Esperienze didattiche riguardanti l applicazione dei PLC nei sistemi di controllo

Transcript

1 FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA INFORMATICA E DELL AUTOMAZIONE (A DISTANZA) Esperienze didattiche riguardanti l applicazione dei PLC nei sistemi di controllo Laureando: LELIO SPADONI Relatore: Prof. LEOPOLDO JETTO Sessione Autunnale Anno Accademico

2 Indice Prefazione pag. 4 Parte prima: Introduzione ai sistemi di controllo Sistemi di controllo nell ambito dell automazione industriale pag. 6 Sistemi di controllo a catena aperta e a catena chiusa pag. 7 Controlli automatici di tipo numerico pag. 8 Caratteristiche di un controllore pag. 9 Parte seconda: Il controllore a logica programmabile Programmable Logic Controller (PLC) pag. 12 Considerazioni storiche pag. 12 Configurazione minima di un PLC pag. 13 Il modulo processore pag. 13 I moduli di ingresso/uscita pag. 16 Il modulo alimentatore pag. 17 L armadio pag. 17 Il terminale di programmazione pag. 17 Parte terza: La programmazione dei PLC I linguaggi di programmazione pag. 20 Il Grafcet. Sequential Funcional Chart (FSC). pag. 20 Il linguaggio a contatti Ladder pag. 23 Il successo dello schema a contatti Ladder pag. 24 Lista di istruzioni pag. 25 Passaggio da uno schema grafcet a uno schema Ladder pag. 25 Parte quarta: Esempi di architetture di controllo Elementi della CPU 226 utilizzati nelle esperienze pag. 30 Modo di procedere comune a tutte le esperienze condotte pag. 32 Esperienza n 1: Avviatore reversibile per l inversione del senso di rotazione dei motori trifasi. pag. 34 Esperienza n 2: Frenatura in corrente continua di un motore asincrono trifase. pag. 44 Esperienza n 3: Controllo di posizione di un motore passo-passo pag. 53 Esperienza n 4 / Proposta di lavoro: Controllo di velocità di un motore in cc realizzato con la funzione PID del PLC S7-200 CPU 226. pag. 69 Esperienza n 5: Controllo di temperatura di un forno elettrico. pag. 77 Appendice A Caratteristiche del PLC S7-200 CPU 226 pag. 87 Pag. 2

3 Appendice B Data sheet encoder E5 pag. 96 Data sheet L297- L298 pag. 98 Caratteristiche motore passo-passo pag. 100 Unità di ampliamento analogica EM 235 pag. 102 Appendice C Funzione speciale PID pag. 106 Bibliografia pag. 115 Si allega il CD contenete il file in formato.doc relativo al presente lavoro. Pag. 3

4 Prefazione La prima parte del lavoro costituisce un introduzione, a livello generale, ai sistemi di controllo. Nella seconda parte invece, si parla del controllore a logica programmabile, con riferimento alle sue caratteristiche e alle sue componenti tipiche. Nella terza parte si considera la programmazione dei PLC, mettendo in evidenza gli elementi che permettono una progettazione del software di controllo efficiente. La quarta e ultima parte, è relativa alle esperienze didattiche condotte sui PLC, per il controllo di grandezze fisiche di varia natura come, per esempio, la velocità, la temperatura, la posizione, ecc... L ambizione di tale testo è quella di diventare un manuale d uso per tutti gli utenti che, anche a digiuno di esperienze con i PLC, vogliono avvicinarsi a questo dispositivo divenuto oramai un elemento importante nelle automazioni industriali. Per tale motivo tutte le esperienze condotte sono perfettamente funzionanti e ripetibili in qualsiasi momento grazie al grado di dettaglio con cui sono descritte. Da un punto di vista didattico dunque, il lavoro rappresenta la base di partenza per ulteriori approfondimenti che sono in un certo senso dovuti, proprio perché dato lo scopo didattico del lavoro non si sono certamente utilizzate tutte le notevoli potenzialità di elaborazione del PLC. Solo nell esperienza numero quattro, che in realtà è una proposta di lavoro, viene utilizzata una funzione avanzata del PLC relativa all operazione di regolazione proporzionale, integrativa e derivativa (PID). Nelle esperienze svolte si potrà notare che non esiste una progettazione del blocco regolatore (il controllore); mediante un approccio diretto si parte dalle specifiche richieste per costruire il modello desiderato del processo, che è riconducibile a quello del controllore con poche modifiche concettuali. Pag. 4

5 PARTE PRIMA Introduzione ai sistemi di controllo Pag. 5

6 Sistemi di controllo nell ambito delle automazione industriali Per sistema di controllo nell ambito delle automazioni industriali si intende, in generale, un sistema automatizzato composto da un processo fisico e da un sistema di controllo, vedere figura 0. Figura 0. Modello di un sistema automatizzato Il processo fisico può essere definito come una combinazione di operazioni che agiscono su entità appartenenti al mondo fisico cambiandone alcune caratteristiche. Un processo fisico riceve in ingresso dei materiali, sotto forma di prodotti grezzi, e dell energia; riceve, inoltre, dal sistema di controllo delle informazioni sotto varie forme quali, valori di tensione o di corrente elettrica, di pressione di un fluido, oppure sequenze di valori binari codificati. Il processo produce in uscita materiali, sotto forma di prodotti finiti e scarti, ed energia: invia inoltre delle informazioni al sistema di controllo. Anche i disturbi provenienti dall ambiente che agiscono sul processo si possono considerare come ingressi al processo. Le informazioni in uscita dal processo fisico, sono fornite da appositi dispositivi formati da un componente detto sensore, il quale trasforma la variabile da misurare nel tipo di grandezza che si adotta per la misura, e da un componente detto trasduttore, il quale accetta un informazione sotto forma di variabile fisica e la converte in una grandezza di natura tipicamente elettrica, adatta ad essere trasmessa. Molto spesso sensore e trasduttore coincidono nello stesso elemento. Pag. 6

