Controllori industriali: PLC

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1 Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS Programmable Logic Controllers Ing. Andrea Tilli DEIS - Università di Bologna Tel andrea.tilli@unibo.it Revisionato Revisionato il il 20/10/ /10/2006 inquadramento Controllori industriali: PLC Sommario cenni storici architettura interna moduli speciali e soft PLC modello di esecuzione evoluzione della filosofia di programmazione Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 2 PLC: inquadramento Programmable Logic Controller o PLC Controllore industriale general purpose per eccellenza (perlomeno nell industria manifatturiera) Architettura HW-SO general-purpose dedicato principalmente al controllo di sequenze (implementazione automa a stati finiti per la gestione delle fasi di funzionamento del sistema) Componente fondamentale di ogni sistema di automazione con sequenze complesse La filosofia del PLC ha avuto origine alla fine degli anni 60 da una specifica della General Motors relativa ai sistemi di controllo da utilizzarsi nei suoi impianti per la produzione delle vetture Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 3 1

2 PLC: inquadramento Definizione di PLC Dispositivo o sistema digitale programmabile di tipo Real Time con un set di istruzioni atte ad implementare specifiche funzioni quali logica combinatoria logica sequenziale temporizzazioni e conteggi calcoli aritmetici (generalmente semplici) con riferimento al controllo di macchine e di processi industriali Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 4 Sistemi cablati per la realizzazione del controllo di sequenze Funzioni Logiche con Contatti Elettrici Funzione OR Funzione AND Forma canonica SP V+ V- LADDER DIAGRAM o LINGUAGGIO A CONTATTI Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 5 Il Relais industriale è il mattone elementare per la realizzazione di funzioni logiche con contatti I Schema in V F out Contatti N.C. in apertura N.A. in chiusura A F B Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 6 2

3 Il Relais industriale è il mattone elementare per la realizzazione di funzioni logiche con contatti Schema Contatti A F B in V N.C. in chiusura out N.A. in apertura Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 7 Rappresentazione del Relais nel Ladder Diagram IN OUT OUT OUT V+ V- Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 8 I relais sono fondamentali: perché? Motivi elettrici Isolamento galvanico tra in e out Separazione tra mondo di segnale e di potenza Motivi funzionali un ingresso, più uscite Ingresso anche remoto.. Moltiplicazione elettrica è meglio della meccanica possibilità di introdurre not dei comandi (NA,NC) costruzione di funzioni logiche sequenziali Flip flop S/R con schema ad autoritenuta Realizzazione di temporizzazioni (relais temporizzati) Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 9 3

4 Esempio: comando motore Consenso Prossimità Motore on Indicatore on misure comandi Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 10 Esempio: comando motore Schema di automazione a Relais C P R1 R2 C P R1 AND R2 M M I I R2 V+ V- Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 11 PLC: origine Le specifiche General Motors del 1968: dalla Logica cablata alla logica programmabile Facile sostituzione di Sistemi di Automazione a Relais Facilità di programmazione e riprogrammazione sul campo linguaggio naturale interpretato che si basi su ladder diagrams ambiente di sviluppo a bordo Funzionamento in ambiente industriale interfacciamento con sensori standard progetto modulare elevata affidabilità Capacità di comunicazione raccolta dati e monitoraggio Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 12 4

5 PLC: architettura interna input CPU output Architettura classica Interfaccia Utente MMI (Interazione Run-time) (EP) ROM RAM Differenze con sistema a µp classico realizzazione delle parti parallelismo e struttura interna linguaggio naturale e S.O. Real time Man Machine Interface e Progr. Unit dedicate Unità di progr.. PU (Ambiente sviluppo e programmazione) Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 13 PLC: caratteristiche Hardware CPU realizzazioni custom con processore ad 1 bit per l esecuzione dei controlli logici grandissima efficienza linguaggio naturale microcodificato scarsa flessibilità solo per sistemi ad elevatissime prestazioni temporali uso di µp standard set di istruzioni più ampio progetto standard necessità di un interprete Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 14 PLC: caratteristiche Hardware Sezione di ingresso/uscita grande modularità/componibilità struttura base con molte slot per schede di i/o possibilità acquisizione segnali analogici ingressi standard ± 10V interfacciamento con sensori particolari termocoppie, termoresistenze estensimetri ampio corredo di schede per segnali logici isolamento galvanico visualizzazione dello stato interfacciamento con sensori DC V AC V Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 15 5

