Componenti per l automazione industriale Gest. Aziend. Pian. Prod. EDP PIMS Supervisione Controllo di base SCADA PLC / PID DCS Misura e comando Sensori e attuatori
Architettura a singolo anello Realizzata tramite un regolatore (PID) industriale. Sono a disposizione pacchetti software per la sua gestione. L interfaccia con il PC avviene tramite linea seriale RS232. Quando i regolatori impiegati sono numerosi può essere opportuno avere un sistema SCADA. Un PC (industriale) può essere usato direttamente come controllore (con opportune schede di I/O e opportuno sistema operativo e software).
PLC (Programmable Logic Controller) E un componente molto usato nell automazione industriale. Sostituisce i dispositivi elettromeccanici che realizzavano una logica a contatti. Un controllore a logica programmabile è un 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 (standard 1131 del Comitato Elettrotecnico Internazionale) Un sistema controllore a logica programmabile è la configurazione, realizzata dall utilizzatore, formata da un controllore a logica programmabile e dalle periferiche associate, necessaria al sistema automatizzato previsto. Nell uso comune, con il termine PLC si indica indifferentemente sia il PLC vero e proprio, cioè la scheda processore, sia l intero sistema completo delle sue schede d interfaccia.
Componenti di un PLC Figura Chiacchio pag. 9 Modulo processore: è il vero e proprio PLC ed è costituito essenzialmente da una scheda a microprocessore con un architettura simile a quelle dei calcolatori convenzionali. Esso controlla e supervisiona tutte le operazioni eseguite all interno del sistema, attraverso l esecuzione delle istruzioni contenute nella memoria. Moduli di ingresso/uscita: sono delle schede che permettono l interfacciamento tra la microelettronica del PLC e il mondo esterno, e devono perciò provvedere al condizionamento dei segnali e all isolamento. Modulo alimentatore: è una scheda che alimenta tutti gli altri moduli presenti nell armadio. Connesso alla rete di alimentazione elettrica, tale modulo fornisce una o più tensioni stabilizzate con un massimo di corrente erogabile.
Armadio (cestello, rack): contiene e racchiude tutti gli altri moduli, assicurandone la connessione meccanica e il collegamento elettrico. Ha in genere la forma di un parallelepipedo aperto su di un lato che permette l inserimento dei moduli che risultano collegati elettricamente tra di loro grazie alla presenza, sul lato opposto, di un circuito stampato con dei connettori. E di metallo e deve essere connesso elettricamente a terra, sia per ragioni di sicurezza sia per meglio schermare i moduli alloggiati. Terminale di programmazione: può essere o un dispositivo particolare o un semplice personal computer e serve per la programmazione del PLC che non ha usualmente dispositivi di interfaccia con l uomo. Il terminale di programmazione viene connesso al PLC solo quando viene utilizzato tramite una porta seriale e/o una rete informatica. Esistono alcuni piccoli sistemi PLC che non sono modulari, non prevedono il rack, e racchiudono in un unico dispositivo alcuni o tutti i componenti sopradescritti.
Modulo processore Le modalità tipiche di un PLC, spesso attivabili tramite una chiave hardware per prevenire commutazioni accidentali, sono quelle di esecuzione (RUN), di validazione e di programmazione. Modalità di esecuzione: il programma utente viene eseguito e le uscite aggiornate secondo la seguente modalità: Lettura ingressi (IPI) Esecuzione programma Autodiagnostica Scrittura uscite (IPU) Modalità di validazione: il programma viene eseguito ma l aggiornamento delle uscite è disabilitato (fase di test del software). Modalità di programmazione: il programma viene scaricato.
Moduli di ingresso/uscita Sono sia digitali che analogici e permettono, nella maggior parte dei casi, di connetter direttamente il PLC ai vari dispositivi presenti sul campo, riducendo al minimo la necessità di ulteriori condizionamenti del segnale. La modularità prevista per i moduli di I/O e la disponibilità di molti differenti tipi rendono possibile una realizzazione del sistema PLC tagliata per il particolare problema che si sta affrontando. Il loro indirizzamento da programma, cioè gli indirizzi delle parole di memoria dove vengono memorizzati gli stati degli ingressi e delle uscite, dipende da dove fisicamente il modulo viene posto nell armadio, o negli armadi del PLC.
