Tesi Alessio Saraceno A.A. 2013/2014: PROGETTAZIONE E SPERIMENTAZIONE DI UN SISTEMA DI CONTROLLO PER...

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICA, ELETTRONICA E INFORMATICA

CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA ELETTRICA

Alessio Saraceno

Progettazione e sperimentazione di un sistema

di controllo per l'automazione di uno studio

medico oftalmologico

Tesi di laurea

Relatore

Prof. Ing. Giuseppe Nunnari

Correlatore

Ing. Cristian Randieri

Anno Accademico 2013/2014

1

Ai miei genitori,

per avermi supportato e incoraggiato

in questi anni di studio.

A voi un ringraziamento speciale.

Ringraziamenti

Ringrazio il mio relatore Prof. Ing. Giuseppe Nunnari per avermi guidato in questo

lavoro di tesi con la massima disponibilità.

Ringrazio la Intellisystem Technologies impersonata dall'Ing. Cristian Randieri per

la professionalità dimostrata durante le fasi operative del progetto e il prezioso

aiuto fornito anche in fase di stesura dell'elaborato. Ringrazio la sua equipe, su

tutti Emiliano Defrancesco per l'importante collaborazione sulla progettazione

grafica della struttura.

Ringrazio il collega e amico Santino Sipione per aver fornito gli opportuni

elementi di confronto fra le tecnologie adottate.

Infine ma non per ultimo ringrazio il Prof. Franco Battaglia, Medico Chirurgo

Specialista in Oftalmologia, per avermi dato la possibilità di essere parte

integrante di questo prestigioso progetto da lui ideato.

2

Sommario

Introduzione....................................................................................4

Capitolo 1 - Presentazione del progetto...........................................6

1.1 Introduzione............................................................................................6

1.2 Progettazione postazione medica ArkStation.........................................8

1.3 Componenti elettro-meccanici dei cassetti porta-strumento................10

1.3.1 Catena cinematica utilizzata.................................................11

1.4 Componenti elettro-meccanici della postazione mobile......................14

1.5 Strumenti diagnostici e loro interconnessione.....................................16

Capitolo 2 - Scelta e analisi della tecnologia di controllo.................20

2.1 Introduzione..........................................................................................20

2.2 Sistemi di controllo per l'automazione.................................................21

2.2.1 Scelta del sistema di controllo...............................................25

2.3 PLC: Storia e classificazione...............................................................25

2.4 PLC: Struttura e funzionamento...........................................................28

2.4.1 Alimentatore..........................................................................30

2.4.2 Bus e rack..............................................................................31

2.4.3 CPU.......................................................................................31

2.4.4 Memorie.................................................................................34

2.4.5 Unità periferiche....................................................................36

2.5 Linguaggi e programmazione software................................................39

2.5.1 LD-Ladder Diagram..............................................................41

2.5.2 Altri tipi di linguaggio di programmazione del PLC............44

2.6 Cenni sui Sistemi Embedded................................................................45

Capitolo 3 - PLC adottato: schemi elettrici e programmazione........47

3.1 Introduzione..........................................................................................47

3.2 Scelta del PLC......................................................................................48

3.3 PLC Schneider TM221CE40R e suo ambiente di sviluppo..................50

3.3.1 Struttura.................................................................................51

3.3.2 SoMachine Basic...................................................................52

3.4 Schemi e applicazioni per il controllo dei motori 12V in c.c dei cassetti

porta-strumento.....................................................................................55

3.4.1 Schema circuitale..................................................................56

3

3.4.2 Programma applicativo.........................................................59

3.4.3 Programma in linguaggio Ladder per il controllo dei 4

motori.....................................................................................67

Capitolo 4 - Schemi elettrici e programmazione Ladder per

l'automazione della poltrona del paziente.................69

4.1 Introduzione..........................................................................................69

4.2 Sensori di posizione..............................................................................70

4.2.1 Scelta dei sensori di posizione e relativa collocazione.........74

4.3 Automazione della poltrona: schema elettrico e programmazione......75

4.3.1 Programmazione Ladder.......................................................77

4.3.2 Descrizione dei rung..............................................................80

Capitolo 5 - Progettazione di uno switch digitale per la

commutazione delle porte seriali RS232......................84

5.1 Introduzione..........................................................................................84

5.2 Segnali digitali e circuiti combinatori..................................................85

5.2.1 Circuiti combinatori..............................................................86

5.3 Analisi di mercato switch RS232..........................................................93

5.4 Progettazione dello switch RS232........................................................96

5.4.1 Decoder/Demultiplexer SN74ALS137...................................97

5.4.2 Relè reed................................................................................99

5.4.3 Schema elettrico..................................................................101

5.4.4 Esempio di riepilogo...........................................................103

5.5 Applicazione Ladder per la gestione dello switch ............................104

Capitolo 6 - Messa in servizio e risultati ottenuti...........................108

6.1 Gestione della postazione tramite PC................................................108

6.1.1 Configurazione Ethernet e server Modbus TCP.................110

6.2 Progettazione del pannello di controllo sinottico..............................112

6.3 Optoisolatori......................................................................................115

6.4 Conduzione della visita medica.........................................................118

6.5 Conclusioni........................................................................................120

6.5.1 Sviluppi futuri.....................................................................122

Appendice A - Seriale RS-232........................................................123

Bibliografia.................................................................... ..............126

INTRODUZIONE

4

Introduzione

L'esigenza di utilizzare dei sistemi di controllo per gestire macchine e

processi, riducendo la necessità dell'intervento umano, è maturata nel tempo allo

scopo di eseguire operazioni ripetitive o complesse. Il tutto con un'adeguata

sicurezza e certezza, con maggiore comodità. Col tempo, infatti, sono stati sempre

più incrementati gli investimenti nel campo dell'automazione industriale, che

hanno permesso di raggiungere notevoli progressi tecnologici. Nella seconda metà

del '900 con gli sviluppi dei rami ingegneristici,dei modelli matematici, ma

soprattutto con l'avvento del computer, si è assistito ad una vera rivoluzione delle

tecniche di produzione,gestione e controllo industriale. L'interazione, infatti, tra la

meccanica pura creata in sostituzione degli attributi umani e i dispositivi

elettronici quali computer dedicati, sensori e trasduttori e i personal computer

stessi, ha permesso di realizzare dei controlli automatici in ogni campo adibiti a

facilitare e migliorare tutte le attività lavorative.

Anche il settore medico-sanitario ha subito negli anni un continuo progresso

tecnologico sia a livello di apparecchiature, sempre più all'avanguardia, sia a

livello software, dando agli specialisti le opportune risorse per poter esprimere al

meglio le proprie competenze. In particolare, per la maggior parte delle discipline

mediche, ha assunto fondamentale importanza la necessità di creare delle

soluzioni di elaborazione dell'immagine, soluzioni che rivestono ormai un ruolo

centrale per la tecnica medica, sempre più in crescita nei mercati mondiali. Avere

dei sistemi capaci di elaborare delle immagini con un'elevata risoluzione,

accessibili in qualsiasi momento e visionabili da più medici, permette un

riconoscimento e diagnosi precoce delle varie anomalie facilitando inoltre

l'importante formazione del personale medico.

Una delle principali destinatarie di queste soluzioni innovative è senza dubbio

l'oftalmologia, ramo della medicina adibito alla misurazione della vista e alla

prevenzione, diagnosi, terapia e chirurgia delle malattie dell'occhio. L'unione tra

le migliori tecnologie di automazione con le importanti tecniche di acquisizione

delle immagini e dei dati in generale, può rendere una visita oftalmologica

altamente innovativa e efficiente.

INTRODUZIONE

5

Lo scopo di questo elaborato è proprio quello di rendere uno studio medico

oftalmologico automatico, privilegiando e combinando la comodità del paziente

durante la visita e la praticità per il medico di una gestione intelligente della visita

stessa interamente supportata dal PC (Personal Computer) in maniera locale o da

remoto.

A tal fine si sono ricercate le tecnologie di controllo appropriate per automatizzare

la postazione del paziente e i cassetti di un mobile riunito modulare su cui

poggiano i vari strumenti diagnostici oculistici, il tutto in modo da limitare al

massimo l'ingombro dell'apparato ambulatoriale e evitare continui spostamenti del

paziente da uno strumento all'altro. In più ogni apparecchio deve comunicare con

il PC inviando i vari dati analizzabili anche in differita, ad esempio registrando le

immagini oculari del paziente archiviandole per una successiva visualizzazione in

alta definizione. Si è dunque progettato un prototipo elettro-meccanico atto

all'utilizzo compatto di più strumenti diagnostici, mirato all'acquisizione dei dati

dallo specifico strumento in servizio.

L'intero sistema medicale progettato, denominato ArkiStation, è stato infine

interfacciato con il software di analisi medica ArkiMed, ideato dal Prof. Franco

Battaglia allo scopo di concentrare tutte le operazioni predette in un'unica

piattaforma estremamente originale e esclusiva.

La trattazione ha assunto massima centralità sulle prerogative progettuali

imposte e sulla loro risoluzione pratica mediante la tecnica di automazione

selezionata, lasciando spazio alle varie sfaccettature logistiche del caso.

Il sistema di controllo scelto è in definitiva comparato ad altre soluzioni sotto il

profilo tecnico-economico evidenziando dunque i vantaggi e gli svantaggi della

tecnologia adottata.

CAPITOLO 1 - PRESENTAZIONE DEL PROGETTO

6

Capitolo 1

Presentazione del progetto

1.1 Introduzione

Il progresso della tecnologia, oggigiorno altamente tangibile in ogni ambito

sia esso civile o industriale , permette a qualsiasi utente di interagire al meglio con

le macchine e gli apparati utilizzati in campo lavorativo o semplicemente

domestico. Senza dubbio oltre all'avvento del PC, fautore di una vera e propria

evoluzione tecnologica senza precedenti, stanno ormai integrandosi nel vivere

comune anche elementi mobili quali smartphone o tablet con funzioni sempre più

prossime a quelle del PC. Anche i più scettici o meno progressisti devono ormai

arrendersi all'innovazione, acclamata invece dagli appassionati. Inserire in

semplici attività quotidiane la giusta dose di progresso è sinonimo di evoluzione e

voglia di scoprire, caratteristica dell'essere umano.

Il progetto in questione, accennato in fase introduttiva, nasce appunto

dall'idea del Prof. Franco Battaglia, Medico Chirurgo Specialista in Oftalmologia,

da sempre alla ricerca di migliorare il proprio ambiente di lavoro dotandolo di una

massiccia dose di automazione al fine di esprimere al meglio le proprie

competenze e al contempo fornire al paziente il maggior confort possibile.

Lo studio oftalmologico interessato, è pertanto altamente innovativo con

apparecchiature all'avanguardia, siano essi strumenti medici diagnostici o supporti

per gli stessi, conferendo all'ambiente un'impronta decisamente moderna e

professionale. Nonostante ciò, la richiesta dello specialista ha come obiettivo

principale l'ottimizzazione degli spazi riducendo il notevole ingombro delle

strutture già presenti in commercio, mettendo a punto un sistema di gestione

intelligente delle apparecchiature mediche e delle varie attrezzature a corredo,

quali mobili ambulatoriali o poltrone da visita, favorendo la comodità del paziente

solitamente soggetto a continui spostamenti soprattutto negli ambulatori meno

modernizzati. In figura 1.1 è possibile visionare esempi di studi oftalmologici, dai

meno moderni con semplici sostegni statici per gli strumenti a se stanti, ai più


7

evoluti con raggruppamento delle apparecchiature con però notevole spazio

impegnato.

Fig.1.1: Esempi di studi oftalmologici

Al fine di risolvere le problematiche riscontrate, si è dunque pensato alla

creazione di un prototipo atto al raggruppare gli strumenti su un'unica postazione

poco ingombrante, automatizzata secondo le tecnologie più appropriate. Lo stesso

è avvenuto per la postazione del paziente gestita dal medico e destinata a

muoversi in maniera tale da rendere accessibile ogni strumento senza continui

cambi di posizione. Il tutto per una visita oftalmologica interamente comandata

dal PC con ultimo obiettivo quello di acquisire i dati dalle apparecchiature

medicali archiviandoli autonomamente per una veloce e funzionale diagnosi e

stesura della terapia appropriata.

Le fasi operative sono state pertanto articolate in questo modo:

Automazione dei cassetti porta-strumento di un mobile ambulatoriale

modulare opportunamente progettato

Automazione della postazione mobile del paziente

Acquisizione dati dagli strumenti diagnostici in servizio

In questo capitolo si presenterà il progetto nei suoi dettagli decisionali in merito a

struttura e componenti che faranno parte del prototipo, solamente accennando al

sistema di automazione sperimentato trattato largamente nei successivi capitoli.


8

1.2 Progettazione postazione medica ArkiStation

Le richieste tecniche avanzate, hanno condotto la prima fase di ricerca

sull'adeguata struttura da fornire alla postazione per risolvere al meglio tutte le

necessità presentate. Le soluzioni ipotizzate sono state filtrate in base a requisiti di

ingombro minimo, basso costo di realizzazione e intuitività dell'utilizzo.

Si è inoltre enfatizzata la scalabilità del sistema ideato per far fronte alle più

svariate esigenze di spazio dei possibili studi medici.

Il sistema ideato, che consiste in una postazione compatta modulare, è stato

battezzato col termine ArkiStation e la sua struttura di base è rappresentata in

figura 1.2.

Fig. 1.2: Assieme postazione ArkiStation


9

L'assieme di fig. 1.2 rappresenta un'unità modulare adattabile ad ogni ambiente ed

esigenza. Sostanzialmente la struttura può essere ricondotta a:

• una sezione standard che rappresenta il cuore dell'unità alla quale sono

assemblati i vari moduli a scelta e comprende le due sezioni laterali del

mobile. La sezione di raccordo, all' estrema destra, che chiude il design

bombato dell'intera unità e la sezione laterale sinistra comprendente di:

• un modulo cassettiera con 4 cassetti generici e 1 porta-lenti con braccio

snodabile;

• un gruppo motore, attuatore a vite e navetta di ancoraggio alla poltrona

del paziente per la movimentazione dello stesso;

• un pannello di controllo con relativa elettronica per la gestione dell'intera

unità;

• diversi moduli porta-strumento: il cui numero è opzionale, composti da

un cassetto scorrevole motorizzato, all'interno del quale trovano posto il

suo attuatore a cremagliera oltre che l'alimentazione e la meccanica dello

strumento usato, ed un vano per accessori, con mensole chiuso da un'anta

in vetro (o policarbonato);

• una poltrona rigidamente connessa alla sezione standard tramite la navetta

di ancoraggio con base di appoggio modificata e dotata di 4 rulli per

facilitarne lo scorrimento. Ha inoltre un aggancio circolare, sulla parte

anteriore, per un braccio di ancoraggio snodabile connesso rigidamente ad

una seduta per l'operatore, sistemata di fronte alla poltrona. Lo snodo

consente al medico di spostarsi di 90° rispetto l'asse, girando di fianco al

paziente per le vicissitudini del caso.

• supporti vari per tablet, proiettori e lampade led adibite alla visita

oftalmologica.

Il paziente, comodamente seduto sulla poltrona dedicata, viene mosso in maniera

solidale all'appoggio lungo il mobile modulare, sottopondendosi alle determinate

visite diagnostiche stabilite dall'azionamento del cassetto porta-strumento

specifico. Quest'ultimo, conduce in posizione di lavoro l'apparato diagnostico

supportato, collocandolo frontalmente al paziente per l'esercizio della visita


10

oftalmologica, la quale procederà in maniera analoga per gli strumenti successivi

movimentando la poltrona e i cassetti automatici corrispondenti.

Il prototipo di riferimento, che sarà oggetto di studio per l'intero elaborato, si

compone di 4 moduli porta-strumento.

Affinché la struttura possa rispettare gli obiettivi prefissati, risulta necessaria

l'automazione dei cassetti e della poltrona mobile secondo logiche di controllo

opportune, che diano all'operatore tutti gli strumenti semplici per poter effettuare

una visita nel totale confort del paziente. Quanto detto rappresenta la sezione

centrale dell'elaborato presente, che si propone anche di utilizzare come mezzo

primario di interfaccia alla postazione ArkiStation, un PC, per un controllo locale

o da remoto della visita stessa, sia per funzioni di comando riguardo lo

spostamento dei cassetti e della poltrona, sia in riferimento all'acquisizione dei

dati dai vari strumenti in uso.

Per affrontare in maniera migliore possibile la problematica di automazione

esposta è stato opportuno precisare a priori i componenti elettro-meccanici da

fornire al prototipo chiarendo le esigenze di controllo per una successiva adozione

della tecnica più indicata.

1.3 Componenti elettro-meccanici dei cassetti porta-strumento

Particolare importanza assume in questa fase la scelta della tipologia di

motore elettrico da utilizzare per l'automazione in questione. Genericamente un

motore elettrico azionante un sistema meccanico, deve fornire alla macchina da

azionare caratteristiche di coppia e di velocità ben definite in relazione ai compiti

richiesti. In altri termini, è necessario controllare l’azione svolta dalla macchina

operatrice agendo sulla coppia, sulla velocità e sulla posizione fornita dal motore

alla macchina stessa. Per modificare la coppia e la velocità è necessario

modificare le tensioni e le correnti del motore in frequenza ed ampiezza, e questo

può essere ottenuto alimentando e controllando il motore mediante convertitori

elettronici [7].


11

Il dimensionamento di un motore elettrico si effettua pertanto in base a due

parametri principali: velocità massima richiesta e coppia massima richiesta. Da

questi due parametri ne discende la potenza massima del motore.

La tipologia di macchina da usare, viene determinata in base alle caratteristiche

dell’impianto ed a considerazioni spesso economiche. La moderna tendenza è per

l’impiego di motori asincroni pilotati da inverter, ma per applicazioni più semplici

è ancora conveniente l’impiego di motori in corrente continua. L’impiego dei

motori brushless è più orientato nel controllo di assi o, comunque, in tutti gli

impieghi dove sono richieste accelerazioni violente e prontezza di risposta.

Fino a pochi anni fa i motori in c.c. erano praticamente l’unica soluzione possibile

per i controlli di velocità variabile, adesso risultano ancora molto utili in settori

dove si impiegano convertitori semicontrollati monofase, il cui costo è molto

competitivo. Sono convenienti anche in applicazioni speciali dove si richiedono

prestazioni dinamiche di assoluta eccellenza [8].

Per gli scopi in esame, si è pertanto optato per l'utilizzo dei classici motori

in c.c., selezionati in modo da fornire l'adeguata coppia ad ogni cassetto porta-

strumento e alla poltrona mobile. La velocità si è presupposta costante lungo la

corsa non essendoci necessità di accelerazioni o decelerazioni, considerando in

entrambe le scelte un sovradimensionamento opportuno per una maggiore

sicurezza e garanzia di funzionamento in ogni condizione.

La motorizzazione dei cassetti porta-strumento è stata fornita da motori a 12V

costituendo un circuito di potenza a bassa tensione. Una coppia adeguata

superiore alla decina di Nm ha permesso la spinta necessaria alla manovra

d’entrata e di uscita del carrello considerando un assorbimento a carico di circa 5-

6 A.

Particolare interesse ha assunto la tipologia di motore riportato in fig. 1.3, motore

possessore delle caratteristiche richieste oltre ad un albero meccanico esterno

ideale per l'assemblaggio diretto al sistema meccanico.


12

Fig. 1.3: Ccoem modello YX-7005 12V

1.3.1 Catena cinematica utilizzata

Spesso la scelta del motore opportuno dipende dal tipo di moto che si vuole

fornire al sistema. Nelle applicazioni per moto traslatorio, come nel caso in

esame, esiste sempre un congegno meccanico che converte il moto rotatorio in

moto lineare. La scelta della trasmissione dipenderà dal tipo di applicazione, i tipi

più usati sono:

• vite a circolazione di sfere

• vite senza fine,

• pignone-cremagliera,

• cinghia-puleggia dentata,

• cinghia-puleggia trapezoidale.

Tra motore e dispositivo di conversione può essere interposto anche un ulteriore

elemento di riduzione di velocità. Tutti i dispositivi, interposti tra asse motore e

oggetto movimentato, prendono il nome di catena cinematica. Il rapporto tra il

valore della velocità angolare del motore, con il valore di velocità angolare

all’uscita della catena cinematica, prende il nome di rapporto di riduzione totale,

N=ωm ( motore )

ωc (carico ) .

Alla luce di quanto esposto, e compatibilmente con le esigenze progettuali,

si è ritenuto opportuno l'utilizzo di un sistema a cremagliera dotato di un carrello

mobile adibito all'aprire e chiudere il cassetto così come riportato in figura 1.4.

Tensione 12 V

Potere 75 W

Velocità a vuoto 60 rpm (1.1-1.5A)

Velocità a carico 70 rpm (5-6A)

Coppia di torsione 15 Nm

Verso di rotazione Orario e antiorario

Indice di protezione IP44


13

Fig.1.4: Guida motorizzabile con carrello C.T.S.[9]

Il moto rotatorio del motore viene convertito in moto traslatorio, adeguato allo

spostamento del carrello, il quale dispone di una corsa limitata alla lunghezza del

supporto di base dotato di due testate rispettivamente motrice e di rinvio. Il

legame tra il raggiungimento della posizione di completa apertura o chiusura del

cassetto, e l'arresto della marcia motrice del motore, è proprio l'architettura di

controllo da costruire tale da poter pilotare: l'alimentazione della macchina, il suo

arresto e l'inversione di marcia per il ritorno alle condizioni di chiusura. Utili a

questo scopo sono stati 2 finecorsa meccanici posti alle estremità del supporto

che, come si vedrà, risulteranno determinanti per la risoluzione dell'applicazione.

In figura 1.5 è possibile visionare la vista laterale di un modulo porta-strumento

con carrello in apertura.

Fig.1.5: Vista laterale modulo porta-strumento con carrello in apertura


14

1.4 Componenti elettro-meccanici della postazione mobile

In maniera analoga a quanto visto per i cassetti porta-strumento, è stata

affrontata la selezione degli elementi elettro-meccanici da fornire a poltrona e

"sezione standard" per la confortevole movimentazione del paziente.

Anche in questa circostanza si è preferito utilizzare una tensione di alimentazione

della macchina di 12 V, selezionando motori del tutto simili ai precedenti, ma con

una coppia di torsione decisamente più elevata dovuta alla presenza di un carico

variabile rispetto a quello sostenuto dai ripiani, precedentemente supposto

costante dipendente esclusivamente dagli strumenti diagnostici (in eccesso 25

Kg).

La cinematica fornita al sistema è rappresentata in fig.1.6, dove si evidenzia

chiaramente, tramite la sezione superiore del'intera postazione ArkiStation, la

soluzione meccanica progettata per conferire la potenziale mobilità alla seduta del

paziente.

