Modulo 1.2 Il sistema di acquisizione dati e controllo ... · 2) segnale continuo o analogico,...

Modulo 1.2

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

Corso di Strumentazione e Automazione Industriale

Automazione industriale

2

Impianto

T1

T2

T3

T4

4-20 mA

0-10 V

mV

0-5 V (digitale)

I/V0-10 V

A/D0-5 V (dig)

A/D0-5 V (dig)

Amp.0-10 V

A/D0-5 V (dig)

Profibus0-5 V (dig)

PCDAQ

Board

Attuatore

Trasduttore Std elettrico Condizionamento segnale Comunicazione e acquisizione dati

Strumento di misura

Campo/processo Sala controllo /DCS

0-5 V

(dig)

DCS: Distributed Control System

DAQ: Data Acquisition

4-20 mA

0-10 V

0-5 V (digitale)

2P + PID

Sistema di acquisizione dati e controllo: generalità

Agenda

Il sistema di controllo industriale

La conversione del segnale

Il condizionamento del segnale

3

4

Cos’è un sistema di acquisizione dati e controllo

Le informazioni o i dati generati da un sistema di misura richiedono uno o

più livelli di 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.

5

FENOMENO

FISICO

(Ad esempio la temperatura)

Il fenomeno fisico è una grandezza caratteristica del processo oggetto del

sistema di misura.


6

FENOMENO

FISICO

(Ad esempio una termocoppia)

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.


7

(Ad esempio conversione analogico-digitale)

ELEMENTO

SENSIBILE

PRIMARIO

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.

ELEMENTO DI

CONVERSIONE

DELLA VARIABILE

FENOMENO

FISICO


8

(Ad esempio amplificazione, filtraggio, isolamento del segnale)

ELEMENTO

SENSIBILE

PRIMARIO

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.

ELEMENTO DI

CONVERSIONE

DELLA

VARIABILE

FENOMENO

FISICO

ELEMENTO DI

MANIPOLAZIONE

DELLA VARIABILE


9

ELEMENTO

SENSIBILE

PRIMARIO

L’elemento di manipolazione può precederne uno di conversione oppure

ripetersi più volte oppure non essere presente se la sua funzione non è

richiesta.

ELEMENTO DI

CONVERSIONE

DELLA

VARIABILE

FENOMENO

FISICO

ELEMENTO DI

MANIPOLAZIONE

DELLA VARIABILE


10

(Ad esempio un cavo elettrico)

ELEMENTO

SENSIBILE

PRIMARIO

ELEMENTO DI

CONVERSIONE

DELLA

VARIABILE

FENOMENO

FISICO

ELEMENTO DI

MANIPOLAZIONE

DELLA

VARIABILE

ELEMENTO DI

TRASMISSIONE DEI

DATI

L’elemento di trasmissione dati assolve la

funzione di trasmettere le informazioni ai vari

elementi funzionali quando questi sono

fisicamente separati.


11

(Ad esempio rappresentazione grafica su display)

ELEMENTO

SENSIBILE

PRIMARIO

ELEMENTO DI

CONVERSIONE

DELLA

VARIABILE

FENOMENO

FISICO

ELEMENTO DI

MANIPOLAZIONE

DELLA

VARIABILE

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.

ELEMENTO DI

ELABORAZIONE DEI

DATI


12

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.


13

Esempio 1: termometro a pressione (tubo di Bourdon)


V=V0(1+ α ΔT)

V: volume finale

V0: volume iniziale alla temperatura T0

ΔT: differenza tra temperatura finale T e iniziale T0

α: coefficiente di dilatazione cubica

14

Esempio 2: indicatore di pressione (a pistone)


F=pA=kx

F: forza

p: pressione

A: superficie pistone

k: costante elastica della molla

x: spostamento

15

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). Lo strumento impiegato a tale scopo in ambito

industriale è il PLC (Programmable Logic Controller).

