Modulo 2.5 Il sistema di acquisizione dati e controllo ... · L’elemento di conversione della...

Modulo 2.5

Il sistema di acquisizione dati e controllo industriale

Prof. Ing. Cesare Saccani

Dott. Ing. Marco Pellegrini

Ing. Alessandro Guzzini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale del Risorgimento 2, 40136, Bologna – Italy

Corso di Strumentazione e Automazione Industriale

Versione 06

Sistema di acquisizione dati e controllo: generalità

Agenda

Il sistema di controllo industriale

La conversione del segnale

Il condizionamento del segnale

Protocolli di comunicazione industriale

Il controllore logico programmabile e la piattaforma PC

2

Il Manufacturing Execution System


Generalità

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.

In campo

Flusso di dati

(bidirezionale se

strumento digitale)

3

FENOMENO

FISICO

(Ad esempio la temperatura)

Il fenomeno fisico è una grandezza caratteristica del processo oggetto del

sistema di misura.


Cos’è un sistema di acquisizione dati e controllo?

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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.



5/102

(Ad esempio conversione analogico-digitale)

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

SENSIBILE

PRIMARIO

ELEMENTO DI

CONVERSIONE

DELLA

VARIABILE

FENOMENO

FISICO



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(Ad esempio amplificazione, filtraggio, isolamento del segnale)

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

SENSIBILE

PRIMARIO

ELEMENTO DI

CONVERSIONE

DELLA

VARIABILE

FENOMENO

FISICO

ELEMENTO DI

MANIPOLAZIONE

DELLA

VARIABILE



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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

SENSIBILE

PRIMARIO

ELEMENTO DI

CONVERSIONE

DELLA

VARIABILE

FENOMENO

FISICO

ELEMENTO DI

MANIPOLAZIONE

DELLA

VARIABILE



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(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.



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(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



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La fase di elaborazione dei dati può presentare diversi gradi di complessità.

Nel caso più semplice, l’elaborazione consiste unicamente nella

documentazione dell’evoluzione del fenomeno ad esempio attraverso la

visualizzazione su display della variazione di una certa grandezza nel tempo.


Fase di elaborazione dati

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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


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Esempio 2: indicatore di pressione (a pistone)

F=pA=kx

F: forza

p: pressione

A: superficie pistone

k: costante elastica della molla

x: spostamento


13/102

Fase di elaborazione dati

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).

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 vi sono: temporizzazioni,

conteggi, calcoli aritmetici, ...

ELEMENTO

SENSIBILE

PRIMARIO

ELEMENTO DI

CONVERSIONE

DELLA

VARIABILE

ELEMENTO DI

CONDIZIONAMENTO

DELLA VARIABILE

ELEMENTO DI

TRASMISSIONE

DEI DATI

ELABORAZIONE

DEI DATI

CONTROLLO E

REGOLAZIONE


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Il Programmable Logic Controller (PLC)

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.


2. SALVATAGGIO IN INGRESSO

3. DEFINIZIONE USCITE

4. SALVATAGGIO USCITA

5. RETROAZIONE

1. ACQUISIZIONE DATI

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Il PLC: controllo e regolazione del processo

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 ad un 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


16/102


Agenda






17/102


Natura del segnale: analogica e digitale

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 elettronici 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

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Convertitori analogico – digitali

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 Converter).

Segnale analogico: successione continua di valori numerici rappresentativa

delle grandezze fisiche misurate.

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 19/102

Il processo di campionamento del segnale: importanza del tempo di campionamento

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

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Il processo di campionamento del segnale

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

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DISPOSITIVO DI

CAMPIONAMENTO

GENERATORE DI

SEGNALE A DENTE

DI SEGA

CONFRONTO

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La conversione analogico-digitaleIn figura sono mostrati segnale analogico (rosso), segnale a gradini (blu) e segnale a

dente di sega (verde) sovrapposti: nel periodo che intercorre tra un campionamento e

l’altro, il valore costante attribuito alla funzione a gradino viene confrontato con il

segnale a dente di sega.

Segnale dente di segaSegnale analogico

Segnale a gradini tempo di campionamento

Tempo

Ten

sio

ne

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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 avviato contemporaneamente all’inizio del

periodo di campionamento.


stop al contatore

Segnale dente di sega

Segnale a gradini

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DISPOSITIVO DI

CAMPIONAMENTO +

GENERATORE DI

SEGNALE A DENTE DI

SEGA

-

= STOP CONTATORE

GENERATORE DI

IMPULSI

TEMPORIZZATO

STOP

START

Pertanto nel convertitore sono altresì presenti:

• Generatore di impulsi temporizzato, che comanda accensione e spegnimento

del generatore a dente di sega, e che aziona l’accensione di un contatore;

• 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.

