nella Fig. 30 consente di illustrarein modo concreto alcune funzioni di sicurezza.

7

A Fig. 30 Esempio applicativo

A Fig. 28 Dispositivo di comando a due manisu una pressa

A Fig. 29 Dispositivo di comando a due mani su un bus ASI

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7.9 Esempio applicativoSicurezza delle persone e delle macchine

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Il sistema comprende un controllore programmabile di media gamma checontrolla fino a 6 variatori di velocità; ciascun variatore alimenta unmotore e possiede un interruttore di protezione. Ogni motore possiede ilproprio contattore.

I variatori possono utilizzare le regolazioni di base o essere riconfiguraticon il software Power Suite.

Le alimentazioni: 400 V trifase e 230 V monofase sono distribuite ai diversicomponenti (400 V trifase per i variatori e 230 V per l’alimentazionePhaseo). Tutti i variatori sono collegati filo a filo al controlloreprogrammabile.

La supervisione dei variatori si effettua da un terminale grafico touch-screen, configurato e programmato con il software VijeoDesigner. Il terminale grafico è collegato al controllore programmabile concollegamento Uni-Telway. Il controllore programmabile verrà configurato eprogrammato con il software PL7 Pro.

Una colonna luminosa componibile indica lo stato reale del sistema (sotto tensione,fuori tensione, motore(i) in funzionamento, attesa di conferma, arresto di emergenza).

L’interruttore principale è collegato in modo tale che se il sistema èscollegato, il controllore programmabile sia sempre alimentato perconsentire le operazioni di diagnostica.

Poiché i variatori di velocità vengono utilizzati con la loro regolazione dibase, il software applicativo, in questo esempio, è ridotto alla sua piùsemplice espressione. L’hardware è stato invece scelto con lo scopo dicontrollare I/O complementari.

Opzioni:Il sistema raggiunge il livello di sicurezza 4 con il modulo Preventa checomanda i contattori dei variatori. Questo modulo, non soltanto protegge i variatori, ma gestisce anche l’arresto di emergenza.

Il sistema integra anche una seconda opzione di sicurezza per un livellodi sicurezza 3 che provoca l’arresto automatico dei motori in caso diapertura di una delle cassette.

Il modulo di sicurezza per i variatori di velocità è autoalimentato. In caso di arresto di sicurezza il riavviamento potrà avvenire solo dopo tacitazione.

È possibile aggiungere un gateway (TSX ETZxx) verso il livello superioreper comunicare via TCP/IP.

Questo schema può essere utilizzato per le seguenti applicazioni tipiche:- Macchine automatiche di piccole e medie dimensioni. - Macchine per l’imballaggio, macchine tessili, nastri trasportatori,

distribuzione e trattamento acque, ecc...Sotto-sistemi automatizzati associati a macchine di dimensioni medie-grandi.

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7.10 Le funzioni e i prodotti di sicurezza

185

7.10 Le funzioni e i prodotti di sicurezza

b Schneider Electric offre una vasta gamma di prodotti di sicurezza.

Qui di seguito forniamo, illustrata da qualche esempio, una brevepresentazione delle diverse soluzioni Schneider Electric.

In funzione della complessità della macchina la soluzione può esserecostruita a partire:

- da un controllore mono-funzione configurabile che gestisce una solafunzione.

- da un controllore multi-funzione in grado di gestire simultaneamentedue funzioni selezionabili da una base di 15 funzioni predefinite.

- da un controllore multi-funzione che utilizza un software per configurare funzioni predefinite.

- da un controllore programmabile di sicurezza con relativo software perrealizzare una soluzione completa.

I collegamenti possono essere effettuati filo a filo o con rete ASI di sicurezza.

La tabella della Fig. 31 fornisce qualche esempio.

7

Esempi di soluzioniTipo di controllore

Il controllore è associato alle seguenti funzioni

Gamma XPS Mono-funzione

Arresto di emergenza

Categoria 4

XPS MP Selezione di due

funzioni tra15 predefinite

Protezione delle dita e delle mani in zona pericolosa

Categoria 2

Dispositivo di comando a due mani

Categoria 4

Movimento di posizionamento

Categoria 4

Protezione dei lavoratorimediante barriere di protezione

Categoria 4

XPS MC Funzione configurabile

mediante software

Protezione di accesso dell’operatore in zona pericolosa

Categoria 4

Arresto di un movimento pericoloso in qualsiasi zonanell’area di lavoro

Categoria 4

XPS MF Controllore programmabile

di sicurezza Logiciel

Protezione di un operatore che accede ad una zonapericolosa

Categoria 4

Protezione di un operatore che accede ad un insieme dizone pericolose

Categoria 4

E Fig. 31 Controllori di sicurezza

L’IGBT Fig.16e) -...

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