Componenti per l’automazione industriale
Gest.
Aziend.
Pian. Prod.
Supervisione
EDP
PIMS
SCADA
DCS
Controllo di base
Misura e comando
PLC / PID
Sensori e
attuatori
Architettura a singolo anello
• Realizzata tramite un regolatore (PID) industriale.
• Sono a disposizione pacchetti software per la sua
‘gestione’.
• L’interfaccia con il PC avviene tramite linea seriale
RS232.
• Quando i regolatori impiegati sono numerosi può
essere opportuno avere un sistema SCADA.
• Un PC (industriale) può essere usato direttamente
come controllore (con opportune schede di I/O e
opportuno sistema operativo e software).
PLC (Programmable Logic Controller)
• E’ un componente molto usato nell’automazione
industriale. Sostituisce i dispositivi elettromeccanici
che realizzavano una logica a contatti.
• Un controllore a logica programmabile è un
sistema elettronico a funzionamento digitale,
destinato all’uso in ambito industriale, che utilizza
una memoria programmabile per l’archiviazione
interna di istruzioni orientate all’utilizzatore per
l’implementazione di funzioni specifiche, come
quelle
logiche,
di
sequenziamento,
di
temporizzazione, di conteggio e di calcolo
aritmetico, e per controllare, mediante ingressi ed
uscite sia digitali che analogici, vari tipi di macchine
e processi (standard 1131 del Comitato
Elettrotecnico Internazionale)
• Un sistema controllore a logica programmabile è
la configurazione, realizzata dall’utilizzatore,
formata da un controllore a logica programmabile e
dalle periferiche associate, necessaria al sistema
automatizzato previsto.
• Nell’uso comune, con il termine PLC si indica
indifferentemente sia il PLC vero e proprio, cioè la
scheda processore, sia l’intero sistema completo
delle sue schede d’interfaccia.
Componenti di un PLC
Figura Chiacchio pag. 9
• Modulo processore: è il vero e proprio PLC ed è
costituito essenzialmente da una scheda a
microprocessore con un’architettura simile a quelle
dei calcolatori convenzionali. Esso controlla e
supervisiona tutte le operazioni eseguite all’interno
del sistema, attraverso l’esecuzione delle istruzioni
contenute nella memoria.
• Moduli di ingresso/uscita: sono delle schede che
permettono l’interfacciamento tra la microelettronica
del PLC e il mondo esterno, e devono perciò
provvedere al condizionamento dei segnali e
all’isolamento.
• Modulo alimentatore: è una scheda che alimenta tutti
gli altri moduli presenti nell’armadio. Connesso alla
rete di alimentazione elettrica, tale modulo fornisce
una o più tensioni stabilizzate con un massimo di
corrente erogabile.
• Armadio (cestello, rack): contiene e racchiude tutti
gli altri moduli, assicurandone la connessione
meccanica e il collegamento elettrico. Ha in genere
la forma di un parallelepipedo aperto su di un lato
che permette l’inserimento dei moduli che risultano
collegati elettricamente tra di loro grazie alla
presenza, sul lato opposto, di un circuito stampato
con dei connettori. E’ di metallo e deve essere
connesso elettricamente a terra, sia per ragioni di
sicurezza sia per meglio schermare i moduli
alloggiati.
• Terminale di programmazione: può essere o un
dispositivo particolare o un semplice personal
computer e serve per la programmazione del PLC
che non ha usualmente dispositivi di interfaccia con
l’uomo. Il terminale di programmazione viene
connesso al PLC solo quando viene utilizzato tramite
una porta seriale e/o una rete informatica.
Esistono alcuni piccoli sistemi PLC che non sono
modulari, non prevedono il rack, e racchiudono in un
unico dispositivo alcuni o tutti i componenti
sopradescritti.
Modulo processore
Le modalità tipiche di un PLC, spesso attivabili tramite
una chiave hardware per prevenire commutazioni
accidentali, sono quelle di esecuzione (RUN), di
validazione e di programmazione.