Fig. 1.6: Sezione superiore della postazione ArkiStation

Per tale sistema si è utilizzata una poltrona standard (Meccanottica Mazza P200),

la cui base è stata modificata introducendo un carrello mobile su rulli per

facilitarne lo spostamento. La poltrona è stata rigidamente collegata ad una vite

senza fine, posta nella parte inferiore della totalità della "sezione standard",

tramite una cosiddetta "navetta di aggancio" la cui dimensione evidenzia la


15

distanza presente tra mobile e poltrona. La rotazione della vite, azionata dal

motore collocato alla sua estremità, provoca la traslazione del sistema rigido,

formato dal supporto vite-navetta, navetta di ancoraggio e carrello, in una delle

due direzioni possibili, facendo avanzare o indietreggiare la posizione del paziente

lungo il mobile a seconda del verso di rotazione della macchina elettrica. La base

a rulli della seduta possiede inoltre un aggancio circolare, sulla parte anteriore, per

un braccio di ancoraggio snodabile il quale è connesso rigidamente ad una

postazione per l'operatore, sistemata di fronte alla poltrona. Lo snodo consente al

medico di spostarsi di 90° rispetto l'asse, girando di fianco al paziente per le

vicissitudini del caso.

Fig.1.7: Braccio di ancoraggio tra la poltrona e la seduta dell'operatore

Il motore aziona pertanto il movimento rotatorio di una barra a vite che, oltre a

conferire il moto opportuno alla poltrona, funge da guida parallela alla seduta

stessa, pilotando la navetta di ancoraggio staticamente connessa a entrambe.

Il passo della vite, la velocità di traslazione che si vuole fornire al sistema, e le

caratteristiche cinematiche presenti, determinano la scelta dell'attuatore elettrico


16

che dovrà conferire alla vite la corretta velocità angolare per determinare lo

spostamento voluto alla velocità traslante richiesta. Esso pertanto dipenderà

principalmente dalla tipologia specifica delle parti meccaniche in uso

possibilmente variabili in funzione del numero di moduli di cui si vuole fornire la

postazione. Un'ulteriore variabile potrebbe infatti essere rappresentata

dall'interposizione, tra motore e vite, di un riduttore di velocità. Ogni anello della

catena cinematica introduce giochi, quindi imprecisioni, avendo ovviamente un

guadagno minore dell'unità. In altri termini bisogna spendere energia per

movimentarlo. Con l'inserimento di un elemento riduttore, si ottiene una

diminuzione del momento d’inerzia del carico riportato all’asse motore,

corrispondente al quadrato del rapporto di riduzione.

Ulteriori componenti elettro-meccanici sono stati inseriti lungo la corsa

della navetta, guidata dalla barra a vite, per la determinazione delle posizioni di

stallo in corrispondenza dei cassetti porta-strumento. Tale soluzione sarà

ampiamente descritta nel Cap. 4 interamente dedicato all'automazione della

poltrona.

1.5 Strumenti diagnostici e loro interconnessione

Le numerose tipologie di apparecchiature oftalmiche sono ormai anch'esse

dotate di elementi integrati altamente funzionali sia per l'affidabilità delle

misurazioni, sia per una proficua interazione con l'operatore che le usa.

Si pensi alle versioni più recenti di particolari lampade a fessura, adibite alla

visualizzazione della camera interna

oculare, dotate di congegni strutturali

adatti alla registrazione di filmati, o

semplici immagini, visualizzabili in

alta definizione su PC. In figura 1.8 è

riportata una lampada

a fessura in comunicazione con un

dispositivo Apple.


17

Oltre alla lampada a fessura, solitamente, in tutti gli studi medici oculistici, sono

presenti diverse apparecchiature medicali ognuna adibita ad una specifica sezione

di visita.

Le più comuni sono:

• Forottero: strumento attraverso il quale si esegue l’esame refrattivo in

modo pratico e veloce. Si tratta di una complessa unità strumentale

costituita da 4 dischi di lenti: sferiche (positive e negative) di potere

elevato, sferiche (positive e negative) di basso potere, cilindriche

(negative) e accessorie. Un esempio di forottero è visibile in figura 1.9.

Fig. 1.9: Forottero manuale

• Tonometro: è uno strumento di screening attraverso il quale si rileva

la pressione intra-oculare (IOP). Attraverso un pistoncino, posto di

fronte alla cornea, viene emesso un soffio d’aria che va ad applanare la

superficie corneale analizzata; poi, attraverso un ingegnoso sistema di

rilevazione, lo strumento deduce la resistenza con cui l’occhio contrasta la

forza esterna del soffio d’aria e quindi deduce la IOP. Questa tipologia di

tonometro a soffio è riportata in figura 1.10.

Fig.1.10: Tonometro a soffio


18

• Autorefrattometro: strumento oculistico che valuta in maniera oggettiva i

vizi di rifrazione (miopia, ipermetropia, astigmatismo). Il paziente fissa

due mire di riferimento e l'autorefrattometro (fig. 1.11) esegue le

automatiche misurazioni.

Fig. 1.11: Autorefrattometro

• Oftalmometro: strumento diagnostico utilizzato per misurare eventuali

errori di rifrazione dell'occhio, attraverso la misurazione della curvatura

della superficie esterna della cornea. Lo strumento, visibile in figura 1.12,

si rivela utile soprattutto per misurare l'entità di eventuali difetti rifrattivi,

come l'astigmatismo, ma è molto utilizzato anche per la correzione dei

difetti refrattivi rilevati (con procedure di chirurgia refrattiva), o

in contattologia.

Fig. 1.12: Oftalmometro

La stragrande maggioranza di questi strumenti medicali appena citati, è fornita di

un'interfaccia PC, in particolare da un'analisi di mercato è stato riscontrato che lo

standard più diffuso rimane ancora quello EIA RS-232 (Electronic Industries

Alliance Recommended Standard 232).

http://it.wikipedia.org/wiki/Cornea

http://it.wikipedia.org/wiki/Astigmatismo_(occhio)

http://it.wikipedia.org/wiki/Chirurgia_refrattiva

http://it.wikipedia.org/wiki/Contattologia

http://it.wikipedia.org/wiki/Electronic_Industries_Alliance




19

La disponibilità di una o al massimo due porte RS232 presenti in un PC, risultano

ovviamente insufficienti per la connessione dei diversi strumenti diagnostici.

Una delle fasi di messa a punto delle funzionalità di ArkiStation è stata pertanto la

progettazione di uno switch digitale RS-232 che possa, seguendo una specifica

logica di controllo, commutare la trasmissione dei dati strumento-PC dall'effettivo

dispositivo in utilizzo. In figura 1.13 si evidenzia lo schema di base rappresentante

la risoluzione del problema esposto.

Fig.1.13: Schema di base per la progettazione dello switch RS232.

La completa progettazione di tale sistema verrà ampiamente descritta nel Cap. 5

dove si analizzerà l'interconnessione tra le varie porte seriali RS232.

Si rimanda, invece, in Appendice A per la trattazione della struttura e del

principio di funzionamento della seriale RS232.

CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO

20

Capitolo 2

Scelta e analisi della tecnologia di controllo

2.1 Introduzione

La scelta del sistema di controllo da utilizzare per l'automazione, ha una

fondamentale importanza per la buona riuscita del progetto in questione. In altre

parole è la principale decisione strategica da prendere nella fase iniziale di studio

dell’automazione di una macchina o di un impianto, poiché deve tener conto dei

tempi di intervento, durata, affidabilità e soprattutto dei costi di ogni tipologia di

sistema da adottare.

L'evoluzione dei modelli tecnologici ha permesso di introdurre sistemi di

controllo più sofisticati per applicazioni maggiormente complesse, con addirittura

più facilità di realizzazione. Pian piano si è passati, infatti, da sistemi a logica

cablata con componenti elettromeccanici quali relè, a sistemi di controllo

programmabili, PLC (Programmable logic controller), interfacciabili con i PC.

Il fine principale della scelta è quello di ottimizzare il controllo di uno o più

processi fisici in modo continuativo ovvero articolando le determinate fasi

esecutive in maniera ciclica.

Bisogna quindi imporre una logica di controllo riassumibile in tre punti principali:

Acquisizione dei segnali sensoriali

Applicazione degli algoritmi di controllo

Attuazione dei segnali di controllo

Queste fasi devono comunque rispettare dei vincoli temporali prefissati

caratteristici dei cosiddetti sistemi a tempo reale (Real Time System o


21

semplicemente RT), sistemi tipicamente usati in ambito industriale dove infatti

occorre una risposta interna ad un tempo massimo noto. Questa definizione non

specifica l'attitudine di questi sistemi ad essere necessariamente veloci, ma da un

punto di vista puramente teorico l'intervallo di tempo in cui il sistema

operativo/applicativo deve reagire non ha importanza.

In base al tipo di applicazione è inoltre possibile distinguere i suddetti sistemi in:

Sistemi Hard RT in cui la riuscita dell'applicazione è strettamente legata

al rispetto dei vincoli temporali;

Sistemi Soft RT dove il non mantenimento occasionale dei limiti di

tempo comporta dei cali prestazionali senza il completo fallimento

dell'applicazione, a differenza degli Hard RT in cui si provocherebbe un

mancato funzionamento [11].

2.2 Sistemi di controllo per l'automazione

Importante e estremamente necessario per un sistema di controllo è avere

una base operativa che articoli il processo o i processi secondo una priorità di

esecuzione assegnata, rispettando i vincoli temporali precedentemente accennati.

L'interazione tra l'hardware e il software deve perciò permettere l'esecuzione dei

processi che a loro volta devono poter comunicare e interagire scambiando le

informazioni necessarie per l'applicazione degli algoritmi di controllo.

L'insieme di diversi sistemi hardware, indipendentemente dalla loro natura e

scelta, determina la configurazione del sistema di controllo che deve pertanto

possedere:

• Un sistema per l'acquisizione dati dal campo, ovvero segnali

analogici,digitali o logici a seconda dell'applicazione di controllo;

• Un sistema a microprocessore in grado di eseguire l'algoritmo di controllo

assegnatogli;


22

• Un sistema per l'attuazione dei segnali di controllo derivanti dal

microprocessore formato da tutti i componenti che si interfacciano con i

dispositivi operanti sul campo (es. motori elettrici o attuatori pneumatici);

• Timer per la gestione Real Time dei processi;

• Dispositivi di dialogo con altri apparati remoti, ad esempio porte seriali

RS232, presenti nella stragrande maggioranza degli strumenti diagnostici

oculistici, porte TCP/IP, e interfacce utente quali tastiere o schermi.

Fig.2.2: Schema a blocchi sistema di controllo RT generico

Un sistema RT di questo tipo opera un controllo logico sequenziale agente a

partire dalle variabili di campo passando per il controllo delle sequenze logiche di

coordinamento e di supervisione fino alla gestione dell'intero sistema complesso

[12].

L'ambito di utilizzo, e la conseguente taglia del sistema di controllo, insieme alla

sua caratteristica temporale Hard RT o Soft RT derivante dal grado di prestazione

richiesta al sistema, determina la scelta del controllore appropriato per la

realizzazione del controllo logico-sequenziale in questione.

Importante è inoltre la distinzione tra la realizzazione di un sistema centralizzato o

distribuito. Nel primo caso è presente un dispositivo principale, una sorta di


23

centralina che governa il funzionamento di tutto l'impianto. È una soluzione tipica

di un sistema con molti sensori e pochi attuatori a differenza della soluzione

distribuita, dove il funzionamento complessivo è basato sulla collaborazione fra i

numerosi apparati attivi che colloquiano fra di loro tramite una linea di

comunicazione condivisa, normalmente una linea bus.

Sistemi di controllo centralizzati, con caratteristiche Hard o Soft RT,

possono essere tranquillamente realizzati tramite PLC, diffusissimo sistema a bus

che esegue programmi software per il controllo logico sequenziale con elevata

robustezza, flessibilità e riusabilità. Un PLC è in grado di includere uno o più loop

di controllo PID (Proportional-Integral-Derivative). Quando viene richiesta

l’esecuzione di centinaia o migliaia di loops, si ricorre ad un PLC con un

hardware più sofisticato e potente, in grado di gestire migliaia di I/O (Input and

Output) e PID, chiamato Distributed Control System (DCS) adatto dunque alla

centralizzazione di soluzioni normalmente distribuite. Attualmente la tecnologia

ha permesso di ridurre drasticamente il gap tra PLC e DCS [12].

Il PLC è dunque un sistema formato da più schede collegate fra loro mediante un

bus di comunicazione ovvero un insieme di linee elettriche su cui vengono

trasmesse informazioni e comandi logici.

I sistemi, invece, di piccola taglia Hard RT possono essere realizzati tramite i

cosiddetti Embedded Controller, cioè dei sistemi integrati anch'essi adibiti

all'esecuzione di opportuni programmi software, ma configurati tramite un'unica

scheda, su cui sono concentrati i dispositivi per il controllo. Per questi sistemi

bisogna dunque sviluppare l'intera struttura hardware e software.

Piccoli sistemi embedded vengono ormai usati in svariati settori in cui si predilige

appunto un ingombro minimo in modo da essere integrati facilmente. Si pensi ai

PC industriali, anch'essi oggigiorno diventati un'efficiente alternativa alle tecniche

di controllo tradizionali, formati dall'interazione tra sistemi di questo genere

appositamente sviluppati (schede grafiche, lettori dvd ecc.).

Ovviamente i PLC hanno di gran lunga dominato il mercato

dell'automazione grazie alle proprie caratteristiche facendosi preferire ai PC

industriali, in passato ancora troppo limitati per fornire prestazioni elevate ad un

costo ragionevole. Tuttavia, dai primi anni novanta a oggi, il PC industriale si è


24

fatto molto avanti in questi mercati, grazie alla sua vasta gamma e alla velocità dei

processori che continua ad aumentare contemporaneamente alla diminuzione

perenne del costo di questi componenti. Il numero di applicazioni che utilizzano

PC è in crescita, provocando uno sviluppo accelerato che confonde il confine tra

le due tecnologie. Il PC è diventato anche un controller più robusto, adatto a

lavorare in ambienti difficili come era possibile una volta soltanto per i PLC i

quali a loro volta si sono evoluti per includere la capacità di gestire il motion

control, i processi di controllo avanzato Pid e di sicurezza integrata, adottando

anche alcune caratteristiche dei PC, come ad esempio il web server e le utility di

rete.

Per scegliere un PC o un PLC o un sistema ibrido, è importante definire

inizialmente come semplificare la decisione analizzando e comparando alcune

delle caratteristiche che potrebbero differenziare le tecnologie. Si potranno così

identificare alcuni elementi principali da tenere in considerazione per quest’analisi

comparativa. Necessiterà analizzare come lavora il sistema operativo e come

vengono processate le istruzioni e i task, un aspetto che diventa più complesso nel

caso si vada verso controlli real time e ne discende l’affidabilità del componente.

Un altro aspetto da tenere in considerazione è la robustezza specialmente in

ambienti industriali critici. Si devono poi considerare la reperibilità dei

componenti di ricambio,e la semplicità/tempi di riparazione. Bisogna valutare i

requisiti per la comunicazione, l’interfaccia per il bus di campo, la memoria e la

potenza del processore. La definizione dell’hardware si porta spesso dietro la

scelta dell’ambiente e del linguaggio usati per la programmazione, scelta che

influisce sull’operatività e sui tempi di sviluppo dell’applicazione. Anche il

prezzo della soluzione è importante poiché a seconda delle esigenze applicative

l’impiego di una tecnologia diversa può comportare notevoli differenze

economiche che dipendono essenzialmente dalle performance desiderate, dal

livello di espandibilità che si vuole ottenere e dall’ambiente in cui opera la

soluzione scelta.


25

2.2.1 Scelta del sistema di controllo

Analizzando accuratamente le caratteristiche dei vari sistemi di controllo

enunciati in base ai requisiti del progetto in esame e alle variabili operative

consequenziali alla decisione, si è optato per una scelta classica di automazione

utilizzando l'architettura di processo del PLC. Una soluzione pronosticata fin dalle

prime fasi di studio in modo da garantire una solidità normativa del prototipo

finale probabilmente destinato all'essere brevettato. Nonostante ciò, l'adozione di

una soluzione embedded è stata studiata separatamente a quanto descritto in

questo elaborato in modo da fornire degli elementi di confronto in merito ai

risultati ottenuti e ai costi di produzione.

2.3 PLC: storia e classificazione

I controllori logici programmabili furono introdotti, negli Stati Uniti, verso

la fine degli anni ’60 allo scopo di ridurre i sempre più elevati costi e complessità

dei controlli. La realizzazione dei sistemi di controllo dei nuovi apparati

introdotti sul mercato, infatti, avrebbe avuto bisogno di circuiti con centinaia o

migliaia di relè. Comparso, dunque, in sostituzione delle logica cablata, il PLC si

è affermato negli anni successivi grazie ad una riduzione di costi, ad un aumento

dell’affidabilità rispetto ai primi esemplari, e all’attenuarsi della diffidenza degli

operatori. Nella metà degli anni ’70 la tecnologia dominante dei PLC era basata su

dispositivi sequenziali, purtroppo ancora privi di standardizzazione con

conseguente produzione di una serie di protocolli e reti incompatibili, tanto da

rendere la comunicazione tra PLC di costruttori diversi quasi impossibile. Negli

anni ’80 la General Motors tentò di standardizzare la comunicazione con un

protocollo denominato MAP ( Manufacturing Automation Protocol ) ed allo

stesso tempo rese programmabili i PLC attraverso personal computer, invece che

con tastiere dedicate o programmazioni manuali. Negli anni ’90 si è ottenuta una

notevole riduzione degli ingombri dei PLC e inoltre, grazie al diffondersi di

sistemi digitali e computerizzati anche a bassi livelli, si è assistito ad una migliore


26

integrazione del controllore logico con questi sistemi, consentendo campi di

impiego inimmaginabili per l'ormai remota logica cablata. I PLC riescono infatti a

garantire prestazioni elevate quali:

elaborazione di segnali analogici,

effettuazione di operazioni matematiche,

memorizzazione dati,

visualizzazione dati,

trasferimento dati,

collegamenti operativi con altri PLC, con calcolatori e con controlli

numerici.

I PLC delle ultime generazioni non hanno più soltanto le caratteristiche originali

di semplici sequenziatori, ma stanno assumendo quelle di calcolatori di processo

con compiti di controllo e supervisione dei vari iter produttivi con interfacce

utente sempre più sofisticate.

Sebbene spesso la letteratura tecnico-commerciale ed alcuni addetti ai lavori

estendano arbitrariamente la definizione di PLC a qualsiasi dispositivo

programmabile impiegato nell'automazione industriale, vi è da rilevare l'esistenza

di una normativa di riferimento (CEI 65-23, in recepimento della norma EN

61131-1 ossia della pubblicazione IEC 1131-1) e di una esplicita definizione su

cosa si intenda per PLC, riportata all'art. 2.50:

"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, per controllare, mediante ingressi ed uscite sia digitali che

analogici,vari tipi di macchine e processi"[3].

Sia il controllore programmabile che le periferiche associate sono stati progettati

in modo da poter essere facilmente integrati in sistemi di controllo industriale ed

utilizzati in tutte le funzioni previste. È fisiologico definire PLC qualsiasi apparato


27

compatto o modulare dotato di I/O da campo (digitali e/o analogici),

programmabile tramite almeno uno dei linguaggi previsti dalla norma IEC1131-3.

Una prima classificazione macroscopica dei PLC, distingue i diversi tipi di

controllori logici in base alla struttura hardware e alla tipologia di linguaggio di

programmazione riconosciuto in:

PLC compatti: utilizzati soprattutto quando il requisito principale ricercato

è il basso costo, in ambito sia industriale che civile, vengono spesso

programmati per svolgere sequenze logiche temporizzate. Sono delle vere

e proprie strutture hardware rigide, caratterizzate da un unico blocco con al

più un numero molto limitato di opzioni. Si tratta di sistemi per cui la

competizione tra i costruttori è molto elevata ed essenzialmente basata sul

costo, di conseguenza anche l’ambiente di sviluppo è molto semplificato

con possibilità numeriche, in termini di complessità e quantitativi delle

strutture dati gestibili da questi sistemi, molto limitate. I linguaggi

supportati sono solo quelli logici (ladder).

PLC espandibili: rispondono invece a richieste prestazionali superiori con

una certa flessibilità, per applicazioni che non richiedono necessariamente

un'architettura centralizzata. I compiti possono essere ripartiti tra più PLC

comunicanti tra loro su rete a elevata efficienza (architettura distribuita) o

in alternativa svolti da una sola CPU eventualmente supportata da moduli

funzionali normalmente nell'ordine della decina. Anch'essi utilizzano i

linguaggi logici tradizionali.

PLC modulari: usano invece dei linguaggi software evoluti a causa

dell'elevata complessità dei comandi per cui vengono adoperati. Sono

normalmente formati da più CPU che operano contemporaneamente

consentendo un tempo di ciclo anche dell'ordine del ms. Si tratta di sistemi

molto potenti utilizzati soprattutto in architetture centralizzate, spesso però

soppiantati da una più pratica gestione distribuita con PLC di minore

complessità collocati là dove servono.

I PLC espandibili o modulari hanno dunque una struttura molto più

vantaggiosa rispetto a quella dei controllori compatti. La caratteristica modulare


28

permette di configurare l’architettura del PLC in base alle effettive esigenze

dell’automazione. È possibile inserire, di volta in volta, il numero e il tipo di

moduli che occorrono senza sprechi e con una flessibilità notevole rispetto a

eventuali ampliamenti futuri. Di riflesso questo porta ad avere una notevolissima

varietà di moduli a propria disposizione, anche per svolgere funzioni molto

particolari. Nei PLC, infatti, non si aggiunge una scheda il cui software è

completamente da realizzare, ma si aggiungono dei moduli già possessori di

pacchetti software dedicati. Questa soluzione ha il vantaggio di agevolare e

velocizzare la realizzazione dei programmi applicativi permettendo anche ad

utenti poco esperti la realizzazione di funzioni complesse. Per contro si ha che

tutto quello non previsto dal pacchetto software a corredo non può essere

realizzato anche se, potenzialmente, la scheda sarebbe in grado di farlo.

2.4 Struttura e principio di funzionamento

A secondo del tipo di applicazione, dei requisiti richiesti al sistema di

controllo e del costo sostenibile per la sua realizzazione, è opportuno scegliere

l'appropriato PLC adatto ai propri bisogni considerando quanto già esposto sulle

differenze sostanziali tra i PLC compatti o modulari. Ipotesi di espansioni future o

frequenti modifiche sia a livello hardware che software, spingono gli utenti all'uso

più agevole dei PLC modulari a fronte di un costo maggiore, mentre casi di

presunta stabilità nel tempo dei fini di servizio, permettono spese inferiori

caratteristiche dei controllori monoblocco limitati sia a livello di programmazione

che strutturale.

