UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICA, ELETTRONICA E INFORMATICA
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA ELETTRICA
Alessio Saraceno
Progettazione e sperimentazione di un sistema
di controllo per l'automazione di uno studio
medico oftalmologico
Tesi di laurea
Relatore
Prof. Ing. Giuseppe Nunnari
Correlatore
Ing. Cristian Randieri
Anno Accademico 2013/2014
1
Ai miei genitori,
per avermi supportato e incoraggiato
in questi anni di studio.
A voi un ringraziamento speciale.
Ringraziamenti
Ringrazio il mio relatore Prof. Ing. Giuseppe Nunnari per avermi guidato in questo
lavoro di tesi con la massima disponibilità.
Ringrazio la Intellisystem Technologies impersonata dall'Ing. Cristian Randieri per
la professionalità dimostrata durante le fasi operative del progetto e il prezioso
aiuto fornito anche in fase di stesura dell'elaborato. Ringrazio la sua equipe, su
tutti Emiliano Defrancesco per l'importante collaborazione sulla progettazione
grafica della struttura.
Ringrazio il collega e amico Santino Sipione per aver fornito gli opportuni
elementi di confronto fra le tecnologie adottate.
Infine ma non per ultimo ringrazio il Prof. Franco Battaglia, Medico Chirurgo
Specialista in Oftalmologia, per avermi dato la possibilità di essere parte
integrante di questo prestigioso progetto da lui ideato.
2
Sommario
Introduzione....................................................................................4
Capitolo 1 - Presentazione del progetto...........................................6
1.1 Introduzione............................................................................................6
1.2 Progettazione postazione medica ArkStation.........................................8
1.3 Componenti elettro-meccanici dei cassetti porta-strumento................10
1.3.1 Catena cinematica utilizzata.................................................11
1.4 Componenti elettro-meccanici della postazione mobile......................14
1.5 Strumenti diagnostici e loro interconnessione.....................................16
Capitolo 2 - Scelta e analisi della tecnologia di controllo.................20
2.1 Introduzione..........................................................................................20
2.2 Sistemi di controllo per l'automazione.................................................21
2.2.1 Scelta del sistema di controllo...............................................25
2.3 PLC: Storia e classificazione...............................................................25
2.4 PLC: Struttura e funzionamento...........................................................28
2.4.1 Alimentatore..........................................................................30
2.4.2 Bus e rack..............................................................................31
2.4.3 CPU.......................................................................................31
2.4.4 Memorie.................................................................................34
2.4.5 Unità periferiche....................................................................36
2.5 Linguaggi e programmazione software................................................39
2.5.1 LD-Ladder Diagram..............................................................41
2.5.2 Altri tipi di linguaggio di programmazione del PLC............44
2.6 Cenni sui Sistemi Embedded................................................................45
Capitolo 3 - PLC adottato: schemi elettrici e programmazione........47
3.1 Introduzione..........................................................................................47
3.2 Scelta del PLC......................................................................................48
3.3 PLC Schneider TM221CE40R e suo ambiente di sviluppo..................50
3.3.1 Struttura.................................................................................51
3.3.2 SoMachine Basic...................................................................52
3.4 Schemi e applicazioni per il controllo dei motori 12V in c.c dei cassetti
porta-strumento.....................................................................................55
3.4.1 Schema circuitale..................................................................56
3
3.4.2 Programma applicativo.........................................................59
3.4.3 Programma in linguaggio Ladder per il controllo dei 4
motori.....................................................................................67
Capitolo 4 - Schemi elettrici e programmazione Ladder per
l'automazione della poltrona del paziente.................69
4.1 Introduzione..........................................................................................69
4.2 Sensori di posizione..............................................................................70
4.2.1 Scelta dei sensori di posizione e relativa collocazione.........74
4.3 Automazione della poltrona: schema elettrico e programmazione......75
4.3.1 Programmazione Ladder.......................................................77
4.3.2 Descrizione dei rung..............................................................80
Capitolo 5 - Progettazione di uno switch digitale per la
commutazione delle porte seriali RS232......................84
5.1 Introduzione..........................................................................................84
5.2 Segnali digitali e circuiti combinatori..................................................85
5.2.1 Circuiti combinatori..............................................................86
5.3 Analisi di mercato switch RS232..........................................................93
5.4 Progettazione dello switch RS232........................................................96
5.4.1 Decoder/Demultiplexer SN74ALS137...................................97
5.4.2 Relè reed................................................................................99
5.4.3 Schema elettrico..................................................................101
5.4.4 Esempio di riepilogo...........................................................103
5.5 Applicazione Ladder per la gestione dello switch ............................104
Capitolo 6 - Messa in servizio e risultati ottenuti...........................108
6.1 Gestione della postazione tramite PC................................................108
6.1.1 Configurazione Ethernet e server Modbus TCP.................110
6.2 Progettazione del pannello di controllo sinottico..............................112
6.3 Optoisolatori......................................................................................115
6.4 Conduzione della visita medica.........................................................118
6.5 Conclusioni........................................................................................120
6.5.1 Sviluppi futuri.....................................................................122
Appendice A - Seriale RS-232........................................................123
Bibliografia.................................................................... ..............126
INTRODUZIONE
4
Introduzione
L'esigenza di utilizzare dei sistemi di controllo per gestire macchine e
processi, riducendo la necessità dell'intervento umano, è maturata nel tempo allo
scopo di eseguire operazioni ripetitive o complesse. Il tutto con un'adeguata
sicurezza e certezza, con maggiore comodità. Col tempo, infatti, sono stati sempre
più incrementati gli investimenti nel campo dell'automazione industriale, che
hanno permesso di raggiungere notevoli progressi tecnologici. Nella seconda metà
del '900 con gli sviluppi dei rami ingegneristici,dei modelli matematici, ma
soprattutto con l'avvento del computer, si è assistito ad una vera rivoluzione delle
tecniche di produzione,gestione e controllo industriale. L'interazione, infatti, tra la
meccanica pura creata in sostituzione degli attributi umani e i dispositivi
elettronici quali computer dedicati, sensori e trasduttori e i personal computer
stessi, ha permesso di realizzare dei controlli automatici in ogni campo adibiti a
facilitare e migliorare tutte le attività lavorative.
Anche il settore medico-sanitario ha subito negli anni un continuo progresso
tecnologico sia a livello di apparecchiature, sempre più all'avanguardia, sia a
livello software, dando agli specialisti le opportune risorse per poter esprimere al
meglio le proprie competenze. In particolare, per la maggior parte delle discipline
mediche, ha assunto fondamentale importanza la necessità di creare delle
soluzioni di elaborazione dell'immagine, soluzioni che rivestono ormai un ruolo
centrale per la tecnica medica, sempre più in crescita nei mercati mondiali. Avere
dei sistemi capaci di elaborare delle immagini con un'elevata risoluzione,
accessibili in qualsiasi momento e visionabili da più medici, permette un
riconoscimento e diagnosi precoce delle varie anomalie facilitando inoltre
l'importante formazione del personale medico.
Una delle principali destinatarie di queste soluzioni innovative è senza dubbio
l'oftalmologia, ramo della medicina adibito alla misurazione della vista e alla
prevenzione, diagnosi, terapia e chirurgia delle malattie dell'occhio. L'unione tra
le migliori tecnologie di automazione con le importanti tecniche di acquisizione
delle immagini e dei dati in generale, può rendere una visita oftalmologica
altamente innovativa e efficiente.
INTRODUZIONE
5
Lo scopo di questo elaborato è proprio quello di rendere uno studio medico
oftalmologico automatico, privilegiando e combinando la comodità del paziente
durante la visita e la praticità per il medico di una gestione intelligente della visita
stessa interamente supportata dal PC (Personal Computer) in maniera locale o da
remoto.
A tal fine si sono ricercate le tecnologie di controllo appropriate per automatizzare
la postazione del paziente e i cassetti di un mobile riunito modulare su cui
poggiano i vari strumenti diagnostici oculistici, il tutto in modo da limitare al
massimo l'ingombro dell'apparato ambulatoriale e evitare continui spostamenti del
paziente da uno strumento all'altro. In più ogni apparecchio deve comunicare con
il PC inviando i vari dati analizzabili anche in differita, ad esempio registrando le
immagini oculari del paziente archiviandole per una successiva visualizzazione in
alta definizione. Si è dunque progettato un prototipo elettro-meccanico atto
all'utilizzo compatto di più strumenti diagnostici, mirato all'acquisizione dei dati
dallo specifico strumento in servizio.
L'intero sistema medicale progettato, denominato ArkiStation, è stato infine
interfacciato con il software di analisi medica ArkiMed, ideato dal Prof. Franco
Battaglia allo scopo di concentrare tutte le operazioni predette in un'unica
piattaforma estremamente originale e esclusiva.
La trattazione ha assunto massima centralità sulle prerogative progettuali
imposte e sulla loro risoluzione pratica mediante la tecnica di automazione
selezionata, lasciando spazio alle varie sfaccettature logistiche del caso.
Il sistema di controllo scelto è in definitiva comparato ad altre soluzioni sotto il
profilo tecnico-economico evidenziando dunque i vantaggi e gli svantaggi della
tecnologia adottata.
CAPITOLO 1 - PRESENTAZIONE DEL PROGETTO
6
Capitolo 1
Presentazione del progetto
1.1 Introduzione
Il progresso della tecnologia, oggigiorno altamente tangibile in ogni ambito
sia esso civile o industriale , permette a qualsiasi utente di interagire al meglio con
le macchine e gli apparati utilizzati in campo lavorativo o semplicemente
domestico. Senza dubbio oltre all'avvento del PC, fautore di una vera e propria
evoluzione tecnologica senza precedenti, stanno ormai integrandosi nel vivere
comune anche elementi mobili quali smartphone o tablet con funzioni sempre più
prossime a quelle del PC. Anche i più scettici o meno progressisti devono ormai
arrendersi all'innovazione, acclamata invece dagli appassionati. Inserire in
semplici attività quotidiane la giusta dose di progresso è sinonimo di evoluzione e
voglia di scoprire, caratteristica dell'essere umano.
Il progetto in questione, accennato in fase introduttiva, nasce appunto
dall'idea del Prof. Franco Battaglia, Medico Chirurgo Specialista in Oftalmologia,
da sempre alla ricerca di migliorare il proprio ambiente di lavoro dotandolo di una
massiccia dose di automazione al fine di esprimere al meglio le proprie
competenze e al contempo fornire al paziente il maggior confort possibile.
Lo studio oftalmologico interessato, è pertanto altamente innovativo con
apparecchiature all'avanguardia, siano essi strumenti medici diagnostici o supporti
per gli stessi, conferendo all'ambiente un'impronta decisamente moderna e
professionale. Nonostante ciò, la richiesta dello specialista ha come obiettivo
principale l'ottimizzazione degli spazi riducendo il notevole ingombro delle
strutture già presenti in commercio, mettendo a punto un sistema di gestione
intelligente delle apparecchiature mediche e delle varie attrezzature a corredo,
quali mobili ambulatoriali o poltrone da visita, favorendo la comodità del paziente
solitamente soggetto a continui spostamenti soprattutto negli ambulatori meno
modernizzati. In figura 1.1 è possibile visionare esempi di studi oftalmologici, dai
meno moderni con semplici sostegni statici per gli strumenti a se stanti, ai più
CAPITOLO 1 - PRESENTAZIONE DEL PROGETTO
7
evoluti con raggruppamento delle apparecchiature con però notevole spazio
impegnato.
Fig.1.1: Esempi di studi oftalmologici
Al fine di risolvere le problematiche riscontrate, si è dunque pensato alla
creazione di un prototipo atto al raggruppare gli strumenti su un'unica postazione
poco ingombrante, automatizzata secondo le tecnologie più appropriate. Lo stesso
è avvenuto per la postazione del paziente gestita dal medico e destinata a
muoversi in maniera tale da rendere accessibile ogni strumento senza continui
cambi di posizione. Il tutto per una visita oftalmologica interamente comandata
dal PC con ultimo obiettivo quello di acquisire i dati dalle apparecchiature
medicali archiviandoli autonomamente per una veloce e funzionale diagnosi e
stesura della terapia appropriata.
Le fasi operative sono state pertanto articolate in questo modo:
Automazione dei cassetti porta-strumento di un mobile ambulatoriale
modulare opportunamente progettato
Automazione della postazione mobile del paziente
Acquisizione dati dagli strumenti diagnostici in servizio
In questo capitolo si presenterà il progetto nei suoi dettagli decisionali in merito a
struttura e componenti che faranno parte del prototipo, solamente accennando al
sistema di automazione sperimentato trattato largamente nei successivi capitoli.
CAPITOLO 1 - PRESENTAZIONE DEL PROGETTO
8
1.2 Progettazione postazione medica ArkiStation
Le richieste tecniche avanzate, hanno condotto la prima fase di ricerca
sull'adeguata struttura da fornire alla postazione per risolvere al meglio tutte le
necessità presentate. Le soluzioni ipotizzate sono state filtrate in base a requisiti di
ingombro minimo, basso costo di realizzazione e intuitività dell'utilizzo.
Si è inoltre enfatizzata la scalabilità del sistema ideato per far fronte alle più
svariate esigenze di spazio dei possibili studi medici.
Il sistema ideato, che consiste in una postazione compatta modulare, è stato
battezzato col termine ArkiStation e la sua struttura di base è rappresentata in
figura 1.2.
Fig. 1.2: Assieme postazione ArkiStation
CAPITOLO 1 - PRESENTAZIONE DEL PROGETTO
9
L'assieme di fig. 1.2 rappresenta un'unità modulare adattabile ad ogni ambiente ed
esigenza. Sostanzialmente la struttura può essere ricondotta a:
• una sezione standard che rappresenta il cuore dell'unità alla quale sono
assemblati i vari moduli a scelta e comprende le due sezioni laterali del
mobile. La sezione di raccordo, all' estrema destra, che chiude il design
bombato dell'intera unità e la sezione laterale sinistra comprendente di:
• un modulo cassettiera con 4 cassetti generici e 1 porta-lenti con braccio
snodabile;
• un gruppo motore, attuatore a vite e navetta di ancoraggio alla poltrona
del paziente per la movimentazione dello stesso;
• un pannello di controllo con relativa elettronica per la gestione dell'intera
unità;
• diversi moduli porta-strumento: il cui numero è opzionale, composti da
un cassetto scorrevole motorizzato, all'interno del quale trovano posto il
suo attuatore a cremagliera oltre che l'alimentazione e la meccanica dello
strumento usato, ed un vano per accessori, con mensole chiuso da un'anta
in vetro (o policarbonato);
• una poltrona rigidamente connessa alla sezione standard tramite la navetta
di ancoraggio con base di appoggio modificata e dotata di 4 rulli per
facilitarne lo scorrimento. Ha inoltre un aggancio circolare, sulla parte
anteriore, per un braccio di ancoraggio snodabile connesso rigidamente ad
una seduta per l'operatore, sistemata di fronte alla poltrona. Lo snodo
consente al medico di spostarsi di 90° rispetto l'asse, girando di fianco al
paziente per le vicissitudini del caso.
• supporti vari per tablet, proiettori e lampade led adibite alla visita
oftalmologica.
Il paziente, comodamente seduto sulla poltrona dedicata, viene mosso in maniera
solidale all'appoggio lungo il mobile modulare, sottopondendosi alle determinate
visite diagnostiche stabilite dall'azionamento del cassetto porta-strumento
specifico. Quest'ultimo, conduce in posizione di lavoro l'apparato diagnostico
supportato, collocandolo frontalmente al paziente per l'esercizio della visita
CAPITOLO 1 - PRESENTAZIONE DEL PROGETTO
10
oftalmologica, la quale procederà in maniera analoga per gli strumenti successivi
movimentando la poltrona e i cassetti automatici corrispondenti.
Il prototipo di riferimento, che sarà oggetto di studio per l'intero elaborato, si
compone di 4 moduli porta-strumento.
Affinché la struttura possa rispettare gli obiettivi prefissati, risulta necessaria
l'automazione dei cassetti e della poltrona mobile secondo logiche di controllo
opportune, che diano all'operatore tutti gli strumenti semplici per poter effettuare
una visita nel totale confort del paziente. Quanto detto rappresenta la sezione
centrale dell'elaborato presente, che si propone anche di utilizzare come mezzo
primario di interfaccia alla postazione ArkiStation, un PC, per un controllo locale
o da remoto della visita stessa, sia per funzioni di comando riguardo lo
spostamento dei cassetti e della poltrona, sia in riferimento all'acquisizione dei
dati dai vari strumenti in uso.
Per affrontare in maniera migliore possibile la problematica di automazione
esposta è stato opportuno precisare a priori i componenti elettro-meccanici da
fornire al prototipo chiarendo le esigenze di controllo per una successiva adozione
della tecnica più indicata.
1.3 Componenti elettro-meccanici dei cassetti porta-strumento
Particolare importanza assume in questa fase la scelta della tipologia di
motore elettrico da utilizzare per l'automazione in questione. Genericamente un
motore elettrico azionante un sistema meccanico, deve fornire alla macchina da
azionare caratteristiche di coppia e di velocità ben definite in relazione ai compiti
richiesti. In altri termini, è necessario controllare l’azione svolta dalla macchina
operatrice agendo sulla coppia, sulla velocità e sulla posizione fornita dal motore
alla macchina stessa. Per modificare la coppia e la velocità è necessario
modificare le tensioni e le correnti del motore in frequenza ed ampiezza, e questo
può essere ottenuto alimentando e controllando il motore mediante convertitori
elettronici [7].
CAPITOLO 1 - PRESENTAZIONE DEL PROGETTO
11
Il dimensionamento di un motore elettrico si effettua pertanto in base a due
parametri principali: velocità massima richiesta e coppia massima richiesta. Da
questi due parametri ne discende la potenza massima del motore.
La tipologia di macchina da usare, viene determinata in base alle caratteristiche
dell’impianto ed a considerazioni spesso economiche. La moderna tendenza è per
l’impiego di motori asincroni pilotati da inverter, ma per applicazioni più semplici
è ancora conveniente l’impiego di motori in corrente continua. L’impiego dei
motori brushless è più orientato nel controllo di assi o, comunque, in tutti gli
impieghi dove sono richieste accelerazioni violente e prontezza di risposta.
