5 Dispositivi per il Controllo - webuser.unicas.itwebuser.unicas.it/.../file_didattica/2_TIA_Dispositivi_Controllo.pdf · Ove presente, il sistema operativo del dispositivo di controllo

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Dispositivi per il controllo

Dispositivi per il controllo diretto:dispositivi che implementano algoritmi di controllo e che sono collegati direttamente ai sensori ed agli attuatori presenti sul processo da controllare


Schema di anello di controllo digitale

Attuatore Sistema dacontrollare

Trasduttoredi misura

D/A

-

r

y

eA/D

Clock (T)

Calcolatore digitale

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Controllo digitale VS Controllo analogico

� Vantaggi:� Maggior capacità e precisione di elaborazione

� Maggiore flessibilità

� Maggiore affidabilità e ripetibilità

� Maggiore sensibilità e trasmissibilità dei segnali

� Svantaggi� Progettazione più difficile ed articolata

� Stabilizzabilità più precaria

� Possibilità di arresti non previsti dovuti ai disturbi

� Necessità di utilizzare energia elettrica



� Caratteristiche fondamentali:� Capacità di rispondere a stimoli provenienti dal loro esterno sottoforma di

eventi o dati che arrivano ai sensori

� Capacità di agire al loro esterno modificando il comportamento del processo che controllano

� Possibili funzionalità:� controllo a ciclo chiuso di variabili fisiche (regolazione o asservimento)

� calcolo dei valori di riferimento per tali variabili

� controllo logico sequenziale

� gestione di allarmi ed anomalie

� interfaccia operatore

� comunicazione con altri dispositivi

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� Modalità di esecuzione dei compiti:� periodica, ad intervalli di tempo assegnati

� ciclica, appena terminata l’esecuzione ricominci daccapo

� una sola volta, all’occorrenza di particolari eventi

� Interazione:� processo fisico (trattamento segnali I/O)

� altri dispositivi di controllo e supervisione



� Esecuzione in tempo reale: un sistema di elaborazione a tempo reale deve rispondere in modo certo ed entro tempi fissati ad eventi esterni non prevedibili.

� Requisiti hardware per l’esecuzione in tempo reale:� l’utilizzo di processori dotati di adeguata velocità di elaborazione

� tempo di esecuzione delle istruzioni noto (almeno nei valori massimi)

� accesso alla memoria ed ai dispositivi I/O veloce, affidabile e deterministico

� garanzia di una tempificazione certa

� presenza di funzioni di autodiagnostica

� ridondanze strutturali (per operare in caso di malfunzionamenti)

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� Ove presente, il sistema operativo del dispositivo di controllo si deve occupare della pianificazione dell’esecuzione dei processi (scheduling) e della gestione della comunicazione tra i processi.

� Per essere in tempo reale, il sistema operativo deve:� avere una politica di pianificazione dell’esecuzione con meccanismo di

assegnazione priorità� essere multitasking pre-emptive (è possibile interrompere un processo per

trasferire risorse ad un processo che ne ha bisogno)� evitare situazioni di deadlock tra i processi� realizzare un meccanismo di sincronizzazione e comunicazione tra

processi che sia prevedibile� aver noti i tempi massimi necessari per sospendere un processo, lanciarne

un altro e realizzare una chiamata di sistema� gestire in maniera opportuna i malfunzionamenti



� Controllori per applicazioni generiche� Monolitici� A bus� Basati su PC

� Controllori a logica programmabile (PLC)

� Controllori specializzati� Regolatori PID industriali� Controllori per motori elettrici � Controllori di macchine a controllo numerico e robot

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Controllori per applicazioni generiche


� Controllori per applicazioni generiche:

� Monolitici, cioè realizzate da una singola scheda o addirittura da una singolo circuito integrato

� basati su bus e realizzate attraverso la combinazione di moduli con differenti funzionalità

� basati su personal computer


Controllori monolitici

� Controllori che inglobano tutto ciò che serve su un’unica scheda o su un singolo circuito integrato. (Es. dispositivi di controllo di elettrodomestici, videoregistratori, lettori CD, stampanti, sistemi di frenata ABS, climatizzatori …)

� Un controllore monolitico possiede:� un’unità di elaborazione� una memoria non volatile che contiene i programmi� una memoria (anche volatile) per la conservazione delle variabili� un clock per generare i segnali di temporizzazione� dei dispositivi di interfaccia per l’acquisizione e la generazione di segnali

analogici e digitali� un sistema di gestione delle interruzioni

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� La tecnologia attuale permette l’integrazione di tutti i componenti in singoli circuiti integrati chiamati microcontrollori (system-on-chip)

