lunedì 10 novembre 2008

Stefano MaggiMarco BassettiDipartimento di Elettrotecnica

Sistemi per l’automazione industriale

Programmable Logic

Controller

Prima Parte

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Contenuti

Processi da controllare

Macchine automatiche: definizione, considerazioni,

controllo del moto

Dispositivi di controllo classici e basati su elaboratore

Definizione di PLC e sistema basato su PLC

Elementi costituenti e moduli fondamentali dei PLC

Categorie di PLC e note conclusive

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Processi Continui da Controllare in Ambito Industriale

Controllo a Ciclo Chiuso.

Strategia di

controllo

Attuatori Processo

Sensori

Riferimento

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

La macchina automatica

Definizione: insieme di componenti meccanici,

elettrici ed elettronici assemblate secondo un ben

preciso progetto con lo scopo di raggiungere una

determinata produzione di beni o merci.

E’ un insieme complesso in cui sono presenti

numerosi sistemi di controllo che lavorano

singolarmente su sottosistemi:

•Controlli logici sequenziali per la sincronizzazione

globale delle operazioni.

•Controlli continui per il raggiungimento di

lavorazioni locali (es. controllo di livello, di moto,

ecc.)

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Considerazioni

Un macchina automatica è un sistema complesso in

cui vengono eseguite operazioni discrete in

sequenza (Sistema ad Eventi Discreti).

La macchina ha un funzionamento ciclico. La

normale produzione della macchina consiste nel

continuo ripetersi di questo ciclo.

Questi sistemi ad eventi discreti vengono

controllati attraverso sequenze di controllo logico

Il controllo logico viene generalmente

implementato su controllori a logica

programmabile particolarmente semplici (PLC).

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Schema del controllo di una cella di lavoro robotizzata

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Il controllo del moto in una macchina automatica

Il controllo coordinato del moto dei mezzi meccanici operativi è di fondamentale importanza nel funzionamento di macchine automatiche per la produzione industriale.

Il prodotto viene lavorato in diversi modi dalla macchina manifatturiera: ad esempio può venir trasportato, lavorato, tagliato, impacchettato, ordinato, etc.

Tutte queste operazioni richiedono la manipolazione del prodotto attraverso organi meccanici in movimento.

La pianificazione ed il controllo del moto risultano componenti molto importanti nel processo di progettazione e costruzione della macchina automatica.

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Suddivisione del controllo nella macchina automatica

Controllo logicodelle operazioni

per la produzione

Controllo del moto

Controllo del moto

Controllo del moto

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Architettura del sistema di controllo di una macchina automatica

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Schema logico dell’architettura

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

L’attuazione del controllo in una macchina automatica

Una funzione di generazione delle traiettorie o profili di moto, avente il compito di generare un profilo di riferimento per il movimento necessario alla produzione.

Un regolatore in retroazione R(z) che controlla il servomotore di posizione in modo da garantire l’inseguimento del profilo impostato.

Un driver che fornisce potenza al motore in modo controllato dal regolatore.

Un motore elettrico che trasforma la potenza elettrica in una potenza meccanica.

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Schema di un controllo per assi elettrici

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Dispositivi di controllo classici

Monitoraggio: utilizzo di display, di

segnalatori di allarme e logica digitale

Sequenziamento: utilizzo di sistemi

basati su relay, insieme a logica digitale e

a timers, contatori

Controllo a Ciclo Chiuso: sistemi dicontrollori (PID) basati su amplificatori DCo AC o su sistemi pneumatici (ambienteesplosivi)

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Dispositivi di Controllo basati su Elaboratori (1/2)

Vantaggio dell'uso di Elaboratori

Flessibilità, Riusabilità, Costo

Limiti dell'uso di computer tradizionali (PC)

Schedulazione real-time (esigenze temporalidell'ordine ms)

Ambiente industriale ostile all’uomo: range ditemperatura molto ampio, sporcizia, polvere (1)

Presenza di forti campi elettromagnetici,disturbi elettrici(1)

Alimentazione soggetta a forti variazioni ditensione (1)

Nota (1): Limiti superati dai PC industriali

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Dispositivi di Controllo basati su Elaboratori (2/2)

Limiti dell'uso di computer tradizionali (PC)

Flusso informativo I/O: Tipologia (A/D),Quantità, Livelli di Tensione particolari (24 DC-digitale, 0-10 V, 4-20 mA-analogico)

Calcolo non orientato al bit

Necessità di ripristinare lo stato correnteimmediatamente alla riaccensione dopo lamancanza di alimentazione (problemi relativi aSistema operativo, stato dei registri e variabili)

Linguaggi di programmazione molto lontani daisistemi basati su relay

Monitoring on-line

Vantaggio dell'uso di PLC

possiede tutte le caratteristiche precedenti

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Definizione di PLC (norma IEC 1131)

• International Electro-technical Committee (IEC)

• Commissione Tecnica: TC65 "Industrial Process Measurement and Control“

Sottocommissione: SC65B "Devices“

Working Group: WG7 "Programmable Control Systems".

