02 - I sistemi di controllo per l'Automazione Industriale · Automazione Industriale 2 - I sistemi...

Università degli Studidi Modena e Reggio Emilia

AutomationRobotics and

SystemCONTROL

Automazione Industriale2 - I sistemi di controllo per l'Automazione

IndustrialeIndustrialeCesare Fantuzzi ([email protected])

Ingegneria MeccatronicaIngegneria della Gestione Industriale

AA 2010/2011

Sommario

� Piattaforme per l’automazione. � Sistemi Embedded, � i Programmable Logical Controller (PLC). � Descrizione fisica della piattaforma di controllo.� Descrizione logica del sistema di controllo.

2Automazione Industriale - 2. I Sistemi di Controllo per l'Automazione Industriale

� Descrizione logica del sistema di controllo.

C. Fantuzzi

Obiettivi didattici del modulo

� Conoscere i principi dei sistemi di controllo per l’automazione, incluse le problematiche peculiari (tempo reale, concorrenza).

C. Fantuzzi Automazione Industriale - 2. I Sistemi di Controllo per l'Automazione Industriale

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Sistema Informatico per l’elaborazione dati (Office)

� Un sistema per l’elaborazione dati (office) e’ predisposto a leggere dati in ingresso, applicare un determinato applicare un determinato algoritmo e terminare .

� Il tempo di elaborazione dati non e’ fondamentale alla correttezza della elaborazione.

C. Fantuzzi 4Automazione Industriale - 2. I Sistemi di Controllo per l'Automazione Industriale

Sistema Informatico per l’Automazione

� Il sistema deve controllare un processo fisico in modo continuativo .

� In modo continuativo, esegue le seguenti operazioni:– Acquisizione dei segnali sensoriali– Applicazione di un algoritmo di controllo– Applicazione di un algoritmo di controllo– Attuazione dei segnali di controllo

� Il tempo di elaborazione dati e’ fondamentale per la correttezza del funzionamento del sistema di controllo.


Ciclo operativo del sistema di controllo


Vincoli REAL TIME (RT)

� Un sistema di controllo e’ ha un funzionamento corretto se:– E’ logicamente corretto.

– Termina la sua esecuzione rispettando vincoli temporali assegnati.temporali assegnati.

� Sono detti Sistemi a Tempo Reale (Real TimeSystem) quei sistemi che falliscono se non sono rispettati determinati vincoli temporali.


Sistema Operativo a Tempo Reale(Real Time)

� Un sistema operativo real-time o in tempo reale (abbreviato in RTOS) è un sistema operativo specializzato per il supporto di applicazioni software real-time .

� Questi sistemi vengono utilizzati tipicamente in � Questi sistemi vengono utilizzati tipicamente 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.


Real Time = Sistema Veloce?

� Non Necessariamente .� Da un punto di vista puramente teorico l'intervallo di

tempo in cui il sistema operativo/applicativo deve reagire non ha importanza

� Infatti un sistema operativo in RT non deve essere � Infatti un sistema operativo in RT non deve essere necessariamente veloce, la cosa importante è che risponda entro un tempo massimo perfettamente noto .


Assignment

� Sia dato un sistema con carro ponte. Si vuole gestire ilproblema di evitare che a causa di un errore diprogrammazione il carro ponte colpisca un fine corsameccanico.

� Si progetta un controllo di sicurezza che legge ad ogni ciclodi attivazione un sensore di posizione (diverso da quellodi attivazione un sensore di posizione (diverso da quellousato per il controllo, un sensore di sicurezza).

� In caso di attivazione del sensore, il controllo di sicurezzadeve arrestare il motore.

� Si supponga che lo spazio di arresto sia di x e che la velocità di avanzamento del carro sia v.

� Si calcoli il tempo massimo di intervento del sistema disicurezza (vincolo real-time da imporre).


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Real Time non significa necessariamente veloce.

� Esempio 1:

Un sistema di controllo asse necessita di acquisire il riferimentodi posizione dell'asse controllato ogni (in genere) 1/2 millisecondi.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.


Real Time non significa necessariamente veloce (Cont.)

� Esempio 2:

Un sistema di supervisione e’ programmato per acquisire lacorrente degli avvolgimenti di un motore Brushless per scopi didiagnostica. Tali acquisizione deve avvenire con periodo (in

genere) di 0.5 millisecondi.genere) di 0.5 millisecondi.

Se l'acquisizione non avviene nel tempo fissato (in modosaltuario 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.


