Corso di STRUMENTAZIONE E AUTOMAZIONE INDUSTRIALE Il sistema di acquisizione dati e controllo industriale Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Dott. Ing. Marco Pellegrini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna Viale del Risorgimento 2, 40136, Bologna Italy
Agenda Sistema di acquisizione dati: generalità I trasduttori La conversione della variabile Il sistema di controllo industriale 2
Cos è un sistema di acquisizione dati Le informazioni o i dati generati da un sistema di misura richiedono uno o più livelli di processo o condizionamento per essere presentati all osservatore esterno sotto forma di indicazione o registrazione. Pertanto, il compito primario di un sistema di acquisizione dati è quello di ottenere, in una forma consona e appropriata, dal sistema di misura le informazioni relative alle grandezze fisiche che descrivono il comportamento del processo oggetto del sistema. I dati provenienti dal sistema di misura vengono opportunamente codificati e memorizzati, per essere poi rielaborati. 3
Cos è un sistema di acquisizione dati FENOMENO FISICO Il fenomeno fisico è una grandezza caratteristica del processo oggetto del sistema di misura. (Ad esempio la temperatura) 4
Cos è un sistema di acquisizione dati FENOMENO FISICO ELEMENTO SENSIBILE PRIMARIO L elemento sensibile primario, che riceve energia dall ambiente, produce un segnale in uscita che è dipendente dal valore della grandezza fisica misurata. Un buon elemento sensibile deve ridurre al minimo l inevitabile effetto intrusivo e di disturbo dell ambiente perché lo strumento interagisce energeticamente con il fenomeno che misura. (Ad esempio una termocoppia) 5
Cos è un sistema di acquisizione dati FENOMENO FISICO ELEMENTO SENSIBILE PRIMARIO ELEMENTO DI CONVERSIONE DELLA VARIABILE L elemento di conversione della variabile converte il segnale di uscita dall elemento sensibile primario in un altra variabile più adatta a preservare il contenuto di informazioni del segnale originario. (Ad esempio conversione analogico-digitale) 6
Cos è un sistema di acquisizione dati FENOMENO FISICO ELEMENTO SENSIBILE PRIMARIO ELEMENTO DI CONVERSIONE DELLA VARIABILE ELEMENTO DI MANIPOLAZIONE DELLA VARIABILE L elemento di manipolazione della variabile condiziona il segnale attraverso un cambiamento del valore numerico secondo una regola prestabilita. Nel passaggio si conserva la natura fisica della variabile. (Ad esempio amplificazione, filtraggio, isolamento del segnale) 7
Cos è un sistema di acquisizione dati FENOMENO FISICO ELEMENTO SENSIBILE PRIMARIO ELEMENTO DI MANIPOLAZIONE DELLA VARIABILE ELEMENTO DI CONVERSIONE DELLA VARIABILE L elemento di manipolazione può precederne uno di conversione oppure ripetersi più volte oppure non essere presente se la sua funzione non è richiesta. 8
Cos è un sistema di acquisizione dati FENOMENO FISICO ELEMENTO SENSIBILE PRIMARIO ELEMENTO DI CONVERSIONE DELLA VARIABILE ELEMENTO DI MANIPOLAZIONE DELLA VARIABILE L elemento di trasmissione dati assolve la funzione di trasmettere le informazioni ai vari elementi funzionali quando questi sono fisicamente separati. ELEMENTO DI TRASMISSIONE DEI DATI (Ad esempio un cavo elettrico) 9
Cos è un sistema di acquisizione dati FENOMENO FISICO ELEMENTO SENSIBILE PRIMARIO ELEMENTO DI CONVERSIONE DELLA VARIABILE ELEMENTO DI MANIPOLAZIONE DELLA VARIABILE ELEMENTO DI ELABORAZIONE DEI DATI ELEMENTO DI TRASMISSION E DEI DATI L elemento di elaborazione dei dati comunica con l osservatore traducendo l informazione in una forma facilmente comprensibile. Si compone di un sistema di indicazione e di un sistema di registrazione. (Ad esempio rappresentazione grafica su display) 10
Cos è un sistema di acquisizione dati Esempio 1: termometro a pressione 11
Cos è un sistema di acquisizione dati Esempio 2: trasduttore di pressione 12
Cos è un sistema di acquisizione dati La fase di elaborazione dei dati può presentare diversi gradi di complessità: nella situazione più semplice l elaborazione può consistere unicamente nella documentazione dell evoluzione del fenomeno, ad esempio attraverso la visualizzazione su di un display della variazione di una certa grandezza nel tempo. Nei casi più complessi, l elaborazione conduce invece ad azioni specifiche di controllo e regolazione che intervengono sulla dinamica del processo e ne alterano l evoluzione (come, ad esempio, in un sistema di controllo industriale). 13
Agenda Sistema di acquisizione dati: generalità I trasduttori La conversione della variabile Il sistema di controllo industriale 14
I trasduttori Il trasduttore è un dispositivo che viene eccitato dall energia proveniente da un sistema e, a sua volta, fornisce energia, solitamente sotto una diversa forma, ad un altro sistema. Normalmente i trasduttori vengono collegati a sistemi elettrici e quindi forniscono un segnale in uscita di tipo elettrico. Questo segnale è funzione del parametro fisico misurato. Trasduttore attivo: dispositivo di trasduzione che deriva dal fenomeno fisico in ingresso tutta l energia in uscita. Pertanto, il trasduttore non necessita di alimentazione. Presenta, però, un grosso vincolo: forma del segnale e quantità di energia emessa sono limitate dalla quantità di energia disponibile nel fenomeno trasdotto e dalla efficienza della conversione. Trasduttore passivo: dispositivo dotato di un ingresso fisico, di un segnale elettrico in uscita e di un ingresso elettrico di alimentazione. Sono pertanto estremamente affidabili e, solitamente, la sensibilità può essere regolata. D altro canto, il costo è solitamente più elevato rispetto ad un trasduttore attivo. 15