Moduli speciali Nell ambito di un sistema PLC esiste una vasta gamma di moduli che realizzano delle funzionalità speciali in maniera da rendere il sistema ancora più flessibile e più adeguato a rispondere a diverse esigenze. Moduli di I/O remoto. Se il numero di punti di ingresso e di uscita è elevato ed essi sono inoltre disposti su una superficie molto estesa, è conveniente realizzare il cosiddetto I/O remoto. In questo caso, vi sono armadi di I/O sparsi nell impianto che sono poi collegati al PLC attraverso un modulo di I/O remoto che provvede a inviare lo stato degli ingressi e delle uscite dell armadio in cui è montato attraverso una linea seriale. Moduli per la connessione in rete. Sono moduli che gestiscono i protocolli di comunicazione per le diverse tipologie di reti informatiche che possono coinvolgere un sistema PLC (bus di campo, reti proprietarie, Ethernet). Moduli coprocessore. Sono moduli che contengono un vero e proprio calcolatore convenzionale il quale può accedere direttamente ai dati contenuti nella memoria del PLC. Con tali moduli è possibile eseguire elaborazioni anche complesse attraverso programmi scritti in linguaggi di programmazione classici come il Basic o il C.
Moduli PID. Se la regolazione PID non è disponibile, o non può essere eseguita direttamente dal PLC a causa della lunghezza del ciclo di scansione, tale modulo permette di avere a disposizione alcune anelli PID a cui il PLC deve limitarsi a fornire i riferimenti. Contengono le funzionalità tipiche dei regolatori industriali (autosintonia, commutazione bumpless A/M). Moduli di servo. Sono moduli che realizzano direttamente e in maniera autonoma, l asservimento di uno o più motori a passo, idraulici, in c.c., con encoder incrementali. Nota: la temporizzazione dei PLC è molto maggiore delle costanti di tempo dei servomeccanismi di posizione, per cui è necessario avere delle schede di controllo assi. Moduli encoder. Realizzano tutte le funzionalità necessarie per utilizzare uno o più encoder incrementali o assoluti. Sono essenzialmente moduli con contatori ad alta velocità. Moduli interfaccia operatore. Rendono possibile il colloquio di un operatore con il PLC attraverso tastiere e display alfanumerici. Attualmente questo tipo di funzionalità viene sempre più spesso realizzato con calcolatori tradizionali connessi in rete con i PLC.
Classificazione dei PLC MicroPLC: trattano fino a 64 punti di I/O, generalmente tutti di tipo digitale. Non hanno una struttura modulare ad armadio e sono principalmente utilizzati come sostituzioni di logiche a relè in applicazioni come il controllo di ascensori, lavatrici, ecc. Piccoli PLC: trattano da 64 a 512 punti di I/O, in maggior parte digitali ma anche analogici. Hanno struttura modulare ad armadio. Medi PLC: trattano da 64 a 512 punti di I/O, hanno struttura modulare ad armadio, gestiscono I/O remoti e sono arricchibili con moduli speciali. Grandi PLC: trattano migliaia di I/O e sono di solito utilizzati come supervisori di celle automatizzate.
Programmazione dei PLC Il programma viene codificato in uno dei formalismi messi a disposizione del costruttore attraverso un dispositivo di programmazione (attualmente ormai sempre un PC) che poi lo compila e trasmette al microprocessore del PLC. Tra i vari linguaggi, recentemente standardizzati dalla normativa IEC1131, i più diffusi risultano essere il Ladder-Diagram, che riproduce praticamente uno schema elettrico funzionale, il Logic-Chart che fa invece uso di porte logiche (AND, OR, NOT) ed il linguaggio istruzioni, più vicino alle modalità di programmazione a basso livello del microprocessore stesso (basati sulla logica dello STACK). START Marcia STOP Marcia START Marcia OR Marcia STOP AND Load MARCIA Load STOP not and Load START or Store MARCIA Ladder Diagram Logic Chart Linguaggio strutturato
Sistemi SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) E un software modulare che supporta la funzioni di acquisizione dei dati e la loro archiviazione, l interfaccia uomo-macchina con sinottici statici e dinamici, grafici (trend), il monitoraggio e la gestione allarmi e il controllo. Il nucleo di tale struttura è rappresentato dalla base dati di processo a cui tutti gli altri moduli che compongono il sistema fanno riferimento. Figura Chiacchio pag. 157 Non tutti i moduli sono necessariamente presenti!