Oltre a questa distinzione macroscopica iniziale, però, i vari PLC, siano essi

compatti o modulari, sono differenziabili in base a ulteriori parametri tecnici la

cui totalità caratterizza ogni singolo controllore.

Un importante parametro, normalmente uno dei principali selettori per la scelta

dell'opportuno PLC, è il numero di schede o moduli di ingresso/uscita che

acquisiscono o inviano segnali digitali o analogici. Tutti i costruttori ne offrono

una grande varietà per adattarsi ai diversi tipi di sensori ed ai diversi comandi da

erogare.

Si hanno PLC di:


29

• gamma bassa, quando controllano fino a 64 I/O

• gamma media, quando controllano tra 64 e 512 I/O

• gamma alta, quando controllano più di 512 I/O.

PLC I/O Memoria

Micro 64 1-2 kbyte

Piccoli 512 4 kbyte

Medi 2048 ≈101

kbyte

Grandi ≈103

≈102 kbyte

Tab. 2.1: Tipologie di PLC in funzione del n° di I/O e memoria.

Un esiguo numero di punti di I/O integrati nella CPU, insieme al necessario

alimentatore, rispecchia la struttura dei PLC compatti. Modularità, integrabilità e

scalabilità sono invece le principali caratteristiche di un PLC espandibile o

modulare che possiede, dunque, una struttura più elaborata. In essi è possibile

scegliere anche il modello della CPU in funzione della configurazione e della

complessità della gestione da implementare; questo perché tutti i modelli di una

famiglia di CPU sono compatibili a livello software. Per questi ultimi si ha un

telaio adatto a posizionare i vari moduli in maniera semplice evitando difficoltà di

interazione e alimentazione tra le parti.

In generale gli elementi che compongono il controllore sono:

• Alimentatore

• Unità Centrale (CPU)

• Memoria

• Unità di input/output

• Periferiche


30

Fig.2.3: Esempio struttura PLC espandibile SIMATIC-s5

È una serie ormai superata ma la sua architettura sostanzialmente non si discosta molto da quelle

più recenti;

(1) Alimentatore;

(2) CPU;

(3) Moduli periferici;

(4) Bus;

(5) Guida omega

2.4.1 Alimentatore

L'alimentatore è un elemento essenziale per il funzionamento del PLC. Esso

permette di generare le tensioni di alimentazione per ogni scheda facente parte del

controllore normalmente interessate da tensioni in corrente continua di 5 o 15

Vdc. Partendo da una sorgente di alimentazione sia essa in continua o

semplicemente la tensione di rete alternata, l'alimentatore svolge anche importanti

azioni stabilizzanti incrementando l'affidabilità di tutto il sistema. È infatti

formato da tutti i dispositivi necessari per fornire la giusta alimentazione alle CPU

e ai vari moduli quali trasformatori, raddrizzatori e stabilizzatori. Può eseguire

funzioni di controllo mirate alla corretta alimentazione o alla predefinita

esecuzione del programma da parte della CPU. Spesso, infatti, il modulo


31

alimentatore viene inserito nello stesso contenitore della CPU. Si può considerare

parte dell'alimentatore anche il dispositivo che commuta sulla batteria tampone, in

assenza di alimentazione dalla rete, per salvare il contenuto della RAM.

2.4.2 Bus e rack

Considerando i PLC modulari, per facilitare il montaggio meccanico, ma

soprattutto per connettere i vari moduli e le rispettive alimentazioni, si hanno delle

strutture dette a rack o a bus in modo da garantire la caratteristica modulare del

PLC. Un rack è una sorta di alloggio a rastrello dei moduli, possibilitato a

contenere un numero massimo di schede disposte in esso senza un ordine

prefissato. Normalmente i primi 2 posti vacanti disponibili sono sede

dell'alimentatore e della CPU, ma ogni scheda innestata nel rack può assumere

una posizione arbitraria localizzata da degli indirizzi di tipo posizionale in

sequenza oppure assegnati dall'ambiente di programmazione del PLC.

Il sistema bus è un insieme di collegamenti interni per la trasmissione e lo

scambio di segnali, tensione d'alimentazione e potenziali di massa.

È suddiviso in più gruppi di segnali:

- bus degli indirizzi, tramite il quale si può accedere agli indirizzi delle singole

schede;

- bus dati, tramite il quale i dati possono essere letti dalle schede d'ingresso o

trasferiti alle schede d'uscita;

- bus di comando, tramite il quale vengono gestiti i segnali di comando e

controllo dello svolgimento delle funzioni all'interno del controllore.

2.4.3 CPU

La CPU è una scheda dotata di sistema operativo basata su un processore,

memorie, interfacce di generazione e gestione del bus verso i moduli periferici.

Essa può operare in 2 diverse modalità:

• Stop: in cui non viene eseguito il programma applicativo, ma può ricevere

comandi dall'unità di programmazione spesso PC per la configurazione e

l'immissione con conseguente memorizzazione del programma;


32

• Run: dove il sistema operativo residente controlla l'esecuzione del

programma applicativo, inizializzando le procedure instaurando un

funzionamento ciclico comunemente chiamato ciclo di funzionamento della

CPU.

Si tratta di un ciclo in cui viene appunto eseguito anche il programma

applicativo in un intervallo di tempo ovviamente dipendente dalla lunghezza

del programma stesso. Un tempo, definito di scansione, dell'ordine del ms

dovuto al fatto che il tempo medio impiegato da un PLC recente per lo

svolgimento di un’istruzione è inferiore al microsecondo. Il tempo di

risposta del PLC è, infatti, l'intervallo di tempo che passa tra la rilevazione di

un certo evento e l'esecuzione dell'azione di risposta per esso programmata

[2]. Il ciclo esposto è schematizzato in figura 2.4.

Fig.2.4: Ciclo di scansione della CPU

IPI: immagini di processo in ingresso lette a inizio ciclo

IPU: immagini di processo in uscita lette a fine ciclo

L'uscita reale dipende dai valori assunti dalle IPU


33

L'unità operativa è quindi la CPU, che con il microprocessore dedicato,

esegue i programmi scritti in codice macchina diversamente all'operatore che

imposta i propri programmi applicativi tramite linguaggi molto simili agli schemi

elettromeccanici a relè o a istruzioni o a blocchi. Questi linguaggi vengono

pertanto elaborati e ricondotti a linguaggi intermedi di facile interpretazione per il

microcontrollore, che provvederà alla decodifica. Ciò rende il sistema meno

vulnerabile rispetto a errori di programmazione mantenendo la corrispondenza tra

l'istruzione macchina e quella grafica.

Si ha pertanto una netta distinzione tra il sistema operativo intrinseco al PLC,

sviluppato e memorizzato dal costruttore,e il programma applicativo costruito

dall'utente per cui si ha una parte di memoria riservata in cui si provvede alla

decodifica per ogni ciclo di scansione. Ciò comporta una sorta di protezione del

microcontrollore il cui funzionamento prescinde dalla correttezza del programma

applicativo destinato alla sua interpretazione. In questo modo, l’utente, può

modificare il proprio programma mentre questo è in esecuzione e il

microcontrollore può potenzialmente tornare al sistema operativo dopo

l’esecuzione di ciascuna istruzione utente.

Il programma applicativo deve avere una organizzazione adatta

all’inserimento in tale struttura ciclica, cioè deve essere eseguito dall’inizio alla

fine senza punti di attesa. All'inizio del ciclo stesso vengono memorizzati i valori

degli ingressi logici su delle variabili denominate immagini di processo. Esse

vengono considerate come uscite logiche scaricate a fine ciclo sulle uscite fisiche

rappresentando dunque gli stati logici dei segnali di ingresso e uscita. La lettura di

questi ingressi avviene una singola volta per ogni ciclo con memorizzazione nelle

variabili predette ovvero le immagini di processo di ingresso (IPI). Analogamente

il programma applicativo non agisce direttamente sulle uscite fisiche, ma su

variabili dette immagini di processo delle uscite (IPU) e al termine del ciclo si ha

la reale modifica delle uscite strettamente dipendenti dai valori delle IPU.

Il microprocessore racchiude in sè tutte le funzioni di calcolo e controllo del

processore centrale di un normale calcolatore. La sua caratteristica più importante

è la programmabilità che ha consentito il grande passo in avanti dalla logica

cablata alla logica programmabile. Attualmente i microprocessori utilizzati come


34

CPU dei controllori programmabili, sono molto vari in quanto non esiste una

qualsiasi forma di standardizzazione. Ogni costruttore impiega il microprocessore

che ritiene più adatto alle prestazioni che vuole fornire al suo sistema.

2.4.4 Memorie

Il PLC ha bisogno di memoria per il proprio sistema operativo, per la

memorizzazione del programma utente e per l'elaborazione dei dati intermedi

durante l'esecuzione del programma.

Di conseguenza si distinguono tre tipi di memoria differenti in base al loro

impiego riscontrabili nello schema a blocchi di figura 2.5:

a. memoria di sistema

b. memoria di programma,

c. memoria dati.

Fig.2.5: Tipi di memoria presenti in un PLC

a) Di solito il costruttore utilizza, per la memorizzazione del sistema

operativo, una memoria di tipo ROM (Read Only Memory), che ha appunto le

caratteristiche di essere non volatile e di non poter essere modificata essendo una

memoria di sola lettura. È adibita a conservare tutte quelle particolari istruzioni

che servono per la gestione ed il controllo del funzionamento della CPU e che

pertanto costituiscono un vero e proprio sistema operativo del PLC. Memorie del


35

tipo PROM o EPROM possono comunque essere ugualmente adoperate per questi

fini purché siano non accessibili all'utente.

b) È la memoria destinata a contenere le istruzioni che costituiscono il

programma eseguibile dal PLC. Per svolgere tale funzione essa deve essere

accessibile all'utente artefice della stesura del programma stesso, e viene quindi

realizzata con memorie di tipo RAM(Random Access Memory). A differenza del

sistema operativo del PLC, il programma utente, deve quindi poter essere

modificato in modo che possa essere adattato alle esigenze iniziali dell'utente il

quale potrà in qualsiasi momento modificarne il contenuto.

c) Similmente alla memoria di programma la memoria dati necessaria per la

memorizzazione dei risultati intermedi è soggetta continuamente a operazioni di

lettura e scrittura. È dunque anch'essa una memoria di tipo RAM riscrivibile dopo

ogni lettura anche chiamata memoria di lavoro divisibile in due sezioni distinte:

Flag (o Merker): cioè una certa quantità di memoria che può essere

indirizzata anche in formato byte od a singoli bit e che può essere

utilizzata dall'utente per memorizzare risultati intermedi durante

l'elaborazione del programma. I singoli bit di queste memorie possono

essere settati (cioè posti al valore logico 1) o resettati (cioè posti al valore

logico 0).

Registri: memoria di tipo RAM che viene utilizzata per svolgere

determinate funzioni durante l'esecuzione del programma.

Solitamente si ha almeno un:

- registro di lavoro in cui vengono memorizzati i risultati delle singole

operazioni di tipo logico-aritmetico che vengono svolte dalla CPU

istruzione dopo istruzione

- registro ausiliario che interviene solo in particolari situazioni

- registro di stack che serve per la memorizzazione di risultati intermedi

quando il registro di lavoro deve essere utilizzato per altre elaborazioni

- un registro di stato.


36

Tra le tipologie di memoria enunciate , la dimensione della RAM utente è di

fatto uno dei parametri che caratterizza maggiormente un PLC in quanto da essa

dipende la lunghezza del programma che può essere gestito dal controllore stesso.

Per PLC di piccola taglia, attualmente, si hanno memorie utente che hanno

dimensione da tre a quattro Kbyte, a cui corrisponde la capacità di memorizzare

programmi di circa mille istruzioni [2]. Ovviamente in PLC di taglia superiore la

dimensione della RAM varia proporzionalmente con la complessità del set di

istruzioni del linguaggio di programmazione e con le dimensioni, prevedibilmente

superiori, dei programmi necessari per gestire automatismi complessi.

2.4.5 Unità Periferiche

Sono quei moduli adibiti all'interazione con gli elementi di campo, siano

essi sensori in ingresso o attuatori in uscita come riportato in figura 2.6. La loro

distinzione dipende sostanzialmente dal tipo di segnale che ricevono o che devono

inviare. Possono inoltre essere moduli speciali per funzioni specifiche con

processore e programma interno autonomo.

Si dividono dunque in:

a) moduli I/O digitali

b) moduli I/O analogici

c) moduli funzionali

Fig. 2.6: Sensori e attuatori connessi al PLC tramite i moduli I/O


37

a) Questi moduli permettono di connettere direttamente al PLC i trasduttori

e gli attuatori digitali posti sul campo. Finecorsa, sensori induttivi, sensori

capacitivi, pulsanti, selettori e tutto quanto fornisce un segnale digitale verrà

connesso alle schede d’ingresso, come in figura 2.7a, mentre relè, elettrovalvole,

spie di segnalazione e tutto quanto viene comandato da un segnale digitale verrà

connesso alle schede di uscita, figura 2.7 b. Possono esserci anche moduli misti di

ingresso e uscita.

I principali parametri di un modulo di ingresso sono [2]:

• La tensione nominale in ingresso: In genere è di 24Vdc (anche se

esistono schede a 115Vac e 230Vac), questo significa che vi sarà un certo

campo di tensioni sull’ingresso in cui il segnale logico riconosciuto dal

PLC sarà 0 o 1. Tipicamente questo range di tensioni va rispettivamente

da - 30Vdc a +5Vdc per avere un livello logico basso e da +15Vdc a

+30Vdc per un livello logico alto.

• Il valore del filtro di ingresso: sugli ingressi digitali è sempre presente un

filtro che, di fatto, limita la frequenza massima del segnale leggibile su un

ingresso digitale. Tipicamente questo filtro ha una costante di tempo da

0.1 ms a 20 ms.

• La separazione galvanica sugli ingressi: Molte schede d’ingresso sono

anche dotate di optoisolatori che garantiscono la separazione galvanica fra

il campo e il PLC. Il loro utilizzo ha carattere fondamentale soprattutto

per collocazioni del PLC in ambienti con molti disturbi elettromagnetici

dove si possono creare differenze di potenziale elevate.

Per quanto riguarda le schede di uscita è importante definire il tipo di stadio

d’uscita e la corrente massima fornibile. Tipici stadi d’uscita sono i transistor e i

relè. Le tipiche correnti di uscita massime (per carichi resistivi) sono da 0.5A a 2A

per le uscite a transistor e fino a 8A per le uscite a relè.


38

Fig.2.7 a: Schema di cablaggio tipico degli input ai terminali di ingresso

Fig. 2.7 b: Tipico cablaggio degli output ai terminali di uscita [2].

b) Questi moduli permettono di connettere direttamente al PLC i trasduttori

e gli attuatori analogici posti sul campo. Tutto ciò che può fornire un segnale

analogico viene connesso alle schede d'ingresso, mentre gli attuatori comandati da

segnali analogici alle schede d'uscita. In ogni caso l'utente può impostare e

regolare delle soglie in grado di controllare l'andamento delle grandezze

analogiche mediante un confronto. Ogni interfaccia (o via) effettua in maniera

continua il confronto tra il valore del segnale di ingresso e due soglie, alta e bassa,

regolabili mediante potenziometri tipicamente a controllo digitale. I risultati di

questi confronti vengono poi trasmessi al processore del PLC, sottoforma di

segnali logici che una volta memorizzati verranno utilizzati dal programma di

controllo. Le principali caratteristiche dei moduli d’ingresso analogici sono il tipo

di ingresso supportato e il tempo di conversione mentre i moduli d'uscita si


39

distinguono soprattutto in base al massimo carico collegabile all’uscita e al tipo

di collegamento al carico.

c) Questi moduli rappresentano la vera evoluzione del PLC diventato non

solo un controllore sequenziale ma anche una sorta di calcolatore di processo con

compiti di controllo e supervisione con interfacce utente sempre più sofisticate.

Essi vengono adoperati per funzioni di controllo continuo e non ciclico-

sequenziale caratteristico della CPU adoperando un monitoraggio perenne del

processo interessato scambiando informazioni con il processore del PLC ad ogni

ciclo compiuto da quest'ultimo. Dotati di un proprio processore, riescono a

svolgere la propria funzione in maniera autonoma utilizzando i risultati ottenuti o

direttamente tramite le proprie uscite, se presenti, oppure agenti a livello del

programma applicativo dell'utente.

Vengono usati dunque per applicazioni di misura/regolazione, dialogo, conteggio

e posizionamento quali ad esempio controlli a ciclo chiuso PID, controlli sul

posizionamento degli assi, funzioni di comando per motori passo-passo o per

imporre una comunicazione esterna al PLC sia essa una semplice comunicazione

diagnostica, verso il campo o verso altre unità intelligenti.

2.5 Linguaggi e software di programmazione

Il software è l’elemento determinante per dare all’hardware del PLC quella

flessibilità che i sistemi di controllo a logica cablata non possiedono.

Le aziende che lo producono, per i loro PLC, si avvalgono quasi esclusivamente

di linguaggi di programmazione specifici per le applicazioni di automazione,

linguaggi strutturati soprattutto con:

• istruzioni di logica combinatoria (AND, OR, NOT)

• istruzioni di caricamento e trasferimento di segnali di processo

• istruzioni che operano sullo stato dei singoli segnali (elaborazione di bit)

• funzioni standard di conteggio, temporizzazione e memorizzazione.

Uno dei problemi più sentiti nell’ambito della programmazione dei PLC, è

l’assenza di una piattaforma comune. Non esiste infatti un ambiente unico in cui

poter programmare tutti i PLC presenti sul mercato, ma ogni costruttore è legato


40

al proprio ambiente di programmazione, che propone a pagamento insieme

all’hardware. A volte non si ha libertà completa nello scegliere la struttura fisica,

tipicamente quando alcuni elementi sono già installati nelle macchine dai loro

produttori, oppure quando si affronta il revamping di un impianto già esistente.

L'idea di unificare la programmazione per facilitare anche i non professionisti, si è

col tempo alimentata con la necessità di normalizzare in qualche modo la gestione

software dei PLC e andare incontro alle esigenze di un mercato, sempre più

insofferente a queste situazioni. Occorreva uno standard univoco che fu creato

solo dopo aver dato origine ad un organismo internazionale a cui hanno aderito

tutti i maggiori costruttori di PLC chiamato PLCopen.

Si è dunque generata una normativa, IEC 61131, che definisce uno standard

per il controllo logico basato su PLC, avente come obiettivi primari la correttezza,

la qualità e il contenimento del costo dei sistemi medesimi.

La normativa si sviluppa secondo alcune linee guida:

• definire modelli, concetti e terminologia comuni;

• definire un riferimento per la realizzazione di strumenti di sviluppo

verifica e simulazione dei sistemi di controllo;

• facilitare l’interazione tra progettisti e il riuso di elementi dei progetti;

• consentire la sopravvivenza dei progetti sviluppati a diverse

generazioni tecnologiche dei prodotti (hw/sw) usati per implementarli,

articolando la standardizzazione in tre aspetti principali:

• specifiche dei dispositivi

• linguaggi di programmazione

• protocolli per la comunicazione

La normalizzazione dei linguaggi di programmazione è il punto cruciale

soprattutto per quanto attiene alla portabilità dei progetti e all’interoperabilità dei

prodotti. Favorire il progresso verso metodi moderni di sviluppo, incoraggiando

gli sviluppatori ad applicare concetti di programmazione strutturati e modulari,

facilitare la verifica e il riuso del codice incentivando la portabilità del software e


41

ridurre costi e tempi di sviluppo, sono le prerogative imposte dalla normativa [4].

Lo standard definisce cinque tipologie di linguaggi, due di tipo letterale e

tre di tipo grafico, allo scopo, come detto, di consentire una programmazione di

tipo strutturato oltre a un maggior riutilizzo dei software realizzati.

I modi di rappresentazione del programma applicativo sono così denominati:

• IL – Instruction List (Lista di Istruzioni)

• ST – Structrured Text (Testo strutturato)

• LD – Ladder Diagram (Diagramma a contatti)

• FBD – Function Block Diagram (Diagramma a blocchi funzionali)

• SFC – Sequenzial Function Chart (Diagramma a funzioni Sequenziali)

Ogni casa costruttrice sceglie il linguaggio da adottare per il proprio

ambiente di sviluppo. Oggi molti di questi ultimi supportano più di un linguaggio

e alcuni consentono anche di mescolarli entro un progetto implementando alcune

parti di esso in un determinato linguaggio rispetto ad altre con uno differente.

L’aderenza allo standard è indice di portabilità del codice anche se non implica la

compatibilità del formato dei file.

Per meglio definire le varie forme di programmazione selezionabili in

funzione dell'hardware disponibile e in base all'applicazione da impostare

dall'utente, si tratteranno i vari linguaggi precedentemente elencati soffermandosi

dettagliatamente soprattutto sul linguaggio grafico ladder, linguaggio più antico e

più diffuso utilizzato come si vedrà anche per la fase sperimentale di questo

elaborato.

2.5.1 LD – Ladder Diagram

Il più antico linguaggio di programmazione per i PLC è il linguaggio

Ladder anche chiamato diagramma a relè o a contatti.

Fu creato inizialmente per rendere più accessibile la programmazione ai tecnici

di estrazione elettrica. Si basa, infatti, su simboli quali:

binari di potenza, contatti elettrici e avvolgimenti magnetici. È in assoluto il


42

linguaggio più utilizzato, di facile comprensione e molto potente nelle fasi di

monitoraggio e test dei programmi realizzati. L'obiettivo principale di questo

linguaggio grafico è di riprodurre il funzionamento di una rete elettrica in cui gli

utilizzatori ovvero delle bobine, vengono eccitate o meno in funzione dello stato

di interruttori comunemente chiamati contatti. L'uso di questi elementi elettrici in

un ambiente nativamente di programmazione, ha permesso una progressiva

accettazione del nuovo metodo concettualmente simile ai precedenti sistemi di

controllo con i relè elettromeccanici. Gli elementi fondamentali del Ladder,

rappresentati in figura 2.8, sono quindi derivati proprio dagli schemi della logica

cablata e sono:

• due linee verticali laterali dette montanti,che rappresentano

un’alimentazione elettrica in particolare il montante di sinistra è il polo

positivo, quello di destra è la massa;

• dei collegamenti orizzontali tra i montanti, detti pioli o rung, che

contengono a sinistra dei contatti e a destra delle bobine;

• contatti

• bobine

Fig. 2.8: Esempio programma ladder a 2 rung

Contatti

Sono sempre connessi al montante di sinistra e associati ad una variabile di

ingresso. Possono assumere due tipi di configurazione, normalmente aperto o

normalmente chiuso da cui dipende la cosiddetta continuità lungo il canale.


43

Bobine

Sono gli elementi terminali delle istruzioni e sono sempre collegate al montante di

destra. Rappresentano le uscite dell'architettura.