ELEMENTO

SENSIBILE

PRIMARIO

ELEMENTO DI

CONVERSIONE

DELLA

VARIABILE

ELEMENTO DI

CONDIZIONAMENTO

DELLA VARIABILE

ELEMENTO DI

TRASMISSIONE

DEI DATI

ELABORAZIONE

DEI DATI

CONTROLLO E

REGOLAZIONE


Il PLC è un dispositivo o sistema

digitale elettronico che utilizza una

memoria programmabile per

memorizzare delle istruzioni atte ad

implementare funzioni specifiche con

una logica di controllo sequenziale. Tra

le funzioni: temporizzazioni, conteggi,

calcoli aritmetici, ...

16

Il PLC opera secondo una logica di controllo sequenziale, ovvero:

1. Acquisisce tutti i segnali provenienti dagli strumenti presenti;

2. Salva le informazioni in ingresso in memoria (immagine);

3. Definisce, in base alla logica di programmazione (software), quali

sono i valori in uscita .

4. Salva i valori in uscita in memoria.

5. Mette in opera le azioni derivanti dai valori salvati nella memoria in

uscita.

1. ACQUISIZIONE

DATI


2. SALVATAGGIO

INGRESSO

3. DEFINIZIONE

USCITE

4. SALVATAGGIO

USCITA

5. RETROAZIONE

17

In base ai dati rilevati dal sistema di controllo e regolazione 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

CONDIZIONAMENTO

DELLA VARIABILE

ELEMENTO DI

TRASMISSIONE

DEI DATI

ELABORAZIONE

DEI DATI

CONTROLLO E

REGOLAZIONEATTUATORE


Un tipico esempio di attuatore è la valvola,

ad esempio una valvola di regolazione, con

attuatore elettrico o pneumatico, impiegata

per modulare la portata di un fluido

attraverso una tubazione o regolare la

temperatura in ingresso ad una utenza.

Agenda





18

19

Il segnale proveniente da un sensore può essere di due tipi:

1) segnale discreto (cioè sotto forma di impulsi), con frequenza del

segnale proporzionale alla grandezza in misura (ad esempio, contatore a

paletta);

2) segnale continuo o analogico, ovvero variabile in analogia con

l’andamento della grandezza fisica rilevata.

Nel caso di segnale discreto, è possibile impiegare dei contatori elettrici

per la conversione del segnale in un numero (forma digitale). I contatori si

possono realizzare secondo due diversi schemi (e logiche):

- 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.

La conversione analogico-digitale

SENSOREFENOMENO

FISICO

ELEMENTO DI

CONVERSIONE

DELLA

VARIABILE

ELEMENTO DI

MANIPOLAZIONE

DELLA VARIABILE

20

Nel caso in cui si debba convertire una segnale dalla forma analogica a

quella digitale, vengono impiegati i cosiddetti convertitori analogico-

digitali (ADC, Analog to Digital Convertion).

Segnale digitale: successione discreta di valori numerici.

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.


ingresso analogico

DISPOSITIVO DI

CAMPIONAMENTO

segnale a gradini

21

All’istante t=0 la funzione a gradini assume il valore della variabile analogica

misurata (ipotizziamo un segnale in tensione). Tale valore rimane costante per il

tempo di campionamento. Al termine del tempo di campionamento, la funzione a

gradini assume il nuovo valore corrente della variabile analogica, che rimane

costante per il successivo tempo di campionamento, e così via.


Segnale analogico

Segnale a gradinitempo di campionamento

Tempo

Ten

sio

ne

t=0

22

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: il segnale varia con una rampa lineare da zero al massimo

valore rilevabile Vmax nel periodo di campionamento.


