Automation
Robotics and
System
CONTROL
Università degli Studi
di Modena e Reggio Emilia
Automazione Industriale
2 - I sistemi di controllo per l'Automazione
Industriale
Cesare Fantuzzi ([email protected])
Ingegneria Meccatronica
Ingegneria della Gestione Industriale
AA 2010/2011
Sommario
ּס
ּס
ּס
ּס
ּס
Piattaforme per l’automazione.
Sistemi Embedded,
i Programmable Logical Controller (PLC).
Descrizione fisica della piattaforma di controllo.
Descrizione logica del sistema di controllo.
C. Fantuzzi
Automazione Industriale - 2. I Sistemi di
Controllo per l'Automazione Industriale
2
Obiettivi didattici del modulo
ּסConoscere i principi dei sistemi di controllo per
l’automazione, incluse le problematiche peculiari (tempo
reale, concorrenza).
C. Fantuzzi
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Controllo per l'Automazione Industriale
3
Sistema Informatico per
l’elaborazione dati (Office)
ּסUn sistema per l’elaborazione
dati (office) e’ predisposto a
leggere dati in ingresso,
applicare un determinato
algoritmo e terminare.
ּסIl tempo di elaborazione dati
non e’ fondamentale alla
correttezza della elaborazione.
C. Fantuzzi
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Controllo per l'Automazione Industriale
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Sistema Informatico per
l’Automazione
ּסIl sistema deve controllare un processo
fisico in modo continuativo.
ּסIn modo continuativo, esegue le
seguenti operazioni:
– Acquisizione dei segnali sensoriali
– Applicazione di un algoritmo di controllo
– Attuazione dei segnali di controllo
ּסIl tempo di elaborazione dati e’
fondamentale per la correttezza del
funzionamento del sistema di controllo.
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Controllo per l'Automazione Industriale
5
Ciclo operativo del sistema di
controllo
C. Fantuzzi
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6
Vincoli REAL TIME (RT)
ּסUn sistema di controllo e’ ha un funzionamento
corretto se:
– E’ logicamente corretto.
– Termina la sua esecuzione rispettando vincoli
temporali assegnati.
ּסSono detti Sistemi a Tempo Reale (Real Time
System) quei sistemi che falliscono se non
sono rispettati determinati vincoli temporali.
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Sistema Operativo a Tempo Reale
(Real Time)
ּסUn sistema operativo real-time o in tempo reale
(abbreviato in RTOS) è un sistema operativo
specializzato per il supporto di applicazioni
software real-time.
ּסQuesti sistemi vengono utilizzati tipicamente in
ambito industriale (controllo di processo,
pilotaggio di robot, trasferimento di dati nelle
telecomunicazioni) o comunque dove sia
necessario ottenere una risposta dal sistema in
un tempo massimo prefissato.
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Real Time = Sistema Veloce?
ּסNon Necessariamente.
ּסDa un punto di vista puramente teorico l'intervallo di
tempo in cui il sistema operativo/applicativo deve reagire
non ha importanza
ּסInfatti un sistema operativo in RT non deve essere
necessariamente veloce, la cosa importante è che
risponda entro un tempo massimo perfettamente
noto.
C. Fantuzzi
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Assignment
ּסSia dato un sistema con carro ponte. Si vuole gestire il
problema di evitare che a causa di un errore di
programmazione il carro ponte colpisca un fine corsa
meccanico.
ּסSi progetta un controllo di sicurezza che legge ad ogni ciclo
di attivazione un sensore di posizione (diverso da quello
usato per il controllo, un sensore di sicurezza).
ּסIn caso di attivazione del sensore, il controllo di sicurezza
deve arrestare il motore.
ּסSi supponga che lo spazio di arresto sia di x e che la
velocità di avanzamento del carro sia v.
ּסSi calcoli il tempo massimo di intervento del sistema di
sicurezza (vincolo real-time da imporre).
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10
Real Time non significa
necessariamente veloce.
ּסEsempio 1:
Un sistema di controllo asse necessita di acquisire il riferimento
di posizione dell'asse controllato ogni (in genere) 1/2 millisecondi.
