MECHATRONICS AND MECHANICAL DYNAMICS LABSmech.unibg.it/~righettini/downloads/corsi/pmf2010/sis_controllo.pdf · • In impianti complessi più sistemi di azionamento devono essere

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BERGAMO MECHATRONICS AND MECHANICAL DYNAMICS LABS

Prof. Paolo Righettini – Progettazione Funzionale di Sistemi Meccatronici

..

PLC e Controlli Numerici per Motion Control



Sistemi per il Motion ControlArgomenti Esposti

• Sistemi di azionamento

• Elementi caratteristici di un sistema per Motion Control

• PLC• Struttura• Sistemi di programmazione• Moduli dedicati al Motion Control

• Soluzioni basate su PC• Soluzioni Hardware e Software per il Motion Control

• Controlli Numerici• Caratteristiche funzionali• Principali configurazioni



Sistemi di Azionamento• I sistemi di azionamento sono i principali

attori per il Motion Control

• Permettono di introdurre l'energia necessaria a compiere attività di assemblaggio, movimentazione

• In impianti complessi più sistemi di azionamento devono essere fra loro coordinati • Impianti di montaggio• Macchine automatiche• Robot



Sistemi di AzionamentoConfigurazione Azionamenti

• Nelle versioni più semplici permettono di regolare il flusso di energia dalla sorgente verso il motore (PWM)

• Nelle soluzioni digitali oggi disponibili• Controllo della corrente (coppia erogata)• Controllo della velocità del motore• Controllo della posizione del motore

• Una parte delle funzioni del sistema di controllo può essere integrata nell'azionamento assieme all'alimentatore



Sistemi di Azionamento

• Chiusura degli anelli di controllo del singolo asse possono essere realizzati da:• Azionamento stesso• Motion Controller

• Coordinamento di più assi secondo uno specifico profilo di moto

• Affidato ad un sistema centralizzato

(Motion Controller)

• Le soluzioni coinvolgono sia la parte Hardware che la parte Software

Az MCtr



Sistemi per il Motion Control• È possibile attualmente distinguere quattro principali tipologie di

configurazione per la distribuzione delle attività di generazione del profilo di moto ed applicazione dell'algoritmo di controllo del moto:

1) Profilo di moto ed algoritmo di controllo elaborato dal MCa) Anello di coppia o velocità chiuso sull'azionamento

2) Profilo di moto elaborato dal master e chiusura degli anelli da parte degli azionamenti

3) Profilo di moto ed algoritmo di controllo elaborato dall'azionamento4) Profilo di moto generato off-line e preimpostato sull'azionamento, chiusura

degli anelli da parte dell'azionamento



Soluzioni per il Motion Control• Basate sui soli Azionamenti

• A basso investimento iniziale, funzioni verticalizzate sul fornitore di azionamenti

• Anelli di controllo di posizione chiusi sugli Azionamenti

• Basate su PLC• Maggior flessibilità e possibilità di configurazione rispetto al caso

precedente• Maggiore portabilità• Anelli di controllo di posizione chiusi sugli Azionamenti

• Basate su PC o CNC• Maggiore flessibilità e capacità di interpolazione dei movimenti• Possibilità di introdurre leggi di controllo complesse (anche controlli in forza)• Anelli di controllo chiusi a livello di:

• Azionamento (posizione)• Motion Controller (posizione/forza)



Basati sugli Azionamenti



Basati su PLC



Basati su PC/CNC



Elementi caratteristiciElementi caratteristici delle soluzioni per il Motion Control

• Piattaforma Software • Per la scrittura del programma di controllo macchina (interpolazione assi,

fasi di azzeramento, ecc.)• Per la gestione/elaborazione del controllo di un singolo asse

• Piattaforme Hardware digitali• per l'esecuzione del programma di controllo di basso livello del singolo asse• Per l'esecuzione del programma di funzionamento del sistema nel suo

complesso (programma utente)

• Moduli Hardware per l'interazione con gli azionamenti• ingressi/uscite analogici o digitali • Bus di campo digitali general purpose (CanOpen, ProfiBus, ecc.)• Bus di campo dedicati (ProfiMotion, SERCOS, ecc.)



