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

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1 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Sistemi di controllo industriale general-purpose purpose: : PLC Prof. Alberto Tonielli, Ing. Andrea Tilli DEIS Alma Mater Studiorum Università di Bologna atonielli,, atilli@deis.unibo.it Revisionato: 20/10/2006

2 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, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 2

3 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 Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 3

4 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 Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 4

5 Evoluzione storica dei dispositivi per il Controllo Logico Sistemi cablati per la realizzazione del controllo di sequenze Funzioni Logiche con Contatti Elettrici Funzione OR Funzione AND V+ V- Forma canonica SP LADDER DIAGRAM o LINGUAGGIO A CONTATTI Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 5

6 Evoluzione storica dei dispositivi per il Controllo Logico Il Relais industriale è il mattone elementare per la realizzazione di funzioni logiche con contatti I Schema in V F Contatti N.C. in apertura A F B out N.A. in chiusura Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 6

7 Evoluzione storica dei dispositivi per il Controllo Logico 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 Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 7

8 Evoluzione storica dei dispositivi per il Controllo Logico Rappresentazione del Relais nel Ladder Diagram IN OUT OUT OUT V+ V- Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 8

9 Evoluzione storica dei dispositivi per il Controllo Logico Motivi elettrici I relais sono fondamentali: perché? 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) Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 9

10 Evoluzione storica dei dispositivi per il Controllo Logico Esempio: comando motore Consenso Prossimità Motore on Indicatore on misure comandi Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 10

11 Evoluzione storica dei dispositivi per il Controllo Logico Esempio: comando motore Schema di automazione a Relais C P R1 R2 C P R1 AND R2 M M I I R2 V+ V- Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 11

12 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, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 12

13 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) Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 13

14 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 p standard set di istruzioni più ampio progetto standard necessità di un interprete Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 14

15 PLC: caratteristiche Hardware Sezione di ingresso/uscita grande modularità/componibilit 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, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 15

16 PLC: caratteristiche Hardware Memoria programmi RAM batterizzata per lo sviluppo del programma EPROM per la versione definitiva suddivisa in sezione di ingresso sezione di uscita sezione di stato accesso bit, byte, word Memoria dati Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 16

17 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, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 17

18 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 Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 18

19 PLC: caratteristiche Hardware Interfaccia di rete locale ethernet,, proprietaria Moduli speciali 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 Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 19

20 Soft PLC 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. Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 20

21 PLC: modello di esecuzione Sistema REAL TIME S. O. TIME DRIVEN Anche multitasking Tempo di scansione singolo (generalmente) Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 21

22 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 Aspetta inizio Ts Attuazione output Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 22

23 PLC: modello di esecuzione LEGENDA Struttura generale del software Con sfondo grigio: operazioni di inizializzazione inizializzazione da rete e da run/stop sono mutuamente esclusive Con sfondo azzurro: ciclo real-time 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 Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 23

24 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 Prof. A. Tonielli, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 24

25 PLC: linguaggio di programmazione Filosofia originaria linguaggio orientato alla specifica applicazione (automa a stati finiti) naturale per tecnici esperti del problema eliminare l intermediazione l dell esperto 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, Ing. A. Tilli - DEIS - Univ.. di Bologna Programmable Logic Controller 25

26 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Sistemi di controllo industriale general-purpose purpose: : PLC FINE Prof. Alberto Tonielli, Ing. Andrea Tilli DEIS Alma Mater Studiorum Università di Bologna atonielli,, atilli@deis.unibo.it