IL PLC Ing. Marco Giannini Architettura e Programmazione Prof. Giuseppe Mastronardi Architettura e Programmazione dei Microelaboratori Anno accademico 2008/2009

DEFINIZIONI

Definizione di Automazione dei Processi Industriali E’ la disciplina che studia le metodologie e le tecnologie che permettono il controllo dei flussi di energia, di materiali e di informazioni necessari alla realizzazione di processi produttivi. Vantaggi: Miglioramento qualitativo dei prodotti; Flessibilità dell’impianto; Riduzione dei tempi di produzione; Riduzione degli scarti di lavorazione; Riduzione del costo di produzione; Necessità di conformarsi a leggi o regolamenti.

Sistema di controllo e misura di un processo industriale Un sistema di controllo di processi e di acquisizione dei dati può essere visto come un insieme di dispositivi interconnessi e comunicanti tra di loro attraverso una o più reti di comunicazione. Un dispositivo è una entità fisica indipendente capace di realizzare una o più funzionalità, limitato dalle sue interfacce (componenti hardware e software che gli consentono di comunicare con l’esterno). Una risorsa è una suddivisione logica della struttura software di un dispositivo che abbia un controllo indipendente delle operazioni. Una risorsa deve avere: Una o più applicazioni locali che processano dati ed eventi interni; Funzioni che collegano dati/eventi da e verso il processo e/o la rete di comunicazione con quelli interni; Funzione di pianificazione (es. ciclica) delle attività per il coordinamento tra queste funzionalità.

Sistema di controllo e misura di un processo industriale I dati sono rappresentazioni di informazioni tali da poter essere correttamente manipolate e interpretate dalla risorsa. Gli eventi rappresentano l’occorrenza di particolari condizioni. Interfaccia di processo mette in relazione le risorse contenute nel dispositivo con il processo fisico, comunicando con i sensori e gli attuatori. Interfaccia di comunicazione mette in relazione le risorse con quelle appartenenti ad altri dispositivi, per lo scambio di informazioni attraverso una rete di comunicazione. L’applicazione specifica le operazioni che devono essere svolte sui dati come conseguenza degli eventi e, come detto, può essere tra molte risorse dello stesso dispositivo o tra più dispositivi.

Definizione di PLC secondo lo standard 1131 del CEI Sistema elettronico digitale 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 conteggio, di calcolo aritmetico, e per controllare mediante ingressi ed uscite sia digitali che analogiche, vari tipi di macchine e processi.

Breve cronologia dei PLC 1968: la General Motors specifica le caratteristiche più importanti dei PLC: facile programmabilità; facile manutenzione; robustezza rispetto alle condizioni dell’ambiente industriale; dimensioni ridotte; bassi costi. I primi PLC erano dei sequenziatori riprogrammabili. 1975: L’Allen-Bradley introduce il primo PLC con microprocessore. Attualmente i PLC ad alte prestazioni sono dotati di sistemi multiprocessore ed hanno la stessa tecnologia dei computer convenzionali

Schema generale di un sistema automatizzato

Schema generale di un sistema automatizzato.

Processo fisico: combinazione di operazioni che agiscono sulle grandezze fisiche dei materiali sottoposti al processo. Esempi di processi fisici: movimentazione, lavorazioni meccaniche,reazioni chimiche, ecc. Sistema di controllo: riceve informazioni sullo stato del processo tramite i sensori e le elabora secondo algoritmi specificati; invia agli attuatori le informazioni relative alle azioni da attuare per realizzare il controllo del processo fisico. Sensori: trasformano la grandezza fisica che si vuole misurare in grandezza elettrica (tensione, corrente). Attuatori: modificano il valore della variabile di controllo in base ai segnali provenienti dal sistema di controllo.

Schema di un PLC

Ciclo a copia massiva di ingressi e uscite Modulo processore E’ il componente essenziale del PLC ed è costituito da una scheda contenente uno o più processori, la memoria ed altri componenti necessari per il funzionamento. Ciclo a copia massiva di ingressi e uscite Aggiornamento dell’area di memoria riservata ai valori provenienti dagli ingressi fisici. Esecuzione del programma utente operando sui valori aggiornati presenti in memoria e conservando i risultati in memoria. Esecuzione dei programmi di gestione (diagnostica). Scrittura sulle uscite fisiche dei valori memorizzati.

Caratteristiche principali di un PLC Tempo di scansione: è il tempo in ms necessario ad eseguire 1 Kiloword, cioè 1024 parole, di programma; è un valore medio calcolato per programmi di media complessità. 2. Tempo di risposta: è il massimo intervallo di tempo che intercorre tra la rilevazione di un certo evento e l’esecuzione dell’azione relativa programmata; questo tempo comprende anche i ritardi dei moduli I/O.