Fino a pochi anni fa i motori in c.c. erano praticamente l’unica soluzione possibile
per i controlli di velocità variabile, adesso risultano ancora molto utili in settori
dove si impiegano convertitori semicontrollati monofase, il cui costo è molto
competitivo. Sono convenienti anche in applicazioni speciali dove si richiedono
prestazioni dinamiche di assoluta eccellenza [8].
Per gli scopi in esame, si è pertanto optato per l'utilizzo dei classici motori
in c.c., selezionati in modo da fornire l'adeguata coppia ad ogni cassetto porta-
strumento e alla poltrona mobile. La velocità si è presupposta costante lungo la
corsa non essendoci necessità di accelerazioni o decelerazioni, considerando in
entrambe le scelte un sovradimensionamento opportuno per una maggiore
sicurezza e garanzia di funzionamento in ogni condizione.
La motorizzazione dei cassetti porta-strumento è stata fornita da motori a 12V
costituendo un circuito di potenza a bassa tensione. Una coppia adeguata
superiore alla decina di Nm ha permesso la spinta necessaria alla manovra
d’entrata e di uscita del carrello considerando un assorbimento a carico di circa 5-
6 A.
Particolare interesse ha assunto la tipologia di motore riportato in fig. 1.3, motore
possessore delle caratteristiche richieste oltre ad un albero meccanico esterno
ideale per l'assemblaggio diretto al sistema meccanico.
CAPITOLO 1 - PRESENTAZIONE DEL PROGETTO
12
Fig. 1.3: Ccoem modello YX-7005 12V
1.3.1 Catena cinematica utilizzata
Spesso la scelta del motore opportuno dipende dal tipo di moto che si vuole
fornire al sistema. Nelle applicazioni per moto traslatorio, come nel caso in
esame, esiste sempre un congegno meccanico che converte il moto rotatorio in
moto lineare. La scelta della trasmissione dipenderà dal tipo di applicazione, i tipi
più usati sono:
• vite a circolazione di sfere
• vite senza fine,
• pignone-cremagliera,
• cinghia-puleggia dentata,
• cinghia-puleggia trapezoidale.
Tra motore e dispositivo di conversione può essere interposto anche un ulteriore
elemento di riduzione di velocità. Tutti i dispositivi, interposti tra asse motore e
oggetto movimentato, prendono il nome di catena cinematica. Il rapporto tra il
valore della velocità angolare del motore, con il valore di velocità angolare
all’uscita della catena cinematica, prende il nome di rapporto di riduzione totale,
N=ωm ( motore )
ωc (carico ) .
Alla luce di quanto esposto, e compatibilmente con le esigenze progettuali,
si è ritenuto opportuno l'utilizzo di un sistema a cremagliera dotato di un carrello
mobile adibito all'aprire e chiudere il cassetto così come riportato in figura 1.4.
Tensione 12 V
Potere 75 W
Velocità a vuoto 60 rpm (1.1-1.5A)
Velocità a carico 70 rpm (5-6A)
Coppia di torsione 15 Nm
Verso di rotazione Orario e antiorario
Indice di protezione IP44
CAPITOLO 1 - PRESENTAZIONE DEL PROGETTO
13
Fig.1.4: Guida motorizzabile con carrello C.T.S.[9]
Il moto rotatorio del motore viene convertito in moto traslatorio, adeguato allo
spostamento del carrello, il quale dispone di una corsa limitata alla lunghezza del
supporto di base dotato di due testate rispettivamente motrice e di rinvio. Il
legame tra il raggiungimento della posizione di completa apertura o chiusura del
cassetto, e l'arresto della marcia motrice del motore, è proprio l'architettura di
controllo da costruire tale da poter pilotare: l'alimentazione della macchina, il suo
arresto e l'inversione di marcia per il ritorno alle condizioni di chiusura. Utili a
questo scopo sono stati 2 finecorsa meccanici posti alle estremità del supporto
che, come si vedrà, risulteranno determinanti per la risoluzione dell'applicazione.
In figura 1.5 è possibile visionare la vista laterale di un modulo porta-strumento
con carrello in apertura.
Fig.1.5: Vista laterale modulo porta-strumento con carrello in apertura
CAPITOLO 1 - PRESENTAZIONE DEL PROGETTO
14
1.4 Componenti elettro-meccanici della postazione mobile
In maniera analoga a quanto visto per i cassetti porta-strumento, è stata
affrontata la selezione degli elementi elettro-meccanici da fornire a poltrona e
"sezione standard" per la confortevole movimentazione del paziente.
Anche in questa circostanza si è preferito utilizzare una tensione di alimentazione
della macchina di 12 V, selezionando motori del tutto simili ai precedenti, ma con
una coppia di torsione decisamente più elevata dovuta alla presenza di un carico
variabile rispetto a quello sostenuto dai ripiani, precedentemente supposto
costante dipendente esclusivamente dagli strumenti diagnostici (in eccesso 25
Kg).
La cinematica fornita al sistema è rappresentata in fig.1.6, dove si evidenzia
chiaramente, tramite la sezione superiore del'intera postazione ArkiStation, la
soluzione meccanica progettata per conferire la potenziale mobilità alla seduta del
paziente.
Fig. 1.6: Sezione superiore della postazione ArkiStation
Per tale sistema si è utilizzata una poltrona standard (Meccanottica Mazza P200),
la cui base è stata modificata introducendo un carrello mobile su rulli per
facilitarne lo spostamento. La poltrona è stata rigidamente collegata ad una vite
senza fine, posta nella parte inferiore della totalità della "sezione standard",
tramite una cosiddetta "navetta di aggancio" la cui dimensione evidenzia la
CAPITOLO 1 - PRESENTAZIONE DEL PROGETTO
15
distanza presente tra mobile e poltrona. La rotazione della vite, azionata dal
motore collocato alla sua estremità, provoca la traslazione del sistema rigido,
formato dal supporto vite-navetta, navetta di ancoraggio e carrello, in una delle
due direzioni possibili, facendo avanzare o indietreggiare la posizione del paziente
lungo il mobile a seconda del verso di rotazione della macchina elettrica. La base
a rulli della seduta possiede inoltre un aggancio circolare, sulla parte anteriore, per
un braccio di ancoraggio snodabile il quale è connesso rigidamente ad una
postazione per l'operatore, sistemata di fronte alla poltrona. Lo snodo consente al
medico di spostarsi di 90° rispetto l'asse, girando di fianco al paziente per le
vicissitudini del caso.
Fig.1.7: Braccio di ancoraggio tra la poltrona e la seduta dell'operatore
Il motore aziona pertanto il movimento rotatorio di una barra a vite che, oltre a
conferire il moto opportuno alla poltrona, funge da guida parallela alla seduta
stessa, pilotando la navetta di ancoraggio staticamente connessa a entrambe.
Il passo della vite, la velocità di traslazione che si vuole fornire al sistema, e le
caratteristiche cinematiche presenti, determinano la scelta dell'attuatore elettrico
CAPITOLO 1 - PRESENTAZIONE DEL PROGETTO
16
che dovrà conferire alla vite la corretta velocità angolare per determinare lo
spostamento voluto alla velocità traslante richiesta. Esso pertanto dipenderà
principalmente dalla tipologia specifica delle parti meccaniche in uso
possibilmente variabili in funzione del numero di moduli di cui si vuole fornire la
postazione. Un'ulteriore variabile potrebbe infatti essere rappresentata
dall'interposizione, tra motore e vite, di un riduttore di velocità. Ogni anello della
catena cinematica introduce giochi, quindi imprecisioni, avendo ovviamente un
guadagno minore dell'unità. In altri termini bisogna spendere energia per
movimentarlo. Con l'inserimento di un elemento riduttore, si ottiene una
diminuzione del momento d’inerzia del carico riportato all’asse motore,
corrispondente al quadrato del rapporto di riduzione.
Ulteriori componenti elettro-meccanici sono stati inseriti lungo la corsa
della navetta, guidata dalla barra a vite, per la determinazione delle posizioni di
stallo in corrispondenza dei cassetti porta-strumento. Tale soluzione sarà
ampiamente descritta nel Cap. 4 interamente dedicato all'automazione della
poltrona.
1.5 Strumenti diagnostici e loro interconnessione
Le numerose tipologie di apparecchiature oftalmiche sono ormai anch'esse
dotate di elementi integrati altamente funzionali sia per l'affidabilità delle
misurazioni, sia per una proficua interazione con l'operatore che le usa.
Si pensi alle versioni più recenti di particolari lampade a fessura, adibite alla
visualizzazione della camera interna
oculare, dotate di congegni strutturali
adatti alla registrazione di filmati, o
semplici immagini, visualizzabili in
alta definizione su PC. In figura 1.8 è
riportata una lampada
a fessura in comunicazione con un
dispositivo Apple.
CAPITOLO 1 - PRESENTAZIONE DEL PROGETTO
17
Oltre alla lampada a fessura, solitamente, in tutti gli studi medici oculistici, sono
presenti diverse apparecchiature medicali ognuna adibita ad una specifica sezione
di visita.
Le più comuni sono:
• Forottero: strumento attraverso il quale si esegue l’esame refrattivo in
modo pratico e veloce. Si tratta di una complessa unità strumentale
costituita da 4 dischi di lenti: sferiche (positive e negative) di potere
elevato, sferiche (positive e negative) di basso potere, cilindriche
(negative) e accessorie. Un esempio di forottero è visibile in figura 1.9.
Fig. 1.9: Forottero manuale
• Tonometro: è uno strumento di screening attraverso il quale si rileva
la pressione intra-oculare (IOP). Attraverso un pistoncino, posto di
fronte alla cornea, viene emesso un soffio d’aria che va ad applanare la
superficie corneale analizzata; poi, attraverso un ingegnoso sistema di
rilevazione, lo strumento deduce la resistenza con cui l’occhio contrasta la
forza esterna del soffio d’aria e quindi deduce la IOP. Questa tipologia di
tonometro a soffio è riportata in figura 1.10.
Fig.1.10: Tonometro a soffio
CAPITOLO 1 - PRESENTAZIONE DEL PROGETTO
18
• Autorefrattometro: strumento oculistico che valuta in maniera oggettiva i
vizi di rifrazione (miopia, ipermetropia, astigmatismo). Il paziente fissa
due mire di riferimento e l'autorefrattometro (fig. 1.11) esegue le
automatiche misurazioni.
Fig. 1.11: Autorefrattometro
• Oftalmometro: strumento diagnostico utilizzato per misurare eventuali
errori di rifrazione dell'occhio, attraverso la misurazione della curvatura
della superficie esterna della cornea. Lo strumento, visibile in figura 1.12,
si rivela utile soprattutto per misurare l'entità di eventuali difetti rifrattivi,
come l'astigmatismo, ma è molto utilizzato anche per la correzione dei
difetti refrattivi rilevati (con procedure di chirurgia refrattiva), o
in contattologia.
Fig. 1.12: Oftalmometro
La stragrande maggioranza di questi strumenti medicali appena citati, è fornita di
un'interfaccia PC, in particolare da un'analisi di mercato è stato riscontrato che lo
standard più diffuso rimane ancora quello EIA RS-232 (Electronic Industries
Alliance Recommended Standard 232).
CAPITOLO 1 - PRESENTAZIONE DEL PROGETTO
19
La disponibilità di una o al massimo due porte RS232 presenti in un PC, risultano
ovviamente insufficienti per la connessione dei diversi strumenti diagnostici.
Una delle fasi di messa a punto delle funzionalità di ArkiStation è stata pertanto la
progettazione di uno switch digitale RS-232 che possa, seguendo una specifica
logica di controllo, commutare la trasmissione dei dati strumento-PC dall'effettivo
dispositivo in utilizzo. In figura 1.13 si evidenzia lo schema di base rappresentante
la risoluzione del problema esposto.
Fig.1.13: Schema di base per la progettazione dello switch RS232.
La completa progettazione di tale sistema verrà ampiamente descritta nel Cap. 5
dove si analizzerà l'interconnessione tra le varie porte seriali RS232.
Si rimanda, invece, in Appendice A per la trattazione della struttura e del
principio di funzionamento della seriale RS232.
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
20
Capitolo 2
Scelta e analisi della tecnologia di controllo
2.1 Introduzione
La scelta del sistema di controllo da utilizzare per l'automazione, ha una
fondamentale importanza per la buona riuscita del progetto in questione. In altre
parole è la principale decisione strategica da prendere nella fase iniziale di studio
dell’automazione di una macchina o di un impianto, poiché deve tener conto dei
tempi di intervento, durata, affidabilità e soprattutto dei costi di ogni tipologia di
sistema da adottare.
L'evoluzione dei modelli tecnologici ha permesso di introdurre sistemi di
controllo più sofisticati per applicazioni maggiormente complesse, con addirittura
più facilità di realizzazione. Pian piano si è passati, infatti, da sistemi a logica
cablata con componenti elettromeccanici quali relè, a sistemi di controllo
programmabili, PLC (Programmable logic controller), interfacciabili con i PC.
Il fine principale della scelta è quello di ottimizzare il controllo di uno o più
processi fisici in modo continuativo ovvero articolando le determinate fasi
esecutive in maniera ciclica.
Bisogna quindi imporre una logica di controllo riassumibile in tre punti principali:
Acquisizione dei segnali sensoriali
Applicazione degli algoritmi di controllo
Attuazione dei segnali di controllo
Queste fasi devono comunque rispettare dei vincoli temporali prefissati
caratteristici dei cosiddetti sistemi a tempo reale (Real Time System o
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
21
semplicemente RT), sistemi tipicamente usati in ambito industriale dove infatti
occorre una risposta interna ad un tempo massimo noto. Questa definizione non
specifica l'attitudine di questi sistemi ad essere necessariamente veloci, ma da un
punto di vista puramente teorico l'intervallo di tempo in cui il sistema
operativo/applicativo deve reagire non ha importanza.
In base al tipo di applicazione è inoltre possibile distinguere i suddetti sistemi in:
Sistemi Hard RT in cui la riuscita dell'applicazione è strettamente legata
al rispetto dei vincoli temporali;
Sistemi Soft RT dove il non mantenimento occasionale dei limiti di
tempo comporta dei cali prestazionali senza il completo fallimento
dell'applicazione, a differenza degli Hard RT in cui si provocherebbe un
mancato funzionamento [11].
2.2 Sistemi di controllo per l'automazione
Importante e estremamente necessario per un sistema di controllo è avere
una base operativa che articoli il processo o i processi secondo una priorità di
esecuzione assegnata, rispettando i vincoli temporali precedentemente accennati.
L'interazione tra l'hardware e il software deve perciò permettere l'esecuzione dei
processi che a loro volta devono poter comunicare e interagire scambiando le
informazioni necessarie per l'applicazione degli algoritmi di controllo.
L'insieme di diversi sistemi hardware, indipendentemente dalla loro natura e
scelta, determina la configurazione del sistema di controllo che deve pertanto
possedere:
• Un sistema per l'acquisizione dati dal campo, ovvero segnali
analogici,digitali o logici a seconda dell'applicazione di controllo;
• Un sistema a microprocessore in grado di eseguire l'algoritmo di controllo
assegnatogli;
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
22
• Un sistema per l'attuazione dei segnali di controllo derivanti dal
microprocessore formato da tutti i componenti che si interfacciano con i
dispositivi operanti sul campo (es. motori elettrici o attuatori pneumatici);
• Timer per la gestione Real Time dei processi;
• Dispositivi di dialogo con altri apparati remoti, ad esempio porte seriali
RS232, presenti nella stragrande maggioranza degli strumenti diagnostici
oculistici, porte TCP/IP, e interfacce utente quali tastiere o schermi.
Fig.2.2: Schema a blocchi sistema di controllo RT generico
Un sistema RT di questo tipo opera un controllo logico sequenziale agente a
partire dalle variabili di campo passando per il controllo delle sequenze logiche di
coordinamento e di supervisione fino alla gestione dell'intero sistema complesso
[12].
L'ambito di utilizzo, e la conseguente taglia del sistema di controllo, insieme alla
sua caratteristica temporale Hard RT o Soft RT derivante dal grado di prestazione
richiesta al sistema, determina la scelta del controllore appropriato per la
realizzazione del controllo logico-sequenziale in questione.
Importante è inoltre la distinzione tra la realizzazione di un sistema centralizzato o
distribuito. Nel primo caso è presente un dispositivo principale, una sorta di
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
23
centralina che governa il funzionamento di tutto l'impianto. È una soluzione tipica
di un sistema con molti sensori e pochi attuatori a differenza della soluzione
distribuita, dove il funzionamento complessivo è basato sulla collaborazione fra i
numerosi apparati attivi che colloquiano fra di loro tramite una linea di
comunicazione condivisa, normalmente una linea bus.
Sistemi di controllo centralizzati, con caratteristiche Hard o Soft RT,
possono essere tranquillamente realizzati tramite PLC, diffusissimo sistema a bus
che esegue programmi software per il controllo logico sequenziale con elevata
robustezza, flessibilità e riusabilità. Un PLC è in grado di includere uno o più loop
di controllo PID (Proportional-Integral-Derivative). Quando viene richiesta
l’esecuzione di centinaia o migliaia di loops, si ricorre ad un PLC con un
hardware più sofisticato e potente, in grado di gestire migliaia di I/O (Input and
Output) e PID, chiamato Distributed Control System (DCS) adatto dunque alla
centralizzazione di soluzioni normalmente distribuite. Attualmente la tecnologia
ha permesso di ridurre drasticamente il gap tra PLC e DCS [12].
Il PLC è dunque un sistema formato da più schede collegate fra loro mediante un
bus di comunicazione ovvero un insieme di linee elettriche su cui vengono
trasmesse informazioni e comandi logici.
I sistemi, invece, di piccola taglia Hard RT possono essere realizzati tramite i
cosiddetti Embedded Controller, cioè dei sistemi integrati anch'essi adibiti
all'esecuzione di opportuni programmi software, ma configurati tramite un'unica
scheda, su cui sono concentrati i dispositivi per il controllo. Per questi sistemi
bisogna dunque sviluppare l'intera struttura hardware e software.
Piccoli sistemi embedded vengono ormai usati in svariati settori in cui si predilige
appunto un ingombro minimo in modo da essere integrati facilmente. Si pensi ai
PC industriali, anch'essi oggigiorno diventati un'efficiente alternativa alle tecniche
di controllo tradizionali, formati dall'interazione tra sistemi di questo genere
appositamente sviluppati (schede grafiche, lettori dvd ecc.).