I trasduttori Trasduttore analogico: il segnale in uscita varia in continuo nel tempo. Trasduttore digitale: il segnale in uscita varia nel tempo in modo discreto e l intervallo minimo tra due valori corrisponde alla risoluzione dello strumento. Il vantaggio del trasduttore analogico è l avere una risoluzione praticamente nulla. Consente pertanto un livello di rilevazione e controllo estremamente elevato. Il trasduttore digitale, di contro, offre maggiore versatilità ed un più agevole trattamento del segnale in uscita, perdendo però in risoluzione. Inoltre, il traduttore digitale offre tre ulteriori vantaggi: - progettazione più semplice del circuito; - eliminazione più semplice dei disturbi presenti sul segnale; - possibilità di interfaccia diretta con un microprocessore all uscita. Il progettista, in base al contesto dell applicazione ed alla disponibilità economica, opterà per un trasduttore digitale piuttosto che analogico. 16
I trasduttori Trasduttore capacitivo: sfrutta la variazione di capacità di un condensatore; Trasduttore elettroacustico: converte segnali sonori in grandezze elettriche; Trasduttore elettrodinamico: si basa sull insorgere di una forza elettromotrice per misure di velocità; Trasduttore elettromagnetico: utilizza dell induttanza elettrica per rilevare angoli di rotazione; Trasduttore megnetoresistivo: si fondano sulla permeabilità magnetica; Trasduttore piezoelettrico: sfrutta l originarsi di una polarizzazione elettrica su facce opposte di materiali sottoposti a sollecitazioni (stress) fisiche; Trasduttore resistivo: si basa sul principio che la resistenza offerta da un materiale è proporzionale alla lunghezza dello stesso materiale. Trasduttore 17
I trasduttori Ogni trasduttore è caratterizzato da un insieme di parametri che ne specificano in maniera quantitativa e qualitativa le caratteristiche. A seconda del fenomeno fisico da misurare e delle particolari condizioni applicative, il progettista sceglie il trasduttore più adatto proprio sulla base dell analisi delle suddette caratteristiche. 18
Campo di misura o portata (range) I trasduttori E l insieme dei valori che può assumere il misurando entro il quale, se sono rispettate le condizioni operative, lo strumento funziona secondo le specifiche fornite. Si esprime usualmente con una coppia di valori che identificano un minimo ed un massimo. In assenza di ulteriori dati, il campo di misura va assunto anche per definire i limiti fisici di impiego dello strumento allo scopo di evitare rotture o danneggiamenti. In alternativa, il costruttore può fornire informazioni sul campo di sicurezza, cioè l insieme dei valori che lo strumento è in grado di rilevare senza che la funzionalità dello strumento venga alterata in modo permanente. 19
I trasduttori Campo di misura o portata (range) definizioni Campo di misura Campo di lavoro LRL: Lower Range Limit URL: Upper Range Limit LRV: Lower Range Value URV: Upper Range Value Campo di misura Campo di lavoro Span: URV-LRV è la differenza algebrica tra i limiti superiore e inferiore del campo di lavoro. 20
I trasduttori Tempo di risposta Identifica il tempo impiegato dal trasduttore ad adeguare la rilevazione della grandezza in ingresso al 90% del nuovo valore che essa assume quando tale grandezza subisce una variazione. Il tempo di risposta si misura in secondi (s). Questo parametro viene rilevato imponendo una variazione istantanea a gradino della grandezza fisica e rilevando il tempo impiegato dal trasduttore a rilevare il nuovo valore assunto dalla grandezza. 21
I trasduttori Tempo di risposta Il tempo di risposta si compone di: t 0 : tempo morto è il tempo che intercorre tra la variazione dell ingresso e il momento in cui il sistema raggiunge il 5% del valore di regime; in questo intervallo il sistema non risponde e quindi tale tempo deve essere più piccolo possibile. t 90 : tempo di salita è il tempo che il sistema impiega per passare dal 10% al 90% del valore di regime. t 0 t 90 22
I trasduttori Tempo di risposta Cerabar trasduttore pressione relativa 23
I trasduttori Sensibilità (guadagno) La sensibilità è definita analiticamente come la derivata dell uscita q u rispetto l ingresso q i, e si può misurare come il rapporto tra la variazione dell uscita q o sulla variazione dell ingresso q i. A parità di variazione della grandezza in ingresso, lo strumento più sensibile fornisce un uscita maggiore. Sensibilità = dq o /dq i ~ q o / q i Sensibilità lineare q o / q i = K (costante) Sensibilità non lineare 24
I trasduttori Sensibilità (guadagno) Nello studio della qualità di uno strumento può assumere rilievo anche l effetto che gli ingressi non desiderati, quali interferenze o modifiche di parametri non controllati, possono avere sulla sensibilità. Gli effetti negativi sulla sensibilità più frequenti sono: - Deriva dello zero (Zero Drift): presenza di una lettura non nulla anche in mancanza di segnale in ingresso. - Deriva della sensibilità (Sensitivity drift): la sensibilità varia rispetto all andamento nominale. 25
I trasduttori Sensibilità (guadagno) Cerabar trasduttore pressione relativa 26
I trasduttori Isteresi L isteresi indica la tendenza di uno strumento di esibire valori di lettura diversi in corrispondenza dello stesso misurando, quando questo è fatto variare per valori crescenti o decrescenti. L isteresi è valutata come la massima differenza fra i valori della grandezza d uscita corrispondenti al medesimo misurando, quando si considerano tutti i possibili valori entro il campo di misura, ed ogni valore viene raggiunto, prima partendo dall estremo inferiore, poi partendo dall estremo superiore. 27