• Modalità di esecuzione: il programma utente viene
eseguito e le uscite aggiornate secondo la seguente
modalità:
Lettura ingressi (IPI)
Esecuzione programma
Autodiagnostica
Scrittura uscite (IPU)
• Modalità di validazione: il programma viene eseguito ma
l’aggiornamento delle uscite è disabilitato (fase di test del
software).
• Modalità di programmazione: il programma viene
scaricato.
Moduli di ingresso/uscita
Sono sia digitali che analogici e permettono, nella
maggior parte dei casi, di connetter direttamente il
PLC ai vari dispositivi presenti sul campo, riducendo
al minimo la necessità di ulteriori condizionamenti del
segnale.
La modularità prevista per i moduli di I/O e la
disponibilità di molti differenti tipi rendono possibile
una realizzazione del sistema PLC tagliata per il
particolare problema che si sta affrontando.
Il loro indirizzamento da programma, cioè gli indirizzi
delle parole di memoria dove vengono memorizzati gli
stati degli ingressi e delle uscite, dipende da dove
fisicamente il modulo viene posto nell’armadio, o negli
armadi del PLC.
Moduli speciali
Nell’ambito di un sistema PLC esiste una vasta gamma
di moduli che realizzano delle funzionalità speciali in
maniera da rendere il sistema ancora più flessibile e
più adeguato a rispondere a diverse esigenze.
• Moduli di I/O remoto. Se il numero di punti di
ingresso e di uscita è elevato ed essi sono inoltre
disposti su una superficie molto estesa, è conveniente
realizzare il cosiddetto I/O remoto. In questo caso, vi
sono armadi di I/O sparsi nell’impianto che sono poi
collegati al PLC attraverso un modulo di I/O remoto
che provvede a inviare lo stato degli ingressi e delle
uscite dell’armadio in cui è montato attraverso una
linea seriale.
• Moduli per la connessione in rete. Sono moduli che
gestiscono i protocolli di comunicazione per le
diverse tipologie di reti informatiche che possono
coinvolgere un sistema PLC (bus di campo, reti
proprietarie, Ethernet).
• Moduli coprocessore. Sono moduli che contengono
un vero e proprio calcolatore convenzionale il quale
può accedere direttamente ai dati contenuti nella
memoria del PLC. Con tali moduli è possibile eseguire elaborazioni anche complesse attraverso
programmi scritti in linguaggi di programmazione
classici come il Basic o il C.
• Moduli PID. Se la regolazione PID non è
disponibile, o non può essere eseguita direttamente
dal PLC a causa della lunghezza del ciclo di
scansione, tale modulo permette di avere a
disposizione alcune anelli PID a cui il PLC deve
limitarsi a fornire i riferimenti. Contengono le
funzionalità tipiche dei regolatori industriali
(autosintonia, commutazione bumpless A/M).
• Moduli di servo. Sono moduli che realizzano
direttamente e in maniera autonoma, l’asservimento
di uno o più motori a passo, idraulici, in c.c., con
encoder incrementali.
Nota: la temporizzazione dei PLC è molto maggiore
delle costanti di tempo dei servomeccanismi di
posizione, per cui è necessario avere delle schede di
controllo assi.
• Moduli encoder. Realizzano tutte le funzionalità
necessarie per utilizzare uno o più encoder
incrementali o assoluti. Sono essenzialmente moduli
con contatori ad alta velocità.
• Moduli interfaccia operatore. Rendono possibile il
colloquio di un operatore con il PLC attraverso
tastiere e display alfanumerici. Attualmente questo
tipo di funzionalità viene sempre più spesso
realizzato con calcolatori tradizionali connessi in rete
con i PLC.
Classificazione dei PLC
• MicroPLC: trattano fino a 64 punti di I/O,
generalmente tutti di tipo digitale. Non hanno una
struttura modulare ad armadio e sono principalmente
utilizzati come sostituzioni di logiche a relè in
applicazioni come il controllo di ascensori, lavatrici,
ecc.