Ovviamente i PLC hanno di gran lunga dominato il mercato
dell'automazione grazie alle proprie caratteristiche facendosi preferire ai PC
industriali, in passato ancora troppo limitati per fornire prestazioni elevate ad un
costo ragionevole. Tuttavia, dai primi anni novanta a oggi, il PC industriale si è
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
24
fatto molto avanti in questi mercati, grazie alla sua vasta gamma e alla velocità dei
processori che continua ad aumentare contemporaneamente alla diminuzione
perenne del costo di questi componenti. Il numero di applicazioni che utilizzano
PC è in crescita, provocando uno sviluppo accelerato che confonde il confine tra
le due tecnologie. Il PC è diventato anche un controller più robusto, adatto a
lavorare in ambienti difficili come era possibile una volta soltanto per i PLC i
quali a loro volta si sono evoluti per includere la capacità di gestire il motion
control, i processi di controllo avanzato Pid e di sicurezza integrata, adottando
anche alcune caratteristiche dei PC, come ad esempio il web server e le utility di
rete.
Per scegliere un PC o un PLC o un sistema ibrido, è importante definire
inizialmente come semplificare la decisione analizzando e comparando alcune
delle caratteristiche che potrebbero differenziare le tecnologie. Si potranno così
identificare alcuni elementi principali da tenere in considerazione per quest’analisi
comparativa. Necessiterà analizzare come lavora il sistema operativo e come
vengono processate le istruzioni e i task, un aspetto che diventa più complesso nel
caso si vada verso controlli real time e ne discende l’affidabilità del componente.
Un altro aspetto da tenere in considerazione è la robustezza specialmente in
ambienti industriali critici. Si devono poi considerare la reperibilità dei
componenti di ricambio,e la semplicità/tempi di riparazione. Bisogna valutare i
requisiti per la comunicazione, l’interfaccia per il bus di campo, la memoria e la
potenza del processore. La definizione dell’hardware si porta spesso dietro la
scelta dell’ambiente e del linguaggio usati per la programmazione, scelta che
influisce sull’operatività e sui tempi di sviluppo dell’applicazione. Anche il
prezzo della soluzione è importante poiché a seconda delle esigenze applicative
l’impiego di una tecnologia diversa può comportare notevoli differenze
economiche che dipendono essenzialmente dalle performance desiderate, dal
livello di espandibilità che si vuole ottenere e dall’ambiente in cui opera la
soluzione scelta.
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
25
2.2.1 Scelta del sistema di controllo
Analizzando accuratamente le caratteristiche dei vari sistemi di controllo
enunciati in base ai requisiti del progetto in esame e alle variabili operative
consequenziali alla decisione, si è optato per una scelta classica di automazione
utilizzando l'architettura di processo del PLC. Una soluzione pronosticata fin dalle
prime fasi di studio in modo da garantire una solidità normativa del prototipo
finale probabilmente destinato all'essere brevettato. Nonostante ciò, l'adozione di
una soluzione embedded è stata studiata separatamente a quanto descritto in
questo elaborato in modo da fornire degli elementi di confronto in merito ai
risultati ottenuti e ai costi di produzione.
2.3 PLC: storia e classificazione
I controllori logici programmabili furono introdotti, negli Stati Uniti, verso
la fine degli anni ’60 allo scopo di ridurre i sempre più elevati costi e complessità
dei controlli. La realizzazione dei sistemi di controllo dei nuovi apparati
introdotti sul mercato, infatti, avrebbe avuto bisogno di circuiti con centinaia o
migliaia di relè. Comparso, dunque, in sostituzione delle logica cablata, il PLC si
è affermato negli anni successivi grazie ad una riduzione di costi, ad un aumento
dell’affidabilità rispetto ai primi esemplari, e all’attenuarsi della diffidenza degli
operatori. Nella metà degli anni ’70 la tecnologia dominante dei PLC era basata su
dispositivi sequenziali, purtroppo ancora privi di standardizzazione con
conseguente produzione di una serie di protocolli e reti incompatibili, tanto da
rendere la comunicazione tra PLC di costruttori diversi quasi impossibile. Negli
anni ’80 la General Motors tentò di standardizzare la comunicazione con un
protocollo denominato MAP ( Manufacturing Automation Protocol ) ed allo
stesso tempo rese programmabili i PLC attraverso personal computer, invece che
con tastiere dedicate o programmazioni manuali. Negli anni ’90 si è ottenuta una
notevole riduzione degli ingombri dei PLC e inoltre, grazie al diffondersi di
sistemi digitali e computerizzati anche a bassi livelli, si è assistito ad una migliore
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
26
integrazione del controllore logico con questi sistemi, consentendo campi di
impiego inimmaginabili per l'ormai remota logica cablata. I PLC riescono infatti a
garantire prestazioni elevate quali:
elaborazione di segnali analogici,
effettuazione di operazioni matematiche,
memorizzazione dati,
visualizzazione dati,
trasferimento dati,
collegamenti operativi con altri PLC, con calcolatori e con controlli
numerici.
I PLC delle ultime generazioni non hanno più soltanto le caratteristiche originali
di semplici sequenziatori, ma stanno assumendo quelle di calcolatori di processo
con compiti di controllo e supervisione dei vari iter produttivi con interfacce
utente sempre più sofisticate.
Sebbene spesso la letteratura tecnico-commerciale ed alcuni addetti ai lavori
estendano arbitrariamente la definizione di PLC a qualsiasi dispositivo
programmabile impiegato nell'automazione industriale, vi è da rilevare l'esistenza
di una normativa di riferimento (CEI 65-23, in recepimento della norma EN
61131-1 ossia della pubblicazione IEC 1131-1) e di una esplicita definizione su
cosa si intenda per PLC, riportata all'art. 2.50:
"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, per controllare, mediante ingressi ed uscite sia digitali che
analogici,vari tipi di macchine e processi"[3].
Sia il controllore programmabile che le periferiche associate sono stati progettati
in modo da poter essere facilmente integrati in sistemi di controllo industriale ed
utilizzati in tutte le funzioni previste. È fisiologico definire PLC qualsiasi apparato
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
27
compatto o modulare dotato di I/O da campo (digitali e/o analogici),
programmabile tramite almeno uno dei linguaggi previsti dalla norma IEC1131-3.
Una prima classificazione macroscopica dei PLC, distingue i diversi tipi di
controllori logici in base alla struttura hardware e alla tipologia di linguaggio di
programmazione riconosciuto in:
PLC compatti: utilizzati soprattutto quando il requisito principale ricercato
è il basso costo, in ambito sia industriale che civile, vengono spesso
programmati per svolgere sequenze logiche temporizzate. Sono delle vere
e proprie strutture hardware rigide, caratterizzate da un unico blocco con al
più un numero molto limitato di opzioni. Si tratta di sistemi per cui la
competizione tra i costruttori è molto elevata ed essenzialmente basata sul
costo, di conseguenza anche l’ambiente di sviluppo è molto semplificato
con possibilità numeriche, in termini di complessità e quantitativi delle
strutture dati gestibili da questi sistemi, molto limitate. I linguaggi
supportati sono solo quelli logici (ladder).
PLC espandibili: rispondono invece a richieste prestazionali superiori con
una certa flessibilità, per applicazioni che non richiedono necessariamente
un'architettura centralizzata. I compiti possono essere ripartiti tra più PLC
comunicanti tra loro su rete a elevata efficienza (architettura distribuita) o
in alternativa svolti da una sola CPU eventualmente supportata da moduli
funzionali normalmente nell'ordine della decina. Anch'essi utilizzano i
linguaggi logici tradizionali.
PLC modulari: usano invece dei linguaggi software evoluti a causa
dell'elevata complessità dei comandi per cui vengono adoperati. Sono
normalmente formati da più CPU che operano contemporaneamente
consentendo un tempo di ciclo anche dell'ordine del ms. Si tratta di sistemi
molto potenti utilizzati soprattutto in architetture centralizzate, spesso però
soppiantati da una più pratica gestione distribuita con PLC di minore
complessità collocati là dove servono.
I PLC espandibili o modulari hanno dunque una struttura molto più
vantaggiosa rispetto a quella dei controllori compatti. La caratteristica modulare
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
28
permette di configurare l’architettura del PLC in base alle effettive esigenze
dell’automazione. È possibile inserire, di volta in volta, il numero e il tipo di
moduli che occorrono senza sprechi e con una flessibilità notevole rispetto a
eventuali ampliamenti futuri. Di riflesso questo porta ad avere una notevolissima
varietà di moduli a propria disposizione, anche per svolgere funzioni molto
particolari. Nei PLC, infatti, non si aggiunge una scheda il cui software è
completamente da realizzare, ma si aggiungono dei moduli già possessori di
pacchetti software dedicati. Questa soluzione ha il vantaggio di agevolare e
velocizzare la realizzazione dei programmi applicativi permettendo anche ad
utenti poco esperti la realizzazione di funzioni complesse. Per contro si ha che
tutto quello non previsto dal pacchetto software a corredo non può essere
realizzato anche se, potenzialmente, la scheda sarebbe in grado di farlo.
2.4 Struttura e principio di funzionamento
A secondo del tipo di applicazione, dei requisiti richiesti al sistema di
controllo e del costo sostenibile per la sua realizzazione, è opportuno scegliere
l'appropriato PLC adatto ai propri bisogni considerando quanto già esposto sulle
differenze sostanziali tra i PLC compatti o modulari. Ipotesi di espansioni future o
frequenti modifiche sia a livello hardware che software, spingono gli utenti all'uso
più agevole dei PLC modulari a fronte di un costo maggiore, mentre casi di
presunta stabilità nel tempo dei fini di servizio, permettono spese inferiori
caratteristiche dei controllori monoblocco limitati sia a livello di programmazione
che strutturale.
Oltre a questa distinzione macroscopica iniziale, però, i vari PLC, siano essi
compatti o modulari, sono differenziabili in base a ulteriori parametri tecnici la
cui totalità caratterizza ogni singolo controllore.
Un importante parametro, normalmente uno dei principali selettori per la scelta
dell'opportuno PLC, è il numero di schede o moduli di ingresso/uscita che
acquisiscono o inviano segnali digitali o analogici. Tutti i costruttori ne offrono
una grande varietà per adattarsi ai diversi tipi di sensori ed ai diversi comandi da
erogare.
Si hanno PLC di:
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
29
• gamma bassa, quando controllano fino a 64 I/O
• gamma media, quando controllano tra 64 e 512 I/O
• gamma alta, quando controllano più di 512 I/O.
PLC I/O Memoria
Micro 64 1-2 kbyte
Piccoli 512 4 kbyte
Medi 2048 ≈101
kbyte
Grandi ≈103
≈102 kbyte
Tab. 2.1: Tipologie di PLC in funzione del n° di I/O e memoria.
Un esiguo numero di punti di I/O integrati nella CPU, insieme al necessario
alimentatore, rispecchia la struttura dei PLC compatti. Modularità, integrabilità e
scalabilità sono invece le principali caratteristiche di un PLC espandibile o
modulare che possiede, dunque, una struttura più elaborata. In essi è possibile
scegliere anche il modello della CPU in funzione della configurazione e della
complessità della gestione da implementare; questo perché tutti i modelli di una
famiglia di CPU sono compatibili a livello software. Per questi ultimi si ha un
telaio adatto a posizionare i vari moduli in maniera semplice evitando difficoltà di
interazione e alimentazione tra le parti.
In generale gli elementi che compongono il controllore sono:
• Alimentatore
• Unità Centrale (CPU)
• Memoria
• Unità di input/output
• Periferiche
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
30
Fig.2.3: Esempio struttura PLC espandibile SIMATIC-s5
È una serie ormai superata ma la sua architettura sostanzialmente non si discosta molto da quelle
più recenti;
(1) Alimentatore;
(2) CPU;
(3) Moduli periferici;
(4) Bus;
(5) Guida omega
2.4.1 Alimentatore
L'alimentatore è un elemento essenziale per il funzionamento del PLC. Esso
permette di generare le tensioni di alimentazione per ogni scheda facente parte del
controllore normalmente interessate da tensioni in corrente continua di 5 o 15
Vdc. Partendo da una sorgente di alimentazione sia essa in continua o
semplicemente la tensione di rete alternata, l'alimentatore svolge anche importanti
azioni stabilizzanti incrementando l'affidabilità di tutto il sistema. È infatti
formato da tutti i dispositivi necessari per fornire la giusta alimentazione alle CPU
e ai vari moduli quali trasformatori, raddrizzatori e stabilizzatori. Può eseguire
funzioni di controllo mirate alla corretta alimentazione o alla predefinita
esecuzione del programma da parte della CPU. Spesso, infatti, il modulo
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
31
alimentatore viene inserito nello stesso contenitore della CPU. Si può considerare
parte dell'alimentatore anche il dispositivo che commuta sulla batteria tampone, in
assenza di alimentazione dalla rete, per salvare il contenuto della RAM.
2.4.2 Bus e rack
Considerando i PLC modulari, per facilitare il montaggio meccanico, ma
soprattutto per connettere i vari moduli e le rispettive alimentazioni, si hanno delle
strutture dette a rack o a bus in modo da garantire la caratteristica modulare del
PLC. Un rack è una sorta di alloggio a rastrello dei moduli, possibilitato a
contenere un numero massimo di schede disposte in esso senza un ordine
prefissato. Normalmente i primi 2 posti vacanti disponibili sono sede
dell'alimentatore e della CPU, ma ogni scheda innestata nel rack può assumere
una posizione arbitraria localizzata da degli indirizzi di tipo posizionale in
sequenza oppure assegnati dall'ambiente di programmazione del PLC.
Il sistema bus è un insieme di collegamenti interni per la trasmissione e lo
scambio di segnali, tensione d'alimentazione e potenziali di massa.
È suddiviso in più gruppi di segnali:
- bus degli indirizzi, tramite il quale si può accedere agli indirizzi delle singole
schede;
- bus dati, tramite il quale i dati possono essere letti dalle schede d'ingresso o
trasferiti alle schede d'uscita;
- bus di comando, tramite il quale vengono gestiti i segnali di comando e
controllo dello svolgimento delle funzioni all'interno del controllore.
2.4.3 CPU
La CPU è una scheda dotata di sistema operativo basata su un processore,
memorie, interfacce di generazione e gestione del bus verso i moduli periferici.
Essa può operare in 2 diverse modalità:
• Stop: in cui non viene eseguito il programma applicativo, ma può ricevere
comandi dall'unità di programmazione spesso PC per la configurazione e
l'immissione con conseguente memorizzazione del programma;
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
32
• Run: dove il sistema operativo residente controlla l'esecuzione del
programma applicativo, inizializzando le procedure instaurando un
funzionamento ciclico comunemente chiamato ciclo di funzionamento della
CPU.
Si tratta di un ciclo in cui viene appunto eseguito anche il programma
applicativo in un intervallo di tempo ovviamente dipendente dalla lunghezza
del programma stesso. Un tempo, definito di scansione, dell'ordine del ms
dovuto al fatto che il tempo medio impiegato da un PLC recente per lo
svolgimento di un’istruzione è inferiore al microsecondo. Il tempo di
risposta del PLC è, infatti, l'intervallo di tempo che passa tra la rilevazione di
un certo evento e l'esecuzione dell'azione di risposta per esso programmata
[2]. Il ciclo esposto è schematizzato in figura 2.4.
Fig.2.4: Ciclo di scansione della CPU
IPI: immagini di processo in ingresso lette a inizio ciclo
IPU: immagini di processo in uscita lette a fine ciclo
L'uscita reale dipende dai valori assunti dalle IPU
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
33
L'unità operativa è quindi la CPU, che con il microprocessore dedicato,
esegue i programmi scritti in codice macchina diversamente all'operatore che
imposta i propri programmi applicativi tramite linguaggi molto simili agli schemi
elettromeccanici a relè o a istruzioni o a blocchi. Questi linguaggi vengono
pertanto elaborati e ricondotti a linguaggi intermedi di facile interpretazione per il
microcontrollore, che provvederà alla decodifica. Ciò rende il sistema meno
vulnerabile rispetto a errori di programmazione mantenendo la corrispondenza tra
l'istruzione macchina e quella grafica.
Si ha pertanto una netta distinzione tra il sistema operativo intrinseco al PLC,
sviluppato e memorizzato dal costruttore,e il programma applicativo costruito
dall'utente per cui si ha una parte di memoria riservata in cui si provvede alla
decodifica per ogni ciclo di scansione. Ciò comporta una sorta di protezione del
microcontrollore il cui funzionamento prescinde dalla correttezza del programma
applicativo destinato alla sua interpretazione. In questo modo, l’utente, può
modificare il proprio programma mentre questo è in esecuzione e il
microcontrollore può potenzialmente tornare al sistema operativo dopo
l’esecuzione di ciascuna istruzione utente.
Il programma applicativo deve avere una organizzazione adatta
all’inserimento in tale struttura ciclica, cioè deve essere eseguito dall’inizio alla
fine senza punti di attesa. All'inizio del ciclo stesso vengono memorizzati i valori
degli ingressi logici su delle variabili denominate immagini di processo. Esse
vengono considerate come uscite logiche scaricate a fine ciclo sulle uscite fisiche
rappresentando dunque gli stati logici dei segnali di ingresso e uscita. La lettura di
questi ingressi avviene una singola volta per ogni ciclo con memorizzazione nelle
variabili predette ovvero le immagini di processo di ingresso (IPI). Analogamente
il programma applicativo non agisce direttamente sulle uscite fisiche, ma su
variabili dette immagini di processo delle uscite (IPU) e al termine del ciclo si ha
la reale modifica delle uscite strettamente dipendenti dai valori delle IPU.
Il microprocessore racchiude in sè tutte le funzioni di calcolo e controllo del
processore centrale di un normale calcolatore. La sua caratteristica più importante
è la programmabilità che ha consentito il grande passo in avanti dalla logica
cablata alla logica programmabile. Attualmente i microprocessori utilizzati come
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
34
CPU dei controllori programmabili, sono molto vari in quanto non esiste una
qualsiasi forma di standardizzazione. Ogni costruttore impiega il microprocessore
che ritiene più adatto alle prestazioni che vuole fornire al suo sistema.
2.4.4 Memorie
Il PLC ha bisogno di memoria per il proprio sistema operativo, per la
memorizzazione del programma utente e per l'elaborazione dei dati intermedi
durante l'esecuzione del programma.
Di conseguenza si distinguono tre tipi di memoria differenti in base al loro
impiego riscontrabili nello schema a blocchi di figura 2.5:
a. memoria di sistema
b. memoria di programma,
c. memoria dati.