La base dati di processo E il nucleo di ogni sistema SCADA. Già un sistema di controllo di piccole e medie dimensioni deve tipicamente gestire centinaia se non migliaia di punti di interfaccia con il processo e sarebbe quindi impossibile gestire il flusso di informazioni relativo con moduli software specifici. Vi è quindi la necessità di avere un metodo sistematico per processare tale informazioni, conservando insieme ad esse tutta una serie di parametri che sono necessari per la corretta gestione dell informazione.
Modulo di comunicazione (driver) Si occupa essenzialmente della gestione delle comunicazioni con i vari dispositivi e del controllo del trasporto delle informazioni, gestito attraverso tecniche classiche di comunicazioni, via linea seriale o rete informatica. Si deve anche occupare dell interpretazione dei messaggi e del legame bidirezionale tra base dati del processo e dispositivi (RTU: Remote Terminal Unit). Può anche consentire la comunicazione con altri applicativi in esecuzione sullo stesso elaboratore, ottenuta attraverso gli strumenti tipici dell ambiente operativo (ad es. uno SCADA che funziona in ambiente Windows è fornito di un driver per il DDE che permette il collegamento tra lo SCADA e altri applicativi come un foglio elettronico e un programma di gestione data base tradizionale).
Interfaccia operatore Deve permettere come minimo l accesso alla base dati (selezione delle variabili, dei campi, ordinamento su campi specificati, interrogazione). E inoltre prevista la possibilità di impostare delle pagine grafiche che rappresentano pannelli di comando e quadri sinottici dell intero impianto o parti di esso. I pannelli di comando permettono all utente di inviare comandi tramiti simboli grafici. Nei quadri sinottici vi sono elementi statici e dinamici (è importante la coerenza, ad esempio per gli allarmi). A disposizione vi è una libreria di oggetti grafici per configurare a piacere sinottici anche complessi. Attualmente vi sono sviluppi multimediali (filmati, comandi vocali, ecc.).
Gestione allarmi E possibile programmare i tipi di allarme e definirne le priorità. Oltre ad essere comunicata immediatamente all operatore, l insorgenza di un allarme viene in genere memorizzata su memoria non volatile per consentire un analisi a posteriori del numero, della frequenza e del tipo di allarmi verificatosi nell impianto. Gestione ricette Deve gestire delle sequenze di operazioni predefinite. Tali sequenze possono essere fatte eseguire sulla base di scadenze temporali, o al verificarsi di eventi particolari, o immediatamente alla richiesta dell operatore. In genere l uso delle ricette serve ad impostare i dati di impianto di ciascun processo in un ambiente multiprocesso e i dati di ciascun prodotto in un ambiente multiprodotto. Tali dati rappresentano i parametri che devono essere forniti alle macchine che eseguono effettivamente le varie fasi della lavorazione.
Tendenze e rapporti Tiene traccia dei ritmi di produzione, sia attraverso serie storiche (a scopo di diagnostica oppure per soddisfare obblighi di legge), sia attraverso la rappresentazione grafica in tempo reale (per poter intervenire tempestivamente in caso di malfunzionamento). Il sistema SCADA può generare rapporti (cartacei e/o informatici) in corrispondenza di scadenze temporali impostate oppure al verificarsi di eventi particolari. Supporto alla manutenzione Manutenzione correttiva: individuazione dei guasti e segnalazione all operatore del tipo di intervento richiesto. Manutenzione preventiva: segnalazione degli interventi che vanno compiuti o dopo un tempo prefissato oppure dopo un certo numero di ore di funzionamento.
Sistema esperto Supporto per la decisione della modalità di comportamento del sistema in risposta a determinati eventi. Utilizzo di tecniche di intelligenza artificiale. Controllo statistico di processo Si fa un analisi statistica dei dati (media, varianza) per verificare eventuali malfunzionamenti.
DCS (Distributed Control Systems) Originariamente il nome er riferito al fatto che le funzioni di controllo e supervisione erano distribuite tra più CPU. Oggi si intende che le diverse CPU sono distribuite all interno dell impianto e la capacità di elaborazione è portata laddove serve, con la riduzione dei costi di installazione, dei cablaggi e della manutenzione. Componenti fondamentali sono le unità a microprocessore per la gestione degli I/O (usualmente localizzate in modo opportuno nell impianto) e del controllo, le interfacce uomo-macchina (disposte nelle sale di controllo) e le strutture di comunicazione (reti digitali). Si contraddistinguono rispetto ai PLC per la ricchezza a livello informatico, per l uso di reti digitali di grande potenza e per aspetti elettronicomeccanici di costruzione (ridondanza).
