SOFTWARE PER PLC: CICLO DI VITA

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1 SOFTWARE PER PLC: CICLO DI VITA Specifiche di progetto Richiesta di nuove funzionalita Studio di fattibilita Analisi e specifica dei requisiti Integrazione delle unita e test Programma -zione e test unita Manutenzione Progettazione 1

2 LINGUAGGI TRADIZIONALI Ladder diagram (schemi a contatti, KOP per Siemens) Orientato ai manutentori Richiama gli schemi funzionali a relais Instruction List (lista di istruzioni, AWL per Siemens) Orientato al personale informatico Pseudoassembler Function Block diagrams (Schemi funzionali, FUP per Siemens) Orientato al personale elettronico Segue lo standard ANSI/IEEE Std.91 2

3 LINGUAGGI AWL, FUP, KOP (A1.0) = (E0.0)&(E0.1) + (E0.2)&(E0.3) nota: A=uscita E=ingresso AWL FUP KOP Lista di istruzioni Schemi funzionali IEEE Std.91 Ladder Diagram U E 0.0 E0.0 E0.1 A1.0 U E 0.1 E0.0 ][ ][ () O & E0.1 U E 0.2 E0.2 E0.3 >=1 U E 0.3 ][ ][ = A 1.0 E0.2 & E0.3 A1.0 Ipotetico flusso Nota: U = AND O = OR 3

4 STRUTTURA DI UN PROGRAMMA PER PLC Lista delle attribuzioni (Immagini di I/O, dati,..) Nome, simbolo, commento Il programma può essere implementato in modo lineare (in un'unica sequenza) o strutturato (programmi che richiamano altri sottoprogrammi) - programma principale (termina con un segmento END) consta di blocchi di tipo Programma (sequenze di segmenti), di tipo Funzione (configurazione di moduli funzionali Es. PID-) e di tipo Sequenza (sequenze di passi azioni da fare- e transizioni condizioni per passare al passo successivo-) - eventuali sottoprogrammi (iniziano con una dichiarazione del tipo SBR:1 subroutine 1- e terminano con un segmento RET. Le chiamate a subroutine possono essere condizionate) - eventuali routine di interrupt (iniziano con una dichiarazione del tipo INT:0 interrupt 0- e terminano con un segmento RETI). Possono essere associate a ingressi o a eventi (eccezioni) quali la partenza a freddo o a caldo, la perdita del programma applicativo (batterie scariche), 4

5 SEQUENZE AUTOMATICHE Motori spenti START NOT(abil) Motore avanti Finecorsa_dx Motore indietro Finecorsa_sx.OR. NOT(abil) Metodo dei flag (implementabili con i merker): - flag1 (stato di attesa dello START) - flag2 (stato di motore_avanti e attesa del finecorsa_dx) - flag3 (stato di motore_indietro e attesa del finecorsa_sx) Si definiscono delle reti combinatorie per il passaggio tra gli stati - Se flag1.and. START.AND. automatico -> res(flag1),set(flag2),res(flag3) - Se flag2.and. finecorsa_dx -> res(flag2), set(flag3), res(flag1) - Se flag3.and. finecorsa_sx -> res(flag3), set(flag1), res(flag2) - Se.NOT. automatico -> res(flag2), res(flag3), set(flag1) - Se flag1 -> spegni motori - Se flag2 -> motore avanti PASSI TRANSIZIONI - Se flag3 -> motore indietro Nota: Potrebbe esserci più di una transizione alla volta 5

6 SEQUENZE AUTOMATICHE (2) START:motore_avanti fino al finecorsa_dx, poi motore indietro fino al finecorsa_sx Metodo dei flag (implementabili con i merker): - flag1 (stato di attesa dello START) - flag2 (stato di motore_avanti e attesa del finecorsa_dx) - flag3 (stato di motore_indietro e attesa del finecorsa_sx) Si definisce un flag (flag0) che indica un passaggio di stato - Se flag1.and.start.and.abil.or. flag2.and.finecorsa_dx.or. flag3.and. finecorsa_sx: -> set flag0 Transizioni - Se flag0.and.flag1.and.start.and.abil -> res(flag0,flag1,flag3), set(flag2) - Se flag0.and.flag2.and.finecorsa_dx -> res(flag0,flag1,flag2), set(flag3) - Se flag0.and.flag3.and.finecorsa_sx -> res(flag0,flag2,flag3), set(flag1) - Se.NOT. abil -> res(flag0,1,2,3) Passi - Se flag1 -> spegni motori - Se flag2 -> motore avanti - Se flag3 -> motore indietro 6