Hard e Soft Real Time.

� Un sistema si dice Hard RT se il non rispetto di un vincolo temporale significa il fallimento completo dell'applicazione.

� Un sistema si dice Soft RT se il non rispetto di un vincolo temporale che avvenga in modo saltuario vincolo temporale che avvenga in modo saltuario diminuisce la prestazione del sistema senza provocarne il fallimento


Sistemi misti (Hard e Soft)

� Il funzionamento di un sistema meccatronico ha specifiche miste– Esecuzione del controllo (Hard RT)– Supervisione (Soft RT)– Comunicazione (Hard/Soft RT).

� Inoltre le specifiche sulla esecuzione dei � Inoltre le specifiche sulla esecuzione 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.).


Sistema multitask

� Il sistema di controllo deve essere strutturato su processi (Tasks) che:– vengono eseguiti in parallelo.– hanno specifiche temporali differenti

� L’Hw e il Sw di un sistema di controllo deve permettere l’esecuzione di processi paralleli 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 tempo di calcolo della CPU è suddiviso tra i processi attivi.


Priorità di processi

� A ciascun processo viene assegnata una priorità di esecuzione allo scopo di assicurare il rispetto dei vincoli RT.

� Ciascun processo viene messo in esecuzione in base alla sua priorita’ in base alle politiche di gestione delle alla sua priorita’ in base alle politiche di gestione delle priorita’ implementate dal Sistema Operativo.


Multitasking

� A ciascun task vengono assegnate:– Periodo di riesecuzione– Priorita’


Task scheduling

� Non Preemtive.– 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).

� Preemtive� Preemtive– Il processo di priorita’ piu’ elevata viene messo in

esecuzione, interrompendo il processo correntemente attivo.


Multitasking Preemptive


Multitasking non preemptive


Comunicazione fra processi concorrenti

� I processi devono poter comunicare (es. un processo per 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 dati � Il meccanismo più semplice per lo scambio dei dati consiste nell’utilizzare un’area di memoria condivisa.


Scambio dati mediante memoria condivisa.


Sincronismo dei dati

� Occorre mantenere l’integrita’ dei dati tra scrittura e lettura.

� Occorre evitare che un processo legga un vettore mentre un secondo processo lo sta’ aggiornando.

� Esistono due possibilita’ per garantire l’integrita’ � Esistono due possibilita’ per garantire l’integrita’ della struttura dati:– Impedire che il Sistema Operativo possa interrompere

l’esecuzione della scrittura dei dati -> Disabilitazioneinterrupts

– Segnalare che un processo sta effettuando una scrittura di dati-> Uso di semafori


Interrupts

� un interrupt è un meccanismo che consente l'interruzione di un processo qualora si verifichino determinate.

� L’interrupt e’ un segnale o messaggio , generalmente di natura asincrona, che arriva all'interno della CPU per 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 implementare il multitasking.


Disabilitazione interrupts per la sincronizzazione di processi

Processo “A” Processo “B”

DisableInt( );for (i++,1,10)

Array[i]=dato;

DisableInt( );for (i++,1,10)dato=Array[i];

Array

Array[i]=dato;EnableInt( );

dato=Array[i];EnableInt( );


Utilizzo di un semaforo per la sincronizzazione di processi


Deadlock

� Il meccansimo del semaforo deve essere utilizzato in modo accorto, in quanto puo’ produrre deadlock di processi e inversione di priorita’.


Esempio: Pathfinder


Hardware per il controllo di sistema

� La configurazione di un sistema di controllo industriale si 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’algortimodi controllo.

– Un sistema di attuazione dei segnali 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 timedei processi.

– Dispositivi di interfaccia con altri sistemi remoti (RS232, TCP/IP, ....) o con l'utente (tastiera, schermo);


Hardware per il controllo (cont.)

� Un sistema di controllo industriale puo’ essere 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).


Un esempio di sistema Embedded

MicroprocessoreAttuazione del segnalePorte seriali

di comunicazione

Acquisizione del segnale


Il sistema a bus VME

Cestello o Rack

Bus del sistema

Scheda alloggiata nel rackC. Fantuzzi 32Automazione Industriale - 2. I Sistemi di

Controllo per l'Automazione Industriale

Sistemi Embedded vs a BUS

Sistemi Embedded Sistemi a BUS

Pro •Ottimizzazione del sistema

•Elevate prestazioni

•Flessibili

•Sviluppo rapido (solo software)•Elevate prestazioni software)

Contro •Necessita’ di sviluppare l’intero sistema (HW e SW).

