Tesina corso Tecnologie dei Sistemi di Automazione. Comando di una pressa. Anno Accademico 2007/2008 Prof. Raffale Iervolino

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1 Tesina corso Tecnologie dei Sistemi di Automazione Comando di una pressa Anno Accademico 2007/2008 Prof. Raffale Iervolino

2 Prefazione L introduzione nel 1988 ed in Italia nel 1996 dello standard IEC , ha definito molti aspetti dei controllori a logica programmabile; esso ha soprattutto il merito di avere cercato di indirizzare i produttori a stabilire delle regole per la programmazione dei controllori a eventi discreti. A tale scopo vennero introdotti, tra le varie cose, cinque linguaggi e. dei costrutti da adottare in fase di progettazione, cosa che non solo avrebbe semplificato l interadoperabilità di progetti già realizzati tra i PLC di diversi costruttori, ma avrebbe anche fornito la possibilità di istruire tecnici e ingegneri in maniera uniforme. I linguaggi adottati, come già detto furono cinque: Testo Strutturato (ST) Ladder diagram (LD) Functional Block Diagram (FBD) Instruction List (IL) Sequential Diagram Chart (SFC) Tra questi risultano particolarmente importanti il Ladder diagram e l SFC, il primo in quanto usato molto spesso dai produttori prima dello standard quindi sicuramente supportato dai moderni PLC, il secondo per la sua potenza espressiva basta sulle reti di Petri e l innata capacità di auto - documentazione. Il Ladder diagram è tutt oggi il linguaggio più usato dai vari produttori grazie alla somiglianza ai contatti a relè, molto usato durante gli anni 60 e quindi universalmente conosciuto dai progettisti.l SFC, è un linguaggio basato su diagrammi che rappresentano fasi dell evoluzione del processo da controllare, su archi orientati che collegano tra loro le varie fasi ed infine su transizioni che rappresentano delle condizioni per cui il sistema controllato passa da una fase ad un'altra a mezzo di un arco. La capacità di auto documentazione dell SFC risiede nel poter esprimere transizioni e fasi in linguaggio naturale, questa sua versione prende il nome di SFC funzionale; la versione più rigorosa adottata nella programmazione dei PLC prende il nome di SFC di controllo. Rappresentare un sistema da automatizzare in SFC funzionale è generalmente il primo passo in fase di progettazione sia perché chiarissimo anche a chi non è del settore, sia perché la traduzione in SFC di controllo risulta particolarmente semplice. Questa tesina sarà divisa in 3 capitoli: (1) Nel Capitolo primo, verrà trattato il funzionamento del sistema in maniera descrittiva e ne verranno analizzate le specifiche; si tratteranno inoltre le ipotesi e le osservazioni che hanno portato alle conclusioni poi intraprese nella progettazione dello specifico SFC rappresentante il sistema in esame. Verranno data poi due interpretazioni con SFC funzionale del problema basate sulle due ipotesi. (2) Nel capitolo secondo, verrá trattata per intera la progettazione SFC del sistema di controllo la pressa; saranno inoltre fatte alcuneosservazioni che hanno portato alle conclusioni poi intraprese nella progettazione dello specifico SFC rappresentante il sistema in esame. (3) Nel capitolo terzo, verrà trattata la traduzione del SFC in Ladder diagram, più comunemente detto linguaggio a contatti ; verranno descritte le fasi di traduzione insieme alle scelte opportunamente fatte per implementare le specifiche richieste dal sistema.

3 Indice Capitolo Il sistema 1.2 Analisi delle specifiche 1.3 Ipotesi fatte in fase di analisi 1.4 Stesura SFC funzionale Capitolo Premessa 2.2 SFC di controllo 2.3 Conclusioni Capitolo Introduzione alla traduzione 3.2 Traduzione

