Wind Telecomunicazioni S.p.A.

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1 Wind Telecomunicazioni S.p.A.

2 Seminario Elementi introduttivi ai PLC Programmable Logic Controller

3 Presentazione Introduzione Hardware Logica Programmata Software di programmazione Esempi Industriali

4 Introduzione Tipologie di Processi da Controllare in Ambito Industriale Monitoraggio. Algoritmi di supervisione, capaci di individuare condizioni i i di funzionamento anomalo, di memorizzare ed analizzare la storia del processo. Sequenziamento. Passi di lavorazione sequenziali e ciclici

5 Introduzione Tipologie di Processi da Controllare in Ambito Industriale Controllo a Ciclo Chiuso. Riferimento Strategia di controllo Attuatori Processo Sensori

6 Introduzione Sistema Automatizzato disturbi PROCESSO FISICO materiali materiali energia sensori attuatori energia informazioni informazioni informazioni SISTEMA DI CONTROLLO informazioni

7 Introduzione Sistema Automatizzato disturbi PROCESSO FISICO materiali materiali energia sensori attuatori energia informazioni informazioni informazioni Sistema di controllo informazioni

8 Introduzione Sistema Automatizzato disturbi PROCESSO FISICO materiali materiali energia sensori attuatori energia ricezione informazioni informazioni produzione Il processo fisico è un insieme di operazioni che agiscono su entità appartenenti al mondo fisico cambiandone alcune caratteristiche

9 Introduzione Sistema Automatizzato disturbi PROCESSO FISICO materiali materiali energia sensori attuatori energia informazioni informazioni informazioni SISTEMA DI CONTROLLO informazioni

10 Introduzione Sistema Automatizzato ricezione Il sistema di controllo riceve informazioni sullo stato del processo tramite i sensori, le elabora secondo algoritmi specificati, invia agli attuatori informazioni circa le azioni da mettere in atto produzione informazioni informazioni informazioni SISTEMA DI CONTROLLO informazioni

11 Introduzione Tipologie di Processi da Controllare in Ambito Industriale Dispositivi di Controllo Classici Monitoraggio: utilizzo di display, di segnalatori di allarme e logica digitale Sequenziamento: utilizzo di sistemi basati su relay, insieme a logica digitale, timers, contatori C t ll Ci l Chi i i di ll i (PID) b i lifi i DC Controllo a Ciclo Chiuso: sistemi di controllori (PID) basati su amplificatori DC o su sistemi pneumatici (ambiente esplosivi)

12 Introduzione Tipologie di Processi da Controllare in Ambito Industriale Dispositivi di Controllo Basati su Elaboratori 1. Vantaggio dell'uso di Elaboratori 1.a Flessibilità, Riusabilità, Costo 2. Limiti dell'uso di computer tradizionali (PC) 2.a Schedulazione real-time (esigenze temporali dell'ordine del ms) 2.b Ambiente industriale ostile all uomo: range di temperatura molto ampio, sporcizia, polvere ( 1) 2.c Presenza di forti campi elettromagnetici, disturbi elettrici ( 1) 2.d Alimentazione soggetta a forti variazioni di tensione o corrente ( 1 ). Nota (1): Limiti superati dai PC industriali, più avanti si introdurranno i P.LC.

13 Introduzione Tipologie di Processi da Controllare in Ambito Industriale Dispositivi di Controllo Basati su Elaboratori 2. Limitiiti dell'uso di computer tradizionali i (PC) 2.e Flusso informativo I/O: Tipologia (A/D), Quantità, Livelli di tensione particolari (24 DC-digitale, 0-10 V, 4-20 ma analogico) Schedulazione real-time (esigenze temporali dell'ordine del ms) 2.f Necessità di ripristinare lo stato corrente immediatamente alla riaccensione dopo la mancanza di alimentazione (problemi relativi a Sistema operativo, stato dei registri e variabili) 2.g Linguaggi di programmazione molto lontani dai sistemibasati su relay 2.h Monitoring on-line 2.i Calcolo non orientato al bit Nota (1): Limiti superati dai PC industriali, più avanti si introdurranno i P.LC.