7 Le informazioni in entrata al processo fisico, sono utilizzate dagli attuatori per alterare il valore delle variabili di controllo per il processo. Di solito gli attuatori veri e propri sono preceduti dai pre-attuatori, i quali provvedono a realizzare le conversioni delle informazioni e le amplificazioni di potenza. I sensori, gli attuatori, e i pre-attuatori possono essere considerati come facenti parte del processo fisico e ne costituiscono l interfaccia verso il sistema di controllo. Il sistema di controllo, quindi, riceve informazioni sullo stato del processo tramite i sensori, le elabora secondo algoritmi specificati e invia agli attuatori le informazioni relative alle azioni da mettere in atto per realizzare il controllo del processo fisico. A tale scopo esso riceve anche informazioni da una o più unità esterne, le quali possono essere degli operatori o altri sistemi di controllo gerarchicamente superiori; inoltre è in grado di fornire a queste entità esterne informazioni sul suo stato e su quello del processo controllato. Sistemi di controllo a catena aperta e a catena chiusa Il controllo è l insieme delle azioni atte a far variare nella maniera voluta una certa grandezza fisica. Il controllo di una grandezza fisica può avvenire in catena aperta o in catena chiusa. Nel primo caso si hanno i sistemi di controllo a catena aperta che possono essere schematizzati come in figura 1, dove un generatore del segnale di comando (A) fornisce il segnale di riferimento (o di comando) all organo attuatore (B) che provvede a sua volta a pilotare opportunamente il processo controllato (C). Figura 1. Sistemi di controllo a catena aperta Con il metodo ora descritto si può raggiungere il valore desiderato della grandezza da controllare u(t) agendo sul segnale di riferimento e(t). Se però, adesso, si generano dei disturbi che provocano la variazione della grandezza controllata l unico modo per riportarla sui valori desiderati è quello di agire manualmente sul segnale di riferimento (cioè in maniera non automatica, generalmente con l intervento di un operatore esterno), oppure compensando direttamente il disturbo. Un approccio alternativo utilizza un sistema di controllo a catena chiusa dove è presente una linea di reazione che la grandezza controllata in ingresso. Facendo Pag. 7

8 riferimento alla figura 2 si nota che la grandezza controllata u(t) viene confrontata con il segnale di Figura 2. Sistemi di controllo a catena chiusa riferimento e(t) dando origine ad un segnale differenza d(t) che viene utilizzato per agire sulla grandezza da controllare u(t); quando interviene un qualsiasi disturbo che provoca una variazione della grandezza da controllare, si origina il segnale differenza d(t) in modo tale da compensare in gran parte l effetto del disturbo. Poiché ciò avviene in forma automatica si parla di controllo automatico. Controlli automatici di tipo numerico Un sistema di controllo è detto digitale quando per la sua realizzazione si impiegano componenti digitali. I sistemi di controllo digitale hanno assunto nel tempo un importanza sempre maggiore e la tendenza attuale è quella di utilizzarli, ove sia possibile, anche nel caso in cui i processi da controllare siano analogici. Le ragioni principali di questa scelta sono da ricercarsi nella minor complessità circuitale, nella più agevole manutenzione e nella possibilità di apportare modifiche al controllo senza stravolgerne la struttura. Inoltre le tecniche digitali di trasmissione del segnale consentono un elevata immunità al rumore e costi contenuti. Tuttavia alcuni dispositivi analogici, quali trasduttori, attuatori e amplificatori di potenza, non possono essere sostituiti da analoghi componenti digitali. Pertanto in un sistema di controllo digitale sarà necessario prevedere l impiego di appositi convertitori analogico/digitale che convertono i dati analogici, relativi al processo da controllare, in segnali digitali manipolabili dall elaboratore e analogamente convertitori digitali/analogici che svolgano la funzione inversa, ovvero convertano i segnali digitali emessi dall elaboratore in segnali analogici che agiscano direttamente o indirettamente sul processo. Pag. 8

9 Sotto l aspetto funzionale la differenza fondamentale tra i sistemi di controllo digitale e quelli analogici è che il nodo di confronto è realizzato da dispositivi di natura digitale che possono essere rappresentati dal più semplice componente tipo, ad esempio, il comparatore digitale fino al più elevato rappresentato dall elaboratore. Figura 3. Sistemi di controllo a catena chiusa In particolare l elaboratore può ancora essere utilizzato per implementare gli algoritmi che definiscono i tipi di regolatore descritti per il controllo analogico, quali, ad esempio, le regolazioni ON-OFF, proporzionale, integrativa, derivativa ed eventualmente le loro combinazioni. Inoltre può essere sviluppato un software apposito che consente di risolvere agevolmente i problemi che si presentano quando esiste un notevole livello di interazione tra le varie parti del processo e quando il legame tra le variabili del processo non è lineare. Caratteristiche di un controllore L elemento fondamentale di un sistema di controllo è il controllore. Questo dispositivo è in grado di ricevere segnali in ingresso provenienti dal processo fisico, di elaborare internamente tali informazioni e di fornire in uscita dei segnali elettrici destinati agli attuatori. Questi ultimi, di conseguenza, potranno modificare il processo fisico secondo le modalità scelta dal progettista. I controllori si possono dividere in tre categorie: monolitici, con architettura a bus, personal computer. Monolitici: prendono il nome di microcontrollori e sono dispositivi che inglobano tutti gli elementi necessari per realizzare le funzioni di controllo in un unico chip. Hanno ingressi/uscite analogiche o digitali (in numero limitato), capacità (limitata) di memorizzare i dati in modo volatile o permanente e non hanno un sistema operativo, ma è l utente che, nello scrivere i programmi, si deve occupare della corretta gestione delle risorse. Sono generalmente presenti negli Pag. 9

10 elettrodomestici, negli apparecchi telefonici, ecc, ed in generale dove non è necessaria una elevata potenza di elaborazione. Controllori con architettura a bus: sono pensati per quelle situazioni in cui sono necessarie una notevole capacità di elaborazione, un elevato numero di ingressi/uscite, una sofisticata interfaccia utente e la possibilità di comunicare attraverso reti informatiche. Gli elementi di questi controllori sono tra loro collegati attraverso uno o più bus (insieme di conduttori aventi caratteristiche ben definite) quali: VME, EISA, ecc Una simile configurazione è espandibile a piacimento con il semplice collegamento al bus di opportuni moduli di espansione (I/O, memorie, contatori, ecc ). Personal computer: è il calcolatore general purpose che offre notevoli vantaggi quali: prezzo relativamente basso, bassa professionalità per il suo utilizzo, semplificazione della manutenzione, ecc Lo svantaggio principale è che il Personal computer ha una limitata interfaccia di processo (pochi ingressi/uscite) e, soprattutto, non è robusto, cioè non adatto in ambienti ostili come quelli industriali. L utilizzo delle reti informatiche ha di fatto ridimensionato l ultimo svantaggio; infatti il PC può controllare i vari processi pur rimanendo a debita distanza, in un ambiente meno ostile. Pag. 10