4 Capitolo Il sistema Il sistema che si vuole automatizzare è una pressa. Si suppone che essa disponga degli appositi sensori per il feedback e degli appositi attuatori per il movimento. Essa è rappresentata dalla seguente figura: Nella seguente tabella si riportano gli ingressi e le uscite del sistema da modellare: Ingessi:Sensori Ingessi:Pulsanti Uscite S7 Fine corsa in alto S4 Pulsante di emergenza M1 Comando salita motore del punzone* S3 Fine corsa in basso S1,S2 pulsanti di sicurezza M2 Comando discesa motore punzone* S5,S6 Fine corsa schermo protettivo Y1 Elettro - Serratura Il comportamento del sistema che si desidera sarà analizzato nel prossimo paragrafo, precisando le specifiche di progetto. In fase di progetto saranno realizzati e descritti tutti i procedimenti necessari al funzionamento corretto del suddetto sistema che presenta chiaramente un comportamento logico sequenziale, ed è cosi descrivibile e controllabile da un PLC. *Rispetto al progetto fornito il comando del motore si è espanso a un comando per la salita e uno per la discesa rendendo cosi più semplice la lettura; si noti che è una supposizione fatta in questo elaborato

5 1.2 Analisi delle specifiche Il sistema che si vuole progettare deve realizzare una logica di funzionamento tale che preveda la discesa del punzone, la risalita e un eventuale fase di arresto seguita da un fase di risalita. Il punzone dunque scenderà se si verificano le seguenti condizioni: 1. S5 e S6 sono azionati e dunque lo schermo è chiuso. 2. S7 è azionato è dunque la pressa si trova in posizione iniziale. 3. I pulsanti di sicurezza S1 e S2 sono azionati, essi attivano anche l elettro serratura Y1. Il punzone si deve fermare e risalire se: 1. Viene liberato uno dei pulsanti di sicurezza S1 o S2. 2. Viene attivato il pulsante di emergenza. 3. Il punzone termina la sua corsa in basso e dunque S3 è attivo. Il punzone deve risalire se: 1. Il punzone termina la sua corsa in basso e dunque S3 è attivo. Il sollevamento deve far si che il punzone risalga in automatico e una volta arrivato al fine corsa S7, due secondi dopo aver liberato i pulsanti di sicurezza, il sistema deve liberare l elettro serratura Y Ipotesi fatte in fase di analisi Sulle specifiche del sistema di controllo da realizzare si possono fare varie ipotesi esemplificative e non; in questo capitolo a tal proposito verranno fornite due possibili implementazioni di SFC funzionale per il software di controllo. La necessità di fare queste ipotesi derivata dal fatto che nelle specifiche non è chiarissimo che genere di comportamento debba avere il sistema se viene raggiunto il fine corsa S3. Si evince nella parte iniziale che il punzone debba prima fermarsi e poi risalire nel caso venga raggiunto il fine corsa S3, in un secondo momento poi si dice che esso debba risalire e basta. Tuttavia ragionando sulla fisica implementazione del sistema di evince che è in ogni caso necessario fermare il punzone prima di risalire; questo renderebbe inutile sviluppare due SFC ma verranno portati a termine lo stesso entrambi in modo da poter semplificare eventuali sviluppi futuri. In una prima implementazione si suppone,in maniera esemplificativa che: Se viene raggiunto il fine corsa basso o venga premuto il pulsante di emergenza o viene liberato un pulsante di sicurezza la pressa si fermi, e poi risalga e non risalga direttamente passando cosi per una fase di arresto In una seconda implementazione si suppone, in maniera alternativa che: Dalla fase di discesa si genera una divergenza dove se vengono liberati i pulsanti di sicurezza o viene premuto il pulsante di emergenza,il sistema finisce in una temporanea fase di arresto di un decimo di secondo e poi viene effettuata la risalita. Altrimenti se viene raggiunto il fine corsa S3 il punzone risale immediatamente senza passare per una fase di arresto.

