Il 28 febbraio è uscita la prima simulazione del MIUR per la seconda prova di Automazione.
La prova, che coinvolge le materie di Elettronica e Sistemi, è simile a quelle degli scorsi anni e prevede una prima parte con un problema di automazione più quattro quesiti, di cui due obbligatori. Il tema della prima parte è più affine alla materia di TPA che non alle altre due (questo è già capitato in anni precedenti, ad esempio nel 2017).
La prima parte non è troppo impegnativa ma, come al solito, mancano delle informazioni e ci sono delle ambiguità che costringono a fare delle ipotesi, possibilmente sensate o semplificative. Rispetto agli anni precedenti:
I quesiti sono sempre un po' una lotteria: il programma delle materie è sterminato e spesso capita che l'argomento di un quesito non sia stato trattato (vedi prova 2018). In questi casi ovviamente la commissione ne tiene conto.
Elementi chiave del testo:
Punti richiesti:
Per la termocoppia la soluzione più semplice è usare l'integrato AD594 della Analog Devices che compensa il giunto freddo e amplifica il segnale in modo da avere 10mV/°C (vedi risorse a fondo pagina). Alla temperatura più alta si avranno 4,6V compatibili con gli ingressi analogici del PLC. Il testo richiede 5V a 600°C quindi servirebbe un circuito che attenui il segnale dell'AD594 (altimenti si avranno 6V a 600°C) ma probabilmente non ne vale la pena considerato il range di temperature previste.
Per dimensionare il motore manca un dato importante, la velocità di sollevamento del carico. Senza questo dato non è possibile stimare la potenza richiesta quindi occorre fare un'ipotesi aggiuntiva e, per esempio, considerare una velocità di 10 cm/s (0.1 m/s). La coppia alla carrucola che serve a bilanciare il carico vale:
`C = F cdot b = m cdot g cdot d/2 = 20 cdot 9.81 cdot 0.05 = 9.81 Nm`
La velocità di rotazione della carrucola vale:
`omega = v / r = 0.1 / 0.05 = 2 {rad}/s`
Allora la potenza minima richiesta è:
`P = C cdot omega = 9.81 cdot 2 ~= 20 W`1)
Considerando il rendimento del riduttore (probabilmente a vite senza fine visto il valore molto basso) occorre raddoppiare questo valore. Un piccola ulteriore maggiorazione è comunque raccomandabile, ma senza esagerare o la velocità di sollevamento potrebbe essere troppo elevata o il movimento troppo brusco. Un possibile valore potrebbe essere 50W.
La velocità del motore sarà:
`omega_m = omega_c * 20 = 40 (rad)/s`
quindi
`n = (omega_m * 60)/(2 pi) ~= 380 r\p\m`
Un motore asincrono a 8 poli gira comunque ad almeno 600 rpm quindi bisognerebbe rivedere alcuni parametri (alzare la velocità di sollevamento) o cambiare riduttore.
L'algoritmo non è complicato e il funzionamento è completamente automatico. L'unica variazione da prevedere nella sequenza è per gestire il livello e la temperatura nella vasca. Si potrebbe ricorrere al parallelismo ma in realtà non sono due controlli completamente indipendenti (si può pompare lo zinco se non è liquido?) quindi tanto vale gestire in sequenza temperatura e successivamente livello.
Di seguito un possibile diagramma SFC:
Per il punto 4 basta applicare la tecnica batch e tradurre il diagramma SFC in ladder.
Il primo quesito è strano perché se è vero che esistono encoder con uscita analogica è strano non sfruttare i contatori veloci del PLC per gestire direttamente il segnale digitale (o i due segnali in quadratura) generati dall'encoder. Ci sono tre strade:
Per il secondo quesito la soluzione più semplice è quella di sfruttare il fatto che lo zinco è un metallo - quindi conduttore - e mettere semplicemente due elettrodi che risulteranno collegati quando lo zinco raggiunge il livello prestabilito. Questo comportamento è assimilabile a quello di un contatto NA.
Il terzo quesito rappresenta il circuito di principio di un convertitore di frequenza trifase. Si riconoscono un raddrizzatore trifase, il condensatore di livellamento, i 6 transistor con diodo di libera circolazione che, pilotati con segnali generati con modulazione PWM sinusoidale, permettono di ricostruire un sistema di tensione trifase con una frequenza a piacere. A questo proposito si guardi la simulazione di esempio fornita con Multisim (samples, power conversion, DC-AC).
Il 2 aprile è uscita la seconda simulazione del MIUR per la seconda prova di Automazione.
Si conferma l'impianto della prima simulazione. Ancora un problema da risolvere col PLC con dei punti che richiedono conoscenze di meccanica.
Il problema è tutto sommato semplice ma il disegno è poco leggibile e ci sono più informazioni di quelle richieste nei quattro punti.
Elementi chiave del testo:
Punti richiesti:
Anche in questa prova, diversamente rispetto al passato, non viene richiesta una discussione su ingressi e uscite (ad esempio come adattare il segnale TTL agli ingressi del PLC) o una rappresentazione schematica del sistema.
Per il primo punto si può usare un circuito a due stadi con un sommatore invertente, che media i due segnali, e un amplificatore invertente che scala la tensione per ottenere il range desiderato (10V con 15uW)2).
Il secondo punto richiede il calcolo della velocità di rotazione e delle coppia corrispondente alla forza tangenziale dovuta all'attrito tra nastro e piano d'appoggio3). La velocità si calcola con:
`omega = v / r = (300 cdot 10^-3) / 50 cdot 10^-3 = 6 {rad}/s`
oppure direttamente facendo il rapporto tra velocità lineare e circonferenza (adattando le unità di misura se serve):
`n = (300 cdot 10^-3 * 60) / (2 pi cdot 50 cdot 10^-3)= 57 r\p\m`
La coppia si ottiene calcolando la forza tangenziale dovuta all'attrito con:
`F_t = P cdot mu_s= 150 cdot 0.3 = 45 N`
dove P è la forza peso e μ il coefficiente di attrito statico. La coppia si ottiene moltiplicando la forza per il raggio:
`C= F_t cdot r = 45 cdot 0.05 = 2.25 Nm`
quindi:
`P = omega cdot C = 6 cdot 2.25 = 13.5 W`
Per il terzo punto si propone un diagramma SFC.
Nella figura le fotocellule sono indicate con FTC, il consenso sulla luminosità dell'ambiente è nel merker LIGHT, e il merker TTL contiene il un valore digitale che viene settato quando si attiva la telecamera CAM. Si sono fatte le seguenti ipotesi:
La traduzione in ladder richiesta nel quarto punto è banale.
Il primo quesito richiede di variare il duty-cycle del sistema di alimentazione dell'illuminatore a LED per compensare le variazioni ambientali. L'indicazione viene dal circuito di condizionamento richiesto nel punto 1 della prima parte che fornisce un segnale in tensione di 10 Volt per 15uW di potenza luminosa. Al valore corretto di 9uW corrispondono 6 Volt e ad 1uW 0,667 Volt. Il valore del duty-cycle si può modificare così:
`d = 60-(P-9)*5`
dove il duty-cycle d è espresso in forma percentuale e P è la potenza in uW (confrontata con i 9uW desiderati). Questo valore può essere utilizzato per pilotare l'alimentazione dell'illuminatore, ad esempio utilizzando un'uscita digitale4) del PLC con la tecnica PWM.
Il secondo e il quarto quesito sono argomenti di Sistemi Automatici.
Il terzo quesito chiede di descrivere un alimentatore switching con topologia flyback già visto in quarta.
Sulle termocoppie: