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Elettronica nell'automazione industriale

Premessa

Nel corso degli ultimi anni l'automazione industriale ha avuto un forte contributo alla sua crescita dal sempre più massiccio utilizzo di apparecchiature elettroniche. L'impegno dell'uomo nel realizzare macchine capaci di assisterlo nella creazione di prodotti ha origini ben più antiche dell'elettronica, ma proprio grazie agli enormi progressi ottenuti in questo campo, le possibilità offerte dall'automazione industriale hanno raggiunto obiettivi difficilmente immaginabili anche poche decine di anni fa. I quadri elettrici realizzati con logiche elettromeccaniche sono stati già da tempo sostituiti da PLC o da schede di controllo a microprocessore, con il grosso vantaggio offerto dalla gestione delle funzioni mediante software modificabile senza rifacimenti dell'impianto. Negli ultimi anni, con la diffusione di Internet, alle funzioni di controllo logico della macchina, si sono affiancate anche funzioni di teleassistenza, programmazione remota e supervisione degli impianti. In questo articolo vorrei trattare uno degli aspetti relativi all'applicazione dell'elettronica nei quadri elettrici e nelle macchine automatiche. Si tratta della difficile scelta che si trova a dover affrontare il costruttore di una macchina automatica: schede elettroniche specifiche o PLC commerciale?


Elettronica specifica e PLC

L'elettronica per l'automazione segue già da tempo un percorso a doppio binario. Il primo è quello delle apparecchiature elettroniche che implementano tutte le funzioni specifiche della macchina secondo un ben definito progetto. Il secondo è quello che fa uso di sistemi commerciali e programmabili, ossia quelle apparecchiature genericamente chiamate PLC. I due diversi modi di affrontare l'automazione di una macchina sono sempre stati entrambi vivi ed in continua "lotta" a causa dei pregi e difetti di queste soluzioni.

Un sistema elettronico sviluppato attorno alla macchina ha sicuramente come punto di forza l'ottimizzazione delle funzioni, degli spazi e dei costi. Tuttavia questo risultato più ottimizzato richiede investimenti maggiori nella fase di sviluppo dell'apparecchiatura, spesso accettabili solo in presenza di produzioni elevate. Inoltre la realizzazione di sistemi su misura necessita di personale con esperienza e competenze specifiche e quindi spesso commissionata a ditte esterne con l'inevitabile dipendenza, soprattutto per il software, da terzi.

La soluzione a PLC ha come principale vantaggio la totale autonomia del costruttore della macchina riguardo l'acquisto di un prodotto finito, commerciale e diffuso nel mondo e, molto spesso, programmabile da un più ampio personale, anche interno. Lo svantaggio del PLC può essere sicuramente quello di una scarsa ottimizzazione, soprattutto quando gli IO da gestire sono particolari e poco omogenei tra loro. Inoltre, in presenza di macchine piccole o numerose, il maggior costo di una soluzione a PLC commerciale può costituire un notevole problema.


Una soluzione intermedia

In tempi relativamente recenti si è svolto un processo di standardizzazione dei linguaggi di programmazione dei PLC. Anche se grossi costruttori di PLC rimangono, per certi aspetti, ancora solidali ai loro sistemi proprietari, si è ottenuta una certa uniformità dei linguaggi dei PLC di quasi tutte le marche. La standardizzazione del software fa riferimento alla norma IEC61131-3 che definisce le specifiche di programmazione, organizzazione e documentazione. Dalla creazione di un linguaggio comune sono conseguentemente nati alcuni tools di programmazione su PC adatti a più apparecchi di vari costruttori. Buona parte di questi tools sono realizzati in Germania e tra questi uno dei più noti è CoDeSys della 3s-software. Circa 250 produttori mondiali di PLC e sistemi per l'automazione hanno implementato sul loro hardware quanto serve per diventare un sistema programmabile con tale tool nel linguaggio standard IEC. CoDeSys permette la programmazione utilizzando uno o più dei 5 linguaggi previsti dalla norma:

  • Testo strutturato (ST)
  • Lista istruzioni (IL)
  • Ladder (LD)
  • Blocchi funzione (FBD)
  • Diagramma funzioni sequenziale (SFC)

Inoltre CoDeSys ha aggiunto un proprio sesto linguaggio (Diagramma funzioni continue detto CFC) che costituisce un'evoluzione del FBD in quanto permette di descrivere graficamente il programma mediante blocchi connessi da uno schema elettrico.

