SOMMARIO

Questo lavoro di tesi prende spunto dal periodo di formazione svolto presso l'Azienda Maflex Srl tra Agosto e Dicembre 2005, durante il quale ho partecipato alla realizzazione di una linea di trasformazione di carta ad uso igienico-sanitario ed industriale in rotoli composta da una ribobinatrice, un piano di accumulo, una macchina troncatrice orbitale. A partire da questa esperienza in questa tesi vengono descritte le operazioni tipicamente svolte in fase di converting nel passaggio dalle bobine madri ai prodotti finiti dopo aver passato in rassegna le caratteristiche essenziali dei prodotti in rotoli. Dal momento che gli azionamenti elettrici rivestono un ruolo molto importante nella gestione di tutto il processo, viene esaminato il funzionamento del motore asincrono trifase ed il ruolo svolto dal convertitore di tensione.

INTRODUZIONE

Nell'ambito della produzione cartaria lucchese, la realizzazione di carta ad uso igienico-sanitario e cucina (indicate comunemente come “tissue”) assume un ruolo fondamentale, al punto da porre la nostra realtà come uno dei principali comparti europei e mondiali per quantità prodotta.Questa tesi descrive il ciclo di trasformazione del tissue, con particolare riferimento alle operazioni svolte per la realizzazione di rotoli, prendendo spunto dal periodo trascorso presso l'azienda MAFLEX Srl, durante il quale ho partecipato in modo attivo al montaggio ed alla messa a punto di una linea per la trasformazione di carta ad uso igienico-sanitario e ad uso industriale. A partire da una bobina, la linea installata consente infatti di ottenere rotoli di vari formati e caratteristiche.Il montaggio meccanico e la realizzazione degli allacciamenti elettrico e pneumatico delle varie parti della linea hanno occupato buona parte del tempo complessivamente dedicato alla sua realizzazione, ma la successiva fase di messa a punto è stata senza dubbio maggiormente critica nei confronti del risultato finale.Dall'esperienza trascorsa, è emerso che solamente una conoscenza pratica approfondita del funzionamento complessivo di questo tipo di macchine può consentire la risoluzione dei problemi che di volta in volta emergono, proprio per lo stretto legame che i vari comparti presentano tra loro. Da ciò deriva la necessità di un approccio di gruppo alla progettazione, costruzione e messa a punto delle singole macchine e della linea nel suo complesso.Questo lavoro di tesi è articolato in tre capitoli. Il primo, dopo una breve introduzione storica, descrive le caratteristiche essenziali delle materie prime utilizzate nella

produzione della carta con particolare riguardo al tissue. Non viene descritto il processo di trasformazione in macchina continua, ma vengono caratterizzati i prodotti realizzati nella successiva fase di converting. Il secondo capitolo descrive le operazioni svolte in fase di trasformazione, in particolare modo nei reparti di ribobinatura e taglio. Le lavorazioni eseguite nel reparto confezionamento sono state introdotte per completezza anche se non oggetto del periodo di formazione seguito. Il terzo ed ultimo capitolo descrive la sezione elettrica di azionamento e la parte di controllo.

LA LINEA REALIZZATA

MASTER IN PRODUZIONE DELLA CARTA E GESTIONE DEL SISTEMA PRODUTTIVO

“INSTALLAZIONE E MESSA A PUNTO DI LINEA DI TRASFORMAZIONE PER CARTA TISSUE”

Dinelli Nico

AZIENDA MAFLEX SRL VIALE S. CONCORDIO TRAV. III, 199 - LUCCA

IL CICLO DI TRASFORMAZIONE DEL TISSUE

Nel reparto trasformazione (anche detto di allestimento, o di converting), le bobine madri prodotte in cartiera con la macchina continua, o quelle ribobinate in due o più veli attraverso la ribobinatrice di macchina, vengono lavorate per ottenere confezioni di prodotti finiti.Nella produzione di rotoli di carta ad uso igienico-sanitario e carta cucina, si distinguono essenzialmente tre reparti:

• reparto ribobinatrice;• reparto taglio;• reparto confezionamento.