11 PARTE SECONDA Il controllore a logica programmabile PLC Pag. 11

12 Programmable logic controller Il controllore a logica programmabile, che da questo punto in avanti chiameremo con l acronimo PLC, è il più diffuso dispositivo di controllo per l automazione industriale. Grazie alla sua architettura a bus, il PLC, è un apparecchiatura talmente versatile che collegando più moduli di espansione (interfacce) ad una unità base, si possono ottenere migliaia di punti di ingresso o di uscita sia analogici, sia digitali. I costruttori di questi dispositivi, inoltre, da sempre impegnati nell ampliamento del mercato di riferimento, progettano e realizzano moduli di espansione dedicati al controllo di particolari sistemi, quali: il controllo di motori asincroni trifasi, il controllo di motori passo-passo, il controllo di livello e di temperatura, solo per citarne alcuni. Il PLC è a tutti gli effetti un calcolatore composto da componenti elettronici e memorie destinate a contenere sia dati sia programmi e in grado di leggere ed eseguire le istruzioni dei programmi stessi. In particolare però, si tratta di un calcolatore concepito per l installazione in ambiente industriale, dove sono presenti gravose variazioni di temperatura, umidità, vibrazioni, disturbi elettrici, ecc. Questa peculiarità attribuisce al controllore a logica programmabile la caratteristica di robustezza. E dotato di sistemi operativi proprietari real-time multi-tasking molto efficienti. Grazie a questo elaboratore è possibile realizzare una notevole quantità di sistemi di controllo di tipo digitale anche quando le grandezze da controllare sono analogiche. Considerazioni di natura storica Fino agli anni 70 i sistemi di controllo dei processi e movimentazioni industriali erano risolti utilizzando circuiti in logica elettromeccanica, come relè e temporizzatori, contatori, ecc... Questi sistemi erano scarsamente flessibili in quanto qualsiasi variazione della sequenza logica richiedeva modifiche del cablaggio, cioè quella parte fisica degli elementi facenti parte dell automatismo; in più non avevano una elevata velocità di elaborazione dei segnali ed erano molto costosi. Intorno agli anni 70 con l avvento dei microprocessori si iniziò a sostituire i vecchi sistemi di controllo dei processi industriali, basati su elementi a logica Pag. 12

13 cablata, con i controllori a logica programmabile detti comunemente PLC. Questi nuovi dispositivi avevano una maggiore flessibilità unita a una grande semplicità di utilizzo, permettendo la variazione della logica di controllo semplicemente modificando via software il programma relativo (eventualmente sul luogo di funzionamento). Erano di concezione modulare ed avevano una facile manutenzione. Inoltre, erano abbastanza robusti, occupavano meno spazio rispetto ai sistemi utilizzati fino ad allora, ed erano competitivi nei costi. Come abbiamo già detto, attualmente un PLC di alta classe è basato su un sistema multiprocessore, integra la possibilità di connessione in rete informatica ed è capace di eseguire funzioni molto complesse. E, in sostanza, basato sulle stesse tecnologie di un calcolatore convenzionale general purpose, ma è adatto al suo utilizzo principale: il controllo dei processi industriali. Configurazione minima di un PLC La configurazione minima di un PLC è composta dai seguenti cinque elementi fondamentali: l armadio, il modulo processore, i moduli di ingresso e di uscita, il modulo alimentatore, il terminale di programmazione. L armadio, o rack, contiene tutti gli altri moduli di un sistema basato su PLC: dall unità base (CPU), ai moduli I/O e via via fino all alimentatore. Il modulo processore è costituito da una scheda a microprocessore con architettura simile a quella dei calcolatori general pur pose. Esegue e controlla tutte le operazioni svolte all interno del sistema. I moduli ingresso/uscita sono le interfacce attraverso cui l elettronica del PLC si collega con il mondo esterno. Il modulo alimentatore alimenta l intero rack in cui è ospitato il PLC ed eventualmente le interfacce ad esso collegate. Il terminale di programmazione era in origine una tastiera alfanumerica con cui si inseriva in memoria il programma utente. Attualmente il terminale di programmazione è un personal computer nel quale è caricato il software per la gestione dell interfaccia utente e della programmazione vera e propria. Il modulo processore E il vero e proprio cuore del PLC ed è costituito da una scheda con uno o più microprocessori con un architettura simile a quella dei calcolatori tradizionali. Il Pag. 13

14 microprocessore esegue i programmi del sistema operativo proprietario e quelli dell utente, prelevando le istruzioni da eseguire dalla memoria volatile o da quella permanente. Il funzionamento tipico è quello ciclico, come rappresentato in figura 4. Figura 4. Ciclo tipico di funzionamento di un PLC Come si può vedere dalla figura 4, il PLC esegue la lettura degli ingressi ( e la scrittura nelle uscite) una sola volta in ogni ciclo. Ciò comporta il fatto che se il segnale in ingresso cambia stato durante l esecuzione del ciclo, la variazione non viene rilevata. Gli attuali PLC però, prevedono dei modi di funzionamento che permettono di accedere direttamente, ed in qualsiasi momento, ai moduli di ingesso e di uscita. Inoltre, i PLC, offrono la possibilità di gestire le interruzioni temporizzate (per realizzare, per esempio, algoritmi di controllo numerico) o collegate allo stato di uno dei segnali di ingresso. Per caratterizzare la velocità di esecuzione dei programmi applicativi da parte di un PLC, si definiscono i seguenti tempi: tempo di scansione e tempo di risposta. Il primo rappresenta il tempo che intercorre tra due attivazioni successive della stessa porzione del programma applicativo (comprende anche il tempo per l aggiornamento degli ingressi e delle uscite). Il tempo di risposta invece è il massimo intervallo di tempo che intercorre tra la rilevazione di un evento e l esecuzione dell azione della risposta programmata (comprende anche i ritardi introdotti dai moduli di ingresso/uscita). Pag. 14

