Controllori a Logica Programmabile. Cos è un PLC? Cenni storici. Cenni storici. Cenni storici. Definizione dallo Standard IEC 61131

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1 Controllori a Logica mabile Nella presente lezione vedremo le caratteristiche principali del controllore a logica programmabile (in inglese, mable Logic Controller, o PLC). In particolare, ci soffermeremo sulla struttura hardware di base, e sulle principali funzioni del sistema operativo Cos è un PLC? E una apparecchiatura elettronica programmabile per il controllo di macchine e processi industriali. La struttura hardware a bus interno ha dato origine all attuale PC Nasce come elemento sostitutivo della logica cablata e dei quadri di controllo a relé Cenni storici Prima dei PLC, il controllo logico di impianti e processi industriali era fatta con logica cablata e quadri a relè: rete elettrica di relè, contatti, temporizzatori, contatori, difficilmente modificabile e ampliabile. difficile da analizzare e verificare. difficile da interfacciare con altri componenti di controllo (calcolatori, terminali, sensori ) Cenni storici schema di una logica cablata Non idonea per sistemi di controllo complessi. Cenni storici Con l esigenza di rendere più affidabili, ripetitive, modificabili le logiche di controllo, si è passati a dispositivi a logica programmata: PLS (mable Logic Sequencers) e poi ai PLC (mable Logic controllers): istruzioni invece che componenti elettrici. I primi PLC comparvero nel 1969 negli U.S.A. nell industria automobilistica. Vantaggi: facile da ampliare e modificare: flessibilità, adattabilità, semplicità e rapidità di progettazione facile diagnostica più adatta al controllo di sistemi complessi Definizione dallo Standard IEC Sistema elettronico a funzionamento digitale, destinato all uso in ambito industriale, che utilizza una memoria programmabile per l archiviazione interna delle 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 che analogiche, vari tipi di macchine e processi.

2 Architettura del PLC MEMORIA PROGRAMMA RAM DATI ROM RAM INTERFACCIA I/O DIGITALE ANALOGICA Impulsiva CPU (Central Processing Unit) E il cuore del sistema: è la struttura dedicata all elaborazione dei dati e delle istruzioni del programma di controllo, ed alla gestione delle operazioni logiche interne al PLC. ALIMENTAZIONE AC DC CPU INTERFACCIA OPERATORE TERMINALI DI PROGRAMMAZIONE PANNELLI OPERATORE PERIFERICHE BUS esterno MODULI SPECIALI Connessione di rete PID Controllo Assi I/O Speciali etc.. Esempio di tempi di elaborazione: operazioni su bit, parole, in virgola fissa: µs operazioni in virgola mobile: µs Memorie Le memorie si dividono in : Memorie volatili e permanenti ( latched ) Memorie ad accesso casuale (RAM o attive) e di sola lettura (ROM o passive) In particolare le ROM (Read Only Memory) si dividono in : PROM (mable ROM) REPROM (Reprogrammable ROM) EEPROM (Electrically Erasable ROM) Memorie Dati: necessaria una memoria RAM (volatile); alcuni dati di controllo o impianto particolarmente importanti vanno salvati in memorie permanenti ma: preferibili memorie ROM, per limitare i rischi di perdita o corruzione del programma di controllo dimensioni tipiche: qualche centinaia di Kbyte (ad es. 512 Kbyte) Terminale di programmazione Piccoli display a cristalli liquidi e tastierini collegati direttamente al PLC Sistemi di sviluppo basati su PC Pannelli Operatore Display Terminali grafici Moduli con Push buttons e pulpiti Interfacce all inclusive MMI (man-machine interface)