I trasduttori Risoluzione La risoluzione è definita come la minima variazione della grandezza in uscita che il trasduttore può fornire a fronte di una variazione della variabile in ingresso, valutata rispetto alla massima escursione che la stessa grandezza può assumere in uscita. R = G out min / G out FS R: risoluzione G out min : variazione minima in uscita; G out FS : differenza tra fondo scala e valore di inizio scala (range). Minore è la risoluzione, maggiore è la qualità dello strumento. 28
I trasduttori Risoluzione Nelle misure reali si presentano almeno due fonti in grado di limitare la risoluzione di uno strumento: Limitazioni strumentali: derivano dalla struttura interna dello strumento di misura e ne limitano la capacità a reagire a piccole variazioni del misurando. Le fonti di queste limitazioni sono il principio di funzionamento, la struttura fisica o la perfezione nella realizzazione (rumori di fondo dell elettronica, bloccaggio per l attrito tra componenti mobili, deformazione di parti mobili). Limitazioni di lettura: derivano dalla capacità di leggere le piccole variazioni sul visualizzatore dello strumento di misura. Le fonti di queste limitazioni dipendono sia dalla struttura della scala, che derivanti dalla capacità di lettura dell operatore (numero di cifre significative, errore di parallasse, lunghezza della gradazione e dimensione dell indice, esperienza dell operatore nel leggere l indice nella scala graduata). 29
I trasduttori Ripetibilità La ripetibilità indica il grado di concordanza tra i risultati di misure ripetute dello stesso misurando, effettuate in condizioni estremamente controllate di misura e in un breve intervallo temporale. La ripetizione di una misura, anche se effettuata lasciando immutate le metodologie di misura impiegate, non produce valori uguali ma affetti da una certa dispersione a causa di fonti di errore casuale non controllabili dall operatore. Queste ultime sono un naturale effetto dell impossibilità pratica di controllare alla perfezione tutte le infinite fonti di influenza. Quello che è fondamentale, nella pratica, è che le discordanze non siano così ampie da rendere la misura non significativa. 30
I trasduttori Riproducibilità La riproducibilità è il valore che stima il grado di concordanza delle misurazioni fatte di un identico misurando al variare di uno o più parametri controllabili di prova. Il concetto è molto simile e spesso intercambiabile con quello di stabilità di una misura ovvero la stima della dispersione delle misure di una stessa grandezza su un lungo periodo temporale. La riproducibilità può quindi essere intesa come capacità dello strumento di fornire la stessa misura anche quando impiegato in condizioni diverse da quelle strettamente nominali, facendo così intervenire tutte le modifiche della condizione di misura che possono presentarsi nell'uso normale (ad esempio, al variare di temperatura, umidità, pressione atmosferica, ). 31
I trasduttori Riproducibilità Cerabar trasduttore pressione relativa 32
Riproducibilità vs. Ripetibilità I trasduttori La procedura per la determinazione della riproducibilità è simile a quella per la definizione della ripetibilità, ma prevede che l intervallo di tempo che intercorre fra le due ripetizioni della prova sia sufficientemente lungo da far variare le condizioni di impiego. La riproducibilità permette di stimare l incertezza prodotta in una certa operazione di misura da cause accidentali frequenti. Esempio: le norme ISO sulla taratura dei dinamometri richiedono che nel corso della valutazione della riproducibilità il sensore, che è uno strumento portatile, venga smontato e riposto almeno una volta nel suo imballo come se dovesse essere trasportato, prima della ripetizione delle misure. 33
I trasduttori Precisione La precisione è una misura del grado di dispersione dei dati attorno al valore della media campionaria, ovvero la deviazione standard (o varianza). La precisione è una caratteristica globale che considera la dispersione di valori prodotta da variazioni casuali non ripetibili e comprende simultaneamente tutti gli elementi trattabili in termini statistici. La dispersione dei dati attorno al valore medio viene spesso modellata attraverso delle funzioni di densità di probabilità limitate allo scopo di poter definire il valore massimo di perturbazione della misura. 34
I trasduttori Accuratezza L accuratezza è la caratteristica che definisce la capacità dello strumento di dare mediamente misure prossime a quelle definite dal campione nazionale della grandezza corrispondente. L accuratezza è valutata quindi come il massimo scostamento tra il valor medio, desunto attraverso una o più misure, dal valore reale o, per meglio dire, da quello assunto come riferimento. L accuratezza indica quindi l'errore di misura. Anche l accuratezza, come la precisione, è una caratteristica globale. 35
I trasduttori Accuratezza L errore può essere espresso in termini di percentuale della lettura attuale o del fondoscala dello strumento. Errore lineare Errore sul fondo scala Errore «misto» Nella definizione «mista» la percentuale del fondoscala viene adottata per definire il campo di linearità in prossimità dello zero, dove l'errore percentuale sulla lettura potrebbe essere alto. Mentre l errore percentuale viene adottato per la rimanente porzione del campo di lavoro. 36
I trasduttori Accuratezza vs. Precisione Dispersione valore misurato Dispersione valore misurato Valore «reale» Valore medio misurato Bassa accuratezza, alta precisione Valore «reale» Valore medio misurato Bassa accuratezza, bassa precisione Valore «reale» Dispersione valore misurato Valore «reale» Dispersione valore misurato Valore medio misurato Alta accuratezza, alta precisione Valore medio misurato Alta accuratezza, bassa precisione 37
