Schema di anello di controllo digitale

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1 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 Dispositivi per il controllo Schema di anello di controllo digitale r - e A/D Calcolatore digitale D/A Attuatore Sistema da controllare Clock (T) y Trasduttore di misura Dispositivi per il controllo 1

2 Controllo digitale VS Controllo analogico Vantaggi: Maggior capacità e precisione di elaborazione Maggiore flessibilità Maggiore affidabilità e ripetibilità Maggiore sensibilità e trasmissibilità dei segnali Svantaggi Progettazione più difficile ed articolata Stabilizzabilità più precaria Possibilità di arresti non previsti dovuti ai disturbi Necessità di utilizzare energia elettrica Dispositivi per il controllo 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 Dispositivi per il controllo 2

3 Dispositivi per il controllo Modalità di esecuzione dei compiti: periodica, ad intervalli di tempo assegnati ciclica, appena terminata l esecuzione ricominci daccapo una sola volta, all occorrenza di particolari eventi Interazione: processo fisico (trattamento segnali I/O) altri dispositivi di controllo e supervisione Dispositivi per il controllo 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) Dispositivi per il controllo 3

4 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 Dispositivi per il controllo Dispositivi per il controllo Monolitici A bus Basati su PC Controllori a logica programmabile () Controllori specializzati Regolatori PID industriali Controllori per motori elettrici Controllori di macchine a controllo numerico e robot Dispositivi per il controllo 4

5 : Monolitici, cioè realizzate da una singola scheda o addirittura da una singolo circuito integrato basati su bus e realizzate attraverso la combinazione di moduli con differenti funzionalità basati su personal computer Controllori monolitici Controllori che inglobano tutto ciò che serve su un unica scheda o su un singolo circuito integrato. (Es. dispositivi di controllo di elettrodomestici, videoregistratori, lettori CD, stampanti, sistemi di frenata ABS, climatizzatori ) Un controllore monolitico possiede: un unità di elaborazione una memoria non volatile che contiene i programmi una memoria (anche volatile) per la conservazione delle variabili un clock per generare i segnali di temporizzazione dei dispositivi di interfaccia per l acquisizione e la generazione di segnali analogici e digitali un sistema di gestione delle interruzioni 5

6 Controllori monolitici La tecnologia attuale permette l integrazione di tutti i componenti in singoli circuiti integrati chiamati microcontrollori (system-on-chip) I microcontrollori posso avere diverse caratteristiche: numero di bit (da 8 a 32 bit); tipo di architettura, dimensioni memoria, tipo di gestione degli interrupt, numero e tipo I/O solitamente non è previsto il sistema operativo sistema di sviluppo basato su pc (programmazione in linguaggi assemblativi o di alto livello) Se necessaria maggiore potenza di elaborazione o gestione I/O si può ricorrere a controllori single-board Controllori monolitici Unità di processo: processori CISC (Complex Istruction Set Computer) processori RISC (Reduced Istruction Set Computer) DSP (Digital Signal Processor) Limitata (o assente) capacità di comunicazione con altri dispositivi Interfaccia operatore ridotta (pulsanti o led) Si prestano per soluzioni embedded 6

7 Controllori con architettura a bus Adatti ad applicazioni che richiedono notevole capacità di elaborazione, trattamento di numerosi I/O, comunicazione attraverso reti informatiche, interfacce operatore sofisticate Concetto di bus: un bus è un insieme di linee elettriche, raggruppate per funzioni, che connettono tra loro varie schede o moduli un bus è costituito dal protocollo attraverso il quale i moduli posso usare le linee elettriche per comunicare tra loro un bus è definito dalle caratteristiche elettriche e meccaniche dei connettori che servono per collegare i moduli Le schede sono connesse al bus in parallelo Lunghezza del bus di qualche decimetro Controllori con architettura a bus Modulo Processore Modulo Memoria Modulo I/U digitali Modulo I/U analogici Modulo Gestione Periferiche Alimentazione Dati Indirizzi Controllo 7

