Corso di Laurea in Ingegneria Industriale

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1 Corso di Laurea in Ingegneria Industriale II anno II semestre 3 CFU SSD: ING-INF/04 Automatica Prof. Filippo Arrichiello f.arrichiello@unicas.it webuser.unicas.it/arrichiello

2 Obiettivi del corso Fornire gli strumenti metodologici necessari alla comprensione, la progettazione e l utilizzo di sistemi di controllo basati sull utilizzo di Controllori a Logica Programmabile (PLC)

3 Programmable logic controller (PLC) Architettura dei PLC Linguaggi di programmazione dello Standard IEC Ladder Diagram Sequential Functional Chart (SFC) Tecnica conversione SFC-Ladder

4 Esercitazioni Controllo logico/sequenziale PLC Allen-Bradley SLC 500 Simulatore di processo

5 Informazioni utili Testo di riferimento: P.Chiacchio, F.Basile: Tecnologie informatiche per l automazione, McGraw-Hill, 2004 Modalità di esame: Elaborato su programmazione PLC (SFC-Ladder) Colloquio orale Riferimenti docente: f.arrichiello@unicas.it URL: webuser.unicas.it/arrichiello

6 Cos è l automazione industriale Automazione Industriale: Disciplina che studia le metodologie e le tecnologie che permettono il controllo dei flussi di energia, materiali e informazioni per la realizzazione di processi produttivi senza, o con intervento parziale dell uomo.

7 Evoluzione automazione industriale Fin dall'antichità l'uomo ha sviluppato dei sistemi automatici come l orologio ad acqua di Ctesibio (II secolo a.c.), la macchina di Erone (I secolo d.c.) per l apertura delle porte di un tempio, o l'eolipila (una sfera che si mantiene in rotazione per effetto del vapore che fuoriesce con forza da due tubi a forma di L. )

8 Evoluzione automazione industriale Prima dell'era moderna meccanismi come la ruota, la leva, la carrucola per mezzo dei quali la forza muscolare (umana o animale) può essere amplificata. macchine che non richiedono la forza umana: leveraggio di Archimede, ruota ad acqua, automatismi idraulici, mulino a vento <<Mi piace il lavoro, mi affascina. Potrei stare per ore seduto ad osservarlo» Jerome Kapla Jerome

9 Evoluzione automazione industriale In tempi più recenti, le prime applicazioni si sono avute all'inizio del XVIII secolo, per il pompaggio dell'acqua dalle miniere, dapprima utilizzando il vuoto creato dalla condensazione del vapore immesso in un recipiente ed, in seguito, grazie all'invenzione del sistema cilindropistone (probabilmente dovuta a Denis Papin). Il primi esempi di applicazioni industriali si ebbero con le macchine a vapore di Savery (1698), Newcomen (1711) e di James Watt (1765).

10 Evoluzione automazione industriale : Prima rivoluzione industriale (tessile-metallurgico) Introduzione della macchina a vapore. Tardo 1800: Seconda rivoluzione industriale. Introduzione elettricità, prodotti chimici e petrolio. 1868: J.C. Maxwell On governors Proceedings of the Royal Society. Segna la nascita dell Automatica. Telaio di Jacquard Nel 1913 Henry Ford progettò una linea di produzione che assemblava un motore in 84 stadi (catena di montaggio). Successivamente Ford estese il metodo alla produzione dell'intero veicolo e ciò gli consentì di aumentare la produzione con una conseguente riduzione del prezzo, senza modificare i salari. "Any customer can have a car painted any color that he wants so long as it is black." Ford Model T

11 Evoluzione automazione industriale Inizio 1900: Automazione pneumatica-idraulica, logica cablata Anni 60: Regolatori elettromeccanici, nascita PLC (General Motors, 1968) Anni 70: Automazione flessibile (FMS), fabbrica automatica, controllo numerico (CN) e robot Anni 80: Automazione distribuita, bus di campo Anni 90: Automazione integrata, PC Based-Automation Giorni nostri: Reti intelligenti, tecniche wireless, building automation

12 Un secolo di storia Linea di assemblaggio della Ford Model T nel Stazione di Assemblaggio della plancia di un autoveicolo. Robot antropomorfi della KUKA a 6 gradi di libertà controllati con controllori PC-based con Soft PLC.

13 Industrie ad alto livello di automazione Automobilistica Alimentare Chimica Farmaceutica Produzione di serie

14 Impianto automazione industriale Connessione al Sistema Informativo di Fabbrica Accesso Remoto HMI HMI HMI Messaggi di tipo Peer to Peer Ridondanza del mezzo fisico Hot Back-up Cablaggi in F. O. I/O Control I/O Control I/O Control

15 Differenziazione sistemi dinamici Sistemi ibridi Sistemi ad Avanzamento Temporale (SAT) Sistemi ad Eventi Discreti (SED) SAT a tempo continuo SAT a tempo discreto SED logici SED temporizzati

16 Differenziazione sistemi dinamici Sistemi ad Avanzamento temporale (SAT) le grandezze d interesse sono funzioni reali della variabile tempo t (continua o discreta) il controllo viene realizzato facendo uso delle metodologie classiche dei Controlli Automatici (Teoria dei Sistemi, Controlli Automatici, Controllo Digitale, Controllo non-lineare ) Sistemi ad eventi discreti (SED): il comportamento del sistema è caratterizzato dall occorrenza di eventi istantanei con un cadenzamento irregolare non necessariamente noto il controllo viene realizzato secondo le più recenti strategie di Controllo Logico/Sequenziale

17 Dispositivi di 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

18 Dispositivi per il controllo 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

19 Controllo a ciclo chiuso su dispositivo digitale r - e A/D Calcolatore digitale D/A Attuatore Sistema da controllare Clock (T) y Trasduttore di misura