I trasduttori Classe di precisione La classe di precisione C p esprime un valore che rende confrontabile l accuratezza di strumenti diversi e si esprime come rapporto tra errore e fondoscala dello strumento: C p = x m -x v /P*100 x m : valore misurato x v : valore «reale» P: fondoscala Gli indici di precisione rappresentano i limiti di errore percentuale, ovvero i limiti della distribuzione rettangolare espressi ad un livello di confidenza del 100%, che uno strumento, appartenente a tale classe, non deve superare, su tutto il campo di misura, nelle condizioni di riferimento indicate dal costruttore. 38
I trasduttori Turn-down (rangeability) Il turn-down (TD) o rangeability è il rapporto tra il fondoscala e il minor valore, normalizzato all unità, per il quale sono valide determinate caratteristiche di accuratezza e precisione dello strumento. Un valore elevato di rangeability è pertanto indice di applicabilità del sensore in un ampio campo di misura. Ad esempio, un sensore di pressione differenziale con TD 20:1, con fondo scala di 1 bar e accuratezza dell 1% sul valore istantaneo, misura, con tale accuratezza, pressioni comprese tra 1 bar e 50 mbar. 39
I trasduttori Turn-down (rangeability) Prowirl (misuratore portata Von Karman) 40
I trasduttori Esempio: Cerabar trasduttore pressione relativa 41
I trasduttori Esempio: Cerabar trasduttore pressione relativa 42
Agenda Sistema di acquisizione dati: generalità I trasduttori Conversione e condizionamento del segnale Il sistema di controllo industriale 43
La conversione analogico-digitale Si possono considerare due casi: 1) il segnale proveniente dal trasduttore è discreto (cioè sotto forma di impulsi) e la frequenza del segnale è proporzionale alla grandezza in misura; 2) il segnale è continuo. FENOMENO FISICO SENSORE ELEMENTO DI MANIPOLAZIONE DELLA VARIABILE ELEMENTO DI CONVERSIONE DELLA VARIABILE Nel caso di segnale discreto, è possibile impiegare dei contatori elettrici. I contatori si possono realizzare secondo due diversi schemi (e logiche) di funzionamento: - EPUT (Events Per Unit Time meter): il dispositivo rileva il numero di impulsi che giungono al contatore in un intervallo di tempo prefissato; - TIM (Time Interval Measurement meter): il dispositivo rileva il tempo intercorso tra due impulsi successivi provenienti dallo strumento. 44
La conversione analogico-digitale Invece, nel caso in cui si debba convertire una segnale dalla forma analogica a quella numerica, vengono impiegati i cosiddetti convertitori analogico-digitali (ADC, Analog to Digital Convertion). Il segnale analogico in ingresso al convertitore attraversa dapprima un dispositivo di campionamento che legge il valore della tensione negli istanti corrispondenti all inizio del periodo di campionamento, conservandone il valore per tutto il periodo di campionamento. DISPOSITIVO DI CAMPIONAMENTO ingresso analogico segnale a gradini 45
La conversione analogico-digitale Il segnale a gradini all uscita del dispositivo di campionamento viene confrontato con una tensione ottenuta da un generatore di segnale a dente di sega. massima tensione da misurare V max tempo di campionamento t GENERATORE DI SEGNALE A DENTE DI SEGA 46
La conversione analogico-digitale DISPOSITIVO DI CAMPIONAMENTO CONFRONTO GENERATORE DI SEGNALE A DENTE DI SEGA 47
La conversione analogico-digitale 48
La conversione analogico-digitale Quando il valore di tensione misurato sulla rampa del segnale a dente di sega eguaglia il valore di tensione costante nell intervallo di campionamento generato dal dispositivo di campionamento stesso, viene fermato il conteggio di un contatore che è stato chiuso contemporaneamente all inizio del periodo di campionamento. stop al contatore 49
La conversione analogico-digitale DISPOSITIVO DI CAMPIONAMENTO + GENERATORE DI IMPULSI STOP CONTATORE - GENERATORE DI SEGNALE A DENTE DI SEGA STOP START START GENERATORE DI IMPULSI TEMPORIZZATO 50
La conversione analogico-digitale V 1 t 1 51
La conversione analogico-digitale Il contatore emette un segnale proporzionale al tempo t 1 (cioè a V 1 ). Alla fine del periodo di campionamento il contatore torna a zero. Il contatore emette pertanto una sequenza di numeri ad intervalli regolari (impulsi codificati) che rappresentano i valori discreti della tensione misurata. t 1 52
La conversione analogico-digitale DISPOSITIVO DI CAMPIONAMENTO + IMPULSI GENERATORE DI IMPULSI STOP CONTATORE - GENERATORE DI SEGNALE A DENTE DI SEGA STOP START START GENERATORE DI IMPULSI TEMPORIZZATO 53
La conversione analogico-digitale Nota bene: base binaria Solitamente il segnale analogico viene convertito in un segnale digitale rappresentato da un numero binario (scelta naturale per applicazioni con calcolatori elettronici). 269 10 = 2*10 2 + 6*10 1 + 9*10 0 269 10 = 1*2 8 + 1*2 3 + 1*2 2 + 1*2 0 269 10 = 100001101 2 In questo caso il numero binario è formato da 9bit. 54
La conversione digitale-analogica Può essere necessario trasformare un segnale da numerico ad analogico (DAC, Digital to Analog Convertion). Contatti aperti R 0 = R 1 + R 2 + R 4 + R 8 R 8 R 4 R 2 R 1 R 0 : resistenza di retroazione Amplificatore operazionale 55
La conversione digitale-analogica Se consideriamo l impedenza in ingresso all amplificatore operazionale molto elevata, possiamo ipotizzare nulla la corrente in ingresso i. R 8 R 4 R 2 R 1 i = 0 R 0 : resistenza di retroazione Amplificatore operazionale 56
La conversione digitale-analogica (V S V i )/R i +(V u V i )/R 0 =i=0 V u /V i =10 6 (guadagno elevato) V i «(V u ;V s ) V u /V s =-R 0 /R i R 8 R 4 R 2 R 1 R i =100.000Ω V s =100V V i i = 0 R 0 : resistenza di retroazione Amplificatore operazionale V u 57