7 LINGUAGGI ORIENTATI ALLE SEQUENZE Sequenze ordinate di passi e transizioni (Es. Grafcet) Passi (quadrati): le azioni da eseguire Transizioni (croci): le condizioni di test per proseguire 0 Passo iniziale (0) (I0.2 = 1?) 1 Commuta A volte (1) (I0.2 = 0?) (4) (fatto) 2 Commuta A volte (2) (fatto) 7

8 USO DEI DATI I dati (Immagini di I/O, variabili,..) sono contenuti nella lista delle attribuzioni dare nomi simbolici appropriati utilizzare lo spazio commento Allocare dati correlati contigui tra loro in un unico blocco le sessioni di comunicazione trasferiscono tali blocchi sovradimensionare i blocchi per tenere conto di eventuali modifiche Utilizzare tutti i tools del sistema di sviluppo per una buona: significatività del dato reperibilità del dato (in quali parti del programma viene utilizzato) correlazione (a quali altri dati è correlato) 8

9 PLC: STRATEGIE DI PROGRAMMAZIONE Ripartire il problema in più sottoproblemi Ogni segmento deve poter essere commentabile in modo chiaro e compiuto (strutturare il programma in sottoprogrammi e suddividere i segmenti complessi in più segmenti semplici facendo uso di merker come variabili intermedie) Seguire le logiche in sicurezza, possibilmente ridondando gli interblocchi su più segmenti Considerare condizioni di guasto tipico (Es. strappo cavi) Raggruppare le condizioni relative ad un certo stato di una o più uscite secondo la logica del minimo impatto delle modifiche (se si aggiungesse una condizione si dovrebbe modificare il programma nel minimo numero di punti) Uscite e merker devono essere assegnati una sola volta all interno di ogni ciclo di scansione 9

10 LADDER: ORDINE DEI SEGMENTI Si deve porre grande attenzione nell ordine dei segmenti Se si prova a invertire la posizione dei due ladder, sul segnale M0.1 non si ha più la rilevazione del fronte di salita di E0.0 E0. M0. M0. E0. M0. E0.0 M0.0 M0.1 Infatti, perché si abbia un impulso su M0.1, M0.0 deve essere ritardato rispetto a E0.0 10

11 STRUTTURE AD AUTORITENUTA: logiche avvio/arresto Pulsante AVVIO E0.0 Pulsante ARRESTO E0.1 Stato ABILITAZIONE A0.0 Memorizzazione dei pulsanti avvio E0.0 A0.0 ARRESTO prevalente AVVIO: contatti NA ARRESTO: contatti NC E0.1 arresto A0.0 11

12 AUTORITENUTA STOP-PREVALENTE LADDER BOX AWL E0.0 A0.0 E0.1 A0.0 E0.0 E0.1 S A0.0 R U ( O E0.0 O A0.0 ) UN E0.1 = A0.0 12

13 STRUTTURE AD AUTORITENUTA: logiche di allarme Condizione di ALLARME E0.0 Pulsante di RIPRISTINO E0.1 Segnalazione di ALLARME A0.0 Memorizzazione dei pulsanti allarme E0.0 A0.0 ALLARME prevalente ALLARME: contatti NC RIPRISTINO: contatti NA E0.1 A0.0 ripristino 13

14 AUTORITENUTA START-PREVALENTE LADDER BOX AWL E0.0 A0.0 E0.1 A0.0 E0.1 E0.0 R S A0.0 U A0.0 UN E0.0 O E0.0 = A0.0 14

15 USO DEI TIMER Il timer è un contatore di tempo e si incrementa dopo che è trascorso un tempo detto base tempi (Es. base tempi = 1ms/ 10ms/ 100ms) L ingresso IN abilita il conteggio; dopo la costante di tempo PT il timer si attiva, il conteggio si blocca e la situazione permane fino a quando non si resetta IN Se IN si disattiva prima che sia stata raggiunta PT, i timer Ton si resettano, i timer Tonr mantengono memoria del conteggio Txx Txx E0.0 T32 IN Ton IN Tonr I Ton PT PT 8 P 15

