AUTOMAZIONE
PLC51
di G.Filella e C. Befera
[email protected]
Ecco il “piccolo Davide”, un ottimo esempio di come l’elettronica si integra con l’informatica:
un potente PLC controllabile tramite la porta seriale di un personal computer.
Chi lavora con l’elettronica da diversi
anni ha certamente apprezzato le
ottime caratteristiche del PLC51 che vi
abbiamo descritto nel numero di gennaio. In questa seconda parte illustreremo le caratteristiche circuitali e la
realizzazione pratica delle tre schedine: CPU – Adapter per PC – Interfaccia
di potenza. Tutto questo è necessario
per comprendere ed utilizzare il PLC
in abbinamento al software per PC, in
grado di mettere a disposizione una
serie di strumenti che diventano parte
integrante del circuito e che garantiscono la possibilità di utilizzare il dispositivo per una grande varietà di
applicazioni, dall’Home Automation
alla realizzazione di automatismi per
macchine elettriche.
SCHEMA ELETTRICO
MICRO CPU
Il cuore di questa scheda è il microcontroller Atmel AT89C2051, dotato
di 15 porte di I/O bidirezionali, un’interfaccia uart programmabile, 2 timer
e un comparatore analogico.
All’interno della memoria del microcontrollore risiede un programma
interprete in grado di riconoscere e
gestire tutto il set di istruzioni previste
dal sistema PLC. Come visibile dallo
schema nel nostro progetto sono utilizzati 11 port/pin, 6 configurati come
input digitali e 5 configurati come output e tutti fanno capo al connettore a
17 poli che costituisce il collegamento
verso l’esterno. Questi 11 segnali piloteranno direttamente, od attraverso la
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scheda d’interfaccia, i sensori e gli
attuatori che il PLC dovrà gestire. Altri
2 port/pin del controller (tx ed rx dell’uart) sono collegati al connettore al
quale viene allacciato l’Adapter per il
collegamento con il PC. Per ridurre le
dimensioni della schedina ed evitare
batterie tampone, si è utilizzata un
eeprom seriale 24C16 gestita in scrittura e lettura dal micro attraverso gli
ultimi 2 port/pin dei 15 disponibili.
A questi pin vengono assegnate le funzioni di SDA e SCL, tipiche per questa
famiglia di eprom. Nella memoria
saranno salvati i programmi come
sequenza di istruzioni che il micro
dovrà eseguire. Completano la scheda
CPU il circuito di clock, con il tipico
quarzo da 11.059MHz, il circuito di
reset del controller (segnale disponile a
connettore) e lo stabilizzatore di tensione a 5 Vcc.
SCHEMA ELETTRICO
ADAPTER RS232
I segnali tx e rx del microcontroller
sono di tipo TTL, mentre per comunicare con un’interfaccia seriale standard
di un PC occorrono livelli di tensione di
+/- 12V o poco inferiori, valori tipici
dello standard RS232. Per ovviare a
questo inconveniente si è prevista una
piccolissima scheda contenente un
adattatore di livelli da standard TTL a
RS232 , realizzato con il classico integrato MAX232. Secondo quanto consigliato dal costruttore, nello schema
elettrico sono presenti, oltre all’integrato, solo i condensatori C1, C2, C3, C4
e C5 controllati dall’integrato stesso.
SCHEMA ELETTRICO
INTERFACCIA POTENZA
Per collegare sensori (fotocellule, rilevatori induttivi ecc.) ed attuatori (relè
AUTOMAZIONE
Schema elettrico MICRO CPU
AUTOMAZIONE
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Figura 1
AUTOMAZIONE
Figura 2
Circuito stampato della basetta CPU51 visto dal lato rame in scala 1:1 e dal alto componenti.
