PLC51 AUTOMAZIONE. di G.Filella e C. Befera filella@tin.it

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1 PLC51 di G.Filella e C. Befera filella@tin.it Ecco il piccolo Davide, un ottimo esempio di come l elettronica si integra con l informatica: un potente PLC controllabile tramite la porta seriale di un personal computer. Chi lavora con l elettronica da diversi anni ha certamente apprezzato le ottime caratteristiche del PLC51 che vi abbiamo descritto nel numero di gennaio. In questa seconda parte illustreremo le caratteristiche circuitali e la realizzazione pratica delle tre schedine: CPU Adapter per PC Interfaccia di potenza. Tutto questo è necessario per comprendere ed utilizzare il PLC in abbinamento al software per PC, in grado di mettere a disposizione una serie di strumenti che diventano parte integrante del circuito e che garantiscono la possibilità di utilizzare il dispositivo per una grande varietà di applicazioni, dall Home Automation alla realizzazione di automatismi per macchine elettriche. SCHEMA ELETTRICO MICRO CPU Il cuore di questa scheda è il microcontroller Atmel AT89C2051, dotato di 15 porte di I/O bidirezionali, un interfaccia uart programmabile, 2 timer e un comparatore analogico. All interno della memoria del microcontrollore risiede un programma interprete in grado di riconoscere e gestire tutto il set di istruzioni previste dal sistema PLC. Come visibile dallo schema nel nostro progetto sono utilizzati 11 port/pin, 6 configurati come input digitali e 5 configurati come output e tutti fanno capo al connettore a 17 poli che costituisce il collegamento verso l esterno. Questi 11 segnali piloteranno direttamente, od attraverso la scheda d interfaccia, i sensori e gli attuatori che il PLC dovrà gestire. Altri 2 port/pin del controller (tx ed rx dell uart) sono collegati al connettore al quale viene allacciato l Adapter per il collegamento con il PC. Per ridurre le dimensioni della schedina ed evitare batterie tampone, si è utilizzata un eeprom seriale 24C16 gestita in scrittura e lettura dal micro attraverso gli ultimi 2 port/pin dei 15 disponibili. A questi pin vengono assegnate le funzioni di SDA e SCL, tipiche per questa famiglia di eprom. Nella memoria saranno salvati i programmi come sequenza di istruzioni che il micro dovrà eseguire. Completano la scheda CPU il circuito di clock, con il tipico quarzo da MHz, il circuito di reset del controller (segnale disponile a connettore) e lo stabilizzatore di tensione a 5 Vcc. SCHEMA ELETTRICO ADAPTER RS232 I segnali tx e rx del microcontroller sono di tipo TTL, mentre per comunicare con un interfaccia seriale standard di un PC occorrono livelli di tensione di +/- 12V o poco inferiori, valori tipici dello standard RS232. Per ovviare a questo inconveniente si è prevista una piccolissima scheda contenente un adattatore di livelli da standard TTL a RS232, realizzato con il classico integrato MAX232. Secondo quanto consigliato dal costruttore, nello schema elettrico sono presenti, oltre all integrato, solo i condensatori C1, C2, C3, C4 e C5 controllati dall integrato stesso. SCHEMA ELETTRICO INTERFACCIA POTENZA Per collegare sensori (fotocellule, rilevatori induttivi ecc.) ed attuatori (relè 62

2 Schema elettrico MICRO CPU Figura 1 63

3 Figura 2 Circuito stampato della basetta CPU51 visto dal lato rame in scala 1:1 e dal alto componenti. Figura 3 Disposizione dei componenti sul circuito stampato ELENCO COMPONENTI CPU51 R1: resistore da 10 kω 1/4 W R2: resistore da 10 kω 1/4 W C1: condensatore elettrolitico da 3,3 µf/50 V C2: condensatore ceramico da 0,1 µf C3: condensatore elettrolitico da 3,3 µf/50 V C4: condensatore elettrolitico da 3,3 µf/50 V C5: condensatore ceramico da 15 pf C6: condensatore ceramico da 15 pf D1: IN4148 Q1: Quarzo MHz U1: AT89C2051 IC1: 78LM05 IC2: M24C16 di potenza, elettrovalvalvole, ecc.) al PLC occorre una interfaccia in grado di gestire i livelli di tensione previsti per questo tipo di componentistica. Esistono vari standard industriali previsti come circuiteria di ingresso/uscita dei dispositivi a logica programmabile ma il più utilizzato, e quindi il più affermato, è sicuramente il PNP 24Vcc. Questo standard prevede che un segnale sia inteso vero o a livello 1 se la tensione dello stesso ha un valore di circa 20-30Vcc. Per il PLC51 si è realizzata un interfaccia industriale PNP 24Vcc in grado di innalzare le tensioni TTL delle uscite della CPU e di adattare (diminuire da 24Vcc a 5Vcc) le tensioni restituite dai sensori industriali PNP. Oltre a tutto questo la scheda d interfaccia, tramite LED, visualizzerà lo stato di tutti i ELENCO COMPONENTI ADAPTER C1: condensatore elettrolitico C2: condensatore elettrolitico C3: condensatore elettrolitico C4: condensatore elettrolitico C5: condensatore ceramico da 0,1 µf IC1: circuito integrato MAX232 segnali gestiti, sia in input che in output. La scheda, tramite un connettore a 17 poli femmina a pettine, riceve tutte le connessioni dalla scheda CPU mentre, attraverso 2 morsettiere (8 poli) a vite, avviene il collegamento Figura 4 Schema elettrico, circuito stampato e disposizione dei componenti dell ADAPTER RS232 64