Se = 0

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t1

V1Segnale dente di sega Segnale analogico Segnale a gradini

tempo di campionamento

Tempo

Ten

sio

ne

Tempo contatore 26/102

Il contatore emette un segnale proporzionale al tempo t1 (e dunque 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

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DISPOSITIVO DI

CAMPIONAMENTO +

GENERATORE DI

SEGNALE A DENTE DI

SEGA

-

= STOP CONTATORE

GENERATORE DI

IMPULSI

TEMPORIZZATO

STOP

STARTIM

PU

LS

I

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.

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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.


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Agenda






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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


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Amplificazione del segnale

Un amplificatore è un dispositivo che modifica l'ampiezza del segnale che lo

attraversa di un certo fattore moltiplicativo, detto guadagno (gain): in alcuni casi

il guadagno è regolabile.

Ad esempio, il segnale in tensione in uscita dalle termocoppie è troppo basso e

va amplificato per aumentare la capacità di lettura e ridurre l’influenza del

rumore.


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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.


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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).

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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.


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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.


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Occorre porre attenzione anche al dimensionamento degli elementi di

trasmissione dei dati.


ELEMENTO

SENSIBILE

PRIMARIO

ELEMENTO DI

CONVERSIONE

DELLA

VARIABILE

ELEMENTO DI

CONDIZIONAMENTO

DELLA VARIABILE

ELEMENTO DI

TRASMISSIONE

DEI DATI

ELABORAZIONE

DEI DATI

CONTROLLO E


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Isolamento e schermatura

I cavi per la trasmissione del segnale sono

solitamente isolati e schermati in maniera

da evitare fenomeni di interferenza

elettrica, con conseguente modifiche del

segnale.

Solitamente si parla erroneamente di

isolamento. In realtà per isolamento di un

cavo si intende la protezione del cavo da

rischi di rottura causati da abrasione,

frizione, penetrazione agenti atmosferici.

L’isolamento è in genere ottenuto con

rivestimenti che non offrono, tuttavia,

nessuna protezione rispetto alla radiazione

elettromagnetica. Il cavo deve dunque

essere schermato (shielding) con una

soluzione dedicata.


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Schermatura: caratteristiche principali

La schermatura garantisce protezione contro i disturbi elettromagnetici in due modi:

• Riflessione dell’energia proveniente dall’esterno,

• Trasferimento del rumore elettrico verso massa; in particolare, il cammino elettrico

verso massa deve essere a bassissima impedenza. Per questo motivo anche la scelta

del connettore terminale deve essere effettuata con grandissima cura al fine di evitare

che un connettore di bassa qualità possa ridurre l’efficacia del cavo schermato. Infatti

la schermatura complessiva del segnale è legata al componente meno prestazionale

del sistema trasmissione dati (cavo, connettore).

Nella realtà una parte dell’energia passa attraverso lo schermo protettivo, ma è talmente

attenuata che non causa effetti indesiderati.

Sul mercato sono disponibili cavi con vari livelli di schermatura e conseguenti diversi

livelli di efficacia contro il rumore elettrico. L’efficacia dello shielding dipende da

numerosi fattori:

• La lunghezza e il diametro del cavo;

• Frequenza del rumore e del segnale utile;

La scelta del livello di shielding del cavo deriva, comunque, da valutazioni di tipo

costo/beneficio.


39/102

Schermatura: tipologie

Esistono due tipologie di schermature sul mercato:

• Foil: questa tipologia di schermatura consiste

nell’avvolgere i conduttori e la guaina mediante un foglio di

alluminio laminato su un nastro di poliestere. Il poliestere

garantisce la robustezza meccanica mentre l’alluminio la

copertura da interferenze elettromagnetiche. Al sistema si

aggiunge un filo di rame (di drenaggio) che consente la

messa a massa dell’intera schermatura. Solitamente è

utilizzata per i doppini ed è particolarmente efficace contro

le interferenze a radiofrequenza

• Braid: questa tipologia è costituita da gruppi di fili

solitamente di rame nudo o stagnato, tra loro intrecciati in

modo da formare un maglia metallica (woven mesh) che

avvolge il cavo, offrendo una minore resistenza verso

massa rispetto alla soluzione foil, risultando così più

efficace nel rispetto dei disturbi elettromagnetici. Nel caso

di ripetute flessioni, tuttavia, la schermatura braid può

danneggiarsi.


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Agenda






41/102



Comunicazione analogica vs. digitale

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. La trasmissione delle informazioni

può avvenire con segnale analogico (in corrente o in tensione) ovvero con

segnale digitale discreto. I range più comuni del segnale analogico e digitale

sono riportati nella tabella.

Nel caso 4-20 mA è possibile alimentare il sensore utilizzando i fili di misura (0-4

mA per alimentazione, 4-20 mA per comunicazione). Nel caso in cui

l’assorbimento del sensore risultasse troppo elevato si realizzano sensori a 4 fili

e non a 2 (2 cavi sono utilizzati per l’alimentazione del sensore e 2 per la

comunicazione dati).

