Programmable Logic Controller Prima Parte

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1 Programmable Logic Controller Prima Parte Sistemi per l automazione industriale Stefano Maggi Marco Bassetti Dipartimento di Elettrotecnica lunedì 10 novembre 2008

2 Contenuti Processi da controllare Macchine automatiche: definizione, considerazioni, controllo del moto Dispositivi di controllo classici e basati su elaboratore Definizione di PLC e sistema basato su PLC Elementi costituenti e moduli fondamentali dei PLC Categorie di PLC e note conclusive Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

3 Processi Continui da Controllare in Ambito Industriale Controllo a Ciclo Chiuso. Riferimento Strategia di controllo Attuatori Processo Sensori Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

4 La macchina automatica Definizione: insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici assemblate secondo un ben preciso progetto con lo scopo di raggiungere una determinata produzione di beni o merci. E un insieme complesso in cui sono presenti numerosi sistemi di controllo che lavorano singolarmente su sottosistemi: Controlli logici sequenziali per la sincronizzazione globale delle operazioni. Controlli continui per il raggiungimento di lavorazioni locali (es. controllo di livello, di moto, ecc.) Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

5 Considerazioni Un macchina automatica è un sistema complesso in cui vengono eseguite operazioni discrete in sequenza (Sistema ad Eventi Discreti). La macchina ha un funzionamento ciclico. La normale produzione della macchina consiste nel continuo ripetersi di questo ciclo. Questi sistemi ad eventi discreti vengono controllati attraverso sequenze di controllo logico Il controllo logico viene generalmente implementato su controllori a logica programmabile particolarmente semplici (PLC). Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

6 Schema del controllo di una cella di lavoro robotizzata Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

7 Il controllo del moto in una macchina automatica Il controllo coordinato del moto dei mezzi meccanici operativi è di fondamentale importanza nel funzionamento di macchine automatiche per la produzione industriale. Il prodotto viene lavorato in diversi modi dalla macchina manifatturiera: ad esempio può venir trasportato, lavorato, tagliato, impacchettato, ordinato, etc. Tutte queste operazioni richiedono la manipolazione del prodotto attraverso organi meccanici in movimento. La pianificazione ed il controllo del moto risultano componenti molto importanti nel processo di progettazione e costruzione della macchina automatica. Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

8 Suddivisione del controllo nella macchina automatica Controllo del moto Controllo logico delle operazioni per la produzione Controllo del moto Controllo del moto Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

9 Architettura del sistema di controllo di una macchina automatica Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

10 Schema logico dell architettura Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

11 L attuazione del controllo in una macchina automatica Una funzione di generazione delle traiettorie o profili di moto, avente il compito di generare un profilo di riferimento per il movimento necessario alla produzione. Un regolatore in retroazione R(z) che controlla il servomotore di posizione in modo da garantire l inseguimento del profilo impostato. Un driver che fornisce potenza al motore in modo controllato dal regolatore. Un motore elettrico che trasforma la potenza elettrica in una potenza meccanica. Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

12 Schema di un controllo per assi elettrici Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

13 Dispositivi di controllo classici Monitoraggio: utilizzo di display, di segnalatori di allarme e logica digitale Sequenziamento: utilizzo di sistemi basati su relay, insieme a logica digitale e a timers, contatori Controllo a Ciclo Chiuso: sistemi di controllori (PID) basati su amplificatori DC o AC o su sistemi pneumatici (ambiente esplosivi) Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

14 Dispositivi di Controllo basati su Elaboratori (1/2) Vantaggio dell'uso di Elaboratori Flessibilità, Riusabilità, Costo Limiti dell'uso di computer tradizionali (PC) Schedulazione real-time (esigenze temporali dell'ordine ms) Ambiente industriale ostile all uomo: range di temperatura molto ampio, sporcizia, polvere (1) Presenza di forti campi elettromagnetici, disturbi elettrici (1) Alimentazione soggetta a forti variazioni di tensione (1) Nota (1) : Limiti superati dai PC industriali Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