Possono essere usate anche le bobine latch o unlatch:

• La bobina latch è quella bobina che: quando all’istante iniziale la variabile

in ingresso assume il valore logico alto, essa assume il valore logico alto e

lo mantiene anche se la variabile che la pilota torna al livello logico basso.

• La bobina unlatch presenta un funzionamento duale alla bobina latch:

quando all’istante t1 la variabile in ingresso alla bobina assume il valore

logico alto, la bobina assume il valore logico basso e lo mantiene anche se

la variabile che pilota la bobina torna al livello logico basso.

A ciascun elemento sia esso contatto, bobina, contatore o temporizzatore viene

associata una variabile, il cui valore è conservato in un bit di memoria. Se i valori

associati agli elementi realizzano una continuità elettrica, la linea viene percorsa

dal flusso di esecuzione da sinistra a destra. I rung vengono inoltre scansionati dal

PLC dal primo in alto all’ultimo in basso, e giunti all’ultimo si ricomincia dal

primo.


44

Si avrà dunque un processo di:

1) lettura degli ingressi, costanti per tutto il ciclo

2) esecuzione di tutti i rung con scrittura degli stati delle bobine

3) aggiornamento delle uscite

4) restart del ciclo

2.5.2 Altri tipi di linguaggio di programmazione del PLC

Testo strutturato

Il linguaggio ST è un linguaggio ad alto livello, particolarmente adatto per

applicazioni dove occorre effettuare calcoli aritmetici complessi, viene utilizzato

più frequentemente dai tecnici di estrazione Informatica.

Diagramma a funzioni sequenziali

Il linguaggio SFC è basato sui concetti di stati all'interno del quale si

eseguono le azioni, e di transizioni dove al verificarsi di certe condizioni si passa

da un certo insieme di fasi attive ad un altro. Sia gli stati che le transizioni devono

essere univoci all’interno della sequenza, fornendo una sorta di modello

matematico, funzionale e sicuro. È un linguaggio gerarchicamente superiore nel

senso che le azioni possono essere programmate in uno degli altri linguaggi e che

spesso SFC è usato come strumento di specifica.

Diagramma a blocchi funzionali

Il linguaggio FBD è un linguaggio di tipo grafico e viene rappresentato

con la simbologia tipica dei circuiti elettronici. Per questo motivo viene

apprezzato e utilizzato soprattutto dai tecnici di estrazione elettronica. Un blocco

funzionale ha due caratteristiche principali, ovvero la definizione dei dati (ingressi

e uscite) e un algoritmo che processa i valori correnti degli ingressi e delle

variabili interne (locali o globali) e produce i nuovi valori delle uscite [4]. Non


45

permette di sfruttare appieno tutte le potenzialità del PLC e non è adatto per

gestire programmi complessi.

Lista di istruzioni

Ogni programma è costituito da una sequenza di prescrizioni elementari di

lavoro per il controllore. Il linguaggio testuale IL sfrutta queste prescrizioni

chiamate istruzioni, il cui elenco detta lista istruzioni determina il programma

stesso. Le istruzioni sono strutturate nello stesso modo: la prima parte comunica al

controllore l’azione da compiere (operazione), la seconda parte comunica

l’oggetto dell’azione richiesta (operando).Un operando è composto da una sigla e

da un parametro, che a sua volta comprende il numero di posto-connettore e il

numero dell’ingresso o dell’uscita. La lista di istruzioni rappresenta quindi le

funzioni con abbreviazioni mnemoniche: una riga in linguaggio IL è un'istruzione.

2.6 Cenni sui Sistemi Embedded

Un qualsiasi sistema realizzato tramite una singola scheda elettronica

oppure tramite un singolo circuito integrato viene chiamato EMBEDDED

SYSTEM. Questo sistema può assumere caratteristiche di controllo del tutto

simili a quelle del PLC ampiamente trattate, contenendo al suo interno tutto il

necessario sia per connettere il controllore al sistema da controllare, sia per

eseguire gli algoritmi di controllo definiti dall’utente. Il termine embedded

evidenzia l'attitudine di questi sistemi a essere parte di sistemi più grandi con

compiti ben precisi di controllo, elaborazione, memorizzazione o altro. Esso

normalmente viene progettato o scelto in maniera tale che la configurazione

hardware e software sia ad-hoc rispetto al problema di automazione da risolvere,

comportando dunque la conoscenza a priori dei compiti da eseguire. Permette di

ridurre l’hardware, lo spazio, i consumi energetici, i tempi di realizzazione ed il

costo necessari a realizzare il sistema di controllo a scapito di una minore

flessibilità, bassissima estendibilità e difficile intercambiabilità [1]. La struttura di

un generico sistema embedded è riportata in figura 2.9.


46

Fig. 2.9: Struttura generica sistema embedded

Esistono alcuni particolari tipi di sistema embedded in commercio con

funzionalità di base predisposte a implementazioni. Particolare diffusione sta

avendo l'Arduino, prodotto italiano dotato di software "open source", con

ambiente di sviluppo integrato in modo da poter rendere la programmazione

accessibile a tutti rispettando i limiti delle potenzialità dell'hardware facilmente

implementabile. Esistono ovviamente molti altri sistemi simili, la cui caratteristica

accomunante è il basso costo a volte determinante a seconda delle applicazioni.

Fig. 2.10: Esempi sistemi embedded open source: a sinistra Arduino a destra RaspberryPI

CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE

47

Capitolo 3

PLC adottato: schemi elettrici e programmazione

3.1 Introduzione

La soluzione tecnica adottata ai fini dell'automazione dello studio

oftalmologico è come anticipato la realizzazione di un sistema di controllo tramite

PLC.

L'analisi teorica di questo apparato ha fatto emergere sostanziali differenze tra le

varie tipologie di PLC presenti nel mercato, distinzioni necessarie per poter

fornire all'utilizzatore la giusta gamma di prodotti adatti alle proprie esigenze più

o meno complesse e articolate. L'interazione, infatti, tra le applicazioni di fondo

da voler esplicitare con le varie caratteristiche tecniche di ogni modello di

controllore programmabile, è la primaria operazione da svolgere per effettuare la

giusta scelta fin dagli inizi dello studio del progetto. Il PLC, grazie alla sua

naturale scalabilità, in ogni caso, ben si adatta a future implementazioni sia a

livello hardware sia a livello software. L'aggiunta di opportuni moduli nei

controllori espandibili o modulari permette una maggiorazione delle sue

caratteristiche di serie implementando di conseguenza le sue funzionalità variabili

prevedibilmente nel tempo. In più l'ambiente di sviluppo del programma

applicativo è strettamente collegato alla configurazione hardware del dispositivo,

anch'esso dunque estremamente elastico e funzionale nel caso di modifiche

parziali e totali delle applicazioni.

In questa analisi ha ovviamente grande importanza il costo di mercato dei vari

dispositivi e degli eventuali componenti aggiuntivi, scegliere un PLC

estremamente potente per caratteristiche potrebbe essere la soluzione indicata per

applicazioni complesse e molto soggette a cambiamenti nel tempo, a fronte di un

costo di partenza maggiore, viceversa una soluzione economica, con specifiche

molto prossime a quelle richieste, potrebbe essere accettabile in caso di ipotesi di

scarse o addirittura nulle modifiche nel tempo per quanto riguarda l'aspetto

hardware. Implementare, infatti, questa soluzione può far perdere la principale


48

caratteristica di economicità a priori richiesta aggiungendo dei moduli funzionali

facilmente inseribili, ma a seconda dei casi strategicamente costosi.

3.2 Scelta del PLC

Queste e altre prerogative hanno caratterizzato la scelta del PLC per la

realizzazione del progetto chiave dell'elaborato.

Il controllore opportunamente programmato deve:

• controllare i motori (vedi Cap.1) utilizzati per l'automazione dei cassetti

del mobile modulare porta-strumento, in modo da rendere accessibili gli

strumenti diagnostici;

• controllare il motore (vedi Cap. 1) adoperato per lo spostamento della

poltrona parallelamente al mobile;

• pilotare un multiplexer digitale, appositamente progettato per l'utilizzo

compatto degli strumenti, abilitando lo scambio dei dati dallo specifico

strumento in uso;

• comunicare mediante interfaccia TCP/IP o RS232 con un PC per azioni di

comando anche da remoto.

In prima analisi si è ricercato un dispositivo contenente un numero congruo di I/O

in cui collegare i vari sensori e attuatori rispettivamente agli ingressi e alle uscite

del PLC. In particolare si sono focalizzati maggiormente gli I/O digitali essendo

per lo più comandi e azioni a due semplici stati. Ogni motore adibito

all'apertura/chiusura del cassetto deve infatti essere alimentato fin quando non

stabilisce un contatto meccanico con uno dei due finecorsa appositamente

posizionati. Questi ultimi, aventi carattere di sensori in ingresso al PLC,

informeranno in base al loro stato a due livelli dell'avvenuta operazioni di apertura

o chiusura. Per ogni motore si hanno 2 ingressi digitali per i finecorsa e 2

rispettive uscite digitali per gli altrettanti versi di rotazione del motore stesso.

Considerando i 4 cassetti di cui si vuole fornire il prototipo occorrono 4 motori il

cui pilotaggio necessiterà di 8 ingressi e 8 uscite, a cui vanno ad aggiungersi

eventuali pulsanti manuali in ingresso.


49

Aggiungendo a questi ultimi i:

• dovuti I/O digitali per il controllo del motore della postazione mobile del

paziente (7 I/O) ,che come si vedrà nel Cap.4 si progetterà sfruttando un

particolare effetto magnetico: effetto Hall;

• le opportune uscite digitali afferenti al pilotaggio del multiplexer trattato

nel Cap. 5 dove si avrà l'esigenza di un selettore a 3 ingressi rappresentati

proprio dalle uscite in questione del PLC

• ulteriori input per interruttori o pulsanti di gestione manuale agenti a

monte del PLC

• eventuali I/O analogici per applicazioni future o in corso d'opera

• una porta Ethernet integrata al PLC o similmente un modulo TCP/IP da

introdurre per l'interfacciamento in rete con il PC

• una porta seriale RS232 per permettere la comunicazione locale

• una porta per la diagnostica e per l'immissione del programma applicativo

dall'ambiente di sviluppo utente al PLC, spesso una porta USB,

è sembrato opportuno indirizzare la ricerca verso un PLC con al più 40 I/O

digitali, diversi I/O analogici, 1 porta Ethernet, 1 porta seriale e 1 porta USB.

Analizzando le offerte di mercato delle varie case costruttrici, parallelamente alla

preferenza del software di programmazione caratteristico di ogni produttore, si è

optato per il PLC compatto Schneider TM221CE40R della serie Modicon 221

riportato in figura 3.1a, economicamente competitivo, preferito rispetto ai

modelli modulari in quanto già dotato delle specifiche tecniche ricercate. Il suo

ambiente di sviluppo correlato è SoMachine Basic, software altamente versatile e

funzionale, supportato da diversi linguaggi per una programmazione assistita e

guidata con possibilità di simulare l'applicazione creata senza necessariamente

scaricarla nel PLC. La tematica grafica caratteristica di SoMachine Basic è

illustrata in figura 3.1b.

Nei successivi paragrafi si tratteranno dettagliatamente le caratteristiche tecniche,

i collegamenti, la configurazione, programmazione e messa in servizio del PLC

scelto al fine di compiere le operazioni precedentemente prefissate.


50

Fig.3.1: a)PLC Schneider TM221CE40R. b)software di programmazione SoMachine Basic

3.3 PLC Schneider TM221CE40R e suo ambiente di sviluppo

Il PLC Schneider TM221CE40R appartenente alla serie M221 dei logic

controller, è un PLC compatto con uscite digitali a relè composto dalle seguenti

funzioni integrate:

24 ingressi digitali

• 4 ingressi veloci (HSC)

• 20 ingressi standard

16 uscite digitali

2 ingressi analogici

3 porte di comunicazione

• 1 porta per linea seriale

• 1 porta Ethernet

• 1 porta di programmazione USB mini-B

Queste funzioni in elenco sono le specifiche più prossime alle esigenze di progetto

presenti nel mercato. Sarebbe stato possibile ridurre il numero delle porte digitali,

ma controllori con un numero di I/O inferiore non riuscivano a rispettare la

totalità delle esigenze richieste al sistema.


51

3.3.1 Struttura

La struttura compatta del PLC TM221CE40R fa preferire il suo utilizzo per

applicazioni civili o industriali in cui non si richiedono applicazioni molto

complesse, ma di solito vengono programmati per svolgere sequenze logiche

temporizzate. Dotato di morsettiera rimovibile, possiede ingressi digitali

cosiddetti veloci per particolari funzioni di conteggio o di eventi, con la possibilità

comunque di essere usati come ingressi standard a frequenze massime di 5KHz

[5]. Le uscite sono a relè garantendo la protezione galvanica dovuta all'isolamento

dei contatti rendendo indifferente la loro polarità. La loro corrente massima

supportabile è di 2 A notevolmente superiore rispetto alle uscite a transistor. Le

porte di comunicazione presenti permettono l'interfacciamento con sistemi esterni

in particolare la porta seriale provvederà a trasmettere le azioni di comando

provenienti da PC in ambito locale, mentre gli input al di fuori di questa rete

potranno provenire da remoto tramite collegamento IP con l'opportuna porta

Ethernet. L'alimentazione necessaria è 100-240 V con la possibilità dunque di

utilizzo della stessa tensione di rete presente nello studio oculistico. In figura 3.2 è

possibile individuare le varie sezioni del PLC.

Fig. 3.2: Varie parti del PLC TM221CE40R

1) Led di stato 7)Porta seriale(RS232 o RS485

2) Morsettiera d'uscita rimovibile 8)Slot SD card

3) Graffa di aggancio per guida DIN 9) Ingressi analogici

4) Porta Ethernet 10) Interruttore Run/Stop

5) Alimentazione 100-240 Vac 11) Morsettiera d'ingresso rimov.

6) Porta di programmazione USB 12) Connettore di espansione I/O


52

3.3.2 SoMachine Basic

Notevole importanza ai fini della preferenza del PLC appena trattato, ha avuto la

presenza di un software associato altamente intuitivo e professionale: SoMachine

Basic. Si tratta di un ambiente di programmazione grafica progettato per facilitare

la configurazione, lo sviluppo e la messa in servizio di programmi per i logic

controller. In esso vengono spesso richiamati diversi termini essenziali [6]:

• progetto: un progetto SoMachine Basic contiene informazioni dettagliate

sul suo scopo, la configurazione dei controllori e degli eventuali moduli

associati, commenti descrizioni e documentazione correlata;

• applicazione: contiene le parti del progetto scaricate nel logic controller

ovvero il programma applicativo utente;

• programma: è il codice sorgente compilato in esecuzione;

• POU(program organization unit): è l'oggetto riutilizzabile contenente

dichiarazioni sulle variabili e le istruzioni usate dal programma.

SoMachine Basic può funzionare in diverse modalità operative:

• modalità offline: quando non è presente alcun collegamento fisico con il

PLC, ma è ugualmente possibile configurare l'hardware virtuale di

destinazione e lo sviluppo del programma;

• modalità online: è presente il collegamento fisico con il PLC ed è dunque

possibile immettere in esso il programma applicativo creato;

• modalità simulatore: il collegamento è stabilito con un controller simulato

senza un vero e proprio legame fisico. È possibile quindi eseguire e testare

il programma.

I modi di funzionamento sopra elencati permettono quindi un utilizzo completo di

tutte le risorse disponibili nel software anche senza la presenza del controllore da

programmare. Si può articolare la realizzazione del progetto partendo da un'idea

di base sul tipo di PLC da usare iniziando a impostare le caratteristiche hardware

finalizzate alle necessità, per poi costruire graficamente il programma applicativo

strettamente legato ai componenti fisici del PLC, scelti per il momento solo a

livello virtuale. Infine si può simulare il tutto riconoscendo la reale affinità tra


53

applicazione e hardware correggendo gli eventuali errori commessi appositamente

segnalati da SoMachine stesso. In ultima analisi, possedendo materialmente il

PLC selezionato, risulta estremamente semplice scaricare quanto sviluppato in

precedenza stabilendo il collegamento tra PC e PLC con la porta USB procedendo

dunque al cosiddetto Start del controller.

In ogni caso sia essa una simulazione, o una reale connessione fisica tra gli

apparati, la procedura completa per impostare le applicazioni richieste al PLC si

articola in 3 fasi schematizzate in altrettante finestre di dialogo principali:

• Configurazione. Il PLC viene selezionato da un elenco tramite il codice

prodotto caratteristico Schneider e trascinato nella finestra di lavoro

insieme agli eventuali moduli aggiuntivi (fig. 3.3). L'applicazione da

impostare dovrà rispettare i vincoli strutturali scelti visionabili non appena

si imposta il controllore selezionato come base del progetto.

Fig.3.3: Schermata di configurazione

• Programmazione. Si costruisce il programma applicativo usando uno dei

tre linguaggi supportati da SoMachine Basic ovvero Ladder, Instructor

List, o Grafcet, impostando le varie variabili di riferimento e utilizzando

gli elementi disponibili per ogni tipologia di linguaggio selezionato (fig.

3.4).


54

Fig.3.4: Schermata di programmazione

• Messa in servizio. Corretti gli eventuali errori, normalmente di sintassi, si

procede alla messa in servizio stabilendo il login o logout dal logic

controller con possibilità anche di gestire la memoria di quest'ultimo

eseguendo operazioni di backup o ripristino (fig.3.5).

Fig.3.5: Schermata di messa in servizio


55

3.4 Schemi e applicazioni per il controllo dei motori 12V in c.c. dei

cassetti porta-strumento

La progettazione del mobile riunito modulare visionata nel Cap.1, ha

spiegato dettagliatamente la struttura meccanica e i componenti selezionati per

l'automazione dei supporti su cui poggiano gli strumenti. Determinanti ai fini del

corretto funzionamento sono ovviamente i 4 motori a 12 V in c.c. appositamente

collocati per pilotare le operazioni di apertura e chiusura delle 4 postazioni

rigidamente connesse ai rispettivi apparecchi oftalmologici.

Una volta scelta la tecnologia di controllo più indicata basata sull'automazione di

processo caratteristica del PLC, e il modello specifico di controllore da utilizzare,

si è passati alla configurazione elettrica dei motori, strettamente correlata alla

soluzione applicativa fornita al PLC per il compimento delle operazioni predette.

La configurazione meccanica adoperata, individua chiaramente la soluzione

prescelta per automatizzare efficacemente e semplicemente i ripiani.

Ogni motore deve essere alimentato e posto in rotazione da una specifica

azione di comando, sia essa da remoto o manuale, fino al raggiungimento di uno

dei due finecorsa meccanici. Essi fungeranno da sensori strategicamente disposti

in modo da permettere la completa apertura o chiusura del cassetto interrompendo

la marcia.

I motori, quindi, devono poter ruotare in entrambi i sensi di rotazione delineando

esclusivamente due soli stati di riposo ovvero in completa apertura o in completa

chiusura senza alcuna soluzione intermedia. Le uscite digitali a relè, di cui è

fornito il PLC adottato, supportano una massima corrente di 2 A, insufficiente per

la corretta alimentazione dei motori come visto nel Cap. 1. Si è pertanto optato per

l'inserimento di appositi relè, esterni alle uscite, la cui configurazione ha permesso

di facilitare l'operazione di inversione di polarità necessaria.

Utilizzando un circuito a bassissima tensione per le uscite digitali, sfruttando

infatti la stessa alimentazione di 12 V dei motori , si sono ricercati relè a 2 contatti

alla medesima tensione. In particolare sono stati adoperati dei relè di scambio a


56

due posizioni (fig. 3.6), in modo da poter essere usati, come si vedrà nel

successivo paragrafo, per tutte le configurazioni adottate.

Fig. 3.6: Esempio relè di scambio 12 V Finder a 2 contatti.

3.4.1 Schema circuitale

Il circuito di potenza progettato ha assunto la schematizzazione riportata in fig.

3.7, rappresentazione ridotta ad un singolo motore di un singolo cassetto, ma

equivalente per le altre 3 macchine adoperate per lo stesso fine.

Fig. 3.7: Schema elettrico di 1 dei 4 motori


57

Si sono utilizzati 2 relè in cascata (K1 e K2), connettendo la bobina di ognuno di

esso ad una rispettiva uscita digitale del PLC la quale ha assunto funzione di

comando per l'eccitazione della bobina stessa.

Il circuito di potenza, invece, strettamente legato all'alimentazione del motore a

12 V, è interessato dai contatti dei 2 relè posti in posizione normalmente aperta

per K1 e in normalmente chiusa per K2.

Partendo da una condizione di riposo supposta a cassetto completamente chiuso

con motore non in tensione, eccitare la bobina del relè K1 significa commutare e

quindi chiudere i contatti dello stesso relè e alimentare il motore grazie alla

continuità su K2 visibile in figura. Quest'ultimo ruota in un senso necessario

all'apertura del ripiano fino al raggiungimento del finecorsa meccanico esterno,

che comporta, tramite segnalazione al controllore, la cessazione dell'eccitazione

del motore e il mantenimento della posizione di totale apertura.

Per ritornare alla posizione di partenza, cioè con ripiano chiuso, il motore deve

essere alimentato con polarità inversa in modo da poter ruotare nel verso opposto

al precedente, spingendo il piano d'appoggio dello strumento verso il finecorsa

interno. L'eventuale azione di comando, adibita all'eccitazione della bobina del

relè K2, non basta a questo scopo, ma come visibile in figura 3.7, occorre la

commutazione di entrambi i relè in modo da avviare il motore e invertire la

polarità. Questa specifica applicazione è stata imposta tramite l'essenziale

programmazione applicativa del PLC, discussa nei prossimi paragrafi, dove

intuitivamente si è costituita una stretta dipendenza tra lo stato delle uscite

digitali.

Quando si porta a livello alto l'uscita K2, si ha pertanto la contemporanea

commutazione di K1 e il ritorno del cassetto alla posizione di completa chiusura

con intervento del finecorsa interno che diseccita il motore. Questa particolare

configurazione circuitale impedisce che la macchina si trovi contemporaneamente

alimentata per ruotare in entrambi i sensi e si crei quindi un corto circuito.

In questo contesto le uscite digitali del PLC hanno la funzione di aprire o chiudere

il circuito deputato all'eccitazione della bobina del rispettivo relè esterno, circuito

cosiddetto di comando interessato anch'esso da una tensione di 12 V.