14 Introduzione Tipologie di Processi da Controllare in Ambito Industriale Dispositivi di Controllo Basati su Elaboratori 3. Vantaggio dell'uso di PLC 3.1 Possiede tutte le caratteristiche precedenti!!! Di seguito entreremo nel dettaglio di una famiglia di P.L.C.: Siemens S7 xxx

15 Definizione non rigorosa di P.L.C. Un controllore a logica programmabile, più familiarmente P.L.C., è un computer molto semplice che realizza funzioni di controllo di vari livelli di complessità.

16 Definizione Standard IEC di P.L.C. La norma CEI 65-23, corrispondente alla norma EN ed alla pubblicazione IEC , all art definisce PLC nel seguente modo: 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 per controllare, mediante ingressi ed uscite sia anologiche che digitali, vari tipi di macchine e processi. Sia il controllore programmabile che le periferiche associate sono stati progettati in modo da poter essere facilmente integrati in un sistema di controllo industriale ed utilizzati in tutte le funzioni previste

17 Evoluzione dei P.L.C. I P.L.C. fecero la loro comparsa verso la fine degli anni 60 nelle industrie automobilistiche. Una loro pecca iniziale fu quella della cablatura e delle revisioni dei quadri elettrici, molto onerosi in termini di tempo e costi. Negli anni 70, la procedura di programmazione mediante tastiera sostituì l operazione di cablaggio, così i nuovi PLC riducevano i tempi di fermo ad una manciata di settimane! P.L.C. della ALLEN BRADLEY

18 Evoluzione dei P.L.C. Negli anni 70-80, venne ulteriormente semplificata la programmazione, anche grazie all introduzione dei chip da parte di Motorola (4040)-(8088), su architettura Intel la diffussione dei sistemi PLC incrementò esponenzialmente. Questo grazie a industrie elettriche come SIEMENS, OMRON, ALLEN BRADLEY, ed elettroniche come la MOTOROLA PLC OMRON per controllo di una pressa Montedison Costo Lire

19 Oggi i P.L.C. Oggi i sistemi PLC, godono di ottima salute, il mercato è in continua crescita si stima un giro d affari di oltre 1500 miliardi di Euro. Il settore industriale è in affannosa ricerca di personale altamente qualificato! 2007 PLC SIMENS per controllo intera filiera produttiva Montedison Costo Euro

20 Oggi i P.L.C. La modularità

21 Oggi i P.L.C. La cablatura

22 Vantaggi dei P.L.C. Flessibilità In passato, ciascuna macchina produttiva automatica richiedeva il suo sistema di controllo fatto di componenti elettromeccanici progettati per quel tipo di macchina. Avere 10 macchine significava avere 10 differenti tipi di quadri di controllo! Oggi è possibile trovare lo stesso modelli PLC per l automazione di ciascuna delle 10 macchine e, sostanzialmente, lo stesso tipo di quadro elettrico. Cosa importante, ognuna delle 10 macchine controllate dal PLC, avrà il suo programma di automazione distinto dalle altre.

23 Vantaggi dei P.L.C. Facile gestione dei cambiamenti e correzione degli errori Con un quadro elettrico a relè, ciscun tipo di variazione o modifica del ciclo di lavoro comporta un nuovo cablaggio di tutto il circuito Quando viene effettuata una modifica ad un PLC, il programma viene modificato attraverso una tastiera in pochi minuti, in quanto nessun nuovo cablaggio, in genere, è necessario. In presenza di errori nel programma, la correzione viene effettuata in tempi brevi.