• Piccoli PLC: trattano da 64 a 512 punti di I/O, in
maggior parte digitali ma anche analogici. Hanno
struttura modulare ad armadio.
• Medi PLC: trattano da 64 a 512 punti di I/O, hanno
struttura modulare ad armadio, gestiscono I/O remoti
e sono arricchibili con moduli speciali.
• Grandi PLC: trattano migliaia di I/O e sono di solito
utilizzati come supervisori di celle automatizzate.
Programmazione dei PLC
Il programma viene codificato in uno dei formalismi
messi a disposizione del costruttore attraverso un
dispositivo di programmazione (attualmente ormai
sempre un PC) che poi lo compila e trasmette al
microprocessore del PLC. Tra i vari linguaggi,
recentemente standardizzati dalla normativa IEC1131,
i più diffusi risultano essere il Ladder-Diagram, che
riproduce praticamente uno schema elettrico
funzionale, il Logic-Chart che fa invece uso di porte
logiche (AND, OR, NOT) ed il linguaggio istruzioni,
più vicino alle modalità di programmazione a basso
livello del microprocessore stesso (basati sulla logica
dello STACK).
START
Marcia
START
Marcia
OR
Marcia
STOP
Marcia
AND
STOP
Ladder Diagram
Logic Chart
Load MARCIA
Load STOP
not
and
Load START
or
Store MARCIA
Linguaggio strutturato
Sistemi SCADA
(Supervisory Control And Data Acquisition)
E’ un software modulare che supporta la funzioni di
acquisizione dei dati e la loro archiviazione,
l’interfaccia uomo-macchina con sinottici statici e
dinamici, grafici (trend), il monitoraggio e la gestione
allarmi e il controllo.
Il nucleo di tale struttura è rappresentato dalla base dati
di processo a cui tutti gli altri moduli che compongono
il sistema fanno riferimento.
Figura Chiacchio pag. 157
Non tutti i moduli sono necessariamente presenti!
La base dati di processo
E’ il nucleo di ogni sistema SCADA. Già un sistema di
controllo di piccole e medie dimensioni deve
tipicamente gestire centinaia se non migliaia di punti di
interfaccia con il processo e sarebbe quindi impossibile
gestire il flusso di informazioni relativo con moduli
software specifici. Vi è quindi la necessità di avere un
metodo sistematico per processare tale informazioni,
conservando insieme ad esse tutta una serie di
parametri che sono necessari per la corretta gestione
dell’informazione.
Modulo di comunicazione (driver)
• Si occupa essenzialmente della gestione delle
comunicazioni con i vari dispositivi e del controllo
del trasporto delle informazioni, gestito attraverso
tecniche classiche di comunicazioni, via linea seriale
o rete informatica.
• Si deve anche occupare dell’interpretazione dei
messaggi e del legame bidirezionale tra base dati del
processo e dispositivi (RTU: Remote Terminal Unit).
• Può anche consentire la comunicazione con altri
applicativi in esecuzione sullo stesso elaboratore,
ottenuta attraverso gli strumenti tipici dell’ambiente
operativo (ad es. uno SCADA che funziona in
ambiente Windows è fornito di un driver per il DDE
che permette il collegamento tra lo SCADA e altri
applicativi come un foglio elettronico e un
programma di gestione data base tradizionale).
Interfaccia operatore
• Deve permettere come minimo l’accesso alla base
dati (selezione delle variabili, dei campi,
ordinamento su campi specificati, interrogazione).
• E’ inoltre prevista la possibilità di impostare delle
pagine grafiche che rappresentano pannelli di
comando e quadri sinottici dell’intero impianto o
parti di esso. I pannelli di comando permettono
all’utente di inviare comandi tramiti simboli grafici.
• Nei quadri sinottici vi sono elementi statici e
dinamici (è importante la coerenza, ad esempio per
gli allarmi).
