Presentazione Scopo del corso Acquisire conoscenze di base alla programmazione di PLC orientati al controllo di macchine industriali, sistemi, processi... Approccio progettuale Prerequisiti Conoscenze generali di Elettrotecnica Comprensione Schemi Funzionali Utilizzo del Personal Computer 1
Organizzazione generale del corso Orari: Lunedì Martedì dalle ore 19 alle 20 Contatti: per.ind.giulio Bernardinello gbernardinello@yahoo.it Struttura lezioni Parte introduttiva (teorica) Parte progettazione/programmazione (teorico -pratica) 2
Introduzione Cenni storici Necessità di realizzare processi produttivi, di controllo, regolazione e comando senza l'intervento umano. Rivoluzione industriale (meccanica-pneumatica) Circuiti pneumatici (aria compressa, tubo rame,..) Elettrotecnica (relè) Logica cablata con tecnologia elettrica (relè,temporizzatori,ecc.). Rivoluzione elettronica (transistor, diodi) Transistor, componente inventato nel 1945 nei laboratori Bell. Logica cablata con tecnologia elettronica analogica Rivoluzione digitale (microprocessori) Logica programmabile basata su calcolatori elettronici (PLC) 3
Introduzione Cenni storici Rivoluzione digitale Il termine digitale deriva dal termine inglese digit (cifra), per il fatto che i calcolatori elettronici operano mediante l'elaborazione di quantità numeriche elementari, i bit. 1968 - documento di specifica della General Motors nel quale si elencano le caratteristiche che avrebbero dovuto avere i controllori di nuova generazione: Facilità di programmazione e riprogrammazione, possibilmente anche sull impianto; Facilità di manutenzione (modularità); Dimensioni ridotte; Costi competitivi. Metà anni 70 - primo PLC basato su microprocessore prodotto dalla Allen-Bradley 4
Introduzione Algebra di Boole George Boole matematico inglese vissuto nell'800 Algebra booleana tratta variabili binarie che possono assumere solo due valori (0,1), denominata bit (dall'inglese "binary unit"); Circuiti elettronici: sistemi sono caratterizzati da grandezze fisiche (segnali) che assumono due gamme distinte di livelli logici H (alto) L (basso) ai quali è spontaneo far corrispondere i valori 0 e 1 detti stati logici; Elettrotecnica Relè eccitato Elettronica Bit = 1 (Vero) Relè diseccitato Bit = 0 (Falso) Collegamento in serie di contatti Logica AND Collegamento in parallelo Logico OR 5
Introduzione Algebra di Boole Tavole della verità: riportano tutte le combinazioni binarie che si possono formare tra le variabili in essa contenute: AND (serie) A B L=A*B 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Contatti in serie 6
Introduzione Algebra di Boole OR (parallelo) A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 L=A+B 0 1 1 1 Contatti in parallelo 7
Introduzione Algebra di Boole NOT (inversione) A 1 0 L=Ā 0 1 Circuito equivalente 8
Introduzione Sistemi di regolazione I sistemi di controllo di una macchina o di un qualunque processo possono essere essenzialmente essere divisi in due categorie : sistemi ad anello chiuso e sistemi ad anello aperto. Sistemi ad anello chiuso 9
Introduzione Sistemi di regolazione Sistemi ad anello aperto mancando un segnale di retroazione in questi casi non si parla di sistema di regolazione ma solo di comando 10
Hardware - concetti base Definizioni (IEC Comitato Elettrotecnico Internazionale) PLC:Controllore a Logica Prgrammabile è un sistema elettronico digitale destinato all uso in ambito industriale che utilizza una memoria programmabile per l archiviazione del programma utente orientato al controllo di macchine e processi. Sistema PLC: è una configurazione realizzata dall utilizzatore formata da un PLC e dalle periferiche associate, necessarie al sistema automatizzato previsto. In questo corso il termine PLC verrà utilizzato per indicare sia un PLC che un Sistema PLC. 11