24 Vantaggi dei P.L.C. Grande numero di contatti Un PLC ha un grande numero di contatti per ciscun relè, disponibile nel suo programma. Se un relè in un quadro elettrico ha quattro contatti tutti utilizzati, i quando è necessaria una modifica che comporta l utilizzo di altri tre contatti dello stesso relè è necessario installare un nuovo relè in parallelo o un nuovo blocco di contatti..perdita di tempo e costi aggiuntivi! Usando un PLC è sufficiente digitare semplicemente sulla tastiera la richiesta di tre nuovi contatti e, in questo modo, i nuovi contatti saranno immediatamente disponibili

25 Vantaggi dei P.L.C. Bassi costi La tecnologia rende disponibili un maggior numero di funzioni in sistemi più piccoli e meno costosi Oggi è possibile acquistare un PLC con numerosi relè, timer, contatori ed altre funzioni anche a meno di 150 Euro

26 Vantaggi dei P.L.C. Prova di esecuzione I sistemi cablati a relè possono essere provati solo sul posto, ovvero in modalità (stand-by) Un circuito di controllo con PLC può essere provato e testato in ufficio o in officina mediante un simulatore Esempio di simulatore Siemens

27 Vantaggi dei P.L.C. Osservazione del funzionamento Le operazioni eseguite da un PLC possono essere osservate su un monitor durante l esecuzione. Molti problemi possono essere risolti semplicemente osservando cosa avviene durante l esecuzione. Inoltre è possibile abbinare dei messaggi sullo schermo in relazione ai malfunzionamenti riscontrati nel sistema controllato (ad esempio: il motore N 23 si è fermato per sovraccarico, la torre di condensa N 3 ha superato la temperatura max. di esercizio). Pannello di controllo sinottico Siemens

28 Vantaggi dei P.L.C. Esempio di Monitor Controll su temperature di esercizio motori su filiera di pressofusione

29 Vantaggi dei P.L.C. Velocità nelle operazioni I relè possono richiedere un tempo inaccettabile per attuare una certa operazione La velocità di operazione di un PLC è elevata. Tale velocità nel PLC p è determinata dal tempo di scansione (in genere misurato in millisecondi)

30 Vantaggi dei P.L.C. Programmazione grafica Il PLC può essere programmato nel linguaggio LADDER (a contatti) da un elettricista o da un tecnico. Semplicità nell approvvigionamento Nello sviluppare un quadro elettrico potreste avere 30 tipi differenti di relè e di timer acquistati, ad esempio, da 15 differenti fornitori. Ottenere le parti in tempo significa avere diverse date di consegna e disponibilità! Con un PLC voi avete un solo prodotto ed una sola data di consegna precisa!!conunplc, uno o più relè sono sempre disponibili e non vi sono i vincoli dovuti al limitato numero di contatti disponibili.

31 Vantaggi dei P.L.C. Documentazione È sempre disponibile ottenere in pochi minuti una stampa del programma di automazione memorizzato nel PLC. Facilità di riprogrammazione Il PLC può essere riprogrammato velocemente adeguandolo alle Il PLC può essere riprogrammato velocemente, adeguandolo alle necessità della produzione.

32 Svantaggi dei P.L.C. In alcuni casi le automazioni realizzate con la logica cablata tradizionale, con caratteristiche ben definite difficilmente modificabili, evidenziano alcuni svantaggi nella loro sostituzione. Gli svantaggi nell impiego di un controlllore programmabile possono essere riassunti nei seguenti punti. Nuove tecnologie Inizialmente, come tutte le tecnologie informatiche, è difficile convertire alcuni modi di pensare personali basati e consolidati sul cablaggio e sui relè Considerazioni ambientali Alcune condizioni ambientali di processo, come l alta temperatura, le p, p, vibrazioni, interferiscono con i dispositivi elettronici nei PLC e ne lmitano l uso. Un PLC è più sensibilie ai disturbi elettromagnetici

33 Svantaggi dei P.L.C. Applicazioni fisse Alcune applicazioni hanno un unica funzione. Non è conveniente usare le molteplici capacità di programmazione dei PLC se queste non sono necessarie Un PLC è molto più efficiente quando vengono effettuati periodici cambiamenti!!!

