IT201800004447A1 - Apparato di stampaggio di materie plastiche e gomma, con controllo telemetrico. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

dell'invenzione industriale avente per titolo:

“Apparato di stampaggio di materie plastiche e gomma, con controllo telemetrico”

La presente invenzione concerne un apparato di stampaggio di materie plastiche e gomma, con controllo telemetrico.

L’industria dello stampaggio di materie plastiche e gomma utilizza macchine ed impianti di stampaggio costosi (da 100.000 € a 1.000.000 €) e stampi altrettanto costosi ed in numero rilevante nell’ordine di decine di migliaia (almeno uno stampo per ogni oggetto da produrre).

Sono sempre più richiesti sistemi di monitoraggio e controllo della produzione di tali impianti.

Riguardo le presse, i sistemi di monitoraggio dei dati di produzione adottati attualmente su macchine e impianti di stampaggio delle materie plastiche e della gomma (ove presenti) adottano una serie di sensori opportunamente collocati a bordo pressa che si collegano ai PLC della stessa; richiedono normalmente un cablaggio tra macchina ed il sistema di controllo aziendale; in alternativa utilizzano modalità di comunicazione basate su WiFi o Bluetooth, Rfid con le limitazioni note quali: breve distanza coperta dal segnale, necessità di punti di accesso multipli, router o ripetitori vari, instabilità delle comunicazioni.

In ogni caso entrambe le modalità necessitano di una infrastruttura di rete aziendale da realizzare nei reparti produttivi dove sono presenti le macchine da monitorare, con impegno economico rilevante e interferenze nel flusso operativo.

Riguardo gli attrezzi utilizzati sulle presse, tra cui gli stampi, in genere non viene effettuato alcun controllo e non vi è traccia né dell’utilizzo né delle manutenzioni effettuate o da effettuare, della loro disponibilità o addirittura della loro localizzazione (magazzino aziendale o presso il costruttore per le manutenzioni periodiche o di emergenza). Qualche tentativo è stato fatto con dispositivi Rfid ma risultano costosi e inefficaci nelle situazioni operative normali presenti nelle realtà produttive di stampaggio.

Del resto monitorare direttamente uno stampo che è un attrezzo per sua natura mobile o portatile risulta piuttosto complesso; di conseguenza il più delle volte si abbandona l’idea di monitorare e controllare attrezzi come gli stampi (oppure altri dispositivi mobili importanti e costosi) per difficoltà tecniche o per l’eccesso di costi, rinunciando così a conoscere i limiti di efficienza dei propri strumenti e sostenendo spesso costi aggiuntivi per interventi imprevisti.

Sono noti sistemi di telemetria (monitoraggio remoto) di oggetti mobili e/o portatili che adottano una rete di comunicazione tra sensori e nodi di rete (gateway) utilizzante un protocollo denominato LoRaWan a 868/915 MHz.

I sensori di detti sistemi sono a basso consumo energetico, in cui le batterie possono durare, in base all’utilizzo e frequenza di trasmissione, anche per migliaia di messaggi o diversi anni; sono dimensionalmente contenuti (tipo una penna USB) e di basso peso (circa 5 gr.); consentono di rilevare in tempo reale i dati di geolocalizzazione, stato di utilizzo ON/OFF, i movimenti tramite accelerometro, memorizzando il conteggio progressivo dei movimenti degli oggetti monitorati.

Ove richiesto possono essere aggiunte e configurate funzioni di orientamento angolare, di caduta, le temperature di esercizio, o altri parametri ritenuti necessari dall’utente finale per controlli di sicurezza.

La rete di comunicazione, privata o pubblica, comprende gateway progettati per usare il protocollo LoRaWan.

I gateway possano fungere anche da accentratori con accumulo dei dati e ove possibile, essere configurati per un rilancio dei dati ad un cloud in forma aggregata e programmata. Si hanno così delle economicità sia nella gestione del traffico in uscita sia nella costruzione del gateway stesso.

Il protocollo LoRaWAN ha un consumo di batteria esiguo e una trasmissione dei dati protetta (grazie alla criptazione AES-128).