Fig.2.5: Tipi di memoria presenti in un PLC
a) Di solito il costruttore utilizza, per la memorizzazione del sistema
operativo, una memoria di tipo ROM (Read Only Memory), che ha appunto le
caratteristiche di essere non volatile e di non poter essere modificata essendo una
memoria di sola lettura. È adibita a conservare tutte quelle particolari istruzioni
che servono per la gestione ed il controllo del funzionamento della CPU e che
pertanto costituiscono un vero e proprio sistema operativo del PLC. Memorie del
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
35
tipo PROM o EPROM possono comunque essere ugualmente adoperate per questi
fini purché siano non accessibili all'utente.
b) È la memoria destinata a contenere le istruzioni che costituiscono il
programma eseguibile dal PLC. Per svolgere tale funzione essa deve essere
accessibile all'utente artefice della stesura del programma stesso, e viene quindi
realizzata con memorie di tipo RAM(Random Access Memory). A differenza del
sistema operativo del PLC, il programma utente, deve quindi poter essere
modificato in modo che possa essere adattato alle esigenze iniziali dell'utente il
quale potrà in qualsiasi momento modificarne il contenuto.
c) Similmente alla memoria di programma la memoria dati necessaria per la
memorizzazione dei risultati intermedi è soggetta continuamente a operazioni di
lettura e scrittura. È dunque anch'essa una memoria di tipo RAM riscrivibile dopo
ogni lettura anche chiamata memoria di lavoro divisibile in due sezioni distinte:
Flag (o Merker): cioè una certa quantità di memoria che può essere
indirizzata anche in formato byte od a singoli bit e che può essere
utilizzata dall'utente per memorizzare risultati intermedi durante
l'elaborazione del programma. I singoli bit di queste memorie possono
essere settati (cioè posti al valore logico 1) o resettati (cioè posti al valore
logico 0).
Registri: memoria di tipo RAM che viene utilizzata per svolgere
determinate funzioni durante l'esecuzione del programma.
Solitamente si ha almeno un:
- registro di lavoro in cui vengono memorizzati i risultati delle singole
operazioni di tipo logico-aritmetico che vengono svolte dalla CPU
istruzione dopo istruzione
- registro ausiliario che interviene solo in particolari situazioni
- registro di stack che serve per la memorizzazione di risultati intermedi
quando il registro di lavoro deve essere utilizzato per altre elaborazioni
- un registro di stato.
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
36
Tra le tipologie di memoria enunciate , la dimensione della RAM utente è di
fatto uno dei parametri che caratterizza maggiormente un PLC in quanto da essa
dipende la lunghezza del programma che può essere gestito dal controllore stesso.
Per PLC di piccola taglia, attualmente, si hanno memorie utente che hanno
dimensione da tre a quattro Kbyte, a cui corrisponde la capacità di memorizzare
programmi di circa mille istruzioni [2]. Ovviamente in PLC di taglia superiore la
dimensione della RAM varia proporzionalmente con la complessità del set di
istruzioni del linguaggio di programmazione e con le dimensioni, prevedibilmente
superiori, dei programmi necessari per gestire automatismi complessi.
2.4.5 Unità Periferiche
Sono quei moduli adibiti all'interazione con gli elementi di campo, siano
essi sensori in ingresso o attuatori in uscita come riportato in figura 2.6. La loro
distinzione dipende sostanzialmente dal tipo di segnale che ricevono o che devono
inviare. Possono inoltre essere moduli speciali per funzioni specifiche con
processore e programma interno autonomo.
Si dividono dunque in:
a) moduli I/O digitali
b) moduli I/O analogici
c) moduli funzionali
Fig. 2.6: Sensori e attuatori connessi al PLC tramite i moduli I/O
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
37
a) Questi moduli permettono di connettere direttamente al PLC i trasduttori
e gli attuatori digitali posti sul campo. Finecorsa, sensori induttivi, sensori
capacitivi, pulsanti, selettori e tutto quanto fornisce un segnale digitale verrà
connesso alle schede d’ingresso, come in figura 2.7a, mentre relè, elettrovalvole,
spie di segnalazione e tutto quanto viene comandato da un segnale digitale verrà
connesso alle schede di uscita, figura 2.7 b. Possono esserci anche moduli misti di
ingresso e uscita.
I principali parametri di un modulo di ingresso sono [2]:
• La tensione nominale in ingresso: In genere è di 24Vdc (anche se
esistono schede a 115Vac e 230Vac), questo significa che vi sarà un certo
campo di tensioni sull’ingresso in cui il segnale logico riconosciuto dal
PLC sarà 0 o 1. Tipicamente questo range di tensioni va rispettivamente
da - 30Vdc a +5Vdc per avere un livello logico basso e da +15Vdc a
+30Vdc per un livello logico alto.
• Il valore del filtro di ingresso: sugli ingressi digitali è sempre presente un
filtro che, di fatto, limita la frequenza massima del segnale leggibile su un
ingresso digitale. Tipicamente questo filtro ha una costante di tempo da
0.1 ms a 20 ms.
• La separazione galvanica sugli ingressi: Molte schede d’ingresso sono
anche dotate di optoisolatori che garantiscono la separazione galvanica fra
il campo e il PLC. Il loro utilizzo ha carattere fondamentale soprattutto
per collocazioni del PLC in ambienti con molti disturbi elettromagnetici
dove si possono creare differenze di potenziale elevate.
Per quanto riguarda le schede di uscita è importante definire il tipo di stadio
d’uscita e la corrente massima fornibile. Tipici stadi d’uscita sono i transistor e i
relè. Le tipiche correnti di uscita massime (per carichi resistivi) sono da 0.5A a 2A
per le uscite a transistor e fino a 8A per le uscite a relè.
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
38
Fig.2.7 a: Schema di cablaggio tipico degli input ai terminali di ingresso
Fig. 2.7 b: Tipico cablaggio degli output ai terminali di uscita [2].
b) Questi moduli permettono di connettere direttamente al PLC i trasduttori
e gli attuatori analogici posti sul campo. Tutto ciò che può fornire un segnale
analogico viene connesso alle schede d'ingresso, mentre gli attuatori comandati da
segnali analogici alle schede d'uscita. In ogni caso l'utente può impostare e
regolare delle soglie in grado di controllare l'andamento delle grandezze
analogiche mediante un confronto. Ogni interfaccia (o via) effettua in maniera
continua il confronto tra il valore del segnale di ingresso e due soglie, alta e bassa,
regolabili mediante potenziometri tipicamente a controllo digitale. I risultati di
questi confronti vengono poi trasmessi al processore del PLC, sottoforma di
segnali logici che una volta memorizzati verranno utilizzati dal programma di
controllo. Le principali caratteristiche dei moduli d’ingresso analogici sono il tipo
di ingresso supportato e il tempo di conversione mentre i moduli d'uscita si
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
39
distinguono soprattutto in base al massimo carico collegabile all’uscita e al tipo
di collegamento al carico.
c) Questi moduli rappresentano la vera evoluzione del PLC diventato non
solo un controllore sequenziale ma anche una sorta di calcolatore di processo con
compiti di controllo e supervisione con interfacce utente sempre più sofisticate.
Essi vengono adoperati per funzioni di controllo continuo e non ciclico-
sequenziale caratteristico della CPU adoperando un monitoraggio perenne del
processo interessato scambiando informazioni con il processore del PLC ad ogni
ciclo compiuto da quest'ultimo. Dotati di un proprio processore, riescono a
svolgere la propria funzione in maniera autonoma utilizzando i risultati ottenuti o
direttamente tramite le proprie uscite, se presenti, oppure agenti a livello del
programma applicativo dell'utente.
Vengono usati dunque per applicazioni di misura/regolazione, dialogo, conteggio
e posizionamento quali ad esempio controlli a ciclo chiuso PID, controlli sul
posizionamento degli assi, funzioni di comando per motori passo-passo o per
imporre una comunicazione esterna al PLC sia essa una semplice comunicazione
diagnostica, verso il campo o verso altre unità intelligenti.
2.5 Linguaggi e software di programmazione
Il software è l’elemento determinante per dare all’hardware del PLC quella
flessibilità che i sistemi di controllo a logica cablata non possiedono.
Le aziende che lo producono, per i loro PLC, si avvalgono quasi esclusivamente
di linguaggi di programmazione specifici per le applicazioni di automazione,
linguaggi strutturati soprattutto con:
• istruzioni di logica combinatoria (AND, OR, NOT)
• istruzioni di caricamento e trasferimento di segnali di processo
• istruzioni che operano sullo stato dei singoli segnali (elaborazione di bit)
• funzioni standard di conteggio, temporizzazione e memorizzazione.
Uno dei problemi più sentiti nell’ambito della programmazione dei PLC, è
l’assenza di una piattaforma comune. Non esiste infatti un ambiente unico in cui
poter programmare tutti i PLC presenti sul mercato, ma ogni costruttore è legato
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
40
al proprio ambiente di programmazione, che propone a pagamento insieme
all’hardware. A volte non si ha libertà completa nello scegliere la struttura fisica,
tipicamente quando alcuni elementi sono già installati nelle macchine dai loro
produttori, oppure quando si affronta il revamping di un impianto già esistente.
L'idea di unificare la programmazione per facilitare anche i non professionisti, si è
col tempo alimentata con la necessità di normalizzare in qualche modo la gestione
software dei PLC e andare incontro alle esigenze di un mercato, sempre più
insofferente a queste situazioni. Occorreva uno standard univoco che fu creato
solo dopo aver dato origine ad un organismo internazionale a cui hanno aderito
tutti i maggiori costruttori di PLC chiamato PLCopen.
Si è dunque generata una normativa, IEC 61131, che definisce uno standard
per il controllo logico basato su PLC, avente come obiettivi primari la correttezza,
la qualità e il contenimento del costo dei sistemi medesimi.
La normativa si sviluppa secondo alcune linee guida:
• definire modelli, concetti e terminologia comuni;
• definire un riferimento per la realizzazione di strumenti di sviluppo
verifica e simulazione dei sistemi di controllo;
• facilitare l’interazione tra progettisti e il riuso di elementi dei progetti;
• consentire la sopravvivenza dei progetti sviluppati a diverse
generazioni tecnologiche dei prodotti (hw/sw) usati per implementarli,
articolando la standardizzazione in tre aspetti principali:
• specifiche dei dispositivi
• linguaggi di programmazione
• protocolli per la comunicazione
La normalizzazione dei linguaggi di programmazione è il punto cruciale
soprattutto per quanto attiene alla portabilità dei progetti e all’interoperabilità dei
prodotti. Favorire il progresso verso metodi moderni di sviluppo, incoraggiando
gli sviluppatori ad applicare concetti di programmazione strutturati e modulari,
facilitare la verifica e il riuso del codice incentivando la portabilità del software e
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
41
ridurre costi e tempi di sviluppo, sono le prerogative imposte dalla normativa [4].
Lo standard definisce cinque tipologie di linguaggi, due di tipo letterale e
tre di tipo grafico, allo scopo, come detto, di consentire una programmazione di
tipo strutturato oltre a un maggior riutilizzo dei software realizzati.
I modi di rappresentazione del programma applicativo sono così denominati:
• IL – Instruction List (Lista di Istruzioni)
• ST – Structrured Text (Testo strutturato)
• LD – Ladder Diagram (Diagramma a contatti)
• FBD – Function Block Diagram (Diagramma a blocchi funzionali)
• SFC – Sequenzial Function Chart (Diagramma a funzioni Sequenziali)
Ogni casa costruttrice sceglie il linguaggio da adottare per il proprio
ambiente di sviluppo. Oggi molti di questi ultimi supportano più di un linguaggio
e alcuni consentono anche di mescolarli entro un progetto implementando alcune
parti di esso in un determinato linguaggio rispetto ad altre con uno differente.
L’aderenza allo standard è indice di portabilità del codice anche se non implica la
compatibilità del formato dei file.
Per meglio definire le varie forme di programmazione selezionabili in
funzione dell'hardware disponibile e in base all'applicazione da impostare
dall'utente, si tratteranno i vari linguaggi precedentemente elencati soffermandosi
dettagliatamente soprattutto sul linguaggio grafico ladder, linguaggio più antico e
più diffuso utilizzato come si vedrà anche per la fase sperimentale di questo
elaborato.
2.5.1 LD – Ladder Diagram
Il più antico linguaggio di programmazione per i PLC è il linguaggio
Ladder anche chiamato diagramma a relè o a contatti.
Fu creato inizialmente per rendere più accessibile la programmazione ai tecnici
di estrazione elettrica. Si basa, infatti, su simboli quali:
binari di potenza, contatti elettrici e avvolgimenti magnetici. È in assoluto il
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
42
linguaggio più utilizzato, di facile comprensione e molto potente nelle fasi di
monitoraggio e test dei programmi realizzati. L'obiettivo principale di questo
linguaggio grafico è di riprodurre il funzionamento di una rete elettrica in cui gli
utilizzatori ovvero delle bobine, vengono eccitate o meno in funzione dello stato
di interruttori comunemente chiamati contatti. L'uso di questi elementi elettrici in
un ambiente nativamente di programmazione, ha permesso una progressiva
accettazione del nuovo metodo concettualmente simile ai precedenti sistemi di
controllo con i relè elettromeccanici. Gli elementi fondamentali del Ladder,
rappresentati in figura 2.8, sono quindi derivati proprio dagli schemi della logica
cablata e sono:
• due linee verticali laterali dette montanti,che rappresentano
un’alimentazione elettrica in particolare il montante di sinistra è il polo
positivo, quello di destra è la massa;
• dei collegamenti orizzontali tra i montanti, detti pioli o rung, che
contengono a sinistra dei contatti e a destra delle bobine;
• contatti
• bobine
Fig. 2.8: Esempio programma ladder a 2 rung
Contatti
Sono sempre connessi al montante di sinistra e associati ad una variabile di
ingresso. Possono assumere due tipi di configurazione, normalmente aperto o
normalmente chiuso da cui dipende la cosiddetta continuità lungo il canale.
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
43
Bobine
Sono gli elementi terminali delle istruzioni e sono sempre collegate al montante di
destra. Rappresentano le uscite dell'architettura.
Possono essere usate anche le bobine latch o unlatch:
• La bobina latch è quella bobina che: quando all’istante iniziale la variabile
in ingresso assume il valore logico alto, essa assume il valore logico alto e
lo mantiene anche se la variabile che la pilota torna al livello logico basso.
• La bobina unlatch presenta un funzionamento duale alla bobina latch:
quando all’istante t1 la variabile in ingresso alla bobina assume il valore
logico alto, la bobina assume il valore logico basso e lo mantiene anche se
la variabile che pilota la bobina torna al livello logico basso.
A ciascun elemento sia esso contatto, bobina, contatore o temporizzatore viene
associata una variabile, il cui valore è conservato in un bit di memoria. Se i valori
associati agli elementi realizzano una continuità elettrica, la linea viene percorsa
dal flusso di esecuzione da sinistra a destra. I rung vengono inoltre scansionati dal
PLC dal primo in alto all’ultimo in basso, e giunti all’ultimo si ricomincia dal
primo.
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
44
Si avrà dunque un processo di:
1) lettura degli ingressi, costanti per tutto il ciclo
2) esecuzione di tutti i rung con scrittura degli stati delle bobine
3) aggiornamento delle uscite
4) restart del ciclo
2.5.2 Altri tipi di linguaggio di programmazione del PLC
Testo strutturato
Il linguaggio ST è un linguaggio ad alto livello, particolarmente adatto per
applicazioni dove occorre effettuare calcoli aritmetici complessi, viene utilizzato
più frequentemente dai tecnici di estrazione Informatica.
Diagramma a funzioni sequenziali
Il linguaggio SFC è basato sui concetti di stati all'interno del quale si
eseguono le azioni, e di transizioni dove al verificarsi di certe condizioni si passa
da un certo insieme di fasi attive ad un altro. Sia gli stati che le transizioni devono
essere univoci all’interno della sequenza, fornendo una sorta di modello
matematico, funzionale e sicuro. È un linguaggio gerarchicamente superiore nel
senso che le azioni possono essere programmate in uno degli altri linguaggi e che
spesso SFC è usato come strumento di specifica.
Diagramma a blocchi funzionali
Il linguaggio FBD è un linguaggio di tipo grafico e viene rappresentato
con la simbologia tipica dei circuiti elettronici. Per questo motivo viene
apprezzato e utilizzato soprattutto dai tecnici di estrazione elettronica. 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 [4]. Non
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
45
permette di sfruttare appieno tutte le potenzialità del PLC e non è adatto per
gestire programmi complessi.
Lista di istruzioni
Ogni programma è costituito da una sequenza di prescrizioni elementari di
lavoro per il controllore. Il linguaggio testuale IL sfrutta queste prescrizioni
chiamate istruzioni, il cui elenco detta lista istruzioni determina il programma
stesso. Le istruzioni sono strutturate nello stesso modo: la prima parte comunica al
controllore l’azione da compiere (operazione), la seconda parte comunica
l’oggetto dell’azione richiesta (operando).Un operando è composto da una sigla e
da un parametro, che a sua volta comprende il numero di posto-connettore e il
numero dell’ingresso o dell’uscita. La lista di istruzioni rappresenta quindi le
funzioni con abbreviazioni mnemoniche: una riga in linguaggio IL è un'istruzione.
2.6 Cenni sui Sistemi Embedded
Un qualsiasi sistema realizzato tramite una singola scheda elettronica
oppure tramite un singolo circuito integrato viene chiamato EMBEDDED
SYSTEM. Questo sistema può assumere caratteristiche di controllo del tutto
simili a quelle del PLC ampiamente trattate, contenendo al suo interno tutto il
necessario sia per connettere il controllore al sistema da controllare, sia per
eseguire gli algoritmi di controllo definiti dall’utente. Il termine embedded
evidenzia l'attitudine di questi sistemi a essere parte di sistemi più grandi con
compiti ben precisi di controllo, elaborazione, memorizzazione o altro. Esso
normalmente viene progettato o scelto in maniera tale che la configurazione
hardware e software sia ad-hoc rispetto al problema di automazione da risolvere,
comportando dunque la conoscenza a priori dei compiti da eseguire. Permette di
ridurre l’hardware, lo spazio, i consumi energetici, i tempi di realizzazione ed il
costo necessari a realizzare il sistema di controllo a scapito di una minore
flessibilità, bassissima estendibilità e difficile intercambiabilità [1]. La struttura di
un generico sistema embedded è riportata in figura 2.9.