15 Il sistema operativo è composto da un insieme di programmi di supervisione memorizzati in una memoria permanente, e dedicati al controllo delle attività del dispositivo, all elaborazione dei programmi utente, alla comunicazione, alla diagnostica interna e ad altre funzioni come, ad esempio, il controllo della presenza della tensione di alimentazione o della tensione della batteria tampone. Di conseguenza il sistema operativo potrà indicare degli indicatori di stato (memoria OK, batteria OK, ecc ) Il PLC può lavorare in diverse modalità operative necessarie per la fase di programmazione, la fase di test del programma utente introdotto e quella di esecuzione del programma stesso in cui sono prese in considerazione le variazioni dello stato degli ingressi: la modalità di programmazione, nella quale il codice sviluppato dall utente viene caricato nella memoria del PLC: la modalità di validazione, nella quale i programmi utente vengono eseguiti, senza che le uscite vengano aggiornate, per verificare la correttezza del codice sviluppato; la modalità di esecuzione, nella quale i programmi utente vengono completamente eseguiti, aggiornando conseguentemente ingressi ed uscite. in figura 6. La memoria di un PLC è solitamente suddivisa in aree distinte come riportato Figura 6. Organizzazione tipica della memoria di un PLC - L area del S.O., contiene i programmi del S.O. che devono essere memorizzati permanentemente; - L area di lavoro del S.O., è utilizzata per la memorizzazione dei dati intermedi da parte dei programmi del S.O.; Pag. 15

16 - L area ingressi/uscite, necessaria per la memorizzazione degli stati degli ingressi e delle uscite; - L area programmi utente, utilizzata per la memorizzazione dei programmi utente; - L area dati utente, indispensabile per la memorizzazione dei dati utilizzabili dai programmi utenti. Le aree di memoria RAM sono generalmente alimentate da una batteria tampone per evitare la perdita di informazione nel caso venga a mancare la tensione di alimentazione. Riguardo ancora al modulo processore si vuole segnalare l esistenza di moduli particolari, detti di sicurezza, progettati per essere impiegati in applicazioni che richiedono gradi di sicurezza molto elevati. I moduli di ingresso/uscita I moduli di ingresso e di uscita sono la parte del PLC che comunica con il processo fisico; rilevano gli eventi o i dati provenienti dai sensori e comandano le azioni degli attuatori ad essi collegati. Da un punto di vista esclusivamente elettrico essi devono adattare i livelli di tensione con cui opera il PLC, ai livelli di tensione del mondo esterno. Questo permette generalmente di collegare direttamente al PLC i vari dispositivi presenti nel campo, senza bisogno di ulteriori condizionamenti. Gli ingressi digitali sono di solito protetti attraverso fotoaccoppiatori, per evitare che eventuali sbalzi di tensione provenienti dall esterno danneggino l elettronica del dispositivo. I moduli di ingresso digitali sono anche forniti di circuiti di filtraggio contro il rumore e i rimbalzi. Le uscite digitali sono invece protette da fusibili. Quelle in corrente continua sono realizzate con dei transistor; quelle in corrente alternata con dei TRIAC o SCR; mentre quelle (le più diffuse) in corrente alternata e continua, con dei relè. I moduli di ingresso e di uscita analogici sono in grado di acquisire e di trasmettere i segnali analogici. I moduli di ingresso, con degli appositi convertitori A/D, convertono i segnali analogici in digitali, fino a renderli disponibili al PLC per le successive elaborazioni. I moduli di uscita, al contrario, attraverso un convertitore D/A, rendono disponibile sulle apposite uscite segnali analogici. Pag. 16

17 Per la loro diffusione si segnalano anche i moduli di ingresso progettati per l utilizzo diretto con i sensori di temperatura. Esistono inoltre una certa quantità di moduli che realizzano delle funzionalità speciali. Tra di essi si segnalano: i moduli PID per le regolazione Proporzionale-Integrale-Derivativa; i moduli servo che realizzano direttamente ed in maniera autonoma, l asservimento di motori di diversi tipi; moduli encoder che semplificano l interfacciamento con encoder assoluti e incrementali; moduli interfaccia operatore, che semplificano l interazione tra l uomo e la macchina; moduli per la connessione in rete; moduli I/O remoti; moduli coprocessore ed altri. Il modulo alimentatore L alimentatore fornisce l alimentazione elettrica stabilizzata a tutti i moduli del sistema PLC. Questo componente deve essere dimensionato in base alla potenza assorbita dall insieme dei vari moduli. Esso, inoltre, deve fornire la tensione di alimentazione costante anche in presenza di microinterruzioni o abbassamenti/innalzamenti della fornitura elettrica. Gli alimentatori hanno degli indicatori luminosi che mostrano il loro stato (attivo, corto circuito, ecc ). Alcuni di essi possiedono delle funzioni che permettono la comunicazione con il PLC; per esempio, quando la tensione di alimentazione scende sotto certi valori, l alimentatore può avvisare il PLC, che a sua volta, lancia dei programmi per il salvataggio dello stato attuale del sistema e/o dei dati presenti in memoria RAM. L armadio E il contenitore in cui vengono alloggiati i vari moduli di cui abbiamo parlato in precedenza. L armadio oltre ad essere il supporto meccanico dei vari moduli, ne assicura anche la loro connessione dal punto di vista elettrico, che avviene secondo una architettura a bus (insieme di collegamenti elettrici). Il terminale di programmazione Oggi si utilizzano veri e propri sistemi di sviluppo basati su personal computer i quali facilitano molto la programmazione e la configurazione del PLC, che possono Pag. 17

18 essere effettuati anche off-line. Sono connessi al PLC o direttamente o attraverso una rete informatica. Sono inoltre previste funzioni per il monitoraggio dell esecuzione del programma in esecuzione, eseguibili anche durante il normale funzionamento del dispositivo. Pag. 18