Hardware - concetti base Configurazione minima per un PLC: Telaio o armadio (rack); Modulo alimentatore; Modulo microprocessore; Modulo di ingresso e uscita; Terminale di programmazione. Tipologie PLC compatti: per sistemi semplici (circa 40 I/O) Unico dispositivo fisico contentente tutti i componenti 12
Hardware - concetti base Tipologie PLC compatti: 13
Hardware - concetti base Tipologie PLC modulari Sistemi complessi Architettura a bus (proprietario): una maggiore capacità di elaborazione; una capacità di trattare un numero elevato di ingressi e uscite; la possibilità di comunicare attraverso reti informatiche; la possibilità di realizzare interfacce uomo-macchina complesse (SCADA) 14
Hardware - concetti base PLC modulari Il Bus è un insieme di linee elettriche, raggruppate per funzioni, che connettono tra loro varie schede o moduli è caratterizzato dal protocollo attraverso il quale i moduli possono usare le linee elettriche per comunicare tra loro definisce anche le caratteristiche elettriche e meccaniche dei connettori che servono per collegare i moduli tra loro. 15
Hardware - concetti base Tipologie PLC modulari 16
Hardware Modulo microprocessore (CPU) Rappresenta il cuore di un sistema PLC La CPU compie operazioni logiche e matematiche, contenute nel programma utente; Programma : elenco di operazioni che deve compiere la CPU; La CPU esegue anche istruzioni della logica binaria (AND,OR..) può essere utilizzato per elaborare segnale elettrici e comandare delle macchine; Conseguenza: Ogni schema funzionale può essere tradotto in una sequenza di istruzioni per un microprocessore. 17
Hardware Modulo microprocessore (CPU) - Memoria La CPU è dotata di una serie di memorie: la memoria ROM (Read Only Memory) Contiene il Firmware (Sistema Operativo) del PLC; Non modificabile. la memoria RAM (Random Access Memory) La CPU pone i dati del programma utente; Memoria di tipo volatile. 18
Hardware Modulo microprocessore (CPU) - Memoria la memoria EEPROM (Elettrically Erasable Programmable Read Only Memory) viene memorizzato il programma dell utente; Memoria non volatile; Aggiornamento tramite opportuni impulsi elettrici; Mantenimento del programma utente in qualsiasi condizione di funzionamento. 19
Hardware Comparazione tra PC e PLC 20
Hardware Modulo Alimentatore Il modulo alimentatore deve garantire l alimentazione anche in presenza di microinterruzioni della rete. Modulo alimentatore = trasformatore + circuito rettificatore + stabilizzatore + circuito di protezione da sovraccorrenti e cortocircuiti. I moduli alimentatori di ultima generazione prevedono una segnalazione al modulo processore in caso di mancanza di alimentazione dalla rete. Questa segnalazione può essere utilizzata per attivare una procedura speciali prima dello spegnimento. 21
Hardware Modulo di ingresso e di uscita Possono essere sia analogici che digitali. Consentono di interfacciare il PLC direttamente con sensori ed attuatori senza l utilizzo di ulteriori sistemi di condizionamento del segnale. I livelli di tensione comunemente utilizzati per i moduli digitali sono: (0,24) V, (0,220) V (continua o alternata), (0,5) V e (0,50) V (continua). I valori tipici dei segnali trattati dai moduli analogici sono (-5,5) V, (10,10) V, (0,5) V oppure (4,20) ma. La trasmissione in corrente viene spesso utilizzata in ambito industriale perchè meno sensibile ai disturbi elettromagnetici e perchè permette di risparmiare un cavo per ogni collegamento. Data la diffusione di sensori quali termocoppie e RTD esistono moduli di ingresso per il loro utilizzo diretto. 22
Hardware Terminale di programmazione Un PLC non prevede né tastiera né schermo, quindi la sua programmazione deve essere effettuata tramite un dispositivo esterno. Per i vecchi modelli di PLC (e ancora oggi per alcuni PLC piccoli) venivano utilizzati dei terminali a tastiera 23