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)

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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

Campo/processo Sala controllo /DCS

0-5 V

(dig)

DCS: Distributed Control System

DAQ: Data Acquisition

Il sistema di controllo industriale: acquisizione in digitale

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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

Campo/processo Sala controllo /DCS

0-5 V

(dig)

DCS: Distributed Control System

Schede di input

CPU: Central

Processing Unit

Memoria

ROM + RAM

Alimentazione

D/A

Scheda di output

0-10 V (o 4-20 mA)

Il sistema di controllo industriale: acquisizione in analogico

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Digitale vs. Analogico

I vantaggi della comunicazione digitale rispetto a quella analogica sono:

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 dalla sala controllo al campo;

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. Riduzione cablaggi: nella comunicazione analogica è necessario stendere un

doppino elettrico per ogni strumento, mentre nella digitale con un solo doppino si

riescono a mettere in comunicazione più dispositivi;

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;


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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



INTERVENTO

SUL

PROCESSO

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La fase di regolazione

Il regolatore confronta il valore del segnale proveniente dal processo e misurato

dal sensore dopo averlo opportunamente convertito e manipolato con un valore

desiderato, detto valore di set point, ossia quel valore che si vorrebbe

mantenere nel processo per la variabile controllata.


ELEMENTO

SENSIBILE

PRIMARIO

ELEMENTO DI

CONVERSIONE

DELLA

VARIABILE

ELEMENTO DI

MANIPOLAZIONE

DELLA

VARIABILE

ELEMENTO DI

TRASMISSION

E DEI DATI

ELABORAZIONE

DEI DATI

CONTROLLO E


INTERVENTO

SUL

PROCESSO

47/102

Funzioni di un regolatore di tipo 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.


48/102

Comando all’attuatore: ultimo step dell’anello di regolazione

In base al risultato del confronto fra variabile misurata e valore di set point, e in

funzione alle logiche di regolazione prestabilite, il regolatore elabora un segnale

(sotto forma di tensione, corrente, pressione, …) da applicare all’attuatore al fine

di inseguire, con la variabile controllata, il valore di 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


INTERVENTO

SUL

PROCESSO

49/102


Agenda






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Il Programmable Logic Controller (PLC)

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

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52/102

Architettura di un PLC

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

calcolatore elettronico.

Funzionamento del PLC

Durante il funzionamento del PLC sono possibili due tipologie di operazioni che

si differenziano per il livello di accessibilità all’utente.

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.


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Funzionamento del PLC

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”).


54/102

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


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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).


56/102

Evoluzione del PLC e ulteriori funzionalità

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.

Un’ulteriore implementazione del PLC si è avuta con l’inserimento delle subroutines,

ovvero blocchi funzionali che realizzano una funzione logica e che possono essere

richiamati ovunque serva nel programma, e della istruzione di salto, che consente

l’attivazione o meno di alcune funzioni del programma solo in determinate condizioni.

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.


57/102

LETTURA DEGLI

INGRESSI

CARICAMENTO

INGRESSI IN

MEMORIA

ELABORAZIONE DEL

PROGRAMMA

CARICAMENTO

USCITE IN

MEMORIA

ATTUAZIONE

DELLE USCITE

L’esecuzione del ciclo da parte del PLC 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.


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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


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Funzione di sicurezza: un esempio

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 non è ottima dal punto di vista

economico: 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).


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LETTURA DEGLI

INGRESSI

CARICAMENTO

INGRESSI IN

MEMORIA

ELABORAZIONE DEL

PROGRAMMA

CARICAMENTO

USCITE IN

MEMORIA

ATTUAZIONE

DELLE USCITE

Come risolvere questa criticità?

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 ↓


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LETTURA DEGLI

INGRESSI

CARICAMENTO

INGRESSI IN

MEMORIA

ELABORAZIONE DEL

PROGRAMMA

CARICAMENTO

USCITE IN

MEMORIA

ATTUAZIONE

DELLE USCITE

E nel caso di segnali che richiedono una risposta

immediata?

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 la normale

elaborazione conseguente ad una precisa richiesta

esterna o interna al dispositivo 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

da dove era stata interrotta.

Δt ↓


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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.


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Acquisizione dati su piattaforma PC: architettura

Acquisizione dati su piattaforma PC

65/X

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.

Acquisizione dati su piattaforma PC

66/X


Agenda






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Il bus di campo

All’aumentare dei dispositivi presenti, i collegamenti e dunque le attività di

cablaggio possono diventare estremamente complesse. Difatti, tutti i

collegamenti elettrici arrivano al PLC e ai moduli dal campo.

Nel caso non sia possibile o vantaggioso effettuare un collegamento diretto tra

PLC e dispositivi in ingresso ed uscita (periferica centralizzata) si realizza un

bus di campo (fieldbus), ovvero un collegamento fisico che permette la

comunicazione in digitale tra unità di controllo e periferiche.

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VS.


Il bus di campo

Con l’utilizzo del bus di campo si limitano i collegamenti tra singolo dispositivo

e PLC.