19 PARTE TERZA La programmazione dei PLC Pag. 19

20 Linguaggi di programmazione Tra i più diffusi linguaggi di programmazione adottati per tradurre gli algoritmi di controllo dei processi industriali, si possono ricordare i seguenti linguaggi grafici: - diagramma sequenziale funzionale (Sequential Functional Chart SFC); - linguaggio a contatti Ladder Riguardo ai linguaggi testuali si sottolinea quello chiamato lista delle istruzioni. Il Grafcet. (Sequential Functional Chart SFC) Il grafcet è un sistema grafico che permette la modellizzazione del processo che si vuole comandare, controllare o automatizzare. Fu adottato nel 1988 dal Comitato Elettrotecnico Internazionale, nello standard internazionale 848. Il Grafcet costituiva una semplificazione delle Reti di Petri, uno strumento grafico più generale per la rappresentazione e l analisi dei sistemi ad eventi discreti. A partire dalle specifiche richieste, che generalmente sono descritte in maniera informale attraverso una descrizione verbale, con il diagramma grafcet è possibile formulare una descrizione del comportamento dell automatismo in modo rigoroso eliminando eventuali conflitti, incoerenze, punti morti (deadlock), nell ambito del funzionamento. Il grafcet si compone di due livelli ognuno dei quali ha lo scopo di descrivere con diversa precisione il sistema di controllo che si vuole realizzare: il livello funzionale in cui sono descritte le operazioni da svolgere e gli eventi che devono succedersi per risolvere il problema desiderato, senza tener conto dell aspetto tecnologico cioè di che tipo sono gli attuatori, i pulsanti o i sensori da utilizzare; il livello operazionale in cui le operazioni e gli eventi sono descritti con riferimento ai componenti fisici che si utilizzano (contattori, pulsanti, ecc..). In un grafcet il funzionamento dell automatismo è rappresentato graficamente da un insieme di elementi quali, ad esempio, quelli indicati in figura 7. Pag. 20

21 Figura 7. Passi, transizioni, archi orientati - PASSI a cui sono associate una o più azioni da compiere ogni volta che il passo è attivo. Le azioni possono essere esterne (uscite ordini emessi verso la parte operativa es. attuatori) o interne (lancio di temporizzatori, conteggi, ecc ); - TRANSIZIONI a cui sono associate delle condizioni che rappresentano le informazioni provenienti dal processo e che permettono l evoluzione del sistema. Una transizione indica la possibilità di evoluzione tra un passo e il successivo. Questa evoluzione si compie mediante il superamento della transizione. Una transizione può essere abilitata o non abilitata; essa è abilitata se i passi che la precedono (ad essa collegati) sono attivi. Se la condizione logica associata alla transizione è verificata e se i passi ad essa collegati sono attivi, allora la transizione può scattare e il sistema può evolvere disabilitando il passo precedente e abilitando il passo successivo. Figura 8. Stati (o passi) attivi e transizioni abilitate Pag. 21

22 In altri termini, lo scatto di una transizione disabilita l azione associata al passo precedente e abilita l azione associata al passo successivo. Figura 9. Azioni associate agli stati (o passi) Generalmente le condizioni sono le informazioni relative ai comandi da parte dell utente o informazioni che i vari sensori generano in relazione allo stato del sistema; - ARCHI ORIENTATI indicano come i vari passi sono tra loro collegati fino a formare l intero sistema. Le strutture classiche presenti nel grafcet sono: Scelta: un passo è seguito da più transizioni, con condizioni di scelta mutuamente esclusive, realizzate eventualmente imponendo priorità tra le transizioni (figura 10.a). Convergenza: più attività terminano nello stesso passo attraverso transizioni diverse (figura 10.b). Figura 10. a) Scelta, b) Convergenza Parallelismo o concorrenza: una transizione è seguita da più fasi (figura 11.a). Sincronizzazione: più passi precedono una stessa transizione, che viene superata solo quando tutti i passi ad essa collegati sono attivi (figura 11.b). Pag. 22

23 Figura 11. a) Parallelismo o concorrenza, b) Sincronizzazione Linguaggio a contatti Ladder Il linguaggio a contatti, meglio conosciuto con il nome inglese di Ladder Diagram (la cui traduzione letterale è diagramma a scala, dalla forma cha assume il programma) è quello maggiormente usato in campo internazionale per la programmazione dei PLC. Si compone di una serie molto limitata di segni grafici e risulta estremamente congeniale ai programmatori con conoscenza logica elettromeccanica, perché richiama in un certo senso lo schema elettrico funzionale. Figura 12. Esempio di schema ladder Lo schema ladder strutturalmente è composto da due linee verticali e da linee orizzontali sulle quali vengono disegnati gli elementi costituenti il sistema da gestire (figura 12). Si distinguono: - l alimentazione (riga verticale sinistra), cui fanno capo tutti gli elementi di input; - la massa comune (riga verticale destra che spesso viene omessa), cui fanno capo tutte le variabili di uscita (output); Pag. 23

24 - la zona di test : in questa parte dello schema vengono disegnati i vari contatti di input in serie o in parallelo, seguendo la logica di evoluzione del processo: - la zona di output destinata alle variabili di uscita abilitate o meno dalla zona precedente. In una rete in linguaggio a contatti, il flusso di energia può andare sempre e solo da sinistra verso destra, senza possibilità di inversione. Inoltre, l esecuzione delle istruzioni avviene dall alto verso il basso e da sinistra verso destra. Nell esempio di figura 12 il contatto n.c. sulla prima linea permette il passaggio del flusso di energia che attiva l uscita (bobina) collegata nella medesima linea. Nella terza linea invece si può notare che il flusso di energia è interrotto da un contatto n.a. per cui non si avrà l attivazione dell uscita connessa su quella linea. Il successo dello schema a contatti (ladder) Le ragioni sono da ricercarsi nel fatto che prima dell avvento dei PLC i sistemi di controllo o più in generale le automazioni erano realizzate in logica cablata il cui progetto è formalizzato attraverso lo schema funzionale. La figura 13 mostra un semplice comando per un relè monostabile K con pulsanti di set (SB1), reset (SB2) e autoritenuta K, secondo gli schemi funzionale e a contatti. L autoritenuta è quella configurazione che permette ad un contattore di rimanere abilitato (attivo, eccitato), pur in assenza di ulteriori impulsi di comando. Dalla figura 13 (c) si può notare che una volta premuto, anche per un solo istante, il contatto SB1, il contattore K rimane sempre attivo; questo è possibile perchè il suo contatto ausiliario K permette al flusso di corrente di scorrere da un estremo dell alimentazione (linea orizzontale alta) fino al contattore K, che ha l altro punto del circuito di comando collegato all altro estremo dell alimentazione (linea orizzontale bassa). Figura 13. Esempio di schema funzionale (a) e a contatti (b) Pag. 24