16 USO DEI CONTATORI Il contatore si incrementa ogni volta che c è un impulso su CU e si decrementa ogni volta che c è un impulso su CD. Quando il contatore raggiunge il valore PV, si attiva. Il segnale R azzera il contatore In caso di conflitto (CD & CU) il contatore resta fermo. CU CD R PV Zxx E0.1 E0.0 E0.2 3 CU CD R PV Z48 16

17 FUNZIONI DI TEMPORIZZAZIONE (SE) Ritardo all inserzione (SE) (Un ingresso I deve attivare un uscita Q dopo che I permane per un tempo To, ma Q deve disattivarsi immediatamente dopo che si è disattivato l ingresso I) Filtro di un segnale d ingresso attivo alto (voglio essere sicura prima di dare un abilitazione, ma devo essere tempestiva nella disabilitazione) E0.0 I T35 Ton U E 0.0 L KT 70.1 SE T35 U T35 =A PT E0.0 T35 A0.0 17

18 FUNZIONI DI TEMPORIZZAZIONE (SI) Temporizzazione avvio di un tempo quale impulso (SI) (Un ingresso I deve attivare un uscita Q e Q deve rimanere attivata finchè permane I ma al massimo per un tempo T) Monostabile (sicurezza sul controllo di attuatori es. motori per nastri trasportatori-) E0.1 I T1 Ton U E 0.1 L KT 40.2 SI T1 U T1 = A PT E0.1 T1 A1.2 18

19 LINGUAGGI TRADIZIONALI: PROBLEMATICHE Legati alla formazione culturale degli addetti ai lavori Limitati all implementazione di applicazioni semplici Mancanza di strutturazione (un progettista per ogni programma) Assenza di metodologia di progetto del SW Lunghi tempi di sviluppo Povertà di documentazione e quindi scarsa affidabilità Notevole diversità tra i linguaggi proposti dai diversi costruttori Assenza di strumenti di sviluppo adeguati ad applicazioni complesse (simulatori) Difficoltà negli upgrade di impianto (il SW risulta troppo legato all HW) Necessità di uno standard 19

20 CARATTERISTICHE DELLO STANDARD IEC1131/CEI61131 Sviluppo strutturato del software Approccio bottom-up o top-down Suddivisione del programma in elementi funzionali (POU) clonabili e riusabili Strong data typing Verifica della coerenza tra tipo di dato e assegnazione e/o operazione Pieno controllo dell esecuzione Suddivisione del programma in task con differenti tempi di scansione Supporto alla descrizione delle sequenze Linguaggio SFC (Sequenzial Flow Chart) Supporto alla gestione di strutture dati (es. record) -> integrazione (database) Coesistenza di più linguaggi (5) per la descrizione di un applicazione Portabilità del software tra PLC di costruttori differenti 20

21 IEC : STANDARD DI PROGRAMMAZIONE PER PLC 21

22 IEC : STRUTTURAZIONE DEL CODICE Configuration Puo essere inteso come il software relativo ad un PLC (In IEC sono definite le modalita di comunicazione tra piu configuration access paths-) Resource Puo essere inteso come il software relativo ad una CPU Task Motore di attivazione di piu parti (es. Function blocks) di piu POU di una resource esecuzione su evento (SINGLE:0->1) o periodica (TIME) con priorità (zero task i program vengono eseguiti secondo una struttura sequenziale) Program (POU= Program Organisation Unit) E un modulo e cioe un insieme organizzato di: Function (sistemi a piu ingressi e una uscita privi di stati interni) Function block (procedure con parametri di ingresso e uscita e variabili locali Es. PID, -) 22