� I microcontrollori posso avere diverse caratteristiche:� numero di bit (da 8 a 32 bit); tipo di architettura, dimensioni memoria,

tipo di gestione degli interrupt, numero e tipo I/O

� solitamente non è previsto il sistema operativo

� sistema di sviluppo basato su pc (programmazione in linguaggi assemblativi o di alto livello)

� Se necessaria maggiore potenza di elaborazione o gestione I/O si può ricorrere a controllori single-board



� Unità di processo: � processori CISC (Complex Istruction Set Computer)

� processori RISC (Reduced Istruction Set Computer)

� DSP (Digital Signal Processor)

� Limitata (o assente) capacità di comunicazione con altri dispositivi

� Interfaccia operatore ridotta (pulsanti o led)

� Si prestano per soluzioni embedded

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Controllori con architettura a bus

� Adatti ad applicazioni che richiedono notevole capacità di elaborazione, trattamento di numerosi I/O, comunicazione attraverso reti informatiche, interfacce operatore sofisticate

� Concetto di bus:� un bus è un insieme di linee elettriche, raggruppate per funzioni, che

connettono tra loro varie schede o moduli

� un bus è costituito dal protocollo attraverso il quale i moduli posso usare le linee elettriche per comunicare tra loro

� un bus è definito dalle caratteristiche elettriche e meccaniche dei connettori che servono per collegare i moduli

� Le schede sono connesse al bus in parallelo

� Lunghezza del bus di qualche decimetro



Modulo Processore

Modulo Memoria

Modulo I/U digitali

Modulo I/U analogici

Modulo GestionePeriferiche

Alimentazione

Dati

Indirizzi

Controllo

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� Moduli tipici:� modulo processore� moduli di ingresso e uscita analogici� moduli di ingresso e uscita digitali� moduli contatore ad alta velocità� moduli memoria di massa a stato solido� moduli per comunicazione su rete informatica� moduli per controllo periferiche (schermi, tastire…)

� Moduli inseriti in armadi (rack) che li contengono meccanicamente e li uniscono elettricamente attraverso un circuito stampato su cui sono disposti i connettori

� Solitamente necessario un sistema operativo� Programmazione tramite linguaggio alto livello (alcuni seguono

standard IEC 61131-3)



� Caratteristiche dei bus:� dati elettrici e meccanici

� velocità di trasmissione

� spazio indirizzabile

� lunghezza dati

� numero di linee di interrupt e modalità gestione

� sincrono (necessita clock) - asincrono (prevede più segnali sincronizzazione)

� numero di master consentiti

� legato o meno a tipologia di processore

� autoconfigurazione del bus

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� Bus VME (Versa Module Europe)-IEEE 1014� linee indirizzo da16 a 64 bit

� linea dati da16 a 64 bit

� velocità massima trasferimento 500 MB/s

� 7 linee interrupt

� 4 livelli priorità per l’allocazione del bus

� possibilità di trasferire fino a 256 word

� 64 linee utente

� modo operativo asincrono

� fino a 21 master



� Bus EISA (Extended Industry Standard Architecture )� linee indirizzo 32 bit

� linee dati da 8 a 32 bit

� velocità massima di trasferimento 33 MB/s

� 6 linee di interrupt

� supporto multimaster

� modo operativo sincrono

Slot EISA

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� PCI (Peripheral Component Interconnect )� modo operativo sincrono

� velocità massima trasferimento 132 MB/s

� linea dati ed indirizzo a 32 bit

� supporto multimaster

� PC/104 e PC/104+� moduli connessi con connettori passanti (sandwich)

� PC/104 (bus EISA)

� PC/104+ (bus PCI)


Controllori basati su pc

� Calcolatori general purpose� Vantaggi:

� costi minori� minori professionalità richieste per l’utilizzo� ampia scelta fornitori hardware e software� semplicità manutenzione � funzionalità di base pre-istallate (interfaccia grafica, memorie di massa,

comunicazione con altri dispositivi)� Svantaggi:

� limitata interfaccia di processo (non molti I/O)� non adatto ad ambienti ostili

� Utilizzati per il controllo remoto� SO real-time o tradizionali.� Programmazione con linguaggi standard � Soft-PLC e Soft-CNC

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PLC

PLC – Cenni storici

� Prime applicazioni di automazione utilizzavano dispositivi elettromeccanici (relè e temporizzatori). Lenti, costosi, difficilmente riconfigurabili. Progettazione, installazione e manutenzione complesse.

� L’avvento dell’elettronica (transistor e circuiti integrati) permise di superare alcuni di questi problemi ma i sistemi risultavano ancora non flessibili

� L’avvento dei PLC risale al 1968 quando General Motors specificò le caratteristiche di un nuovo dispositivo:� facilmente programmabile e riprogrammabile� facile manutenzione� robusto per ambienti industriali� dimensioni contenute� competitivo nei costi

PLC

PLC

� Un controllore a logica programmabile (o PLC, Programmable Logic Control):� un dispositivo flessibile

� concezione modulare

� architettura a bus

� specializzato per il controllo logico sequenziale

� Gestisce migliaia di I/O

� Sistema operativo real-time multi-tasking

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PLC

PLC

� Definizione di PLC secondo lo standard IEC 61131-1:� Sistema elettronico a funzionamento digitale, destinato all’uso in

ambito industriale, che utilizza una memoria programmabile per l’archiviazione interna di istruzioni orientate all’utilizzatore per l’implementazione di funzioni specifiche, come quelle logiche, di sequenziamento, di temporizzazione, di conteggio e di calcolo aritmetico, e per controllare, mediante ingressi ed uscite sia digitali sia analogici, vari tipi di macchine e processi

� Definizione di Sistema PLC� configurazione realizzata dall’utilizzatore, formata da un

controllore a logica programmabile e dalle periferiche associate, necessarie al sistema automatizzato previsto

PLC

PLC

� Configurazione minima:� Armadio

� Modulo processore

� Moduli ingresso/uscita

� Modulo alimentatore

� Terminale programmazione

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PLC

PLC – Modulo processore

� Scheda con uno o più processori che eseguono programmi del sistema operativo o programmi utente

� Memoria volatile e non volatile

� Modulo tipico composto da tre microprocessori:� uno per operare sul singolo bit

� uno per le operazioni di tipo logico/aritmetico

� uno dedicato alle comunicazioni con moduli I/O e dispositivi esterni

PLC


� Modalità di funzionamento ciclica:� aggiornamento area di memoria con i valori provenienti da ingressi fisici

� esecuzione del programma utente

� esecuzione dei programmi di gestione sistema (es. diagnostica)

� scrittura sulle uscite fisiche dei valori in memoria

� Tale ciclo è detto “ciclo a copia massiva degli ingressi e delle uscite”� il PLC è cieco fino alla successiva lettura ingressi

� ritardo nella rivelazione del cambio ingresso (nel caso peggiore è pari al tempo esecuzione di un ciclo)

� il ciclo non ha durata prefissata ma dipende dalla lunghezza delprogramma e dalla sua natura (presenza cicli)

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PLC


� Eccezioni al ciclo a copia massiva� È prevista la possibilità di eseguire operazioni con accesso immediato ai

punti I/O (es. gestione emergenze). Allungano tempi di scansione� gestione intrrupt temporizzati (per algoritmi a controllo numerico) o

collegati allo stato di un segnale di ingresso

� Velocità di elaborazione è descritta dal tempo di scansione� Tempo di scansione: tempo che intercorre tra due attivazioni

successive della stessa porzione del programma applicativo nellamodalità di funzionamento ciclico (compreso tempo aggiornamento I/O)

� Tempo di scansione legato a numero I/O ed a dimensione e complessità del programma utente. Decina di millisecondi per Kiloword (1 Kiloword=1024 parole) di programma

PLC


� Tempo di risposta: massimo intervallo di tempo che passa dalla rivelazione di un certo evento e l’esecuzione dell’azione di risposta programmata. Dipende anche da ritardi introdotti dai moduli I/O.

� Relazione tempo di scansione e tempo di risposta:

Tr ≈ 2 Te + TI/O

TeTIt

TO TeTI TO TeTI TO

Tr

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PLC


� Funzioni di diagnostica interna:� watchdog timer sulle funzioni principali� controlli di parità sulla memoria e su linee di comunicazione� controllo tensione alimentazione� controllo stato batterie tampone

� Modalità operative (attivate con chiave hardware):� esecuzione� convalida� programmazione

PLC


� Organizzazione memoria per aree:� area sistema operativo (non volatile a sola lettura)� area lavoro sistema operativo (RAM)� area ingressi/uscite (RAM)� area programmi utente (RAM- PROM)� area dati utente (RAM)

� Alcune aree di memoria alimentate da batterie tampone� Dimensione memoria da mezzo Kiloword a centinaia di Kiloword (word di 8-