25 Possiamo notare che lo schema a contatti è simile (almeno nei progetti più semplici) allo schema funzionale con la particolarità di essere sviluppato in orizzontale piuttosto che in verticale. Lista istruzioni E un linguaggio di tipo letterale denominato anche mnemonico, risulta molto potente, non utilizza segni grafici ed è generalmente utilizzato da programmatori esperti. Inoltre è un linguaggio di basso livello, di tipo assemblativo, composto da sequenze di istruzioni, ognuna su una riga diversa. Il set di istruzioni che contiene le abbreviazioni mnemoniche del linguaggio, dipende dal PLC; solitamente i PLC permettono di tradurre in automatico un tipo di linguaggio in un altro. Comune a tutti i PLC è la riga di istruzioni così caratterizzata: INDIRIZZO - ISTRUZIONE - OPERANDO Dove: - indirizzo è la locazione della memoria utente; - istruzione è il comando per il PLC (cioè che cosa deve eseguire); - operando è la conseguenza del comando (cioè su quale elemento hardware/software deve essere eseguito il comando stesso. In pratica il PLC viene istruito riga per riga sull operazione che deve compiere. Con riferimento al PLC S7-200 della Siemens si fornisce un esempio (figura 14) di lista di istruzioni: Figura 14. Esempio di lista di istruzioni Nelle esperienze condotte nel seguito il programma scritto in lista di istruzioni non viene mostrato sia perché non è di immediata lettura come il ladder sia perché è un linguaggio più complesso destinato all uso da parte di programmatori esperti. Passaggio da uno schema grafcet ad uno schema ladder Il passaggio da uno schema grafcet ad uno schema ladder è per molti versi un procedimento automatico. Naturalmente quando la struttura diviene complessa si Pag. 25

26 dovranno valutare volta per volta le modifiche da fare in deroga alla normale procedura di seguito riportata: ogni stato viene attivato dallo stato precedente e dalla condizione indicata nella transizione in ingresso; si autoritiene e viene disattivato dall attivazione dello stato successivo. Per mostrare la procedura consideriamo l esempio di figura 15. Figura 15. Esempio Lo stato zero è attivato dallo stato precedente (lo stato due) e dalla transizione in ingresso (evento pressione pulsante di stop); si autoritiene con un contatto che porta il suo nome (autoritenuta) e viene chiuso dallo stato successivo che è lo stato uno; tutto questo si traduce in ladder nel modo seguente (figura 16): Figura 16. Stato zero Proseguendo a tradurre il grafcet di figura 15, si ha che lo stato uno è attivato dallo stato precedente (lo stato zero) e dalla transizione in ingresso (evento interruttore generale attivo); si autoritiene con un contatto che porta il suo nome (autoritenuta) e viene chiuso dallo stato successivo che è lo stato due; tutto questo si traduce in ladder nel seguente modo (figura 17): Figura 17. Stato uno Pag. 26

27 Per finire, lo stato due è attivato dallo stato precedente (lo stato uno) e dalla transizione in ingresso (evento pressione pulsante start); si autoritiene con un contatto che porta il suo nome (autoritenuta) e viene chiuso dallo stato successivo che è lo stato zero; tutto questo si traduce in ladder nel seguente modo (figura 18): Figura 18. Stato due Pag. 27

28 PARTE QUARTA Esempi di architetture di controllo Pag. 28

29 Nelle esperienze che seguiranno si farà uso del PLC S7-200 della Siemens, nella versione CPU 226 DC/DC/DC: alimentazione a 24 V dc, ingressi a 24 V dc e uscite a 24 V dc. La scelta di un PLC piuttosto che un altro, nulla toglie alla generalità degli argomenti trattati. I PLC in commercio, infatti, offrono tutti le stesse funzioni di base, differenziandosi però per le funzioni aggiuntive che variano da costruttore a costruttore. La serie S7-200 è una linea di controllori programmabili di dimensioni ridotte in grado di controllare un ampia varietà di applicazioni. La compattezza del design, i costi contenuti e l esteso set di istruzioni ne fanno una soluzione ottimale per le piccole automazioni industriali. Per questo motivo può essere utilizzato con grande vantaggio anche per le esperienze didattiche. Inoltre il tool di programmazione in ambiente Windows garantisce la flessibilità necessaria per affrontare e risolvere i più svariati problemi di automazione. Alcune tra le principali caratteristiche del PLC sono riportate in appendice A e fanno riferimento sostanzialmente ai dati riportati nel seguente testo di riferimento: Manuale di sistema Sistema di automazione S7-200 SIEMENS edizione 05/2003 numero di ordinazione 6EST298-8FA23-8EH0. Pag. 29

30 Elementi della CPU 226 utilizzati nelle esperienze seguenti Merker (memorie interne) I merker sono delle memorie interne utilizzate come relè di controllo per memorizzare lo stato intermedio di un operazione o altre informazioni di controllo. Figura 19. Esempio di utilizzo di un merker Nella figura 19 si osserva che l attivazione dell ingresso I0.0 attiva il merker M0.0 (riga uno); il relativo contatto abilita l uscita Q0.0 (riga 2). I merker non vengono visualizzati all esterno perché fisicamente rappresentano un area della memoria interna. Temporizzatori I temporizzatori sono elementi che permettono di far evolvere il sistema in istanti di tempo ben precisi. La CPU 226 ne contiene 256 suddivisi in tre categorie: temporizzatori di ritardo all inserzione TON, temporizzatori con ritardo alla disinserzione e temporizzatori con memoria. La figura 20 mostra un temporizzatore T32 con ritardo all inserzione impostato ad un valore pari a 10ms. Quando viene premuto l ingresso I0.0 si attiva il temporizzatore che inizia a contare il tempo fino a quando non arriva al valore preimpostato; a questo punto il temporizzatore attiva un contatto (utilizzabile in una qualsiasi parte del programma) che porta il suo stesso nome che nell esempio è utilizzato per attivar l uscita Q0.0. Figura 20. Esempio di utilizzo di un temporizzatore con ritardo all inserzione Pag. 30