Il raggio di comunicazione è di circa 2 km nelle aree ad alta densità di popolazione, che si estende a 15 km in campo aperto, questo viene influenzato anche dalla posizione reciproca tra il sensore e il gateway; se il gateway è installato in una posizione elevata il raggio sarà maggiore rispetto ad un gateway installato a livello stradale.

LoRaWAN è parte di una categoria di tecnologie chiamata LPWAN, che significa Low Power Wide Area Network; questa tecnologia è stata sviluppata per poter permettere a sensori alimentati a batteria di inviare e ricevere messaggi, utilizzando il minor quantitativo di energia possibile per risparmiare la batteria.

Il sistema di telemetria comprende anche un server al quale vengono trasferiti i dati in forma criptata e archiviati in ambiente cloud, per essere disponibili su molteplici dispositivi (smartphone, tablet, notebook, ecc.) degli utenti abilitati; i dati vengono opportunamente aggregati e sono utilizzabili per le analisi di efficienza, indici KPI e OEE, gestione allarmi, ecc.

Scopo della presente invenzione è realizzare un apparato di stampaggio di materie plastiche e gomma, in cui gli stampi siano monitorati in modo efficiente e continuo.

Ulteriore scopo della presente invenzione è che detto monitoraggio sia economico e non comporti modifiche significative di una rete aziendale.

Ancora ulteriore scopo della presente invenzione è che detto apparato permetta di monitorare anche le presse.

In accordo con l’invenzione detti ed ulteriori scopi sono raggiunti con un apparato di stampaggio di materie plastiche e gomma, come definito nella rivendicazione 1.

Vantaggiosamente si ottiene un controllo completo di uno o più apparecchi di una azienda, in uno o più siti produttivi.

Le stesse informazioni possono essere rese disponibili sia all’azienda che utilizza gli apparecchi per controllare e migliorare l’efficienza del reparto, sia al costruttore dello stampo (ed eventualmente della pressa) per la manutenzione.

Si ottiene un’interazione tra utilizzatore e progettista/costruttore immediata.

Queste ed altre caratteristiche della presente invenzione saranno rese maggiormente evidenti dalla seguente descrizione dettagliata in un suo esempio di realizzazione pratica illustrato a titolo non limitativo nei disegni allegati, in cui:

la figura 1 mostra uno schema dell’apparato secondo la presente invenzione; la figura 2 mostra una vista laterale schematica di un apparecchio di stampaggio. Un apparato 1 di stampaggio di materie plastiche e gomma comprende una pluralità di apparecchi di stampaggio 2, una rete di comunicazione 3 con protocollo LoRaWAN, nodi (gateway) 4 atti a concentrare segnali provenienti da apparecchi 2, un server 5 atto a ricevere segnali da detti nodi 4, ed una pluralità di applicativi remoti (“application server”) 6 connessi a detto server 5 tramite una rete sicura 7 (per esempio una rete TCP/IP SSL).

Ogni apparecchio 2 comprende una pressa 8 ed uno stampo 9 separabilmente associato alla pressa 8.

Allo stampo 9 è separabilmente associato un sensore 11 atto a trasmettere informazioni al server 5 mediante un nodo 4.

Alla pressa 8 può essere separabilmente associato un sensore 11 distinto ed indipendente dal sensore 11 dello stampo 9.

Lo stampo 9 comprende una parte mobile 91 ed una parte fissa (controstampo) 10. La parte mobile 91 dello stampo 9 è separabilmente accoppiata ad una parte mobile 81 della pressa 8, mentre il controstampo 10 è separabilmente accoppiato ad una parte fissa 82 della pressa 8.

Il sensore 11 è preferibilmente associato alla parte mobile 91 dello stampo 9, eventualmente anche al controstampo.

In aggiunga un sensore 11 è associabile alla parte mobile 81 della pressa 8, ed eventualmente anche alla parte fissa 82 della pressa 8.

In ogni caso alla parte mobile 91 dello stampo 9, al controstampo 10, alla parte mobile 81 della pressa 8 ed alla parte fissa 82 della pressa 8, sono fissati sensori 11 distinti ed indipendenti.

L’apparato 1 può presentare un solo apparecchio 2 che dialoga con un solo nodo 4 connesso al server 5.