CAPITOLO 2 - SCELTA E ANALISI DELLA TECNOLOGIA DI CONTROLLO
46
Fig. 2.9: Struttura generica sistema embedded
Esistono alcuni particolari tipi di sistema embedded in commercio con
funzionalità di base predisposte a implementazioni. Particolare diffusione sta
avendo l'Arduino, prodotto italiano dotato di software "open source", con
ambiente di sviluppo integrato in modo da poter rendere la programmazione
accessibile a tutti rispettando i limiti delle potenzialità dell'hardware facilmente
implementabile. Esistono ovviamente molti altri sistemi simili, la cui caratteristica
accomunante è il basso costo a volte determinante a seconda delle applicazioni.
Fig. 2.10: Esempi sistemi embedded open source: a sinistra Arduino a destra RaspberryPI
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
47
Capitolo 3
PLC adottato: schemi elettrici e programmazione
3.1 Introduzione
La soluzione tecnica adottata ai fini dell'automazione dello studio
oftalmologico è come anticipato la realizzazione di un sistema di controllo tramite
PLC.
L'analisi teorica di questo apparato ha fatto emergere sostanziali differenze tra le
varie tipologie di PLC presenti nel mercato, distinzioni necessarie per poter
fornire all'utilizzatore la giusta gamma di prodotti adatti alle proprie esigenze più
o meno complesse e articolate. L'interazione, infatti, tra le applicazioni di fondo
da voler esplicitare con le varie caratteristiche tecniche di ogni modello di
controllore programmabile, è la primaria operazione da svolgere per effettuare la
giusta scelta fin dagli inizi dello studio del progetto. Il PLC, grazie alla sua
naturale scalabilità, in ogni caso, ben si adatta a future implementazioni sia a
livello hardware sia a livello software. L'aggiunta di opportuni moduli nei
controllori espandibili o modulari permette una maggiorazione delle sue
caratteristiche di serie implementando di conseguenza le sue funzionalità variabili
prevedibilmente nel tempo. In più l'ambiente di sviluppo del programma
applicativo è strettamente collegato alla configurazione hardware del dispositivo,
anch'esso dunque estremamente elastico e funzionale nel caso di modifiche
parziali e totali delle applicazioni.
In questa analisi ha ovviamente grande importanza il costo di mercato dei vari
dispositivi e degli eventuali componenti aggiuntivi, scegliere un PLC
estremamente potente per caratteristiche potrebbe essere la soluzione indicata per
applicazioni complesse e molto soggette a cambiamenti nel tempo, a fronte di un
costo di partenza maggiore, viceversa una soluzione economica, con specifiche
molto prossime a quelle richieste, potrebbe essere accettabile in caso di ipotesi di
scarse o addirittura nulle modifiche nel tempo per quanto riguarda l'aspetto
hardware. Implementare, infatti, questa soluzione può far perdere la principale
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
48
caratteristica di economicità a priori richiesta aggiungendo dei moduli funzionali
facilmente inseribili, ma a seconda dei casi strategicamente costosi.
3.2 Scelta del PLC
Queste e altre prerogative hanno caratterizzato la scelta del PLC per la
realizzazione del progetto chiave dell'elaborato.
Il controllore opportunamente programmato deve:
• controllare i motori (vedi Cap.1) utilizzati per l'automazione dei cassetti
del mobile modulare porta-strumento, in modo da rendere accessibili gli
strumenti diagnostici;
• controllare il motore (vedi Cap. 1) adoperato per lo spostamento della
poltrona parallelamente al mobile;
• pilotare un multiplexer digitale, appositamente progettato per l'utilizzo
compatto degli strumenti, abilitando lo scambio dei dati dallo specifico
strumento in uso;
• comunicare mediante interfaccia TCP/IP o RS232 con un PC per azioni di
comando anche da remoto.
In prima analisi si è ricercato un dispositivo contenente un numero congruo di I/O
in cui collegare i vari sensori e attuatori rispettivamente agli ingressi e alle uscite
del PLC. In particolare si sono focalizzati maggiormente gli I/O digitali essendo
per lo più comandi e azioni a due semplici stati. Ogni motore adibito
all'apertura/chiusura del cassetto deve infatti essere alimentato fin quando non
stabilisce un contatto meccanico con uno dei due finecorsa appositamente
posizionati. Questi ultimi, aventi carattere di sensori in ingresso al PLC,
informeranno in base al loro stato a due livelli dell'avvenuta operazioni di apertura
o chiusura. Per ogni motore si hanno 2 ingressi digitali per i finecorsa e 2
rispettive uscite digitali per gli altrettanti versi di rotazione del motore stesso.
Considerando i 4 cassetti di cui si vuole fornire il prototipo occorrono 4 motori il
cui pilotaggio necessiterà di 8 ingressi e 8 uscite, a cui vanno ad aggiungersi
eventuali pulsanti manuali in ingresso.
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
49
Aggiungendo a questi ultimi i:
• dovuti I/O digitali per il controllo del motore della postazione mobile del
paziente (7 I/O) ,che come si vedrà nel Cap.4 si progetterà sfruttando un
particolare effetto magnetico: effetto Hall;
• le opportune uscite digitali afferenti al pilotaggio del multiplexer trattato
nel Cap. 5 dove si avrà l'esigenza di un selettore a 3 ingressi rappresentati
proprio dalle uscite in questione del PLC
• ulteriori input per interruttori o pulsanti di gestione manuale agenti a
monte del PLC
• eventuali I/O analogici per applicazioni future o in corso d'opera
• una porta Ethernet integrata al PLC o similmente un modulo TCP/IP da
introdurre per l'interfacciamento in rete con il PC
• una porta seriale RS232 per permettere la comunicazione locale
• una porta per la diagnostica e per l'immissione del programma applicativo
dall'ambiente di sviluppo utente al PLC, spesso una porta USB,
è sembrato opportuno indirizzare la ricerca verso un PLC con al più 40 I/O
digitali, diversi I/O analogici, 1 porta Ethernet, 1 porta seriale e 1 porta USB.
Analizzando le offerte di mercato delle varie case costruttrici, parallelamente alla
preferenza del software di programmazione caratteristico di ogni produttore, si è
optato per il PLC compatto Schneider TM221CE40R della serie Modicon 221
riportato in figura 3.1a, economicamente competitivo, preferito rispetto ai
modelli modulari in quanto già dotato delle specifiche tecniche ricercate. Il suo
ambiente di sviluppo correlato è SoMachine Basic, software altamente versatile e
funzionale, supportato da diversi linguaggi per una programmazione assistita e
guidata con possibilità di simulare l'applicazione creata senza necessariamente
scaricarla nel PLC. La tematica grafica caratteristica di SoMachine Basic è
illustrata in figura 3.1b.
Nei successivi paragrafi si tratteranno dettagliatamente le caratteristiche tecniche,
i collegamenti, la configurazione, programmazione e messa in servizio del PLC
scelto al fine di compiere le operazioni precedentemente prefissate.
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
50
Fig.3.1: a)PLC Schneider TM221CE40R. b)software di programmazione SoMachine Basic
3.3 PLC Schneider TM221CE40R e suo ambiente di sviluppo
Il PLC Schneider TM221CE40R appartenente alla serie M221 dei logic
controller, è un PLC compatto con uscite digitali a relè composto dalle seguenti
funzioni integrate:
24 ingressi digitali
• 4 ingressi veloci (HSC)
• 20 ingressi standard
16 uscite digitali
2 ingressi analogici
3 porte di comunicazione
• 1 porta per linea seriale
• 1 porta Ethernet
• 1 porta di programmazione USB mini-B
Queste funzioni in elenco sono le specifiche più prossime alle esigenze di progetto
presenti nel mercato. Sarebbe stato possibile ridurre il numero delle porte digitali,
ma controllori con un numero di I/O inferiore non riuscivano a rispettare la
totalità delle esigenze richieste al sistema.
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
51
3.3.1 Struttura
La struttura compatta del PLC TM221CE40R fa preferire il suo utilizzo per
applicazioni civili o industriali in cui non si richiedono applicazioni molto
complesse, ma di solito vengono programmati per svolgere sequenze logiche
temporizzate. Dotato di morsettiera rimovibile, possiede ingressi digitali
cosiddetti veloci per particolari funzioni di conteggio o di eventi, con la possibilità
comunque di essere usati come ingressi standard a frequenze massime di 5KHz
[5]. Le uscite sono a relè garantendo la protezione galvanica dovuta all'isolamento
dei contatti rendendo indifferente la loro polarità. La loro corrente massima
supportabile è di 2 A notevolmente superiore rispetto alle uscite a transistor. Le
porte di comunicazione presenti permettono l'interfacciamento con sistemi esterni
in particolare la porta seriale provvederà a trasmettere le azioni di comando
provenienti da PC in ambito locale, mentre gli input al di fuori di questa rete
potranno provenire da remoto tramite collegamento IP con l'opportuna porta
Ethernet. L'alimentazione necessaria è 100-240 V con la possibilità dunque di
utilizzo della stessa tensione di rete presente nello studio oculistico. In figura 3.2 è
possibile individuare le varie sezioni del PLC.
Fig. 3.2: Varie parti del PLC TM221CE40R
1) Led di stato 7)Porta seriale(RS232 o RS485
2) Morsettiera d'uscita rimovibile 8)Slot SD card
3) Graffa di aggancio per guida DIN 9) Ingressi analogici
4) Porta Ethernet 10) Interruttore Run/Stop
5) Alimentazione 100-240 Vac 11) Morsettiera d'ingresso rimov.
6) Porta di programmazione USB 12) Connettore di espansione I/O
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
52
3.3.2 SoMachine Basic
Notevole importanza ai fini della preferenza del PLC appena trattato, ha avuto la
presenza di un software associato altamente intuitivo e professionale: SoMachine
Basic. Si tratta di un ambiente di programmazione grafica progettato per facilitare
la configurazione, lo sviluppo e la messa in servizio di programmi per i logic
controller. In esso vengono spesso richiamati diversi termini essenziali [6]:
• progetto: un progetto SoMachine Basic contiene informazioni dettagliate
sul suo scopo, la configurazione dei controllori e degli eventuali moduli
associati, commenti descrizioni e documentazione correlata;
• applicazione: contiene le parti del progetto scaricate nel logic controller
ovvero il programma applicativo utente;
• programma: è il codice sorgente compilato in esecuzione;
• POU(program organization unit): è l'oggetto riutilizzabile contenente
dichiarazioni sulle variabili e le istruzioni usate dal programma.
SoMachine Basic può funzionare in diverse modalità operative:
• modalità offline: quando non è presente alcun collegamento fisico con il
PLC, ma è ugualmente possibile configurare l'hardware virtuale di
destinazione e lo sviluppo del programma;
• modalità online: è presente il collegamento fisico con il PLC ed è dunque
possibile immettere in esso il programma applicativo creato;
• modalità simulatore: il collegamento è stabilito con un controller simulato
senza un vero e proprio legame fisico. È possibile quindi eseguire e testare
il programma.
I modi di funzionamento sopra elencati permettono quindi un utilizzo completo di
tutte le risorse disponibili nel software anche senza la presenza del controllore da
programmare. Si può articolare la realizzazione del progetto partendo da un'idea
di base sul tipo di PLC da usare iniziando a impostare le caratteristiche hardware
finalizzate alle necessità, per poi costruire graficamente il programma applicativo
strettamente legato ai componenti fisici del PLC, scelti per il momento solo a
livello virtuale. Infine si può simulare il tutto riconoscendo la reale affinità tra
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
53
applicazione e hardware correggendo gli eventuali errori commessi appositamente
segnalati da SoMachine stesso. In ultima analisi, possedendo materialmente il
PLC selezionato, risulta estremamente semplice scaricare quanto sviluppato in
precedenza stabilendo il collegamento tra PC e PLC con la porta USB procedendo
dunque al cosiddetto Start del controller.
In ogni caso sia essa una simulazione, o una reale connessione fisica tra gli
apparati, la procedura completa per impostare le applicazioni richieste al PLC si
articola in 3 fasi schematizzate in altrettante finestre di dialogo principali:
• Configurazione. Il PLC viene selezionato da un elenco tramite il codice
prodotto caratteristico Schneider e trascinato nella finestra di lavoro
insieme agli eventuali moduli aggiuntivi (fig. 3.3). L'applicazione da
impostare dovrà rispettare i vincoli strutturali scelti visionabili non appena
si imposta il controllore selezionato come base del progetto.
Fig.3.3: Schermata di configurazione
• Programmazione. Si costruisce il programma applicativo usando uno dei
tre linguaggi supportati da SoMachine Basic ovvero Ladder, Instructor
List, o Grafcet, impostando le varie variabili di riferimento e utilizzando
gli elementi disponibili per ogni tipologia di linguaggio selezionato (fig.
3.4).
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
54
Fig.3.4: Schermata di programmazione
• Messa in servizio. Corretti gli eventuali errori, normalmente di sintassi, si
procede alla messa in servizio stabilendo il login o logout dal logic
controller con possibilità anche di gestire la memoria di quest'ultimo
eseguendo operazioni di backup o ripristino (fig.3.5).
Fig.3.5: Schermata di messa in servizio
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
55
3.4 Schemi e applicazioni per il controllo dei motori 12V in c.c. dei
cassetti porta-strumento
La progettazione del mobile riunito modulare visionata nel Cap.1, ha
spiegato dettagliatamente la struttura meccanica e i componenti selezionati per
l'automazione dei supporti su cui poggiano gli strumenti. Determinanti ai fini del
corretto funzionamento sono ovviamente i 4 motori a 12 V in c.c. appositamente
collocati per pilotare le operazioni di apertura e chiusura delle 4 postazioni
rigidamente connesse ai rispettivi apparecchi oftalmologici.
Una volta scelta la tecnologia di controllo più indicata basata sull'automazione di
processo caratteristica del PLC, e il modello specifico di controllore da utilizzare,
si è passati alla configurazione elettrica dei motori, strettamente correlata alla
soluzione applicativa fornita al PLC per il compimento delle operazioni predette.
La configurazione meccanica adoperata, individua chiaramente la soluzione
prescelta per automatizzare efficacemente e semplicemente i ripiani.
Ogni motore deve essere alimentato e posto in rotazione da una specifica
azione di comando, sia essa da remoto o manuale, fino al raggiungimento di uno
dei due finecorsa meccanici. Essi fungeranno da sensori strategicamente disposti
in modo da permettere la completa apertura o chiusura del cassetto interrompendo
la marcia.
I motori, quindi, devono poter ruotare in entrambi i sensi di rotazione delineando
esclusivamente due soli stati di riposo ovvero in completa apertura o in completa
chiusura senza alcuna soluzione intermedia. Le uscite digitali a relè, di cui è
fornito il PLC adottato, supportano una massima corrente di 2 A, insufficiente per
la corretta alimentazione dei motori come visto nel Cap. 1. Si è pertanto optato per
l'inserimento di appositi relè, esterni alle uscite, la cui configurazione ha permesso
di facilitare l'operazione di inversione di polarità necessaria.
Utilizzando un circuito a bassissima tensione per le uscite digitali, sfruttando
infatti la stessa alimentazione di 12 V dei motori , si sono ricercati relè a 2 contatti
alla medesima tensione. In particolare sono stati adoperati dei relè di scambio a
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
56
due posizioni (fig. 3.6), in modo da poter essere usati, come si vedrà nel
successivo paragrafo, per tutte le configurazioni adottate.
Fig. 3.6: Esempio relè di scambio 12 V Finder a 2 contatti.
3.4.1 Schema circuitale
Il circuito di potenza progettato ha assunto la schematizzazione riportata in fig.
3.7, rappresentazione ridotta ad un singolo motore di un singolo cassetto, ma
equivalente per le altre 3 macchine adoperate per lo stesso fine.
Fig. 3.7: Schema elettrico di 1 dei 4 motori
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
57
Si sono utilizzati 2 relè in cascata (K1 e K2), connettendo la bobina di ognuno di
esso ad una rispettiva uscita digitale del PLC la quale ha assunto funzione di
comando per l'eccitazione della bobina stessa.
Il circuito di potenza, invece, strettamente legato all'alimentazione del motore a
12 V, è interessato dai contatti dei 2 relè posti in posizione normalmente aperta
per K1 e in normalmente chiusa per K2.
Partendo da una condizione di riposo supposta a cassetto completamente chiuso
con motore non in tensione, eccitare la bobina del relè K1 significa commutare e
quindi chiudere i contatti dello stesso relè e alimentare il motore grazie alla
continuità su K2 visibile in figura. Quest'ultimo ruota in un senso necessario
all'apertura del ripiano fino al raggiungimento del finecorsa meccanico esterno,
che comporta, tramite segnalazione al controllore, la cessazione dell'eccitazione
del motore e il mantenimento della posizione di totale apertura.
Per ritornare alla posizione di partenza, cioè con ripiano chiuso, il motore deve
essere alimentato con polarità inversa in modo da poter ruotare nel verso opposto
al precedente, spingendo il piano d'appoggio dello strumento verso il finecorsa
interno. L'eventuale azione di comando, adibita all'eccitazione della bobina del
relè K2, non basta a questo scopo, ma come visibile in figura 3.7, occorre la
commutazione di entrambi i relè in modo da avviare il motore e invertire la
polarità. Questa specifica applicazione è stata imposta tramite l'essenziale
programmazione applicativa del PLC, discussa nei prossimi paragrafi, dove
intuitivamente si è costituita una stretta dipendenza tra lo stato delle uscite
digitali.
Quando si porta a livello alto l'uscita K2, si ha pertanto la contemporanea
commutazione di K1 e il ritorno del cassetto alla posizione di completa chiusura
con intervento del finecorsa interno che diseccita il motore. Questa particolare
configurazione circuitale impedisce che la macchina si trovi contemporaneamente
alimentata per ruotare in entrambi i sensi e si crei quindi un corto circuito.
In questo contesto le uscite digitali del PLC hanno la funzione di aprire o chiudere
il circuito deputato all'eccitazione della bobina del rispettivo relè esterno, circuito
cosiddetto di comando interessato anch'esso da una tensione di 12 V.