Il bus di campo deve garantire per poter essere applicato a livello industriale:

1. Determinismo (ossia, della comunicazione entro il tempo previsto);

2. Elevata velocità di comunicazione;

3. Immunità ai disturbi di natura elettromagnetica.

Dal punto di vista normativo, i bus di campo devono (dovrebbero) soddisfare i

requisiti della IEC 61158.

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Il bus di campo

Sul mercato sono presenti numerosi bus di campo fra cui:

• Profibus

• Modbus

• Fieldbus Foundation

• HART protocol

• CANopen

• Ethernet / IP

• Profinet

• ……….

La comunicazione segue le regole identificate nel protocollo che è tipico di

ciascun bus di campo.

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Il bus di campo

Il mercato (anche se i dati non sono aggiornatissimi…)

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Per la comunicazione fra dispositivi in campo e sistema centrale le modalità di comunicazione

sono definite a priori e sono le stesse per i dispositivi collegati allo stesso bus di rete: è il

protocollo di comunicazione.

I protocolli di comunicazione digitale

Con il termine protocollo infatti si indica «l’insieme di

regole di comunicazione che debbono essere seguite

da due o più interlocutori affinché siano in grado di

capirsi»; in particolare affinché due dispositivi possano

comunicare correttamente fra di loro è necessario che

questi concordino sulla sintassi (formato dei

messaggi/dati), sulla semantica (significato della

sequenza di bit) e sulla sincronizzazione tra invio e

ricezione dei dati.

Mediante la definizione del protocollo di rete utilizzato

risulta quindi identificato il linguaggio utilizzato nelle

comunicazioni. Software o dispositivi in esecuzione su

diverse macchine possono dunque comunicare

nonostante siano stati realizzati indipendentemente l’uno

dall’altro: è questo il concetto di interoperabilità.


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1979 – Nasce «Modbus»

Il protocollo MODBUS è stato creato dall’azienda Modicon (oggi

parte del gruppo Schneider Electric).

Il protocollo MODBUS è un protocollo aperto che prevede una

logica di tipo «Master–Slave», in cui la comunicazione è iniziata

da un comando del Master.

Inizialmente il protocollo era stato definito come protocollo di

comunicazione seriale (in cui è presente un solo Master che

comunica con i dispositivi Slaves presenti), ma nel corso del

tempo è stato modificato per adattarsi alle specifiche

Transmission Control Protocol (TCP) e Internet Protocol (IP), in

cui possono essere presenti più dispositivi Master.


73/102https://www.youtube.com/watch?v=txi2p5_OjKU

https://www.youtube.com/watch?v=txi2p5_OjKU


MODBUS: il sistema di comunicazione

Unicast

Il Master invia la richiesta allo Slave

singolarmente che risponde

Broadcast

Il Master invia la richiesta (un commando)

a tutti gli Slave collegati (max 247) che

eseguono, ma non rispondono.

Comunicazione Unicast: Solamente il dispositivo Master può iniziare la trasmissione

inviando un comando al cui interno è presente l’indirizzo dello Slave con cui vuole

comunicare (compreso fra 1 – 247), dopodiché attende la risposta.

Baud rate (velocità di

trasmissione):

9,6 kbps e 19,2 kbps

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MODBUS: il cablaggio

La velocità di trasmissione (baud rate) dipende dalla lunghezza della rete, dalle

caratteristiche del cavo, dal numero di dispositivi e dalla configurazione della

rete (2 o 4 cavi).

AWG = American

Wire Gage

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American Wire Gage (AWG)

L’American Wire Gage (AWG) è il sistema americano utilizzato per identificare la

sezione dei cavi elettrici di potenza o di comunicazione.

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Il protocollo HART (High Addressable Remote Transducer) nasce grazie

al contributo della Rosemount Inc (oggi parte dell’Emerson) a metà degli

anni ‘80 come protocollo proprietario ad uso esclusivo dei dispositivi

prodotti dall’azienda.

1986 – Nasce «HART»

Dal 1993 i diritti di sfruttamento del protocollo sono passati alla Hart Communication

Foundation (HCF) gruppo nel quale sono presenti più di 100 aziende che sono

identificate univocamente da un numero fra cui Endress Hauser (= 17), Honeywell (= 23),

Rosemount (= 34), Siemens (= 42), risultando un sistema di comunicazione aperto.

Il protocollo HART può essere definito ibrido in quanto consente di trasmettere:

• Un segnale in 4-20 mA - analogico;

• Segnali digitali sovraimposti al segnale in 4-20 mA: si tratta di una comunicazione di

tipo bidirezionale e dunque con la possibilità non solo di ricevere, ma anche di inviare

comandi da remoto (per esempio, la variazione di valori settati nel dispositivo).


77/102https://www.youtube.com/watch?v=pXkun-PEiY0

https://www.youtube.com/watch?v=pXkun-PEiY0

HART: trasmissione del segnale

La comunicazione HART è basata sullo standard telefonico Bell 202 e sfrutta il principio

del Frequency Shift Keying (FSK). Il segnale digitale, sovraimposto a quello analogico, è

realizzato da due funzioni sinusoidali di frequenza pari rispettivamente a 1200 Hz e 2200

Hz e ampiezza 0.4 mA che rappresentano il bit 1 e 0.