Sistema operativo di un PLC Il sistema operativo di un PLC è un insieme di programmi, memorizzati in una memoria ROM permanente, che gestiscono le attività, l’elaborazione dei programmi utente, la comunicazione e altre funzioni quali: Watchdog timer; 2. Controllo di parità sulla memoria e sulle linee di comunicazione; 3. Controllo della tensione di alimentazione e dello stato delle batterie tampone; L’esito può essere l’attivazione di indicatori di stato (memoria ok, processore ok…) o di routine di emergenza.

Modalità operative dei PLC Modalità di esecuzione: vengono eseguiti i programmi utente e viene effettuato l’aggiornamento degli ingressi e delle uscite. 2. Modalità di validazione: vengono eseguiti i programmi utente, ma le uscite non vengono aggiornate; ciò è utile per verificare la correttezza del codice. 3. Modalità di programmazione: caricamento in memoria del programma sviluppato.

Memoria di un PLC Area del sistema operativo di tipo ROM (sola lettura); Area di lavoro del sistema operativo di tipo RAM; Area I/O di tipo RAM; Area programmi utente di tipo RAM (lettura e scrittura per lo sviluppo e poi può essere di tipo PROM); Area dati utente di tipo RAM.

Memoria di un PLC Le aree di memoria RAM possono essere alimentate con batterie tampone per prevenire perdita di informazione in caso di calo dell’alimentazione. Il sistema operativo o i programmi utente possono gestire la modalità di ripristino del funzionamento: Nuova inizializzazione Ripartenza dall’ultima istruzione effettuata.

Moduli di ingresso/uscita Permettono la comunicazione tra PLC e processo fisico ossia sensori ed attuatori. Dal punto di vista elettrico realizzano l’adattamento tra i livelli di tensione TTL o CMOS del PLC con le tensioni o le correnti degli attuatori che vanno da qualche decina di volt a centinaia di volt sia in c.c. che in c.a.. Ingressi e uscite possono essere isolati con fotoaccoppiatori o trasformatori dall’elettronica del PLC per evitare pericolose sovratensioni. Possono essere digitali e analogici; quelli analogici sono dotati di DAC e ADC.

Moduli di ingresso/uscita La mappatura in memoria degli ingressi ed uscite di ciascun modulo dipende dalla posizione fisica del blocco installato. I moduli di I/O digitale sono forniti di circuiti di filtraggio antirumore e di indicatori di stato pre e post isolamento. I dati tecnici di tali moduli prevedono il numero di ingressi e uscite, le tensioni di riferimento, il ritardo di segnalazione introdotto. Valori comuni per le tensioni di On/Off: 0-24V, 0-220V ca/cc 0-5V cc (TTL), 0-50V cc.

Moduli di ingresso/uscita I moduli di I/O analogico possono avere intervalli di lavoro e caratteristiche filtranti selezionabili via software, sono optoisolati. Caratteristiche: Segnali single-ended o differenziali; Risoluzione di conversione; Velocità di conversione.

Moduli di ingresso/uscita Valori tipici input: ± 5V ± 10V 0 - 5V 4 – 20mA I moduli in ingresso hanno un solo convertitore AD e un multiplexer per collegare i vari canali in ingresso.

Modulo Alimentatore Fornisce l’alimentazione elettrica stabilizzata per il funzionamento di tutti gli altri moduli. Trasformatore, rettificatore, filtro, stabilizzatore e circuito per la protezione da sovracorrenti o cortocircuiti. L’alimentazione deve essere commisurata ai diversi moduli che compongono il PLC.

Terminale di programmazione Il PLC non prevede tastiere e schermi per la comunicazione con il programmatore. Programmazione diretta sulla memoria del PLC. Sistemi di sviluppo basati su pc.

Terminale di programmazione Programmazione diretta sulla memoria del PLC: Terminali a tastiera: Connessione tramite seriale; Display. Sistemi di sviluppo basati su PC: Programmazione offline; Funzionalità di composizione più complesse; Capacità di memorizzazione permanente dei programmi realizzati.

Moduli speciali Moduli di I/O remoto; Moduli per la Connessione in Rete; Moduli di Coprocessore; Moduli PID; Moduli Servo; Moduli di Encoder; Moduli Interfaccia Operatore; Moduli di Backup.

Classificazione dei PLC MicroPLC: fino a 64 porte I/O tutte digitali con memoria da 1 a 2 Kword. 2. Piccoli PLC: da 64 a 512 porte I/O; qualcuna di esse può essere analogica; la memoria può essere fino a 4 K; possono essere connessi in rete e gestire moduli I/O remoti. 3. Medi PLC: da 256 a 2048 porte I/O; memoria di qualche decina di Kword; set di istruzioni molto completo; connessione in rete; moduli I/O remoti e speciali. 4. Grandi PLC: migliaia di porte I/O, centinaia di Kword di memoria, interfacciamento con PLC minori e computer.