Se l'acquisizione non avviene nel tempo fissato, il sistema non
e’ in grado di controllare efficacemente l'asse.
Il singolo dato e’ di per se’ critico.
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11
Real Time non significa
necessariamente veloce (Cont.)
ּסEsempio 2:
Un sistema di supervisione e’ programmato per acquisire la
corrente degli avvolgimenti di un motore Brushless per scopi di
diagnostica. Tali acquisizione deve avvenire con periodo (in
genere) di 0.5 millisecondi.
Se l'acquisizione non avviene nel tempo fissato (in modo
saltuario e non continuativo) il dato corrente viene perso. Il
sistema di diagnosi tuttavia continua a funzionare regolarmente.
Il singolo dato non e’ per se critico.
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Hard e Soft Real Time.
ּסUn sistema si dice Hard RT se il non rispetto di un
vincolo temporale significa il fallimento completo
dell'applicazione.
ּסUn sistema si dice Soft RT se il non rispetto di un
vincolo temporale che avvenga in modo saltuario
diminuisce la prestazione del sistema senza provocarne
il fallimento
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Sistemi misti (Hard e Soft)
ּסIl funzionamento di un sistema meccatronico ha
specifiche miste
– Esecuzione del controllo (Hard RT)
– Supervisione (Soft RT)
– Comunicazione (Hard/Soft RT).
ּסInoltre le specifiche sulla esecuzione dei
processi possono essere differenti.
– Acquisizione della posizione di un motore (mS).
– Acquisizione della corrente per il controllo del motore
(microS).
– Acquisizione della temperatura di un forno (sec.).
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Sistema multitask
ּסIl sistema di controllo deve essere strutturato su
processi (Tasks) che:
– vengono eseguiti in parallelo.
– hanno specifiche temporali differenti
ּסL’Hw e il Sw di un sistema di controllo deve
permettere l’esecuzione di processi paralleli
(sistema multitasks) che debbono essere
eseguiti logicamente in parallelo.
ּסIl parallelismo e’ in realta’ di tipo simulato, e il
tempo di calcolo della CPU è suddiviso tra i
processi attivi.
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Priorità di processi
ּסA ciascun processo viene assegnata una priorità di
esecuzione allo scopo di assicurare il rispetto dei vincoli
RT.
ּסCiascun processo viene messo in esecuzione in base
alla sua priorita’ in base alle politiche di gestione delle
priorita’ implementate dal Sistema Operativo.
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Multitasking
ּסA ciascun task vengono assegnate:
– Periodo di riesecuzione
– Priorita’
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Task scheduling
ּסNon Preemtive.
– Il processo di priorita’ piu’ elevata viene messo in
esecuzione, senza pero’ interrompere il processo
correntemente attivo (non è adatto alla gestione di
processi RT).
ּסPreemtive
– Il processo di priorita’ piu’ elevata viene messo in
esecuzione, interrompendo il processo correntemente
attivo.
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Multitasking Preemptive
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Multitasking non preemptive
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Comunicazione fra processi
concorrenti
ּסI processi devono poter comunicare (es. un processo per
l’acquisizione dei segnali dai sensori deve mandare i
valori acquisiti al processo per il calcolo dell’algoritmo di
controllo).
ּסIl meccanismo più semplice per lo scambio dei dati
consiste nell’utilizzare un’area di memoria condivisa.
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21
Scambio dati mediante memoria
condivisa.
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Sincronismo dei dati
ּסOccorre mantenere l’integrita’ dei dati tra scrittura e
lettura.
ּסOccorre evitare che un processo legga un vettore
mentre un secondo processo lo sta’ aggiornando.
ּסEsistono due possibilita’ per garantire l’integrita’
della struttura dati:
– Impedire che il Sistema Operativo possa interrompere
l’esecuzione della scrittura dei dati -> Disabilitazione
interrupts
– Segnalare che un processo sta effettuando una scrittura di dati
-> Uso di semafori
C. Fantuzzi
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23
Interrupts
ּסun interrupt è un meccanismo che consente
l'interruzione di un processo qualora si verifichino
determinate.
ּסL’interrupt e’ un segnale o messaggio, generalmente di
natura asincrona, che arriva all'interno della CPU per
avvisarla del verificarsi di un certo evento.