31 Contatori I contatori servono invece per contare degli eventi. La CPU ne contiene 256 che si dividono in: contatori in avanti, contatori indietro e contatori avanti/indietro. Figura 21. Esempio di utilizzo di un contatore in avanti. Nell esempio della figura 21 il contatore C0 è impostato ad un valore di conteggio uguale a 4 (PV = +4). Ogni volta che il contatto I0.0 è attivo C0 incrementa il suo valore attuale; arrivato a quattro attiva il suo contatto interno che ha il suo stesso nome. In questo caso il contatto C0 è utilizzato per attivare l uscita Q0.0. Con I0.1 si pone il valore attuale uguale a zero (reset). Ingressi Gli ingressi del PLC S7-200 con CPU 226 sono sensibili a una tensione pari a 24 V DC. Seguendo lo schema elettrico in figura 22 si vede che la chiusura di un interruttore crea una caduta di potenziale pari a 24 V DC tra il punto M1 (massa dei segnali di ingresso) e il relativo ingresso; si genera così una corrente che viene utilizzata per mandare in conduzione il relativo MOS; questa condizione viene interpretata dal PLC come ingresso attivo Figura 22. Schema elettrico degli ingressi del PLC Pag. 31

32 In generale i PLC in commercio possono accettare diverse tensioni in ingresso sia continue che alternate. Uscite Nella CPU 226 anche le uscite sono a 24 V DC. Osservando la figura 23 si può notare che quando viene attivata una uscita (mediante la conduzione del relativo MOS), a seguito dell elaborazione del programma utente caricato nella memoria del PLC, ai capi dell utilizzatore cade una tensione pari a 24 V DC. Figura 23. Schema elettrico delle uscite del PLC In generale i PLC in commercio possono avere diversi tipi di uscite; la più comune è senz altro l uscita a relè (figura 24) che permette il collegamento diretto di diversi attuatori con tensioni di alimentazione in alternata o in continua. Figura 24. Schema elettrico delle uscite a relè di un PLC Modo di procedere comune a tutte le esperienze condotte In primo luogo, vengono descritte le esperienze facendo riferimento in particolare al funzionamento desiderato (specifiche del problema) e alla descrizione dei componenti utilizzati. Pag. 32

33 Viene quindi prodotto uno schema elettrico in cui sono visibili tutti i collegamenti elettrici necessari allo scopo e viene sviluppato il programma da inserire nella memoria del PLC necessario allo scopo. Ciò detto, il tutto si traduce nella stesura di una serie di tavole di lavoro che vengono commentate in dettaglio e che sono la base di partenza per realizzare in pratica le varie esperienze. La realizzazione pratica è stata effettuata presso il laboratorio Sistemi 5 della specializzazione di Elettrotecnica ed automazione dell I.T.I.S. V.Volterra di Torrette di Ancona. Pag. 33

34 Esperienza n 1 Pag. 34

35 Descrizione Il primo problema rappresenta un sistema a catena aperta in cui un operatore comanda l azionamento di un motore asincrono trifase scegliendone il senso di rotazione orario od antiorario. Per ottenere l inversione del senso di rotazione di un motore asincrono trifase è sufficiente invertire due delle tre fasi di alimentazione. La documentazione di riferimento è composta da tre tavole che sono di seguito commentate. Funzionamento: Il pulsante orario nell'ingresso I0.0 consente di avviare il motore in senso orario, il pulsante antiorario nell'ingresso I0.1 consente di avviarlo in senso antiorario. Il pulsante STOP nell'ingresso I0.2 ferma la rotazione del motore. Il senso di rotazione può essere invertito solo dopo che è stato premuto il pulsante STOP e dopo che siano trascorsi 5 sec. Ciò consente al motore di frenare e riavviarsi nella direzione opposta. Se vengono attivati contemporaneamente entrambi i pulsanti I0.0 e I0., il motore si arresta senza riavviarsi. Tavola N 1 La prima tavola mostra i collegamenti di potenza che sono necessari allo scopo. L alimentazione trifase viene portata al motore attraverso i contatti di potenza dei due contattori Ko oppure Ka (il contattore è un apparecchio usato per chiudere o aprire un circuito mediante un comando elettromagnetico, meccanico o pneumatico; il suo nome commerciale è teleruttore); Figura 25. Contattore: contatti di potenza e circuito di comando Pag. 35

36 attivando il contattore Ko con un impulso sul circuito di comando, il motore inizia a ruotare in senso orario, mentre attivando Ka si ottiene l inversione di due delle tre fasi dell alimentazione per cui la rotazione diviene antioraria. Disattivando entrambi si toglie l alimentazione al motore facendolo fermare. Sempre nella prima tavola si possono vedere anche i componenti in ingresso e in uscita al PLC. I primi (quelli in ingresso figura 26) sono naturalmente i pulsanti (o a seconda dei casi i sensori) di cui l operatore si serve per selezionare il funzionamento desiderato; Figura 26. Sezione degli ingressi i secondi (quelli in uscita - 27) sono i collegamenti che permettono di attivare o disattivare gli attautori che agiscono fisicamente sul processo secondo un sequenza che dipende dal programma utente in esecuzione nel PLC (nel nostro caso sono i contattori Ko e Ka). Tavola n 2 Figura 27. Sezione delle uscite In questa tavola si possono vedere gli schemi dei due livelli grafcet. Pag. 36

