PLC e Controlli Numerici per Motion Control

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1 .. PLC e Controlli Numerici per Motion Control

2 Sistemi per il Motion Control Argomenti Esposti Sistemi di azionamento Soluzioni basate su PC Controlli Numerici Elementi caratteristici di un sistema per Motion Control PLC Struttura Sistemi di programmazione Moduli dedicati al Motion Control Soluzioni Hardware e Software per il Motion Control Caratteristiche funzionali Principali configurazioni

3 Sistemi di Azionamento I sistemi di azionamento sono i principali attori per il Motion Control Permettono di introdurre l'energia necessaria a compiere attività di assemblaggio, movimentazione In impianti complessi più sistemi di azionamento devono essere fra loro coordinati Impianti di montaggio Macchine automatiche Robot

4 Sistemi di Azionamento Configurazione Azionamenti Nelle versioni più semplici permettono di regolare il flusso di energia dalla sorgente verso il motore (PWM) Nelle soluzioni digitali oggi disponibili Una parte delle funzioni del sistema di controllo può essere integrata nell'azionamento assieme all'alimentatore Controllo della corrente (coppia erogata) Controllo della velocità del motore Controllo della posizione del motore

5 Sistemi di Azionamento Chiusura degli anelli di controllo del singolo asse possono essere realizzati da: Azionamento stesso Motion Controller Coordinamento di più assi secondo uno specifico profilo di moto Affidato ad un sistema centralizzato (Motion Controller) Le soluzioni coinvolgono sia la parte Hardware che la parte Software Ctr Az M

6 Sistemi per il Motion Control È possibile attualmente distinguere quattro principali tipologie di configurazione per la distribuzione delle attività di generazione del profilo di moto ed applicazione dell'algoritmo di controllo del moto: 1) Profilo di moto ed algoritmo di controllo elaborato dal MC a) Anello di coppia o velocità chiuso sull'azionamento 2) Profilo di moto elaborato dal master e chiusura degli anelli da parte degli azionamenti 3) Profilo di moto ed algoritmo di controllo elaborato dall'azionamento 4) Profilo di moto generato off-line e preimpostato sull'azionamento, chiusura degli anelli da parte dell'azionamento

7 Soluzioni per il Motion Control Basate sui soli Azionamenti A basso investimento iniziale, funzioni verticalizzate sul fornitore di azionamenti Anelli di controllo di posizione chiusi sugli Azionamenti Basate su PLC Maggior flessibilità e possibilità di configurazione rispetto al caso precedente Maggiore portabilità Anelli di controllo di posizione chiusi sugli Azionamenti Basate su PC o CNC Maggiore flessibilità e capacità di interpolazione dei movimenti Possibilità di introdurre leggi di controllo complesse (anche controlli in forza) Anelli di controllo chiusi a livello di: Azionamento (posizione) Motion Controller (posizione/forza)

8 Basati sugli Azionamenti

9 Basati su PLC

10 Basati su PC/CNC

11 Elementi caratteristici Elementi caratteristici delle soluzioni per il Motion Control Piattaforma Software Per la scrittura del programma di controllo macchina (interpolazione assi, fasi di azzeramento, ecc.) Per la gestione/elaborazione del controllo di un singolo asse Piattaforme Hardware digitali per l'esecuzione del programma di controllo di basso livello del singolo asse Per l'esecuzione del programma di funzionamento del sistema nel suo complesso (programma utente) Moduli Hardware per l'interazione con gli azionamenti ingressi/uscite analogici o digitali Bus di campo digitali general purpose (CanOpen, ProfiBus, ecc.) Bus di campo dedicati (ProfiMotion, SERCOS, ecc.)

12 PLC- Introduzione introdotti sul finire degli anni 60 Con le seguenti caratteristiche: Svilupapti per offrire le medesime funzionalità delle logiche a relè allora utilizzate nei sistemi di automazione Essere programmabili Riutilizzabili ed affidabili Resistenti in ambienti ostili Privi di hard-disk, dotati di batteria tampone Avviabili in pochi secondi Programmazione di tipo ladder

13 PLC- Introduzione Un PLC è un sistema digitale specializzato per il controllo di macchine e processi Utilizza una memoria di programmazione in cui impostare istruzioni e specifiche funzioni per Controllo On/Off Timing Counting Sequenziatori Data handling Ecc..