16 bit)� Altre caratteristiche: numero strutture speciali (timer, contatori), possibilità

espansione, numero armadi I/O gestibili (direttamente o da remoto), numero e tipologia porte comunicazione, linguaggi supportati, gestione multi-tasking ed interrupt

� PLC di sicurezza - Ridondanza strutturale (abilitazione uscita solo se accordo )

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PLC

PLC – Moduli ingresso/uscita

� I moduli di ingresso ed uscita, sia analogici che digitali, sono i moduli con cui il PLC comunica con il processo fisico, rilevando eventi e dati dai sensori e comandando azioni agli attuatori� Realizzano l’interfaccia tra livelli di tensione TTL o CMOS (con cui opera

il PLC) e le tensioni (o correnti) per la trasmissione di segnali� Permettono di connettere il PLC direttamente ai vari dispositivi presenti

sul campo� I/O sono isolati galvanicamente (tramite fotoaccoppiatori o trasformatori)

dall’elettronica interna per evitare danni dovuti ad impulsi di tensione� Garantiscono la modularità necessaria per dimensionare il PLC su misura

per l’applicazione� Modularità tipiche punti: 2, 4, 8, 12, 16, 32, 64, 128� Il loro indirizzamento da programma dipende da dove fisicamente il

modulo viene posto nell’armadio del PLC

PLC

PLC – Ingressi digitali

� Forniti di circuiti di filtraggio

contro rumore e rimbalzi

� Caratteristiche:� numero di ingressi gestibili

� tensioni di riferimento

� ritardo di segnale

� Valori tipici di riferimento per gli stati ON OFF:

0~24 V -- 0~220 V in corrente continua o alternata

0~5 V in corrente continua (livello TTL)

0~50 V in corrente continua

tON ONOFF

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PLC

PLC – Uscite digitali

� I comandi digitali si collegano alle interfacce di uscita DIGITALI� Un comando DIGITALE (ON-OFF) per essere eseguito dalla CPU deve essere

trasformato da VALORE BINARIO delle memoria dati a tensione di comando� Ad esempio la bobina di un contattore può assumere due stati:

� BOBINA NON ALIMENTATA = CONTATTI DI COMANDO PLC APERTO = 0 Vcc all’uscita del PLC;

� a questo stato l’interfaccia di uscita associa al valore BINARIO 0 (=OFF=FALSO), lo stato aperto del contatto di uscita

� BOBINA ALIMENTATA = CONTATTI DI COMANDO PLC CHIUSO = 24 Vccall’uscita del PLC; a questo stato l’interfaccia di uscita associa al valore BINARIO 1(=OFF=FALSO), lo stato chiuso del contatto di uscita

� Protette mediante fusibili;� Realizzate attraverso transistori (cc), TRIAC o SCR (ca) o relè (cc e ca)

PLC

PLC – I/O Analogici

� I segnali ANALOGICI si collegano alle interfacce di ingresso ANALOGICHE

� Un segnale ANALOGICO (0…100%, 0…10V, ecc.) per essere letto dalla CPU (che lavora con stringhe di bit di lunghezza finita nel tempo discreto) deve essere trasformato in un valore BINARIO da consegnare alla memoria dati

� I moduli I/O analogici realizzano le conversioni analogiche/digitali o digitali/analogiche richieste per interfacciare direttamente segnali analogici con il PLC

� Caratteristiche:� Trattano un’ampia gamma di segnali � Intervalli di lavoro e caratteristiche filtranti selezionabili via software� Scalatura automatica del dato in unità ingegneristiche� Optoisolati� Possiedono indicatori di stato

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PLC


� Esempio si consideri un trasduttore di pressione 0…1 bar, con uscita ANALOGICA 0…10V (ingresso analogico per il PLC):� se la pressione misurata è pari a 0 bar il segnale analogico misura 0 V

� se la pressione misurata è pari a 0,5 bar il segnale analogico misura 5 V

� se la pressione misurata è pari a 1 bar il segnale analogico misura 10 V

� A ciascuno dei precedenti valori l’interfaccia analogica (risoluzione 12 bit) del PLC assegna i valori decimali:� 0 bar = 0V = 000000000000

� 0,5 bar = 5 V = 100000000000

� 1 bar = 10 V = 111111111111

� La CPU per eseguire i sui calcoli usa la notazione binaria del valore (esempio 100000000000)