GENERATORE DI

SEGNALE A DENTE

DI SEGA

massima tensione da misurare Vmax

tempo di campionamento

23


DISPOSITIVO DI

CAMPIONAMENTO

GENERATORE DI

SEGNALE A DENTE

DI SEGA

CONFRONTO

24


Segnale dente di segaSegnale analogico

Segnale a gradinitempo di campionamento

Tempo

Ten

sio

ne

In figura sono mostrati segnale analogico, segnale a gradini e segnale a dente di

sega sovrapposti: nel periodo che intercorre tra un campionamento e l’altro, il

valore costante attribuito alla funzione a gradino viene confrontata con il segnale

a dente di sega.

25

Quando il valore di tensione misurato sulla rampa del segnale a dente di

sega eguaglia il valore di tensione generato dal dispositivo di

campionamento stesso (e che rimane costante per tutto l’intervallo di

campionamento), viene fermato il conteggio di un contatore che è stato

chiuso contemporaneamente all’inizio del periodo di campionamento.


stop al contatore

Segnale dente di sega

Segnale a gradini

26


DISPOSITIVO DI

CAMPIONAMENTO+

GENERATORE DI

SEGNALE A DENTE DI

SEGA

-

STOP CONTATORE

GENERATORE DI

IMPULSI

TEMPORIZZATO

STOP

START

Pertanto sono altresì presenti:

- un generatore di impulsi temporizzato, che comanda accensione e

spegnimento del generatore a dente di sega, e che aziona l’accensione di

un contatore;

- un contatore, che misura il tempo che intercorre tra la generazione del

segnale a dente di sega e il momento in cui l’impulso prodotto dal

dispositivo di campionamento eguaglia la funzione a dente di sega.

27


DISPOSITIVO DI

CAMPIONAMENTO+

GENERATORE DI

SEGNALE A DENTE DI

SEGA

-

STOP CONTATORE

GENERATORE DI

IMPULSI

TEMPORIZZATO

STOP

START

1. All’avvio del periodo di campionamento, il generatore di impulsi

temporizzato avvia il generatore a dente di sega ed il contatore.

2. Quando il segnale a gradini incontra il segnale a dente di sega, viene

dato lo stop al contatore.

3. Quando si arriva alla fine del periodo di campionamento, il generatore

di impulsi temporizzato ferma il generatore a dente di sega.

28


t1

V1Segnale dente di sega Segnale analogico Segnale a gradini

tempo di campionamento

Tempo

Ten

sio

ne

Tempo contatore

29

Il contatore emette un segnale proporzionale al tempo t1 (cioè a V1) sulla

base di un impulso codificato, il quale è scelto in base al numero

massimo di bit con cui si vuole rappresentare il dato digitale.

Alla fine del periodo di campionamento il contatore torna a zero.


Impulso codificatoΔt

t1Tempo contatore

Tempo

Ten

sio

ne

30


DISPOSITIVO DI

CAMPIONAMENTO+

GENERATORE DI

SEGNALE A DENTE DI

SEGA

-

STOP CONTATORE

GENERATORE DI

IMPULSI

TEMPORIZZATO

STOP

START

IMP

UL

SI

Segnale digitale

Quando il segnale a gradini incontra il segnale a dente di sega, viene dato

lo stop al contatore, che fornisce in uscita un segnale digitale.

31

Nota bene: base binaria e numero di bit

Solitamente il segnale analogico viene convertito in un segnale digitale

rappresentato da un numero binario (scelta naturale per applicazioni con

calcolatori elettronici).

2692 = 28 + 23 + 22 + 20

2692 = 1000011012

In questo caso il numero binario è formato da 9 bit. Pertanto, il bit

rappresenta l’informazione 0/1 espressa in codice binario.


32

Agenda





33

La maggioranza dei segnali analogici in uscita dai trasduttori necessita di

un adattamento prima di essere trasferito al convertitore analogico-

digitale (ADC).

Le operazioni che preparano il segnale alla conversione sono dette “di

condizionamento” o “di manipolazione” del segnale.


ELEMENTO

SENSIBILE

PRIMARIO

ELEMENTO DI

CONVERSIONE

DELLA

VARIABILE

ELEMENTO DI

CONDIZIONAMENTO

DELLA VARIABILE

ELEMENTO DI

TRASMISSIONE

DEI DATI

ELABORAZIONE

DEI DATI

CONTROLLO E


34

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.