4 Schema elettrico INTERFACCIA POTENZA Figura 5 65

5 degli input e degli output. L adattamento dei livelli di ingresso si effettua tramite partitore resistivo e la tensione in ingresso alla scheda CPU viene stabilizzata a 4,7Vcc tramite Zener. Il LED, posto direttamente sull ingresso a 24Vcc, svolge la duplice funzione di segnalazione ingresso attivo e controllo inversione polarità. L adattamento dei livelli di uscita avviene tramite un buffer integrato ULN2803 che pilota, oltre al LED di segnalazione output attivo, anche il transistor pnp di uscita BD140. Sulla scheda sono duplicati, tramite altri due connettori a pettine, il segnale di reset esterno ed i segnali di rx, tx, +5V e gnd per l Adapter seriale. REALIZZAZIONE PRATICA Il PLC51 è stato realizzato modularmente per poter essere inserito nell apposito contenitore visibile in figura 8 e i cui circuiti stampati, progettati allo scopo, sono visibili nelle figure 2, 4, 6. Analogamente, le figure 3, 4 e 7 illustrano la disposizione dei componenti. Seguendo i piani di montaggio riportati, crediamo che non esistano particolari difficoltà in fase realizzativa. Per quanto riguarda la scheda Micro CPU, si dovrà iniziare il montaggio saldando i componenti nel modo seguente: resistenze, diodo, regolatore di tensione 78LM05, condensatori, zoccoli da 20 e 8 pin che ospiteranno il microcontroller e la eeprom ed, infine, il connettore a pettine da 17 poli ed il quarzo. Una volta realizzata, questa scheda, potrebbe lavorare in modo autonomo con il solo ausilio dell Adapter seriale, si dovrà solo tenere conto dei livelli gestibili, ovvero pochi milliampere a 5Vcc. La costruzione dell Adapter per RS232 è semplicissima, si potrà omettere anche lo zoccolo per il MAX232, vista la robustezza e l affidabilità dello stesso. Una volta saldati l integrato ed i condensatori, si dovranno montare i terminali dove andranno saldati i fili dei due cavetti di collegamento, intestati in questo modo: Connettore a vaschetta 9 poli femmina verso il PC. Connettore a pettine 4 poli femmina verso la Micro CPU o interfaccia di potenza. L Adapter dovrà essere alloggiato in un piccolissimo contenitore di protezione. Leggermente più complessa Figura 6 Circuito stampato della basetta INTERFACCIA POTENZA visto dal lato rame in scala 1:1 e dal alto componenti. 66

6 Disposizione dei componenti sul circuito stampato INTERFACCIA POTENZA sarà la realizzazione dell interfaccia di potenza: anche in questo caso si dovrà iniziare il montaggio e la saldatura dai componenti più piccoli (resistenze, diodi), per continuare con i condensatori, lo zoccolo per l integrato ULN2803, le morsettiere ed i connettori, i transistor, il regolatore di tensione ed infine i LED. Se la scheda sarà inserita all interno di un apposito contenitore, si dovrà tenere conto che i LED devono essere visibili dall esterno, quindi occorrerà prevedere la giusta misura dei reofori, oppure rimandare Il contenitore in cui inserire il PLC51 Figura 8 la saldatura dei LED solo quando ci si è procurati il contenitore. La Micro CPU sarà connessa alla scheda d interfaccia di potenza tramite i relativi connettori da 17 poli, e tutte le connessioni con il mondo esterno, ad esclusione della fase di programmazione, saranno effettuate tramite le 2 morsettiere a vite da 8 poli che prevedono anche l alimentazione a 24Vcc del PLC. La scheda,una volta programmata, potrà essere resa autonoma ponticellando i pin rx e tx presenti sul connettore a 4 poli dell interfaccia. Prima di alimentare il PLC, consigliamo di controllare molto attentamente le saldature effettuate, considerato che le schede hanno delle piste particolarmente ravvicinate e, prima di fornire tensione, è buona norma controllare con un multimetro eventuali falsi contatti, cortocircuiti e saldature fredde. LA PROSSIMA PARTE Nella prossima puntata, che concluderà la descrizione del PLC51, ci occuperemo esclusivamente del software in grado di gestire tutto il PLC. Come abbiamo già accennato, questa sezione è stata particolarmente curata sia Figura 7 dal punto di vista funzionale che da quello grafico. Ci raccomandiamo, quindi, di non perdere il prossimo numero! Electronic shop 13 ELENCO COMPONENTI INTERFACCIA DI POTENZA R1-R6: resistori da 2,2 kω R7-R13: resistori da 1,5 kω R14-R18: resistori da 3,3 kω R19-R23: resistori da 1,5 kω C1: condensatore elettrolitico da 3,3 µf/50 V C2: condensatore elettrolitico da 3,3 µf/50 V C3: condensatore ceramico da 0,1 µf C4-C9: condensatori ceramici da 10 nf C10: condensatore elettrolitico da 0,1 µf/50 V D1-D6: ZENER 4.7V D7-D12: LED Rossi D=3mm D13: LED Verde D=3mm D14-D18: LED Rossi D=3mm D19: IN 4007 TR1-5: BD140 IC1: LM7812 IC2: ULN