Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo. Sistemi di controllo industriale general-purpose: PLC. Sistemi di controllo industriale: PLC

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1 ngegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Sistemi di controllo industriale general-purpose: PLC Prof. Alberto Tonielli, ng. Andrea Tilli DES Alma Mater Studiorum Università di Bologna atonielli, atilli@deis.unibo.it Revisionato: 17/10/2004 Sommario Sistemi di controllo industriale: PLC inquadramento cenni storici architettura interna moduli speciali e soft PLC modello di esecuzione evoluzione della filosofia di programmazione Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 2 Architettura del Sistema di controllo di una macchina Macchina pluri-attuatore (Es. Macchine Automatiche) Field-bus PLC Scheda assi Azionamenti assi nverters O M AC M M M M M M M C H N A Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 3 1

2 PLC: inquadramento Programmable Logic Controller o PLC Controllore industriale general purpose per eccellenza Architettura HW-SO general-purpose dedicato al controllo logico sequenziale (implementazione automa a stati finiti per la gestione delle fasi di funzionamento del sistema) Componente fondamentale di ogni sistema di automazione complesso 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 Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 4 PLC: inquadramento Definizione di PLC Dispositivo o sistema digitale programmabile con un set di istruzioni atte ad implementare specifiche funzioni quali logica combinatoria controlli sequenziali temporizzazioni e conteggi calcoli aritmetici (generalmente semplici) con riferimento al controllo di macchine e di processi industriali Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 5 Evoluzione storica dei dispositivi per il Controllo Logico Sistemi cablati Funzioni Logiche con Contatti (Relais) Funzione OR Funzione AND Forma canonica SP V+ V- LADDER DAGRAM o LNGUAGGO A CONTATT Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 6 2

3 Evoluzione storica dei dispositivi per il Controllo Logico Evoluzione storica l PLC è nato per sostituire sistemi di automazione realizzati con logiche cablate a Relais Esempio: comando motore Consenso Prossimità Motore on ndicatore on misure comandi Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 7 Evoluzione storica dei dispositivi per il Controllo Logico Schema di automazione a Relais C P R1 R2 C P R1 AND R2 M M R2 V+ V- Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 8 Evoluzione storica dei dispositivi per il Controllo Logico l Relais industriale è il mattone elementare per la realizzazione di funzioni logiche Schema in V F out Contatti N.C. in apertura N.A. in chiusura A F B Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 9 3

4 Evoluzione storica dei dispositivi per il Controllo Logico l Relais industriale è il mattone elementare per la realizzazione di funzioni logiche Schema Contatti A F B in V N.C. in chiusura out N.A. in apertura Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 10 Evoluzione storica dei dispositivi per il Controllo Logico Uso dei relais: perché? Motivi elettrici solamento galvanico tra in e out Separazione tra mondo di segnale e di potenza Motivo fondamentale Motivi funzionali un ingresso, più uscite possibilità di introdurre not dei comandi (NA,NC) costruzione di funzioni logiche sequenziali Realizzazione di temporizzazioni (relais temporizzati) Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 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 Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 12 4

5 PLC: architettura interna input CPU output Architettura classica nterfaccia Utente MM (nterazione Run-time) (EP) ROM RAM Unità di progr. PU (Ambiente sviluppo e programmazione) Differenze con sistema a µp classico realizzazione delle parti parallelismo e struttura interna linguaggio naturale e S.O. Real time Man Machine nterface e Progr. Unit dedicate Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 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 Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 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 Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 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 Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 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!) Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 17 PLC: caratteristiche Hardware Man Machine nterface 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 MM e PU integrate insieme Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 18 6

7 PLC: caratteristiche Hardware Moduli speciali nterfaccia di rete locale ethernet, proprietaria nterfaccia per Bus di campo di solito proprietaria, standard Profibus, nterbus, CanBus,.. Processori ausiliari regolazione PD, controllo assi Unità di back-up nelle applicazioni che richiedono alta sicurezza di funzionamento Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 19 SOFT PLC PLC realizzati tramite architettura standard PC (industriale) con espansione degli i/o ntegrazione di PU e MM sullo stesso PC/PLC processore molto potente rispetto ai PLC classici S.O. Misto: gestisce applicazioni real time e non funzioni PLC real time MM, statistiche non real time applicazioni per PC normale Esempi: RT Linux Windows CE Windows XP real time. Soft PLC Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 20 PLC: modello di esecuzione Sistema REAL TME S. O. TME DRVEN Anche multitasking Tempo di ciclo singolo (generalmente) Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 21 7

8 PLC: modello di esecuzione Struttura generale del software Run/Stop di PLC inizializzazione Ritorno rete inizializzazione Operazioni Specifiche Operazioni Specifiche Abilitazione uscite Lettura input TASKS Attuazione output Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 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 n giallo: operazioni svolte dal S.O. n verde: le operazioni di applicazione Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 23 PLC: modello di esecuzione l 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 /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 Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 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) Prof. A. Tonielli, ng. A. Tilli - DES - Univ. di Bologna Programmable Logic Controller 25 ngegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Sistemi di controllo industriale general-purpose: PLC FNE Prof. Alberto Tonielli, ng. Andrea Tilli DES Alma Mater Studiorum Università di Bologna atonielli, atilli@deis.unibo.it 9