Poiché il valore medio dell’onda sinusoidale è

sempre nullo, la contemporanea

comunicazione analogica e digitale può

avvenire senza che vi siano alterazioni dei

due segnali durante la trasmissione.

Dal punto di vista delle modalità operative, il

protocollo HART si basa sul meccanismo di

tipo domanda e risposta fra Master (DCS,

PLC o PC o palmari hand held terminal) e

Slave (dispositivi in campo). In particolare è il

Master che inizia la sequenza trasmettendo

un comando allo Slave.


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HART: sistema di comunicazione

• Primary Master: il dispositivo che fornisce il comando iniziale

ad un dispositivo Slave solitamente in campo

• Secondary Master: come il Primary ma rispetto a questo non

permanente (potrebbe essere un PC o un palmare utilizzato

per le attività di setup o manutenzione)

• Host application: un software utilizzato per tradurre le

informazioni arrivate dal campo in un formato che ne consente

la rielaborazione

• HART Interface: dispositivo che permette l’interfaccia fra i

dispositivi HART sul campo e il master primario e dunque ne

consente la trasmissione dei dati

Il Master trasmette un comando allo

Slave

Azioni dello Slave:

1. Legge il valore del parametro

(al massimo 256 parametri per dispositivo)

2. Scrive il nuovo valore del parametro;

3. Esegue l’operazione

Lo Slave risponde al Master

Cycle time: 500 ms


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Alcuni dispositivi possono implementare la modalità di comunicazione burst communication mode che consente

cicli di lettura più veloci (3-4 letture al secondo).

Protocolli di comunicazione industrialeHART: possibili configurazioni

Sono possibili due possibili configurazioni:

1. Point to Point: in questa configurazione si ha un

solo dispositivo in campo collegato con il Master. La

trasmissione dati avviene in 4-20 mA per comunicare

una variabile di processo mentre le altre variabili di

interesse vengono trasmesse in digitale e

solitamente sono usate per scopi di monitoraggio,

commissioning, manutenzione, e diagnostica. È

comunque possibile prevedere anche solo la

comunicazione digitale.

2. Multidrop: in questo caso si usa un solo doppino per

la connessione di più dispositivi al Master fino ad un

massimo di 15 dispositivi. In questo caso i dati sono

trasmessi in digitale. Considerando un cycle time di

0.5 s per dispositivo, nel caso di una rete di 15

dispositivi, sono richiesti 7.5 s per chiudere un ciclo

(richiesta Master – risposta Slave).

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Protocolli di comunicazione industrialeHART: cablatura dei cavi

La cablatura utilizzata per collegare i dispositivi HART è simile a quella utilizzata per quelli che

trasmettono in 4-20 mA.

Tipo di cavo: si devono utilizzare cavi schermati twistati. Si possono usare anche cavi non

schermati, ma solo per distanze ridotte e solo se si ritiene che non ci siano fenomeni di disturbo

nella comunicazione. I conduttori utilizzabili sono al minimo di 0.51 mm di diametro (#24 AWG)

per distanze inferiori a 1524 m e 0.81 mm (#20 AWG) per distanze maggiori.

Distanze: oltre i 3000 m teoricamente questo protocollo non dovrebbe essere utilizzato; la

valutazione deve essere sviluppata caso per caso considerando le caratteristiche elettriche del

cavo e il numero di dispositivi collegati.

pf = pico farad

AWG = American Wire Gauge

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Il protocollo CAN è un protocollo seriale di tipo broadcast, multimaster

introdotto all’inizio degli ‘80 da Bosch e inizialmente dedicato all’industria

automobilistica; nel corso degli anni, tuttavia, il protocollo è stato

utilizzato anche in altri settori fra cui, nell’Oil&Gas, quello dell’estrazione

sottomarina.

Protocolli di comunicazione digitale1986 – Nasce «CAN (Controller Area Network)»

Il successo di questo protocollo è da attribuire ad alcune caratteristiche intrinseche fra cui:

• Rispetto dei tempi di risposta anche nel caso di numerosi dispositivi in rete;

• Semplicità e flessibilità nel cablaggio: doppino twistato a seconda dell’applicazione;

• Elevata immunità ai disturbi;

• Elevata affidabilità ed identificazione delle anomalie sul dispositivo: in particolare,

al rilevamento dell’anomalia il nodo si autoesclude dalla rete garantendo che la

comunicazione complessiva non venga alterata dalla sua presenza;

• Maturità tecnologica a livello industriale.

82/102https://www.youtube.com/watch?v=UnOrMCg6lqM

https://www.youtube.com/watch?v=UnOrMCg6lqM

Protocolli di comunicazione digitale

CAN: la disponibilità

È stato calcolato che una rete basata su CAN bus a 1 Mbit/s, con:

• un’utilizzazione media del bus del 50%;

• una lunghezza media dei messaggi di 80 bit;

• un tempo di lavorazione di 8 ore al giorno per 365 giorni l’anno.

avrà un errore non rilevato ogni 1000 anni.