34 Confronto tra logica elettromeccanica e PLC Caratteristiche Tipo ELETTROMECCANICO P. L.C. Entità del cablaggio Elevata Ridotta Possibilità di modifiche Possibilità di operazioni matematiche Disponibilità di contatori e temporizzatori t i Affidabilità Compatibilità elettromagnetica Resistenza alle corrosioni ambientali Usura Solo con modifiche del cablaggio Nessuna Possibile mediante aggiunte Buona Buona Buona tranne che in ambienti polverosi o corrosivi Si manifesta solo dopo alcune decine di milioni di manovre Agevole,modificando il programma Si Si Buona con esclusione degli arresti di emergenza Abbastanza Buona Buona, tranne che in ambienti corrosivi Nulla (tranne le uscite a relè)

35 Affidabilità e sicurezza nei sistemi a logica programmata La Norma EN all art , prescrivono che i comandi di arresto di emergenza siano realizzati esclusivamente con i dispositivi elettromeccanici cablati e mediante contatti di interruzione: lo stesso dicasi nel caso di finecorsa il cui funzionamento sia particolarmente importante ai finii dll della sicurezza. I comandi di marcia e di arresto normali possono essere effettuati tramite PLC; è comunque preferibile che i comandi di arresto siano effettuati in logica positiva, e cioè l arresto avvenga interrompendo il collegamento o togliendo tensione, in modo che un eventuale interruzione del collegamento stesso, od un contatto verso massa, abbiamo come effetto l arresto del funzionamento.

36 Hardware, componenti di un P.L.C. Un sistema PLC essenzialmente si compone di: Unità Centrale di Processo CPU Moduli di Input/Output (I/O) Personal Computer Programmatore Unità di Storage

37 Hardware, componenti di un P.L.C. Fibra ottica - Cavo Twisted - Cavo coassiale input output CPU input Output t Espansioni remote Programmatore Verso gli input Verso gli output P.C. Stampante Verso i sensori Verso i relè, motori Moduli di I/O Memoria di massa

38 Central Processing Unit PLC ABB Mod. 581 La CPU è il cuore del PLC. Nella memoria della CPU viene memorizzato il programma per realizzare tutte le funzioni richieste per l automazione di un processo Ad alcune CPU possono essere aggiunte, successivamente alla messa in servizio, delle memorie addizionali. Le CPU contengono delle batterie al litio Per operare nell ambito dell automazione di fabbrica, bisogna saper valutare le necessità presenti e future in modo tale da scegliere la più opportuna taglia di memoria del sistema Tutte le CPU hanno degli switch, alcuni delle quali richiedono una chiave per impedire alla persone non autorizzate l interruzione o l avvio di un processo

39 Central Processing Unit PLC ABB Mod. 581 Puòessereimpeditalamodificadegliswitchancheattraversolamodificadel programma operativo. Tipici switch sono i seguenti: Off Run Il sistema non può essere avviato o programmato Al sistema è permesso di lavorare, ma non si possono eseguire modifiche al programma Program Il sistema non può lavorare, ma può essere programmato o modificato Run/Program Il programma può lavorare e si possono fare modifiche al programma in esecuzione. Attenzione!!!

40 Programmatore Generalmente i dispositivi di programmazione si dividono in due famiglie: quelli con lo schermo grande e quelli con un piccolo visualizzatore Siemens Simantic Panel Mod. 93ew Siemens SKPC Mod. D600 Dopo aver programmato la CPU, il programmatore può essere scollegato dalla CPU

41 Moduli di Input e Output I moduli dlididi INPUT ricevono i I moduli dlididi OUTPUT segnali dei dispositivi in campo provvedono ad abilitare i motori, quali i finecorsa, gli interruttori le valvole e gli altri attuatori di di posizione i sensori campo C.P.U. Terminali dei moduli Input/Output BUS su guida Trasformatori di corrente Sistema P.L.C. Rack

42 Moduli di Input e Output Moduli discreti (digitali) e analogici Gli input e gli output nei moduli digitali possono essere di tipo discreto, ossia on oppure off. Sono disponibili anche moduli analogici che lavorano con segnali variabili come, per esempio la temperatura, la pressione. Modulo per il controllo dei sensori Modulo per il controllo dei sensori di temperatura ambientale, presenti nelle sale POP di trasmissione

43 Il μprocessore CPU E quella parte della CPU che riceve, analizza, elabora ed invia le informazioni necessarie per eseguire il programma di controllo MEMORIA FISSA FIRMWARE MEMORIA VOLATILE CONTROLLORE CLOCK Flusso delle informazioni in un P.L.C. CONTROLLO ERRORI STATO INPUT ELABORAZIONE PROGRAMMA STATO OUTPUT SCAMBIO DATI MODULI INPUT MODULI OUTPUT ALTRI P.L.C.