La conversione digitale-analogica Esempio: 1101 2 R 0 =R 1 +R 4 +R 8 = 13.000Ω V u =-(R 0 /R i )*V s = - (13.000/100.000)*100 V = -13 V R 8 R 4 R 2 R 1 R i =100.000Ω V s =100V V i i = 0 R 0 : resistenza di retroazione Amplificatore operazionale V u A seconda del numero di bit, ottengo un numero di gradini minore o maggiore. La tensione analogica in uscita dall amplificatore operazionale varia a gradini, ma con un opportuno filtraggio può essere ricostruita una curva continua. 58
Il condizionamento del segnale La maggioranza dei segnali analogici in uscita dai trasduttori necessita di un adattamento prima di essere trasferito al convertitore analogicodigitale (ADC). Le operazioni che preparano il segnale alla conversione sono dette di condizionamento o di manipolazione del segnale. ELEMENTO SENSIBILE PRIMARIO ELEMENTO DI CONDIZIONAMENTO DELLA VARIABILE ELEMENTO DI CONVERSIONE DELLA VARIABILE ELEMENTO DI TRASMISSIONE DEI DATI ATTUATORE REGOLATORE ELEMENTO DI ELABORAZIONE DEI DATI 59
Amplificazione Un amplificatore è un dispositivo che modifica l'ampiezza del segnale che lo attraversa di un certo fattore moltiplicativo, che in alcuni casi è regolabile (guadagno). Ad esempio, i segnali di basso livello delle termocoppie vanno amplificati per aumentare la precisione e ridurre l influenza del rumore. Isolamento Il condizionamento del segnale Usualmente i segnali in uscita dal trasduttore vengono isolati dal calcolatore: - il sistema monitorato potrebbe contenere tensioni elevaste (pericolose per il calcolatore); - la lettura della scheda non deve essere influenzato da differenze di potenziale di terra o dalle tensioni del modo comune. 60
Multiplexing Il condizionamento del segnale E una tecnica comunemente usata per misurare molti segnali con una singola apparecchiatura di misura. Il dispositivo campiona un canale, quindi passa al successivo, lo campiona e passa al seguente, e così via. Poiché lo stesso dispositivo campiona molti canali invece di uno solo, l effettiva velocità di campionamento per ciascun canale è inversamente proporzionale al numero dei canali campionati. Linearizzazione Molti trasduttori, come le termocoppie, non hanno risposta lineare alle variazioni del fenomeno misurato. 61
Il condizionamento del segnale Filtraggio Il filtro rimuove i segnali non desiderati dal segnale che si intende misurare. Nei segnali di tipo continuo, il filtro viene impiegato per attenuare la frequenza più alta del segnale che può ridurre l accuratezza della misura. Ad esempio, molti moduli di condizionamento presentano un filtro passa bassoda4hza10khzpereliminareilrumoreprimacheilsegnalesia digitalizzato. I segnali alternati (ad esempio, una vibrazione) spesso richiedono un tipo diverso di filtro (anti-aliasing). Esso ha una altissima velocità di cut-off, così da rimuovere quasi completamente tutte le frequenze del segnale che siano più alte dell ampiezza di banda (bandwidth) d ingresso della scheda. 62
Le tipologie di segnale Nella strumentazione di tipo più semplice, il sensore risulta collegato direttamente al regolatore, che spesso ingloba lo strumento di misura. Attualmente, le misure vengono effettuate in campo e poi trasmesse ai regolatori sotto forma di segnali unificati. Tipologia segnale Segnale analogico in corrente Segnale analogico in tensione Segnale digitale in tensione Range 4-20 ma (0-20 ma) 0-10 V 0-5 V (discreto) Nel caso di segnale 4/20 ma, i segnali unificati partono dal trasduttore sotto forma di due fili. La parte 0/4mA del segnale serve per l alimentazione. Se si desidera un segnale 0/20mA, occorrono quattro fili, due per il segnale e due per l alimentazione. 63
Le tipologie di segnale: acquisizione in digitale Strumento di misura Trasduttore Std elettrico Condizionamento segnale Comunicazione e acquisizione dati Processo Industriale T1 T2 T3 4-20 ma 0-10 V mv I/V 0-10 V A/D Amp. A/D 0-5 V (dig) 0-5 V (dig) 0-10 V A/D 0-5 V (dig) DAQ: Data Acquisition DAQ Board 0-5 V (dig) PC T4 0-5 V (digitale) Attuatore digitale Profibus 0-5 V (dig) Campo/processo Sala controllo /DCS 64 DCS: Distributed Control System
Le tipologie di segnale: acquisizione in analogico Testa dello strumento di misura Trasduttore Std elettrico Condizionamento segnale Acquisizione dati Processo Industriale T1 T2 T3 T4 4-20 ma 0-10 V mv Amp. 0-5 V (digitale) Attuatore analogico Schede di input I/V + A/D 0-10 V A/D CPU Contatto elettrico 0-10 V 0-5 V (dig) Alimentazione Memoria ROM + RAM D/A Scheda di output CPU: Central Processing Unit Campo/processo Sala controllo /DCS 65 DCS: Distributed Control System
Segnale digitale: rete Profibus Profibus è l'acronimo di Process Field Bus. Si tratta di un bus di campo (field bus, ovvero di un protocollo di comunicazione standardizzato) messo a punto nel 1989 da un consorzio di diverse aziende. Profibus non è altro che una rete di comunicazione utilizzata per connettere un master (come un PLC o un PC) a strumenti e/o attuatori remoti. La rete Profibus permette la riduzione del cablaggio richiesto tra i nodi costituenti la rete in quanto necessita del posizionamento di un unico cavo. 66
Segnale digitale: rete Profibus La funzione più importante del Profibus è quella di permettere uno scambio ciclico di messaggi tra i dispositivi di campo e l'unità centrale di controllo. Il sistema include stazioni attive e passive. In totale possono essere indirizzate 127 stazioni, delle quali solo 32 attive. Stazione attiva: controllano l accesso al bus di campo. Il passaggio da una stazione attiva all altra viene gestita con il passaggio del «token», cioè del permesso per l accesso al bus. Stazione passiva: sono neutrali e trasmettono dati solo quando interrogati da una stazione attiva. 67