Vu= A x (V+ – V–)

Dove A è il fattore di amplificazione= 1+R2/R1


V+

V-

Vu

35

Isolamento

Usualmente i segnali in

uscita dal trasduttore

vengono isolati dal

calcolatore:

- il sistema monitorato

potrebbe contenere

tensioni elevate (pericolose

per il calcolatore);

- la lettura della scheda non

deve essere influenzata da

differenze di potenziale di

terra o dalle tensioni del

nodo comune.


36

Multiplexing

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.


37

Multiplexing: esempio applicativo


Il multiplexer in figura è in grado di commutare il segnale di pressione differenziale

proveniente da un trasduttore ad un altro trasduttore secondo una successione

temporale predefinita. Ogni multiplexer è composta da 8 elettrovalvole: aprendo

alternativamente una coppia di elettrovalvole è possibile avere una mappatura completa

delle perdite di carico lungo una tubazione. Ad esempio, aprendo V1 e V2, è possibile

leggere la caduta di pressione tra i punti 0 e 1 del circuito. Dopo che V1-V2 sono chiuse,

V3 e V4 si apriranno per misurare la caduta di pressione tra i punti 1 e 2. In questo

modo, con un unico strumento, è possibile misurare 4 perdite di carico (1 strumento al

posto di 4!).

38

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 basso da 4 Hz a 10 kHz per eliminare il rumore prima che il

segnale sia 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.


39

Linearizzazione

Molti trasduttori, come le termocoppie, non hanno risposta lineare alle

variazioni del fenomeno misurato. Pertanto, può essere necessario

intervenire sul segnale in uscita per linearizzarlo.


40

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.

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.

Tipologia segnale Range

Segnale analogico in corrente 4-20 mA (0-20 mA)

Segnale analogico in tensione 0-10 V

Segnale digitale in tensione 0-5 V (discreto)

41

Processo

Industriale

T1

T2

T3

T4

4-20 mA

0-10 V

mV

0-5 V (digitale)

I/V0-10 V

A/D0-5 V (dig)

A/D0-5 V (dig)

Amp.0-10 V

A/D0-5 V (dig)

Profibus

0-5 V (dig)

PCDAQ

Board

Attuatore

digitale

Trasduttore Std elettrico Condizionamento segnale Comunicazione e acquisizione dati

Strumento di misura


0-5 V

(dig)


DAQ: Data Acquisition

Le tipologie di segnale: acquisizione in digitale

Processo

Industriale

T1

T2

T3

T4

4-20 mA

0-10 V

mV

0-5 V (digitale)

Amp.0-10 V CPU

I/V + A/D

A/D

Contatto

elettrico

Attuatore

analogico

Trasduttore Std elettrico Condizionamento segnale Acquisizione dati

Testa dello strumento di misura


0-5 V

(dig)


Schede di input

CPU: Central

Processing Unit

Memoria

ROM + RAM

Alimentazione

D/A

Scheda di output

0-10 V (o 4-20 mA)

42

Le tipologie di segnale: acquisizione in analogico

43

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.

44


Vantaggi della comunicazione digitale rispetto a quella analogica:

1- più informazioni sullo stesso cavo: il doppino analogico è in grado di

trasferire solo il segnale della variabile misurata, mentre con la

comunicazione digitale possono essere trasferite più informazioni;

2- comunicazione bidirezionale: attraverso la comunicazione digitale si

possono ricevere informazioni e anche inviarne dal master allo slave;

3- riduzione del rumore elettrico: essendo il segnale discretizzato e non

continuo è possibile ridurre l’impatto del rumore elettrico andando a

confrontare i livelli di tensione sui due cavi;

4- un solo doppino: nella comunicazione analogica è necessario stendere

un doppino elettrico per ogni strumento, mentre nella digitale (Profibus)

con un solo doppino si riescono a mettere in comunicazione fino a 137

slave;