23 IEC : Program Organization Unit (POU) Program Contenitori di costrutti eseguibili scritti nei linguaggi previsti dallo standard. Standard Function Conversione di tipo (real_to_int, trunc, BCD_to_int) Numeriche (ADD, SUB, MUL, MOD, SQRT, MOVE,.) Booleane (AND, OR, NOT, XOR) Gestione di stringhe di bit (ROR, ROL, SHL, SHR) Gestione di stringhe di caratteri (Insert, Lenght, ) Gestione di dati. Standard Function blocks Elementi bistabili (Sr, sr, semafori) Rilevatori di fronte positivo e negativo Contatori (up, down e up-down) Timer (Temporizzazine di impulso, con attivazione/disattivazione ritardata) Comunicazione (IEC1131-5) 23

24 IEC : ALTRE CARATTERISTICHE Ricco insieme di tipi di dati elementari, tra i quali strutture complesse (matrici) Bit, interi con e senza segno (8, 16, 32, 64 bit), reali (32, 64 bit) Altri tipi di dato elementari definiti dall implementazione (data, ora, tempo,..) Tipi di dati generici (ANY) Vari linguaggi supportati per la strutturazione interna di un POU Ladder Diagram (Es. KOP) Instruction List (Es. AWL) Function Block Diagram (Es. FUP) Structured Text (Linguaggio ad alto livello tipo PASCAL o BASIC) Sequential Function Charts (diagrammi a passi tipo flow charts caratterizzati da - Steps (stati delle sequenza di controllo) - Actions (più azioni contemporanee possono essere assegnate ad un passo) - Transitions (passaggi tra passi) Nota: la temporizzazione di ciascuna azione è fissata mediante qualificatori Alcune caratteristiche (Es. mappa I/O) non sono definite (vincoli hardware) 24

25 SISTEMI DI SVILUPPO PER PLC Terminali di programmazione Economici, dedicati Soluzione valida solo per PLC compatti di fascia bassa Ambiente di sviluppo su PC Stesura del codice Compilazione Download: - Blocco codice (OB1) - Blocco dati (DB1) - Configurazione CPU (CFG) (password, parametri modo PROG, aree di backup, filtri d ingresso, T background ) - Inizializzazione variabili Esecuzione controllata: - Numero di cicli di scansione - Possibilità di tenere monitorati o forzare variabili 25

26 SISTEMI DI SVILUPPO PER PLC: esempio (STEP7) 26

27 ORGANIZZAZIONE DEL PROGETTO (STEP7) Organizzazione del progetto in blocchi (tipo directory) Blocchi organizzativi (OB) Directory madre, massima priorità OB1 = blocco principale (primo ad essere interrogato ad ogni ciclo) Blocchi con funzionalità particolari (interrogati ogni T) Funzioni definite dall utente (FC) Contengono le routine di programma (blocchi privi di memoria) Funzioni di sistema (SFC) Funzioni preprogrammate (blocchi privi di memoria) Blocchi funzionali (FB) Contengono le routine di programma (blocchi con memoria DB Data Block-) Blocchi funzionali di sistema (SFB) Funzioni preprogrammate (blocchi con memoria DB Data Block-) Blocchi di tipo dato (DB) Possono essere locali (di un solo blocco) o globali (accessibili da tutti i blocchi) 27

28 STRATEGIE DI PROGETTAZIONE: PROBLEMATICHE Problematiche: Elettriche, Elettroniche e Impiantistiche Sicurezza Software Comunicazioni Problematiche Elettriche, Elettroniche e Impiantistiche Parte di potenza dimensionamento utenze generali (motori c.a. a velocità fissa e variabile, motori c.c., brushless, ausiliari,..) e coordinamento comandi e protezioni (Es. motore c.a. -> teleruttore, magnetotermico di protezione, cavi) PLC dimensionamento PLC (tipo di CPU, tipo e numero moduli di I/O,..) Cablaggi Dimensionamento cavi all interno e esterno del quadro elettrico (portata, max. caduta di tensione -> sezione, colore, identificazione, tipo di isolante, canaline o guide -> layout -> compatibilità elettromagnetica) 28