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
58
Gli ingressi digitali, invece, sono alimentati alla tensione caratteristica di 24
V, e nel caso in questione, per un singolo motore, sono rappresentati dai due
finecorsa meccanici posti a inizio e fine marcia. A questi vanno aggiunti gli
eventuali pulsanti manuali in ingresso (PA, PI) qualora si voglia offrire
un'alternativa al comando da remoto. Trattandosi di apparecchiature medicali,
occorre però dotare i cassetti di appositi comandi a valle del PLC (PM1, PM2),
dando l'opportunità al medico di aprire e chiudere le postazioni anche in caso di
guasto tecnico al controllore o semplicemente per la comodità del caso. Dei
funzionali indicatori luminosi (L1, L2), evidenziano inoltre la tipologia di marcia
del motore, anch'essi, insieme ai comandi manuali, parte integrante di un pannello
sinottico direttamente accessibile dal mobile ambulatoriale, di cui si tratterà più
avanti in merito ai risultati ottenuti. In figura 3.8 viene rappresentata la
configurazione enunciata per un singolo motore, decisamente identica per le
restanti macchine. In tabella 3.8 si riportano le descrizioni dei simboli usati.
Fig. 3.8: Circuito di comando e di potenza di 1 dei 4 motori
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
59
Tab.3.8: Tabella descrittiva simboli di Fig.3.8
3.4.2 Programma applicativo
Ogni PLC Schneider della serie Modicon 221 viene configurato,
programmato e messo in servizio tramite il software fornito dalla stessa casa
costruttrice SoMachine Basic già in linea decisamente generale analizzato. La
possibilità di dialogare con il software, chiarendo fin dagli inizi del progetto il
controllore in uso, permette di ovviare a errori di base dipendenti dalle effettive
potenzialità hardware del PLC.
Le tre fasi di sviluppo effettuate per fornire al PLC le istruzioni adibite al
pilotaggio dei motori, in precedenza schematizzati, sono di seguito analizzate:
a) Configurazione
b) Programmazione
c) Simulazione
a) Il primo passo è l'individuazione tramite codice prodotto del logic controller
usato trascinandolo nell'area di lavoro appartenente alla schermata di
configurazione (Fig.3.3). Confermando la scelta si è subito notata l'acquisizione
da parte di SoMachine Basic di tutte le specifiche hardware possedute dal PLC
TM221CE40R come detto un controller compatto dotato di tutto il necessario per
la risoluzione delle operazioni volute quindi non implementato da moduli di
nessun genere.
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
60
b) La successiva fase di programmazione ha assunto importanza massima ai
fini del funzionamento dell'impianto predisposto. La prima applicazione da
costruire ha interessato il controllo dei motori dei cassetti, operazione strettamente
legata alla configurazione circuitale adottata, precedentemente esposta. Ritenendo
sufficiente e indicato l'utilizzo del linguaggio Ladder, si è dunque proceduto per la
realizzazione dell'architettura grafica caratteristica, costruendo l'applicazione con
contatti rappresentanti gli ingressi digitali al PLC e bobine raffiguranti le uscite,
anch'esse digitali, fisicamente connesse ai rispettivi relè esterni.
La figura seguente mostra la grafica ladder costruita per il pilotaggio di un motore
ai fini dell'apertura o chiusura di un ripiano.
Fig. 3.9: Programma applicativo per il pilotaggio di 1 dei 4 motori
Il primo rung del programma possiede tre contatti (Input) e una bobina (Output):
• I0: input di comando azionato dall'utente tramite PC o con l'eventuale
pulsante manuale PA (Fig.3.8) agente sul primo ingresso digitale del PLC.
È un contatto normalmente aperto a stato 0. Una volta azionato si chiude
passando a stato logico 1 e permettendo la continuità alla sua destra.
• FE: input di comando azionato dal finecorsa meccanico esterno una volta
stabilito un contatto meccanico con il carrello. È posto in configurazione
normalmente chiusa. Azionandosi non permette al flusso di raggiungere la
bobina K1.
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
61
• K2: rappresenta lo stato della bobina a secondo rung riportato in ingresso
al primo rung come contatto direttamente connesso all'uscita K1.
• K1: uscita digitale fisicamente connessa al medesimo relè esterno.
Analogamente al secondo rung si hanno due contatti e una bobina:
• I1: input di comando azionato dall'utente tramite PC o con l'eventuale
pulsante manuale PI (Fig.3.8) agente sul secondo ingresso digitale del
PLC. È un contatto normalmente aperto a stato 0. Una volta azionato si
chiude passando a stato logico 1 e permettendo la continuità alla sua
destra.
• FI: input di comando azionato dal finecorsa meccanico interno una volta
stabilito un contatto meccanico con il carrello. È posto in configurazione
normalmente chiusa. Azionandosi non permette al flusso di raggiungere la
bobina K2.
• K2: uscita digitale fisicamente connessa al medesimo relè esterno.
L'azionamento di I0 comporta la chiusura del contatto permettendo il passaggio
virtuale del flusso verso la bobina K1 rappresentante la prima uscita digitale.
Questa continuità a sinistra di K1 è permessa grazie al contatto normalmente
chiuso FE. La sua permanenza in questa posizione di chiusura permette
l'eccitazione di K1 e per quanto spiegato in precedenza (vedi fig. 3.7), comporta
l'alimentazione del motore e la sua rotazione per l'apertura del cassetto.
Una volta azionato il finecorsa esterno, simbolo della completa apertura, il
contatto FE si apre non permettendo il passaggio del flusso e diseccitando la
bobina.
Alla stessa maniera avviene nel secondo rung con l' input I1 e il finecorsa interno
FI per l'azionamento o meno dell'uscita K2.
Quest'ultima posta in ingresso al primo rung, permette, allorché si trovi a livello
logico alto, l'eccitazione di K1 by-passando i contatti e la conseguente rotazione
del motore in senso opposto al precedente. Una volta chiuso il cassetto l'apertura
di FI porta a livello logico basso sia K1 che K2 non alimentando il motore.
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
62
I simboli di contatti e bobine (I0,I1...I4,FE,FI e K1,K2) sono stati scelti
arbitrariamente, mentre notevole importanza assumono gli indirizzi sequenziali
obbligatoriamente introdotti, che caratterizzano univocamente l'ingresso o l'uscita
rappresentata ( % I0.0,....% I0.3, % Q0.0, % Q0.1).
La precedente applicazione di Fig.3.9 può essere implementata impostando la
classica autoritenuta delle uscite in modo tale che, qualora venissero a mancare
durante l'esercizio gli input I0 o I1, le rispettive bobine rimarrebbero eccitate fino
all'avvenire dei segnali di arresto dei finecorsa.
Fig.3.10: Autoritenuta delle uscite digitali
c) L'efficienza e la correttezza dell'applicazione costruita nella fase di
programmazione è stata successivamente testata tramite il denominato lancio del
simulatore. Questa modalità operativa, caratteristica della messa in servizio del
controller, viene svolta con un collegamento virtuale e non fisico con il PLC
scelto nella configurazione, dando l'opportunità di simulare quanto ipotizzato.
Avviando il simulatore e successivamente il controller, si passa dal
funzionamento in Stop a Run della CPU, con conseguente avvio della lettura
ciclica del programma impostato.
Un'apposita finestra di controllo ha permesso di fornire degli impulsi virtuali agli
ingressi constatando il comportamento delle uscite dalla stessa schermata di
programmazione.
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
63
Si riportano di seguito le 4 fasi simulate di un singolo motore per aprire e chiudere
il corrispondente cassetto:
1) Fase di apertura
Fig 3.10: Fornendo l'impulso all'ingresso I0.0 corrispondente a I0 nel diagramma
tramite la finestra di controllo in basso nell'immagine, si nota l'eccitazione della
bobina K1 evidenziata in verde nel primo rung. Si ricorda che con K1 a livello alto
e K2 a livello basso si ha l'apertura del cassetto.
2) Fase di completa apertura
Fig. 3.11: Fornendo l'impulso all'ingresso I0.2 corrispondente a FE nel
diagramma si simula il raggiungimento del finecorsa esterno e l'arresto del
motore essendo sia K1 che K2 non eccitate.
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
64
3) Fase di chiusura
Fig. 3.12: Fornendo l'impulso all'ingresso I0.1 corrispondente a I1 nel
diagramma si ha l'eccitazione di entrambe le bobine evidenziate in verde. Si
ricorda che con K1 e K2 entrambi a livello alto si ha la rotazione antioraria del
motore a causa dell'inversione di polarità.
4) Fase di completa chiusura
Fig. 3.13: Fornendo l'impulso a I0.3 corrispondente a FI nel diagramma si
simula il raggiungimento del finecorsa interno e l'arresto del motore essendo sia
K1 che K2 non eccitate.
Nella pagina seguente si riporta lo schema elettrico di controllo dei 4 motori
porta-strumento e l'annessa tabella 3.9 per la descrizione dei simboli in uso.
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
65
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
66
Tab. 3.9: Tabella descrittiva dei simboli usati nello schema elettrico di controllo dei 4 motori
porta-strumento
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
67
3.4.3 Programma in linguaggio Ladder per il controllo dei 4 motori
CAPITOLO 3 - PLC ADOTTATO: SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE
68
Ogni motore occupa due uscite digitali del PLC e altrettanti rung dell'applicazione
del tutto uguali alla precedente trattazione semplificata ad una singola macchina
(Fig.3.10 ).
Impostato lo schema circuitale e il programma applicativo utente conferito al
PLC, si è eseguita la necessaria automazione dei 4 ripiani porta-strumento
implementata nel successivo capitolo dall'altrettanta importante automazione della
postazione mobile del paziente. Essa sarà svolta in maniera simile a quanto visto
per i cassetti automatici, ma con un'architettura più complessa dovuta alle
numerose posizioni di riposo del motore interessato, adibito ad arrestare la
poltrona in corrispondenza dei quattro strumenti presenti nel prototipo.
CAPITOLO 4 - SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE LADDER PER L'AUTOMAZIONE DELLA POLTRONA
69
Capitolo 4
Schemi elettrici e programmazione ladder per
l'automazione della poltrona del paziente
4.1 Introduzione
L'analisi prettamente meccanica svolta nella fase di presentazione del
progetto (Cap. 1), ha fatto emergere l'essenziale struttura adeguata all'automazione
della poltrona del paziente. Quest'ultima, avente come base un carrello mobile su
rulli, è rigidamente collegata ad una vite senza fine, posta alla base della totalità
del mobile, tramite una cosiddetta navetta di aggancio, la cui dimensione
evidenzia la distanza presente tra mobile e poltrona. La rotazione della vite,
azionata dal motore collocato alla sua estremità, provoca la traslazione del sistema
rigido, formato dal supporto, navetta e poltrona, in una delle due direzioni
possibili, facendo avanzare o indietreggiare la posizione del paziente lungo il
mobile. Dalla sezione superiore di figura 4.1 è visionabile quanto detto.
Fig.4.1: Sezione superiore del prototipo con dettaglio meccanico poltrona e seduta
CAPITOLO 4 - SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE LADDER PER L'AUTOMAZIONE DELLA POLTRONA
70
Similmente ai motori dei cassetti porta-strumento, anche il motore connesso alla
barra a vite deve poter ruotare in entrambi i sensi di rotazione, conferendo al
sistema la traslazione parallela al mobile.
In questa circostanza, però, il problema di automazione, adibito al fornire la giusta
logica di controllo alla macchina elettrica, è leggermente più articolato, in quanto
lo spostamento della navetta, e di conseguenza della poltrona, non è limitato
solamente a due posizioni come in precedenza.
Si devono infatti impostare diverse postazioni intermedie tra i due finecorsa posti
agli estremi della barra a vite, dando l'opportunità di fermata della poltrona in
corrispondenza dei cassetti porta-strumento. Occorrono pertanto dei sensori di
posizione che permettano di rilevare la collocazione della postazione mobile,
bloccandone la corsa o meno a secondo della richiesta dell'utente fornita da
apposito comando.
La gestione di quanto esposto è stata svolta dalla stessa soluzione adottata per il
controllo dei motori dei ripiani porta-strumento, ovvero il PLC Schneider
TM221CE40R che, considerando la priorità di utilizzo con input da PC, possiede
diversi ingressi liberi, oltre alle uscite la cui metà non è stata ancora assegnata.
In questo capitolo si esporrà la soluzione tecnica ed elettrica progettata
rigorosamente correlata alla programmazione software conferita al PLC tramite
linguaggio Ladder. Importanti, ai fini della corretta funzionalità del sistema,
saranno i sensori di posizione posti sul campo la cui trattazione e selezione è
esposta nel successivo paragrafo.
4.2 Sensori di posizione
In molti problemi di automazione industriale, in aggiunta ai tradizionali
sensori per grandezze fisiche, vengono largamente utilizzati anche i cosiddetti
sensori di posizione o prossimità, sensori adibiti al rilevare la presenza di un
oggetto o il raggiungimento dello stesso in una determinata posizione. Essi sono
in grado di lavorare all’interno di un determinato campo, in prossimità del sensore
stesso, oppure possono essere predisposti per misurate distanze producendo un
segnale continuo proporzionale alla distanza.
CAPITOLO 4 - SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE LADDER PER L'AUTOMAZIONE DELLA POLTRONA
71
Il loro funzionamento è sostanzialmente basato sui principi fisici tali da
distinguere sensori di posizione a carattere [13]:
• induttivo: sfruttano il fenomeno dello smorzamento di un campo
elettromagnetico per effetto delle correnti indotte (correnti di Foucault) in
materiali conduttori posti nelle loro vicinanze. La bobina di un circuito
oscillante genera un campo elettromagnetico ad alta frequenza che induce,
in azionatori metallici vicini, correnti parassite. Queste correnti provocano
una perdita di energia nell'oscillatore,smorzando l'ampiezza del segnale.
La riduzione dell'ampiezza dell'oscillazione è rilevata da un amplificatore
di soglia con isteresi che, a sua volta, comanda uno stadio amplificatore
finale per l'azionamento di un carico esterno. L'assenza di contatto
meccanico fra azionatore e sensore consente, unitamente alle precedenti
caratteristiche, una durata ed un numero di operazioni illimitate rispetto ad
altri tipi di interruttori di prossimità, riducendo altresì ogni problema di
manutenzione. I sensori induttivi rappresentano senza dubbio i sensori di
prossimità più diffusi su macchine. Sono gli unici che, grazie alla maturità
raggiunta dalla tecnologia, godono di una normalizzazione a livello
internazionale (CENELEC).
• capacitivo: utilizzano la variazione di capacità parassita che si crea tra
sensore ed oggetto da rilevare. In corrispondenza di una determinata
distanza dell'oggetto dalla faccia sensibile del sensore, entra in oscillazione
un circuito e l'insorgere o il cessare di tale oscillazione viene sentito da un
rilevatore di soglia che comanda un amplificatore per l'azionamento di un
carico esterno. Un sensore di questo tipo può essere utilizzato come
rilevatore di oggetti metallici e non metallici come legno, liquidi, materiali
plastici.
• ottico: impiegavano generalmente sorgenti a filamento e rilevatori di tipo a
fotoresistenza con durata limitata della sorgente. Prestazioni nettamente
superiori sono state ottenute impiegando emettitori a LED dividendo i
moderni sensori ottici in tre grandi famiglie:
- sensori di prossimità a barriera: costituiti da un trasmettitore
(emettitore) e da un ricevitore (rivelatore) separati tra di loro.
CAPITOLO 4 - SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE LADDER PER L'AUTOMAZIONE DELLA POLTRONA
72
Qualunque oggetto non trasparente interposto interrompe il raggio
luminoso (light beam) e viene pertanto rilevato.
- sensori di prossimità reflex: adatti per medie distanze di
intervento,hanno il trasmettitore e il ricevitore integrati nello stesso
contenitore. Viene usato un riflettore prismatico il quale riflette il raggio
trasmesso e pertanto viene rilevato.
- sensori di prossimità a diffusione: analoghi a quelli reflex, ma non
richiedono l'impiego di un riflettore. La potenza emessa, infatti, è molto
bassa ed è lo stesso oggetto da rilevare che riflette il raggio verso il
ricevitore.
• ultrasonico: sfruttano l'emissione di impulsi sonori a frequenza elevata (40
- 200 KHz) per rilevare la presenza di oggetti posti nelle loro vicinanze
grazie all'eco dovuta alla riflessione degli ultrasuoni da parte degli oggetti
stessi. Il segnale emesso è costituito in genere da un treno di impulsi
viaggianti alla velocità del suono nell'aria (340 m/s circa).
L'emissione avviene tramite un apposito trasduttore elettroacustico di tipo
piezoceramico. L'onda riflessa è rilevata da un analogo trasduttore la cui
funzione è quella di riconvertire i segnali acustici in segnali elettrici.
• magnetico: dipendono essenzialmente dall'azione di attrazione di un
magnete opportunamente ubicato tale da creare in essi un contatto
elettrico. Tipici sensori magnetici sono i sensori a contatti reed.
Essi sono costituiti da due lamine di materiale ferromagnetico (ferro-
nichel), all’interno di un contenitore in atmosfera di gas inerte. Le lamine
sono rivestite con un materiale che migliora la conduttività e indurisce la
superficie, per prevenire la formazione di microsaldature e microcrateri nel
punto di contatto. Le lamine sono posizionate ad una piccola distanza fra
loro. Quando la forza di attrazione tra le lamine supera la resistenza
elastica delle lamine stesse,queste si flettono l'una verso l'altra, realizzando
un contatto elettrico. La distanza di intervento è funzione della sensibilità
del reed, della intensità del campo magnetico e anche della sua forma nel
caso in cui non è uniforme (per es. nei cilindri con pistone magnetico). I
materiali non ferrosi o ferrosi amagnetici, interposti tra sensore e magnete,
CAPITOLO 4 - SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE LADDER PER L'AUTOMAZIONE DELLA POLTRONA
73
non alterano il funzionamento del reed perché il campo magnetico
attraversa queste pareti [13]. Bisogna invece prestare particolare attenzione
a materiali ferrosi o altri magneti posti a pochi centimetri dal campo
magnetico (per es. trucioli di ferro, supporti, viti di fissaggio, cilindri con
pistone magnetico) perché possono influenzare il campo e farlo deviare.