I sensori 11 presentano le seguenti caratteristiche:

- sono installabili in origine dal costruttore (attrezzista) oppure anche successivamente dall’ utilizzatore finale (stampatore);

- non richiedono alcuna alimentazione fissa in quanto utilizzano batterie da 1,2-5V;

- hanno lunga durata delle batterie in quanto utilizzano tecnologia Low Power per comunicare con i rispettivi gateway 4;

- normalmente sono del tipo usa-getta salvo quelli predisposti con batteria ricaricabile;

- sono attivabili e disattivabili on site o da remoto;

- sono programmabili e configurabili da remoto.

I sensori 11 hanno dimensioni indicative 20 mm x 60 mm x 8 mm, e peso di circa 5 grammi compresa batteria standard incorporata.

Le funzionalità standard configurabili sono:

- attivo/disattivo: tramite pulsante;

- geolocalizzazione: LoRaWan Geolocation;

- accelerometro: range fino a 16g;

- segnale di azione: con LED di colore blu e rosso lampeggianti;

- comunicazione: LoRaWan 868/915 MHz;

- batteria: 3,6V 150mAh.

I sensori 11 consentono le seguenti funzionalità specifiche configurabili:

- memoria: conteggio progressivo dei movimenti;

- timer: programmazione invio messaggi;

- temperatura di esercizio: per esempio da -20°C a 60°C;

- orientamento angolare: Pitch -180° 180°, Roll -90° 90°;

- caduta: verticale/orizzontale o viceversa.

I sensori 11 installati sugli stampi 9 devono rimanere sempre attivati per garantire il controllo anche di geolocalizzazione (esempio trasporto presso l’officina di manutenzione).

Tramite i sensori 11 descritti installati sull’apparecchio 2, vengono rilevati:

- lo stato dello stampo 9 attivo/inattivo a partire da una data predefinita; - eventuali movimentazioni per la preparazione dell’apparecchio 2;

- l’attività produttiva contando i cicli e il loro progressivo;

- i tempi effettivi di lavoro e di inattività;

- la conferma dell’avvenuta manutenzione.

Tutti i dati raccolti sul campo vengono trasferiti in tempi reale al server 5, in cui è memorizzata l’anagrafica completa di ogni singolo componente dell’apparecchio 2, comprendente altre informazioni ritenute utili quali:

- le caratteristiche costruttive, vincoli e limiti di utilizzo degli stampi 9 sulle presse 8;

- particolari da produrre per cui è stato progettato e cadenze produttive; - durata delle garanzie del costruttore;

- disegni dei complessivi e dei particolari di ricambio o consumo;

- congegni elettrici e meccanici, attrezzature varie;

- file di tipo multimediale tra cui filmati (smontaggio, montaggio) note audio, foto o immagini provenienti da sistemi di progettazione (CAD); - piani di set-up e parametri di produzione;

- piani di manutenzione preventiva;

- regole di comportamento ai fini della sicurezza personale, degli assets e ambientale;

- produzioni eseguite, pianificazione delle manutenzioni preventive e predittive.

Si può così creare un identikit dello stampo 9 ricchissimo di informazioni, che sostituirà il normale archivio cartaceo (quando esistente) e lo seguirà per tutta la sua vita; il database è facilmente consultabile via web da postazioni fisse o dispositivi mobili, per accedere a tutte le informazioni collegate all’anagrafica completa dello stampo 9 e interagire con sufficiente rapidità e semplicità per ogni attività legata allo stampo 9.

Particolare importanza riveste lo scambio di informazioni con gli operatori a bordo macchina tramite HMI, sia per il trasferimento di informazioni di setup, di comportamento in sicurezza ambientale, sia per rilevare ulteriori informazioni quali: il prodotto in lavorazione, i controlli qualitativi effettuati, eventuali scarti e causali relative, motivazioni di fermi macchina, ecc.

Inoltre è possibile esaminare le informazioni raccolte che opportunamente elaborate on demand, possono offrire dati strutturati quali:

- lo storico sull’utilizzo dello stampo 9, delle produzioni effettuate e tempi rilevati;

- l’efficienza produttiva dello stampo 9 confrontando le cadenze produttive e i tempi teorici con quelli effettivi;

- lo storico delle manutenzioni effettuate;

- piani previsionali per gli interventi manutentivi programmati.