44 Cicli di scansione Un programma memorizzato nella memoria del PLC viene eseguita in modo ciclico, denominato ciclo il di scansione. Durante un ciclo il di scansione il PLC esegue queste azioni: i Legge gli ingressi Esegue il programma utente Elabora le richieste di comunicazione Effettua l autodiagnosi Scrive i valori nelle uscite Un ciclo di scansione Tempo di esecuzione (ms)

45 Modularità

46 Modularità

47 Sistema di controllo cdz sala pop wind

48 Cablaggio

49 Programmazione dei P.L.C. Lo Standard IEC La International Electrotechnical Commission IEC istituisce nel 1988 diverse Task Force per elaborare uno standard per i controllori programmabili Nel 1992 viene emesso il documento IEC 1131, diviso in cinque parti: Parte 1: Definizioni generali Parte 2: Hardware Parte 3: Linguaggi di programmazione Parte 4: Linee guida per l utente Parte 5: Comunicazioni Nel 1993 le prime tre parti diventano Standard Internazionali Nel 1993 le prime tre parti diventano Standard Internazionali (aggiungendo un 6 a 1131)

50 Programmazione dei P.L.C. Lo Standard IEC La parte terza dello Standard, IEC , definisce: Elementi comuni per la configurazione delle applicazioni, la dichiarazione di variabili, la strutturazione dei programmi. Quattro linguaggii di programmazione, due di tipo grafico e due di tipo testuali. Funzioni e blocchi funzionali standard, per definire un set minimo di operazioni di conteggio, temporizzazione, elaborazioni matematiche, conversioni di tipo ecc...

51 Programmazione dei P.L.C. Lo Standard IEC Linguaggi di programmazione Sintassi Testuale Sintassi Grafica Instruction List LS Structured Text, ST Function Block Diagram, FBD Ladder Diagram, LD

52 Ladder Diagram Linguaggio grafico definito secondo lo stile del metodo di programmazione di PLC maggiormente diffuso nel mondo: la logica ladder o linguaggio a contatti Formalismo di successo per motivi storici: significato istruzione ladder, funzionamento quadri elettromeccanici a bobine e relè. Rappresentazione grafica di flusso virtuale it di corrente tra due barre di potenziale: Passa corrente ) valore logico TRUE Non passa corrente ) valore logico FALSE

53 Linguaggio Ladder: contatti - - Contatto normalmente aperto La corrente scorre solamente se il valore della variabile booleana indicata da - - è vero. - / - Contatto normalmente chiuso La corrente scorre solamente se il valore della variabile booleana indicata da - / è falso. - P - Contatto rilevatore di fronti di salita La corrente scorre solamente se il valore della variabile booleana indicata da - P - è passato daunvalore fl falso nella scansione precedente dl del programma ad un valore vero in quella attuale. - N - Contatto rilevatore di fronte di discesa La corrente scorre solamente se il valore della variabile booleana indicata da - N è passato da un valore vero nella scansione precedente del programma ad un valore falso in quella attuale.

54 Linguaggio Ladder: bobine I -( )- Bobina La variabile booleana -( )- assume valore vero (per la sola durata della scansione corrente del programma), se l espressione booleana a sinistra della bobina ha valore vero -(/)- Bobina negata La variabile booleana -(/)- assume valore falso (per la sola durata della scansione corrente del programma), se l espressione booleana a sinistra della bobina ha valore vero. -(S)- Bobina con ritenuta La variabile booleana -(S)- assume valore vero (e lo mantiene fino ad un esplicito reset), se l espressione booleana a sinistra della bobina ha valore vero. -(R)- Bobina con ritenuta t negata La variabile booleana -(R)- assume valore falso, se l espressione booleana a sinistra della bobina ha valore vero