A partire dalla bobina (o dalle bobine, nel caso di più svolgitori) si passa inizialmente a steccate (“logs”) della stessa larghezza e successivamente a rotoli che vengono poi ordinati a formare confezioni, colli, pallets.Particolare risalto verrà dato alle operazioni che consentono di giungere fino ai rotoli mentre quelle relative ai prodotti piegati (veline, tovaglioli, fazzoletti) e la sezione di confezionamento saranno sinteticamente trattate per completezza.

Reparto ribobinatrice

In questo reparto troviamo la tubiera, uno o più svolgitori, la ribobinatrice. Quest'ultima include (se presenti) il gruppo stampa, i goffratori, il gruppo di incollaggio veli, i godroni per la mollettatura, il sistema di perforazione, il gruppo coltelli.La bobina madre per il processo produttivo “cartiera + trasformazione” costituisce un prodotto semilavorato. Essa infatti, insieme ai materiali ausiliari, è la materia prima utile alla produzione dei rotoli e dei prodotti piegati. Gli sfridi, cioè gli scarti conseguenti alla lavorazione, sono riciclabili e entrano di nuovo nel ciclo di produzione in cartiera come materie prime secondarie.

Reparto taglio

Comprende il sistema di accumulo detto “polmone” e la macchina troncatrice.

Una troncatrice roto-orbitale come quella mostrata in figura è composta dai seguenti elementi fondamentali:

• lama a disco e sistema porta-lama;• motore di trasmissione del moto circolare alla lama;• motore e sistema di bracci meccanici per

trasmissione del moto sul piano di taglio;

• gruppo pressine;• sistema di frenatura di sicurezza;• sistema di affilatura della lama (mole folli o rotanti);• sistema di lubrificazione e raffreddamento della lama;• sistema di espulsione dei rotoli tagliati e dei rifili;• sistema di spintori (facchini);• uno o più canali di alimentazione;• sistema di azionamento programmabile e di

supervisione.

La lama esegue tagli ad intervalli regolari come specificato dall'operatore attraverso un apposito pannello.La lunghezza del taglio può essere modificata o attraverso un sistema meccanico (agendo sul posizionamento degli spintori) o attraverso un sistema elettronico che controlla l'azionamento dei motori).Per mantenere fermo il log in fase di taglio si utilizzano delle pressine metalliche o in materiale plastico, mentre per garantire un buon taglio, la lama viene mantenuta sempre molto affilata per mezzo di un sistema di mole.Per evitare il surriscaldamento della lama, possibile fonte di danneggiamento e di pericolo per gli operatori a seguito delle inevitabili deformazioni (oltre che, come appena indicato, causa di un suo maggior consumo), un apposito sistema prevede a lubrificarla con olio alimentare trasparente e con proprietà ignifughe.I refili che si formano a seguito del taglio della steccata sono dette “cimose” (parti estreme del log), e vengono automaticamente scartate andando a costituire un sottoprodotto del ciclo di converting.Esse vengono raccolte andando a formare i così detti sfridi (scarti di produzione), peraltro riutilizzabili in cartiera.Normalmente vengono pressati con l'ausilio di presse come quella di figura.

Reparto confezionamento

I rotolini tagliati dalla troncatrice costituiscono l'unità elementare da confezionare e vengono per questo inviati al confezionamento.Questa area comprende le macchine confezionatrici, le insaccatrici, il sistema di pallettizzazione (pallettizzatori) e le macchine fasciatrici.Il collegamento tra le troncatrici e le confezionatrici avviene grazie a nastri trasportatori motorizzati di vario tipo. Esistono poi sistemi detti diverter che svolgono la funzione di smistare in modo opportuno il flusso di rotoli verso le linee di confezionamento. Si indica con diverter N/M un sistema che provvede alla distribuzione dei rotoli provenienti da un massimo di N canali verso M linee di confezionamento.Le unità prodotte vengono trasportate da un sistema a nastro, rulli o altro, alle macchine confezionatrici da cui si ottengono le confezioni (le unità di vendita di prodotto finito).

AZIONAMENTO E CONTROLLO

Insieme ai componenti meccanici ed ai circuiti pneumatici le macchine per carta prevedono anche l'installazione di un impianto di alimentazione elettrica, di una serie di componenti elettrici ed elettronici e di un sistema azionamento e di controllo necessari al corretto funzionamento di tutta la macchina nel suo complesso.

Le macchine elettriche

Le macchine elettriche possono essere classificate a seconda del loro stato interno in:

• statiche;• rotanti.