Segnale digitale: rete Profibus La trasmissione dati del sistema bus seriale, quando si utilizzano linee a due conduttori (doppini) intrecciati è definita nelle specifiche dell interfaccia digitale RS485. Le sue aree di applicazione sono tutte quelle in cui sono richieste alte velocità di trasmissione e installazioni semplici e poco costose. Il mezzo fisico utilizzato è, come detto prima, il doppino intrecciato schermato e le velocità di trasmissione vanno da 9,6 kbit/sec a 12 Mbit/sec. 68
Segnale digitale: protocollo HART L HART (Highway Addressable Remote Transducer) Protocol offre due canali di comunicazione simultanei: il segnale analogico 4-20 ma e un segnale digitale. Il segnale 4-20 ma comunica la variabile di processo primaria. Le ulteriori informazioni sullo strumento sono invece comunicate utilizzando un segnale digitale sovrapposto al segnale analogico. 69
Segnale digitale: protocollo HART Il segnale digitale contiene informazioni dal dispositivo compreso lo stato del dispositivo, la diagnostica, ulteriori variabili misurate o calcolate, ecc... Insieme i due canali di comunicazione offrono una soluzione di comunicazione di campo completa, poco costosa e molto robusta che è facile da utilizzare e configurare. 70
Agenda Sistema di acquisizione dati: generalità I trasduttori La conversione della variabile Il sistema di controllo industriale 71
Il sistema di controllo industriale Il sistema di controllo industriale è costituito da una catena di regolazione la cui più semplice configurazione è costituita dall elemento sensibile primario (rilevatore o sensore), dal regolatore e dall elemento finale di regolazione (attuatore). ELEMENTO SENSIBILE PRIMARIO ELEMENTO DI CONVERSIONE DELLA VARIABILE ELEMENTO DI MANIPOLAZIONE DELLA VARIABILE ELEMENTO DI TRASMISSION E DEI DATI ATTUATORE REGOLATORE ELEMENTO DI ELABORAZIONE DEI DATI 72
Il sistema di controllo industriale Il regolatore confronta il valore del segnale opportunamente convertito e manipolato proveniente dal sensore con un valore desiderato, detto set point. ELEMENTO SENSIBILE PRIMARIO ELEMENTO DI CONVERSIONE DELLA VARIABILE ELEMENTO DI MANIPOLAZIONE DELLA VARIABILE ELEMENTO DI TRASMISSION E DEI DATI ATTUATORE REGOLATORE ELEMENTO DI ELABORAZIONE DEI DATI 73
Il sistema di controllo industriale In base al risultato del confronto ed alle logiche di regolazione prestabilite, il regolatore elabora un segnale (sotto forma di tensione, corrente, pressione, ) da applicare all attuatore. ELEMENTO SENSIBILE PRIMARIO ELEMENTO DI CONVERSIONE DELLA VARIABILE ELEMENTO DI MANIPOLAZIONE DELLA VARIABILE ELEMENTO DI TRASMISSION E DEI DATI ATTUATORE REGOLATORE ELEMENTO DI ELABORAZIONE DEI DATI 74
Il sistema di controllo industriale E possibile riconoscere alcune funzioni principali di un regolatore di tipo industriale: - funzione di controllo (regolazione e autotaratura); - interfaccia verso il processo; - interfaccia verso l operatore; - allarmi. Ulteriori funzioni ausiliarie (come la funzione di programmazione, autodiagnosi, back-up) sono presenti in prodotti di classe più elevata. 75
Il controllore logico programmabile Si definisce controllore logico un dispositivo che mette in relazione le variabili di ingresso e quelle di uscita mediante un insieme di equazioni booleane. - Algebra booleana: le variabili di questa algebra sono di tipo binario, mentre le operazioni base sono AND (somma), OR (moltiplicazione), NOT (inversione). 76
Il controllore logico programmabile Il controllore logico si dice statico se le equazioni sono di tipo combinatorio, dinamico se esse sono di tipo sequenziale. - Sistema combinatorio: a meno del ritardo, in un sistema combinatorio il valore degli output in un dato istante dipende esclusivamente dai valori di input. - Sistema dinamico: in un sistema dinamico il valore degli output dipende, oltre che dagli input attuali, anche da quelli precedenti. 77
Il controllore logico programmabile Dal punto di vista realizzativo, il controllore logico può essere realizzato in forma cablata oppure in forma programmabile. - Controllore logico cablato: lo schema logico è definito da un insieme di dispositivi (relè, porte logiche, ) e relative interconnessioni. E conveniente se la funzione di controllo implementata è sufficientemente assestata e non deve essere modificata nel tempo (scarsa replicabilità) e se il controllore può essere prodotto in un numero elevato di esemplari identici (bassi costi di produzione, elevati costi di progettazione). 78
Il controllore logico programmabile Nel controllore logico programmabile (PLC, Programmable Logic Controller) lo schema di controllo è definito tramite un programma memorizzato. Esso non è altro che un elaboratore di tipo industriale concepito per risolvere problemi di controllo ed automazione. Le principali caratteristiche sono: - affidabilità; - espandibilità; - semplicità di programmazione; - semplicità di integrazione con dispositivi commerciali differenti. 79
Il controllore logico programmabile Il PLC è un dispositivo o sistema digitale elettronico che utilizza una memoria programmabile per memorizzare delle istruzioni atte ad implementare funzioni specifiche, come logica combinatoria, controllo sequenziale, temporizzazioni, conteggi, calcoli aritmetici, con riferimento al controllo di macchine e processi. La rapida evoluzione dei Personal Computer (PC) ha reso disponibili, negli ultimi anni, prodotti molto potenti a costi assai contenuti; pertanto, ad oggi è possibile realizzare sistemi di regolazione e controllo tramite questo strumento. L utilizzo del PC presenta ancora degli inconvenienti, quali la mancanza di un sistema operativo sufficientemente stabile ed affidabile. 80
Il controllore logico programmabile L architettura di un PLC non si differenzia molto da quella classica di un calcolatore elettronico. Alimentazione Dal processo Sezione INPUT CPU Sezione OUTPUT Al processo Memoria 81