PLC- Introduzione• introdotti sul finire degli anni 60

• Svilupapti per offrire le medesime funzionalità delle logiche a relè allora utilizzate nei sistemi di automazione

• Con le seguenti caratteristiche:• Essere programmabili• Riutilizzabili ed affidabili• Resistenti in ambienti ostili• Privi di hard-disk, dotati di batteria tampone• Avviabili in pochi secondi• Programmazione di tipo ladder



PLC- Introduzione• Un PLC è un sistema digitale specializzato per il controllo di macchine

e processi

• Utilizza una memoria di programmazione in cui impostare istruzioni e specifiche funzioni per• Controllo On/Off• Timing• Counting• Sequenziatori• Data handling• Ecc..



PLC- Introduzione• Innovazione introdotto con i PLC

• Flessibilità• Elevata velocità di risposta• Elementi allo stato solido (nessun elemento in movimento)• Struttura modulare• Possibilità di gestire sistemi molto complessi• Set di istruzioni elevato e personalizzabile• Economico



PLC- Vantaggi• Elimina il cablaggio in favore di un opportuno

programma di controllo

• Facilità di validazione

• Il programma sviluppato può essere caricato su più PLC per realizzare la medesima funzione

• Comunicazione fra PLC ed altri dispositivi a livello aziendale

• Elevata velocità di risposta• Operazioni in Real Time• Necessaria per garantire ripetibilità ed alta

cadenza produttiva



PLC - Architettura• È costituito da una unità centrale e

da una serie di unità periferiche



PLC - Architettura• Le unità sono normalmente collegate da moduli tra di loro

interconnessi per mezzo di un bus parallelo o seriale



PLC - Architettura• L'unità centrale (o CPU) ha il compito di

eseguire ciclicamente il programma utente

• Ciclicamente esegue:• Acquisizione dei segnali dal campo (ingressi) • Elabora il programma utente• Pilota le i segnali verso il campo (uscite) in

funzione delle decisioni prese dal programma utente



PLC - Architettura• Scansione ciclica e sincrona degli

ingressi

• Elaborazione del segnale

• Pilotaggio delle usciteLETTURA DELLO STATO

DEGLI INGRESSI

ELABORAZIONE SEQUENZIALEDEL PROGRAMMA

ATTIVAZIONE SEQUENZIALEDI TUTTE LE USCITE



PLC - Architettura• Le funzioni di interfacciamento con il

campo (ingressi ed uscite) sono realizzate da opportune schede di ingresso ed uscita

• Il tipo di schede dipende• Dal segnale da trattare/elaborale

(analogico/digitale/optoisolamento/termocoppie/ecc.)

• Numero di segnali• È possibile utilizzare anche schede di

comunicazione (seriali/ethernet/bus di campo)



PLC - Architettura• Possono essere collegati dei moduli remoti di I/O

• Il collegamento con il PLC avviene generalmente per mezzo di Bus di Campo

• Possono avere forma compatta (senza moduli)• Soluzioni a bassissimo costo• Limitato numero di I/O



Software per PLC• Per realizzare il programma che un PLC deve eseguire ogni produttore

mette a disposizione un sistema di sviluppo: • si tratta di un ambiente software che permette la scrittura e il test dei

programmi

• Il sistema di sviluppo è solitamente un PC, tuttavia esistono anche dei piccoli terminali per la programmazione, che sono piuttosto utili in fase di collaudo sull’impianto date le loro dimensioni molto ridotte e la semplicità d’uso



Software per PLC• Nell'implementazione di un programma per un PLC si possono

distinguere due fasi:1) la fase "off-line" di realizzazione nella quale sistema di sviluppo e PLC non

sono collegati.2) la fase "on-line" in cui il programma realizzato viene trasferito nel PLC e

provato. Il collegamento tra sistema di sviluppo e il PLC (necessariamente presente in questa fase) permette di usufruire di tutti i tool a disposizione per il test dei programmi quali ad esempio il forzamento di variabili, la lettura del loro stato, l’impostazione di break- point nel programma, ecc.