I materiali che costituiscono tali macchine possono essere divisi in “attivi” (ferro per il circuito magnetico e rame per quello elettrico) e “isolanti” di separazione.Nel settore industriale prevale l'adozione di macchine di tipo trifase cioè che necessitano di essere alimentate da tre fasi (R,S,T) le cui tensioni hanno lo stesso valore nominale in modulo ma sfasate tra loro di 120°. Nel corso di questo capitolo verranno descritti il motore asincrono trifase ed il motore brushless (senza spazzole) che vengono tipicamente impiegati nelle macchine per converting.

Gli azionamenti elettrici

Gli azionamenti hanno lo scopo generale di consentire il controllo di un moto attraverso degli attuatori. Si distinguono azionamenti elettrici, meccanici, idraulici, pneumatici, etc. Nel caso in cui l'attuatore sia un motore si parla di azionamento elettrico. Esso consente di trasformare l'energia elettrica fornita dalla rete in una velocità e in una coppia di forza all'asse del motore il più possibile controllate.

Di fatto, la connessione di ritorno tra i dispositivi a valle del motore ed il sistema di controllo può esistere o meno. Si parla infatti di sistemi ad anello aperto e sistemi ad anello chiuso.

Il motore asincrono trifase

Il motore asincrono trifase è molto utilizzato nelle macchine per converting e per meglio comprendere il ruolo svolto dall' inverter che lo pilota occorre illustrarne il principio di funzionamento ed alcune caratteristiche generali. Questo tipo di motore risulta essere costruttivamente semplice, robusto, e più economico degli altri tipi (corrente continua, monofase, sincroni AC, passo passo), soprattutto per il fatto

che non ha un collettore (contatto di tipo strisciante) perché il trasferimento di energia al rotore avviene attraverso un fenomeno induttivo. Un motore trifase asincrono è essenzialmente costituito da una parte fissa (detta statore) e da una rotante (rotore). Sulla sezione di statore è montato un sistema di tre avvolgimenti i cui assi sono meccanicamente sfasati tra loro di 120 gradi. Il circuito elettrico di rotore risulta chiuso su se stesso (una configurazione tipica è quella definita a gabbia di scoiattolo).Alimentando ogni singola fase statorica con una fase della terna di rete si ha come risultato la formazione di un campo di induzione magnetica nella zona occupata dal rotore. Immergendo il rotore in un campo magnetico rotante, si generano sui conduttori che lo costituiscono delle forze elettro-motrici indotte. Il risultato è la nascita di forze che generano una coppia in grado di mettere in rotazione il rotore: al fine di annullarne l'effetto esso tende a raggiungere la velocità di rotazione del campo di statore che lo genera. Un eventuale raggiungimento di tale valore provocherebbe però una variazione di flusso magnetico complessivamente nullo e quindi il conseguente annullamento delle correnti indotte e delle relative forze, causando il rallentamento della macchina per le inevitabili inerzie ed attriti. La differenza di velocità tra sincronismo e rotore viene indicata come “scorrimento” , S.E' per le ragioni illustrate che questo tipo di motore si definisce “asincrono” e viene anche indicato come motore a campo rotante o motore ad induzione (in cui il primario è lo statore ed il secondario il rotore, in analogia al trasformatore).

Azionamento di un motore asincrono trifase

Ad oggi, la soluzione maggiormente diffusa che consente di utilizzare direttamente questo tipo di motori è l'impiego dei così detti inverter. Essi consentono di alimentare i motori asincroni trifase con tensioni ad ampiezza, frequenza e fase regolabili con continuità in un determinato intervallo. E' così possibile ottenere variazioni di velocità di rotazione a coppia costante. Infatti, nella pratica è molto importante poter modificare la velocità del motore in base alle esigenze del momento.In generale, per questo tipo di macchine, è possibile agendo:

• sul numero di poli, per commutazione;• sull'ampiezza della tensione impressa, a frequenza

fissata;• sul valore del rapporto tensione-frequenza;• sul valore della frequenza, a tensione impressa;• sul valore della corrente impressa;• sulle resistenze rotoriche;• sulla potenza trasmessa complessivamente al motore;• sull'orientamento del campo magnetico.

