Automation Robotics and System CONTROL Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Automazione Industriale 2 - I sistemi di controllo per l'automazione Industriale Cesare Fantuzzi (cesare.fantuzzi@unimore.it) Ingegneria Meccatronica Ingegneria della Gestione Industriale AA 2010/2011
Sommario l automazione. Piattaforme per ס Embedded, Sistemi ס (PLC). i Programmable Logical Controller ס controllo. Descrizione fisica della piattaforma di ס Descrizione logica del sistema di ס controllo. C. Fantuzzi Automazione Industriale - 2. I Sistemi di 2
Obiettivi didattici del modulo Conoscere i principi dei sistemi di controllo per ס l automazione, incluse le problematiche peculiari (tempo reale, concorrenza). 3
Sistema Informatico per l elaborazione dati (Office) Un sistema per l elaborazione ס dati (office) e predisposto a leggere dati in ingresso, applicare un determinato algoritmo e terminare. Il tempo di elaborazione dati ס non e fondamentale alla correttezza della elaborazione. 4
Sistema Informatico per l Automazione Il sistema deve controllare un processo ס fisico in modo continuativo. In modo continuativo, esegue le ס seguenti operazioni: Acquisizione dei segnali sensoriali Applicazione di un algoritmo di controllo Attuazione dei segnali di controllo e Il tempo di elaborazione dati ס fondamentale per la correttezza del funzionamento del sistema di controllo. 5
Ciclo operativo del sistema di controllo 6
Vincoli REAL TIME (RT) Un sistema di controllo e ha un funzionamento ס corretto se: E logicamente corretto. Termina la sua esecuzione rispettando vincoli temporali assegnati. Sono detti Sistemi a Tempo Reale (Real Time ס System) quei sistemi che falliscono se non sono rispettati determinati vincoli temporali. 7
Sistema Operativo a Tempo Reale (Real Time) Un sistema operativo real-time o in tempo reale ס (abbreviato in RTOS) è un sistema operativo specializzato per il supporto di applicazioni software real-time. Questi sistemi vengono utilizzati tipicamente ס in ambito industriale (controllo di processo, pilotaggio di robot, trasferimento di dati nelle telecomunicazioni) o comunque dove sia necessario ottenere una risposta dal sistema in un tempo massimo prefissato. 8
Real Time = Sistema Veloce? Necessariamente. Non ס Da un punto di vista puramente teorico l'intervallo di ס tempo in cui il sistema operativo/applicativo deve reagire non ha importanza Infatti un sistema operativo in RT non deve ס essere necessariamente veloce, la cosa importante è che risponda entro un tempo massimo perfettamente noto. 9
Assignment Sia dato un sistema con carro ponte. Si vuole gestire il ס problema di evitare che a causa di un errore di programmazione il carro ponte colpisca un fine corsa meccanico. Si progetta un controllo di sicurezza che legge ad ogni ciclo ס di attivazione un sensore di posizione (diverso da quello usato per il controllo, un sensore di sicurezza). In caso di attivazione del sensore, il controllo di sicurezza ס deve arrestare il motore. Si supponga che lo spazio di arresto sia di x e che la ס velocità di avanzamento del carro sia v. Si calcoli il tempo massimo di intervento del sistema di ס sicurezza (vincolo real-time da imporre). 10
Real Time non significa necessariamente veloce. 1: Esempio ס Un sistema di controllo asse necessita di acquisire il riferimento di posizione dell'asse controllato ogni (in genere) 1/2 millisecondi. Se l'acquisizione non avviene nel tempo fissato, il sistema non e in grado di controllare efficacemente l'asse. Il singolo dato e di per se critico. 11
Real Time non significa necessariamente veloce (Cont.) 2: Esempio ס Un sistema di supervisione e programmato per acquisire la corrente degli avvolgimenti di un motore Brushless per scopi di diagnostica. Tali acquisizione deve avvenire con periodo (in genere) di 0.5 millisecondi. Se l'acquisizione non avviene nel tempo fissato (in modo saltuario e non continuativo) il dato corrente viene perso. Il sistema di diagnosi tuttavia continua a funzionare regolarmente. Il singolo dato non e per se critico. 12
Hard e Soft Real Time. Un sistema si dice Hard RT se il non rispetto di un ס vincolo temporale significa il fallimento completo dell'applicazione. Un sistema si dice Soft RT se il non rispetto di un ס vincolo temporale che avvenga in modo saltuario diminuisce la prestazione del sistema senza provocarne il fallimento 13
Sistemi misti (Hard e Soft) Il funzionamento di un sistema meccatronico ha ס specifiche miste Esecuzione del controllo (Hard RT) Supervisione (Soft RT) Comunicazione (Hard/Soft RT). Inoltre le specifiche sulla esecuzione ס dei processi possono essere differenti. Acquisizione della posizione di un motore (ms). Acquisizione della corrente per il controllo del motore (micros). Acquisizione della temperatura di un forno (sec.). 14