14 PLC- Introduzione Innovazione introdotto con i PLC Flessibilità Elevata velocità di risposta Elementi allo stato solido (nessun elemento in movimento) Struttura modulare Possibilità di gestire sistemi molto complessi Set di istruzioni elevato e personalizzabile Economico

15 PLC- Vantaggi Elimina il cablaggio in favore di un opportuno programma di controllo Facilità di validazione Comunicazione fra PLC ed altri dispositivi a livello aziendale Elevata velocità di risposta Il programma sviluppato può essere caricato su più PLC per realizzare la medesima funzione Operazioni in Real Time Necessaria per garantire ripetibilità ed alta cadenza produttiva

16 PLC - Architettura È costituito da una unità centrale e da una serie di unità periferiche

17 PLC - Architettura Le unità sono normalmente collegate da moduli tra di loro interconnessi per mezzo di un bus parallelo o seriale

18 PLC - Architettura L'unità centrale (o CPU) ha il compito di eseguire ciclicamente il programma utente Ciclicamente esegue: Acquisizione dei segnali dal campo (ingressi) Elabora il programma utente Pilota le i segnali verso il campo (uscite) in funzione delle decisioni prese dal programma utente

19 PLC - Architettura Scansione ciclica e sincrona degli ingressi Elaborazione del segnale Pilotaggio delle uscite LETTURA DELLO STATO DEGLI INGRESSI ELABORAZIONE SEQUENZIALE DEL PROGRAMMA ATTIVAZIONE SEQUENZIALE DI TUTTE LE USCITE

20 PLC - Architettura Le funzioni di interfacciamento con il campo (ingressi ed uscite) sono realizzate da opportune schede di ingresso ed uscita Il tipo di schede dipende Dal segnale da trattare/elaborale (analogico/digitale/optoisolamento/termoco ppie/ecc.) Numero di segnali È possibile utilizzare comunicazione campo) anche schede (seriali/ethernet/bus di di

21 PLC - Architettura Possono essere collegati dei moduli remoti di I/O Possono avere forma compatta (senza moduli) Il collegamento con il PLC avviene generalmente per mezzo di Bus di Campo Soluzioni a bassissimo costo Limitato numero di I/O

22 Software per PLC Per realizzare il programma che un PLC deve eseguire ogni produttore mette a disposizione un sistema di sviluppo: si tratta di un ambiente software che permette la scrittura e il test dei programmi Il sistema di sviluppo è solitamente un PC, tuttavia esistono anche dei piccoli terminali per la programmazione, che sono piuttosto utili in fase di collaudo sull impianto date le loro dimensioni molto ridotte e la semplicità d uso

23 Software per PLC Nell'implementazione di un programma per un PLC si possono distinguere due fasi: 1) la fase "off-line" di realizzazione nella quale sistema di sviluppo e PLC non sono collegati. 2) la fase "on-line" in cui il programma realizzato viene trasferito nel PLC e provato. Il collegamento tra sistema di sviluppo e il PLC (necessariamente presente in questa fase) permette di usufruire di tutti i tool a disposizione per il test dei programmi quali ad esempio il forzamento di variabili, la lettura del loro stato, l impostazione di break- point nel programma, ecc.

24 Software per PLC Tutti i PLC oggi in commercio mettono a disposizione un ambiente di programmazione standardizzato Basato sulla normativa IEC Prevede 5 principali linguaggi: Ladder Sequenatial Functional Chart (SFC) Functional Block Diagram (FBD) Instruction List (IL) Structured Text (ST)

25 Software per PLC Ladder Derivato dai disegni dei sistemi di controllo realizzati relé elettormeccanici rappresentazione grafica dei dove i contatti identificano variabili del programma I collegamenti tra i contatti rappresentano le operazioni booleane

26 Software per PLC Ladder Questo linguaggio deriva dai primi impieghi dei PLC, che in pratica sostituivano delle logiche cablate realizzate con dei relè, e risulta essere di comprensione immediata, le sue potenzialità sono però piuttosto limitate E tuttavia il caso di osservare che il linguaggio a contatti è ancora molto diffuso soprattutto per i PLC di produzione americana e per utenti dell ambiente elettro-meccanico.

27 Software per PLC I simboli nello schema rappresentano istruzioni Input Output I numeri o le etichette rappresentano indirizzi Da dove leggere Dove scrivere

28 Software per PLC Sequenatial Functional Chart (SFC) Basato sui concetti di fase (entro cui si eseguono azioni) e di transizione (con cui, al verificarsi di certe condizioni, si passa da un certo insieme di fasi attive ad un altro) E' derivato dalle reti di Petri (approccio per descrivere gli stati ed evoluzione di un sistema) Spesso SFC è usato come strumento di specifica (descrizione della funzione richiesta) Mette in evidenza gli stati (fasi) principali del sistema (ad alto livello) Avvio Riempimento di un serbatoio Svuotamento di un secondo serbatoio

29 Software per PLC Le fasi (stati )sono rappresentate da rettangoli La transizione definisce la condizione logica (eventi) per cui la transizione precedente termina Le fasi sono collegati da linee. Ogni linea ha una barra orizzontale rappresentante una transizione La transizione fa riferimento a condizione logica o a segnali esterni letti dal campo È possibili introdurre percorsi Ciclici Alternativi paralleli START Start Switch = 1 Riempimento Serb. Pieno = 1 lavorazione Lavorazione 1h svuotamento Start Switch = 0 stop