• A disposizione vi è una libreria di oggetti grafici per
configurare a piacere sinottici anche complessi.
• Attualmente vi sono sviluppi multimediali (filmati,
comandi vocali, ecc.).
Gestione allarmi
• E’ possibile programmare i tipi di allarme e definirne
le priorità.
• Oltre ad essere comunicata immediatamente
all’operatore, l’insorgenza di un allarme viene in
genere memorizzata su memoria non volatile per
consentire un’analisi a posteriori del numero, della
frequenza e del tipo di allarmi verificatosi
nell’impianto.
Gestione ricette
• Deve gestire delle sequenze di operazioni
predefinite.
• Tali sequenze possono essere fatte eseguire sulla
base di scadenze temporali, o al verificarsi di eventi
particolari, o immediatamente alla richiesta
dell’operatore.
• In genere l’uso delle ricette serve ad impostare i dati
di impianto di ciascun processo in un ambiente
multiprocesso e i dati di ciascun prodotto in un
ambiente multiprodotto.
• Tali dati rappresentano i parametri che devono
essere forniti alle macchine che eseguono
effettivamente le varie fasi della lavorazione.
Tendenze e rapporti
• Tiene traccia dei ritmi di produzione, sia attraverso
serie storiche (a scopo di diagnostica oppure per
soddisfare obblighi di legge), sia attraverso la
rappresentazione grafica in tempo reale (per poter
intervenire tempestivamente in caso di malfunzionamento).
• Il sistema SCADA può generare rapporti (cartacei
e/o informatici) in corrispondenza di scadenze
temporali impostate oppure al verificarsi di eventi
particolari.
Supporto alla manutenzione
• Manutenzione correttiva: individuazione dei guasti e
segnalazione all’operatore del tipo di intervento
richiesto.
• Manutenzione preventiva: segnalazione degli
interventi che vanno compiuti o dopo un tempo
prefissato oppure dopo un certo numero di ore di
funzionamento.
Sistema esperto
• Supporto per la decisione della modalità di
comportamento del sistema in risposta a determinati
eventi.
• Utilizzo di tecniche di intelligenza artificiale.
Controllo statistico di processo
• Si fa un’analisi statistica dei dati (media, varianza)
per verificare eventuali malfunzionamenti.
DCS (Distributed Control Systems)
• Originariamente il nome er riferito al fatto che le
funzioni di controllo e supervisione erano distribuite
tra più CPU.
• Oggi si intende che le diverse CPU sono distribuite
all’interno dell’impianto e la capacità di elaborazione
è portata laddove serve, con la riduzione dei costi di
installazione, dei cablaggi e della manutenzione.
• Componenti fondamentali sono le unità a microprocessore per la gestione degli I/O (usualmente localizzate in modo opportuno nell’impianto) e del controllo, le interfacce uomo-macchina (disposte nelle sale
di controllo) e le strutture di comunicazione (reti
digitali).
• Si contraddistinguono rispetto ai PLC per la
“ricchezza” a livello informatico, per l’uso di reti
digitali di grande potenza e per aspetti elettronicomeccanici di costruzione (ridondanza).
Architettura hardware
• Unità di controllo e misura (UCM): interfaccia verso
il campo, funzioni di controllo (PID, PLC, avanzate)
gestione delle comunicazioni verso la rete. Spesso
tutti i componenti sono ridondati.
• Rete di processo: deve essere in grado di sopportare
il traffico conseguente al numero e alla dislocazione
delle UCM e di tipo e numerosità dei relativi segnali
di I/O.
• Interfaccia operatore: PC con WindowsNT, monitor
che forniscono una visione del processo (grandi
dimensioni), workstation tecniche per la configurazione
Funzionalità
• Supervisione:
o gestione ed elaborazione dei dati (grafici degli
andamenti, individuazione degli allarmi, ecc.);
o interfaccia uomo-macchina (per la conduzione
dell’impianto, per la segnalazione degli allarmi,
per la configurazione del sistema, per la
diagnostica, per la gestione della produzione,
ecc.).