Software per PLC• Tutti i PLC oggi in commercio mettono a disposizione un ambiente di

programmazione standardizzato

• Basato sulla normativa IEC 61131

• Prevede 5 principali linguaggi:• Ladder • Sequenatial Functional Chart (SFC)• Functional Block Diagram (FBD)• Instruction List (IL)• Structured Text (ST)



Software per PLC• Ladder

• Derivato dai disegni dei sistemi di controllo realizzati relé elettormeccanici• rappresentazione grafica dei dove i contatti identificano variabili del

programma• I collegamenti tra i contatti rappresentano le operazioni booleane



Software per PLC• Ladder

• Questo linguaggio deriva dai primi impieghi dei PLC, che in pratica sostituivano delle logiche cablate realizzate con dei relè, e risulta essere di comprensione immediata, le sue potenzialità sono però piuttosto limitate

• E’ tuttavia il caso di osservare che il linguaggio a contatti è ancora molto diffuso soprattutto per i PLC di produzione americana e per utenti dell’ambiente elettro-meccanico.



Software per PLC• I simboli nello schema rappresentano istruzioni

• Input

• Output

•

• I numeri o le etichette rappresentano indirizzi• Da dove leggere• Dove scrivere



Software per PLC• Sequenatial Functional Chart (SFC)

• Basato sui concetti di fase (entro cui si eseguono azioni) e di transizione (con cui, al verificarsi di certe condizioni, si passa da un certo insieme di fasi attive ad un altro)

• E' derivato dalle reti di Petri (approccio per descrivere gli stati ed evoluzione di un sistema)

• Spesso SFC è usato come strumento di specifica (descrizione della funzione richiesta)

• Mette in evidenza gli stati (fasi) principali del sistema (ad alto livello)• Avvio• Riempimento di un serbatoio• Svuotamento di un secondo serbatoio



Software per PLC• Le fasi (stati )sono rappresentate da rettangoli

• Le fasi sono collegati da linee. Ogni linea ha una barra orizzontale rappresentante una transizione

• La transizione definisce la condizione logica (eventi) per cui la transizione precedente termina

• La transizione fa riferimento a condizione logica o a segnali esterni letti dal campo

• È possibili introdurre percorsi• Ciclici• Alternativi• paralleli

START

Riempimento

Start Switch = 1

lavorazione

Serb. Pieno = 1

Lavorazione 1h

svuotamento

Start Switch = 0

stop



Software per PLCSTART

Riempimento

Start Switch = 1

lavorazione

Serb. Pieno = 1

Lavorazione 1h

svuotamento

Start Switch = 0

stop

Start Switch = 1

filtraggio

Trans. 3

Trans. 4

Perc. divergente

Perc. convergente



Software per PLC• Functional Block Diagram (FBD)

• analogo ai diagrammi circuitali, in cui le connessioni rappresentano i percorsi dei segnali tra i componenti

• 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.



Software per PLC• Instruction List (IL)

• è un linguaggio di basso livello molto simile all’assembler. • E’ adatto per compiti molto specifici quali l’interfacciamento di hardware

particolare. • è disponibile per tutti i PLC.

• Structured Text (ST)• è un linguaggio testuale ad alto livello, simile al PASCAL o ad alcuni BASIC.



PLC – Motion Control• I PLC estendono le funzionalità di base (logiche) per poter introdurre il

controllo del moto• L'estensione viene permessa per mezzo di Function Block • Ogni costruttore di PLC ha sviluppato la propria libreria per il motion control• Non è generalmente prevista una sofisticata piattaforma sw per il controllo

del moto• Accanto alle FB per il controllo del moto sono previste delle corrispondenti

schede di espansione del PLC che realizzano le funzioni di controllo del moto desiderate

• Anelli singoli in velocità o posizione• Movimenti interpolati in posizione

• Gli algoritmi di controllo sono generalmente semplici, lineari, basati su strutture PID