30 Software per PLC START Start Switch = 1 Perc. divergente Riempimento Trans. 3 filtraggio Serb. Pieno = 1 lavorazione Lavorazione 1h Trans. 4 Perc. convergente svuotamento Start Switch = 0 stop Start Switch = 1

31 Software per PLC Functional Block Diagram (FBD) analogo ai diagrammi circuitali, in cui le connessioni rappresentano i percorsi dei segnali tra i componenti Un blocco funzionale ha due caratteristiche principali, ovvero la definizione dei dati (ingressi e uscite) e un algoritmo che processa i valori correnti degli ingressi e delle variabili interne (locali o globali) e produce i nuovi valori delle uscite.

32 Software per PLC Instruction List (IL) è un linguaggio di basso livello molto simile all assembler. E adatto per compiti molto specifici quali l interfacciamento di hardware particolare. è disponibile per tutti i PLC. Structured Text (ST) è un linguaggio testuale ad alto livello, simile al PASCAL o ad alcuni BASIC.

33 PLC Motion Control I PLC estendono le funzionalità di base (logiche) per poter introdurre il controllo del moto L'estensione viene permessa per mezzo di Function Block Ogni costruttore di PLC ha sviluppato la propria libreria per il motion control Non è generalmente prevista una sofisticata piattaforma sw per il controllo del moto Accanto alle FB per il controllo del moto sono previste delle corrispondenti schede di espansione del PLC che realizzano le funzioni di controllo del moto desiderate Anelli singoli in velocità o posizione Movimenti interpolati in posizione Gli algoritmi di controllo sono generalmente semplici, lineari, basati su strutture PID

34 PlcOpen Motion Control A livello internazionale l'associazione PLCopen ( propone una standardizzazione per il motion control con PLC Gli utilizzatori di sistemi Motion Control richiedono generalmente tre livelli di complessità: Basse prestazioni e basso costo Prestazioni medie Prestazioni elevate e alti costi Sono disponibili sul mercato molte soluzioni che offrono tools di sviluppo, installazione e manutenzione fra loro incompatibili Basati principalmente su soluzioni di tipo proprietario Queste incompatibilità portano ad un incremento dei costi: Processo di ingegnerizzazione diviene lungo e difficile Tempi di istruzione e di sviluppo si allungano Software non utilizzabile fra le varie soluzioni

35 PlcOpen Motion Control Un approccio standardizzato riduce gli effetti negativi citati Standardizzazione a livello di linguaggi di programmazione (come già fatto a livello IEC 61131) Standardizzazione verso diverse soluzioni per motion control Distribuito Integrato Centralizzato

36 PlcOpen Motion Control Processo di standardizzazione per mezzo della definizione di librerie e componenti riutilizzabili La programmazione è meno dipendente dall'hardware Il software applicativo è più riutilizzabile Si riduce il costo per la formazione e supporto Applicazione scalabile su diverse schemi di motion control

37 PlcOpen Motion Control Definizione di Funciotn Block per Motion Control Questo processo di standardizzazione dovrebbe coinvolgere circa 80% del mercato del motion control Obiettivi principali Influenza: Utente finale (costruttore di sistemi che richiedono motion control) Fornitori di sistemi di controllo per garantire la portabilità delle FB Semplicità Efficienza Consistenza (conforme con IEC-61131) Hardware indipendent Flessibile per sviluppi futuri Completo

38 PlcOpen Motion Control Sviluppato su tre moduli principali: Definizione della macchina a stati Descrive il comportamento dell'asse ad alto livello Definizione delle FB per soluzioni Singolo Asse e Multi Asse Per le operazioni elementari sugli assi o sui singoli assi Regole e dichiarazione di conformità

39 PlcOpen Motion Control Macchina a Stati Descrive il comportamento dell'asse ad alto livello Utile per definire la sequenza di programma di motion control Stati definiti Stand Still Homing Discrete Motion Continuos Motion Suynchronized Motion Stopping Error Stop Transizioni da uno stato all'altro

40 PlcOpen Motion Control Function Block MC_MoveAbsolute MC_MoveRelative MC_MoveAdditive MC_MoveSuperimposed MC_MoveVelocity, MC_Home MC_ReadStatus Muli Asse CamTableSelect CamIn, CamOut GearIn, GearOut

41 PlcOpen Motion Control Principali FB

42 PlcOpen Motion Control Semplice gestione di un singolo asse Limitata possibilità di sviluppo di soluzioni con complesse soluzioni di interpolazione asse Profili di moto limitato Interpolazione fra assi per mezzo di tabelle o profili di moto I vincoli possono essere cambiati on line Impossibilità di introdurre strutture con controllo in forza Risolve la maggior parte delle problematiche delle macchine automatiche per Packaging Assemblaggio