La politica commerciale di CoDeSys consiste nell'offrire gratuitamente il proprio tool di programmazione in cambio di una licenza su ogni singolo dispositivo programmabile. L'utilizzo del tool su una specifica apparecchiatura per l'automazione richiede inoltre un consistente investimento iniziale detto "porting", necessario per adattare il sistema alle funzioni svolte dal tool. In particolare sono da realizzare le funzioni e le librerie corrispondenti al linguaggio di programmazione e tutte le funzioni di comunicazione con il PC per le operazioni di trasferimento e debug del software IEC.

Il passo successivo è quello realizzato da ditte che hanno già implementato il porting CoDeSys in processori e componenti integrabili in schede elettroniche specifiche. La cosa più importante è che la produzione di serie di questi componenti standard ha permesso di abbattere notevolmente i costi di porting e di licenza, costi che comunque sono riferiti ai singoli pezzi utilizzati.
A questo punto nasce una nuova opportunità nel realizzare schede elettroniche che uniscono i vantaggi di un'ottimizzazione dell'hardware con la flessibilità della programmazione standard tipica dei PLC. La disponibilità di un tool come CoDeSys e la possibilità di avvalersi di porting già sviluppati permettono di realizzare schede elettroniche programmabili in un linguaggio standard, diffuso e particolarmente adatto all'automazione industriale.

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Commenti e note

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di ,

CoDeSys dispone di compilatori per diverse famiglie di micro standard ma i requisiti sono di una certa quantità di memoria sia di programma che dati. Inoltre, cosa da non poco, la creazione del firmware sul micro deve comunque essere adattata alle specifiche configurazioni hardware della scheda e questo richiede un impegno sia economico (una tantum per il kit di porting) che di sviluppo software da parte di chi fa la scheda. A questo si aggiunge un costo per licenza da pagare per ogni scheda fatta. Il tutto è ampiamente giustificabile se ci sono presupposti di produzione di numeri piuttosto elevati. Esistono anche altre case che realizzano tools di programmazione IEC su hardware diversi ma la situazione dei costi (una tantum e di produzione) non è molto diversa. La Beck, con i suoi processori, ha realizzato già buona parte del porting iniziale lasciando al produttore della scheda i mezzi per l'adattamento completo. Inoltre il costo di licenza per pezzo può beneficiare della elevata produzione di pezzi in quanto Beck rivende il suoi processori a diversi produttori di hardware. Se si considera la grande quantità di memoria, le periferiche del chip, le 1800 pagine di PDF relative ad una infinità di librerie API già sviluppate (molte delle quali per TCP/IP), la licenza CoDeSys (opzionale), la possibilità di fare solo il volume di schede che servono (adattandosi al volo alle esigenze dei clienti), la scelta di tale componente è più che giustificata.

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di ,

proposta di studio molto interessante, si potrebbe iniziare con l'uso du un microcontrollore più semplice ed alla portata di tutti gli appassionati, tipo il PIC16F84, per poi passare gradualmente ad elettroniche più specifiche.

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di ,

Discutere schemi elettronici che hanno un interesse didattico di per sé, e che assemblati realizzano un PLC minimo, è l'idea cui ho pensato leggendo il tuo articolo. Ti avevo suggerito di raccogliere qualche idea nel forum che ti aiutasse a definirne le caratteristiche, in quanto il forum è frequentato da più di qualcuno che lavora nel campo. Puoi comunque deciderle tu in base alla tua esperienza. Potresti anche descrivere in dettaglio quanto hai già prodotto, magari indicando come realizzare qualcosa di più semplice, alla portata anche di chi non dispone di attrezzature o software professionali. Penso anche ad un'idea che sia interessante per un laboratorio scolastico.