Tali campi, generati da magneti permanenti o da bobine percorse da
corrente, producono sulle lamine, per il fenomeno di induzione magnetica,
polarità di segno opposto. Questi interruttori di prossimità (reed o hall-
effect) sono principalmente usati per determinare la posizione del pistone
magnetico in un cilindro pneumatico ed idraulico. Il loro utilizzo è
consigliato per sostituire interruttori meccanici a leva o a pulsante, ad
esempio, per motivi di sicurezza, per impedire l'azionamento manuale di
un interruttore. Disponibilità di varie versioni e modelli: normalmente
aperto o normalmente chiuso, con o senza connettore. La chiusura dei
contatti dipende dalla sensibilità del reed e dalla forza del magnete nella
fase di avvicinamento. Le superfici di contatto delle lamine dei reed sono
rivestite con materiale pregiato (oro, rodio, tungsteno) che le rendono
adatte a comandare circuiti a basse correnti e a forti carichi induttivi.
Rispetto ai contatti tradizionali ad azionamento meccanico si possono
annoverare diversi vantaggi:
• chiusura ermetica in gas dei contatti con maggiore protezione da
ossidazione e corrosione;
• semplice azionamento dei contatti;
• alta velocità di funzionamento, fino a 300 Hz per alcuni tipi;
• lunga vita, assenza di manutenzione e ridottissimo ingombro.
Fig.4.2: Principio fisico e tipologie di sensori reed
CAPITOLO 4 - SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE LADDER PER L'AUTOMAZIONE DELLA POLTRONA
74
4.2.1 Scelta dei sensori di posizione e relativa collocazione
Alla luce delle soluzioni offerte nel campo dei sensori di posizione, si è
scelto di adoperare i sensori di tipo reed per rilevare la posizione della poltrona
lungo l'asse parallelo al mobile. In particolare sono stati installati 3 sensori in
prossimità della barra a vite nelle posizioni corrispondenti al primo, secondo e
terzo cassetto porta-strumento. Posizioni intermedie dove la chiusura dei contatti
del sensore non necessariamente deve creare un'interruzione della marcia del
motore. Per ovviare a possibili guasti o malfunzionamenti, si è ritenuta inoltre
indispensabile l'installazione di due finecorsa meccanici rispettivamente nei punti
iniziale e finale della corsa della navetta, come visibile in figura 4.3b. Il magnete,
necessario per l'eccitazione dei sensori, è stato inglobato nel supporto presente
nella vite per l'aggancio della navetta, anch'esso pertanto mobile in maniera
solidale al sistema rigido e passante durante la corsa in prossimità dei sensori.
L'azionamento di quest'ultimi comporta la creazione del contatto elettrico agente
come ingresso digitale per il PLC.
a)
b)
Fig. 4.3: a)Pos. iniziale e finale della poltrona. b) Collocazione dei sensori reed e finecorsa
CAPITOLO 4 - SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE LADDER PER L'AUTOMAZIONE DELLA POLTRONA
75
4.3 Automazione della poltrona:
Schema elettrico e programmazione
Lo schema circuitale adottato per l'automazione della poltrona, non si
discosta notevolmente dallo stesso utilizzato per il controllo dei cassetti porta-
strumento. Il motore interessato, infatti, deve poter ruotare in entrambi i sensi
tramite la necessaria inversione di polarità ai suoi morsetti, trasmettendo al
sistema rigido ad esso concatenato la giusta movimentazione. Alla stessa maniera
risultano difatti necessarie 2 uscite digitali del controllore M221, anch'esse
equipaggiate con gli opportuni relè esterni a tensione di eccitazione pari a 12V,
identica al circuito di comando del PLC e alla stessa alimentazione del motore. La
diretta dipendenza tra le 2 uscite digitali è stata imposta tramite l'adeguata
programmazione ladder.
In figura 4.4 viene riportato lo schema elettrico degli I/O connessi al PLC con
l'annessa tabella descrittiva (Tab.4.1) dei simboli utilizzati.
Fig. 4.4: Schema di cablaggio degli I/O digitali
CAPITOLO 4 - SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE LADDER PER L'AUTOMAZIONE DELLA POLTRONA
76
Tab.4.1: Descrizione simboli utilizzati in fig. 4.4
Rispetto alla soluzione selezionata nel capitolo precedente, la differenza
tecnica è riscontrabile negli input digitali, non più limitati ai soli finecorsa agli
estremi della guida, ma implementati dai sensori reed disposti lungo il tragitto al
fine di fermare,su richiesta, la corsa della poltrona in specifiche posizioni
prefissate, ovviamente in corrispondenza dell'apertura del cassetto specifico. Gli
input digitali al PLC saranno quindi rappresentati da 5 contatti normalmente
aperti, 3 per i sensori reed e 2 per i finecorsa meccanici, oltre agli eventuali input
di comando manuali per lo spostamento della postazione agenti direttamente
sugli ingressi opportunamente programmati. Concludono lo schema i pulsanti
manuali a valle del PLC, che permettono, in determinate condizioni sfavorevoli,
lo spostamento della poltrona senza l'ausilio del controllore. Gli indicatori
luminosi L9, L10, segnalano, infine, il verso di rotazione del motore individuando
la marcia di avanzamento o retrograda della poltrona, mentre L11 è un indicatore
luminoso cosiddetto di stallo, attivo allorché la poltrona sia ferma in qualsiasi
postazione.
CAPITOLO 4 - SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE LADDER PER L'AUTOMAZIONE DELLA POLTRONA
77
4.3.1 Programmazione Ladder
La configurazione elettrica progettata, deve interagire specularmente con
l'adeguata applicazione utente fornita al PLC tramite l'ambiente di sviluppo
SoMachine Basic. In questa sezione si è implementato il programma applicativo
già strutturato per l'automazione dei ripiani porta-strumento, aggiungendo la
logica a rung caratteristica del linguaggio ladder usato per il controllo del motore
della poltrona.
Il sistema di controllo deve rispondere alle richieste di spostamento provenienti,
controllando l'avvio, l'arresto e il verso di rotazione del motore interessato
permettendo la corsa dell'apparato rigido verso qualsiasi delle mete prefissate
indipendentemente dalla posizione di partenza in cui si trova la postazione.
Seppur il funzionamento elettrico dei motori dei cassetti e quello della postazione
mobile del paziente sia simile, l'introduzione delle potenziali "fermate" lungo la
corsa hanno come detto introdotto altri input sensoriali indispensabili che
determinano una struttura Ladder decisamente diversa qui di seguito riportata.
CAPITOLO 4 - SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE LADDER PER L'AUTOMAZIONE DELLA POLTRONA
78
CAPITOLO 4 - SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE LADDER PER L'AUTOMAZIONE DELLA POLTRONA
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CAPITOLO 4 - SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE LADDER PER L'AUTOMAZIONE DELLA POLTRONA
80
Essenziale, per l'interpretazione dei rung, è la descrizione delle variabili assegnate
correlate ai collegamenti fisici introdotti e dei simboli arbitrari utilizzati. Il tutto è
schematizzato nella tabella descrittiva 4.2.
Tab. 4.2: Assegnazione delle variabili e descrizione simboli
4.3.2 Descrizione dei rung
Imponendo a priori lo stato logico iniziale dei contatti e delle bobine facenti
parte dell'architettura ladder in questione, in particolare stabilendo stati logici
iniziali alti solo per i 3 sensori reed e i 2 finecorsa meccanici, si è strutturata
l'applicazione precedentemente raffigurata adibita all'attuazione della corretta
logica di controllo per la postazione mobile.
Il primo e il secondo rung del programma riguardano le posizioni esterne
alla corsa della navetta pilotante la poltrona. In particolare l'input P4 adibito al
raggiungimento della posizione 4 provoca un moto orario del motore
CAPITOLO 4 - SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE LADDER PER L'AUTOMAZIONE DELLA POLTRONA
81
indipendentemente dalla posizione di partenza in cui si trova la postazione prima
dell'avvenimento dell'input. Il contatto NC F4, rappresentante il finecorsa di
rinvio, è l'unico ingresso adibito ad arrestare la marcia del motore una volta
azionato P4. L'uscita del Rung 0 è, come per i successivi, un'uscita non fisica ma
fittizia, un bit di memoria M0 utilizzato esclusivamente per memorizzare quanto
avviene agli inizi della scansione tornando utile per la finale scrittura decisiva
delle uscite. Si ricorda a tal proposito che in un programma ladder l'ultimo stato
assunto dalla specifica uscita, a scansione avvenuta, è quello definitivo.
Discorso inverso per il rung 1 raffigurante il raggiungimento della posizione di
start (0) ovviamente arrivabile esclusivamente tramite un moto antiorario del
motore la cui marcia è impedita dal solo FS: finecorsa di avvio in posto 0. La
rispettiva uscita M1 evidenzia la marcia opposta rispetto a M0.
I successivi rung riguardano invece le posizioni intermedie 1,2,3 i cui input
producono un movimento orario o antiorario del motore facendo avanzare o
indietreggiare la poltrona a seconda della condizione di partenza in cui si trova la
postazione prima dell'arrivo dell'input. Ogni spostamento verso punti intermedi di
questo genere, ha pertanto 2 rung dedicati con altrettante uscite di memoria a
carattere opposto.
Se ad esempio la navetta con il magnete inglobato si trova in posto 1 e l'input
fornito è P2(richiesto spostamento in posizione 2), l'architettura ladder prevede la
marcia oraria del motore rappresentata dall'uscita di memoria M4 fino al
rilevamento, da parte del sensore S2, dell'occupazione della posizione richiesta.
Viceversa per tornare a 1 il moto azionato è antiorario (M5) fino al segnale
digitale fornito da S1.
Lo spostamento in avanti è rappresentato pertanto dalle uscite di memoria
M0,M2,M4,M6 che ricondotte a rung 8 permettono la conclusiva scrittura
dell'uscita digitale reale K9, rappresentante la bobina del primo relè a contatti NA.
L' eccitazione singola di quest'ultima, determinata da almeno una delle uscite
precedenti, produce una marcia oraria del motore. Marcia arrestata a seconda
dell'uscita memonica causante l'eccitazione.
È evidente che qualora si ecciti ad esempio M2 (spostamento in posizione 3 da
una qualsiasi posizione precedente) essa provochi l'avanzamento della poltrona
CAPITOLO 4 - SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE LADDER PER L'AUTOMAZIONE DELLA POLTRONA
82
con l'eccitazione di K9, diseccitata dal solo intervento di S3. I sensori incontrati
lungo la corsa (verso posto 3), chiudono i loro contatti, ma questa loro azione,
convogliata in ingresso al controllore, non comporta nessuna modifica alla marcia.
Viceversa l'eccitazione di almeno una delle bobine memoniche
M1,M3,M5,M7, raggruppate a rung 9, determinano un livello logico alto
dell'uscita digitale K10 rappresentante il 2° relè a 2 posizioni di chiusura. Tale
eccitazione comporta l'inversione di polarità dei morsetti del motore e lo
spostamento a marcia indietro. Affinché ciò avvenga, però, la configurazione
elettrica adottata prevede la contemporanea eccitazione anche di K9. Si è riportata
pertanto a rung 8, direttamente connessa a K9, l'uscita K10.
In altre parole il tipo di spostamento da effettuare è memorizzato dai bit di
memoria utilizzati esclusivamente per la composizione dell'applicazione, che
riconducono l'azione di attuazione in uscita alle bobine K9 e K10 fisicamente
connesse. Con solo la bobina K9 eccitata il moto è in avanti, con K9 e K10 attive
il moto è retrogrado. In entrambi i casi il sensore o finecorsa ubicato in
corrispondenza della posizione di arrivo richiesta, è l'unico interessato al
successivo arresto della marcia.
L'ultimo rung del programma (Rung 10) riguarda l'accensione di un
indicatore luminoso allorché la navetta sia ferma in una qualsiasi posizione. Le
variabili in ingresso sono tutti i sensori e finecorsa presenti posti in posizione NC.
L'attivazione di uno dei contatti precedenti determina l'eccitazione di L11 e quindi
la segnalazione della condizione di stallo fino ad un nuovo spostamento. Per
ovviare all'intermittenza di alimentazione della lampada dovuta ai passaggi
ininfluenti lungo i reed, i quali nonostante non producano l'arresto, determinano,
seppur per brevi istanti, l'attivazione del sensore corrispondente e quindi lo
scintillio dell'indicatore, è stato posto un timer di attesa di 3 secondi prima di
attivare l'uscita luminosa, in modo tale da avere la segnalazione solo nelle
effettive posizioni di stasi.
CAPITOLO 4 - SCHEMI ELETTRICI E PROGRAMMAZIONE LADDER PER L'AUTOMAZIONE DELLA POLTRONA
83
Per quanto spiegato è possibile riassumere tramite apposite tabella di verità
le condizioni logiche correlate degli ingressi e delle uscite in posizioni di stallo
(Tab.4.3) e in transizione (Tab. 4.4).
Fs S1 S2 S3 F4 K9 K10 L11 Posizione
0 1 1 1 1 0 0 1 Poltrona ferma in pos. 0
1 0 1 1 1 0 0 1 Poltrona ferma in pos. 1
1 1 0 1 1 0 0 1 Poltrona ferma in pos. 2
1 1 1 0 1 0 0 1 Poltrona ferma in pos. 3
1 1 1 1 0 0 0 1 Poltrona ferma in pos. 4
1 1 1 1 1 x x 0 Poltrona in transizione
Tab. 4.3: Stati logici I/O in posizioni di stallo
Esempio di transizione:
Partenza dallo start verso posto 3 e spostamento successivo in posto 1.
P3 P1 FS S1 S2 S3 F4 K9 K10 L11 Posizione o transizione
0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 Poltrona ferma in pos.0
1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 Input P3 marcia oraria
0 0 1 0/1 0/1 1 1 1 0 0 Passaggio per pos. 1 e 2
0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 Poltrona ferma in pos.3
0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 Input P1 marcia antioraria
0 0 1 0/1 0/1 1 1 1 1 0 Passaggio per pos. 2 e 1
0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 Poltrona ferma in pos.1
Tab. 4.4: Stati logici I/O in stallo e in transizione
Interagendo tramite SoMachine Basic con il controller M221 virtuale, si è
simulato il funzionamento della postazione testando tutti i possibili spostamenti
richiesti e la conseguente logica di controllo applicata per automatizzare la
poltrona rigidamente connessa al mobile.
In questa sezione si è inoltre notata, alla pari della precedente, l'inserzione di
pulsanti manuali e indicatori di stato che torneranno utili per la creazione di
un'apposita pulsantiera sinottica trattata in merito ai risultati ottenuti dell'intero
elaborato.
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
84
Capitolo 5
Progettazione di uno switch digitale per la
commutazione delle porte seriali RS232
5.1 Introduzione
La apparecchiature oftalmologiche, come visto nel cap.1, sono per la
maggioranza caratterizzate da una porta di comunicazione di tipo seriale, in
particolare del tipo RS232. Questi strumenti, il cui utilizzo è strettamente
connesso alla posizione del carrello su cui risiedono, devono poter dialogare con il
PC e trasmettere le informazioni necessarie al medico per la corretta diagnosi.
Questo capitolo ha come obiettivo quello di progettare un sistema di
commutazione delle porte seriali dei vari strumenti in modo da permettere la
ricezione dei dati dallo specifico dispositivo in servizio. Un multiplexer digitale
che possa opportunamente abilitare o disabilitare la trasmissione, funzionale
all'utilizzo compatto degli apparati.
Un'analisi di mercato su questi commutatori ha evidenziato diverse opportunità di
scelta privilegiando infine una soluzione più artigianale costruita appositamente
per gli scopi desiderati attenuando notevolmente i costi, davvero proibitivi per
alcune soluzioni già presenti in commercio. Sfruttando le principali nozioni
dell'elettronica digitale e disponendo di uscite digitali vacanti, si è scelto di
utilizzare il PLC stesso per la gestione di questo commutatore, impostando una
logica di controllo dello switch combinata con la posizione dei cassetti del mobile.
Introducendo gli aspetti teorici dei segnali e della logica combinatoria digitale,
relazionando le alternative di mercato presenti e selezionando i componenti
elettromeccanici necessari, si è dunque progettato il sistema esposto decisamente
integrato nella totalità del progetto.
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
85
5.2 Segnali digitali e circuiti combinatori
L’informazione su un fenomeno fisico è in generale trasportata da segnali di
varia natura generati da opportuni trasduttori. Possono essere dei segnali di tipo
analogico, quando qualsiasi valore assunto dallo stesso segnale ha carattere
significativo, oppure digitale, quando può assumere solo valori discreti vincolanti
come per i sistemi digitali binari dove le grandezze fisiche impiegate sono limitate
a due valori di regime. Questi sistemi, consentono una minore complessità dei
dispositivi che devono generare i segnali, ed una maggiore immunità ai disturbi, e
sono costituiti essenzialmente da componenti elementari e dai loro collegamenti di
interconnessione. L'andamento grafico dei segnali analogici e digitali è riportato
in figura 5.1.
Un circuito digitale, per quanto complesso, può essere ricondotto ad un insieme di
porte logiche elementari variamente connesse tra loro, l’insieme di tali porte
logiche e delle loro connessioni prende il nome di circuito logico. Connettendo tra
loro più porte logiche si realizzano circuiti più complessi che prendono il nome di
circuiti combinatori che, implementati dall'introduzione di memoria con maggiore
complessità circuitale, creano dei circuiti sequenziali.
Fig.5.1: Segnale analogico e digitale
Ai fini della realizzazione di quanto prefissato, ovvero della commutazione
logica delle porte seriali degli strumenti diagnostici, è opportuno soffermarsi sugli
aspetti teorici dei circuiti combinatori.
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
86
5.2.1 Circuiti combinatori
Sono una classe di circuiti, tipicamente integrati, in cui in un determinato
istante di tempo lo stato delle uscite è strettamente dipendente dallo stato degli
ingressi. Non posseggono quindi memoria, ma lo stato delle uscite viene
mantenuto sino a quando continua a verificarsi la particolare configurazione di
ingressi che lo ha generato.
Questa categoria di circuiti, oltre a tutte le porte logiche (AND, OR, NOT, ecc.),
può comprendere:
a) sistemi di codifica,
b) sistemi di decodifica,
c) sistemi di multiplazione,
d) sistemi di demultiplazione.
a) Un codificatore è un sistema integrabile in un circuito combinatorio con
la funzione di rivelare la presenza di un livello attivo su una delle linee di
ingresso, fornendo sulle linee di uscita un determinato codice binario
corrispondente alla linea attivata. Gli ingressi sono spesso associati alle cifre del
sistema decimale o di altri sistemi di numerazione, oppure ai caratteri alfabetici o
ancora ad altri simboli speciali, mentre le linee di uscita forniscono i bit della
parola binaria corrispondente a ciascuna cifra, carattere o simbolo.