43 PlcOpen Motion Control Riduzione del numero delle parti

44 PlcOpen Motion Control Camming, assi Master/Slave Postion Slave Master Position

45 PlcOpen Motion Control Gearing

46 PLC vs PC Condividono la medesima architettura di base PLC Operano in ambiente industriale Ambiente di programmazione standard Generalmente senza tastiere/video grafico/cd Comunicano con l'operatore per mezzo di opportune porte PC Strumenti di programmazione molto più potenti e flessibili Maggiore possibilità di interfacciamento con l'operatore Ambiente dinamico, Hardware con più potenza di calcolo Possono essere dotati di opportune schede in modo che possano interfacciarsi con il campo (ingressi/uscite) Possono essere dotati di sistemi di programmazione identici a quelli disponibili su PLC

47 Sistemi di controllo basato su PC Abbattimento iniziale dei costi Integrazione di Hardware commerciale a basso costo Basato su soluzioni industriali (testate temperatura e campi elettromagnetici) in Esistono soluzioni standardizzate Necessitano dello sviluppo delle sole applicazioni Software dedicate Facile scambio di dati con altri sistemi Facile ed economica verticalizzazione del prodotto Interfacce verso l'operatore e altri sistemi digitali altamente attrattivi per l'utente finale

48 Sistemi di controllo basato su PC Tutte le funzioni richieste funzionano sullo stesso Hw Interazione con gli azionamenti ed il campo Programma di Motion Control Interazione con l'operatore (HMI)

49 Sistemi di controllo basato su PC Piattaforma Hw per Sistema Operativo Real Time e Software per Motion Control Basso costo per l'utilizzo di piattaforme commerciali standardizzate Elevate prestazioni computazionali Deve essere sviluppato il software per il motion control soluzioni proprietarie basate eventualmente su opportune librerie In parte ci si può avvalere della soluzione SoftPLC (basato su SW conforme a IEC-61131) Formati standard costituiti principalmente da: Scheda Madre Bus standard di collegamento con le periferiche (ISA/PCI/PCIe) Schede di espansione verso il campo (I/O analogico/digitale/bus di campo)

50 Sistemi di controllo basato su PC Il Motion Controller dovrà avere una opportuna configurazione Hw/Sw per supportare la flessibilità offerta dai sistemi di interfacciamento con il campo Sistema operativo RT Schede di interfacciamento verso il campo Software per l'interfacciamento con l'operatore

51 Sistemi di controllo basato su PC Principali piattaforme Hardware PC/104 (96x90) Fan Less Standard diffuso da più di 10 anni CPU fino alla classe Pentium Bus di espansione PCI Ampia scelta di schede di espansione Prestazioni limitate EBX 5.25 (146x203) Fan Less CPU fino alla classe Pentium Bus di espansione PCI Bus di espansione standard Maggior potenza rispetto a PC/104 Controllore Grafico integrato

52 Sistemi di controllo basato su PC Principali piattaforme Hardware Industrial MiniATX (170x170) 1 slot di espansione PCI Maggior potenza di calcolo Controllore Grafico integrato Periferiche standard Doppia porta di rete Industrial ATX (304x244) Fino a 7 slot di espansione Processori più potenti Controllore Grafico integrato Elevata espandibilità per schede di interfacciamento verso il campo

53 Sistemi di controllo basato su PC Principali piattaforme Hardware PICMG Elevata potenza di calcolo Elevata espandibilità grazie al bus passivo Elevato costo complessivo Scheda madre Bus passivo cabinet

54 Sistemi di controllo basato su PC HW CPU PICMG BUS passivo Scheda interfacciamento Sensoray encoder in 4 Analog out Sistema operativo RT Software RTAI, RTLINUX, vxworks, QNX, LynxOS di basso livello singolo/multi asse Alto per livello per dell'applicazione la lo gestione sviluppo

55 Controlli Numerici Il mercato offre Controlli Numerici che: Realizzati su piattaforme Hw generalmente basate su PC industriali Sistema operativo RT Opportune schede di interfacciamento verso il campo Software e librerie per motion control in generale Applicazioni a sistemi ampiamente diffusi quali le macchine utensili e macchine con movimenti nel piano Costo proporzionale al numero di assi controllato ed al tipo di controllore installato Per alcuni campi applicativi (Macchine Utensili) mettono a disposizione un linguaggio standardizzato per il pilotaggio dei movimenti degli assi

56 Controlli Numerici Interfacce utente predisposte (standardizzate) Configurabilità dei moduli di interfacciamento con gli azionamenti Soluzioni complete chiavi in mano Ambiente di programmazione dedicato al motion control

57 Controlli Numerici Parecchi fornitori presenti sul mercato Il software sviluppato è verticalizzato sul prodotto acquistato