29 STRATEGIE DI PROGETTAZIONE: PROBLEMATICHE Problematiche relative alla sicurezza Normative europee su impianti e macchinari (campo di applicazione, requisiti essenziali, proc. di certificazione/marcatura, si basano sulle Norme Armonizzate) - LVD (Direttive sui materiali in bassa tensione (<1000V)) - EMC (Direttive sulla compatibilità elettromagnetica) - MD (Direttive macchine) Norme armonizzate (interpretazione tecnica dei requisiti essenziali per la sicurezza; si suddividono in 3 tipologie: A, B, C) - tipo A (concetti generali e principi di progettazione ) Es. EN292 per la progettazione di macchine elettriche - tipo B (aspetti specifici per la sicurezza) Es. EN418 (Dispositivi di arresto e emergenza) - tipo C (norme di sicurezza per uno specifico prodotto) Es. EN775 (Robot industriali) EN60204 (Norma fondamentale per l equipaggiamento elettrico delle macchine e impianti industriali, compresi i PLC) 29

30 STRATEGIE DI PROGETTAZIONE: PROBLEMATICHE Problematiche relative al software Gestione ciclo manuale-automatico (allarmi, ripartenze a caldo e a freddo, sincronizzazioni) Tracking dati di processo Controllo e regolazione di processo Gestione posizionamenti automatici (gestione assi, posizionamento pezzi/attrezzi, pallettizzazione) Metodologia di codifica e strutture dati (strutture FIFO, sinergia con SCADA) Problematiche relative alle comunicazioni Comunicazioni e cablaggi a sicurezza intrinseca Dimensionamento reti (ripetitori, bridge, ) Garanzia dell integrazione e della sincronizzazione tra i sottosistemi 30

31 METODOLOGIE DI PROGETTAZIONE Ciclo di vita della progettazione di un impianto di automazione Studio di fattibilità Specifica dei requisiti Progetto Implementazione Test Messa in servizio Manutenzione La specifica dei requisiti dell automazione viene eseguita dopo la specifica dei requisiti della parte meccanica dell impianto La progettazione dell automazione viene eseguita dopo la progettazione meccanica e funzionale dell impianto Approccio a più fasi 31

32 METODOLOGIE DI PROGETTAZIONE: fasi 1 e 2 1) Specifica dei requisiti (produzione di documenti) Layout dell impianto Lista delle motorizzazioni lista sensori/attuatori (I/O) Schemi pneumatici e oleodinamici,.. lista moduli funzionali Definizione delle condizioni ambientali (grado IP, T, Rh, rischi,..) 2) Progetto Stesura topologico dell impianto (def. di sottoparti funzionalmente omogenee) Per ogni sottoparte vanno definiti: - Le funzionalità - gli I/O scorte, margini dimensionamento PLC - i moduli funzionali Layout dell impianto -> Layout elettrico (fondamentale per i cablaggi) Definizione dei PLC e della relativa configurazione (CPU, I/O, moduli, ) 32

33 METODOLOGIE DI PROGETTAZIONE: fasi 3 e 4 3) Progetto Stesura dello schema elettrico - Progettazione della parte di potenza (avviamento motori, azionamenti,..) - Progettazione ausiliari (non passano dal PLC funghi di emergenza -) - Progettazione della parte di comando (PLC, tabella I/O) Lo schema elettrico, supportato da software specifici, consta di - rappresentazione grafica-funzionale dei dispositivi e dei collegamenti - numerazione e identificazione di dispositivi e collegamenti - gestione riferimenti incrociati ad altri schemi - distinta dei materiali - descrizioni in diverse lingue 4) Progetto Codifica ciclo PLC - Lista delle attribuzioni o tabella I/O -> tabella dei simboli - Progetto del programma 33

34 METODOLOGIE DI PROGETTAZIONE: progetto del programma 5) Implementazione Segmentazione del programma in più parti (stazioni) Stazione = sottoparte omogenea e ben identificabile dell impianto che risulta il più possibile funzionalmente disaccoppiata dal resto Per ogni stazione vengono definite: - le procedure di inizializzazione - il programma, ripartendo tra sequenze in manuale e in automatico (l insieme dei comandi manuali è più vasto di quelli automatici) Cronologicamente si affrontano: - le sequenze in manuale (da pulpito o da pannello di comando via SCADA, in logica di sicurezza) - le sequenze in automatico (ridondanza e timeout sui sensori che determinano la transizione) - strutture dati per la tracciabilità dei materiali - strutture dati condivise con SCADA 34