ELENCO COMPONENTI
CPU51
• R1: resistore da 10 kΩ 1/4 W
• R2: resistore da 10 kΩ 1/4 W
• C1: condensatore elettrolitico
da 3,3 µF/50 V
• C2: condensatore ceramico
da 0,1 µF
• C3: condensatore elettrolitico
da 3,3 µF/50 V
• C4: condensatore elettrolitico
da 3,3 µF/50 V
• C5: condensatore ceramico
da 15 pF
• C6: condensatore ceramico
da 15 pF
• D1: IN4148
• Q1: Quarzo 11.0592 MHz
• U1: AT89C2051
• IC1: 78LM05
• IC2: M24C16
Figura 4
di potenza, elettrovalvalvole, ecc.) al
PLC occorre una interfaccia in grado
di gestire i livelli di tensione previsti
per questo tipo di componentistica.
Esistono vari standard industriali previsti come circuiteria di ingresso/uscita
dei dispositivi a logica programmabile
ma il più utilizzato, e quindi il più
affermato, è sicuramente il PNP
24Vcc. Questo standard prevede che
un segnale sia inteso “vero” o a livello
1 se la tensione dello stesso ha un
valore di circa 20-30Vcc.
Per il PLC51 si è realizzata un’interfaccia industriale PNP 24Vcc in grado di
innalzare le tensioni TTL delle uscite
della CPU e di adattare (diminuire da
24Vcc a 5Vcc) le tensioni restituite dai
sensori industriali PNP. Oltre a tutto
questo la scheda d’interfaccia, tramite
LED, visualizzerà lo stato di tutti i
Schema elettrico, circuito stampato e disposizione dei componenti dell’ADAPTER RS232
64 AUTOMAZIONE
Figura 3
Disposizione dei componenti
sul circuito stampato
ELENCO COMPONENTI
ADAPTER
• C1: condensatore elettrolitico
da 3,3 µF 50V
• C2: condensatore elettrolitico
da 3,3 µF 50V
• C3: condensatore elettrolitico
da 3,3 µF 50V
• C4: condensatore elettrolitico
da 3,3 µF 50V
• C5: condensatore ceramico
da 0,1 µF
• IC1: circuito integrato MAX232
segnali gestiti, sia in input che in output. La scheda, tramite un connettore a 17 poli femmina a pettine, riceve
tutte le connessioni dalla scheda CPU
mentre, attraverso 2 morsettiere (8
poli) a vite, avviene il collegamento
AUTOMAZIONE
Schema elettrico INTERFACCIA POTENZA
AUTOMAZIONE
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Figura 5
AUTOMAZIONE
degli input e degli output.
L’adattamento dei livelli di ingresso si
effettua tramite partitore resistivo e la
tensione in ingresso alla scheda CPU
viene stabilizzata a 4,7Vcc tramite
Zener. Il LED, posto direttamente sull’ingresso a 24Vcc, svolge la duplice
funzione di segnalazione ingresso attivo e controllo inversione polarità.
L’adattamento dei livelli di uscita
avviene tramite un buffer integrato
ULN2803 che pilota, oltre al LED di
segnalazione output attivo, anche il
transistor pnp di uscita BD140. Sulla
scheda sono duplicati, tramite altri
due connettori a pettine, il segnale di
reset esterno ed i segnali di rx, tx, +5V
e gnd per l’Adapter seriale.
REALIZZAZIONE PRATICA
Il PLC51 è stato realizzato modular-
mente per poter essere inserito nell’apposito contenitore visibile in figura 8 e i cui circuiti stampati, progettati allo scopo, sono visibili nelle figure
2, 4, 6 . Analogamente, le figure 3, 4
e 7 illustrano la disposizione dei componenti. Seguendo i piani di montaggio riportati, crediamo che non esistano particolari difficoltà in fase realizzativa. Per quanto riguarda la scheda
Micro CPU, si dovrà iniziare il montaggio saldando i componenti nel
modo seguente: resistenze, diodo,
regolatore di tensione 78LM05, condensatori, zoccoli da 20 e 8 pin che
ospiteranno il microcontroller e la
eeprom ed, infine, il connettore a pettine da 17 poli ed il quarzo. Una volta
realizzata, questa scheda, potrebbe
lavorare in modo autonomo con il
solo ausilio dell’Adapter seriale, si
dovrà solo tenere conto dei livelli
gestibili, ovvero pochi milliampere a
5Vcc. La costruzione dell’Adapter per
RS232 è semplicissima, si potrà omettere anche lo zoccolo per il MAX232,
vista la robustezza e l’affidabilità dello
stesso. Una volta saldati l’integrato ed
i condensatori, si dovranno montare i
terminali dove andranno saldati i fili
dei due cavetti di collegamento, intestati in questo modo:
• Connettore a vaschetta 9 poli femmina verso il PC.