6 Detto questo ed essendovi un ambiguità che non pregiudica in maniera davvero radicale il comportamento del sistema, lo sviluppo di due software di controllo avverrà sia per l SFC funzionale sia per l SFC di controllo anche in virtù del fatto che uno dei due potrebbe tornare utile per sviluppi futuri del software di controllo. 1.4 Stesura SFC funzionale Ad ognuna delle fasi in cui entra il sistema sono associate delle azioni che comandano opportunamente il punzone. Risulterà quindi necessario in fase di progetto del sistema per il controllo, specificare in linguaggio SFC o con gli atri quattro disponibili le azioni per ogni fase; questo è omesso nella stesura dell SFC funzionale ma dove le azioni sono descritte in linguaggio naturale. Si noti che non solo, la stesura dell SFC funzionale chiarisce immediatamente la dinamica con cui potrà evolvere il sistema, ma è anche utile mezzo per scrivere l SFC di controllo in quanto gli è molto simile. Esso è infine anche un buono strumento per la documentazione del software di controllo. Si riporta in Figura 1 lo schema dell SFC funzionale facente seguito alla prima ipotesi. Quando il sistema è in fase di quiete attende che venga chiuso lo schermo di protezione (S5 e S6 attivati) e dopo averlo chiuso attende che vengano innestati i pulsanti di sicurezza S1 e S2 i quali comandano l elettro serratura Y1 il sistema dovrà inoltre evitare che si chiuda l elettro serratura Y1 se prima non è stato chiuso lo schermo di protezione in quanto l elettro serratura fissa lo schermo in posizione chiusa. Tra la fase di quiete e la fase di discesa viene effettuato di nuovo un controllo sullo stato dei pulsanti di sicurezza, dello schermo e viene accertato che il punzone sia in posizione iniziale ( S7 attivato). La fase di discesa è caratterizzata dall avere il motore in funzione fintanto che: Viene raggiunto il fine corsa, S3 Viene liberato un pulsante di sicurezza S1 o S2 Viene premuto il pulsante di emergenza S4 Al verificarsi di una di queste condizioni il sistema attiva la fase di arresto dove viene fermato il motore; passati 100 ms dalla inizio della fase di arresto il sistema provvede a far risalire il punzone rimettendo il motore in funzione. Questa fase è detta Risalita e dura fino a quando non viene raggiunto il fine corsa alto S7. A questo stadio però il ciclo non può dirsi completo in quanto il motore deve essere fermato e prima di rientrare in quiete si devono liberare i pulsanti di sicurezza; due secondi dopo aver fatto questo l elettro serratura verrà aperta. Un ultimo controllo sui pulsanti di sicurezza e sullo schermo è fatto prima di ritornare in quiete e finire il ciclo. In Figura 2 è riportato l SFC funzionale per il sistema che rispetta la seconda ipotesi, ovvero con la creazione di una divergenza. L evoluzione del sistema fino alla fase di discesa è uguale a quella della prima ipotesi. Dopo la fase di discesa si crea una divergenza dove in maniera mutuamente esclusiva o si finisce in una fase di risalita diretta, oppure si passa per la fase di arresto per poi arrivare ad una risalita a seconda che la condizione di arresto sia dettato dall attivazione di S3 oppure no. Alla fine della scelta si finisce comunque nella fase di attesa per la apertura dell elettro serratura e dello schermo protettivo, ritornando cosi nella fase di quiete dopo.

7 Figura1 Quiete Se lo schermo è chiuso, e vengono premuti i pulsanti di sicurezza allora chiudi elettro serratura Y1 Lo schermo è chiuso Punzone a inizio corsa Pulsanti di sicurezza inseriti,e elettro +60 serratura attivata Discesa Muovi il motore Viene liberato uno dei pulsanti di sicurezza Viene premuto il pulsante di emergenza E finita la corsa del punzone Arresto Ferma motore. Risalita Se passano 100 ms da quando il sistema è in fase di arresto Muovi il motore Il punzone raggiunge il fine corsa alto Attesa schermo Ferma il motore Libera elettro serratura dopo 2 secondi I pulsanti di sicurezza sono stati liberati e lo schermo è in posizione aperta