Il controllore logico programmabile La CPU (Central Processing Unit) provvede alle funzioni logiche di controllo tramite l esecuzione di un programma contenuto nella corrispondente memoria. Le informazioni sul processo controllato arrivano tramite la sezione di ingresso, mentre i risultati delle elaborazioni del CPU sono attuati tramite la sezione di uscita. Solitamente, la CPU funziona con un chip da 8 o da 16 bit. 82
Il controllore logico programmabile Le funzioni di controllo e comando sono determinate dal programma che viene caricato in memoria. Il caricamento avviene tramite un opportuno dispositivo di programmazione: il dispositivo usualmente impiegato è una tastiera specializzata per questa funzione; sempre più frequente, la funzione viene svolta da un PC. La memoria di sistema contiene il sistema operativo del PLC e le sue aree dati di lavoro sono inaccessibili all utente. La memoria di sistema risulta divisa in due aree: - memoria ROM (Read Only Memory, memoria a sola lettura): per il sistema operativo; - memoria RAM (Random Access Memory, memoria ad accesso casuale): per l area dati del sistema operativo. 83
Il controllore logico programmabile La memoria applicativa contiene, invece, le applicazioni dell utente. Risultaconcettualmentedivisatramemoriadiprogramma,memoriadati intermedi e memoria per funzioni di sistema accessibili dall utente (ad esempio contatori e temporizzatori). MEMORIA Applicativa Di sistema Memoria di programma Memoria dati intermedi Memoria per funzioni di sistema ROM: sistema operativo RAM: area dati sistema operativo 84
Il controllore logico programmabile La memoria ROM è una memoria permanente (contenuto fisso e non modificabile) che contiene le istruzioni che la CPU carica per l avviamento del sistema e la routine di base. E una memoria non volatile. Sulla memoria RAM, invece, vengono caricati i dati generati dal sistema operativo. Molto spesso si impiegano memorie RAM statiche alimentate permanentemente da una batteria. Infatti, se la memoria di programma fossecostituitadaunamemoriadinamicaostaticasenzabatteria(quindi una memoria volatile), allo spegnimento del controllore il programma andrebbe perduto e dovrebbe essere ricaricato, ad esempio, da un supporto magnetico. La RAM statica ha un basso consumo e consente di mantenere l alimentazione ad esse necessaria impiegando batterie di piccole dimensioni (dette batterie tampone). 85
Il controllore logico programmabile La sezione di ingresso è realizzata secondo criteri di elevata modularità ed è basata su una varietà di schede diverse sia per numero che per tipologia di ingressi. Le schede di ingresso rappresentano l interfaccia tra la logica interna del PLC ed i segnali esterni (indipendentemente da come questi ultimi sono generati). Il PLC opera al suo interno con una logica a corrente continua a 5V. Pertanto, oltre che al collegamento, le schede di ingresso sono votate all adattamento dei livelli e delle caratteristiche dei segnali. I segnali provenienti dall esterno presentano livelli variabili, ad esempio alternata a 100V oppure continua a 12, 24 o 48V. Un livello di tensione elevato è garanzia contro i disturbi di alimentazione. 86
Il controllore logico programmabile Inoltre, le schede consentono la visualizzazione del valore logico di ogni ingresso, in modo da fornire informazioni sullo stato del segnale (ad esempio, spento). Questa funzione risulta particolarmente importante quando i sensori sono posizionati fisicamente a grande distanza dal PLC. Infine, sulla scheda viene predisposto uno stadio di isolamento galvanico che protegge i circuiti interni del PLC da eventuali sovratensioni (ad esempio, per errati collegamenti). Una volta aggiustato il segnale, esso viene acquisito attraverso un multiplexer, che distribuisce o più segnali ad uno stesso terminale o lo stesso segnale su più terminali. 87
Il controllore logico programmabile Le schede di uscita rappresentano invece l interfaccia tra elaborazione del programma effettuata dal PLC e gli attuatori che intervengono sul sistema. La principale differenza tra una scheda di ingresso ed una di uscita è che quest ultima presenta lo stadio finale realizzato con dispositivi di potenza, poiché al carico (cioè all attuatore) occorre fornire anche corrente. Per questo motivo, a seconda dell applicazione, i PLC presentano diversi tipi di interfaccia all uscita. Per la fornitura di corrente al carico si possono impiegare o un relè (interruttore bidirezionale) o un transistor (interruttore monodirezionale). 88
Il controllore logico programmabile Il PLC esegue le istruzioni racchiuse nel programma in maniera ciclica. LETTURA DEGLI INGRESSI All inizio del ciclo di esecuzione del programma il sistema operativo legge gli ingressi. CARICAMENTO INGRESSI IN MEMORIA Il sistema operativo carica i dati in ingresso in una specifica sezione della memoria, creando una immagine del processo in quel dato istante. Si ha una acquisizione sincrona degli ingressi, poiché il PLC può modificare lo stato logico delle uscite solo al termine di ogni ciclo di lettura ed esecuzione dell intero programma (questo tempo viene definito ciclo operativo ). 89
Il controllore logico programmabile LETTURA DEGLI INGRESSI CARICAMENTO INGRESSI IN MEMORIA ELABORAZIONE DEL PROGRAMMA Vengono calcolati i valori delle uscite in base a quanto stabilito dal programma. CARICAMENTO USCITE IN MEMORIA I valori delle uscite sono caricati in un apposita sezione della memoria. 90
Il controllore logico programmabile LETTURA DEGLI INGRESSI CARICAMENTO INGRESSI IN MEMORIA ELABORAZIONE DEL PROGRAMMA L attuazione delle uscite avviene in modo sincrono (contemporaneamente al ciclo di lettura degli ingressi). CARICAMENTO USCITE IN MEMORIA ATTUAZIONE DELLE USCITE 91