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di ,

Il modo migliore per dare delle spiegazioni di carattere didattico è quello di fare riferimento anche a qualcosa di concreto, indipendentemente dalla disponibilità o meno degli altri utenti di passare anche alla fase realizzativa. Quindi l'ipotetico PLC sarebbe principalmente un pretesto ed un filo guida per presentare una serie di pezzi di schemi elettronici che comunque possono avere un interesse anche di natura diversa e generica. Non sarebbe male, in questa fase di schemi "in pillole", ricevere osservazioni e suggerimenti per eventuali modifiche e migliorie mano a mano che si procede. Successivamente potrebbe seguire un blog con dei flash sulle possibilità funzionali come la programmazione IEC, la creazione di pagine per Web-server e altri argomenti relativi alla connettività Internet. Alla fine di questo percorso, se la cosa interessa (e l'appetito vien mangiando), si può pensare anche di organizzarsi per consentire, a quanti lo vorranno, di farsene un pezzo. In questo caso potrei anche realizzare uno stampato con l'aspetto "didattico" e farne realizzare una piccola campionatura. Per quanto riguarda il processore penso convenga utilizzare la versione DIP-32 pin in quanto molto più semplice da gestire del BGA, che più comunemente uso, perchè quest'ultimo richiede il montaggio a macchina con telai ed impianti. Inoltre converrà utilizzare una tecnologia o tradizionale o SMD vecchio stampo (min. case 0805-1206) per rendere l'autocostruzione più facile possibile da parte di tutti. Anche per il processore ci potrebbe essere la mia disponibilità a dare un supporto al reperimento di qualche pezzo visto che, pur trovandosi in tempi rapidi, non sono presenti sui soliti cataloghi. Ma per ora limitiamoci a definire solo lo schema completo. Prima di partire bisognerebbe decidere una lista sommaria delle cose da metterci. Per esempio qualche ingresso PNP/NPN e qualche relè per collegarlo direttamente a qualcosa ma anche dei tasti e leds per simularli direttamente, visto lo scopo didattico della programmazione CoDeSys. Ovviamente non deve mancare l'Ethernet che è il pezzo forte del sistema e magari il CANopen visto che CoDeSys già lo gestisce e può servire per espanderlo. Un connettore USB per un'hard-disk ausiliario da qualche GB potrebbe inoltre fare cose molto interessanti (consideriamo che questo è anche un server a tutti gli effetti e ci possiamo anche caricare un sito web qualsiasi, interattivo e con files CSS). Il resto è tutto software ma per questo non c'è problema da parte mia a preparare una versione di Run Time System CoDeSys magari con gli ID marca "ElectroYou" e target "EY-PLC".

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di ,

Secondo me l'idea di realizzare un "kit di minima" (metto le virgolette in quanto le caratteristiche che hai indicato non mi sembrano proprio il minimo ) è una buona idea. Potrebbe concretizzarsi in una serie di articoli che si configurano come un corso che ha un intrinseco valore didattico, oltre che fornire gli strumenti di una realizzazione pratica. Potresti esporre le tue intenzioni nel forum per raccogliere pareri e suggerimenti, ed anche per vedere se c'è chi può essere interessato a collaborare.

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di ,

Ho iniziato con questo blog perchè è l'argomento che mi risulta più congeniale e con il quale mi sento come a casa mia. Avrei voluto parlare, in seguito, anche di altro ma se l'argomento da me introdotto può costituire lo spunto per un'esperienza nuova e da condividere, sono ben disposto a dare il mio contributo. Ovviamente occorre una pausa di riflessione per mettere a fuoco un'eventuale piano d'azione, indispensabile per un lavoro interessante ma non banalissimo. Bisognerebbe per prima cosa fare una valutazione dell'interesse collettivo in un progetto di PLC "fatto in casa". Poi ci si dovrebbe dare dei precisi e concreti obiettivi da raggiungere. Per esempio: realizzare un kit di minima, che non richieda eccessivi mezzi e costi, che consenta di programmare con CoDeSys, che controlli un certo insieme di IO e che si connetta in rete Internet come Web-server. L'impostazione penso che dovrà essere più didattica possibile e rivolta a quanti abbiano anche una esperienza di base in realizzazioni elettroniche. Anche con un hardware all'osso si avrebbe comunque una completa funzionalità di CoDeSys e già questo sarebbe un ottimo risultato didattico in quanto permetterebbe di fare pratica di programmazione IEC61131 a chi si avvicina al mondo del PLC o a studenti in cerca di un sistema a costo abbordabile. Spesso si legge sui forum di volonterosi che vorrebbero fare esperienza di programmazione ma che non vorrebbero investire cifre sostenute in PLC e sistemi di programmazione o, in alternativa, accontentarsi di piccoli PLC da 1K istruzioni e limitate funzionalità. Magari non sarebbe male avere qualche riscontro su quali potrebbero essere, non solo le specifiche hardware minime, ma anche i costi accettabili. Per me l'argomento fa già parte del mio quotidiano e il mio primo PLC programmabile (da altri) risale alla fine degli anni '80. Per questo posso considerare di avere la tutta strada già nota, ma allo stesso tempo dovrei anche estrapolare una versione "light" senza le pretese di industrializzazione che competono ad un prodotto commerciale. E' chiaro quindi l'intento didattico e di "gioco" di questo progetto, lontano da ogni paragone con i grandi nomi (almeno per l'hardware) e la volontà di vederlo con gli occhi di chi in passato ha realizzato cose utili e meno per solo hobby. Per ora lascio maturare le eventuali idee e proposte.

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di ,

Innanzitutto benvenuto come nuovo blogger nella nostra community. Mi auguro che tu possa trovarla utile e che ti stimoli a proseguire nel proporre gli interessanti contenuti che esperienza e studio ti hanno permesso di acquisire. Inutile dire che aspettiamo il seguito. Come implementare un PLC promette credo sia un argomento molto interessante.

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