Architettura hardware Unità di controllo e misura (UCM): interfaccia verso il campo, funzioni di controllo (PID, PLC, avanzate) gestione delle comunicazioni verso la rete. Spesso tutti i componenti sono ridondati. Rete di processo: deve essere in grado di sopportare il traffico conseguente al numero e alla dislocazione delle UCM e di tipo e numerosità dei relativi segnali di I/O. Interfaccia operatore: PC con WindowsNT, monitor che forniscono una visione del processo (grandi dimensioni), workstation tecniche per la configurazione
Funzionalità Supervisione: o gestione ed elaborazione dei dati (grafici degli andamenti, individuazione degli allarmi, ecc.); o interfaccia uomo-macchina (per la conduzione dell impianto, per la segnalazione degli allarmi, per la configurazione del sistema, per la diagnostica, per la gestione della produzione, ecc.). Controllo: o regolazioni analogiche (PID, MPC, ecc.); o regolazioni logiche; o sequenze di processo (ad es. all avvio). Protezione: o Scoperta di condizioni di funzionamento anomale non recuperabili e conseguente arresto del processo e messa in sicurezza.
Configurazione del sistema Denominare i segnali sui canali di ingresso e indicarne la tipologia. Assegnare i limiti di allarme. Costruire gli schemi di regolazione (graficamente). Costruire sinottici animabili. Costruire le pagine di stampa. Assegnare le frequenze di campionamento e memorizzazione dei segnali acquisiti. Effettuare la taratura dei parametri dei regolatori. Creare e installare la base di dati.
Software Software esecutivo. Costituito dai sistemi operativi di calcolatori e microprocessori (WindowsNT per PC e workstation, kernel real-time per i microprocessori delle UCM). Software di supporto di sistema. Programmi che aiutano l utente nello sviluppo di applicativi (compilatori, editor, ecc.). Software applicativo. Per le funzioni di controllo e supervisione (lettura degli ingressi, calcolo delle variabili di controllo, ecc.). Software di comunicazione. Software di configurazione. Editor grafici per la creazione delle pagine video, ecc.
gestione dell impianto Calendario di produzione (PIMS) Report di produzione strategie di produzione gestione dell unità produttiva DateBase delle ricette (DCS / SCADA) PV, MV, A/M SV, P,I,D controllo del processo produttivo PID control (DCS / PLC) PV, Allarmi MV dispositivi sul campo
Sistemi di comunicazione per architetture di controllo distribuite Reti informatiche. Collegano i sistemi di supervisione di alto livello con altri sistemi informativi di azienda. La trasmissione non deve soddisfare specifiche di tempo reale, per cui si possono usare protocolli standard (TCP/IP). Reti per il controllo. Collegano i dispositivi dedicati al controllo con quelli di supervisione. Devono garantire l assenza di errori e il rispetto di vincoli temporali (per permettere la sincronizzazione delle operazioni del processo produttivo). Manca una standardizzazione, per cui le reti sono in genere proprietarie. Reti di campo (fieldbus). Collegano i dispositivi di controllo con i sensori e gli attuatori dotati di interfaccia digitale (smart). I vantaggi dell utilizzo del fieldbus sono: o Semplificazione architetturale (facile espandibilità e riconfigurabilità). o Riduzione del cablaggio (e quindi dei costi di installazione e manutenzione). o Possibilità di trasmettere informazioni di alto livello (autodiagnosi). o Maggiore robustezza della trasmissione (essendo digitale).
L ostacolo principale per la diffusione del bus di campo consiste nella scarsità di dispositivi (sensori ed attuatori) presenti sul mercato con interfaccia compatibile alla rete di campo. Vi è quindi un motivo commerciale più che tecnologico, dal momento che non vi è uno standard riconosciuto per la rete di campo, come per la rete di controllo. Tuttavia in quest ultimo caso l esigenza è meno sentita perché i dispositivi sono prodotti da una stessa casa costruttrice, mentre nel primo caso gli elementi del sottosistema sono prodotti generalmente da costruttori diversi e risulta quindi difficile assemblare i componenti in un sistema integrato. LIVELLO INGEGNERIA E OPERATIVO Console model HIS Console model HIS PC based model HIS HIS = Human Information Station PC based model HIS V-net Field Control Station (FCS) LIVELLO DI CONTROLLO RS485 Fieldbus LIVELLO I/O e RTU