58

Gli ingressi digitali, invece, sono alimentati alla tensione caratteristica di 24

V, e nel caso in questione, per un singolo motore, sono rappresentati dai due

finecorsa meccanici posti a inizio e fine marcia. A questi vanno aggiunti gli

eventuali pulsanti manuali in ingresso (PA, PI) qualora si voglia offrire

un'alternativa al comando da remoto. Trattandosi di apparecchiature medicali,

occorre però dotare i cassetti di appositi comandi a valle del PLC (PM1, PM2),

dando l'opportunità al medico di aprire e chiudere le postazioni anche in caso di

guasto tecnico al controllore o semplicemente per la comodità del caso. Dei

funzionali indicatori luminosi (L1, L2), evidenziano inoltre la tipologia di marcia

del motore, anch'essi, insieme ai comandi manuali, parte integrante di un pannello

sinottico direttamente accessibile dal mobile ambulatoriale, di cui si tratterà più

avanti in merito ai risultati ottenuti. In figura 3.8 viene rappresentata la

configurazione enunciata per un singolo motore, decisamente identica per le

restanti macchine. In tabella 3.8 si riportano le descrizioni dei simboli usati.

Fig. 3.8: Circuito di comando e di potenza di 1 dei 4 motori


59

Tab.3.8: Tabella descrittiva simboli di Fig.3.8

3.4.2 Programma applicativo

Ogni PLC Schneider della serie Modicon 221 viene configurato,

programmato e messo in servizio tramite il software fornito dalla stessa casa

costruttrice SoMachine Basic già in linea decisamente generale analizzato. La

possibilità di dialogare con il software, chiarendo fin dagli inizi del progetto il

controllore in uso, permette di ovviare a errori di base dipendenti dalle effettive

potenzialità hardware del PLC.

Le tre fasi di sviluppo effettuate per fornire al PLC le istruzioni adibite al

pilotaggio dei motori, in precedenza schematizzati, sono di seguito analizzate:

a) Configurazione

b) Programmazione

c) Simulazione

a) Il primo passo è l'individuazione tramite codice prodotto del logic controller

usato trascinandolo nell'area di lavoro appartenente alla schermata di

configurazione (Fig.3.3). Confermando la scelta si è subito notata l'acquisizione

da parte di SoMachine Basic di tutte le specifiche hardware possedute dal PLC

TM221CE40R come detto un controller compatto dotato di tutto il necessario per

la risoluzione delle operazioni volute quindi non implementato da moduli di

nessun genere.


60

b) La successiva fase di programmazione ha assunto importanza massima ai

fini del funzionamento dell'impianto predisposto. La prima applicazione da

costruire ha interessato il controllo dei motori dei cassetti, operazione strettamente

legata alla configurazione circuitale adottata, precedentemente esposta. Ritenendo

sufficiente e indicato l'utilizzo del linguaggio Ladder, si è dunque proceduto per la

realizzazione dell'architettura grafica caratteristica, costruendo l'applicazione con

contatti rappresentanti gli ingressi digitali al PLC e bobine raffiguranti le uscite,

anch'esse digitali, fisicamente connesse ai rispettivi relè esterni.

La figura seguente mostra la grafica ladder costruita per il pilotaggio di un motore

ai fini dell'apertura o chiusura di un ripiano.

Fig. 3.9: Programma applicativo per il pilotaggio di 1 dei 4 motori

Il primo rung del programma possiede tre contatti (Input) e una bobina (Output):

• I0: input di comando azionato dall'utente tramite PC o con l'eventuale

pulsante manuale PA (Fig.3.8) agente sul primo ingresso digitale del PLC.

È un contatto normalmente aperto a stato 0. Una volta azionato si chiude

passando a stato logico 1 e permettendo la continuità alla sua destra.

• FE: input di comando azionato dal finecorsa meccanico esterno una volta

stabilito un contatto meccanico con il carrello. È posto in configurazione

normalmente chiusa. Azionandosi non permette al flusso di raggiungere la

bobina K1.


61

• K2: rappresenta lo stato della bobina a secondo rung riportato in ingresso

al primo rung come contatto direttamente connesso all'uscita K1.

• K1: uscita digitale fisicamente connessa al medesimo relè esterno.

Analogamente al secondo rung si hanno due contatti e una bobina:

• I1: input di comando azionato dall'utente tramite PC o con l'eventuale

pulsante manuale PI (Fig.3.8) agente sul secondo ingresso digitale del

PLC. È un contatto normalmente aperto a stato 0. Una volta azionato si

chiude passando a stato logico 1 e permettendo la continuità alla sua

destra.

• FI: input di comando azionato dal finecorsa meccanico interno una volta

stabilito un contatto meccanico con il carrello. È posto in configurazione

normalmente chiusa. Azionandosi non permette al flusso di raggiungere la

bobina K2.

• K2: uscita digitale fisicamente connessa al medesimo relè esterno.

L'azionamento di I0 comporta la chiusura del contatto permettendo il passaggio

virtuale del flusso verso la bobina K1 rappresentante la prima uscita digitale.

Questa continuità a sinistra di K1 è permessa grazie al contatto normalmente

chiuso FE. La sua permanenza in questa posizione di chiusura permette

l'eccitazione di K1 e per quanto spiegato in precedenza (vedi fig. 3.7), comporta

l'alimentazione del motore e la sua rotazione per l'apertura del cassetto.

Una volta azionato il finecorsa esterno, simbolo della completa apertura, il

contatto FE si apre non permettendo il passaggio del flusso e diseccitando la

bobina.

Alla stessa maniera avviene nel secondo rung con l' input I1 e il finecorsa interno

FI per l'azionamento o meno dell'uscita K2.

Quest'ultima posta in ingresso al primo rung, permette, allorché si trovi a livello

logico alto, l'eccitazione di K1 by-passando i contatti e la conseguente rotazione

del motore in senso opposto al precedente. Una volta chiuso il cassetto l'apertura

di FI porta a livello logico basso sia K1 che K2 non alimentando il motore.


62

I simboli di contatti e bobine (I0,I1...I4,FE,FI e K1,K2) sono stati scelti

arbitrariamente, mentre notevole importanza assumono gli indirizzi sequenziali

obbligatoriamente introdotti, che caratterizzano univocamente l'ingresso o l'uscita

rappresentata ( % I0.0,....% I0.3, % Q0.0, % Q0.1).

La precedente applicazione di Fig.3.9 può essere implementata impostando la

classica autoritenuta delle uscite in modo tale che, qualora venissero a mancare

durante l'esercizio gli input I0 o I1, le rispettive bobine rimarrebbero eccitate fino

all'avvenire dei segnali di arresto dei finecorsa.

Fig.3.10: Autoritenuta delle uscite digitali

c) L'efficienza e la correttezza dell'applicazione costruita nella fase di

programmazione è stata successivamente testata tramite il denominato lancio del

simulatore. Questa modalità operativa, caratteristica della messa in servizio del

controller, viene svolta con un collegamento virtuale e non fisico con il PLC

scelto nella configurazione, dando l'opportunità di simulare quanto ipotizzato.

Avviando il simulatore e successivamente il controller, si passa dal

funzionamento in Stop a Run della CPU, con conseguente avvio della lettura

ciclica del programma impostato.

Un'apposita finestra di controllo ha permesso di fornire degli impulsi virtuali agli

ingressi constatando il comportamento delle uscite dalla stessa schermata di

programmazione.


63

Si riportano di seguito le 4 fasi simulate di un singolo motore per aprire e chiudere

il corrispondente cassetto:

1) Fase di apertura

Fig 3.10: Fornendo l'impulso all'ingresso I0.0 corrispondente a I0 nel diagramma

tramite la finestra di controllo in basso nell'immagine, si nota l'eccitazione della

bobina K1 evidenziata in verde nel primo rung. Si ricorda che con K1 a livello alto

e K2 a livello basso si ha l'apertura del cassetto.

2) Fase di completa apertura

Fig. 3.11: Fornendo l'impulso all'ingresso I0.2 corrispondente a FE nel

diagramma si simula il raggiungimento del finecorsa esterno e l'arresto del

motore essendo sia K1 che K2 non eccitate.


64

3) Fase di chiusura

Fig. 3.12: Fornendo l'impulso all'ingresso I0.1 corrispondente a I1 nel

diagramma si ha l'eccitazione di entrambe le bobine evidenziate in verde. Si

ricorda che con K1 e K2 entrambi a livello alto si ha la rotazione antioraria del

motore a causa dell'inversione di polarità.

4) Fase di completa chiusura

Fig. 3.13: Fornendo l'impulso a I0.3 corrispondente a FI nel diagramma si

simula il raggiungimento del finecorsa interno e l'arresto del motore essendo sia

K1 che K2 non eccitate.

Nella pagina seguente si riporta lo schema elettrico di controllo dei 4 motori

porta-strumento e l'annessa tabella 3.9 per la descrizione dei simboli in uso.


65


66

Tab. 3.9: Tabella descrittiva dei simboli usati nello schema elettrico di controllo dei 4 motori

porta-strumento


67

3.4.3 Programma in linguaggio Ladder per il controllo dei 4 motori


68

Ogni motore occupa due uscite digitali del PLC e altrettanti rung dell'applicazione

del tutto uguali alla precedente trattazione semplificata ad una singola macchina

(Fig.3.10 ).

Impostato lo schema circuitale e il programma applicativo utente conferito al

PLC, si è eseguita la necessaria automazione dei 4 ripiani porta-strumento

implementata nel successivo capitolo dall'altrettanta importante automazione della

postazione mobile del paziente. Essa sarà svolta in maniera simile a quanto visto

per i cassetti automatici, ma con un'architettura più complessa dovuta alle

numerose posizioni di riposo del motore interessato, adibito ad arrestare la

poltrona in corrispondenza dei quattro strumenti presenti nel prototipo.

CAPITOLO 4 - SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE LADDER PER L'AUTOMAZIONE DELLA POLTRONA

69

Capitolo 4

Schemi elettrici e programmazione ladder per

l'automazione della poltrona del paziente

4.1 Introduzione

L'analisi prettamente meccanica svolta nella fase di presentazione del

progetto (Cap. 1), ha fatto emergere l'essenziale struttura adeguata all'automazione

della poltrona del paziente. Quest'ultima, avente come base un carrello mobile su

rulli, è rigidamente collegata ad una vite senza fine, posta alla base della totalità

del mobile, tramite una cosiddetta navetta di aggancio, la cui dimensione

evidenzia la distanza presente tra mobile e poltrona. La rotazione della vite,

azionata dal motore collocato alla sua estremità, provoca la traslazione del sistema

rigido, formato dal supporto, navetta e poltrona, in una delle due direzioni

possibili, facendo avanzare o indietreggiare la posizione del paziente lungo il

mobile. Dalla sezione superiore di figura 4.1 è visionabile quanto detto.

Fig.4.1: Sezione superiore del prototipo con dettaglio meccanico poltrona e seduta


70

Similmente ai motori dei cassetti porta-strumento, anche il motore connesso alla

barra a vite deve poter ruotare in entrambi i sensi di rotazione, conferendo al

sistema la traslazione parallela al mobile.

In questa circostanza, però, il problema di automazione, adibito al fornire la giusta

logica di controllo alla macchina elettrica, è leggermente più articolato, in quanto

lo spostamento della navetta, e di conseguenza della poltrona, non è limitato

solamente a due posizioni come in precedenza.

Si devono infatti impostare diverse postazioni intermedie tra i due finecorsa posti

agli estremi della barra a vite, dando l'opportunità di fermata della poltrona in

corrispondenza dei cassetti porta-strumento. Occorrono pertanto dei sensori di

posizione che permettano di rilevare la collocazione della postazione mobile,

bloccandone la corsa o meno a secondo della richiesta dell'utente fornita da

apposito comando.

La gestione di quanto esposto è stata svolta dalla stessa soluzione adottata per il

controllo dei motori dei ripiani porta-strumento, ovvero il PLC Schneider

TM221CE40R che, considerando la priorità di utilizzo con input da PC, possiede

diversi ingressi liberi, oltre alle uscite la cui metà non è stata ancora assegnata.

In questo capitolo si esporrà la soluzione tecnica ed elettrica progettata

rigorosamente correlata alla programmazione software conferita al PLC tramite

linguaggio Ladder. Importanti, ai fini della corretta funzionalità del sistema,

saranno i sensori di posizione posti sul campo la cui trattazione e selezione è

esposta nel successivo paragrafo.

4.2 Sensori di posizione

In molti problemi di automazione industriale, in aggiunta ai tradizionali

sensori per grandezze fisiche, vengono largamente utilizzati anche i cosiddetti

sensori di posizione o prossimità, sensori adibiti al rilevare la presenza di un

oggetto o il raggiungimento dello stesso in una determinata posizione. Essi sono

in grado di lavorare all’interno di un determinato campo, in prossimità del sensore

stesso, oppure possono essere predisposti per misurate distanze producendo un

segnale continuo proporzionale alla distanza.


71

Il loro funzionamento è sostanzialmente basato sui principi fisici tali da

distinguere sensori di posizione a carattere [13]:

• induttivo: sfruttano il fenomeno dello smorzamento di un campo

elettromagnetico per effetto delle correnti indotte (correnti di Foucault) in

materiali conduttori posti nelle loro vicinanze. La bobina di un circuito

oscillante genera un campo elettromagnetico ad alta frequenza che induce,

in azionatori metallici vicini, correnti parassite. Queste correnti provocano

una perdita di energia nell'oscillatore,smorzando l'ampiezza del segnale.

La riduzione dell'ampiezza dell'oscillazione è rilevata da un amplificatore

di soglia con isteresi che, a sua volta, comanda uno stadio amplificatore

finale per l'azionamento di un carico esterno. L'assenza di contatto

meccanico fra azionatore e sensore consente, unitamente alle precedenti

caratteristiche, una durata ed un numero di operazioni illimitate rispetto ad

altri tipi di interruttori di prossimità, riducendo altresì ogni problema di

manutenzione. I sensori induttivi rappresentano senza dubbio i sensori di

prossimità più diffusi su macchine. Sono gli unici che, grazie alla maturità

raggiunta dalla tecnologia, godono di una normalizzazione a livello

internazionale (CENELEC).

• capacitivo: utilizzano la variazione di capacità parassita che si crea tra

sensore ed oggetto da rilevare. In corrispondenza di una determinata

distanza dell'oggetto dalla faccia sensibile del sensore, entra in oscillazione

un circuito e l'insorgere o il cessare di tale oscillazione viene sentito da un

rilevatore di soglia che comanda un amplificatore per l'azionamento di un

carico esterno. Un sensore di questo tipo può essere utilizzato come

rilevatore di oggetti metallici e non metallici come legno, liquidi, materiali

plastici.

• ottico: impiegavano generalmente sorgenti a filamento e rilevatori di tipo a

fotoresistenza con durata limitata della sorgente. Prestazioni nettamente

superiori sono state ottenute impiegando emettitori a LED dividendo i

moderni sensori ottici in tre grandi famiglie:

- sensori di prossimità a barriera: costituiti da un trasmettitore

(emettitore) e da un ricevitore (rivelatore) separati tra di loro.


72

Qualunque oggetto non trasparente interposto interrompe il raggio

luminoso (light beam) e viene pertanto rilevato.

- sensori di prossimità reflex: adatti per medie distanze di

intervento,hanno il trasmettitore e il ricevitore integrati nello stesso

contenitore. Viene usato un riflettore prismatico il quale riflette il raggio

trasmesso e pertanto viene rilevato.

- sensori di prossimità a diffusione: analoghi a quelli reflex, ma non

richiedono l'impiego di un riflettore. La potenza emessa, infatti, è molto

bassa ed è lo stesso oggetto da rilevare che riflette il raggio verso il

ricevitore.

• ultrasonico: sfruttano l'emissione di impulsi sonori a frequenza elevata (40

- 200 KHz) per rilevare la presenza di oggetti posti nelle loro vicinanze

grazie all'eco dovuta alla riflessione degli ultrasuoni da parte degli oggetti

stessi. Il segnale emesso è costituito in genere da un treno di impulsi

viaggianti alla velocità del suono nell'aria (340 m/s circa).

L'emissione avviene tramite un apposito trasduttore elettroacustico di tipo

piezoceramico. L'onda riflessa è rilevata da un analogo trasduttore la cui

funzione è quella di riconvertire i segnali acustici in segnali elettrici.

• magnetico: dipendono essenzialmente dall'azione di attrazione di un

magnete opportunamente ubicato tale da creare in essi un contatto

elettrico. Tipici sensori magnetici sono i sensori a contatti reed.

Essi sono costituiti da due lamine di materiale ferromagnetico (ferro-

nichel), all’interno di un contenitore in atmosfera di gas inerte. Le lamine

sono rivestite con un materiale che migliora la conduttività e indurisce la

superficie, per prevenire la formazione di microsaldature e microcrateri nel

punto di contatto. Le lamine sono posizionate ad una piccola distanza fra

loro. Quando la forza di attrazione tra le lamine supera la resistenza

elastica delle lamine stesse,queste si flettono l'una verso l'altra, realizzando

un contatto elettrico. La distanza di intervento è funzione della sensibilità

del reed, della intensità del campo magnetico e anche della sua forma nel

caso in cui non è uniforme (per es. nei cilindri con pistone magnetico). I

materiali non ferrosi o ferrosi amagnetici, interposti tra sensore e magnete,


73

non alterano il funzionamento del reed perché il campo magnetico

attraversa queste pareti [13]. Bisogna invece prestare particolare attenzione

a materiali ferrosi o altri magneti posti a pochi centimetri dal campo

magnetico (per es. trucioli di ferro, supporti, viti di fissaggio, cilindri con

pistone magnetico) perché possono influenzare il campo e farlo deviare.

Tali campi, generati da magneti permanenti o da bobine percorse da

corrente, producono sulle lamine, per il fenomeno di induzione magnetica,

polarità di segno opposto. Questi interruttori di prossimità (reed o hall-

effect) sono principalmente usati per determinare la posizione del pistone

magnetico in un cilindro pneumatico ed idraulico. Il loro utilizzo è

consigliato per sostituire interruttori meccanici a leva o a pulsante, ad

esempio, per motivi di sicurezza, per impedire l'azionamento manuale di

un interruttore. Disponibilità di varie versioni e modelli: normalmente

aperto o normalmente chiuso, con o senza connettore. La chiusura dei

contatti dipende dalla sensibilità del reed e dalla forza del magnete nella

fase di avvicinamento. Le superfici di contatto delle lamine dei reed sono

rivestite con materiale pregiato (oro, rodio, tungsteno) che le rendono

adatte a comandare circuiti a basse correnti e a forti carichi induttivi.

Rispetto ai contatti tradizionali ad azionamento meccanico si possono

annoverare diversi vantaggi:

• chiusura ermetica in gas dei contatti con maggiore protezione da

ossidazione e corrosione;

• semplice azionamento dei contatti;

• alta velocità di funzionamento, fino a 300 Hz per alcuni tipi;

• lunga vita, assenza di manutenzione e ridottissimo ingombro.

Fig.4.2: Principio fisico e tipologie di sensori reed


74

4.2.1 Scelta dei sensori di posizione e relativa collocazione

Alla luce delle soluzioni offerte nel campo dei sensori di posizione, si è

scelto di adoperare i sensori di tipo reed per rilevare la posizione della poltrona

lungo l'asse parallelo al mobile. In particolare sono stati installati 3 sensori in

prossimità della barra a vite nelle posizioni corrispondenti al primo, secondo e

terzo cassetto porta-strumento. Posizioni intermedie dove la chiusura dei contatti

del sensore non necessariamente deve creare un'interruzione della marcia del

motore. Per ovviare a possibili guasti o malfunzionamenti, si è ritenuta inoltre

indispensabile l'installazione di due finecorsa meccanici rispettivamente nei punti

iniziale e finale della corsa della navetta, come visibile in figura 4.3b. Il magnete,

necessario per l'eccitazione dei sensori, è stato inglobato nel supporto presente

nella vite per l'aggancio della navetta, anch'esso pertanto mobile in maniera

solidale al sistema rigido e passante durante la corsa in prossimità dei sensori.

L'azionamento di quest'ultimi comporta la creazione del contatto elettrico agente

come ingresso digitale per il PLC.

a)

b)

Fig. 4.3: a)Pos. iniziale e finale della poltrona. b) Collocazione dei sensori reed e finecorsa


75

4.3 Automazione della poltrona:

Schema elettrico e programmazione

Lo schema circuitale adottato per l'automazione della poltrona, non si

discosta notevolmente dallo stesso utilizzato per il controllo dei cassetti porta-

strumento. Il motore interessato, infatti, deve poter ruotare in entrambi i sensi

tramite la necessaria inversione di polarità ai suoi morsetti, trasmettendo al

sistema rigido ad esso concatenato la giusta movimentazione. Alla stessa maniera

risultano difatti necessarie 2 uscite digitali del controllore M221, anch'esse

equipaggiate con gli opportuni relè esterni a tensione di eccitazione pari a 12V,

identica al circuito di comando del PLC e alla stessa alimentazione del motore. La

diretta dipendenza tra le 2 uscite digitali è stata imposta tramite l'adeguata

programmazione ladder.

In figura 4.4 viene riportato lo schema elettrico degli I/O connessi al PLC con

l'annessa tabella descrittiva (Tab.4.1) dei simboli utilizzati.

Fig. 4.4: Schema di cablaggio degli I/O digitali


76

Tab.4.1: Descrizione simboli utilizzati in fig. 4.4

Rispetto alla soluzione selezionata nel capitolo precedente, la differenza

tecnica è riscontrabile negli input digitali, non più limitati ai soli finecorsa agli

estremi della guida, ma implementati dai sensori reed disposti lungo il tragitto al

fine di fermare,su richiesta, la corsa della poltrona in specifiche posizioni

prefissate, ovviamente in corrispondenza dell'apertura del cassetto specifico. Gli

input digitali al PLC saranno quindi rappresentati da 5 contatti normalmente

aperti, 3 per i sensori reed e 2 per i finecorsa meccanici, oltre agli eventuali input

di comando manuali per lo spostamento della postazione agenti direttamente

sugli ingressi opportunamente programmati. Concludono lo schema i pulsanti

manuali a valle del PLC, che permettono, in determinate condizioni sfavorevoli,

lo spostamento della poltrona senza l'ausilio del controllore. Gli indicatori

luminosi L9, L10, segnalano, infine, il verso di rotazione del motore individuando

la marcia di avanzamento o retrograda della poltrona, mentre L11 è un indicatore

luminoso cosiddetto di stallo, attivo allorché la poltrona sia ferma in qualsiasi

postazione.


77

4.3.1 Programmazione Ladder

La configurazione elettrica progettata, deve interagire specularmente con

l'adeguata applicazione utente fornita al PLC tramite l'ambiente di sviluppo

SoMachine Basic. In questa sezione si è implementato il programma applicativo

già strutturato per l'automazione dei ripiani porta-strumento, aggiungendo la

logica a rung caratteristica del linguaggio ladder usato per il controllo del motore

della poltrona.

Il sistema di controllo deve rispondere alle richieste di spostamento provenienti,

controllando l'avvio, l'arresto e il verso di rotazione del motore interessato

permettendo la corsa dell'apparato rigido verso qualsiasi delle mete prefissate

indipendentemente dalla posizione di partenza in cui si trova la postazione.