Hardware Programmazione da PC Oggi tutti i PLC vengono programmati attraverso un Personal Computer sul quale viene eseguito il sistema di sviluppo proprietario. 24
Hardware Moduli speciali Moduli di ingresso e uscita remoti Moduli per la comunicazione di rete (Ethernet, Profibus, ) Moduli Servo (per il controllo di motori passo passo) Moduli Encoder (dotati di contatori ad alta velocità) Moduli Interfaccia Utente (Pannelli Operatore) 25
Principio di funzionamento (1) Ingressi S E N S O R I Uscite HARDWARE Consensi Comandi A T T U A T O R I SOFTWARE PLC 26
Principio di funzionamento (2) UNITA' DI PROGRAMMAZIONE MEMORIA PROGRAMMA PLC CPU MEMORIA DATI 1 0 C A M P ALIMENTATORE MEMORIA DI MASSA STAMPANTE UNITA' CENTRALE SIMULATORE UNITA' I/O O PERIFERICHE 27
Normative Le norme sono documenti di standardizzazione emessi da comitati tecnici nazionali, europei o internazionali, nei campi più svariati della tecnologia; Direttive sono le leggi emesse dal Parlamento Europeo; Le normative nel mondo: le norme di orientamento generale in quasi tutti i campi, dal comitato ISO; (Nota: Il termine "ISO" non è un acronimo anche se in inglese l'iso viene anche chiamata International Standards for Organizations. Il termine "ISO" deriva invece dal greco ἴσος (pronuncia: isos) che significa "uguale". Se fosse un acronimo dovrebbe essere OIN per il nome italiano, IOS per quello inglese, OIN per quello francese, ecc. quindi i fondatori scelsero ISO come abbreviazione universale) 28
Normative le norme di orientamento elettrico ed elettronico, dalla commissione IEC (International Electrotechnical Commission); In Italia la gestione delle norme tecniche è curata da questi due enti : l UNI, che emette norme norme di orientamento generale; il CEI, che emette le norme nei settori Elettrico, Elettronico e Telecomunicazioni. 29
Normative L iter delle norme tecniche (detti Standard in inglese) a partire dai comitati internazionali, passando per i comitati europei, arriva agli enti italiani, risulta il seguente: 30
Normative Le norme elettriche che incidono nella progettazione e programmazione di un PLC sono essenzialmente due : Dato che l applicazione prevalente dei PLC è sugli impianti a bordo macchina la norma EN 6024-1 è quella più importante da conoscere. 31
Normative Le norme di prodotto relative ai PLC sono invece : 32
Numeri binari e variabili Introduzione al sistema di numerazione binaria e di come è utilizzato all interno dei PLC; Riferimento alla norma quadro sulla programmazione dei PLC, la IEC 61131-3; Il concetto di rappresentazione dei numeri decimali con un numero binario deve essere chiaro, in quanto i PLC hanno vari modi di rappresentare i numeri al loro interno, che in fase di programmazione si dovranno scegliere sulla base delle proprie esigenze. 33
Bit Bit : informazione digitale di base; Cella di memoria che fisicamente è costituita da un transistor e che si considera che possa valere 0 (quando non attivo) o 1 (quando attivo); Raggruppando i Bit si ottiene: 34
Nibble Unità di misura per indicare 4 bit; Rappresenta comunemente la metà di un byte; Utilizzato specialmente per rappresentare in binario ogni singola cifra esadecimale, potendo esprimere con 4 bit i valori compresi tra [0000,1111] cioè [0,15] o [0,F] in esadecimale; Con un nibble è possibile rappresentare una cifra della codifica BCD. 35
Bit, Byte e Word Utilità della rappresentazione binaria Esempio 1 Nei PLC le Word sono tipicamente organizzate nel seguente modo: Ne consegue che una word viene a rappresentare un numero decimale intero nel range : - 32760... + 32768 Questa variabile tipicamente è chiamata Numero Intero (o Integer ). 36
Bit, Byte e Word Esempio 2 Una DoubleWord è un elemento nella memoria di un microprocessore costituito da 2 word, cioè 32 bit, e permette 232 combinazioni. Nei PLC è tipicamente utilizzata per visualizzare un numero a virgola mobile, detto anche Floating, secondo lo standard americano IEEE-754. In tal modo si rappresenta un numero nel range : - 3,4028 x 10-38... + 3,4028 x 1038 detto anche Numero Reale (o Real). 37