PlcOpen – Motion Control• A livello internazionale l'associazione PLCopen (www.plcopen.org)

propone una standardizzazione per il motion control con PLC

• Gli utilizzatori di sistemi Motion Control richiedono generalmente tre livelli di complessità:• Basse prestazioni e basso costo• Prestazioni medie• Prestazioni elevate e alti costi

• Sono disponibili sul mercato molte soluzioni che offrono tools di sviluppo, installazione e manutenzione fra loro incompatibili

• Basati principalmente su soluzioni di tipo proprietario

• Queste incompatibilità portano ad un incremento dei costi:• Processo di ingegnerizzazione diviene lungo e difficile• Tempi di istruzione e di sviluppo si allungano• Software non utilizzabile fra le varie soluzioni

http://www.plcopen.org/



PlcOpen – Motion Control• Un approccio standardizzato riduce gli effetti negativi citati

• Standardizzazione a livello di linguaggi di programmazione (come già fatto a livello IEC 61131)

• Standardizzazione verso diverse soluzioni per motion control• Distribuito• Integrato• Centralizzato



PlcOpen – Motion ControlProcesso di standardizzazione per mezzo della definizione di librerie e componenti riutilizzabili• La programmazione è meno dipendente dall'HardWare• Il software applicativo è più riutilizzabile• Si riduce il costo per la formazione e supporto• Applicazione scalabile su diverse schemi di motion control



PlcOpen – Motion Control• Definizione di Funciotn Block per Motion Control

• Influenza: • Utente finale (costruttore di sistemi che richiedono motion control)• Fornitori di sistemi di controllo per garantire la portabilità delle FB

• Questo processo di standardizzazione dovrebbe coinvolgere circa 80% del mercato del motion control

• Obiettivi principali• Semplicità• Efficienza• Consistenza (conforme con IEC-61131)• Hardware indipendent• Flessibile per sviluppi futuri• Completo



PlcOpen – Motion Control• Sviluppato su tre moduli principali:

• Definizione della macchina a stati• Descrive il comportamento dell'asse ad alto livello

• Definizione delle FB per soluzioni Singolo Asse e Multi Asse • Per le operazioni elementari sugli assi o sui singoli assi

• Regole e dichiarazione di conformità



PlcOpen – Motion Control• Macchina a Stati

• Descrive il comportamento dell'asse ad alto livello

• Utile per definire la sequenza di programma di motion control

• Stati definiti• Stand Still• Homing• Discrete Motion• Continuos Motion• Suynchronized Motion• Stopping• Error Stop

• Transizioni da uno stato all'altro



PlcOpen – Motion Control• Function Block

• MC_MoveAbsolute• MC_MoveRelative• MC_MoveAdditive• MC_MoveSuperimposed• MC_MoveVelocity, MC_Home• MC_ReadStatus

• Muli Asse• CamTableSelect• CamIn, CamOut• GearIn, GearOut



PlcOpen – Motion Control• Principali FB



PlcOpen – Motion Control• Semplice gestione di un singolo asse

• Interpolazione fra assi per mezzo di tabelle o profili di moto• I vincoli possono essere cambiati on line

• Limitata possibilità di sviluppo di soluzioni con complesse soluzioni di interpolazione asse

• Profili di moto limitato

• Impossibilità di introdurre strutture con controllo in forza

• Risolve la maggior parte delle problematiche delle macchine automatiche per • Packaging• Assemblaggio



PlcOpen – Motion Control• Riduzione del numero delle parti



PlcOpen – Motion Control• Camming, assi Master/Slave

Position

Postion

Slave

Master



PlcOpen – Motion Control• Gearing



PLC vs PC• Condividono la medesima architettura di base

• PLC• Operano in ambiente industriale• Ambiente di programmazione standard• Generalmente senza tastiere/video grafico/CD• Comunicano con l'operatore per mezzo di opportune porte