8 Controllori con architettura a bus Moduli tipici: modulo processore moduli di ingresso e uscita analogici moduli di ingresso e uscita digitali moduli contatore ad alta velocità moduli memoria di massa a stato solido moduli per comunicazione su rete informatica moduli per controllo periferiche (schermi, tastire ) Moduli inseriti in armadi (rack) che li contengono meccanicamente e li uniscono elettricamente attraverso un circuito stampato su cui sono disposti i connettori Solitamente necessario un sistema operativo Programmazione tramite linguaggio alto livello (alcuni seguono standard IEC ) Controllori con architettura a bus Caratteristiche dei bus: dati elettrici e meccanici velocità di trasmissione spazio indirizzabile lunghezza dati numero di linee di interrupt e modalità gestione sincrono (necessita clock) - asincrono (prevede più segnali sincronizzazione) numero di master consentiti legato o meno a tipologia di processore autoconfigurazione del bus 8

9 Controllori con architettura a bus Bus VME (Versa Module Europe)-IEEE 1014 linee indirizzo da16 a 64 bit linea dati da16 a 64 bit velocità massima trasferimento 500 MB/s 7 linee interrupt 4 livelli priorità per l allocazione del bus possibilità di trasferire fino a 256 word 64 linee utente modo operativo asincrono fino a 21 master Controllori con architettura a bus Bus EISA (Extended Industry Standard Architecture ) linee indirizzo 32 bit linee dati da 8 a 32 bit velocità massima di trasferimento 33 MB/s 6 linee di interrupt supporto multimaster modo operativo sincrono Slot EISA 9

10 Controllori con architettura a bus PCI (Peripheral Component Interconnect ) modo operativo sincrono velocità massima trasferimento 132 MB/s linea dati ed indirizzo a 32 bit supporto multimaster PC/104 e PC/104+ moduli connessi con connettori passanti (sandwich) PC/104 (bus EISA) PC/104+ (bus PCI) Controllori basati su pc Calcolatori general purpose Vantaggi: costi minori minori professionalità richieste per l utilizzo ampia scelta fornitori hardware e software semplicità manutenzione funzionalità di base pre-istallate (interfaccia grafica, memorie di massa, comunicazione con altri dispositivi) Svantaggi: limitata interfaccia di processo (non molti I/O) non adatto ad ambienti ostili Utilizzati per il controllo remoto SO real-time o tradizionali. Programmazione con linguaggi standard Soft- e Soft-CNC 10

11 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 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 Un controllore a logica programmabile (o, 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 11

12 Definizione di 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 configurazione realizzata dall utilizzatore, formata da un controllore a logica programmabile e dalle periferiche associate, necessarie al sistema automatizzato previsto Configurazione minima: Armadio Modulo processore Moduli ingresso/uscita Modulo alimentatore Terminale programmazione 12

13 Modulo processore Scheda con uno o più processori che eseguono programmi del sistema operativo o programmi utente Memoria volatile e non volatile Modulo tipico composto da tre microprocessori: uno per operare sul singolo bit uno per le operazioni di tipo logico/aritmetico uno dedicato alle comunicazioni con moduli I/O e dispositivi esterni 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 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) 13

14 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: tempo che intercorre tra due attivazioni successive della stessa porzione del programma applicativo nella modalità di funzionamento ciclico (compreso tempo aggiornamento I/O) 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 Modulo processore Tempo di risposta: massimo intervallo di tempo che passa dalla rivelazione di un certo evento e l esecuzione dell azione di risposta programmata. Dipende anche da ritardi introdotti dai moduli I/O. Relazione tempo di scansione e tempo di risposta: 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 14

15 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 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 di sicurezza - Ridondanza strutturale (abilitazione uscita solo se accordo ) 15

16 Moduli ingresso/uscita I moduli di ingresso ed uscita, sia analogici che digitali, sono i moduli con cui il 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 ) e le tensioni (o correnti) per la trasmissione di segnali Permettono di connettere il 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 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 Ingressi digitali Forniti di circuiti di filtraggio contro rumore e rimbalzi Caratteristiche: numero di ingressi gestibili tensioni di riferimento ritardo di segnale ON OFF ON t 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 16

