Control software design and development for a composition plant of plywood panels

This thesis is dedicated to the study, design and control of a composition plant of plywood panels. The case study of this project includes several electro-mechanical devices, such as conveyor belts, elevator tables, industrial robotic arms, a glue extruder, a rotary table and a press machine, which are strictly interacting. The automatic operation of such a plant is a challenging issue due to the interactions between the working areas and devices. In fact, in the conventional control strategies, several operators are required to guarantee the synchronization between the different machines, which causes an inefficient operation and consequently low production rates. Thus, the present project aims at developing and implementating a centralized control algorithm in order to minimize the usage of operators, maximize the production rates, improve the performance of the machines and guarantee safety issues. To this aim, the whole plant is divided to 4 working zones starting from the loading of wood sheets in the work-stations to the final plywood production stage. In this discretization, each zone consists of a set of modules representing the operation of an individual electro-mechanical device, which follows a set of functions (such as loading and unloading, moving forward, rotating or pressing). In a control point of view, it is crucial to have an online communication among all those modules, zones and devices to make the best control decision. To this purpose, a Packaging Machine Language (PackML) programming standard is used to provide a communication among all modules and zones. This improves the performance of the control system to better synchronize the operation of electro-mechanical devices and to better decide a maneuver in emergency situations. Finally, the control logics will be transmitted to the electro-mechanical devices/machines through each module. In this project, the modules are modeled with finite-state automata in order to define the final control logic for the plant. The software implementation is then carried out using the Ladder Diagram language for main program development, initialization phase and motion control. On the contrary, the oriented graphs of automata are developed by Sequential Function Chart (SFC), which will be called by the main program. Finally, all the modelling and control logics are implemented in an automation programing software named CODESYS for the testing and analysis purposes. The simulation results show a reliable and continuous operation of the whole production line. In fact, it is possible to apply changes or integrations at the plant by only modifying the desired module. Furthermore, the division into zones and modules of the system allows optimal management of emergencies as it is immediate to understand where a malfunction has been occurred.

Il presente elaborato è dedicato allo studio, la progettazione ed il controllo di un impianto di composizione di pannelli in compensato. Il caso di studio di questo progetto include diversi dispositivi elettromeccanici, come nastri trasportatori, tavole elevatrici, bracci robotici industriali, un estrusore di colla, una tavola rotante e una pressa multi-vani, che interagiscono strettamente tra loro. Il funzionamento automatizzato di tale impianto è un argomento stimolante a causa delle interazioni tra le aree di lavoro e i rispettivi dispositivi. Infatti, nelle strategie di controllo convenzionali, sono richieste diverse operazioni per garantire la sincronizzazione tra le diverse macchine, le quali causano un funzionamento inefficiente e, di conseguenza, bassi indici di produzione. Per questo, l’obiettivo di questo progetto è lo sviluppo e l’implementazione di un algoritmo di controllo centralizzato teso a minimizzare il lavoro degli operatori, massimizzare la produzione, migliorare la performance delle macchine e garantire efficienti misure di sicurezza. A questo scopo, l’intero impianto è stato diviso in 4 zone di lavorazione, iniziando dal caricamento degli sfogliati nelle stazioni di lavoro fino ad arrivare allo stadio finale della produzione del compensato. Ogni zona è composta da un insieme di moduli, ognuno dei quali rappresenta le operazioni svolte da un singolo dispositivo elettromeccanico e volte ad adempiere determinate funzioni (come carico e scarico, movimento lineare, rotazione o pressatura). Affinché si realizzi la miglior logica di controllo possibile, è fondamentale avere una comunicazione online tra tutti i moduli, le zone e i dispositivi. A questo fine, è stato utilizzato lo standard di programmazione Packaging Machine Language (PackML) per assicurare l’interazione tra tutti i moduli e le zone: ciò ottimizza le performance del sistema di controllo, sincronizzando meglio il lavoro dei dispositivi elettromeccanici e migliorando la gestione delle situazioni di emergenza. Infine, la logica di controllo viene trasmessa ai dispositivi attraverso ogni modulo. In questo progetto, i moduli sono stati modellati utilizzando automi a stati finiti, in modo da definire la logica di controllo dell’impianto. L’implementazione software è stata infine effettuata utilizzando il linguaggio Ladder Diagram per sviluppare il main program, la fase di inizializzazione e il motion control. Al contrario, i grafi orientati degli automi sono stati tradotti nel linguaggio Sequential Function Chart (SFC). Le funzioni ottenute verranno quindi chiamati all’interno del main program. Da ultimo, tutte le logiche di controllo sono state implementate nel software di programmazione automatica CODESYS, allo scopo di analizzarle e testarle. I risultati della simulazione mostrano un efficiente funzionamento dell’intera linea di produzione. Infatti, è possibile applicare modifiche o integrazioni all’impianto modificando soltanto il modulo desiderato. Inoltre, la divisione in zone e moduli del sistema consente una gestione ottimale delle emergenze, permettendo di capire immediatamente dove si sia verificato un eventuale malfunzionamento.