6 PLC: caratteristiche Hardware Memoria programmi RAM batterizzata per lo sviluppo del programma EPROM per la versione definitiva Memoria dati suddivisa in sezione di ingresso sezione di uscita sezione di stato accesso bit, byte, word Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 16 PLC: caratteristiche Hardware Programming Unit Scopo: sviluppo SW e programmazione PLC portatile: sviluppo/correzione in loco realizzazione: HW/SW proprietario key-pad + display usa cpu del PLC oppure processore locale SW proprietario per PC commerciale (portatile) usa processore del PC eventuale scheda proprietaria di interfacciamento con PLC debugging simulazione emulazione (attenzione ai tempi!) Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 17 PLC: caratteristiche Hardware Man Machine Interface o Human Machine Interface scopo: visualizzazione stato dell impianto e ricezione di input da utente umano a run-time sinottico di impianto, comandi complessi. (configurabile) non sempre presente interazione realizzata tramite i/o gestiti direttamente dal PLC pulsanti, interruttori, lampade, led interfaccia poco evoluta realizzazione: analoga alla PU meglio soluzione a processore dedicato (PC o custom) per sgravare PLC dai compiti di gestione dell interfaccia spesso MMI/HMI e PU integrate insieme Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 18 6

7 PLC: caratteristiche Hardware Moduli speciali Interfaccia di rete locale ethernet, proprietaria Interfaccia per Bus di campo di solito proprietaria, standard Profibus, Interbus, CanBus,.. Processori ausiliari regolazione PID, controllo assi Unità di back-up nelle applicazioni che richiedono alta sicurezza di funzionamento Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 19 SOFT PLC PLC realizzati tramite architettura standard PC (industriale) con espansione degli i/o Integrazione di PU e MMI sullo stesso PC/PLC processore molto potente rispetto ai PLC classici S.O. Misto: gestisce applicazioni real time e non funzioni PLC real time MMI, statistiche non real time applicazioni per PC normale Esempi: RT Linux Windows CE Windows XP real time. Soft PLC Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 20 PLC: modello di esecuzione Sistema REAL TIME S. O. TIME DRIVEN Anche multitasking Tempo di scansione singolo (generalmente) Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 21 7

8 PLC: modello di esecuzione Struttura generale del software Run/Stop di PLC inizializzazione Operazioni Specifiche Ritorno rete inizializzazione Operazioni Specifiche Abilitazione uscite Lettura input TASKS Aspetta inizio Ts Attuazione output Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 22 PLC: modello di esecuzione Struttura generale del software LEGENDA Con sfondo grigio: operazioni di inizializzazione inizializzazione da rete e da run/stop sono mutuamente esclusive Con sfondo azzurro: ciclo real-time, time driven diversi tasks serializzati in un unico tempo di ciclo In giallo: operazioni svolte dal S.O. In verde: le operazioni di applicazione Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 23 PLC: modello di esecuzione Il Sistema Operativo garantisce inizializzazione e scansione ciclica (time driven) tutti tasks vengono eseguiti ciclicamente non si devono programmare loop di attesa di eventi il S.O. garantisce la costanza del tempo di campionamento per i tasks gestione automatica I/O all inizio di ogni ciclo il S.O. legge e campiona gli ingressi (ma non discrimina eventi) aggiorna le uscite i tasks operano sulla immagini in memoria del processo (eccezioni consentite, ma sconsigliate) gestione dei timer e dei counter Molto Importante e comodo Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 24 8

9 PLC: linguaggio di programmazione Filosofia originaria linguaggio orientato alla specifica applicazione (automa a stati finiti) naturale per tecnici esperti del problema eliminare l intermediazione dell esperto informatico Soluzioni originarie Ladder Diagram - schemi a Relais Functional Block - schemi logici Soluzione più recente Boolean Language - lista istruzioni - pseudo Pascal compatibilità col passato Strumenti per la progettazione di controlli sequenziali State Function Chart (evoluzione del Grafcet) Ing. Andrea Tilli - Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS PLC 25 Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Sistemi e Tecnologie per l'automazione LS Programmable Logic Controllers FINE Ing. Andrea Tilli DEIS - Università di Bologna Tel andrea.tilli@unibo.it 9