Praticamente la rete non è soggetta ad errori per tutta la durata della sua vita. Il

protocollo CAN è dunque da utilizzarsi laddove si hanno richieste di disponibilità

elevate del processo.

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1989 – Nasce «Profibus»

Profibus è l'acronimo di «Process Field Bus».

Si tratta di un protocollo di comunicazione aperto messo a punto da un consorzio di

diverse aziende fra cui Siemens. Profibus è una rete di comunicazione utilizzata per

connettere uno o più «master» (come PLC o PC) a più «slaves» (ad esempio, strumenti

e/o attuatori remoti).

Sono presenti:

Profibus DP (Decentralized Peripherals): il suo impiego è per lo scambio dati tra

periferiche remote di campo, per questo viene anche indicato come device bus.

Profibus PA (Process Automation), sviluppato appositamente per l’automazione di

processo, è identico al protocollo DP, ma con i dati e l'alimentazione che vengono

trasportati sugli stessi due fili e con opzione di protezione dalle esplosioni (area ATEX).


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Profibus DP: la comunicazione

La comunicazione avviene con un cavo schermato di

colore viola a due conduttori di colore rosso e verde.

In particolare il protocollo Profibus permette:

• Velocità massima di trasmissione dati fino a 12

Mbit/sec ;

• Lunghezza massima del cablaggio: fino a 1200 m;

• Fino a 127 dispositivi collegabili su un unico cavo;

• Massimo 32 dispositivi attivi contemporaneamente.


Velocità del

bus, (bit/s)

Max

distanza, (m)

9,6 K 1200

19,2 K 1200

45,5 K 1200

93,8 K 1200

187,5 K 1000

500 K 400

1,5 M 200

3 M 100

6 M 100

12 M 100

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Profibus DP: la comunicazione

La rete Profibus permette uno scambio ciclico di messaggi tra i dispositivi di

campo e l'unità centrale di controllo. Il sistema include stazioni attive e passive.

Stazioni attive: 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.

Stazioni passive: sono neutrali e

trasmettono dati solo quando

interrogati da una stazione attiva.


86/102https://www.youtube.com/watch?v=jLBOHipBy64

https://www.youtube.com/watch?v=jLBOHipBy64

1996 – Nasce «Foundation Fieldbus»

Il protocollo Foundation Fieldbus (FF) è un protocollo di comunicazione digitale e seriale

di tipo aperto. All’interno della fondazione Fieldbus sono presenti 185 membri che

complessivamente realizzano e distribuiscono il 90% della strumentazione a livello

mondiale.

Il protocollo Fieldbus presenta due possibili configurazioni che si differenziano per il

mezzo fisico attraverso cui viaggia l’informazione e per la velocità di trasmissione dati:

Configurazione H1:

• Caratterizzata da velocità di trasmissione dati pari a 31,25 kbit/s;

• Utilizzata per interconnettere gli strumenti sul campo come sensori, attuatori;

• Doppini twistati (per ridurre il rumore);

Configurazione HSE (High Speed Ethernet):

• Per l’integrazione fra dispositivi di controllo ad alta velocità (PLCs), sottostistemi H1,

data server e workstation (velocità da 100 Mbit/s fino a 1Gbit/s);

• Cavi Ethernet: non possono essere usati dove è richiesta sicurezza intrinseca e non

permettono l’alimentazione del dispositivo con lo stesso cavo.


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Foundation Fieldbus: architettura

88/102https://www.youtube.com/watch?v=95hIMjxwy8o

https://www.youtube.com/watch?v=95hIMjxwy8o


Foundation Fieldbus: velocità di trasmissione

Multidrop: linee in cui coesistono più ricevitori e trasmettitori sulla stessa linea

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Aumento delle informazioni disponibili per

effettuare attività di ottimizzazione,

manutenzione predittiva, trend.


Foundation Fieldbus: H1 VS 4-20 mA

Miglioramento della sicurezza e riduzione

dei fermi impianto grazie ai sistemi di

autodiagnosi che consentono di

individuare la presenza di condizioni

anomale.

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Riduzione del wiring e dunque del costo e

dei tempi di cablaggio.


Foundation Fieldbus: H1 VS 4-20 mA

Riduzione dell’Hardware di sistema:

implementazione di alcune funzioni di

controllo (input analogici, output

analogici, PID) direttamente sui

dispositivi in campo.

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Protocolli di comunicazione industrialeFoundation Fieldbus: la trasmissione del segnale

= 1 = 0

= 1

= 0

= 1 = 1

= 0 = 0

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I segnali trasmessi con il protocollo FF sono

cifrati mediante il metodo «Manchester

Biphase L-technique», una tecnica che

consente la sincronizzazione fra i dispositivi

che trasmettono i dati e quelli che li

ricevono.