Sistema elettronico a funzionamento digitale, destinato all’uso in ambito industriale, che utilizza una memoria programmabile per l’archiviazione interna di istruzioni orientate all’utilizzatore per l’implementazione di funzioni specifiche, come quelle logiche, di sequenziamento, di temporizzazione, di conteggio e di calcolo aritmetico, e per controllare, mediante ingressi ed uscite sia digitali che analogici, vari tipi di macchine e processi.

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Definizione di sistema basato su PLC (norma IEC 1131)

Configurazione realizzata dall’utilizzatore, formata da un controllore a logica programmabile e dalle periferiche associate, necessaria al sistema automatizzato previsto

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Elementi costituenti

M icroprocessore

M em oria

Coprocessore

Bus

Fau lt tolerant

P rocessore

Dig ita li

Analog ici

Rem oti

P .I.D .

SERVO

EN CO DER

M oduli d i I/O

A lim entatore

Rack

Rete

Term inale

Ausiliari

HW

Controllo A ttiv ità

Interp retaz ione P rogram m i

W atchdog Tim er

Com unicazion i

O .S.

SFC

Ladder D iagram

Function B lock D iagram

Lista Istruz ion i

Testo S trutturato

Linguagg i

SW

P .L.C .

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Moduli fondamentali (1/2)

Armadio. Assicura connessione meccanica,collegamento elettrico, messa a terra.

Modulo Processore

Processore: è possibile utilizzare microprocessori comuni o appositamente orientati alla gestione dei singoli bits.

Memoria distinta in:

•Area S.O. (ROM)

•Area Lavoro per il S.O. (RAM)

•Area I/O (RAM)

•Area Programmi Utente (RAM tamponata, EPROM o Flash)

•Area Dati Utente (RAM)

•Area per Timers e Contatori

•RAM limitata a centinaia di Kbytes

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Moduli fondamentali (2/2)

Moduli I/O

Analogici/Digitali

Valori di ON/OFF Digitali: 0-24V

Valori dei segnali Analogici trattati: 5V, 10V, 0-5V,4-20mA in continua

Isolamento galvanico tramite fotoaccoppiatori otrasformatori per proteggere il PLC da impulsi ditensione

Indirizzamento dei moduli I/O basato sulla loroposizione nell'armadio

Terminale di programmazione

Tramite terminali a tastiera (per piccoli programmi)

Tramite PC. Programmazione off-line e supervisioneon-line.

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Categorie di PLC

Micro P.L.C.: fino a 64 punti di I/O di tipo digitale, memoria di 1 o 2KB.

Piccoli P.L.C.: da 64 a 512 punti di I/O di tipo digitale ed analogico, memoria fino a 4KB, connessione in rete.

Medi P.L.C.: da 512 a 2048 punti di I/O di tipo digitale ed analogico, memoria di decine di KB, connessione in rete e moduli speciali.

Grandi P.L.C.: Massime caratteristiche di capacità e completezza sia per l’HW che per il SW.

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Esempio di PLC: Siemens S7

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Produttori di PLC

SiemensAllen-Bradley

OmronTelemecanique

GE FanucToshiba

Klockner – MoellerMitsubishiMatsushita

BoschHitachi

ModiconABB…

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Sistemi per l’automazione industriale Programmable Logic Controller – Prima parte

Bibliografia

PLC e automazione industriale

Pasquale Chiacchio. - Milano : McGraw-Hill libri

Italia, 1996.

Manuale di programmazione dei PLC : con particolare riferimento alle CPU Siemens S7-200 e al linguaggio Micro Step 7

Luca Bergamaschi. - Milano : U. Hoepli, [2000]

The PLC workbook : Programmable logic controllers made easy

K. Clements-Jewery, W. Jeffcoat. - London [etc.] : Prentice-Hall, 1996

PLC : i controllori programmabili

Aldo Cavalcoli. - Milano : CLUP, 1987