17 Uscite digitali I comandi digitali si collegano alle interfacce di uscita DIGITALI Un comando DIGITALE (ON-OFF) per essere eseguito dalla CPU deve essere trasformato da VALORE BINARIO delle memoria dati a tensione di comando Ad esempio la bobina di un contattore può assumere due stati: BOBINA NON ALIMENTATA = CONTATTI DI COMANDO APERTO = 0 Vcc all uscita del ; a questo stato l interfaccia di uscita associa al valore BINARIO 0 (=OFF=FALSO), lo stato aperto del contatto di uscita BOBINA ALIMENTATA = CONTATTI DI COMANDO CHIUSO = 24 Vcc all uscita del ; a questo stato l interfaccia di uscita associa al valore BINARIO 1(=OFF=FALSO), lo stato chiuso del contatto di uscita Protette mediante fusibili; Realizzate attraverso transistori (cc), TRIAC o SCR (ca) o relè (cc e ca) I/O Analogici I segnali ANALOGICI si collegano alle interfacce di ingresso ANALOGICHE Un segnale ANALOGICO (0 100%, 0 10V, ecc.) per essere letto dalla CPU (che lavora con stringhe di bit di lunghezza finita nel tempo discreto) deve essere trasformato in un valore BINARIO 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 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 17

18 I/O Analogici Esempio si consideri un trasduttore di pressione 0 1 bar, con uscita ANALOGICA 0 10V (ingresso analogico per il ): se la pressione misurata è pari a 0 bar il segnale analogico misura 0 V se la pressione misurata è pari a 0,5 bar il segnale analogico misura 5 V se la pressione misurata è pari a 1 bar il segnale analogico misura 10 V A ciascuno dei precedenti valori l interfaccia analogica (risoluzione 12 bit) del assegna i valori decimali: 0 bar = 0V = ,5 bar = 5 V = bar = 10 V = La CPU per eseguire i sui calcoli usa la notazione binaria del valore (esempio ) 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 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 18

19 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 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 19

20 Terminale di programmazione Il 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 diretta o tramite rete informatica 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 20

21 Classificazione Micro fino a 64 punti I/O (digitali); memoria fino a 2 Kword; no architettura modulare; 1 linguaggio programmazione (limitato) Piccoli punti I/O(digitali + qualche analogica); memoria 4 Kword; struttura modulare; capacità connessione in rete; + linguaggi Medi punti I/O; memorie decine di Kword; I/O remoti e moduli speciali; elevata possibilità programmazione; elevata capacità comunicazione in rete; Grandi numerosi I/O; memorie da centinaia di Kword; supervisione di cella interfacciamento minori e calcolatori di gestione Controllori specializzati Controllori di macchine a controllo numerico Regolatori PID Controllori per motori elettrici Controllori Specializzati 21

22 Controllori macchine CN Macchina a controllo numerico: macchinario che esegue lavorazioni e movimentazioni, con assi di rotazione e traslazione controllati, dotata di un linguaggio di programmazione ad alto livello orientato alla funzionalità che svolge. Es. Torni, frese, trapani, robot Controllori Specializzati Controllori macchine CN Funzionalità dell architettura di controllo: controllo movimento di ogni singolo asse generare i riferimenti (leggi orarie) per ogni asse coordinare i movimenti degli assi eseguire le istruzioni espresse nel linguaggio di programmazione gestire logiche e sequenze della macchina ed altri dispositivi interfaccia uomo-macchina per supervisione e programmazione comunicazione con altri dispositivi capacità di autodiagnostica Architettura a bus: modulo controllo posizione e velocità per ogni asse modulo interpretazione programma e generazione traiettorie modulo controllo logico/sequenziale macchina ed altri dispositivi modulo interfaccia operatore Controllori Specializzati 22

23 Regolatori PID Regolatore Proporzionale Integrale Derivativo Controllori Specializzati Controllori per motori elettrici Controllo di coppia o velocità (azionamenti elettrici) o controllo di posizione (controllo d asse) Funzioni principali del sistema di controllo del moto: acquisire informazioni sulle variabili di stato elettriche e meccaniche attraverso misure o stime implementazione algoritmo di controllo del moto e logica gestione motore conversione di potenza ricezione comandi di moto da altri dispositivi Funzioni secondarie: visualizzazione e comunicazione dello stato e segnali allarme monitoraggio variabili gestione condizioni allarme esecuzione procedure di test per la regolazione dei parametri Controllori Specializzati 23