•Non flessibili.

•Non ottimizzati.


Sistemi Embedded vs a BUS (cont.)

� I sistemi embedded sono adatti a produzioni di elevata 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 cui la rapididita’ di sviluppo e i costi limitati di progetto cui la rapididita’ di sviluppo e i costi limitati di progetto (solo riguardanti software) sono preferiti.


PLC

� IL Programmable L ogic C ontroller è un sistema a BUS diffusissimo nel campo della automazione industriale.

� Le sue caratteristiche principali sono:– robustezza– semplicita’ di programmazione– semplicita’ di programmazione– modularita’– espandibilita’


Componenti del PLC

� L'armadio, o cestello o rack , che contiene e racchiude tutti gli altri moduli che compongono il PLC, assicurandone la connessione meccanica ed il collegamento elettrico (bus).

� Il modulo di alimentazione , che fornisce alimentazione ai moduli elettronici installati nel cestello.

� Il modulo processore , che esegue le elaborazioni necessarie al controllo di sistema.controllo di sistema.

� I moduli di ingresso/uscita , che permettono l'interfacciamento del PLC con i sensori e gli attuatori sul campo.

� Altri moduli aggiuntivi richiesti da particolari applicazioni, quali espansioni di memoria, moduli di conteggio, porte seriali, schede di rete etc.


Architettura del PLC

AlimentatoreModuli

processori

Moduli di ingresso/uscita


Un esempio: descrizione dal manuale PLC Quantum della Telemecanique

� CPU Modules : The CPU is a module residingon the local I/O backplane. The CPU is a digitally operating electronic system, which usesa programmable memory for the internal storageof user instructions. These instructions are usedto implement specific functions such as: to implement specific functions such as: – Logic– Process sequencing– Timing– Arithmetic


Un esempio (cont.)

� I/O Modules : I/O modules are electrical signalconverters which convert signals to and fromfield devices to a signal level and format whichcan be processed by the CPU, such as:– Limit switches– Proximity 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.


Un esempio (cont.)

� Network Interface Modules :– Ethernet TCP/IP (NOE) Modules: Ethernet TCP/IP modules

make it possible for a controller to communicate with deviceson an Ethernet network using TCP/IP - de facto standard protocol. An Ethernet module may be inserted into anexisting PLC system and connected to existing Ethernet networks via fiber optic or twisted pair cabling.networks via fiber optic or twisted pair cabling.

– LonWorks Modules (NOL) modules provide connectivitybetween a PLC controller and a LonWorks network, basedon 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


Un esempio (cont.)

� Special Purpose I/O Modules: Quantum Intelligent/Special Purpose I/O modules operate with minimum intervention from the Quantum controller after initial downloading of moduleparameters or programs. The Quantum intelligent/special purpose I/O modules include 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)


Sviluppo di una applicazione

� Con il termine applicazione si intende il la configurazione e il programma software usato per l’implementazione del sistema di controllo.

� Lo sviluppo di una applicazione PLC segue i passi:– Configurazione degli ingressi (sensori) e delle uscite – 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 .


Indirizzamento delle variabili nel PLC.

� Le variabili di ingresso e di uscita sono identificate nella configurazione del PLC mediante un riferimento posizionale:


Un esempio di applicazione


Schema di esecuzione del PLC(dal manuale Siemens)


Schema di esecuzione del PLC (cont.)


Problemi potenziali relativi alla struttura del ciclo PLC

� Il ciclo di esecuzione del PLC ha durata variabile in modo aleatorio.

� Eventi rapidi possono essere “persi” nell’intervallo tra un aggiornamento degli ingressi ed il successivo.

� Il tempo di ciclo di esecuzione del PLC costituisce un limite alla rapidita’ di risposta del PLC ad un allarme.

� Il tempo di ciclo di esecuzione del PLC costituisce un limite alla rapidita’ di risposta del PLC ad un allarme.


Variazioni al ciclo di esecuzione del PLC

� Per evitare i problemi enunciati, occorre che il Sistema Operativo possa gestire processi eseguiti in parallelo con priorita’ assegnate, con meccanismo preemptive.

� I processi (task) da gestire sono:– Task in esecuzione continua (free-run).– Task eseguite periodicamente– Task eseguite in risposta ad un segnale esterno

(interruzione).


Ciclo PLC con task periodici


Conclusioni

� Abbiamo visto le problematiche dei sistemi di controllo per l’Automazione Industriale.


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