Comando in anello chiuso di cilindro oleodinamico con servocontrollore costituito da NI CompactRIO

Author(s):
P. Catterina - EUROELECTRONICS

Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
LabWindows/CVI, Real-Time Module, Multifunction DAQ, FPGA Module, CompactRIO

The Challenge:
Obiettivo del sistema e dell’applicazione è l’azionamento in anello chiuso di un cilindro oleodinamico che raggiunge velocità fino a 10 m/sec e richiede tempi di retroazione sul movimento di pochi millisecondi. Il sistema di controllo, pur contenendo i costi, deve garantire robusta affidabilità e semplificare la gestione complessiva dell’elettronica.

The Solution:
Il sistema progettato e messo in opera è costituito da NI CompactRIO completo di moduli di Ingresso Analogico (per i segnali dai sensori di pressione del sistema), di Uscita Analogica per il comando della valvola idraulica, di Ingressi e Uscite digitali per interfacciarsi all’impianto. Tra questi ultimi viene impiegato il modulo di Ingressi ad Alta Velocità per gestire i segnali di posizione del cilindro tramite un encoder realizzato via software con NI LabVIEW. Le prestazioni elevate in termini di velocità di processo e di robustezza del sistema, garantite dall’architettura FPGA hanno consentito la messa a punto di un sistema “semplice” ma estremamente performante.

Breve riassunto
Impiego di CompactRIO e della sua architettura FPGA programmata con NI LabVIEW per realizzare un sistema di comando e controllo in anello chiuso sul cilindro oleodinamico di una pressa in movimento a velocità da 0 a 10 m/sec con tempo di retroazione entro il millisecondo. Il sistema implementa via software anche un encoder per il rilievo della posizione del cilindro realizzato con Ingressi digitali ad alta velocità; si interfaccia con tutto l’impianto di lavorazione attraverso ingressi ed uscite digitali. Dati e regolazioni sono condivisi via Ethernet con un PC ed una supervisione realizzata con NI LabWindows/CVI che ne rileva le prestazioni, acquisisce le misure di qualità del lavoro del cilindro e certifica la ripetibilità del processo.

Articolo
L’azionamento ed il controllo di posizione e di pressione di un cilindro oleodinamico è una applicazione diffusa nell’ambito dei processi di automazione ma la realizzazione di sistemi caratterizzati da velocità e pressioni elevate concentrate in “lavori” di pochi secondi pone sempre importanti problemi di precisione ed affidabilità dei sistemi. Nella fattispecie il cilindro si muove con un percorso programmato da una supervisione a velocità ed accelerazioni che devono essere precise e ripetitive e che richiedono precisioni dell’ordine di 0,1 m/sec arrivando a toccare punte di 10 m/sec. La chiusura dell’anello deve perfezionarsi con cicli di elaborazione entro il millisecondo sia in fase di accelerazione che, soprattutto, di frenatura del cilindro.
Nellapplicazione industriale realizzata da EUROelectronics l’incremento della capacità di produrre pezzi in alluminio pressofuso di elevata qualità, rivolti spesso al settore automotive, si configura nelle prestazioni che seguono: capacità di rendere “morbido” l’arresto del cilindro in prossimità dell’impatto al termine fine iniezione, possibilità di definire un “profilo” di iniezione costituito da numerosi step di velocità e accelerazioni secondo le particolari necessità del particolare da produrre (geometria, materiale, prestazioni speciali cui è soggetto il pezzo ecc.).
Il primo problema si pone nella scelta di sistemi di rilevazione dei sensori (di pressione) e di posizione (attraverso lettori di banda magnetica) di adeguata precisione ed affidabilità: i moduli di ingresso analogico di NI CompactRIO hanno dimostrato accuratezza e precisione sufficienti mentre l’encoder è stato implementato attraverso l’uso di ingressi digitali ad alta velocità. I segnali sono, pertanto presi direttamente dalle sonde con un beneficio evidente di limitazione dei disturbi e una altrettanto evidente amplificazione della velocità di trattamento dei valori di posizione che sono gestiti interamente via software.
Il cilindro deve muoversi secondo un profilo di posizione, velocità ed accelerazione che è predeterminato dalla supervisione ed il sistema comanda la servovalvola idraulica attraverso un’uscita analogica.
Con un tempo di ciclo di processamento inferiore al millisecondo viene controllata la posizione, ricavata la velocità, comparata con quella da seguire ed eventualmente corretta con un algoritmo di PID. Contemporaneamente sono controllati i valori di pressione davanti e dietro al cilindro oltre ai segnali di interfaccia con l’intero impianto.
La capacità di svolgere efficacemente la chiusura dell’anello agendo sulla servovalvola sono direttamente legate alla possibilità di contare su un processore assolutamente deterministico nell’esecuzione del ciclo e, beninteso, alla capacità dellìimpianto idraulico di rispondere con adeguate prestazioni.
La taratura del PID è stata ottenuta attraverso il calcolo di una “tabella” di linearizzazione dei valori di risposta della elettrovalvola che ha consentito di ottenere risposte precise sia alle basse velocità (da 0,05 a 0,30 metri secondo nella fase di partenza del cilindro) fino alle velocità di punte (quelle effettivamente ottenute e rilevate sull’impianto sono state di circa 7,5 metri secondo).
Una cura particolare è stata posta nel calibrare l’algoritmo PID nei punti di commutazione rapida di velocità solitamente critici per i rischi di instabilità nel movimento correggendo le traiettorie con tecniche di “feed forward” e di “smooth” del comando.
Attraverso la rete Ethernet il sistema comunica con un PC che assume funzioni di supervisore e dove opera una applicazione realizzata con NI LabWindows/CVI. Questa permette la definizione del profilo di lavoro del cilindro, per via numerica o interattivamente in forma grafica, e la regolazione dei diversi parametri di posizione, velocità, pressione e tempo necessari ad eseguire il ciclo.
Inoltre la supervisione rileva, attraverso una scheda di acquisizione NI PCI-6025E, i segnali di movimento, pressione e temperatura ricavandone le tradizionali curve di iniezione e calcolandone diversi valori di controllo (quote di commutazione, velocità medie e di punta, tempi, pressioni, temperature). In tal modo la qualità del lavoro viene misurata e controllata, autolimitando con opportuni range di tolleranza i margini di errore, e soprattutto viene adeguatamente certificata.
La programmazione del modulo FPGA di NI CompactRIO ha consentito l’elaborazione veloce della fase di movimento e retroazione senza il ricorso ad ambienti di sviluppo di basso livello o di diversa natura da NI LabVIEW. Le prestazioni, d’altro lato, della componente Real Time di NI CompactRIO hanno permesso di incapsulare il sistema in un dispositivo completo e robusto sotto ogni aspetto.
I tempi di progettazione e di sviluppo sono risultati decisamente contenuti proprio per l’approccio integrato degli ambienti e dalla fase di prototipizzazione al collaudo dell’impianto sono state richieste 3 sole settimane. I test ed il setup dello stesso hanno richiesto poi due settimane di perfezionamento ed ottimizzazione contenendo, comunque lo sviluppo complessivo entro tempi significativamente ristretti.

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
P. Catterina
EUROELECTRONICS
Tel: 030/2534521
p.catterina@euroelectronics.it

Browse All Case Studies »