Sistema multitask Il sistema di controllo deve essere strutturato su ס processi (Tasks) che: vengono eseguiti in parallelo. hanno specifiche temporali differenti L Hw e il Sw di un sistema di controllo deve ס permettere l esecuzione di processi paralleli (sistema multitasks) che debbono essere eseguiti logicamente in parallelo. Il parallelismo e in realta di tipo simulato, e il ס tempo di calcolo della CPU è suddiviso tra i processi attivi. 15
Priorità di processi A ciascun processo viene assegnata una priorità di ס esecuzione allo scopo di assicurare il rispetto dei vincoli RT. Ciascun processo viene messo in esecuzione in base ס alla sua priorita in base alle politiche di gestione delle priorita implementate dal Sistema Operativo. 16
Multitasking assegnate: A ciascun task vengono ס Periodo di riesecuzione Priorita 17
Task scheduling Preemtive. Non ס Il processo di priorita piu elevata viene messo in esecuzione, senza pero interrompere il processo correntemente attivo (non è adatto alla gestione di processi RT). ס Preemtive Il processo di priorita piu elevata viene messo in esecuzione, interrompendo il processo correntemente attivo. 18
Multitasking Preemptive 19
Multitasking non preemptive 20
Comunicazione fra processi concorrenti I processi devono poter comunicare (es. un processo per ס l acquisizione dei segnali dai sensori deve mandare i valori acquisiti al processo per il calcolo dell algoritmo di controllo). Il meccanismo più semplice per lo scambio dei ס dati consiste nell utilizzare un area di memoria condivisa. 21
Scambio dati mediante memoria condivisa. 22
Sincronismo dei dati Occorre mantenere l integrita dei dati tra scrittura e ס lettura. Occorre evitare che un processo legga un vettore ס mentre un secondo processo lo sta aggiornando. Esistono due possibilita per garantire ס l integrita della struttura dati: Impedire che il Sistema Operativo possa interrompere l esecuzione della scrittura dei dati -> Disabilitazione interrupts Segnalare che un processo sta effettuando una scrittura di dati -> Uso di semafori 23
Interrupts un interrupt è un meccanismo che consente ס l'interruzione di un processo qualora si verifichino determinate. L interrupt e un segnale o messaggio, generalmente di ס natura asincrona, che arriva all'interno della CPU per avvisarla del verificarsi di un certo evento. Un uso e quello di segnalare il cambio di contesto per ס implementare il multitasking. 24
Disabilitazione interrupts per la sincronizzazione di processi Processo A Processo B DisableInt( ); for (i++,1,10) Array[i]=dato; EnableInt( ); Array DisableInt( ); for (i++,1,10) dato=array[i]; EnableInt( ); 25
Utilizzo di un semaforo per la sincronizzazione di processi 26
Deadlock Il meccansimo del semaforo deve essere utilizzato in ס modo accorto, in quanto puo produrre deadlock di processi e inversione di priorita. 27
Esempio: Pathfinder 28
Hardware per il controllo di sistema La configurazione di un sistema di controllo industriale si ס compone di: Un sistema di acquisizione dati dal campo, in grado di acquisire segnali analogici, digitali o logici a seconda della applicazione di controllo; Un sistema a microprocessore per l esecuzione dell algortimo di controllo. Un sistema di attuazione dei segnali di controllo, comprendente i dispositivi per l'interfacciamento con motori elettrici o attuatori pneumatici operanti sul campo. Dispositivi di temporizzazione (timer), per la gestione real time dei processi. Dispositivi di interfaccia con altri sistemi remoti (RS232, TCP/IP,...) o con l'utente (tastiera, schermo); 29
Hardware per il controllo (cont.) Un sistema di controllo industriale puo essere ס realizzato con: Una unica scheda, su cui sono concentrati i dispositivi per il controllo (Sistema integrato o Embedded) Distributiti su piu schede collegate fra di loro mediante un bus di comunicazione (sistema a bus) Un bus di comunicazione e un insieme di linee elettriche su cui vengono trasmesse informazioni e comandi logici (dati, indirizzi, segnali di sincronizzazione). 30
Un esempio di sistema Embedded Attuazione del segnale Microprocessore Porte seriali di comunicazione Acquisizione del segnale 31
Il sistema a bus VME Cestello o Rack Bus del sistema Scheda alloggiata nel rack 32
Sistemi Embedded vs a BUS Pro Contro Sistemi Embedded Ottimizzazione del sistema Elevate prestazioni Necessita di sviluppare l intero sistema (HW e SW). Non flessibili. Sistemi a BUS Flessibili Sviluppo rapido (solo software) Non ottimizzati. 33
Sistemi Embedded vs a BUS (cont.) I sistemi embedded sono adatti a produzioni di elevata ס scala, in cui i maggiori costi di progetto vengono suddivisi su grandi volumi di rpoduzione. I sistemi a bus sono adatti a produzioni di bassa scala, in ס cui la rapididita di sviluppo e i costi limitati di progetto (solo riguardanti software) sono preferiti. 34