Seppur il funzionamento elettrico dei motori dei cassetti e quello della postazione

mobile del paziente sia simile, l'introduzione delle potenziali "fermate" lungo la

corsa hanno come detto introdotto altri input sensoriali indispensabili che

determinano una struttura Ladder decisamente diversa qui di seguito riportata.


78


79


80

Essenziale, per l'interpretazione dei rung, è la descrizione delle variabili assegnate

correlate ai collegamenti fisici introdotti e dei simboli arbitrari utilizzati. Il tutto è

schematizzato nella tabella descrittiva 4.2.

Tab. 4.2: Assegnazione delle variabili e descrizione simboli

4.3.2 Descrizione dei rung

Imponendo a priori lo stato logico iniziale dei contatti e delle bobine facenti

parte dell'architettura ladder in questione, in particolare stabilendo stati logici

iniziali alti solo per i 3 sensori reed e i 2 finecorsa meccanici, si è strutturata

l'applicazione precedentemente raffigurata adibita all'attuazione della corretta

logica di controllo per la postazione mobile.

Il primo e il secondo rung del programma riguardano le posizioni esterne

alla corsa della navetta pilotante la poltrona. In particolare l'input P4 adibito al

raggiungimento della posizione 4 provoca un moto orario del motore


81

indipendentemente dalla posizione di partenza in cui si trova la postazione prima

dell'avvenimento dell'input. Il contatto NC F4, rappresentante il finecorsa di

rinvio, è l'unico ingresso adibito ad arrestare la marcia del motore una volta

azionato P4. L'uscita del Rung 0 è, come per i successivi, un'uscita non fisica ma

fittizia, un bit di memoria M0 utilizzato esclusivamente per memorizzare quanto

avviene agli inizi della scansione tornando utile per la finale scrittura decisiva

delle uscite. Si ricorda a tal proposito che in un programma ladder l'ultimo stato

assunto dalla specifica uscita, a scansione avvenuta, è quello definitivo.

Discorso inverso per il rung 1 raffigurante il raggiungimento della posizione di

start (0) ovviamente arrivabile esclusivamente tramite un moto antiorario del

motore la cui marcia è impedita dal solo FS: finecorsa di avvio in posto 0. La

rispettiva uscita M1 evidenzia la marcia opposta rispetto a M0.

I successivi rung riguardano invece le posizioni intermedie 1,2,3 i cui input

producono un movimento orario o antiorario del motore facendo avanzare o

indietreggiare la poltrona a seconda della condizione di partenza in cui si trova la

postazione prima dell'arrivo dell'input. Ogni spostamento verso punti intermedi di

questo genere, ha pertanto 2 rung dedicati con altrettante uscite di memoria a

carattere opposto.

Se ad esempio la navetta con il magnete inglobato si trova in posto 1 e l'input

fornito è P2(richiesto spostamento in posizione 2), l'architettura ladder prevede la

marcia oraria del motore rappresentata dall'uscita di memoria M4 fino al

rilevamento, da parte del sensore S2, dell'occupazione della posizione richiesta.

Viceversa per tornare a 1 il moto azionato è antiorario (M5) fino al segnale

digitale fornito da S1.

Lo spostamento in avanti è rappresentato pertanto dalle uscite di memoria

M0,M2,M4,M6 che ricondotte a rung 8 permettono la conclusiva scrittura

dell'uscita digitale reale K9, rappresentante la bobina del primo relè a contatti NA.

L' eccitazione singola di quest'ultima, determinata da almeno una delle uscite

precedenti, produce una marcia oraria del motore. Marcia arrestata a seconda

dell'uscita memonica causante l'eccitazione.

È evidente che qualora si ecciti ad esempio M2 (spostamento in posizione 3 da

una qualsiasi posizione precedente) essa provochi l'avanzamento della poltrona


82

con l'eccitazione di K9, diseccitata dal solo intervento di S3. I sensori incontrati

lungo la corsa (verso posto 3), chiudono i loro contatti, ma questa loro azione,

convogliata in ingresso al controllore, non comporta nessuna modifica alla marcia.

Viceversa l'eccitazione di almeno una delle bobine memoniche

M1,M3,M5,M7, raggruppate a rung 9, determinano un livello logico alto

dell'uscita digitale K10 rappresentante il 2° relè a 2 posizioni di chiusura. Tale

eccitazione comporta l'inversione di polarità dei morsetti del motore e lo

spostamento a marcia indietro. Affinché ciò avvenga, però, la configurazione

elettrica adottata prevede la contemporanea eccitazione anche di K9. Si è riportata

pertanto a rung 8, direttamente connessa a K9, l'uscita K10.

In altre parole il tipo di spostamento da effettuare è memorizzato dai bit di

memoria utilizzati esclusivamente per la composizione dell'applicazione, che

riconducono l'azione di attuazione in uscita alle bobine K9 e K10 fisicamente

connesse. Con solo la bobina K9 eccitata il moto è in avanti, con K9 e K10 attive

il moto è retrogrado. In entrambi i casi il sensore o finecorsa ubicato in

corrispondenza della posizione di arrivo richiesta, è l'unico interessato al

successivo arresto della marcia.

L'ultimo rung del programma (Rung 10) riguarda l'accensione di un

indicatore luminoso allorché la navetta sia ferma in una qualsiasi posizione. Le

variabili in ingresso sono tutti i sensori e finecorsa presenti posti in posizione NC.

L'attivazione di uno dei contatti precedenti determina l'eccitazione di L11 e quindi

la segnalazione della condizione di stallo fino ad un nuovo spostamento. Per

ovviare all'intermittenza di alimentazione della lampada dovuta ai passaggi

ininfluenti lungo i reed, i quali nonostante non producano l'arresto, determinano,

seppur per brevi istanti, l'attivazione del sensore corrispondente e quindi lo

scintillio dell'indicatore, è stato posto un timer di attesa di 3 secondi prima di

attivare l'uscita luminosa, in modo tale da avere la segnalazione solo nelle

effettive posizioni di stasi.


83

Per quanto spiegato è possibile riassumere tramite apposite tabella di verità

le condizioni logiche correlate degli ingressi e delle uscite in posizioni di stallo

(Tab.4.3) e in transizione (Tab. 4.4).

Fs S1 S2 S3 F4 K9 K10 L11 Posizione

0 1 1 1 1 0 0 1 Poltrona ferma in pos. 0





1 1 1 1 1 x x 0 Poltrona in transizione

Tab. 4.3: Stati logici I/O in posizioni di stallo

Esempio di transizione:

Partenza dallo start verso posto 3 e spostamento successivo in posto 1.

P3 P1 FS S1 S2 S3 F4 K9 K10 L11 Posizione o transizione

0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 Poltrona ferma in pos.0

1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 Input P3 marcia oraria

0 0 1 0/1 0/1 1 1 1 0 0 Passaggio per pos. 1 e 2


0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 Input P1 marcia antioraria

0 0 1 0/1 0/1 1 1 1 1 0 Passaggio per pos. 2 e 1


Tab. 4.4: Stati logici I/O in stallo e in transizione

Interagendo tramite SoMachine Basic con il controller M221 virtuale, si è

simulato il funzionamento della postazione testando tutti i possibili spostamenti

richiesti e la conseguente logica di controllo applicata per automatizzare la

poltrona rigidamente connessa al mobile.

In questa sezione si è inoltre notata, alla pari della precedente, l'inserzione di

pulsanti manuali e indicatori di stato che torneranno utili per la creazione di

un'apposita pulsantiera sinottica trattata in merito ai risultati ottenuti dell'intero

elaborato.

CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232

84

Capitolo 5

Progettazione di uno switch digitale per la

commutazione delle porte seriali RS232

5.1 Introduzione

La apparecchiature oftalmologiche, come visto nel cap.1, sono per la

maggioranza caratterizzate da una porta di comunicazione di tipo seriale, in

particolare del tipo RS232. Questi strumenti, il cui utilizzo è strettamente

connesso alla posizione del carrello su cui risiedono, devono poter dialogare con il

PC e trasmettere le informazioni necessarie al medico per la corretta diagnosi.

Questo capitolo ha come obiettivo quello di progettare un sistema di

commutazione delle porte seriali dei vari strumenti in modo da permettere la

ricezione dei dati dallo specifico dispositivo in servizio. Un multiplexer digitale

che possa opportunamente abilitare o disabilitare la trasmissione, funzionale

all'utilizzo compatto degli apparati.

Un'analisi di mercato su questi commutatori ha evidenziato diverse opportunità di

scelta privilegiando infine una soluzione più artigianale costruita appositamente

per gli scopi desiderati attenuando notevolmente i costi, davvero proibitivi per

alcune soluzioni già presenti in commercio. Sfruttando le principali nozioni

dell'elettronica digitale e disponendo di uscite digitali vacanti, si è scelto di

utilizzare il PLC stesso per la gestione di questo commutatore, impostando una

logica di controllo dello switch combinata con la posizione dei cassetti del mobile.

Introducendo gli aspetti teorici dei segnali e della logica combinatoria digitale,

relazionando le alternative di mercato presenti e selezionando i componenti

elettromeccanici necessari, si è dunque progettato il sistema esposto decisamente

integrato nella totalità del progetto.


85

5.2 Segnali digitali e circuiti combinatori

L’informazione su un fenomeno fisico è in generale trasportata da segnali di

varia natura generati da opportuni trasduttori. Possono essere dei segnali di tipo

analogico, quando qualsiasi valore assunto dallo stesso segnale ha carattere

significativo, oppure digitale, quando può assumere solo valori discreti vincolanti

come per i sistemi digitali binari dove le grandezze fisiche impiegate sono limitate

a due valori di regime. Questi sistemi, consentono una minore complessità dei

dispositivi che devono generare i segnali, ed una maggiore immunità ai disturbi, e

sono costituiti essenzialmente da componenti elementari e dai loro collegamenti di

interconnessione. L'andamento grafico dei segnali analogici e digitali è riportato

in figura 5.1.

Un circuito digitale, per quanto complesso, può essere ricondotto ad un insieme di

porte logiche elementari variamente connesse tra loro, l’insieme di tali porte

logiche e delle loro connessioni prende il nome di circuito logico. Connettendo tra

loro più porte logiche si realizzano circuiti più complessi che prendono il nome di

circuiti combinatori che, implementati dall'introduzione di memoria con maggiore

complessità circuitale, creano dei circuiti sequenziali.

Fig.5.1: Segnale analogico e digitale

Ai fini della realizzazione di quanto prefissato, ovvero della commutazione

logica delle porte seriali degli strumenti diagnostici, è opportuno soffermarsi sugli

aspetti teorici dei circuiti combinatori.


86

5.2.1 Circuiti combinatori

Sono una classe di circuiti, tipicamente integrati, in cui in un determinato

istante di tempo lo stato delle uscite è strettamente dipendente dallo stato degli

ingressi. Non posseggono quindi memoria, ma lo stato delle uscite viene

mantenuto sino a quando continua a verificarsi la particolare configurazione di

ingressi che lo ha generato.

Questa categoria di circuiti, oltre a tutte le porte logiche (AND, OR, NOT, ecc.),

può comprendere:

a) sistemi di codifica,

b) sistemi di decodifica,

c) sistemi di multiplazione,

d) sistemi di demultiplazione.

a) Un codificatore è un sistema integrabile in un circuito combinatorio con

la funzione di rivelare la presenza di un livello attivo su una delle linee di

ingresso, fornendo sulle linee di uscita un determinato codice binario

corrispondente alla linea attivata. Gli ingressi sono spesso associati alle cifre del

sistema decimale o di altri sistemi di numerazione, oppure ai caratteri alfabetici o

ancora ad altri simboli speciali, mentre le linee di uscita forniscono i bit della

parola binaria corrispondente a ciascuna cifra, carattere o simbolo.

Molto usato è l'encoder ottale-binario (fig. 5.2) che da 8 linee/cifre in ingresso ne

fornisce 3 in uscita in codice binario corrispondenti a ciascuna cifra in ingresso. In

base alle relazioni tra gli ingressi attivi e uscite, è possibile costruire la cosiddetta

tabella di verità specificando quale sia l'uscita più significativa (C) e quella meno

significativa (A), dando il giusto peso ai loro rispettivi bit.

Fig.5.2: encoder ottale-binario


87

Analizzando dalla tavola di verità i valori degli ingressi attivi per cui si porta a

livello alto ogni singola uscita binaria, è possibile costruire un circuito equivalente

in cui gli ingressi delle porte, tenuti normalmente a livello basso tramite la

resistenza, passano al livello alto allorché vengono premuti i rispettivi pulsanti.

Dalla figura 5.3 è possibile notare l'assenza

del pulsante inerente all'ingresso 0. Ciò è

dovuto al fatto che quando nessuna delle tre

uscite si porta a livello logico alto, dando

quindi un'uscita con codice 000

caratteristico di uno stato di riposo, è attivo

proprio l'ingresso0.

Nella maggior parte dei casi, comunque, la

costruzione e progettazione della rete logica

combinatoria non è necessaria, ma esistono

ovviamente in commercio numerosi tipi di

codificatori adatti all'uso.

Fig. 5.3: Esempio rete combinatoria

Esistono codificatori rappresentanti circuiti digitali integrati a BJT cosiddetti TTL

(transistor- transistor logic), oppure CMOS (complementary MOS) caratterizzati

da una logica a MOSFET. Il principio di funzionamento è del tutto simile per

entrambe le tipologie con differenze a livello di tempi di commutazione e di

potenze dissipate decisamente più elevate nei TTL. In ogni caso hanno un simbolo

logico simile a quello di figura 5.4 caratteristico di un codificatore da 8 a 3 linee,

ossia un codificatore ottale-binario dove si evidenziano tre linee di controllo:


88

• EI (Enable Input). Se è al livello basso abilita il codificatore al

funzionamento, altrimenti disabilita le linee di entrata dati ponendo tutte le

uscite nello stato logico alto.

• EO (Enable Output). Si porta al livello logico basso per indicare che il

chip è abilitato (EI = 0) ma non è stato attivato alcun ingresso.

• GS (Group Signal). Si porta al livello logico basso per indicare che il chip

è stato abilitato (EI = 0) e contemporaneamente è stato attivato almeno un

ingresso [14].

Fig.5.4: Codificatore ottale-binario TTL

La presenza delle linee di controllo EI , EO e GS è prevista per rendere agevole il

collegamento di più encoder in cascata in modo da poter codificare un numero

superiore di linee di ingresso.

Tabella di verità e piedinatura completano le specifiche tecniche per ogni encoder.

La funzione opposta al codificatore è svolta dal decodificatore o decoder.

b)La funzione di un decodificatore è di rivelare la presenza sui propri

ingressi di particolari combinazioni di bit (codici) attivando, per ciascuna di esse,

una determinata linea di uscita. Come per i codificatori esistono diversi tipi di

decoder a seconda del numero di ingressi e uscite, in questo caso le prime in

codice binario e le seconde cifrate. Binario-ottale, binario-decimale o binario-

esadecimale sono solo pochi esempi di decodificatori presenti nel mercato

realizzati nelle varie tecnologie con strutture e caratteristiche diverse.


89

Ad esempio un decodificatore BCD-decimale, come quello in figura 5.5, presenta

sulle quattro linee di ingresso le cifre decimali in codice BCD le cui combinazioni

attivano singolarmente una delle dieci linee di uscita.

Fig. 5.5: Esempio decoder BCD-decimale.

Esistono decoder TTL o CMOS non troppo differenti, addirittura con piedinatura

spesso uguale, oltre a tipologie particolari chiamate decoder/demultiplexer adibiti

a fungere anche la funzione di distribuzione meglio chiarita nei paragrafi seguenti.

Spiccato utilizzo hanno anche i decoder-driver (fig. 5.6), ovvero una particolare

categoria di decodificatori utilizzati quasi esclusivamente per pilotare display a

sette segmenti o LCD (Liquid-Crystal Displays ). Questi display sono costituiti da

sette LED (Light-Emitting Diodes ) a forma di segmenti, contrassegnati dalle

lettere a, b, ..., f, g resi luminosi individualmente, o secondo combinazioni tali da

rappresentare le cifre decimali o esadecimali [14]. Se all'anodo di un diodo LED

viene applicata una tensione di qualche volt superiore a quella del catodo, esso è

in grado di emettere luce essendo polarizzato direttamente.

Fig. 5.6: Display a catodo comune pilotato da un decoder a logica positiva


90

c) Il multiplexer o selettore, il cui schema a blocchi è mostrato in Fig. 5.7, è

invece un dispositivo in grado di trasferire all'uscita i dati digitali presenti ai suoi

n ingressi, convogliandoli su una singola linea. Indicato con la sigla MUX

possiede degli ingressi di controllo adibiti alla selezione del singolo dato da

trasferire.

Fig.5.7: Schema a blocchi multiplexer

Il principio di funzionamento di ogni multiplexer è riassumibile con il proprio

circuito logico differente dalle altre tipologie di MUX solo per il numero di

ingressi presenti e di conseguenza per la quantità delle porte logiche inglobate.

Considerando il più semplice dei selettori con solo 2 ingressi è intuitivamente

possibile capire il suo principio logico specifico avente però carattere decisamente

generale. Questo multiplexer possiede una funzione logica del tipo Y=D0̅S+D1S

rappresentata dal circuito di fig. 5.8.

Fig.5.8: Schema logico MUX a 2 ingressi


91

Quando l'ingresso di selezione è S = 0, risulta abilitata la porta AND superiore G0

e il dato digitale (0 o 1) presente sull'ingresso dati D0, viene trasferito all'uscita.

Quando viceversa S = 1, è abilitata la porta AND inferiore G1 e all'uscita viene

trasferito il valore digitale presente su D1. In altri termini, l'ingresso dati D0 è

selezionato da S = 0, mentre l'ingresso dati D1 è selezionato da S = 1. Utilizzando

più linee di selezione si possono realizzare multiplexer con più ingressi dati [14]:

con 2 linee di selezione si possono multiplare 4 linee dati, con 3 si arriva a 8 linee

dati e così via. Pertanto con m linee di selezione si possono multiplare n = 2m

linee di ingresso.

Sono comunemente impiegati in diversi ambiti quali:

• il controllo dei dispositivi di visualizzazione e delle memorie

• sistemi di trasmissione

• generazione di funzioni logiche

• acquisizione di dati

e possono essere distinti, come gli altri elementi combinatori, in MUX TTL o

MUX CMOS entrambi disponibili in commercio con 2, 4, 8, o 16 linee di ingresso

dati, con uscite complementate o meno e con una o più linee di abilitazione che

permettono il controllo del dispositivo stesso. Il funzionamento inverso rispetto al

multiplexer viene effettuato dal demultiplexer (DMUX).

d) Un demultiplexer (o distributore ) è un dispositivo il cui circuito logico

presenta essenzialmente una sola linea di ingresso dati, m linee di ingresso di

selezione ed n di linee di uscita, dove solitamente n = 2m

. In figura 5.9 è riportato

un DMUX da una ad otto linee dati che necessita di tre ingressi di selezione. La

sua funzione è quella di distribuire il dato digitale di ingresso ad una o all'altra

delle linee di uscita, in relazione allo stato logico presente sugli ingressi di

selezione. Il codice binario presente su questi ultimi, viene cosi a rappresentare

l'indirizzo della linea di uscita su cui viene trasferito il dato di ingresso.


92

Fig.5.9: Schema a blocchi demultiplexer

Considerando lo schema logico di un demultiplexer da una a quattro linee

(fig.5.10), per ciascuna combinazione dei bit di selezione o indirizzo A1 A0, una

sola delle porte risulta abilitata e il dato D viene quindi trasferito all'uscita

corrispondente. Il demultiplexer sostanzialmente ha dunque una struttura

circuitale del tutto simile a quella del decoder precedentemente visionata con

l'unica differenza che ciascuna porta ha un ingresso in più: quello della linea di

ingresso dati comune. Il DMUX è pertanto un decodificatore dove l'ingresso di

enable coincide con quello dei dati del demultiplexer con linee di ingresso facenti

funzione di controllo. Per questo motivo, questi componenti sono spesso

classificati come decodificatori-demultiplexer.

Fig.5.10: Schema logico DMUX da una a quattro linee


93

5.3 Analisi di mercato switch RS232

L'acquisizione dei dati provenienti dai quattro strumenti presenti nel

prototipo, necessita di un dispositivo in grado di commutare le porte seriali RS232

e stabilire una comunicazione con il PC esclusivamente con il singolo apparecchio

medico in servizio in quel momento. Occorre una gestione da remoto dello stesso

switch tramite interfaccia RS232 in grado di pilotare la commutazione e abilitare

lo scambio dati voluto. Il tutto limitando i costi e cercando di inglobare, quanto

più possibile, la soluzione adottata nel contesto del progetto, unificando al

massimo l'intera gestione dei motori e delle porte seriali degli strumenti.

In base a queste esigenze applicative si è operata un'accurata analisi di mercato

mirata anche alla conoscenza di determinate apparecchiature già presenti in

commercio più che adatte ai bisogni, ma presumibilmente costose e prive di

spunti progettuali-sperimentali fondamentali per l'elaborato.

La prima soluzione trovata ha assunto difatti la caratteristica più sofisticata,

pronta all'uso e al contempo più proibitiva per gli aspetti economici. Nonostante

ciò l'analisi di questo particolare switch, illustrato in figura 5.11, è stata utile per

comprendere al meglio le funzioni da implementare per la tecnica ricercata. Si

tratta di un interruttore multi-posizione per la commutazione delle uscite seriali

predisposte tramite pulsanti manuali, permettendo il controllo locale sul proprio

pannello frontale, oppure con l'ausilio di comandi ASCII RS232 da remoto

attraverso una porta opportunamente presente.

Fig.5.11: PathWay Model 7301 DB9 Switch with Contact Closure and RS232 Serial Remotes

Composto da 9 connettori DB9 di cui uno per la connessione ad un dispositivo

comune, che consente all'utente la possibilità di essere usato come interfaccia,

possiede altre 2 porte: una di controllo seriale RS232 e una HD26 per chiusura dei

contatti di segnalazione. Gli interruttori interni commutano tutti e 9 i pin di cui è

composta la seriale e gli appositi led di stato individuano facilmente il dispositivo


94

in uso. Una tecnologia molto compatta con addirittura la possibilità di avere 8

dispositivi collegati, il doppio dei requisiti richiesti al progetto in esame. Sebbene

abbia tutte le qualità per essere selezionato e adottato per la gestione degli

strumenti oftalmologici, il costo lo rende improponibile, ma il suo principio di

funzionamento, riassumibile dallo schema di fig.5.12, è stato l'elemento pilota per

la ricerca delle corrette funzionalità richieste al sistema da progettare.

Fig.5.12: Schema funzioni e applicazioni Switch RS232 modello 7301

Alla stessa maniera, prodotti simili al precedente per caratteristiche, sono risultati

ugualmente insostenibili sotto il profilo economico facendo evincere

l'impossibilità di utilizzare dispositivi del genere con controllo remoto integrato.