Bit, Byte e Word Esempio 3 Il Byte molto spesso è utilizzato per rappresentare dei caratteri alfanumerici A tal fine, agli albori dell era informatica, è stata creata una tabella dei caratteri ASCII, la quale esprime l equivalenza di un byte con una lettera o un simbolo della tastiera. Ad esempio se un byte vale 65 significa che rappresenta la lettera A. Byte (8 bit) 0100 0001 Significato decimale 65 Carattere rappresentato A I PLC tipicamente funzionano a 16 bit si tratta sempre di informazioni organizzate come Word. 38
Bit, Byte e Word Tabella codici ASCII 39
Bit, Byte e Word Aritmetica binaria Il sistema di numerazione binario è basato sull'uso dei simboli 0 e 1 ; Associati agli stati logici assumibili da una variabile binaria, risulta compatibile con la logica booleana; La disposizione ordinata delle cifre binarie, permette di codificare espressioni numeriche secondo una logica del tutto analoga alla usuale numerazione decimale; Ogni singolo bit assume un peso corrispondente alla sua posizione sulla base di una progressione di potenze di 2; esempio: 10111B= 1*24+0*23+1*22+1*21+1*20= 23D 40
Bit, Byte e Word Aritmetica binaria Conversione decimale-binario; Dato un numero in formato decimale, il corrispettivo binario si ottiene operando successive divisioni per due sui quozienti così ottenuti (fino ad ottenere come risultato zero): I Resti di ciascuna divisione rappresentano la sequenza di bit del valore binario, a partire dal bit meno significativo (LSB): 41
Bit, Byte e Word Aritmetica binaria Conversione decimale-binario - ESEMPIO 125 :2 1 62:2 0 31:2 1 15:2 1 7:2 1 3:2 1 1:2 1 LSB MSB 0 RESTO Valore binario : 1111101 (125D) 42
Bit, Byte e Word Numerazione binaria meno compatta e scomoda della decimale; Sono state introdotte codifiche più compatte : Codifica ottale : un simbolo a una campo di 3 bit (base 8-23) es. 100101110010B = 100 101 110 010 = 4 5 6 2 = 4562O 7321O =7*83+3*82+2*81+1*80= 3793D Codifica esadecimale : un simbolo a un campo di 4 bit (base 16 24) es. 0111010011101010B = 0111 0100 1110 1010 = 7 4 E A = 74EAH 74EAH = 7*163+4*162+14*161+10*160= 29920D 43
Bit, Byte e Word Tabella corrispondenza : binario-esadecimale-decimale Binario Esadecimale Decimale 0000 0 0 0001 1 1 0010 2 2 0011 3 3 0100 4 4 0101 5 5 0101 5 5 0110 6 6 0111 7 7 1000 8 8 1001 9 9 1010 A 10 1011 B 11 1100 C 12 1101 D 13 1110 E 14 44
Segnali analogici Problematiche inerenti all'uso dei segnali analogici nei sistemi di automazione industriale e loro gestione tramite PLC; Nelle automazioni, nei sistemi di climatizzazione, e nell industria di processo si presenta spesso il problema di gestire temperature, pressioni, pesi, portate ed altre variabili legate a fenomeni fisici ; Queste misure vengono trasformate in segnali elettrici da appositi strumenti di misura detti convertitori o trasduttori; Successivamente questi segnali elettrici vengono acquisiti dal sistema di controllo che li elabora e comanda degli attuatori sulla base di un programma. 45
Segnali analogici Modalità di gestione del sistema di controllo dal segnale proveniente dai sensori fino alla programmazione per realizzare la gestione delle uscite, e quindi il funzionamento di tutto l apparato. 46
Sensori analogici Negli strumenti di misura generalmente si distinguono due componenti: Il trasduttore :converte la grandezza fisica in un segnale elettrico; Il convertitore : adatta il segnale elettrico del trasduttore agli standard dei segnali analogici. per alcune misure di temperatura si usa installare nell impianto solamente il trasduttore, mentre la conversione e linearizzazione del segnale è realizzata all interno del sistema di controllo. 47