L' inverter

Un inverter è un dispositivo in grado di trasformare una tensione continua in una alternata (convertitore DC/AC). Nelle macchine dell'industria cartaria trova impiego per alimentare motori asincroni trifase soprattutto fornendo tensioni alternate a frequenze variabili. Ad oggi esistono due categorie di inverter:

• scalare;• vettoriale.

Circuiti di interfaccia

con l'utenteConvertitore statico Motore elettrico

Alimentazione

Controllo

Dispositivie

trasduttori

Schema generale di un azionamento elettrico

Nel primo caso il rapporto tra il valore di tensione erogata e la relativa frequenza rimane costante al variare di uno dei due parametri; nel secondo caso invece è possibile impostare valori di frequenza in un range di valori più ampio al variare della tensione.L'utilità di disporre di un simile pilotaggio trova giustificazione dalle caratteristiche di funzionamento del motore asincrono stesso appena descritte.Da quanto emerso, pilotando un motore con un convertitore di tipo scalare il valore del vertice U/f è selezionabile entro i dati di targa nominali del motore stesso forniti dal costruttore.Alle basse frequenze, per compensare le perdite di statore ed aumentare la coppia di avvio, il software interno provvede ad aumentare opportunamente la tensione di alimentazione U. Nei motori autoventilati il funzionamento a basse velocità può causare il surriscaldamento del motore stesso ed occorre prevedere ventilatori esterni o una classe di isolamento termico adeguata (ad esempio la classe F consente temperature di avvolgimento fino a 155° C). Nel caso di pilotaggio vettoriale si utilizza invece un complesso modello matematico del funzionamento del motore. La corrente di statore viene misurata e scomposta nelle due componenti attiva e reattiva: la prima determina la coppia motrice mentre la seconda genera il flusso macchina. E' così possibile intervenire indipendentemente sulle due grandezze ottenendo un controllo completo sul motore.In ogni caso, nei sistemi ad anello chiuso si connette all'asse del motore un encoder di tipo incrementale o assoluto. La loro uscita digitale viene connessa ad un apposito connettore dell'azionamento in modo da avere istante per istante la posizione esatta dell'albero in rotazione Un circuito invertitore trifase può essere schematicamente rappresentato come nella figura che segue. A partire da una tensione di alimentazione continua, i sei elementi di commutazione, anche detti “tasti”, vengono pilotati in modo tale da generare in uscita una forma d'onda tale che opportunamente filtrata dia origine ad una terna trifase sinusoidale con caratteristiche di ampiezza e fase desiderate.

Ogni tasto è costituito da un dispositivo elettronico comandabile in apertura ed in chiusura con un diodo in parallelo per consentire la conduzione delle correnti transitorie in fase di commutazione o per compensare la unidirezionalità del dispositivo di interruzione. A seconda delle potenze in gioco vengono utilizzati BJT, SCR, IGBT, MOSFET, GTO.Una tecnica di pilotaggio molto utilizzata è quella denominata PWM (“Pulse Width Modulation”, modulazione ad ampiezza di impulso). Essa consiste nel generare un segnale (modulante) proporzionale (in termini di modulo e fase) alla forma d'onda sinusoidale voluta in uscita. Tale riferimento viene confrontato, attraverso un comparatore, con un segnale triangolare avente periodo molto minore (e quindi frequenza maggiore). Ogni volta che la modulante ha valore maggiore

della portante viene comandata simultaneamente l'apertura di un tasto e la chiusura di quello situato sulla medesima colonna. Questa operazione avviene in modo complementare così da evitare cortocircuiti. Si ottiene così un segnale ad onda rettangolare il cui spettro evidenzia la presenza di una frequenza fondamentale di valore pari a quella della modulante, oltre ad una serie di armoniche che devono essere opportunamente filtrate. Il carico, normalmente un motore, ha natura induttiva e già di per sé costituisce un filtro per queste componenti.

CONSIDERAZIONI FINALI

Si è preso spunto dalla realizzazione di una linea di trasformazione di carta di tipo tissue in rotoli per descrivere le operazioni svolte in tutto il ciclo di lavorazione. Per la sezione di azionamento elettrico si sono analizzate le caratteristiche dei motori trifase asincroni e degli inverter che li pilotano.

Schema di principio di un circuito invertitore trifase

CaricoTrifase

S1

S2

S3

S4

S5

S6