Pertanto, si è dirottata la ricerca verso apparecchi a semplice controllo manuale

auspicando la possibilità di comando da remoto con implementazioni artificiali

successive.

A tale scopo semplici commutatori a pulsanti come quello raffigurato in fig.5.13,

sono sembrati conformi alle linee guida sotto l'ipotesi di aggiungere un circuito

integrato apposito per gestire elettronicamente la commutazione meccanica

presente.

Fig.5.13: Delock commutatore seriale manuale RS-232 a 4 ingressi


95

Lo switch meccanico a 4 porte indicato o prodotti affini, commuta però, solo 3 pin

della seriale (TX,RX e GND), mentre per alcuni strumenti oculistici occorrono

anche altri pin tipo DTR o CTS. Un circuito embedded deputato alla gestione

elettronica dei pulsanti deve perciò poter commutare almeno 4 segnali per ogni

seriale generando, di conseguenza, un numero elevato di contatti. In più, seppur le

4 porte presenti bastino per la messa a punto dell'applicazione generale costituita

da altrettanti apparecchi, potrebbe verificarsi l'esigenza di aggiungere ulteriori

dispositivi diagnostici non possedendo porte disponibili.

La condizione esposta creerebbe pertanto un numero sostenuto di contatti da

commutare nonostante si abbia lo switch manuale, ritenendo quindi quest'ultimo

scartabile e sostituibile con un circuito combinatorio a relè in uscita ad un

decoder. Anche questa soluzione presenta numerose commutazioni di tutti i pin

delle varie seriali connesse, ma è stata preferita per diversi motivi:

• economicità,

• praticità di controllo dell'intero multiplexer creato tramite lo stesso PLC

usato per il pilotaggio dei motori,

• maggiore sperimentazione delle competenze elettriche e elettroniche

fondamentali per l'elaborato in questione,

• possibilità di scelta dei componenti elettromeccanici necessari senza

l'ausilio di appositi switch, siano essi manuali o gestiti da remoto.

La progettazione di questa strategia, trattata nel successivo paragrafo, non

preclude comunque l'adozione di una tecnica più evoluta simile al dispositivo in

fig.5.11 prima analizzato, sicuramente una scelta migliore per praticità di

installazione e funzionalità racchiuse in un singolo strumento a fronte di un costo

difficilmente ammortizzabile dalle reali potenzialità offerte.


96

5.4 Progettazione dello switch

L'analisi teorica effettuata a inizio capitolo riguardante i circuiti logici

combinatori, ha di certo anticipato la strategia di commutazione seriale in procinto

di essere realizzata. Lo scopo è quello di architettare un congegno elettro-

meccanico adibito appositamente al commutare la trasmissione dati dalla specifica

porta seriale in utilizzo connessa al rispettivo strumento. I circuiti combinatori,

come visto, utilizzano in molte circostante il codice binario sia esso in uscita o in

ingresso al circuito, bit digitali altamente compatibili con le medesime uscite

disponibili del PLC in uso.

Per questi motivi si è deciso di utilizzare lo stesso controllore dei motori per la

gestione dinamica dello switch, dotando quest'ultimo di:

un decoder/demultiplexer

un determinato numero e tipologia di relè

Tramite infatti un decoder, avente in ingresso il codice binario BCD, e in uscita 8

linee output è stato possibile, tramite l'opportuna combinazione dei bit in ingresso,

selezionare l'uscita desiderata rappresentante lo specifico strumento in servizio o,

per meglio dire, i pin della sua RS232. I valori logici BCD sono stati ovviamente

forniti da altrettante uscite digitali del PLC TM221CE40R adibite, tramite

specifica applicazione ladder, al fornire le corrette combinazioni adatte

all'attivazione dell'uscita richiesta.

Le uscite utilizzate del decoder sono state tante quante seriali RS232 sono presenti

nella postazione, quindi uguali al numero degli strumenti presenti. In queste

ultime, sono stati collocati diversi relè specifici tali da poter commutare i rispettivi

contatti permettendo l'abilitazione dei pinout facenti parte la RS232 selezionata.

Prima di esporre la configurazione adottata è opportuno trattare le caratteristiche

del decoder utilizzato e dei relè collocati nelle sue 4 uscite attive.


97

5.4.1 Decoder/Demultiplexer SN74ALS137

Si tratta di un decoder ad uscite attive basse con un codice binario BCD in

ingresso e 23 uscite, ognuna abilitata secondo l'opportuna combinazione degli stati

logici in ingresso. Possiede oltre ai 3 selettori di input altre 3 variabili di controllo

(LE, G2 e G1)che permettono l'attivazione o meno della sua funzionalità

controllando o memorizzando le uscite. In figura 5.14 è rappresentata la

piedinatura del decoder e il suo circuito logico interno.

Fig. 5.14: Piedinatura e circuito logico del decoder SN74ALS137

Gli ingressi di enable LE e G2 sono entrambi negati a differenza di G1. LE è

quell'ingresso che in base al suo stato modifica il reale funzionamento del

decoder. Con LE a stato basso si ha infatti il normale funzionamento di selezione

dell'uscita in base ai valori dei bit A,B,C, con LE a stato alto si ha, invece, un

bloccaggio delle uscite che rimangono stabili indipendentemente dalla successiva

variazione dei selettori. G1 e G2 fungono da controllo degli stati delle uscite.

La tabella 5.1 rappresenta la necessaria tabella di verità riguardante le condizioni

presenti in ingresso per l'attivazione della rispettiva uscita, il tutto anche in base

agli stati degli ingressi di enable. Di questa tabella solo una sua porzione sarà

identificativa per la costruzione dello switch.


98

Tab.5.1: Tabella di verità decoder SN74ALS137

È possibile notare che nella regione di funzionamento del decoder, caratterizzata

da una terna di ingressi di enable pari a 101, si ottiene la necessaria attivazione

delle uscite in funzione degli ingressi di selezione.

Per l'utilizzo in esame, considerando i 4 strumenti presenti nella postazione, le

uscite utilizzate saranno proprio 4 e di conseguenza si dovranno gestire le 4

combinazioni in ingresso ognuna caratteristica per l'attivazione della rispettiva

uscita. La tabella 5.2 esplicita gli stati logici di input e output che verranno

adoperati in fase di collegamento e di programmazione.

C B A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7

0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1

0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1

0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1

1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1

Tab. 5.2: Combinazioni di input e output utilizzati

Trascurando Y0, le uscite utilizzate sono state Y1,Y2,Y3 e Y4 attive a stato basso

allorché si verifichi in ingresso il codice binario corrispondente. Su queste quattro

uscite sono stati collocati dei particolari relè adibiti al completare la

commutazione richiesta dei pin della RS232 interessata.


99

5.4.2 Relè reed

La caratteristica configurazione del classico relè elettromeccanico descrive

un funzionamento basato sullo scorrimento di una corrente di comando attraverso

la bobina di eccitazione, questa attrae a se un'ancoretta mobile il cui movimento

causa l'apertura o la chiusura di un contatto. Mediante piccole correnti

(generalmente dell'ordine dei mA) e bassissime tensioni (tipicamente 12 o 24

Vdc), si riescono a controllare correnti relativamente intense con separazione

galvanica tra circuito di comando e circuito comandato.

Esistono però diverse limitazioni per questi relè in quanto

l'equipaggio mobile presenta sempre una certa massa la cui inerzia ne impedisce

l'utilizzo in applicazioni con ripetute commutazioni a frequenze elevate, inoltre,

per quanto siano stati compiuti negli ultimi anni passi da gigante per la gestione

di contatti miniaturizzati, l'unione di bobina ed equipaggio mobile presenta

sempre un ingombro che mal si concilia con le esigenze di miniaturizzazione.

La soluzione è in questi casi fornita da un dispositivo, noto come relè reed,

concettualmente simile al classico relè elettromeccanico ma che presenta una

caratteristica peculiare: l'utilizzo di contatti ad auto attrazione come visibile in fig.

5.16. Nei relè reed i contatti sono montati su due sottili lamelle metalliche a bassa

riluttanza e con buona flessibilità. Esse sono posizionate in modo che le parti

terminali non si tocchino e che il tutto sia ermeticamente sigillato in un piccolo

bulbo di vetro riempito con gas inerte e circondato da un avvolgimento. Quando

questo viene percorso da corrente crea un campo magnetico assiale che induce

sulle estremità delle lamelle poli magnetici opposti. La conseguente forza

d'attrazione che si sviluppa è in grado di vincere la rigidità delle lamelle

flettendole reciprocamente l'una verso l'altra e causando la chiusura del contatto.

La riapertura dello stesso si verifica al cessare della corrente eccitatrice nella

bobina allorché la forza di attrazione tra le lamelle viene meno e l' elasticità

prevale nuovamente riportandole nella posizione iniziale [15]. Poiché la massa

delle lamelle è esigua, l'inerzia della stessa è trascurabile e sono possibili

commutazioni a frequenze elevate a fronte ovviamente di una corrente

commutabile ben più bassa di quella inerente i classici relè. Per queste

caratteristiche vengono spesso utilizzati per segnali di controllo.


100

Fig.5.16: Struttura relè reed

Un altro fattore importante è il grado IP di protezione dalla polvere offerto

dall'ampolla nei riguardi dei contatti (normalmente si tratta di un IP65). Data la

semplicità del contatto, la vita meccanica è elevata essendo dell'ordine delle

decine di milioni di operazioni. La massima corrente tollerabile è importante

perché correnti eccessive potrebbero causare riscaldamento delle lamelle,

alterazione delle proprietà magnetiche delle stesse nonché saldatura dei contatti.

Data la delicatezza di questi ultimi è sempre opportuno, soprattutto in applicazioni

ad alta affidabilità, prevedere adeguate precauzioni degli stessi nei riguardi di

sovratensioni ed extracorrenti. In figura 5.17 si riporta un classico relè reed.

Alcuni di essi contengono al proprio interno le necessarie protezioni, altri sono

dotati di un indicatore led che si attiva quando il contatto è azionato. Tale

peculiarità torna particolarmente utile nella fase di messa a punto del sistema o per

determinare l'entità di eventuali isteresi meccaniche. È necessario installare le

ampolle a debita distanza da materiali ferromagnetici o da sorgenti di campo

magnetico che potrebbero influenzarne la commutazione.

Se nella bobina di eccitazione vengono introdotti più bulbi reed si crea un relè a

più commutazioni ideale in caso di numerosi contatti.

Fig. 5.17: Relè reed


101

5.4.3 Schema elettrico

Alla luce del fatto che i relè reed ben si adattano a svolgere commutazioni ad alta

frequenza con disponibilità di tipologie anche a più contatti, sono stati prescelti

per la necessaria commutazione agente sulle uscite del decoder.

Il PLC abilita, tramite apposito comando, la combinazione delle 3 uscite digitali

connesse al decoder, il quale secondo la propria logica interna attiva l'uscita

corrispondente. Quest'ultima rappresenta la totalità della RS232 dello strumento

specifico tramite la presenza di n relè reed tanti quanti sono i pin da commutare.

A parte la massa comune si è ritenuto necessario commutare tutti e 8 pin di ogni

RS232, e per limitare il numero dei relè in uso si sono selezionati dei reed a 2

contatti con una massima corrente di commutazione pari a 0.5 A e una tensione di

eccitazione di 5 V, pari all'alimentazione dello stesso decoder e delle uscite

digitali del controllore. Su ogni uscita sono stati quindi collocati n/2 relè reed con

n numero di pin, permettendo che la selezione svolta dal decoder a monte dia in

uscita l'abilitazione di un insieme di pin corrispondenti allo strumento richiesto.

In altri termini ,in uscita dal decoder, si ha in ogni circostanza l'abilitazione

di 8 pin afferenti ad una delle 4 uscite in uso (Y1, Y2, Y3, Y4) connessi all'unico

connettore in ingresso al PC. Partendo da 4 seriali RS232 tramite PLC, decoder e

relè si riduce il tutto a questa singola porta di comunicazione che vede modificare

i propri segnali trasferiti in funzione dello switch effettuato dal circuito

combinatorio progettato.

Nella pagina seguente è riportato lo schema elettrico dello switch esposto, con

annessa tabella descrittiva dei simboli utilizzati (tab.5.3). Qualche esempio di

gestione successivo chiarirà meglio il suo funzionamento.


102


103

Tabella descrittiva simboli utilizzati

Simbolo Funzione

FE1 Finecorsa esterno 1° cassetto




A Uscita digitale PLC Q0.14-Ingresso di selezione DMUX

B Uscita digitale PLC Q0.13-Ingresso di selezione DMUX

C Uscita digitale PLC Q0.12-Ingresso di selezione DMUX

Y1,Y2,Y3,Y4 Uscite DMUX abilitate

I1 Interruttore ON/OFF

L12 Indicatore luminoso Y1 attiva




DCD

DSR

RXD

RTS

TXD

CTS

DTR

RI

Pin seriale RS232 connessa al PC

DCDn

DSRn

RXDn

RTSn

TXDn

CTSn

DTRn

RIn

Pin seriale RS232 n-esimo strumento

Tab 5.3: Descrizione simboli e funzionalità

5.4.4 Esempio di riepilogo

Dopo aver abilitato la connessione tra PLC e decoder tramite interruttore

on/off (I1) si suppone di avere l'apertura del 1° cassetto porta-strumento, la cui

apertura totale è determinata dall'attivazione del suo rispettivo finecorsa esterno

FE1. Ciò comporta, tramite opportuna programmazione, una combinazione delle

uscite CBA del PLC pari a 001 direttamente posta in ingresso al

decoder/demultiplexer. La logica interna di quest'ultimo, in base al codice in


104

ingresso, prevede l'attivazione dell'output Y1 anch'essa alla tensione caratteristica

di 5 V.

I 4 relè reed eccitati dalla continuità su Y1 chiudono gli 8 complessivi contatti

permettendo la trasmissione diretta o inversa tra PC e 1° strumento abilitando

proprio gli 8 pin della correlata seriale. L'indicatore luminoso L12 segnala

l'attivazione dell'uscita Y1.

Lo stesso processo avviene in maniera analoga all'apertura degli altri cassetti

porta-strumento. Qualora non si volesse commutare nessuna RS232 è possibile

interrompere l'acquisizione ponendo in OFF l'interruttore I1.

5.5 Applicazione Ladder per la gestione dello switch

L'applicazione strutturata per determinare l'adeguato controllo delle uscite

digitali C,B,A del PLC, nonché gli ingressi del decoder, ha assunto più che altro la

funzione di implementazione dell'architettura ladder già costruita per il pilotaggio

dei motori dei cassetti porta-strumento.

Utilizzando difatti le variabili in ingresso rappresentanti i finecorsa esterni dei 4

ripiani, si è articolata la programmazione grafica al fine di creare una diretta

dipendenza tra la completa apertura di ogni cassetto e la commutazione dello

switch verso la rispettiva RS232, connettendo proprio quest'ultima al PC.

Ovviamente il legame tra le due attività è stato compiuto dalle apposite uscite C,

B, A le quali hanno assunto i valori stabiliti per ogni apertura di uno dei 4 cassetti,

in altre parole integrando la comparsa dello strumento durante la visita e la

consequenziale comunicazione dello stesso con il PC.

I primi 8 rung sono quindi attinenti al controllo dei motori dei cassetti già visti

nell'apposita sezione, i successivi e ultimi 3 pilotano, invece, le uscite

combinatorie.


105


106

Un'efficiente descrizione del programma si ottiene tramite l'utilizzo della tabella

di verità 5.4 appositamente costruita.

FE1 FE2 FE3 FE4 C B A Stato globale

0 0 0 0 0 0 0 Nessun cassetto in completa apertura,

uscita decoder stabile su Y0.

1 0 0 0 0 0 1 1° cassetto in posizione di completa

apertura, attivazione uscita decoder Y1

(RS232 1° strumento)






(RS232 3° strumento




1 0 0 1 0 0 0 2 cassetti in completa apertura, nessuna

uscita in uso del decoder attiva


107

La gestione appena visionata ha creato una stretta dipendenza tra l'apertura di un

ripiano e l'acquisizione dati, tramite linea seriale, dallo specifico strumento sopra

poggiato. Avendo creato uno switch elettro-meccanico che permette la

trasmissione dati da un singolo apparato per volta, l'erronea apertura

contemporanea di 2 o più cassetti, comporta il passaggio a livello logico basso di

tutte e 3 le uscite combinatorie C, B e A, non commutando nessuna RS232 verso

il PC fino a nuovo comando.

CAPITOLO 6 - MESSA IN SERVIZIO E RISULTATI OTTENUTI

108

Capitolo 6

Messa in servizio e risultati ottenuti

6.1 Gestione della postazione tramite PC

L’importanza della comunicazione fra i sistemi di gestione e controllo e i

PLC in campo, rappresenta, come ormai è risaputo, un fattore essenziale per

l'importante monitoraggio di macchine e impianti con interfacce dedicate. Tutti i

costruttori svolgono in questo ambito una continua ricerca mirata al conferire ai

loro prodotti le più intuitive risorse hardware e software per il più agevole dialogo

tra uomo e macchina. L'opportuna comunicazione tra PC e PLC deve pertanto

essere sicura e affidabile e fornire all'utente la corretta panoramica sui dati in Real

Time in funzione delle sue effettive richieste.

Il mercato propone una vasta gamma di dispositivi e soluzioni in grado di

garantire una comunicazione PC-PLC sicura,rapida ed efficace in rapporto alle

diverse esigenze. Nonostante ciò tecnici esperti programmatori preferiscono

sviluppare da soli, in Visual Basic o in Visual C++, un’applicazione ad hoc

imbattendosi molte volte in problematiche di comunicazione tra l’applicazione e

le periferiche (PLC,regolatori, bus ecc...). Se implementare le funzionalità di base

di un protocollo può essere impegnativo, la realizzazione di un driver affidabile

può risultare una vera impresa.

Molti produttori, in soccorso agli utenti, offrono un solo driver per tutti i

principali fieldbus sul mercato e uno stesso tool di configurazione anche per

Ethernet, configurabile come se fosse un bus. Altre applicazioni consentono di

utilizzare una LAN Ethernet esistente per connettersi a dispositivi d’automazione,

di solito dotati esclusivamente di una porta seriale con protocollo proprietario, in

modo da convogliare i dati tra una porta seriale e una rete Ethernet creando una

interazione tra le reti LAN/Internet, un Serial Server e un driver software, il cui

insieme può essere paragonato a un cavo seriale virtuale esteso.

Noto successo ha anche riscosso l'utilizzo di particolari moduli con pacchetto

dedicato che permettono di collegare un qualsiasi PLC associabile allo stesso


109

modulo funzionale, a una rete LAN, intranet o Internet e controllarlo da remoto

(fig.6.1). Questa interfaccia Ethernet è anche un potente server di rete che

consente, oltre il monitoraggio del PLC collegato tramite software di

programmazione, la visualizzazione e l’impostazione dei dati di campo tramite

pagine Html residenti sul Web server e accessibili da remoto tramite browser.

Fig.6.1: Modulo Master come elemento di connessione tra PC e PLC

Similmente ad altre case costruttrici, la necessità di collegare un controllore

programmabile ai sistemi di dialogo e supervisione, ha orientato i prodotti

dell’offerta Telemecanique di Schneider Electric verso uno standard largamente

diffuso e noto soprattutto in ambito industriale, Ethernet TCP/IP.

Nelle ultime evoluzioni della soluzione sono state implementate ulteriori

funzionalità che soddisfano meglio le esigenze degli utenti finali e degli OEM

(costruttori di macchine). Novità fondamentale è il concetto di plug&play, che

viene trasportato nel mondo dell’automazione grazie appunto a Telemecanique,

permettendo di sostituire e configurare I/O remoti connessi in Ethernet senza

alcun intervento di programmazione. Vengono così semplificate sia la

manutenzione dell’impianto/macchina, con minori tempi d’arresto, sia la messa in

servizio, evitando errori d’installazione. Per ottenere informazioni comuni in

tempo reale su tutti i dispositivi connessi alla rete Ethernet è presente il servizio

Global Data, incluso nei moduli Web Server, che permette all’operatore di


110

scegliere quali dati rendere pubblici e delega in modo autonomo alla scheda la

gestione della comunicazione verso gli altri dispositivi connessi.

Tutto questo si estende anche alla gamma di controllori programmabili di fascia

medio-piccola supportati da schede che consentono, grazie a un RAS (Remote

Access Server) integrato, la modalità di connessione via intranet e in remoto via

modem. Viene messo quindi a disposizione un Web Server nel quale generare un

sito Web della macchina, dove poter diagnosticare e controllare il sistema. Questa

tecnologia è stata inserita direttamente nelle CPU dei PLC, mettendo a

disposizione tutti i servizi necessari all’integrazione in reti Ethernet aziendali [16].

Il tutto per una totale trasparenza dei dati che si traduce in semplificazione delle

architetture di rete, riduzione dei dispositivi necessari al trasporto e alla gestione

dei dati, uniformità delle interfacce e diminuzione dei costi d’esercizio grazie alla

remotazione.

6.1.1 Configurazione Ethernet e server Modbus TCP

Questa particolarità dei prodotti Schneider più evoluti ha ovviamente

contributo alla selezione del PLC M221 utilizzato nelle precedenti fasi operative.

La presenza delle porte di comunicazione RS232 e Ethernet con la scheda TCP/IP

integrata, ha difatti permesso la scelta del mezzo di trasmissione deputato

all'interfacciare il controllore ad uno o più utenze di supervisione quali PC,

necessari per un controllo delle variabili di campo in maniera altamente

tecnologica e professionale.

Al fine della gestione dei cassetti porta-strumento, della poltrona e l'annessa

commutazione seriale adibita alla selezione dello strumento in uso specifico, si è

preferito orientare la comunicazione tramite Ethernet, per una maggiore velocità

di trasmissione e per l'opportunità di accesso anche da remoto, a implementazione

di una comunicazione locale di base fornita al prototipo.

Questa peculiarità permette di gestire gli input forniti al controllore in maniera

locale dal medico operante, oltre alla potenzialità di un monitoraggio da remoto

dell'intera postazione, che correlata dall'interfacciamento degli strumenti, può

permettere anche una sorta di teleconsulto fra medici fisicamente distanti.


111

La programmazione da effettuare per interfacciare il controllore al PC è

notevolmente semplificata a ridotte operazioni eseguibili tramite lo stesso

software Somachine Basic, già possidente delle caratteristiche hardware e

software preimpostate in fase di costruzione del programma applicativo. Più che

programmazione l'attività si riduce ad una fase di configurazione della linea

Ethernet e del server Modbus TCP/IP integrato.

È infatti possibile configurare la connessione TCP/IP con il logic controller

agendo sulla rete Ethernet stabilendo una rete di area locale (LAN) tra il

controllore e gli altri dispositivi: nel caso in esame con il PC dello stesso studio

medico. Ciò consente di impostare l'indirizzo IP del dispositivo di rete ottenibile

tramite i protocolli DHCP o BOOTP oppure definendolo associando allo stesso

gli indirizzi della subnet mask e del gateway come in figura 6.2 [6].