3 Moduli di Ingresso/Uscita Consentono la comunicazione con il processo fisico: Ingressi Digitali Uscite Digitali Ingressi Analogici Uscite Analogiche Scheda di Ingresso o di Uscita Digitale tipica: numero ingressi o uscite: tensione ingresso: 24 V DC corrente ingresso: pochi ma isolamento ottico Moduli di Ingresso/Uscita Scheda di Ingresso Analogica tipica: numero ingressi: 8 risoluzione: bit isolamento ottico sono collegabili a termocoppie, termoresistenze, ecc. tempo di lettura: 20 ms Scheda di Uscita Analogica tipica: numero ingressi: 8 risoluzione: bit isolamento ottico tensione di uscita: ± 10 V, 0-10 V, 1-5 V corrente di uscita: ± 20 ma, 0 to 20 ma, 4 to 20 ma tempo di scritura: 0.5 ms. Rack Contiene tutti i moduli (o schede) del sistema PLC (CPU, memorie, schede I/O, ecc.) e consente: Connessione elettrica connessione logica (bus) Connessione meccanica Schermatura Ogni rack contiene un numero massimo di schede I rack sono collegabili in modo gerarchico con opportune schede di interfaccia e collegamento I collegamenti possono essere locali o decentrati I rack garantiscono la modularità dell architettura PLC Rack Armadi Rack Taglie di PLC Criteri di massima: modularità, spazio di indirizzamento, presenza di moduli speciali, velocità compatti (o micro): non modulari, poche decine di I/O applicazioni non industriali (building automation, distributori) piccoli: modulari, centinaio di I/O medi: modulari, migliaio di I/O grandi: modulari, decine di migliaia di I/O

4 Moduli speciali Schede conteggio veloce per gestire posizionamenti con encoder assoluti o relativi Schede controllo assi (soprattutto se interpolati e con necessità di posizionamenti di precisione) Inverter (motori c.a.) Motori Brushless Motori cc Schede termoregolazione Forni Presse estrusione Moduli speciali Schede PID scheda (con processore) che realizza una funzione di controllo PID (ad azione proporzionale, integrale e differenziale) da non confondere (tempi di campionamento) con le funzioni PID di un linguaggio di programmazione Regolatori fuzzy Moduli co-processori (gestione dati non logici: tabelle, dati prodotto, dati magazzini, ecc.) Moduli di back-up Tutte le schede del PLC (memorie, CPU, I/O, ecc.) possono essere duplicate o triplicate, per poter essere usate in caso di guasto della scheda principale: Back-up freddo: la scheda guasta viene sostituita Back-up caldo: la scheda sostituitiva viene fatta funzionare in parallelo alla scheda principale; quando questa si guasta, interviene immediatamente quella di back-up Nota: la duplicazione di una scheda può essere usata anche per verificare che la scheda principale non funziona; si confrontano dati ed uscite istante per istante. Moduli di connessione in rete Permettono la conenssione in rete del PLC: la rete può contenere PLC, calcolatori di processo, sistemi di supervisione, gateway, ma anche sensori e attuatori intelligenti : plug and play per ogni componente del sistema di controllo la tecnologia più usata che permette la comunicazione è il bus di campo Bus di campo Bus di campo Bus di campo (fieldbus) è il termine fissato da IEC per indicare, in un processo automatizzato, lo standard di comunicazione tra diversi dispositivi (nodi), quali: dispositivi di campo (sensori, attuatori, ecc.) dispositivi di controllo (PLC, DCS, ecc.) La comunicazione tra i nodi è gestita secondo un protocollo che è caratteristico di ogni tipo di bus di campo: standard o proprietario (Fieldbus Foundation, Device Net, Profibus, Can, Ethernet ). Tipi di connessioni logiche: stella o token-ring

5 Bus di campo Vantaggi La tecnologia a PLC e la tecnologia a FIELDBUS sono integrabili Comunicazioni con il campo in forma digitale (assenza di disturbi) e veloce (fino a 12 Mbit/sec). Abbattimento dei costi di cablaggio e installazione Parametrizzazione e configurazione remota dei dispositivi. Utilissima per impianti distribuiti con necessità di controllo in tempo reale Bus di campo Vantaggi Vari e semplici supporti (twisted pair, fibra ottica, radio, ) Non è tecnologia proprietaria: posso integrare dispositivi di produttori diversi. Svantaggi Costi dei singoli moduli Un bus guasto preclude la comunicazione tra molti dispositivi contemporaneamente (bus ridondato) Non immediato da installare Differenze tra PLC e PC PLC: progettato per resistere in ambiente industriale: vibrazioni, shock meccanici od elettrici, immunità ai disturbi (elettromagnetici, vapori, temperature, sostanza tossiche), isolamento galvanico, etc... Non ha dischi mobili (HD, CD, FD). Dotato di Wach-Dog (per istruzioni, programma, ecc.. Sistema operativo proprietario estremamente affidabile ad elevata diagnostica sia sul SW che sull HW. Compatto, facilmente allocabile in un armadio elettrico. Integrabile con altri componenti di controllo. Come altri controllori di impianti e processi industriali, il PLC si collega in retroazione rispetto ad essi: Attuatori Processo Sensori Schede di uscita PLC CPU, memorie altre schede Schede d ingresso In quanto dispositivo a segnali campionati, il PLC durante il funionamento continua ad eseguire ciclicamente 3 fasi fondamentali: Lettura degli ingressi Esecuzione del programma Scrittura delle uscite Il tempo per eseguirle è detto tempo di ciclo Nota: all interno del tempo di ciclo vi sono anche l esecuzione di istruzioni del sistema operativo (per la diagnostica interna del SW o HW, per la comunicazione in rete, ecc.), per cui la durata effettiva del tempo di ciclo è maggiore della sola somma dei tempi: di lettura di tutti gli ingressi di scrittura di tutte le uscite di esecuzione del programma