8 Figura 2 Quiete Se lo schermo è chiuso, e vengono premuti i pulsanti di sicurezza allora chiudi elettro serratura Y1 Lo schermo è chiuso Punzone a inizio corsa Pulsanti di sicurezza inseriti,e elettro serratura attivata Discesa Muovi il motore Viene raggiunto il fine corsa S3, ma non vengono liberati pulsanti di sicurezza ne viene premuto il pulsante di emergenza Viene liberato uno dei pulsanti di sicurezza Viene premuto il pulsante di emergenza, ma non viene raggiunto il fine corsa S3 Risalita Arresto Ferma motore Muovi il motore Il punzone raggiunge il fine corsa alto Risalita Se passano 100 ms da quando il sistema è in fase di arresto Il punzone raggiunge il fine corsa alto Ferma il motore Attesa schermo I pulsanti di sicurezza sono stati liberati e lo schermo è in posizione aperta Libera elettro serratura dopo 2 secondi

9 Capitolo Premessa In questo capitolo si tratterà la progettazione del sistema di controllo per un pressa. La parte descrittiva e lo sviluppo di possibili SFC funzionali per il comando automatico della pressa è già stata trattata nel primo capitolo. La potenza del linguaggio SFC permette di definire, e a tale scopo verrà sfruttato, non solo il comportamento del sistema per mezzo di fasi, azioni e transizioni, ma permette anche di definire il corpo delle stesse azioni a loro volta in SFC. Il linguaggio permette,anche se non sono definite nello standard, la definizione di macro azioni e macro fasi; queste non verranno sfruttate per la fase progettuale. In questa piccola premessa si vuole infine chiarire che esistono molti possibili programmi SFC corretti che consentono di controllare a piacimento un impianto a logica sequenziale come ad esempio questa pressa. I programmi possono differire per vari motivi come ad esempio la leggibilità e la quantità di memoria occupata; tuttavia essendo questo un sistema relativamente semplice si trascura il problema di quanta memoria posso mai essere occupata e di quanto possa essere leggibile. 2.2 SFC di controllo In questi due SFC che si presenteranno le transizioni sono state scritte in Testo Strutturato ma potevano essere scritte in Ladder Diagram. Buona parte dei corpi delle azioni sono scritti in Testo strutturato ma per alcuni si è voluto implementare la scrittura in SFC in quanto dovendo implementare anche un logica risulta migliorata la leggibilità. Le variabili di tutto il progetto corrispondono a rilevazioni da parte dei sensori e a comandi per gli attuatori; ad un loro eventuale cambiamento corrisponde un azione o rivelazione del modello fisico. In questa tabella si chiarisce la corrispondenza tra figure e SFC di controllo relativi alla prima ipotesi: SFC controllo SFC SFC azione quiete SFC 1 SFC azione attesa schermo SFC 2 SFC

10 SFC1

11 SFC 2

12 In questa tabella si chiarisce la corrispondenza tra figure e SFC di controllo relativi alla seconda ipotesi: SFC controllo SFC SFC azione quiete SFC 1 SFC azione attesa schermo SFC 2 SFC

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14 2.3 Conclusioni Il progetto per il controllo del sistema non termina con la semplice stesura dell SFC. Prima di essere caricato su un PLC si dovrebbero effettuare ancora un serie di operazioni. Queste operazioni consistono in: Organizzare il programma in POU (Program organazation units) Definire le variabili di ingresso, uscito e quelle in memoria(o globali) Definire un programma Definire le risorse Definire gli eventuali Task Definire la configurazione con la quale si intende operare.

15 Capitolo Introduzione alla traduzione La traduzione di un SFC, può essere fatta verso vari tipi di linguaggi anche non legati direttamente ai PLC. Questo è possibile in quanto l SFC segue delle regole di evoluzione dove ciclicamente vengono effettuate le seguenti operazioni: Lettura degli ingressi fisici Determinazione delle uscite di controllo attraverso lo superabilità delle transizioni e l esecuzione delle azioni Scritture delle uscite Si noti che questi punti posso essere eseguiti anche da un PC a patto di specificare i metodi per leggere e scrivere ingressi e uscite; di fatti l algoritmo dell SFC potrebbe essere tradotto ad esempio in C applicando però metodi per l interfacciamento con ingresso e uscite. In questo elaborato è scelto di tradurre gli SFC in Ladder Diagram in quanto: La parte di lettura,scrittura e ciclica è fatta a bordo di un PLC Il Ladder Diagram è il linguaggio che sicuramente è supportato dai PLC, anche prima dello standard internazionale La traduzione in Ladder Diagram da uno SFC presenta quattro sezioni da eseguire in sequenza: 1. Inizializzazione 2. Valutazione transizioni 3. Aggiornamento condizioni 4. Esecuzione azioni Verrà seguito nel prossimo paragrafo il metodo suddetto. 3.2 Traduzione Nel caso si segua la prima ipotesi la traduzione risulta essere: iniz quiete ( s ) quiete SFC ( s ) quiete SFC ( s ) --- >> Azioni (*sezione inizializzazione*) quiete s1 s2 s5 s6 s7 t ( )