20 Dispositivi per il controllo Modalità di esecuzione dei compiti: periodica, ad intervalli di tempo assegnati ciclica, appena terminata l esecuzione ricomincia daccapo una sola volta, all occorrenza di particolari eventi Interazione: processo fisico (trattamento segnali I/O) altri dispositivi di controllo e supervisione

21 Dispositivi per il controllo 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)

22 Dispositivi per il controllo 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

23 Dispositivi per il controllo Controllori a logica programmabile (PLC) Controllori per applicazioni generiche Monolitici A bus Basati su PC Controllori specializzati Regolatori PID industriali Controllori per motori elettrici Controllori di macchine a controllo numerico e robot

24 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

25 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

26 PLC Definizione di PLC secondo lo standard IEC : 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

27 PLC Configurazione minima: Armadio Modulo processore Moduli ingresso/uscita Modulo alimentatore Terminale programmazione

28 PLC Modulo processore Scheda con uno o più processori che eseguono programmi del sistema operativo o programmi utente Memoria volatile e non volatile Specializzato per eseguire operazioni su bit tipiche del controllo logico/sequenziale

29 PLC Modulo processore 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 del programma e dalla sua natura (presenza cicli)

30 PLC Modulo processore 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 T S : tempo che intercorre tra due attivazioni successive della stessa porzione del programma applicativo nella modalità di funzionamento ciclico 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. T S = T I/O + T E ovvero la somma de tempo aggiornamento degli input e degli output T I/O e del tempo di elaborazione del programma utente T E

31 PLC Modulo processore Tempo di risposta: intervallo di tempo che passa dalla occorrenza di un certo evento e l esecuzione dell azione di risposta programmata. Dipende anche da ritardi introdotti dai moduli I/O. Relazione tempo di elaborazione e tempo di risposta: Max (T r ) 2 T e + T I/O T r T I T e T O T I T e T O T I T e T O t

32 PLC Modulo processore 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

33 PLC Modulo processore 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 )

34 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

35 PLC Moduli ingressi digitali Per collegare sensori che restituiscono un informazione binaria (ON-OFF) Forniti di circuiti di filtraggio contro rumore e rimbalzi Caratteristiche: numero di ingressi gestibili tensioni di riferimento ON OFF ON t 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

36 PLC Moduli uscite digitali Per collegare attuatori a cui dare comandi digitali (ON-OFF) Un comando digitale per essere eseguito dalla CPU deve essere trasformato da VALORE BINARIO delle memoria dati a TENSIONE DI COMANDO Ad esempio un modulo di uscita digitale può consentire di dare comandi del tipo: Apri/chiudi una elettrovalvola Accendi/spegni un motore elettrico (velocità di rotazione preassegnata) Accendi/spegni un forno Considerando il valore della variabile booleana associata all uscita digitale: Al valore 0 corrispondono 0 Vcc all uscita del PLC Al valore 1 corrispondono 24 Vcc all uscita del PLC Protette mediante fusibili; Realizzate attraverso transistori (cc), TRIAC o SCR (ca) o relè (cc e ca)

37 PLC Moduli I/O Analogici Per collegare sensori ed attuatori caratterizzati da un segnale analogico, ovvero che varia con continuità in un certo range Un segnale ANALOGICO (0 100% del fondoscala, 0 10V, ecc.) per essere letto dalla CPU (che lavora con stringhe di bit di lunghezza finita nel tempo discreto) deve essere trasformato in una stringa di bit (segnale digitale) 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

38 PLC I/O Analogici 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 ; 0~10 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

39 PLC Ingresso analogico Esempio: si consideri un trasduttore di pressione 0 5 bar, con uscita ANALOGICA 0 10V (LATO SENSORE) se la pressione misurata è pari a 0 bar il segnale analogico misura 0 V se la pressione misurata è pari a 2,5 bar il segnale analogico misura 5 V se la pressione misurata è pari a 5 bar il segnale analogico misura 10 V Il segnale trasmesso dal sensore è un segnale di ingresso analogico per il PLC. A ciascuno dei precedenti valori, l interfaccia del modulo di ingresso analogico (risoluzione 12 bit) del PLC assegna i valori decimali: 0 V = = 0 bar 5 V = = 2,5 bar 10 V = = 5 bar La CPU per eseguire i sui calcoli usa la notazione binaria del valore (esempio ) ma può effettuare automaticamente la scalatura in unità ingegneristiche

40 PLC Uscita analogica Esempio: si consideri un attuatore di cui possa assegnare il valore di riferimento (esempio motore elettrico di cui posso modificare la velocità da 0 al valore massimo Vel_max) con un segnale di ingresso all attuatore 0 10V A seconda del valore assegnato dal PLC alla variabile rappresentativa dell uscita analogica, il modulo di uscita genera un segnale ANALOGICO 0 10V (uscita analogica per il PLC) del tipo: se la velocità assegnata è 0 rad/s il segnale analogico risulta 0 V se la velocità assegnata è Vel_max/2 rad/s il segnale analogico misura 5 V se la velocità assegnata è Vel_max il segnale analogico misura 10 V

41 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

42 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

43 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

44 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

45 PLC Classificazione Micro Piccoli Medi Grandi fino a 64 punti I/O (digitali); memoria fino a 2 Kword; no architettura modulare; 1 linguaggio programmazione (limitato) punti I/O(digitali + qualche analogica); memoria 4 Kword; struttura modulare; capacità connessione in rete; + linguaggi punti I/O; memorie decine di Kword; I/O remoti e moduli speciali; elevata possibilità programmazione; elevata capacità comunicazione in rete; numerosi I/O; memorie da centinaia di Kword; supervisione di cella interfacciamento PLC minori e calcolatori di gestione