6 ciclo N-1 ciclo N ciclo N+1 tempo minimo di variazione per un segnale: T ciclo valore basso valore alto segnale di ingresso non rilevato T ciclo tempo fase di lettura ingressi fase di esecuzione del programma viene letto in questi istanti, e vale sempre basso tempo fase di scrittura delle uscite fase di esecuzione di porzioni di sistema operativo fase di lettura ingressi fase di esecuzione del programma fase di scrittura delle uscite sistema operativo tempo minimo di variazione per un segnale: T ciclo inutile aggiornare più volte un uscita: questa si aggiorna una sola volta in T ciclo, durante la fase di scrittura! valore basso valore alto segnale di ingresso rilevato! viene letto in questi istanti, e cambia valore tempo le uscite si aggiornano solo in questi istanti tempo fase di lettura ingressi fase di esecuzione del programma fase di scrittura delle uscite sistema operativo fase di lettura ingressi fase di esecuzione del programma fase di scrittura delle uscite sistema operativo Copia massiva Il modo appena visto di funzionamento del PLC è detto a copia massiva (scrittura di tutte le uscite e lettura di tutti gli ingressi avvengono contemporaneamente). Vantaggi: Semplice da implementare e da capire: le fasi di lettura e scrittura sono singolarmente ininterrotte e nettamente separate Semplice da simulare: l evoluzione del sistema e delle sue uscite è facilmente prevedibile Svantaggi: Scarsa reattività, se un ingresso muta subito dopo essere stato letto, la sua variazione viene recepita dopo un intero tempo di ciclo Scarso sfruttamento delle risorse, sono necessarie più variabili temporanee per memorizzare i risultati parziali tra una fase di lettura e una di scrittura. Ciclo con I/O distribuito Alcuni PLC ammettono anche cicli di funzionamento diversi: permettono la lettura degli ingressi e la scrittura delle uscite anche durante la fase di esecuzione del programma. In questo modo, aumenta la frequenza di aggiornamento possibile per un ingresso o un uscita. Quindi, attenzione, quando si usano PLC con vari tipi di ciclo, a capire bene quando un istruzione di uscita comporta un immediato aggiornamento della variabile fisica di uscita oppure un aggiornamento a fine esecuzione. In alternativa, possiamo usare gli interrupt.

7 Interrupt Interrompono il ciclo di programmazione, eseguono una opportuna subroutine di di gestione dell interrupt e quindi restituiscono il controllo al programma. Interrupt HW Generati da segnali fisici esterni (si usano per garantire una risposta veloce ad un evento) Interrupt Ciclici (SW) Generati periodicamente ad intervalli di tempo regolari ( si usano tipicamente per campionare alcuni ingressi in tempi inferiori al tempo di ciclo). Modalità operative Le modalità operative sono: Modalità di esecuzione: il PLC funziona come controllore: legge gli ingressi, esegue il programma di controllo e aggiorna le uscite Modalità di validazione il PLC esegue il programma, ma non legge gli ingressi fisici, né scrive le uscite fisiche: vengono utilizzate varibili intermedie, eventualmente connesse con il sistema di programmazione (ad esempio, un PC) Modalità di programmazione: il PLC è connesso con il sistema di programmazione e accetta scritture della memoria programmi Watch-dog Sono sostanzialmente timer, che il sistema operativo associa a svariati componenti del PLC e all esecuzione di svariate operazioni. Ad un operazione si associa una durata stimata massima, e quindi, se il timer arriva a contare tale intervallo di tempo prima che l operazione sia conclusa, viene generato un errore (Watch-dog, letteralmente cane di guardia ). Esempi di operazioni con watch-dog: istruzioni utente, istrizioni di accesso a memoria/schede di I/O / schede di rete, l intero programma, ecc. Introduzione alla IEC Normativa internazionale pubblicata la prima volta nel 1993 sull uso dei PLC La parte 3 della normativa si occupa esclusivamente della loro programmazione Scopi principali: ridurre il divario con le moderne tecniche informatiche formalizzare in modo più astratto ed essenziale i problemi di automazione e controllo proporre standard nel campo del controllo logico, per favorire la risabilità della conoscenza e una reale concorrenza tra i costruttori Il modello software proposto da IEC parte 3 Configuration Access paths Global and directly represented variables Communication functions (defined in IEC ) Legenda Variables Function Blocks Il modello software proposto da IEC Configuration CONFIGURATION: corrisponde ad un programmable controller system, cioè generalmente ad un PLC Access paths Legenda Communication functions Variables (defined in IEC ) Function Blocks Global and directly represented variables