• PC• Strumenti di programmazione molto più potenti e flessibili• Maggiore possibilità di interfacciamento con l'operatore• Ambiente dinamico, Hardware con più potenza di calcolo• Possono essere dotati di opportune schede in modo che possano

interfacciarsi con il campo (ingressi/uscite)• Possono essere dotati di sistemi di programmazione identici a quelli

disponibili su PLC



Sistemi di controllo basato su PC• Abbattimento iniziale dei costi

• Integrazione di Hardware commerciale a basso costo• Basato su soluzioni industriali (testate in

temperatura e campi elettromagnetici)• Esistono soluzioni standardizzate

• Necessitano dello sviluppo delle sole applicazioni Software dedicate

• Facile scambio di dati con altri sistemi

• Interfacce verso l'operatore e altri sistemi digitali altamente attrattivi per l'utente finale

• Facile ed economica verticalizzazione del prodotto



Sistemi di controllo basato su PC• Tutte le funzioni richieste funzionano sullo stesso Hw

• Interazione con gli azionamenti ed il campo• Programma di Motion Control• Interazione con l'operatore (HMI)



Sistemi di controllo basato su PC• Piattaforma Hw per Sistema Operativo Real Time e Software per Motion

Control

• Basso costo per l'utilizzo di piattaforme commerciali standardizzate

• Elevate prestazioni computazionali

• Deve essere sviluppato il software per il motion control • soluzioni proprietarie basate eventualmente su opportune librerie• In parte ci si può avvalere della soluzione SoftPLC (basato su SW conforme a

IEC-61131)

• Formati standard costituiti principalmente da:• Scheda Madre• Bus standard di collegamento con le periferiche (ISA/PCI/PCIe)• Schede di espansione verso il campo (I/O analogico/digitale/Bus di

campo)



Sistemi di controllo basato su PC• Il Motion Controller dovrà avere

una opportuna configurazione Hw/Sw per supportare la flessibilità offerta dai sistemi di interfacciamento con il campo• Sistema operativo RT• Schede di interfacciamento verso il

campo• Software per l'interfacciamento

con l'operatore



Sistemi di controllo basato su PC• Principali piattaforme Hardware

• PC/104 (96x90) Fan Less• Standard diffuso da più di 10 anni• CPU fino alla classe Pentium• Bus di espansione PCI• Ampia scelta di schede di espansione• Prestazioni limitate

• EBX 5.25” (146x203) Fan Less• CPU fino alla classe Pentium• Bus di espansione PCI• Bus di espansione standard• Maggior potenza rispetto a PC/104• Controllore Grafico integrato




• Industrial MiniATX (170x170)• 1 slot di espansione PCI• Maggior potenza di calcolo• Controllore Grafico integrato• Periferiche standard• Doppia porta di rete

• Industrial ATX (304x244)• Fino a 7 slot di espansione• Processori più potenti• Controllore Grafico integrato• Elevata espandibilità per schede di

interfacciamento verso il campo




• PICMG• Elevata potenza di calcolo• Elevata espandibilità grazie al bus

passivo• Elevato costo complessivo

– Scheda madre– Bus passivo– cabinet



Sistemi di controllo basato su PC• HW

• CPU PICMG• BUS passivo• Scheda interfacciamento Sensoray 626

• 6 encoder in• 4 Analog out

• Sistema operativo RT• RTAI, RTLINUX, vxWorks, QNX, LynxOS

• Software • di basso livello per la gestione

singolo/multi asse• Alto livello per lo sviluppo

dell'applicazione



Controlli Numerici• Il mercato offre Controlli Numerici che:

• Realizzati su piattaforme Hw generalmente basate su PC industriali• Sistema operativo RT• Opportune schede di interfacciamento verso il campo• Software e librerie per

• motion control in generale• Applicazioni a sistemi ampiamente diffusi quali le macchine utensili e

macchine con movimenti nel piano• Costo proporzionale al numero di assi controllato ed al tipo di controllore

installato• Per alcuni campi applicativi (Macchine Utensili) mettono a disposizione un

linguaggio standardizzato per il pilotaggio dei movimenti degli assi



Controlli Numerici• Interfacce utente predisposte (standardizzate)

• Ambiente di programmazione dedicato al motion control

• Configurabilità dei moduli di interfacciamento con gli azionamenti

• Soluzioni complete chiavi in mano



Controlli Numerici• Parecchi fornitori presenti sul mercato

• Il software sviluppato è verticalizzato sul prodotto acquistato

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