Reti Informatiche per l’automazione

Reti informatiche per l’automazione L’integrazione tra vari sottosistemi è realizzata per mezzo di reti informatiche. I dispositivi interconnessi sono eterogenei e possono avere protocolli di comunicazione incompatibili. CIM (Computer Integrated Manufactoring) = automazione basata sul rilevamento, il coordinamento e la trasmissione di informazioni tra i vari sottosistemi mediante l’uso di reti informatiche.

Reti informatiche per l’automazione Gestione Azienda Gestione Stabilimento Supervisione Integrata Supervisione cella Sistemi di controllo Piano officina

Reti informatiche per l’automazione Piano Officina: piano in cui troviamo i dispositivi che interagiscono sul processo (sensori e attuatori); Sistemi di Controllo: PLC, regolatori, controllori di robot, cnc; Supervisione Cella: Personal Computer, PLC di classe superiore; Supervisione Integrata: Base dati della produzione e coordinamento tra varie celle per l’intero processo produttivo.

Reti informatiche per l’automazione Gestione Stabilimento: Integrazione dei diversi reparti. Es. produzione, logistica, amministrazione, manutenzione. Gestione Azienda: Rete di supervisione applicabile nel caso di più stabilimenti.

Modello OSI – Open System Interconnection Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Datalink Livello Fisico Nodo i Nodo j

Modello OSI – Open System Interconnection Livello Fisico: collegamenti meccanici ed elettrici tra i nodi con i driver per le porte di comunicazione; Datalink: Software di rete di ogni nodo. Impacchettamento dati, codici di controllo, correzione sequenze; Livello di rete: Sentiero logico tra due nodi non direttamente connessi (instradamento e interconnessione tra i nodi); Livello di trasporto: Funzioni di trasporto dell’informazione indipendenti dalla struttura della rete;

Modello OSI – Open System Interconnection Livello di sessione: Gestione dello scambio ordinario dei dati e il sincronismo tra i nodi; Livello di Presentazione: codifica delle informazioni e loro conversione; Livello di Applicazione: Interfaccia e servizi ai programmi applicativi – es. database distribuiti, operatività su macchine remote...

Topologia Bus: le informazioni viaggiano in maniera indipendente – esiste un unico modo di instradare le informazioni tra i nodi; Ring: i nodi devono essere in grado di identificare il destinatario del messaggio ed eventualmente inoltrarlo; Stella: Nodo primario cui gli altri nodi sono connessi.

Reti per l’Automazione Reti per le Informazioni: comunicazione tra i dispositivi destinati la controllo e gestione dello stabilimento e dell’azienda. Viene trasferito un gran numero di dati in tempi relativamente lunghi. Comunicazione di tipo Ethernet, TCP/IP ; Rete per il controllo: comunicazione tra i dispositivi dediti al controllo e alla supervisione degli impianti. i nodi devono essere in grado di identificare il destinatario del messaggio ed eventualmente inoltrarlo; Rete di Campo: interfacciamento tra i dispositivi di controllo, sensori ed attuatori intelligenti.

Reti di Campo Mettono in collegamento PLC e dispositivi come sensori attuatori che sono visti come nodi di una rete. Peculiarità di queste reti: brevità dei messaggi scambiati, maggior frequenza, tempistica rigorosa, indirizzamento contemporaneo a più nodi. Sono definiti i livelli OSI 1, 2 e 7.

Reti per l’Automazione Bus di sensori: realizzano i primi due livelli OSI riduzione del cablaggio. Lunghezza del messaggio inferiore al Byte (es. CAN, Seriplex, ASI, ecc.); Bus di Dispositivi: Realizzano i livelli OSI 1, 2 e 7. Trasmettono messaggi di 16 – 32 Byte (es. CAN, DeviceNet, Profibus, ecc.); Bus di Campo: scambio di blocchi di Byte (fino ad un Kbyte). Realizzano i livelli OSI 1, 2 e 7 più un livello “utente”. Includono algoritmi predefiniti che si adattano alla specifica applicazione. Includono un sistema di gestione di una base dati in tempo reale che verifica e aggiorna tutti i dati in modo continuo e li condivide con gli altri dispositivi della rete.

Sistemi di supervisione ed acquisizione dati (SCADA)

Base Dati del Processo E’ il modulo cui tutti gli altri fanno riferimento. Le modalità per la creazione della base dati sono molteplici. Un dato “strutturato” può contenere un Tag della variabile, la descrizione, tipo, indirizzo, classe di evento, classe di allarme, tempo di aggiornamento, valore grezzo e valore convertito. Il compito della base dati è quello di uniformare i dati memorizzati.

Modulo di comunicazione E’ il modulo che si occupa della gestione delle comunicazioni con i vari dispositivi (RTU) e del controllo del trasporto delle stesse. Interfaccia Operatore E’ il modulo che consente le lettura dei dati, l’invio di comandi attraverso simboli grafici. Gestione Allarmi Allarmi: Insorgenza, Insorgenza e Riconoscimento, Insorgenza Riconoscimento e Rientro.