Infine in base all’andamento effettivo, confrontabile con i parametri produttivi prescritti per apparecchio 2, alle ore di effettivo utilizzo, all’andamento qualitativo dei prodotti stampati (ove disponibile), è possibile rivedere e meglio definire i piani di manutenzione predittiva e proattiva.

Le medesime considerazioni ed elaborazioni si possono effettuare per le presse 8 accoppiate a detti stampi 9.

I sensori 11 sono inoltre atti al conteggio progressivo dei movimenti degli oggetti monitorati.

La funzione di conteggio progressivo ha la peculiarità di consentire la trasmissione del dato di movimento non solo al verificarsi di ogni singolo evento di movimento ma, in base alla configurazione impostata, trasmettere il dato in forma aggregata e programmata (esempio ogni ora o al raggiungimento di un certo numero di movimenti rilevati) riducendo così il traffico dati, l’intasamento delle linee e risparmiando sui costi di esercizio.

Ancor più importante risulta essere il contatore progressivo che consente, ove l’applicazione su oggetti o attrezzi lo richieda, di garantire che non vengano persi occasionalmente alcuni singoli movimenti, in quanto la trasmissione del progressivo assorbe per sua stessa natura eventuali carenze temporanee di comunicazione della rete tra sensori e gateway che potrebbero far perdere la registrazione di qualche evento.

Un esempio per tutti il sensore 11 applicato ad uno stampo 9 con la funzione di contare i colpi prodotti durante le fasi di stampaggio; è evidente che colpi occasionalmente non segnalati inficerebbero la bontà dei rilievi di produzione, conseguentemente i dati di efficienza, i conteggi dei materiali impiegati, la richiesta di interventi di manutenzione, e così via.

I sensori 11 in progetto sono utilizzabili direttamente sugli oggetti da monitorare tramite sistemi di fissaggio tradizionali quali biadesivo, supporto magnetico, fascette, ecc.

Per alcuni stampi 9, in base alle condizioni di lavoro in cui opera il sensore 11 e lo stampo 9 stesso da monitorare (esempio temperature estreme oltre il range -20°C 60°C), è previsto l’utilizzo di un supporto, guscio o shell, con funzioni di isolamento dall’oggetto e con resistenza alle alte temperature fino a 200°C o in casi speciali fino a 400°C.

In tali casi il supporto può contenere anche batterie ausiliarie usa e getta o ricaricabili tramite micro USB da 5V. Il fissaggio avviene semplicemente con due viti.

Il supporto è tale da consentire il raffreddamento dello stesso per areazione naturale, contenere il sensore, non rendere disponibile il bottone di attivazione/disattivazione per un cambio stato involontario, non interferire con le normali funzioni di stampaggio, non interferire durante le fasi di preparazione e attrezzaggio della pressa 8.

Il supporto è predisposto per un fissaggio meccanico tramite due viti e può essere incassato in apposita nicchia da realizzare in fase di costruzione sullo stampo 9 stesso al fine di evitare interferenze durante le fasi di movimentazione e trasporto.

Come già detto i sensori 11 sono utilizzabili anche sulle presse 8 con la finalità di avere un controllo continuo e completo dell’utilizzo della apparecchio 2; è pur vero che sommando le produzioni rilevate dallo stampo 9 utilizzato sulla pressa 8 si potrebbe avere il conteggio complessivo delle produzioni, ma potrebbe esserci stampi 9 non monitorati, perdendo quindi parte delle produzioni effettive.

Sono note modalità di raccolta informazioni secondo Raccomandazioni di EUROMAP (European Plastic and rubber Machinery industry), associazione che rappresenta oltre 1000 aziende che producono equipaggiamenti per le industrie della plastica e gomma.