Sensori analogici Gli strumenti di misura dotati di convertitore a bordo hanno il vantaggio di poter effettuare compensazioni locali della misura: ad esempio i misuratori di portata talvolta hanno anche una sonda della temperatura ambiente per correggere la misura a seconda della variazione della densità del fluido misurato; Nei convertitori i costruttori programmano le linearizzazioni degli errori di misura del trasduttore, le tarature ed i range di lavoro, dando all utilizzatore finale un prodotto pronto all uso ed accompagnato dal Certificato di Taratura. 48
Misure analogiche I segnali analogici si contrappongo a quelli digitali in quanto assumono qualunque valore elettrico nel range di lavoro; Un segnale digitale per definizione assume solo due valori, uno alto che rappresenta lo stato 1 (ad esempio 24Volt) ed uno basso che rappresenta lo stato 0 (ad esempio 0 Volt); Un segnale analogico invece può assumere tutti i valori compresi tra i due estremi del campo, cosicché può rappresentare il valore di una grandezza fisica così com è nella realtà (umidità, peso, temperatura,...) In altri casi non esiste un semplice trasduttore, in quanto la misura della grandezza fisica è molto complessa, come nel caso di analisi chimiche; 49
Misure analogiche il segnale analogico non esce da un trasduttore direttamente, ma da una scheda a microprocessore che lo elabora; è il caso di misure di ph, proprietà di Gas, Liquidi, ecc.. per eseguire una misura di Potenza si devono combinare assieme le 3 correnti e le 3 tensioni di un sistema elettrico trifase. 50
Comandi analogici Nel caso in cui devo comandare apparti particolari come: Valvole proporzionali Serrande Inverter Strumenti indicatori analogici 51
Segnali analogici standardizzati In tensione : 0-10 [Vcc] In corrente : 4-20 [ma] Segnali in tensione Semplici da utilizzare Basso costo Scarsa immunità disturbi Distanze raggiungibili tra sensore/convertitore PLC circa 15-20 [m] 52
Segnali in corrente Il più utilizzato Alta immunità ai distrurbi elettromagnetici Tratte di cavo 200-300 [m] senza particolari accorgimenti; Ampio range di alimentazione 12 30 [Vdc] possibilità di alimentare lo strumento di misura con lo stesso segnale, risparmiando sul lavoro di cablaggio e sui cavi; possibilità di portare lo stesso segnale anche a più destinatari (registratori su carta, visualizzatori, PLC), collegandoli in serie, formando il cosiddetto Loop di corrente ; 53
Segnali in corrente Loop di corrente è necessario che la somma dell impedenza interna di ciascun destinatario non sia superiore al carico massimo alimentabile dallo strumento di misura, che tipicamente è di 500 Ω; 54
Conversione Analogica-Digitale I PLC sono dotati nei loro ingressi di convertitori Analogico/Digitali che convertono il segnale elettrico in ingresso in un vero e proprio numero, che rappresenta il valore del segnale analogico acquisito; Tipicamente questo numero non esprime il segnale in ma o Volt e né la misura in unità fisiche reali (metri, gradi, litri, ecc), ma si tratta di una word che varia dal massimo al minimo nello stesso Range del segnale elettrico analogico; Le caratteristiche salienti di un convertitore Analogico/Digitale : Velocità di conversione Risoluzione esperessa in numero di bit (la precisione). 55
Conversione Analogica-Digitale un buon convertitore è costituito da una uscita a 14 bit, ma talvolta per contenere i costi si utilizzano moduli di ingressi analogici da 12 bit o anche a 10 bit; il bit del segno non si considera, in quanto non incide nella risoluzione; Per quanto riguarda la velocità di conversione : compresa tra i 20-60 Hz. Funzione da filtro, in quanto elimina eventuali variazioni troppo rapide del segnale in ingresso, dovute ad esempio a disturbi elettrici. 56