15 Dispositivi di Controllo basati su Elaboratori (2/2) Limiti dell'uso di computer tradizionali (PC) Flusso informativo I/O: Tipologia (A/D), Quantità, Livelli di Tensione particolari (24 DCdigitale, 0-10 V, 4-20 ma-analogico) Calcolo non orientato al bit Necessità di ripristinare lo stato corrente immediatamente alla riaccensione dopo la mancanza di alimentazione (problemi relativi a Sistema operativo, stato dei registri e variabili) Linguaggi di programmazione molto lontani dai sistemi basati su relay Monitoring on-line Vantaggio dell'uso di PLC possiede tutte le caratteristiche precedenti Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

16 Definizione di PLC (norma IEC 1131) International Electro-technical Committee (IEC) Commissione Tecnica: TC65 "Industrial Process Measurement and Control Sottocommissione: SC65B "Devices Working Group: WG7 "Programmable Control Systems". 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 che analogici, vari tipi di macchine e processi. Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

17 Definizione di sistema basato su PLC (norma IEC 1131) Configurazione realizzata dall utilizzatore, formata da un controllore a logica programmabile e dalle periferiche associate, necessaria al sistema automatizzato previsto Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

18 Elementi costituenti P.L.C. HW SW P ro ce s s o re M o d u li d i I/ O A u s ilia ri O.S. M icro p ro ce s s o re D ig ita li A lim e n ta to re C on trollo A ttività In te rp re ta z io n e P ro g ra m m i M e m o ria A n a lo g ici R a ck W a tch d o g T im e r C o m u n ica z io n i Cop roce ssore R e m o ti R e te L in g u a g g i B u s P.I.D. T e rm in a le F a u lt to le ra n t S E R V O S F C L a d d e r D ia g ra m E N C O D E R F u n ctio n B lo ck D ia g ra m Lista Istru zion i T e s to S tru ttu ra to Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

19 Moduli fondamentali (1/2) Armadio. Assicura connessione meccanica, collegamento elettrico, messa a terra. Modulo Processore Processore: è possibile utilizzare microprocessori comuni o appositamente orientati alla gestione dei singoli bits. Memoria distinta in: Area S.O. (ROM) Area Lavoro per il S.O. (RAM) Area I/O (RAM) Area Programmi Utente (RAM tamponata, EPROM o Flash) Area Dati Utente (RAM) Area per Timers e Contatori RAM limitata a centinaia di Kbytes Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

20 Moduli fondamentali (2/2) Moduli I/O Analogici/Digitali Valori di ON/OFF Digitali: 0-24V Valori dei segnali Analogici trattati: 5V, 10V, 0-5V, 4-20mA in continua Isolamento galvanico tramite fotoaccoppiatori o trasformatori per proteggere il PLC da impulsi di tensione Indirizzamento dei moduli I/O basato sulla loro posizione nell'armadio Terminale di programmazione Tramite terminali a tastiera (per piccoli programmi) Tramite PC. Programmazione off-line e supervisione on-line. Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

21 Categorie di PLC Micro P.L.C.: fino a 64 punti di I/O di tipo digitale, memoria di 1 o 2KB. Piccoli P.L.C.: da 64 a 512 punti di I/O di tipo digitale ed analogico, memoria fino a 4KB, connessione in rete. Medi P.L.C.: da 512 a 2048 punti di I/O di tipo digitale ed analogico, memoria di decine di KB, connessione in rete e moduli speciali. Grandi P.L.C.: Massime caratteristiche di capacità e completezza sia per l HW che per il SW. Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

22 Esempio di PLC: Siemens S7 Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

23 Produttori di PLC Siemens Allen-Bradley Omron Telemecanique GE Fanuc Toshiba Klockner Moeller Mitsubishi Matsushita Bosch Hitachi Modicon ABB Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre

24 Bibliografia PLC e automazione industriale Pasquale Chiacchio. - Milano : McGraw-Hill libri Italia, Manuale di programmazione dei PLC : con particolare riferimento alle CPU Siemens S7-200 e al linguaggio Micro Step 7 Luca Bergamaschi. - Milano : U. Hoepli, [2000] The PLC workbook : Programmable logic controllers made easy K. Clements-Jewery, W. Jeffcoat. - London [etc.] : Prentice-Hall, 1996 PLC : i controllori programmabili Aldo Cavalcoli. - Milano : CLUP, 1987 Stefano Maggi Marco Bassetti lunedì 10 novembre