8 Il modello software proposto da IEC Configuration Il modello software proposto PROGRAM: da IEC sono eseguiti sotto il controllo di zero o più task. I program sono dei contenitori di costrutti eseguibili, scritti nei linguaggi Configuration previsti dallo standard RESOURCE: costituiscono Global and directly represented il supporto variablesdi esecuzione Access dei paths programmi. Le resource sono autonome tra loro Communication functions (defined in IEC ) Legenda Variables Function Blocks Global and directly represented variables Access paths Communication functions (defined in IEC ) Legenda Variables Function Blocks e mi I task specificano l attivazione di parti di programmi o interi programmi loro assegnati. L attivazione può essere periodica oppure condizionata al verificarsi di un particolare evento. I programmi quindi costituiscono l apice di una struttura che il progettista può comporre gerarchicamente utilizzando i blocchi funzione (function block) e le funzioni (function). Blocchi Funzioni e Funzioni costituiscono quindi gli elementi di riferimento per il deciso orientamento alla modularità propugnato dallo standard Funzioni Le funzioni sono porzioni di costrutti eseguibili, che restituiscono un valore dipendente dagli ingressi, senza avere variabili interne (di stato). Lo standard IEC permette la definizione e l utilizzo di uno svariato numero di funzioni già definite in libreria, come ad esempio: Funzioni matematiche Funzioni trigonometriche Funzioni logiche Permette inoltre all utente di definire le proprie funzioni e riutilizzarle liberamente in un progetto Blocchi funzioni Lo standard permette inoltre la definizione di blocchi funzioni (a tutti gli effetti vere e proprie routine di codice, che possono essere dotate di variabili interne, o di stato) I blocchi funzione hanno la caratteristica di poter essere salvate in librerie e riutilizzate all interno di vari progetti indipendentemente dal linguaggio usato I moduli software I moduli, che nello standard sono detti POU ( Organisation Unit), sono: programmi blocchi funzione funzione di cui possono essere invocate anche diverse istanze, consentendo così un facile (ri)utilizzo di porzioni di progetti precedentemente sviluppati o acquistati sul mercato sotto forma di librerie.

9 Tipi di dati Variabili globali e locali (dichiarate in una POU) Libertà nella scelta di nomi mnemonici, in modo da facilitare il riuso di moduli. Tipi di variabili generici (any) specifici (enumerated e subrange, struct e array) Inizializzazione con valori noti Indirizzamento assoluto Proprietà retain per le variabili che devono essere persistenti I linguaggi grafici e testuali Strutturazione interna di un POU 1.Sequential Function Charts (SFC) 2.Ladder Diagrams (LD) 3.Function Block Diagrams (D) 4.Instruction List (IL) 5.Structured Text (ST) } linguaggi } linguaggi grafici testuali Nota: il SFC, stranamente, è concepito come uno strumento di organizzazione interna di una POU, pur essendo a tutti gli effetti uno strumento formale ed eseguibile. Sequential Function Chart Ladder Diagram I1 I2 U1 I3 I4. Function Block Diagram I1 OR I2 AND U1 U1 Istruction List LD A GT 1000 JMPCN V_OK LD V SUB 10 V_OK LD 1 ST B cioè If A>1000 then V:=V-10; end_if; B:=1;

10 Structure Text IF A>B THEN D := 1; ELSEIF A=B+2 THEN D:=2; ELSE REPEAT D :=D+1; UNTIL (START=Off) END_REPEAT END_IF;

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