45


Vantaggi della comunicazione digitale rispetto a quella analogica:

5- maggiore isolamento: dovendo stendere un solo doppino è possibile

prevedere un isolamento maggiore in termini di rumore elettrico e agenti

atmosferici;

6- minori ingombri: la minor quantità di cavi incide anche sugli ingombri

soprattutto in sala comando dove convergono tutti i cavi;

7- minore manutenzione: a causa della minore numerosità e maggiore

robustezza, azioni di manutenzioni sono molto meno frequenti e anche

molto più facili da effettuare;

46


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.

47

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.

48

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.

49

Agenda





50

Come visto in precedenza, 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

ELABORAZIONE

DEI DATI

CONTROLLO E



51

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

ELABORAZIONE

DEI DATI

CONTROLLO E



52

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

ELABORAZIONE

DEI DATI

CONTROLLO E



53

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.


54

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.

Il controllore logico programmabile

55

L’architettura di un PLC non si differenzia molto da quella classica di un

calcolatore elettronico.


Memoria RAM (Random Access Memory): è un tipo di memoria volatile

caratterizzata dal permettere l’accesso diretto a qualunque indirizzo di memoria con lo

stesso tempo di accesso.

Memoria ROM (Read Only Memory): è un tipo di memoria non volatile in cui i

dati sono memorizzati tramite collegamenti elettronici fisici e stabili. Il suo contenuto

non è modificabile durante il normale funzionamento.

56

Il PLC opera 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;


57

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”).


58

LETTURA DEGLI

INGRESSI

CARICAMENTO

INGRESSI IN

MEMORIA

Vengono calcolati i valori delle uscite in base a quanto

stabilito dal programma.

ELABORAZIONE

DEL

PROGRAMMA

I valori delle uscite sono caricati in un’apposita sezione

della memoria.

CARICAMENTO

USCITE IN

MEMORIA


59

LETTURA DEGLI

INGRESSI

CARICAMENTO

INGRESSI IN

MEMORIA

ELABORAZIONE

DEL

PROGRAMMA

CARICAMENTO

USCITE IN

MEMORIA

ATTUAZIONE

DELLE USCITE

L’attuazione delle uscite avviene in

modo sincrono (contemporaneamente

al ciclo di lettura degli ingressi).


60

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.


61

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.


62

LETTURA DEGLI

INGRESSI

CARICAMENTO

INGRESSI IN

MEMORIA

ELABORAZIONE DEL

PROGRAMMA

CARICAMENTO

USCITE IN

MEMORIA

ATTUAZIONE

DELLE USCITE

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).


63

LETTURA DEGLI

INGRESSI

CARICAMENTO

INGRESSI IN

MEMORIA

ELABORAZIONE DEL

PROGRAMMA

CARICAMENTO

USCITE IN

MEMORIA

ATTUAZIONE

DELLE USCITE

Occorre cautela nell’utilizzo del PLC per la

gestione di interventi di sicurezza.

Infatti, occorre stabilire se il ritardo massimo Δt

con cui il PLC è in grado di intervenire non risulti

eccessivo ai fini della sicurezza.

Δt


64

Esempio: funzione di sicurezza

Si prenda in considerazione il PLC a controllo di una macchina

punzonatrice. Supponiamo sia presente un sensore il cui scopo è quello

di fermare la macchina qualora l’operatore si avvicini con la mano

all’utensile.

Se il segnale proveniente dal sensore venisse acquisito all’interno del

normale ciclo di acquisizione dati, e quindi il PLC intervenisse solo al

termine del ciclo, sicuramente sarebbe troppo tardi per l’incolumità

dell’operatore.

Ecco perché alcune funzioni, come quelle di sicurezza, vanno gestite con

logiche differenti da quelle tipiche del PLC.