• Controllo:
o regolazioni analogiche (PID, MPC, ecc.);
o regolazioni logiche;
o sequenze di processo (ad es. all’avvio).
• Protezione:
o Scoperta di condizioni di funzionamento
anomale non recuperabili e conseguente arresto
del processo e messa in sicurezza.
Configurazione del sistema
• Denominare i segnali sui canali di ingresso e
indicarne la tipologia.
• Assegnare i limiti di allarme.
• Costruire gli schemi di regolazione (graficamente).
• Costruire sinottici animabili.
• Costruire le pagine di stampa.
• Assegnare le frequenze di campionamento e
memorizzazione dei segnali acquisiti.
• Effettuare la taratura dei parametri dei regolatori.
• Creare e installare la base di dati.
Software
• Software esecutivo. Costituito dai sistemi operativi
di calcolatori e microprocessori (WindowsNT per PC
e workstation, kernel real-time per i microprocessori
delle UCM).
• Software di supporto di sistema. Programmi che
aiutano l’utente nello sviluppo di applicativi
(compilatori, editor, ecc.).
• Software applicativo. Per le funzioni di controllo e
supervisione (lettura degli ingressi, calcolo delle
variabili di controllo, ecc.).
• Software di comunicazione.
• Software di configurazione. Editor grafici per la
creazione delle pagine video, ecc.
gestione
dell’impianto
Calendario di
produzione
(PIMS)
Report di
produzione
strategie di
produzione
gestione dell’unità
produttiva
DateBase delle
ricette
(DCS / SCADA)
PV, MV, A/M
SV, P,I,D
controllo del
processo
produttivo
PV, Allarmi
MV
dispositivi sul
campo
PID
control
(DCS /
PLC)
Sistemi di comunicazione per architetture di
controllo distribuite
• Reti informatiche. Collegano i sistemi di
supervisione di alto livello con altri sistemi
informativi di azienda. La trasmissione non deve
soddisfare specifiche di tempo reale, per cui si
possono usare protocolli standard (TCP/IP).
• Reti per il controllo. Collegano i dispositivi dedicati
al controllo con quelli di supervisione. Devono
garantire l’assenza di errori e il rispetto di vincoli
temporali (per permettere la sincronizzazione delle
operazioni del processo produttivo). Manca una
standardizzazione, per cui le reti sono in genere
proprietarie.
• Reti di campo (fieldbus). Collegano i dispositivi di
controllo con i sensori e gli attuatori dotati di interfaccia digitale (smart). I vantaggi dell’utilizzo del
fieldbus sono:
o Semplificazione architetturale (facile espandibilità e riconfigurabilità).
o Riduzione del cablaggio (e quindi dei costi di
installazione e manutenzione).
o Possibilità di trasmettere informazioni di alto
livello (autodiagnosi).
o Maggiore robustezza della trasmissione (essendo
digitale).
L’ostacolo principale per la diffusione del bus di
campo consiste nella scarsità di dispositivi (sensori ed
attuatori) presenti sul mercato con interfaccia compatibile alla rete di campo.
Vi è quindi un motivo commerciale più che
tecnologico, dal momento che non vi è uno standard
riconosciuto per la rete di campo, come per la rete di
controllo.
Tuttavia in quest’ultimo caso l’esigenza è meno
sentita perché i dispositivi sono prodotti da una stessa
casa costruttrice, mentre nel primo caso gli elementi
del sottosistema sono prodotti generalmente da
costruttori diversi e risulta quindi difficile assemblare
i componenti in un sistema integrato.
LIVELLO INGEGNERIA E OPERATIVO
Console
model HIS
HIS = Human Information Station
Console
model HIS
PC based
model HIS
PC based
model HIS
V-net
Field Control Station (FCS)
LIVELLO DI CONTROLLO
RS485
LIVELLO I/O e RTU
Fieldbus