Le Raccomandazioni di Euromap considerate sono quelle relative allo scambio dati per la gestione esterna degli equipaggiamenti, ad esempio i robot di prelievo pezzi stampati; la più recente è Euromap 78 che indica in un connettore multipolare di PIN/Socket la porta fisica cui collegarsi indicando i protocolli di comunicazione da utilizzare. Questa raccomandazione è valida per tutte le presse attualmente in dotazione presso le aziende di stampaggio.

Per le presse dotate di PLC è stata emessa la Raccomandazione Euromap 83 (in fase di rilascio definitivo) che prevede la comunicazione diretta con il PLC attraverso un protocollo specifico OPC UA ed uniforme per tutto il mondo delle presse. OPC UA è riconosciuto a livello mondiale quale protocollo standard di comunicazione tra macchine per l’Industry 4.0.

In accordo con la presente invenzione, l’apparato 1 per l’acquisizione delle informazioni dalla pressa 8 prevede:

- per Euromap 78, l’installazione di un connettore multipolare che funge da switch tra il connettore della pressa 8 e quello del robot, esterno senza interferire sulle funzionalità presenti nei connettori stessi;

- per Euromap 83, l’installazione di una scheda di collegamento al PLC, opportunamente programmata per acquisire tutti i dati richiesti dalla telemetria.

La scheda può in ogni caso acquisire i dati dai PLC anche tramite altri protocolli standard o proprietari che dovessero essere utilizzati o proposti dai costruttori di presse.

L’apparato 1 prevede l’applicazione di un sensore 11 alla pressa 8 per trasferire i dati acquisiti dalla pressa 8 al server 5, evitando ulteriori infrastrutture aziendali e installazioni invasive in reparto e sulle presse stesse.

Il monitoraggio delle presse 8 permette di raccogliere non solo il conteggio dei cicli prodotti (così come richiesto per lo stampo 9), ma anche tutti i dati di processo del funzionamento della pressa 8 quali, a titolo esemplificativo ma non esaustivo, i tempi di chiusura, iniezione, apertura, le temperature di esercizio, le pressioni di esercizio, gli allarmi, ecc.

Si ottiene così un controllo completo della produzione dell’apparecchio 2, comprendente stampo 9 e pressa 8.

Il protocollo LoRaWAN utilizza tre classi differenti di dispositivi: Classe A, Classe B, Classe C.

I sensori 11 sono di classe A e classe C.

Vantaggiosamente l’apparato 1 monitora costantemente l’andamento produttivo degli stampo 9 e delle presse 8 ove sono installati, verifica in tempo reale l’efficienza produttiva rispetto ai parametri previsti dai costruttori, tiene sotto controllo l’utilizzo degli stampi 9 e delle presse 8 in rapporto al tempo disponibile, segnala per tempo gli interventi di manutenzione programmata, valuta in base alla resa complessiva dell’apparecchio 2 la necessità di interventi di manutenzione predittiva o proattiva.

L’attivazione delle funzionalità richiede solo un login ad un portale.

In pochi istanti l’apparato 1 è operativo e utilizzabile.

In detto portale viene associato il codice univoco del sensore 11 con il codice dell’elemento a cui è associato e la sua localizzazione iniziale. L’anagrafica consente l’inserimento di molte altre informazioni (fabbricante, installazione, garanzie, ecc.) che possono essere utili in questo contesto o rilevanti per altre attività.

Il protocollo LoRaWan rende agevole l’applicazione dell’apparato 1 nelle aziende applicando i sensori 11 descritti senza creare alcuna infrastruttura, e senza installazione di altri dispositivi o gateway all’interno del sito ove sono collocati gli oggetti da monitorare.

Vantaggiosamente si ottiene un controllo completo di uno o più apparecchi 2 di una azienda, in uno o più siti produttivi.

Le stesse informazioni possono essere rese disponibili sia all’azienda che utilizza gli apparecchi 2 per controllare e migliorare l’efficienza del reparto, sia al costruttore dello stampo 2 o della pressa 8, che il più delle volte non conosce come vengono utilizzati i componenti da lui progettati e realizzati e spesso deve farsi carico della manutenzione per conto del cliente.

Questo consente un’interazione tra utilizzatore e progettista/costruttore immediata senza dover passare dalla produzione di carta o scambio di mail che comunque avrebbe dei tempi lunghi.