ּסUn uso e’ quello di segnalare il cambio di contesto per
implementare il multitasking.
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Disabilitazione interrupts per la
sincronizzazione di processi
Processo “A”
DisableInt( );
for (i++,1,10)
Array[i]=dato;
EnableInt( );
C. Fantuzzi
Processo “B”
Array
DisableInt( );
for (i++,1,10)
dato=Array[i];
EnableInt( );
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Utilizzo di un semaforo per la
sincronizzazione di processi
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Deadlock
ּסIl meccansimo del semaforo deve essere utilizzato in
modo accorto, in quanto puo’ produrre deadlock di
processi e inversione di priorita’.
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27
Esempio: Pathfinder
C. Fantuzzi
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Hardware per il controllo di
sistema
ּסLa configurazione di un sistema di controllo industriale si
compone di:
– Un sistema di acquisizione dati dal campo, in grado di
acquisire segnali analogici, digitali o logici a seconda della
applicazione di controllo;
– Un sistema a microprocessore per l’esecuzione dell’algortimo
di controllo.
– Un sistema di attuazione dei segnali di controllo,
comprendente i dispositivi per l'interfacciamento con motori
elettrici o attuatori pneumatici operanti sul campo.
– Dispositivi di temporizzazione (timer), per la gestione real time
dei processi.
– Dispositivi di interfaccia con altri sistemi remoti (RS232,
TCP/IP, ....) o con l'utente (tastiera, schermo);
C. Fantuzzi
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Hardware per il controllo
(cont.)
ּסUn sistema di controllo industriale puo’ essere
realizzato con:
– Una unica scheda, su cui sono concentrati i dispositivi
per il controllo (Sistema integrato o Embedded)
– Distributiti su piu’ schede collegate fra di loro
mediante un bus di comunicazione (sistema a bus)
Un bus di comunicazione e’ un insieme di linee
elettriche su cui vengono trasmesse informazioni e
comandi logici (dati, indirizzi, segnali di
sincronizzazione).
C. Fantuzzi
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Un esempio di sistema
Embedded
Attuazione del segnale
Microprocessore
Porte seriali
di comunicazione
Acquisizione del segnale
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Il sistema a bus VME
Cestello o Rack
Bus del sistema
Scheda alloggiata nel rack
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Sistemi Embedded vs a BUS
Sistemi Embedded
Pro
•Ottimizzazione del
sistema
•Elevate prestazioni
Contro •Necessita’ di
sviluppare l’intero
sistema (HW e SW).
•Non flessibili.
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Sistemi a BUS
•Flessibili
•Sviluppo rapido (solo
software)
•Non ottimizzati.
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Sistemi Embedded vs a BUS
(cont.)
ּסI sistemi embedded sono adatti a produzioni di elevata
scala, in cui i maggiori costi di progetto vengono
suddivisi su grandi volumi di rpoduzione.
ּסI sistemi a bus sono adatti a produzioni di bassa scala, in
cui la rapididita’ di sviluppo e i costi limitati di progetto
(solo riguardanti software) sono preferiti.
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PLC
ּסIL Programmable Logic Controller è un sistema a BUS
diffusissimo nel campo della automazione industriale.
ּסLe sue caratteristiche principali sono:
–
–
–
–
robustezza
semplicita’ di programmazione
modularita’
espandibilita’
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Componenti del PLC
ּסL'armadio, o cestello o rack, che contiene e racchiude tutti gli altri
moduli che compongono il PLC, assicurandone la connessione
meccanica ed il collegamento elettrico (bus).
ּסIl modulo di alimentazione, che fornisce alimentazione ai moduli
elettronici installati nel cestello.
ּסIl modulo processore, che esegue le elaborazioni necessarie al
controllo di sistema.
ּסI moduli di ingresso/uscita, che permettono l'interfacciamento del
PLC con i sensori e gli attuatori sul campo.
ּסAltri moduli aggiuntivi richiesti da particolari applicazioni, quali
espansioni di memoria, moduli di conteggio, porte seriali, schede di
rete etc.