In particolare, il trasmettitore invia

un’informazione mediante la quale il

ricevente può sincronizzarsi con l’elemento

che sta trasmettendo i dati senza la

necessità di inviare separatamente dati e

informazioni di sincronizzazione.

Il segnale è suddivisibile temporalmente in

periodi definiti «bit time»: le variazioni che si

verificano a metà di tale intervallo sono

identificate come 0 se positive, oppure,

come 1 se negative.

Protocolli di comunicazione industrialeFoundation Fieldbus: la trasmissione del segnale in configurazione H1

La lunghezza massima del bus dipende

principalmente dal numero di dispositivi

collegati, dalla velocità di comunicazione, dalle

sezioni del cavo e dalla sicurezza intrinseca.

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Il dispositivo che trasmette fornisce una corrente di

ampiezza pari a 10 mA a 31,25 kbit/s su un’impedenza

pari a 100 Ohm per creare una caduta di tensione pari

a circa 1,0 V.

La tensione di alimentazione del dispositivo è

continua di ampiezza compresa fra 9 e 32 V;

comunque per le applicazioni in cui è richiesta

sicurezza intrinseca è possibile una tensione

inferiore.

Si consideri un sistema di recupero della condensa di vapore in un impianto di cui si

riporta lo schema semplificato.

Protocolli di comunicazione industrialeFoundation Fieldbus: esempio

Il sistema di recupero riceve la condensa e

la invia al sistema di trattamento delle

acqua. Il processo presenta due serbatoi:

uno in cui si verifica una vaporizzazione

della condensa a seguito del fenomeno di

flash (flash tank) da 320 litri ed uno di

raccolta delle condense da 75 litri.

La condensa, dunque, entra nel primo

serbatoio dove si verifica una parziale

vaporizzazione del fluido. La frazione

liquida continua nel serbatoio inferiore da

cui, mediante una pompa posta sotto

battente, è pompata nell’impianto

successivo.

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Nell’impianto sono installati diversi strumenti

e attuatori che utilizzano il protocollo FF; in

particolare sono presenti:

• Un trasmettitore di livello in ciascun

serbatoio (LT 203 e LT 101);

• Un trasmettitore di pressione (PT 105) e

temperatura nel serbatoio di flash (TT

104);

• Un trasmettitore di portata nel circuito di

ricircolo (FT 201);

• Un trasmettitore di portata alla mandata

della pompa (FT 204);

• Un trasmettitore di temperatura in uscita

dal sistema (TT 104);

• Una valvola di controllo (CV 103).


95/102

La strumentazione è connessa al sistema

DCS (Distributed Control System) che si

trova nel control room.

Il livello totale di condensato del sistema è

controllato dal livello del serbatoio del

condensato rispetto a cui viene regolata la

valvola di alimentazione CV-103

dell’impianto attraverso una regolazione di

tipo PID.

Viceversa, la portata ricircolata è

controllata da un altro anello di regolazione

PID che agisce sulla valvola di regolazione

CV-202 attraverso il segnale che arriva dal

FT-201


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L’anello di regolazione PID è implementato direttamente nei

trasmettitori e nelle valvole in campo e non nel DCS centrale

con riduzione del carico di calcolo.

97/102

Confronto con strumentazione 4-20 mA.


Riduzione del costo di

installazione pari al 46%.

Riduzione delle attività di

commissioning pari al 25%.

98/102

Protocolli di comunicazione industrialeConfronto tra protocolli di campo

99/102


Agenda







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Manufacturing Execution SystemApplicazione del concetto di Industria 4.0 nell’intero ciclo vita dell’impianto

Industria 4.0 ha come obiettivo il miglioramento della gestione dell’impianto per l’intero ciclo di

vita dello stesso dalla progettazione, al controllo e alla pianificazione delle attività.

A supporto di questa affermazione si consideri la fase di controllo di un impianto di processo:

per evidenziare il possibile impatto di Industria 4.0 si riporta una breve analisi dei possibili

sistemi di controllo e regolazione in funzione della complessità del sistema.

I tipologia: modello storico/classico del controllo

manuale di un processo produttivo

In questo modello le uscite del processo costituiscono gli

input per l’operatore umano che deve chiudere in tempo reale

tutti i loop di controllo fronteggiando gli eventi e i disturbi

introdotti dalle variabili esogene non controllabili che

influenzano il processo.

Questa tipologia di controllo presenta dei limiti

essenzialmente legati alle ridotte prestazioni dell’operatore in

termini di tempi di risposta, alla capacità elaborativa limitata a

fronte di numerosi ingressi in parallelo, al degrado in

presenza di stress, etc.

È applicabile per processi estremamente semplici

101/102


II tipologia: modello del controllo totalmente

automatico di un processo produttivo

In questo modello le uscite del processo sono gli input

per il controllore a cui è demandato il compito di chiudere

in tempo reale tutti i loop di controllo, fronteggiando gli

eventi ed i disturbi introdotti dalle variabili esogene non

controllabili che possono influenzare il processo. Alcuni

esempi sono le macchine a controllo numerico, alcuni tipi

di robot, i pallettizzatori in cui l’effetto delle variabili

esogene è limitato.