55 Linguaggio Ladder: bobine II -(P)- Bobina per fronti di salita Se l espressione booleana a sinistra della bobina passa da un valore falso nella precedente scansione del programma ad un valore vero in quella attuale la variabile booleana -(P)- assume valore vero (solo per la durata della scansione corrente). -(N)- Bobina per fronti di discesa Se l espressione booleana a sinistra della bobina passa da un valore vero nella precedente scansione del programma ad un valore falso in quella attuale la variabile booleana -(N)- assume valore vero (solo per la durata della scansione corrente).

56 Linguaggio Ladder: diagramma Un diagramma a relè consiste di una barra verticale posta sul lato sinistro (chiamata bus ) e di un insieme di diramazioni orizzontali (chiamate righe circuitali ) che partono dalla linea verticale. Sulle righe circuitali vengono posti i vari contatti che si collegano alla parte destra. La combinazione logica di questi contatti determina quando e come le istruzioni poste a destra devono essere eseguite.

57 Ladder Diagram: esempio

58 Linguaggio Ladder: diagramma E' necessario ricordare che: ogni riga deve terminare con la bobina di un relè, di un temporizzatore/contatore o con un blocco funzionale (istruzione speciale); a differenza degli schemi elettrici, nei diagrammi a relè non è sempre necessario disegnare la barra destra; il numero dei contatti in serie o in parallelo utilizzabili su una riga circuitale è spesso limitato. it t

59 Linguaggio Ladder: diagramma Trasformare funzioni di controllo espresse sotto forma di diagramma a relè nel linguaggio utilizzabile dal PLC Gli indirizzi sono delle posizioni di memoria nelle quali si possono registrare istruzioni o dati. Le istruzioni servono per spiegare al PLC che cosa deve fare, utilizzando i dati da cui sono seguite

60 Linguaggio Ladder: operazioni logiche binarie

61 Linguaggio Ladder: Esempio

62 Linguaggio Ladder: Esempio

63 Siemens Logo

64 Siemens Logo

65 Siemens Logo

66 Siemens Logo

67 Siemens Logo Il SIMATIC S7-300 è il controllore più venduto nell'ambito di Totally Integrated Automation, il cui successo è attestato da molte applicazioni di referenza in tutto il mondo nei più svariati settori industriali. Gli utenti dell's7-300 traggono quindi vantaggio dall'esperienza e dal service mondiale del leader di mercato nonché dalla qualità del SIMATIC. Campi d impiego del Simatic S7-300 Il SIMATIC S7-300 offre soluzioni per i più svariati compiti di automazione nei seguenti settori: Tecnica manifatturiera Industria automobilistica Costruzione di macchine in genere Costruzione di macchine speciali Costruzione di macchine standard Lavorazione della plastica Industria del confezionamento Industria alimentare e dei generi voluttuari Tecnica di processo La programmazione dell S7-300 si effettua con il software di base STEP 7. È così possibile sfruttare appieno, in modo facile e comodo, la potenza di questo PLC. Gli strumenti software comprendono le funzioni necessarie per tutte le fasi di sviluppo di un progetto di automazione, dalla progettazione fino alla messa in servizio, al test ed al service.

68 Siemens Logo SIMATIC Manager Il SIMATIC Manager è il software che gestisce i dati appartenenti a un progetto di automazione, indipendentemente dal sistema di destinazione per cui sono realizzati (S7/M7/C7). Le applicazioni necessarie per la modifica dei dati prescelti vengono avviate automaticamente dal SIMATIC Manager.

69 Siemens Logo SIMATIC Manager

70 Siemens Logo SIMATIC Manager Telaio con connettori

71 Siemens Logo SIMATIC Manager Scelta della CPU

72 Siemens Logo SIMATIC Manager Interfaccia Ladder

73 Siemens Logo SIMATIC Manager Settaggio Moduli

74 Siemens Logo SIMATIC Manager Simulazione passo passo

75 Grazie per la cortese attenzione!