Conversione Analogica-Digitale Esempi sulle precisioni risultanti a seconda del numero di bit adottati dal convertitore per segnali in ingresso di tipo 4-20 ma e 0-10V: La risoluzione è in pratica la minima variazione apprezzabile dal convertitore, ossia il rapporto 20mA / Valore massimo ( o 10 V / Valore massimo); 57
Conversione Analogica-Digitale Per i segnali 4-20 ma, la precisione sulla misura reale non è determinabile allo stesso modo di quella relativa al segnale 0-10V, in quanto i primi 4 ma sono convertiti dal sistema ma non fanno parte della misura reale; E quindi necessario dividere il Fondo Scala (f.s.) delle unità ingegneristiche per il valore di conteggi che varia nell intervallo 420 ma. 58
Conversione Analogica-Digitale Ad esempio se al segnale 4-20mA è collegato un sensore di pressione con range 0-10 Bar la risoluzione ottenuta con un convertitore a 12 bit : NON è di 10 Bar / 4096 = 0,0024 Bar ma è di 10 Bar / 3277 = 0,003 Bar 59
Gestione guasti Il segnale 4-20 ma permette il riconoscimento di situazioni di guasto o comunque di anomalie; Tutta la gamma di valori da 0 a 4 ma sono infatti invalidi e rappresentano una situazione di errore; E quindi necessario configurare il sistema di controllo affinché la gestione dell automatismo venga sospesa nel caso in cui il valore della corrente in ingresso sia inferiore a 4mA; Dato però che a seconda del numero di bit utilizzato dal convertitore A/D si hanno valori diversi della soglia dei 4 ma, possiamo estrapolare questi valori dalle precedenti tabelle: 60
Gestione guasti quando il valore espresso dal convertitore è inferiore al numero indicato significa che l ingresso analogico corrispondente è in una situazione di guasto o malfunzionamento 61
Conversione unità ingegneristiche Unità Ingegneristiche (kg, lt, Bar, C, ecc). Nei PLC, la conversione di un segnale analogico nella misura reale deve essere fatta con opportuni calcoli da inserire nel programma; E' necessario trasformare la Word espressa dal modulo di conversione A/D dell ingresso nel valore della misura in Unità Ingegneristiche; Per comprendere questo aspetto facciamo un esempio reale: 62
Conversione unità ingegneristiche Sistema composto da: Un trasmettitore di pressione, con uscita 4-20mA e range di lavoro 0-10 Bar; Un PLC con scheda di acquisizione A/D a 14 bit, (range numerico 0-16384) Si ipotizza che venga trasmesso un segnale di 16,3 ma. In tale situazione la scheda di acquisizione riporta un dato numerico = 13360 (decimale) desumibile anche dal calcolo 16,3 / 0,00122 (risoluzione su 0-20mA). Questo numero non è ancora la misura in quanto è sporcato dalla parte di segnale in ma estranea alla misura, ossia quella da 0 a 4 ma, che il convertitore acquisisce comunque; 63
Conversione unità ingegneristiche E quindi necessario epurarlo dalla parte in eccesso, detta Offset, che per il caso in questione è pari a : Offset = 4 / (20mA/16384) = 3277 Eliminare dal numero ottenuto con la conversione diretta il numero che esprime effettivamente la misura acquisita: Segnale Reale = Segnale Analogico - Offset = 13360-3277 = 10083 (decimale) Calcoliamo il numero massimo di conteggi che il convertitore utilizza quando acquisisce il segnale in ingresso nel range 4-20mA : Valore massimo di lavoro = 16384-3277 = 13107 Questo ci permette di calcolare la risoluzione della conversione, rapportando il Fondo Scala delle Unità Ingegneristiche con il valore massimo di conteggi elaborati dal convertitore: Fondo Scala Misura / conteggi = 10 / 13107 = 0,00076 Bar/conteggio 64
Conversione unità ingegneristiche Riassumendo: 1. Il trasmettitore invia un segnale 4-20mA equivalente a 010Bar; 2. Il convertitore A/D esprime questa misura con un numero che varia da 0 a 13107. 3. Ogni numero espresso dal convertitore vale 0,00076 Bar E ora possibile moltiplicare il numero che rappresenta il Segnale Reale con la precisione: Misura Rilevata = 0,00076 * 10084 = 7,69 Bar 65
Conversione unità ingegneristiche Schema di scalatura segnale analogico 66