16 discesa s1 s2 s3 t ( ) s4 ----\ arresto timer1.q t ( ) salita s7 t ( ) attesa s1 s5 t \ \ ( ) s2 s6 --\ \---- quietesfc1 s6 s1 s2 t \ ( ) s5 ---\ quietesfc1 s1 s5 s6 t \ ( ) s2 ---\ att sch s5 s6 t ( ) sch ch s1 s2 t ( ) quietesfc2 s1 t \ ( ) s \ attesa timer2.q t ( ) (*sezione valutazione transizioni*) t1 quiete ( R ) t2 discesa ( R ) t3 arresto ( R )

17 t4 salita ( R ) t5 attesa ( R ) t6 quietesfc ( R ) t7 attesa ( R ) t8 quietesfc ( R ) t t10 att sch ( R ) t11 sch ch ( R ) (*Disattivazione delle fasi*) t1 discesa ( S ) t2 arresto ( S ) t3 salita ( S ) t4 attesa ( S ) t8 att sch ( S ) t9 sch ch ( S ) t10 chiudi ( S ) t

18 t6 attesa ( S ) t7 libera ( S ) (*attivazione fasi*) Azioni: Quiete >> SFC1 Discesa M (s) Arresto M (r) timer T#100ms salita M (s) attesa M (r) -- >> SFC2 SFC1: chiudi Y (s ) SFC2: libera Y ( r ) attesa timer T#2s

19 Nel caso si segua la seconda ipotesi la traduzione risulta essere: iniz quiete ( s ) quiete SFC ( s ) quiete SFC ( s ) --- >> Azioni (*sezione inizializzazione*) quiete s1 s2 s5 s6 s7 t ( ) discesa s1 s2 s3 t ( ) s4 ----\ discesa s1 s2 s3 t \--\-----\ ( ) s risalita s7 t ( ) arresto timer1.q t ( ) salita s7 t ( ) attesa s1 s5 t \ \ ( ) s2 s6 --\ \---- quietesfc1 s6 s1 s2 t \ ( ) s5 ---\

20 quietesfc1 s1 s2 s5 s6 t \----\ ( ) att sch s5 s6 t ( ) sch ch s1 s2 t ( ) quietesfc2 s1 t \ ( ) s \ attesa timer2.q t ( ) (*sezione valutazione transizioni*) t1 quiete ( R ) t3 discesa ( R ) t t4 arresto ( R ) t5 risalita ( R ) t6 salita ( R ) t7 attesa ( R ) t8 quietesfc ( R ) t9 attesa ( R ) t10 quietesfc ( R ) t

21 t12 att sch ( R ) t13 sch ch ( R ) (*Disattivazione delle fasi*) t1 discesa ( S ) t2 risalita ( S ) t3 arresto ( S ) t4 salita ( S ) t5 attesa ( S ) t t8 attesasfc ( S ) t9 libera ( S ) t10 att sch ( S ) t11 sch chi ( S ) t12 chiudi ( S ) t (*attivazione fasi*) Azioni: Quiete >> SFC1

22 Discesa M (s) Risalita M ( R ) M >>( S ) Arresto M (r) timer T#100ms salita M (s) attesa M (r) -- >> SFC2 SFC1: chiudi Y (s ) SFC2: libera Y ( r ) attesa timer T#2s