37 Il primo stato ad essere abilitato al momento dell accensione dell alimentazione del PLC, è lo zero dove non viene eseguita nessuna operazione (wait); in questo modo sono abilitate le due transizioni t1 e t2 che sono mutamente esclusive, infatti il motore può girare in un verso o nell altro ma mai contemporaneamente nei due versi; premendo il solo pulsante antiorario (evento associato alla transizione t1) si abilita lo stato uno in cui si genera l impulso in uscita dal PLC per attivare il contattore Ko; premendo invece il solo pulsante orario (evento associato alla transizione t2) si abilita lo stato due in cui si genera l impulso in uscita dal PLC per attivare il contattore Ka. In entrambi i casi si ha che il motore si porta in rotazione. Dopo aver raggiunto indifferentemente lo stato uno o lo stato due, si ha che una delle due transizioni t3 e t4 sono abilitate, per cui premendo il pulsante di stop (evento associato sia alla transizione t3 sia alla transizione t4) si disattiva uno degli stati precedenti (uno o due) in modo che il motore si fermi, e si attiva lo stato tre che provvede ad abilitare il temporizzatore T37 a contare il tempo pari a 5 sec. La transizione t5 è abilitata e potrà scattare solo quando si verifica l evento ad essa associato è cioè dopo che il temporizzatore avrà contato per un tempo pari a 5 sec. Con lo scatto della transizione t5 si abilita di nuovo lo stato zero e il procedimento può essere ripetuto un altra volta. Tavola n 3 Nella tavola 3 è presente anche la tabella di assegnazione degli elementi in cui sono riportati: - i nomi dei pulsanti con il relativo ingresso al PLC (in altre parole si indica il quale ingresso del PLC il pulsante è collegato), es: il pulsante orario è collegato fisicamente all ingresso I0.0; - i nomi degli attuatori con la relativa uscita, es: il contattore Ko è collegato all uscita Q0.1 del PLC; - tutti gli altri elementi che sono stati utilizzati per la stesura del programma: memorie interne (merker), temporizzatori, e quant altro utilizzato.ciascun PLC possiede un numero di identificazione dei propri elementi hardware e software, descritto nel manuale d uso; è necessario abbinare tale numerazione agli elementi funzionali individuati per il corretto funzionamento del sistema di controllo (pulsanti, sensori, ecc ). L assegnazione comprende anche elementi non hardware quali: temporizzatori, contatori, memorie interne, shift register, ecc ). Pag. 37

38 La tabella è estremamente utile al programmatore per avere sempre riferimenti software congruenti con le impostazioni hardware. Tavola n 4 L ultima tavola riporta lo schema a contatti (ladder) relativo al diagramma grafcet riportato nella tavola 2. Le righe 1,2 e 3 rappresentano i passi del programma necessari all abilitazione del primo stato (stato zero): come si può vedere al momento dell accensione del PLC viene abilitato lo stato zero (e solo quello) perché il merker (memoria interna o contatto interno) M10.0 è normalmente chiuso e permette il passaggio del flusso di corrente che abilita il merker M0.0. Si noti che i merker possono essere associati sia ai contatti sia alle bobine (uscite interne che non vengono riportate sulle uscite fisiche del PLC). A questo punto si ha la chiusura del contatto M0.0 della prima riga che abilita la bobina M10.0; questa si autoritiene (riga2) e nello stesso tempo apre il contatto M10.0 che da chiuso diventa aperto. La particolarità di questo modo di inizializzare lo stato zero (che non è l unico), è che la procedura fin qui descritta verrà eseguita una ed una sola volta in tutto il corso dell elaborazione del programma. Le righe 1,2 e 3 dopo la prima esecuzione non influiscono più sull evoluzione del programma. Le righe da 4 a 14 sono il corpo del programma ottenuto applicando le regole definite nel paragrafo relativo alla traduzione dallo schema grafcet allo schema a contatti indicate a pag. 14. Gli stati da zero a tre sono rappresentati dalle bobine interne (merker), rispettivamente da M0.0 a M0.3. La riga 13 mostra il temporizzatore di tipo TON (ritardato all inserzione). Dalle caratteristiche relative ai temporizzatori, che non sono state inserite nel presente lavoro ma possono essere trovate sul manuale del PLC, si evince che il T37 ha una risoluzione di 100 ms; per cui impostando il temporizzatore a 50 si ottiene un ritardo di 5 sec, infatti ms = 5sec (1.1). Le righe 15 e 16 formano la sezione delle uscite. In questa parte del programma si effettua l associazione tra gli stati del grafcet e le uscite fisiche del PLC. Gli stati in cui si effettuano delle azioni sono chiaramente gli stati uno e due, e sono rappresentati come abbiamo detto dalle bobine interne M0.1 e M0.2. La riga 15 associa a M0.1 l uscita fisica Q0.0, infatti quando il programma si trova nello stato uno (M0.1) il PLC deve dare l impulso di comando al contattore Ka che permette la Pag. 38

39 rotazione del motore in senso antiorario. La riga 16 invece, associa a M0.2 l uscita fisica del PLC Q0.1, infatti quando il programma si trova nello stato due (M0.2) il PLC deve dare l impulso di comando al contattore Ko per la rotazione oraria del motore. Pag. 39

40 Pag. 40

41 Pag. 41

42 Pag. 42

43 Pag. 43

44 Esperienza n 2 Pag. 44

45 Descrizione In questa seconda esperienza realizzeremo un automatismo per la frenatura di un motore asincrono trifase, che può essere rappresentato con un sistema a catena chiusa per il controllo di velocità o per meglio dire, di quel particolare valore di velocità che è lo zero giri/min. Tipi di frenatura: frenatura in controcorrente e frenatura in corrente continua La frenatura contro corrente consiste nell invertire repentinamente due fasi d alimentazione del motore fino all istante in cui il motore è a 0 giri. Il sistema per rilevare che il motore è a 0 giri è dato da un dispositivo calettato meccanicamente sull albero motore. Il dispositivo chiamato comunemente dispositivo di frenatura alnico dal nome del materiale magnetico da cui è costituito, contiene due contatti elettrici espandibili in concomitanza del senso di rotazione. Con opportuni collegamenti elettrici dei contatti è possibile interrompere l alimentazione al motore quando è a 0 giri, evitando così che s inverta il senso di rotazione. Con questo sistema si ottiene una frenatura rapida ma violenta con notevoli sollecitazioni meccaniche del motore. La frenatura in corrente continua consiste nell inviare una corrente continua da 60-80V in due dei tre avvolgimenti del motore, dopo averne staccato l alimentazione di potenza. La corrente continua deve avere un valore non superiore a 3-4 volte la corrente nominale di lavoro. Essa è ottenuta tramite un raddrizzatore monofase a onda intera. Il sistema di frenatura che adotteremo è quello in corrente continua perchè permette una frenatura più dolce e controllata. Funzionamento: il pulsante marcia nell'ingresso I0.0 consente di avviare il motore, il pulsante arresto nell'ingresso I0.1 consente di fermare il motore senza far intervenire la frenatura, mentre il pulsante di frenatura nell'ingresso I0.2 frena il motore fino a quando non si ferma. Il contatto del sensore (relè alnico) all ingresso I0.3 permette di stabilire quando il motore è arrivato a zero giri/min (fermo) in modo tale da interrompere il flusso di corrente continua negli avvolgimenti del motore. Pag. 45