L’apparato 1 può comprendere moduli HMI per la gestione anche a bordo degli apparecchi 2 delle informazioni e utilizzo dei preavvisi o warning in base alla produttività ed efficienza rilevate in tempo reale e confrontate con gli standard previsti o le medie storiche.

In tal caso è richiesta una connessione stabile al database tramite rete ethernet. Gli operatori a bordo macchina possono integrare le informazioni rilevate con quelle di propria competenza quali: codice operatore, job in lavorazione, lotto materiali impiegati, lotto di produzione, giustifiche dei fermi macchina, livelli di qualità prodotta o compilazione dei piani di controllo qualitativo.

Infine l’applicazione è predisposta per essere collegata all’ERP gestionale per lo scambio delle informazioni relative agli ordini di produzione, materie prime, avanzamenti e versamenti di produzione, ecc.

Per l’HMI vanno previsti dispositivi touch screen fissi e mobili a bordo macchina. Applicando sensori 11 specifici che rilevano il passaggio di corrente o lo stato on/off, si può controllare anche la disponibilità effettiva e l’utilizzo delle presse 8 che montano gli stampi 9, completando il flusso informativo a tutti gli assets aziendali coinvolti nel processo di stampaggio.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato (1) di stampaggio di materie plastiche e gomma comprendente almeno un apparecchio di stampaggio (2) che prevede uno stampo (9), caratterizzato dal fatto che detto apparato (1) comprende inoltre una rete di comunicazione (3) con protocollo LoRaWAN, almeno un nodo (4) di detta rete di comunicazione (3), un server (5), almeno un applicativo remoto (6) connesso a detto server (5), ed almeno un sensore (11) associato allo stampo (9) ed atto a scambiare informazioni con detto server (5) tramite detto almeno un nodo (4).
2. 2. Apparato (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l’apparecchio (2) comprende una pressa (8) a cui è separabilmente associato lo stampo (9), in cui alla pressa (8) è associato un sensore (11) indipendente dal sensore (11) associato allo stampo (9).
3. 3. Apparato (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che lo stampo (9) comprende una parte mobile (91) ed una parte fissa (10), la parte mobile (91) dello stampo (9) è separabilmente accoppiata ad una parte mobile (81) della pressa (8), mentre la parte fissa (10) dello stampo (9) è separabilmente accoppiata ad una parte fissa (82) della pressa (8), alla parte mobile (91) dello stampo (9), alla parte mobile (81) della pressa (8) ed alla parte fissa (82) della pressa (8), sono fissati rispettivi sensori (11) tra loro indipendenti.
4. 4. Apparato (1) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto di prevedere un ulteriore sensore (11) associato alla parte fissa (10) dello stampo (9), indipendente dagli altri sensori (11) dell’apparecchio (2).
5. 5. Apparato (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di apparecchi (2), una pluralità di nodi (4) atti a concentrare segnali provenienti da sensori (11) di detta pluralità di apparecchi (2), ed una pluralità di applicativi remoti (6) connessi a detto server (5) tramite una rete sicura (7).
6. 6. Apparato (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto sensore (11) è atto al conteggio progressivo dei movimenti dello stampo (9), in cui la trasmissione del dato di movimento avviene in forma aggregata e programmata.
7. 7. Apparato (1) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il sensore (11) è atto a rilevare - lo stato dello stampo (9), attivo/inattivo a partire da una data predefinita; - eventuali movimentazioni per la preparazione dell’apparecchio (2); - l’attività produttiva contando i cicli e il loro progressivo; - i tempi effettivi di lavoro e di inattività; - la conferma dell’avvenuta manutenzione.
8. 8. Apparato (1) secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di comprendere un supporto isolante in cui è alloggiabile il sensore (11).
9. 9. Apparato (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-8, caratterizzato dal fatto di prevedere un connettore multipolare che funge da switch tra un connettore della pressa (8) e un connettore di un robot atto a monitorare la pressa (8).
10. 10. Apparato (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-9, caratterizzato dal fatto di prevedere una scheda di collegamento ad un PLC connesso alla pressa (8), opportunamente programmata per acquisire tutti i dati richiesti dalla telemetria.