C. Fantuzzi
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Architettura del PLC
Alimentatore
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Moduli
processori
Moduli di
ingresso/uscita
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Un esempio: descrizione dal manuale PLC Quantum
della Telemecanique
ּסCPU Modules: The CPU is a module residing
on the local I/O backplane. The CPU is a
digitally operating electronic system, which uses
a programmable memory for the internal storage
of user instructions. These instructions are used
to implement specific functions such as:
–
–
–
–
Logic
Process sequencing
Timing
Arithmetic
C. Fantuzzi
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38
Un esempio (cont.)
ּסI/O Modules: I/O modules are electrical signal
converters which convert signals to and from
field devices to a signal level and format which
can be processed by the CPU, such as:
–
–
–
–
–
Limit switches
Proximity switches
Temperature sensors
Solenoids
Valve actuators
All I/O modules are optically isolated to the bus,
ensuring safe and trouble-free operation. All I/O
modules are also software configurable.
C. Fantuzzi
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Un esempio (cont.)
ּסNetwork Interface Modules:
– Ethernet TCP/IP (NOE) Modules: Ethernet TCP/IP modules
make it possible for a controller to communicate with devices
on an Ethernet network using TCP/IP - de facto standard
protocol. An Ethernet module may be inserted into an
existing PLC system and connected to existing Ethernet
networks via fiber optic or twisted pair cabling.
– LonWorks Modules (NOL) modules provide connectivity
between a PLC controller and a LonWorks network, based
on Echelon’s LonWorks technology.
– Profibus DP module provides connectivity between PLC
controller and a PROFIBUS DP network.
– ControlNet module provides connectivity between PLC and
ControlNet network
C. Fantuzzi
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Un esempio (cont.)
ּסSpecial Purpose I/O Modules: Quantum
Intelligent/Special Purpose I/O modules operate
with minimum intervention from the Quantum
controller after initial downloading of module
parameters or programs. The Quantum
intelligent/special purpose I/O modules include
the following.
–
–
–
–
–
High Speed Counter modules (EHC)
ASCII Interface module (ESI)
High Speed Interrupt module (HLI)
Single Axis Motion Modules (MSx)
Multi-Axis Motion Modules (MMS)
C. Fantuzzi
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Sviluppo di una applicazione
ּסCon il termine applicazione si intende il la
configurazione e il programma software usato
per l’implementazione del sistema di controllo.
ּסLo sviluppo di una applicazione PLC segue i
passi:
– Configurazione degli ingressi (sensori) e delle uscite
(attuatori). La configurazione consiste nello
specificare i dettagli relativi ai punti di ingresso e di
uscita in modo che questi vengano riconosciuti dal
PLC.
– Progetto, scrittura e test del programma di
controllo.
C. Fantuzzi
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Indirizzamento delle variabili
nel PLC.
ּסLe variabili di ingresso e di uscita sono identificate nella
configurazione del PLC mediante un riferimento
posizionale:
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Un esempio di applicazione
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Schema di esecuzione del PLC
(dal manuale Siemens)
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Schema di esecuzione del PLC (cont.)
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46
Problemi potenziali relativi alla
struttura del ciclo PLC
ּסIl ciclo di esecuzione del PLC ha durata variabile in
modo aleatorio.
ּסEventi rapidi possono essere “persi” nell’intervallo tra un
aggiornamento degli ingressi ed il successivo.
ּסIl tempo di ciclo di esecuzione del PLC costituisce un
limite alla rapidita’ di risposta del PLC ad un allarme.
C. Fantuzzi
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Variazioni al ciclo di esecuzione
del PLC
ּסPer evitare i problemi enunciati, occorre che il
Sistema Operativo possa gestire processi
eseguiti in parallelo con priorita’ assegnate, con
meccanismo preemptive.
ּסI processi (task) da gestire sono:
– Task in esecuzione continua (free-run).
– Task eseguite periodicamente
– Task eseguite in risposta ad un segnale esterno
(interruzione).
C. Fantuzzi
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Ciclo PLC con task periodici
C. Fantuzzi
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Conclusioni
ּסAbbiamo visto le problematiche dei sistemi di controllo
per l’Automazione Industriale.
C. Fantuzzi
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50