PLC IL Programmable Logic Controller è un sistema a BUS ס diffusissimo nel campo della automazione industriale. sono: Le sue caratteristiche principali ס robustezza semplicita di programmazione modularita espandibilita 35
Componenti del PLC L'armadio, o cestello o rack, che contiene e racchiude tutti gli altri ס moduli che compongono il PLC, assicurandone la connessione meccanica ed il collegamento elettrico (bus). Il modulo di alimentazione, che fornisce alimentazione ai moduli ס elettronici installati nel cestello. Il modulo processore, che esegue le elaborazioni necessarie al ס controllo di sistema. I moduli di ingresso/uscita, che permettono l'interfacciamento del ס PLC con i sensori e gli attuatori sul campo. Altri moduli aggiuntivi richiesti da particolari applicazioni, quali ס espansioni di memoria, moduli di conteggio, porte seriali, schede di rete etc. 36
Architettura del PLC Alimentatore Moduli processori Moduli di ingresso/uscita 37
Un esempio: descrizione dal manuale PLC Quantum della Telemecanique CPU Modules: The CPU is a module residing ס on the local I/O backplane. The CPU is a digitally operating electronic system, which uses a programmable memory for the internal storage of user instructions. These instructions are used to implement specific functions such as: Logic Process sequencing Timing Arithmetic 38
Un esempio (cont.) I/O Modules: I/O modules are electrical signal ס converters which convert signals to and from field devices to a signal level and format which can be processed by the CPU, such as: Limit switches Proximity switches Temperature sensors Solenoids Valve actuators All I/O modules are optically isolated to the bus, ensuring safe and trouble-free operation. All I/O modules are also software configurable. 39
Un esempio (cont.) Modules: Network Interface ס Ethernet TCP/IP (NOE) Modules: Ethernet TCP/IP modules make it possible for a controller to communicate with devices on an Ethernet network using TCP/IP - de facto standard protocol. An Ethernet module may be inserted into an existing PLC system and connected to existing Ethernet networks via fiber optic or twisted pair cabling. LonWorks Modules (NOL) modules provide connectivity between a PLC controller and a LonWorks network, based on Echelon s LonWorks technology. Profibus DP module provides connectivity between PLC controller and a PROFIBUS DP network. ControlNet module provides connectivity between PLC and ControlNet network 40
Un esempio (cont.) Special Purpose I/O Modules: Quantum ס Intelligent/Special Purpose I/O modules operate with minimum intervention from the Quantum controller after initial downloading of module parameters or programs. The Quantum intelligent/special purpose I/O modules include the following. High Speed Counter modules (EHC) ASCII Interface module (ESI) High Speed Interrupt module (HLI) Single Axis Motion Modules (MSx) Multi-Axis Motion Modules (MMS) 41
Sviluppo di una applicazione Con il termine applicazione si intende il la ס configurazione e il programma software usato per l implementazione del sistema di controllo. Lo sviluppo di una applicazione PLC segue i ס passi: Configurazione degli ingressi (sensori) e delle uscite (attuatori). La configurazione consiste nello specificare i dettagli relativi ai punti di ingresso e di uscita in modo che questi vengano riconosciuti dal PLC. Progetto, scrittura e test del programma di controllo. 42
Indirizzamento delle variabili nel PLC. Le variabili di ingresso e di uscita sono identificate nella ס configurazione del PLC mediante un riferimento posizionale: 43
Un esempio di applicazione 44
Schema di esecuzione del PLC (dal manuale Siemens) 45
Schema di esecuzione del PLC (cont.) 46
Problemi potenziali relativi alla struttura del ciclo PLC Il ciclo di esecuzione del PLC ha durata variabile in ס modo aleatorio. Eventi rapidi possono essere persi nell intervallo tra un ס aggiornamento degli ingressi ed il successivo. Il tempo di ciclo di esecuzione del PLC costituisce ס un limite alla rapidita di risposta del PLC ad un allarme. 47
Variazioni al ciclo di esecuzione del PLC Per evitare i problemi enunciati, occorre che il ס Sistema Operativo possa gestire processi eseguiti in parallelo con priorita assegnate, con meccanismo preemptive. sono: I processi (task) da gestire ס Task in esecuzione continua (free-run). Task eseguite periodicamente Task eseguite in risposta ad un segnale esterno (interruzione). 48
Ciclo PLC con task periodici 49
Conclusioni Abbiamo visto le problematiche dei sistemi di controllo ס per l Automazione Industriale. 50