Fig.6.2: Configurazione Ethernet tramite Somachine Basic

Attivando il server Modbus TCP caratteristico della scheda Ethernet integrata, il

secondo passo consiste nel configurare proprio questo protocollo (fig. 6.3),

consentendo di impostare il server di comunicazione preferito (MASTER) e i suoi

parametri caratteristici spesso già preinseriti da funzionali suggerimenti di default.


112

Fig.6.3: Configurazione Modbus TCP

La successiva fase permette la visualizzazione e l’impostazione dei dati di campo

tramite pagine Html residenti sul Web server e al contempo accessibili anche da

remoto tramite browser qualora si configuri l'accesso all'indirizzo IP specifico

assegnato in precedenza. Legando le variabili configurate nel programma

operativo, memorizzate in registri appositi della memoria del controllore, con le

funzionalità grafiche della pagina web dedicata, si determina l'interazione tra

l'input esterno agente a livello di segnale Ethernet, con la fisica variazione logica

dell'ingresso stabilito, con consequenziale attuazione delle uscite digitali secondo

l'algoritmo di controllo prefissato.

Le precedenti operazioni di configurazione non sono state ultimate in quanto il

fine ultimo del progetto è quello di interfacciare le azioni di comando agenti su

ArkiStation e l'acquisizione dei dati dagli strumenti, su un unico software

specifico (vedi par. 6.4). La fase di programmazione necessaria sarà dunque svolta

da un esperto programmatore informatico.

6.2 Progettazione del pannello di controllo sinottico

L'applicazione Ladder, fornita al controllore, è stata costruita in diverse

sezioni distinte in funzione delle finalità della programmazione. Si è dapprima

argomentata l'architettura a contatti per il controllo dei motori dei cassetti porta

strumento, successivamente implementata dalla gestione delle uscite digitali poste

in ingresso allo switch digitale RS232, e solo dopo si è discussa la gestione degli


113

algoritmi di controllo dedicati al pilotaggio del motore elettrico azionante la

poltrona automatica del paziente. L'unione di queste sezioni, separatamente

analizzate, ha definito il programma applicativo conclusivo fornito al logic

controller in fase di messa in servizio.

Il medico può, in conclusione, agire sugli ingressi del PLC tramite

interfaccia Ethernet o per mezzo dei pulsanti manuali connessi fisicamente nei

rispettivi input di comando, azionando:

• l'apertura o chiusura dei 4 cassetti, con conseguente acquisizione dei

dati dallo specifico strumento in uso a causa della commutazione

dell'apposito switch RS232;

• lo spostamento della poltrona sia in avanti sia indietro

posizionandola perfettamente in corrispondenza delle posizioni di

stallo prefissate per l'attuazione della visita, fornendo l'apposito

comando univoco per raggiungere la destinazione specifica.

Il tutto è gestito dal controllore che acquisisce i valori sensoriali in ingresso

compresi i segnali determinati dai sensori o finecorsa installati, e in base ad essi e

all'algoritmo di controllo scaricatogli, scrive le uscite ad ogni scansione

modificando lo stato delle variabili fisiche connesse.

Come si è potuto apprendere nei vari capitoli precedenti,però, per garanzie

di esercizio si sono contemporaneamente inclusi dei pulsanti manuali a valle del

PLC, indipendenti da quest'ultimo, adibiti ad un uso della postazione in condizioni

di necessità o semplicemente per la maggiore comodità che potrebbe suscitarne

l'utilizzo nel caso specifico. Trattandosi ,infatti, di un'intera unità ad uso medicale

si è ritenuto opportuno conferire alla postazione una continuità di esercizio a se

stante senza limitazioni dovute a improvvisi guasti o errori al controllore.

Tutti i pulsanti manuali, interruttori e indicatori luminosi, sono stati concentrati in

un pannello di controllo sinottico disposto fisicamente tra lo start e i moduli

porta-strumento, dotandolo di tutto il necessario per la gestione in condizioni di

emergenza o meno dei motori presenti. Gli indicatori luminosi installati

prescindono dalla modalità di funzionamento della postazione, essi rispondono ai

movimenti o posizionamenti delle varie macchine indipendentemente dal modo

con cui sono state azionate o arrestate.


114

In figura 6.4 si riporta una progettazione di massima del pannello sinottico

discusso, con l'annessa tabella descrittiva (tab. 6.5) inerente a simboli già

introdotti negli schemi elettrici precedenti.

Fig. 6.4: Progettazione di massima del pannello di controllo sinottico

Simbolo Area di collocazione Funzione

Pm1 Diagnostica 1 Pulsante manuale per apertura 1° cassetto

Pm2 Diagnostica 1 Pulsante manuale per chiusura 1° cassetto

L1 Diagnostica 1 Indicatore luminoso apertura 1° cassetto (verde)

L2 Diagnostica 1 Indicatore luminoso chiusura 1° cassetto (rosso)













Pm9 Poltrona Pulsante manuale di avanzamento

Pm10 Poltrona Pulsante manuale di indietreggiamento

L9 Poltrona Indicatore luminoso di avanzamento (verde)


115

L10 Poltrona Indicatore luminoso di indietreggiamento (rosso)

L11 Poltrona Indicatore luminoso di stallo (giallo)

I1 RS232 PC Interruttore on/off di comunicazione

Tab. 6.5: Legenda dei pulsanti e indicatori usati

6.3 Optoisolatori

Nonostante si sia scelta una bassa tensione di alimentazione per gli attuatori,

connessi direttamente alle uscite digitali o indirettamente tramite appositi relè

esterni, si è ritenuto indicato ovviare a possibili malfunzionamenti dannosi

soprattutto per quanto riguarda la gestione dello switch RS232. La presenza di

numerose commutazioni ad elevata frequenza ha mosso l'iniziativa di preservare

la porta seriale RS232 connessa al PC in linea con la maggioranza delle

applicazioni professionali.

Si sono usati dei dispositivi denominati optoisolatori in relazione al loro principio

fisico di funzionamento. In generale il loro contributo è spesso orientato per una

proficua interazione tra il circuito di potenza e il circuito di comando solitamente

a tensioni differenti, conferendo ad essi l'adeguata separazione galvanica.

L'optoisolatore, la cui schematizzazione è riportata in figura 6.6, in questo senso

funge da elemento di sicurezza con cui le due sezioni possono scambiare comandi

e informazioni in modo bidirezionale, rimanendo separati dal punto di vista

elettrico. Esso comunica attraverso la trasmissione di impulsi luminosi che

passano attraverso un isolante trasparente alla luce, ma con alta rigidità dielettrica,

mettendo a colloquio i due sistemi senza che, un'improvvisa sovratensione,

danneggi i circuiti del sistema a tensione più bassa.

Fig.6.6: Optoisolatore

È costituito da un elemento foto emittente in genere un diodo emettitore di luce e

da un elemento foto sensibile rappresentato da un foto diodo o foto transistor. I


116

due elementi sono isolati galvanicamente e l'influenza che il circuito di ingresso

(fotoemittente), esercita sul circuito di uscita (fotosensibile), avviene attraverso la

luce e non attraverso la tensione o corrente.

Il totale isolamento elettrico tra ingresso e uscita consente di connettere in

condizioni di sicurezza circuiti a masse diverse o addirittura di lasciarne qualcuno

fluttuante, cioè privo di massa, anche operanti a tensioni diverse ed eventualmente

elevate. I materiali trasparenti di separazione permettono di raggiungere resistenze

di isolamento dell'ordine di migliaia di Megaohm e di lavorare con differenze di

potenziale tra i due lati fino alle migliaia di volt.

Si ottiene un fotoaccoppiatore se si utilizza un LED per irraggiare la giunzione

BC di un fototransistor allo scopo di aumentare la corrente controllata,ovvero di

migliorare la sensibilità del trasduttore. Il fototransistor può essere pertanto

considerato come l'insieme di un fotodiodo e di un transistore avente il compito di

amplificatore.

Il diodo emettitore è in grado di emettere una potenza luminosa proporzionale

alla corrente di polarizzazione diretta. La luce emessa ha una lunghezza d'onda nel

vicino infrarosso (0.8 a 1.6 microns). Il fototransistor è in pratica un transistore

BJT con la base connessa ad un fotorivelatore. La foto-corrente dovuta

all'assorbimento di fotoni viene iniettata nella base del transistor che quindi viene

mandato in conduzione o in saturazione a seconda dell'entità della luce emessa

[14].

Lo stesso principio viene utilizzato internamente al PLC, figura 6.7, per la

separazione elettrica dei dispositivi d'ingresso dalla logica interna del controllore,

conferendo l'isolamento galvanico adibito ad acquisire i segnali in ingresso e

adattarli alla proprio logica interna.

Fig.6.7: Optoisolatore in ingresso al PLC


117

Oltre a questi utilizzi, prettamente pratici, dovuti al garantire la sicurezza tra

sezioni a tensione differente, gli optoisolatori sono utilizzati per proteggere i

dispositivi di comunicazione, i PC ,e le apparecchiature nelle quali sono installati,

da eventuali impulsi e scariche elettriche che possono essere generati sulle linee,

ad esempio da fulmini, dall’avvio di grossi motori elettrici o da loop di corrente.

Gli optoisolatori adibiti alla protezione della RS232 sono

spesso accoppiati a ripetitori utilizzati per effettuare il refresh dei segnali elettrici

e quindi aumentare la distanza di trasmissione dei dati.

Lo standard RS 232 permette la trasmissione del segnale ad una distanza di 15 m

mentre con i ripetitori queste distanze possono essere raddoppiate. In commercio

sono presenti grandi varietà di connettori optoisolati per la porta DB9 come quello

in figura 6.8a, ma la possibilità di reperire i singoli elementi di protezione

(fig.6.8b), include anche l'opzione di costruire l'isolamento galvanico voluto in

maniera autonoma similmente allo schema di figura 6.9.

a) b)

Fig. 6.8: a)Connettore optoisolato RS232 - b)Optoisolatore


118

Fig. 6.9: Optoisolamento della seriale RS232

6.4 Conduzione della visita medica

Il medico potrà in definitiva controllare la postazione ArkiStation tramite

un'interfaccia intuitiva dell'intero PLC tramite PC, sia esso locale o remoto e in

più il pannello di controllo installato potrà fornire la giusta garanzia di utilizzo

della postazione in qualsiasi condizione.

Il controllo elettro-meccanico esposto è al momento separato dalla gestione dei

dati relativi agli apparati diagnostici. Si è pilotato lo switch RS232 in modo da

commutare i giusti pin di trasmissione al connettore del PC senza però introdurre

argomentazioni sulla complessa procedura di controllo della comunicazione tra

strumenti e supervisore.

La definitiva messa a punto dell'intera postazione, ormai rappresentata da

elementi sia fisici che virtuali, verrà effettuata in collaborazione con un esperto

programmatore informatico che concentrerà, su un'unica piattaforma software, la

gestione dell'intera postazione modulare e l'acquisizione dati dagli strumenti,

implementando un software di analisi medica già costruito ma ancora non

disponibile ad uso comune.

Si tratta del software ArkiMed ideato dal Prof. Franco Battaglia già abilitato

all'interfacciare la comunicazione dei vari strumenti diagnostici riportando

autonomamente dati, misure, immagini o video forniti dagli apparecchi stessi; utili

per la definizione diagnostica e la stesura delle terapie o ricette finali. Un database


119

incluso permette di archiviare efficacemente tutte le prestazioni per paziente

introducendo l'importante funzione di trasporto delle informazioni per analisi

postume o dirette ad altri specialisti.

Inglobando in queste funzionalità già presenti gli appositi comandi virtuali per la

gestione meccanica della postazione si otterrà una piattaforma originale ed

esclusiva mirata all'adempiere l'intera procedura diagnostica di una completa

visita oftalmologica. La schermata principale di ArkiMed è riportata in figura

6.10, ad essa verranno aggiunti i comandi per la gestione della postazione

ArkiStation.

Fig.6.10: Software ArkiMed


120

6.5 Conclusioni

L'analisi globale del progetto argomentato, ha essenzialmente verificato gli

obiettivi predisposti in fase introduttiva. Le richieste del medico specialista

inerenti all'ottimizzazione degli spazi, al contenimento dei costi e alla

modernizzazione dell'ambiente di lavoro mediante le tecniche di automazione

appropriate, ha permesso la progettazione dell'unità modulare ArkiStation

decisamente in linea con le caratteristiche ricercate.

La centralità dell'elaborato ha visto erigere un sistema di controllo dell'intera

postazione mirato al semplice e intuitivo uso della stessa tramite un' architettura di

processo caratteristica di un PLC di fascia media, perfettamente sufficiente per il

raggiungimento degli scopi prefissati. La sua interazione con i vari sensori e

attuatori utilizzati, ha permesso di automatizzare lo studio medico in questione

concentrando, in un ambiente di lavoro compatto, il confort e la praticità di una

visita oftalmologica moderna e altamente tecnologica. La motorizzazione dei

cassetti porta-strumento e della poltrona include infatti la massima professionalità

e l'adeguato ordine strutturale che qualsiasi ambiente medico dovrebbe possedere,

tenendo il passo esponenziale dell'innovazione tecnologica odierna. Il tutto

garantendo l'adeguata sicurezza e continuità di esercizio anche laddove venissero

a mancare gli elementi centrali dell'intera struttura di controllo.

La commutazione della specifica porta RS232 dallo strumento in servizio ha

determinato una pratica trasmissione dati tra PC e strumenti diagnostici, rendendo

la connessione dei dispositivi anch'essa legata ad una logica di controllo integrata

con le altre fasi operative.

Oltre al PLC si è ritenuta adeguata anche una differente tecnica di

automazione legata ad un generico sistema embedded generato tramite lo sviluppo

dell'intero hardware e software per la verifica degli stessi obiettivi in esame.

Separatamente a questo elaborato, la struttura concentrata del sistema integrato, ha

fatto evincere ottime prestazioni operative incrementate da un costo di produzione

decisamente limitato. Per contro un sistema di questo tipo, sia esso interamente

progettato o reperito nel mercato, funge esclusivamente per i compiti prefissati

dando nel tempo una flessibilità e riusabilità notevolmente limitata rispetto ai

controllori logici programmabili. I PLC riescono, infatti, a subire modifiche


121

hardware o software in maniera rapida e efficiente con possibilità di

implementazioni future per eventuali espansioni o cambio di obiettivi.

Condivisione di risorse, decentramento delle funzioni e intelligenza distribuita a

fronte di un costo maggiore, indirizzano il PLC come cuore pulsante dell'intera

postazione ArkiStation garantendo una necessaria affidabilità e conformità alle

normative vigenti.

Un sistema embedded, al contempo, riesce con un costo minore a svolgere

le stesse funzionalità addirittura prestazionalmente migliori in relazione al PLC di

paragone, concentrando in maniera miniaturizzata tutto il necessario per il

compimento delle funzioni richieste. I dispositivi di base commercializzati,

facilitano le operazioni di costruzione e programmazione del prototipo hobbistico

che adempierà agli scopi previsti. Trattandosi, però, di un'apparecchiatura

potenzialmente diretta alla commercializzazione totale, con sezione elettrica e

elettronica integrata nel mobile ambulatoriale stesso, occorre, però, una necessaria

certificazione del prototipo di controllo ottenibile in maniera seguente a opportune

operazioni di testing, misurazioni e necessari inscatolamenti di sicurezza imposti

dalle norme presenti. Ciò comporterebbe un'ingente aumento del costo di

produzione facendo declinare la principale attitudine di economicità della

soluzione.

In altri termini un investimento maggiore iniziale (PLC) potrebbe

semplificare e limitare gli sforzi tecnici ed economici nel tempo a seguito di

incombenti variazioni, viceversa difficoltà di riadattare il prototipo alle presunte

modifiche (sistema Embedded), rispecchia una soluzione parigrado in fase iniziale

caratterizzata da un minor costo di realizzazione. Spetterà dunque all'ideatore e

finanziatore del progetto decidere la tecnica di automazione più adeguata per le

aspettative future della postazione ArkiStation, apparato ambulatoriale

oftalmologico probabilmente destinato ad essere brevettato.


122

6.5.1 Sviluppi futuri

Oltre all'interfacciare ArkiStation con il software di analisi medica ArkiMed

per la gestione centralizzata dell'intero sistema, si metterà a punto un interblocco

elettrico tale da permettere la gestione della postazione in maniera univoca con la

modalità di controllo scelta. Qualora infatti si rendesse necessario l'utilizzo della

pulsantiera manuale, si disattiverà il controllo tramite PLC e viceversa, evitando

contemporanee azioni di comando dalle due interfacce progettate.

APPENDICE

123

Appendice A

Seriale RS-232

Lo standard RS232 nacque nei primi anni '60 per opera della Electronic

Industries Association (EIA) ed era orientato alla comunicazione tra i mainframe e

i terminali (DTE Data Terminal Equipment) attraverso la linea telefonica,

utilizzando un modem (DCE Data Communication Equipment). Pur essendo un

protocollo piuttosto vecchio, attualmente la RS232 è ancora largamente utilizzata

per la comunicazione a bassa velocità tra microcontrollori, dispositivi industriali

ed altri circuiti relativamente semplici che non necessitano di particolare velocità;

è invece praticamente scomparsa in ambito "desktop", ambito nel quale lo

standard è nato per la comunicazione tra un computer ed un modem.

L'interfaccia RS-232 ridotta a 9 pin utilizza un protocollo seriale di tipo asincrono:

• Seriale: significa che i bit che costituiscono l’informazione sono

trasmessi uno alla volta su un solo filo. Questo termine è in genere

contrapposto a parallelo in cui i dati sono trasmessi contemporaneamente

su più fili, per esempio 8, 16 o 32.

• Asincrono : ovvero che i dati sono trasmessi senza l’aggiunta di un

segnale di clock, cioè privi di un segnale comune che permette di

sincronizzare la trasmissione con la ricezione; ovviamente sia il

trasmettitore che il ricevitore devono comunque essere dotati di un clock

locale per poter interpretare i dati. La sincronizzazione dei due clock è

necessaria ed è fatta in corrispondenza della prima transizione sulla linea

dei dati [10].

Il connettore seriale DB9, visibile in fig. 6.11, è formato da 9 pin ognuno

corrispondente ad una trasmissione unidirezionale eccetto il pin GND

rappresentante la massa comune. Ogni pin distingue una propria funzione

caratteristica che permette la denominazione singola di ogni piedino facente parte

il connettore. Ai fini della costruzione dello switch risulta indispensabile la

conoscenza delle funzioni di ogni pinout.

APPENDICE

124

Fig.6.11: Pinout porta seriale a 9 pin RS232

• GND: serve ad assicurare la connessione fra i telai delle apparecchiature a

scopo di schermatura, è il riferimento a 0 V comune a tutti i segnali che

viaggiano sul cavo;

• TxD (Trasmitted Data): è una delle due linee su cui viaggia il segnale

seriale, portando al DCE i dati generati dal DTE perché siano trasmessi

sul canale di comunicazione;

• RxD (Received Data): porta al DTE i dati che il DCE ha ricevuto;

• DSR (Data Set Ready): quando è attiva, questa linea indica al DTE (al

terminale) che il DCE è collegato, acceso e pronto all’uso. Se non è attiva,

il DTE dovrebbe restare in attesa ed evitare di trasmettere dati;

• DTR (Data Terminal Ready): svolge la stessa funzione della linea DSR in

direzione opposta, indicando al DCE che il DTE è pronto all’uso;

• RTS (Request to Send): nel protocollo originale, questo segnale serve a

comandare il passaggio in trasmissione dei modem, è una sorte di segnale

di inizio dello scambio dati;

• CTS (Clear to Send ):in risposta all’RTS, comunica al DTE che il DCE ha

eseguito le operazioni necessarie a passare in trasmissione ed è quindi

pronto ad accettare il flusso di dati in partenza;

• DCD (Data Carrier Detect): indica che sul canale trasmissivo è presente

una portante dati valida. attivato quando viene stabilita una connessione, in

modo che il pc possa accorgersene senza bisogno di attendere la ricezione

della stringa appropriata simbolo dell'avvenuta connessione;

APPENDICE

125

• RI (Ring Indicator): i modem telefonici attivano questa linea per segnalare

al DTE le chiamate in arrivo. E’ poco usata, perché ormai tutti i modem

trasmettono al computer la stringa "ring" ad ogni squillo e sono anche in

grado di rispondere di propria iniziativa.

In teoria per ricevere e trasmettere un segnale RS-232 bastano tre fili:

ricezione, trasmissione e massa. Spesso lo è anche in pratica. Gli altri fili di solito

opzionali, ma con utilità variabile a seconda delle applicazioni, servono per

sincronizzare in hardware la comunicazione. Un uso alternativo dei pin RTS e

DTR è l'utilizzo come fonte di alimentazione del dispositivo collegato alla porta

seriale stessa. L'esempio classico è il mouse seriale ma nulla impedisce di

collegare un microcontrollore generico o qualche altro circuito. Unico ed

importante limite è la corrente erogata, visto che questi pin non sono pensati per

questo uso: è opportuno limitarsi ad un paio di mA anche se molti PC permettono

di arrivare tranquillamente a 10mA.

BIBLIOGRAFIA

126

Bibliografia

[1] C. Bonivento, "Sistemi di automazione industriale, Architettura e controllo",

editore McGraw-Hill.

[2] L. Bergamaschi, "Manuale di programmazione dei PLC", editore Hoepli.

[3] International Standard IEC 61131-1, Second Edition 2005.

[4] PLCopen, "Introduction into IEC 61131-3", Programming Languages.

[5] Guida Hardware, "Modicon M221 Logic Controller", Schneider Electric.

[6] Guida alla programmazione, "Modicon M221 Logic Controller", Schneider

Electric.

[7] Prof. Giacomo Scelba, Appunti del corso di "Azionamenti elettrici".

[8] E.H. Werninck, "Manuale dei motori elettrici", editore Tecniche nuove.

[9] C.T.S., "Catalogo guide lineari".

[10] R. Iacono, " Porta seriale RS232, cos'è, come funziona, piedinatura e

standard", WordPress SEO, Social media.

[11] Prof. Giuseppe Nunnari, Appunti del corso di "Fondamenti di Automatica".

[12] P. Bolzen, "Fondamenti di Controlli automatici", editore McGraw-Hill.

[13] Ing. D. Rapisarda, Appunti del corso di "Automazione Industriale",

Università degli Studi di Siena.

[14] L. Daliento, "Elettronica generale", editore McGraw-Hill Education.

[15] Elettrico Plus, Articolo di elettrotecnica di base " Il Relè reed".

[16] L. Milani, "La comunicazione PC-PLC", Fieldbus & Networks.

Tesi Alessio Saraceno A.A. 2013/2014: PROGETTAZIONE E SPERIMENTAZIONE DI UN SISTEMA DI CONTROLLO PER...

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