• Connettore a pettine 4 poli femmina verso la Micro CPU o interfaccia
di potenza.
L’Adapter dovrà essere alloggiato in
un piccolissimo contenitore di protezione. Leggermente più complessa
Figura 6 Circuito stampato della basetta INTERFACCIA POTENZA visto dal lato rame in scala 1:1 e dal alto componenti.
66 AUTOMAZIONE
AUTOMAZIONE
Disposizione dei componenti sul circuito stampato INTERFACCIA POTENZA
sarà la realizzazione dell’interfaccia di
potenza: anche in questo caso si dovrà
iniziare il montaggio e la saldatura dai
componenti più piccoli (resistenze,
diodi), per continuare con i condensatori, lo zoccolo per l’integrato
ULN2803, le morsettiere ed i connettori, i transistor, il regolatore di tensione ed infine i LED. Se la scheda sarà
inserita all’interno di un apposito contenitore, si dovrà tenere conto che i
LED devono essere visibili dall’esterno,
quindi occorrerà prevedere la giusta
misura dei reofori, oppure rimandare
Il contenitore in cui inserire
il PLC51
Figura 8
la saldatura dei LED solo quando ci si è
procurati il contenitore. La Micro CPU
sarà connessa alla scheda d’interfaccia
di potenza tramite i relativi connettori
da 17 poli, e tutte le connessioni con il
“mondo esterno”, ad esclusione della
fase di programmazione, saranno
effettuate tramite le 2 morsettiere a
vite da 8 poli che prevedono anche l’alimentazione a 24Vcc del PLC. La scheda,una volta programmata, potrà
essere resa autonoma “ponticellando”
i pin rx e tx presenti sul connettore a 4
poli dell’interfaccia. Prima di alimentare il PLC, consigliamo di controllare
molto attentamente le saldature effettuate, considerato che le schede
hanno delle piste particolarmente ravvicinate e, prima di fornire tensione, è
buona norma controllare con un multimetro eventuali falsi contatti, cortocircuiti e saldature fredde.
LA PROSSIMA PARTE
Nella prossima puntata, che concluderà la descrizione del PLC51, ci occuperemo esclusivamente del software in
grado di gestire tutto il PLC. Come
abbiamo già accennato, questa sezione è stata particolarmente curata sia
Figura 7
dal punto di vista funzionale che da
quello grafico. Ci raccomandiamo,
quindi, di non perdere il prossimo
numero!
Electronic shop
13
ELENCO COMPONENTI
INTERFACCIA DI POTENZA
• R1-R6: resistori da 2,2 kΩ
• R7-R13: resistori da 1,5 kΩ
• R14-R18: resistori da 3,3 kΩ
• R19-R23: resistori da 1,5 kΩ
• C1: condensatore elettrolitico da 3,3 µF/50 V
• C2: condensatore elettrolitico da 3,3 µF/50 V
• C3: condensatore ceramico da 0,1 µF
• C4-C9: condensatori ceramici da 10 nF
• C10: condensatore elettrolitico
da 0,1 µF/50 V
• D1-D6: ZENER 4.7V
• D7-D12: LED Rossi D=3mm
• D13: LED Verde D=3mm
• D14-D18: LED Rossi D=3mm
• D19: IN 4007
• TR1-5: BD140
• IC1: LM7812
• IC2: ULN2803
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