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LETTURA DEGLI

INGRESSI

CARICAMENTO

INGRESSI IN

MEMORIA

ELABORAZIONE DEL

PROGRAMMA

CARICAMENTO

USCITE IN

MEMORIA

ATTUAZIONE

DELLE USCITE

Il ritardo massimo Δt con cui il PLC è in grado di

intervenire si può diminuire impiegando un PLC

più veloce.

Δt↓

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).


66

LETTURA DEGLI

INGRESSI

CARICAMENTO

INGRESSI IN

MEMORIA

ELABORAZIONE DEL

PROGRAMMA

CARICAMENTO

USCITE IN

MEMORIA

ATTUAZIONE

DELLE USCITE

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:

Δt ciclo = 50 ms vs Δt allarme = 10 ms

Il programma legge l’ingresso riferito all’allarme

almeno 5 volte nello stesso ciclo.

Δt ↓


67

LETTURA DEGLI

INGRESSI

CARICAMENTO

INGRESSI IN

MEMORIA

ELABORAZIONE DEL

PROGRAMMA

CARICAMENTO

USCITE IN

MEMORIA

ATTUAZIONE

DELLE USCITE

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.

Δt ↓


68

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.


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LETTURA DEGLI

INGRESSI

CARICAMENTO

INGRESSI IN

MEMORIA

ELABORAZIONE DEL

PROGRAMMA

CARICAMENTO

USCITE IN

MEMORIA

ATTUAZIONE

DELLE USCITE

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.


Acquisizione dati su piattaforma PC

70


71

Personal Computer

Il computer impiegato nella catena

d’acquisizione dati può influire in maniera

rilevante sulla velocità alla quale si può

effettuare la detta acquisizione in maniera

corretta. L’odierna tecnologia utilizza

prevalentemente microprocessori collegati ad

un’architettura di bus molto efficiente.

Per effettuare una acquisizione dati remota i vari elementi della catena di acquisizione vanno collegati alla

scheda installata sul computer, attraverso sistemi di comunicazione seriali tipo RS-232 e RS-485 o

USB.

La velocità di trasferimento dei dati è limitata da questi sistemi seriali di comunicazione.

La corretta scelta del bus I/O (Input/Output) e della parte di comunicazione seriale rivestono notevole

importanza.


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Personal Computer

Un personal computer non può permettersi di avere differenti circuiti per le

comunicazioni tra le varie periferiche. La soluzione migliore è l’impiego di un bus.

Il bus è un set comune di fili che connette tra loro tutte le periferiche del computer e tutti

i chips.

Alcuni di questi fili sono utilizzati per trasmettere dati e altri trasmettono un numero

(“l’indirizzo”) che identifica una periferica particolare o una ubicazione nella memoria.

Il computer controlla i segnali portati da questi fili e risponde quando ritrova il numero -

indirizzo corrispondente. Quindi trasferisce i dati sugli altri conduttori.

Nel 1984 l’IBM introduceva sul mercato il suo PC, modello A. La CPU, la memoria ed il

bus di input/output viaggiavano tutti alla stessa velocità, con un clock di 8 MHz e questo

bus di input/output è noto come ISA (Industry Standard Architecture). L’ISA era una

interfaccia a 16-bit, che poteva trasferire solo due byte alla volta, viaggiando a soli 8

MHz.

A fine anni ‘90 sono state sviluppate schede EISA (Extended Industry Standard

Architecture), capaci di trasferire dati a 32 bit (quattro byte per operazione).

I bus I/O


73

Personal Computer

Successivamente è diventato uno standard il bus PCI (Peripheral Component

Interconnect) sviluppato da Intel. Il bus PCI è un ambiente a 32 bit. Questo bus

viaggia a 33 MHz e può trasferire 132 MBytes/s.

Attualmente lo standard più usato più diffuso è l’USB (Universal Serial Bus),

che ha avuto l’evoluzione riportata in tabella.

I bus I/O

Modulo 1.2 Il sistema di acquisizione dati e controllo ... · 2) segnale continuo o analogico,...

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