Il controllore logico programmabile La maggior parte dei PLC sono in grado eseguire, oltre che funzioni logiche, anche funzioni di calcolo e regolazione. Per questo motivo la definizione PLC sta perdendo significato nell uso della L (Logic) a vantaggio della definizione PC (Programmable Controller); tuttavia, al fine di evitare confusioni con la sigla PC intesa come Personal Computer, resiste a tutt oggi la denominazione originaria. Una ulteriore implementazione del PLC si è avuta con l inserimento delle subroutine, ovvero un blocco funzionale che realizza una funzione logica e che può essere richiamato ovunque serva nel programma, e della istruzione di salto, che consente l attivazione o meno di alcune funzioni del programma solo in determinate condizioni. 92
Il controllore logico programmabile L evoluzione del linguaggio ha incrementato il numero di istruzioni gravanti sul PLC, portando ad un sovraccarico del processore. Per questo motivo, spesso sono presenti CPU specializzate in determinate attività (logica, regolazione, comunicazione, ). L utente può così costruire l architettura del proprio PLC risolvendo al meglio le problematiche di controllo senza impattare eccessivamente sui costi complessivi. Difatti, usualmente il costo del PLC è più condizionato dal numero di I/O piuttosto che dal numero dei CPU. 93
Il controllore logico programmabile Riassumendo: il PLC opera secondo eseguendo due diversi tipi di operazioni 1) operazioni automatiche: sono gestite da programmi che fanno capo al sistema operativo, non sono gestibili o accessibili dall utente, si avviano e terminano in modo automatico (ad esempio, a seguito di riavvii o ripristini); 2) operazioni programmabili: sono le operazioni connesse al funzionamento a regime e dipendono dalla programmazione stabilita dall utente; 94
Il controllore logico programmabile LETTURA DEGLI INGRESSI CARICAMENTO INGRESSI IN MEMORIA ELABORAZIONE DEL PROGRAMMA CARICAMENTO USCITE IN MEMORIA Il PLC svolge le attività programmabili in sequenza ed in modo ciclico. Il ciclo richiede un certo tempo, che dipende da: - numero e tipo di istruzioni presenti nel programma, complessità della struttura software; - capacità di elaborazione della/e CPU e dei circuiti ad essa/e collegate (in particolare, influiscono sulla rapidità del ciclo la frequenza di clock del processore, il tipo di architettura hardware, le modalità interne di gestione). ATTUAZIONE DELLE USCITE 95
Il controllore logico programmabile LETTURA DEGLI INGRESSI CARICAMENTO INGRESSI IN MEMORIA Occorre cautela nell utilizzo del PLC per la gestione di interventi di sicurezza. Infatti, occorre stabilire se il ritardo massimo t con cui il PLC è in grado di intervenire non risulti eccessivo ai fini della sicurezza. ELABORAZIONE DEL PROGRAMMA t CARICAMENTO USCITE IN MEMORIA ATTUAZIONE DELLE USCITE 96
Il controllore logico programmabile LETTURA DEGLI INGRESSI Il ritardo massimo t con cui il PLC è in grado di intervenire si può diminuire impiegando un PLC più veloce. CARICAMENTO INGRESSI IN MEMORIA ELABORAZIONE DEL PROGRAMMA t CARICAMENTO USCITE IN MEMORIA ATTUAZIONE DELLE USCITE La scelta è poco economica: si pensi al caso di un particolare segnale di allarme, quasi mai attivo, che richieda una pronta risposta: la potenzialità del PLC sarebbe fortemente sottoutilizzata tutte le volte che l allarme non è attivo (cioè quasi sempre). 97
Il controllore logico programmabile LETTURA DEGLI INGRESSI CARICAMENTO INGRESSI IN MEMORIA ELABORAZIONE DEL PROGRAMMA CARICAMENTO USCITE IN MEMORIA t Per ovviare a questo problema sono previste esplicite istruzioni di input e output per mezzo delle quali è possibile leggere il valore attuale in ingresso senza riferirsi a quello campionato ad inizio ciclo e attuare immediatamente l uscita desiderata senza dover aspettare la fine del ciclo stesso. Esempio: t ciclo = 50 ms vs t allarme = 10 ms Il programma legge l ingresso riferito all allarme almeno 5 volte nello stesso ciclo. ATTUAZIONE DELLE USCITE 98
Il controllore logico programmabile LETTURA DEGLI INGRESSI CARICAMENTO INGRESSI IN MEMORIA ELABORAZIONE DEL PROGRAMMA CARICAMENTO USCITE IN MEMORIA t Tuttavia l uso di esplicite funzioni di input e output non consente la gestione di segnali che richiedono una risposta immediata, poiché il programma di controllo dovrebbe dedicarsi esclusivamente a tale attività. Per questo motivo il PLC prevede una serie di istruzione dette interrupt, in grado di interrompere il flusso di elaborazioni conseguente ad una precisa richiesta esterna o interna al dispositivo. ATTUAZIONE DELLE USCITE 99
Il controllore logico programmabile In corrispondenza di un interrupt il microprocessore interrompe la normale elaborazione, terminando l istruzione corrente. I dati elaborati in precedenza al comando di interrupt vengono indirizzati ed allocati in un apposita area di memoria. Il microprocessore gestisce l interrupt (risolve l emergenza agendo come da programma). Risolta l emergenza, il microprocessore riprende l attività là dove era stata interrotta. 100
Il controllore logico programmabile LETTURA DEGLI INGRESSI CARICAMENTO INGRESSI IN MEMORIA ELABORAZIONE DEL PROGRAMMA CARICAMENTO USCITE IN MEMORIA Perché l immagine in memoria? Se gli ingressi non venissero campionati ad inizio ciclo ma letti al momento dell utilizzo (rete asincrona), la correttezza del controllo potrebbe dipendere dall ordine con cui vengono eseguite le istruzioni del programma. Difatti, in tempi diversi dall avviamento del ciclo di istruzioni, uno stesso ingresso potrebbe assumere valori differenti. Questo fatto renderebbe piuttosto complicata l attività di programmazione, rendendo altresì molto difficile modificare correttamente il programma. ATTUAZIONE DELLE USCITE 101