PLC


� Informazioni disponibili per I/O analogici:� valori dei segnali da trattare� possibilità di accettare valori single-ended o differenziali� risoluzione di conversione� rappresentazione dei dati fornita� velocità di conversione dei dati

� Valori tipici:Segnali in tensione: ±5 V; ±10 V; 0~5 V Segnali in corrente: 4~20 mA (trasmissione in corrente è meno sensibile a disturbi elettromagnetici e cadute resistive in collegamenti lunghi)

� Modulo ingresso analogico costituito 1 ADC e 1 multiplexer� Alcuni moduli uscita hanno watchdog timer per malfunzionamenti

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PLC

PLC – Modulo Alimentatore

� Modulo alimentatore:� fornisce l’alimentazione elettrica stabilizzata necessaria per tutti i

moduli

� robusta a microinterruzioni e fluttuazioni fornitura elettrica

� trasformatore - circuito rettificatore - filtro - circuito stabilizzatore circuito protezione da sovracorrenti e cortocircuiti

� Caratteristiche:� potenza massima fornibile

� possibilità connessione in parallelo

� possibilità invio segnale shutdown

� presenza indicatori di stato

PLC

PLC – Armadio

� Armadio, cestello, o rack:� deve contenere i moduli ed assicurare la connessione elettrica e

meccanica (oltre che la schermatura)

� architettura a bus (bus proprietario)

� Caratteristiche:� numero slot

� dimensioni di ingombro

� modalità di fissaggio

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PLC

PLC – Terminale di programmazione

� Il PLC non prevede tastiere o monitor per la comunicazione col programmatore

� terminali a tastiera (per piccoli plc) con collegamento via cavo (es. seriale) e display a cristalli liquidi

� sistema di sviluppo su pc (modalità di programmazione fuori-linea) con connessione al PLC diretta o tramite rete informatica

PLC

PLC – Moduli speciali

� Moduli I/O remoto

� Moduli per la connessione in rete

� Moduli coprocessore

� Moduli PID

� Moduli di servo

� Moduli encoder

� Moduli interfaccia operatore

� Moduli di backup

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PLC

PLC – Classificazione

� Micro� fino a 64 punti I/O (digitali); memoria fino a 2 Kword;

no architettura modulare; 1 linguaggio programmazione (limitato)

� Piccoli� 64-512 punti I/O(digitali + qualche analogica); memoria 4 Kword;

struttura modulare; capacità connessione in rete; + linguaggi

� Medi� 256-2048 punti I/O; memorie decine di Kword;

I/O remoti e moduli speciali; elevata possibilità programmazione; elevata capacità comunicazione in rete;

� Grandi� numerosi I/O; memorie da centinaia di Kword; supervisione di cella

interfacciamento PLC minori e calcolatori di gestione

Controllori Specializzati

Controllori specializzati

� Controllori di macchine a controllo numerico

� Regolatori PID

� Controllori per motori elettrici

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Controllori macchine CN

� Macchina a controllo numerico: macchinario che esegue lavorazioni e movimentazioni, con assi di rotazione e traslazione controllati, dotata di un linguaggio di programmazione ad alto livello orientato alla funzionalitàche svolge.

� Es. Torni, frese, trapani, robot


Controllori macchine CN

Funzionalità dell’architettura di controllo:� controllo movimento di ogni singolo asse� generare i riferimenti (leggi orarie) per ogni asse� coordinare i movimenti degli assi� eseguire le istruzioni espresse nel linguaggio di programmazione� gestire logiche e sequenze della macchina ed altri dispositivi� interfaccia uomo-macchina per supervisione e programmazione� comunicazione con altri dispositivi� capacità di autodiagnostica

� Architettura a bus:� modulo controllo posizione e velocità per ogni asse� modulo interpretazione programma e generazione traiettorie � modulo controllo logico/sequenziale macchina ed altri dispositivi� modulo interfaccia operatore

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Regolatori PID

� Regolatore Proporzionale – Integrale – Derivativo


Controllori per motori elettrici

� Controllo di coppia o velocità (azionamenti elettrici) o controllo di posizione (controllo d’asse)

� Funzioni principali del sistema di controllo del moto:� acquisire informazioni sulle variabili di stato elettriche e meccaniche

attraverso misure o stime� implementazione algoritmo di controllo del moto e logica gestione motore� conversione di potenza� ricezione comandi di moto da altri dispositivi

� Funzioni secondarie:� visualizzazione e comunicazione dello stato e segnali allarme� monitoraggio variabili� gestione condizioni allarme� esecuzione procedure di test per la regolazione dei parametri

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