La presenza di un automa programmabile consente di

superare le criticità presenti nella tipologia proposta

precedentemente a costi più che accettabili. Tuttavia il

modello può presentare criticità per gli impianti

caratterizzati da processi complessi (energia, chimica,

trasporti) in cui la varietà e l’imprevedibilità delle variabili

esogene non è dominabile con procedure programmate.

102/102


III tipologia: modello tendenziale del controllo di un

processo produttivo

Per superare le criticità del modello precedente, questa

tipologia di controllo prevede che le uscite siano ancora

input per il controllore (che deve chiudere in tempo reale

tutti i loop di controllo), fronteggiando gli eventi ed i

disturbi statisticamente noti, introdotti dalle variabili

esogene non controllabili che possono influenzare il

processo.

In questo modello il sistema di automazione, oltre che

provvedere alla richiusura dei loop principali, deve fornire

all’operatore umano non più dati grezzi, ma informazioni

correttamente elaborate che gli consentano di intervenire

con le risorse cognitive di cui è unico titolare elaborando

strategie mirate all’ottimizzazione continua del processo

ed alla mitigazione delle conseguenze degli eventi

imprevedibili.

Occorre che le informazioni date all’operatore siano un

VALORE AGGIUNTO all’esercizio del sistema

Contributo di

industria 4.0

103/102

Manufacturing Execution SystemIl Manufacturing Execution System (MES)

Per utilizzare e gestire opportunamente le informazioni

provenienti dal campo ed inviarle ai sistemi decisionali

dell’azienda è presente il Manufacturing Execution System

(MES) o sistema informatico di fabbrica. Il MES è il sistema

di interconnessione che consente la trasmissione

bidirezionale, la gestione e l’elaborazione delle

informazioni in tempo reale fra impianti e sistema

decisionale al fine ottimizzare le operations dell’azienda:

produzione, qualità, materiali e manutenzione.

Le piattaforme MES consentono di gestire e monitorare

l’intero stabilimento produttivo in tempo reale attraverso

postazioni operatore web based dislocate all’interno

dell’impianto. Infatti, grazie all’interconnessione con le

macchine, gli impianti, le linee produttive è possibile

acquisire e inviare dati in automatico necessari per il

controllo real time e la verifica delle prestazioni.

Business and Decision Applications

Manufacturing Execution System

(MES)

Plants and Devices

Info

rmati

on

flu

xes

104/102

Manufacturing Execution SystemIl Manufacturing Execution System (MES): gli obiettivi in sintesi

Per meglio comprendere il ruolo del MES all’interno di Industria 4.0 si riportano gli obiettivi

principali ottenibili con l’implementazione della piattaforma MES. Per meglio comprenderli,

occorre ricordare il ruolo di interfaccia fra dispositivi sul campo e livello decisionale da parte del

MES.

• Aumento dell’automatizzazione del processo ed interconnessione fra le varie parti che

interagiscono e che sono necessarie alla produzione sia all’interno che all’esterno del

perimetro aziendale;

• Aumento della produttività aziendale mediante riduzione degli errori, delle inefficienze e

degli scarti: identificazione di indici di produzione da mostrare al livello decisionale;

• Aumento della qualità della produzione;

• Controllo real time dei dati provenienti dalla produzione;

• Miglioramento continuo del processo produttivo;

• Alta configurabilità in funzione delle specifiche richieste da parte del committente;

• Implementazione semplice per le esigenze aziendali;

• Aumento della produttività aziendale.

105/102

Manufacturing Execution SystemIl Manufacturing Execution System (MES)

Come riportato, le piattaforme MES permettono di gestire ed

ottimizzare differenti aree che si presentano all’interno di un

sistema produttivo aziendale.

1. Produzione. Il MES permette la gestione, la tracciabilità

e il monitoraggio di tutte le attività di produzione svolte

all’interno dell’azienda per consentirne la supervisione

real time;

2. Materiali. Il MES assicura la gestione completa del

flusso dei materiali in entrata ed in uscita dal magazzino,

permettendo di avere accesso a informazioni up-to-date

sulla disponibilità di materiale da utilizzare in produzione;

3. Qualità. Il MES permette la gestione, la rilevazione ed il

monitoraggio dei parametri di controllo qualità durante il

processo produttivo;

4. Manutenzione. Il MES consente la gestione, la

tracciabilità e il monitoraggio di tutte le attività di

manutenzione al fine di minimizzare i costi, i guasti e

dunque migliorare l’utilizzo delle risorse a disposizione.

Business and Decision Applications

Manufacturing Execution System

(MES)

Plants and Devices

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Modulo 2.5 Il sistema di acquisizione dati e controllo ... · L’elemento di conversione della...

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