Molto usato è l'encoder ottale-binario (fig. 5.2) che da 8 linee/cifre in ingresso ne
fornisce 3 in uscita in codice binario corrispondenti a ciascuna cifra in ingresso. In
base alle relazioni tra gli ingressi attivi e uscite, è possibile costruire la cosiddetta
tabella di verità specificando quale sia l'uscita più significativa (C) e quella meno
significativa (A), dando il giusto peso ai loro rispettivi bit.
Fig.5.2: encoder ottale-binario
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
87
Analizzando dalla tavola di verità i valori degli ingressi attivi per cui si porta a
livello alto ogni singola uscita binaria, è possibile costruire un circuito equivalente
in cui gli ingressi delle porte, tenuti normalmente a livello basso tramite la
resistenza, passano al livello alto allorché vengono premuti i rispettivi pulsanti.
Dalla figura 5.3 è possibile notare l'assenza
del pulsante inerente all'ingresso 0. Ciò è
dovuto al fatto che quando nessuna delle tre
uscite si porta a livello logico alto, dando
quindi un'uscita con codice 000
caratteristico di uno stato di riposo, è attivo
proprio l'ingresso0.
Nella maggior parte dei casi, comunque, la
costruzione e progettazione della rete logica
combinatoria non è necessaria, ma esistono
ovviamente in commercio numerosi tipi di
codificatori adatti all'uso.
Fig. 5.3: Esempio rete combinatoria
Esistono codificatori rappresentanti circuiti digitali integrati a BJT cosiddetti TTL
(transistor- transistor logic), oppure CMOS (complementary MOS) caratterizzati
da una logica a MOSFET. Il principio di funzionamento è del tutto simile per
entrambe le tipologie con differenze a livello di tempi di commutazione e di
potenze dissipate decisamente più elevate nei TTL. In ogni caso hanno un simbolo
logico simile a quello di figura 5.4 caratteristico di un codificatore da 8 a 3 linee,
ossia un codificatore ottale-binario dove si evidenziano tre linee di controllo:
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
88
• EI (Enable Input). Se è al livello basso abilita il codificatore al
funzionamento, altrimenti disabilita le linee di entrata dati ponendo tutte le
uscite nello stato logico alto.
• EO (Enable Output). Si porta al livello logico basso per indicare che il
chip è abilitato (EI = 0) ma non è stato attivato alcun ingresso.
• GS (Group Signal). Si porta al livello logico basso per indicare che il chip
è stato abilitato (EI = 0) e contemporaneamente è stato attivato almeno un
ingresso [14].
Fig.5.4: Codificatore ottale-binario TTL
La presenza delle linee di controllo EI , EO e GS è prevista per rendere agevole il
collegamento di più encoder in cascata in modo da poter codificare un numero
superiore di linee di ingresso.
Tabella di verità e piedinatura completano le specifiche tecniche per ogni encoder.
La funzione opposta al codificatore è svolta dal decodificatore o decoder.
b)La funzione di un decodificatore è di rivelare la presenza sui propri
ingressi di particolari combinazioni di bit (codici) attivando, per ciascuna di esse,
una determinata linea di uscita. Come per i codificatori esistono diversi tipi di
decoder a seconda del numero di ingressi e uscite, in questo caso le prime in
codice binario e le seconde cifrate. Binario-ottale, binario-decimale o binario-
esadecimale sono solo pochi esempi di decodificatori presenti nel mercato
realizzati nelle varie tecnologie con strutture e caratteristiche diverse.
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
89
Ad esempio un decodificatore BCD-decimale, come quello in figura 5.5, presenta
sulle quattro linee di ingresso le cifre decimali in codice BCD le cui combinazioni
attivano singolarmente una delle dieci linee di uscita.
Fig. 5.5: Esempio decoder BCD-decimale.
Esistono decoder TTL o CMOS non troppo differenti, addirittura con piedinatura
spesso uguale, oltre a tipologie particolari chiamate decoder/demultiplexer adibiti
a fungere anche la funzione di distribuzione meglio chiarita nei paragrafi seguenti.
Spiccato utilizzo hanno anche i decoder-driver (fig. 5.6), ovvero una particolare
categoria di decodificatori utilizzati quasi esclusivamente per pilotare display a
sette segmenti o LCD (Liquid-Crystal Displays ). Questi display sono costituiti da
sette LED (Light-Emitting Diodes ) a forma di segmenti, contrassegnati dalle
lettere a, b, ..., f, g resi luminosi individualmente, o secondo combinazioni tali da
rappresentare le cifre decimali o esadecimali [14]. Se all'anodo di un diodo LED
viene applicata una tensione di qualche volt superiore a quella del catodo, esso è
in grado di emettere luce essendo polarizzato direttamente.
Fig. 5.6: Display a catodo comune pilotato da un decoder a logica positiva
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
90
c) Il multiplexer o selettore, il cui schema a blocchi è mostrato in Fig. 5.7, è
invece un dispositivo in grado di trasferire all'uscita i dati digitali presenti ai suoi
n ingressi, convogliandoli su una singola linea. Indicato con la sigla MUX
possiede degli ingressi di controllo adibiti alla selezione del singolo dato da
trasferire.
Fig.5.7: Schema a blocchi multiplexer
Il principio di funzionamento di ogni multiplexer è riassumibile con il proprio
circuito logico differente dalle altre tipologie di MUX solo per il numero di
ingressi presenti e di conseguenza per la quantità delle porte logiche inglobate.
Considerando il più semplice dei selettori con solo 2 ingressi è intuitivamente
possibile capire il suo principio logico specifico avente però carattere decisamente
generale. Questo multiplexer possiede una funzione logica del tipo Y=D0̅S+D1S
rappresentata dal circuito di fig. 5.8.
Fig.5.8: Schema logico MUX a 2 ingressi
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
91
Quando l'ingresso di selezione è S = 0, risulta abilitata la porta AND superiore G0
e il dato digitale (0 o 1) presente sull'ingresso dati D0, viene trasferito all'uscita.
Quando viceversa S = 1, è abilitata la porta AND inferiore G1 e all'uscita viene
trasferito il valore digitale presente su D1. In altri termini, l'ingresso dati D0 è
selezionato da S = 0, mentre l'ingresso dati D1 è selezionato da S = 1. Utilizzando
più linee di selezione si possono realizzare multiplexer con più ingressi dati [14]:
con 2 linee di selezione si possono multiplare 4 linee dati, con 3 si arriva a 8 linee
dati e così via. Pertanto con m linee di selezione si possono multiplare n = 2m
linee di ingresso.
Sono comunemente impiegati in diversi ambiti quali:
• il controllo dei dispositivi di visualizzazione e delle memorie
• sistemi di trasmissione
• generazione di funzioni logiche
• acquisizione di dati
e possono essere distinti, come gli altri elementi combinatori, in MUX TTL o
MUX CMOS entrambi disponibili in commercio con 2, 4, 8, o 16 linee di ingresso
dati, con uscite complementate o meno e con una o più linee di abilitazione che
permettono il controllo del dispositivo stesso. Il funzionamento inverso rispetto al
multiplexer viene effettuato dal demultiplexer (DMUX).
d) Un demultiplexer (o distributore ) è un dispositivo il cui circuito logico
presenta essenzialmente una sola linea di ingresso dati, m linee di ingresso di
selezione ed n di linee di uscita, dove solitamente n = 2m
. In figura 5.9 è riportato
un DMUX da una ad otto linee dati che necessita di tre ingressi di selezione. La
sua funzione è quella di distribuire il dato digitale di ingresso ad una o all'altra
delle linee di uscita, in relazione allo stato logico presente sugli ingressi di
selezione. Il codice binario presente su questi ultimi, viene cosi a rappresentare
l'indirizzo della linea di uscita su cui viene trasferito il dato di ingresso.
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
92
Fig.5.9: Schema a blocchi demultiplexer
Considerando lo schema logico di un demultiplexer da una a quattro linee
(fig.5.10), per ciascuna combinazione dei bit di selezione o indirizzo A1 A0, una
sola delle porte risulta abilitata e il dato D viene quindi trasferito all'uscita
corrispondente. Il demultiplexer sostanzialmente ha dunque una struttura
circuitale del tutto simile a quella del decoder precedentemente visionata con
l'unica differenza che ciascuna porta ha un ingresso in più: quello della linea di
ingresso dati comune. Il DMUX è pertanto un decodificatore dove l'ingresso di
enable coincide con quello dei dati del demultiplexer con linee di ingresso facenti
funzione di controllo. Per questo motivo, questi componenti sono spesso
classificati come decodificatori-demultiplexer.
Fig.5.10: Schema logico DMUX da una a quattro linee
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
93
5.3 Analisi di mercato switch RS232
L'acquisizione dei dati provenienti dai quattro strumenti presenti nel
prototipo, necessita di un dispositivo in grado di commutare le porte seriali RS232
e stabilire una comunicazione con il PC esclusivamente con il singolo apparecchio
medico in servizio in quel momento. Occorre una gestione da remoto dello stesso
switch tramite interfaccia RS232 in grado di pilotare la commutazione e abilitare
lo scambio dati voluto. Il tutto limitando i costi e cercando di inglobare, quanto
più possibile, la soluzione adottata nel contesto del progetto, unificando al
massimo l'intera gestione dei motori e delle porte seriali degli strumenti.
In base a queste esigenze applicative si è operata un'accurata analisi di mercato
mirata anche alla conoscenza di determinate apparecchiature già presenti in
commercio più che adatte ai bisogni, ma presumibilmente costose e prive di
spunti progettuali-sperimentali fondamentali per l'elaborato.
La prima soluzione trovata ha assunto difatti la caratteristica più sofisticata,
pronta all'uso e al contempo più proibitiva per gli aspetti economici. Nonostante
ciò l'analisi di questo particolare switch, illustrato in figura 5.11, è stata utile per
comprendere al meglio le funzioni da implementare per la tecnica ricercata. Si
tratta di un interruttore multi-posizione per la commutazione delle uscite seriali
predisposte tramite pulsanti manuali, permettendo il controllo locale sul proprio
pannello frontale, oppure con l'ausilio di comandi ASCII RS232 da remoto
attraverso una porta opportunamente presente.
Fig.5.11: PathWay Model 7301 DB9 Switch with Contact Closure and RS232 Serial Remotes
Composto da 9 connettori DB9 di cui uno per la connessione ad un dispositivo
comune, che consente all'utente la possibilità di essere usato come interfaccia,
possiede altre 2 porte: una di controllo seriale RS232 e una HD26 per chiusura dei
contatti di segnalazione. Gli interruttori interni commutano tutti e 9 i pin di cui è
composta la seriale e gli appositi led di stato individuano facilmente il dispositivo
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
94
in uso. Una tecnologia molto compatta con addirittura la possibilità di avere 8
dispositivi collegati, il doppio dei requisiti richiesti al progetto in esame. Sebbene
abbia tutte le qualità per essere selezionato e adottato per la gestione degli
strumenti oftalmologici, il costo lo rende improponibile, ma il suo principio di
funzionamento, riassumibile dallo schema di fig.5.12, è stato l'elemento pilota per
la ricerca delle corrette funzionalità richieste al sistema da progettare.
Fig.5.12: Schema funzioni e applicazioni Switch RS232 modello 7301
Alla stessa maniera, prodotti simili al precedente per caratteristiche, sono risultati
ugualmente insostenibili sotto il profilo economico facendo evincere
l'impossibilità di utilizzare dispositivi del genere con controllo remoto integrato.
Pertanto, si è dirottata la ricerca verso apparecchi a semplice controllo manuale
auspicando la possibilità di comando da remoto con implementazioni artificiali
successive.
A tale scopo semplici commutatori a pulsanti come quello raffigurato in fig.5.13,
sono sembrati conformi alle linee guida sotto l'ipotesi di aggiungere un circuito
integrato apposito per gestire elettronicamente la commutazione meccanica
presente.
Fig.5.13: Delock commutatore seriale manuale RS-232 a 4 ingressi
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
95
Lo switch meccanico a 4 porte indicato o prodotti affini, commuta però, solo 3 pin
della seriale (TX,RX e GND), mentre per alcuni strumenti oculistici occorrono
anche altri pin tipo DTR o CTS. Un circuito embedded deputato alla gestione
elettronica dei pulsanti deve perciò poter commutare almeno 4 segnali per ogni
seriale generando, di conseguenza, un numero elevato di contatti. In più, seppur le
4 porte presenti bastino per la messa a punto dell'applicazione generale costituita
da altrettanti apparecchi, potrebbe verificarsi l'esigenza di aggiungere ulteriori
dispositivi diagnostici non possedendo porte disponibili.
La condizione esposta creerebbe pertanto un numero sostenuto di contatti da
commutare nonostante si abbia lo switch manuale, ritenendo quindi quest'ultimo
scartabile e sostituibile con un circuito combinatorio a relè in uscita ad un
decoder. Anche questa soluzione presenta numerose commutazioni di tutti i pin
delle varie seriali connesse, ma è stata preferita per diversi motivi:
• economicità,
• praticità di controllo dell'intero multiplexer creato tramite lo stesso PLC
usato per il pilotaggio dei motori,
• maggiore sperimentazione delle competenze elettriche e elettroniche
fondamentali per l'elaborato in questione,
• possibilità di scelta dei componenti elettromeccanici necessari senza
l'ausilio di appositi switch, siano essi manuali o gestiti da remoto.
La progettazione di questa strategia, trattata nel successivo paragrafo, non
preclude comunque l'adozione di una tecnica più evoluta simile al dispositivo in
fig.5.11 prima analizzato, sicuramente una scelta migliore per praticità di
installazione e funzionalità racchiuse in un singolo strumento a fronte di un costo
difficilmente ammortizzabile dalle reali potenzialità offerte.
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
96
5.4 Progettazione dello switch
L'analisi teorica effettuata a inizio capitolo riguardante i circuiti logici
combinatori, ha di certo anticipato la strategia di commutazione seriale in procinto
di essere realizzata. Lo scopo è quello di architettare un congegno elettro-
meccanico adibito appositamente al commutare la trasmissione dati dalla specifica
porta seriale in utilizzo connessa al rispettivo strumento. I circuiti combinatori,
come visto, utilizzano in molte circostante il codice binario sia esso in uscita o in
ingresso al circuito, bit digitali altamente compatibili con le medesime uscite
disponibili del PLC in uso.
Per questi motivi si è deciso di utilizzare lo stesso controllore dei motori per la
gestione dinamica dello switch, dotando quest'ultimo di:
un decoder/demultiplexer
un determinato numero e tipologia di relè
Tramite infatti un decoder, avente in ingresso il codice binario BCD, e in uscita 8
linee output è stato possibile, tramite l'opportuna combinazione dei bit in ingresso,
selezionare l'uscita desiderata rappresentante lo specifico strumento in servizio o,
per meglio dire, i pin della sua RS232. I valori logici BCD sono stati ovviamente
forniti da altrettante uscite digitali del PLC TM221CE40R adibite, tramite
specifica applicazione ladder, al fornire le corrette combinazioni adatte
all'attivazione dell'uscita richiesta.
Le uscite utilizzate del decoder sono state tante quante seriali RS232 sono presenti
nella postazione, quindi uguali al numero degli strumenti presenti. In queste
ultime, sono stati collocati diversi relè specifici tali da poter commutare i rispettivi
contatti permettendo l'abilitazione dei pinout facenti parte la RS232 selezionata.
Prima di esporre la configurazione adottata è opportuno trattare le caratteristiche
del decoder utilizzato e dei relè collocati nelle sue 4 uscite attive.
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
97
5.4.1 Decoder/Demultiplexer SN74ALS137
Si tratta di un decoder ad uscite attive basse con un codice binario BCD in
ingresso e 23 uscite, ognuna abilitata secondo l'opportuna combinazione degli stati
logici in ingresso. Possiede oltre ai 3 selettori di input altre 3 variabili di controllo
(LE, G2 e G1)che permettono l'attivazione o meno della sua funzionalità
controllando o memorizzando le uscite. In figura 5.14 è rappresentata la
piedinatura del decoder e il suo circuito logico interno.
Fig. 5.14: Piedinatura e circuito logico del decoder SN74ALS137
Gli ingressi di enable LE e G2 sono entrambi negati a differenza di G1. LE è
quell'ingresso che in base al suo stato modifica il reale funzionamento del
decoder. Con LE a stato basso si ha infatti il normale funzionamento di selezione
dell'uscita in base ai valori dei bit A,B,C, con LE a stato alto si ha, invece, un
bloccaggio delle uscite che rimangono stabili indipendentemente dalla successiva
variazione dei selettori. G1 e G2 fungono da controllo degli stati delle uscite.
La tabella 5.1 rappresenta la necessaria tabella di verità riguardante le condizioni
presenti in ingresso per l'attivazione della rispettiva uscita, il tutto anche in base
agli stati degli ingressi di enable. Di questa tabella solo una sua porzione sarà
identificativa per la costruzione dello switch.
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
98
Tab.5.1: Tabella di verità decoder SN74ALS137
È possibile notare che nella regione di funzionamento del decoder, caratterizzata
da una terna di ingressi di enable pari a 101, si ottiene la necessaria attivazione
delle uscite in funzione degli ingressi di selezione.
Per l'utilizzo in esame, considerando i 4 strumenti presenti nella postazione, le
uscite utilizzate saranno proprio 4 e di conseguenza si dovranno gestire le 4
combinazioni in ingresso ognuna caratteristica per l'attivazione della rispettiva
uscita. La tabella 5.2 esplicita gli stati logici di input e output che verranno
adoperati in fase di collegamento e di programmazione.
C B A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1
0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1
0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1
1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1
Tab. 5.2: Combinazioni di input e output utilizzati
Trascurando Y0, le uscite utilizzate sono state Y1,Y2,Y3 e Y4 attive a stato basso
allorché si verifichi in ingresso il codice binario corrispondente. Su queste quattro
uscite sono stati collocati dei particolari relè adibiti al completare la
commutazione richiesta dei pin della RS232 interessata.
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
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5.4.2 Relè reed
La caratteristica configurazione del classico relè elettromeccanico descrive
un funzionamento basato sullo scorrimento di una corrente di comando attraverso
la bobina di eccitazione, questa attrae a se un'ancoretta mobile il cui movimento
causa l'apertura o la chiusura di un contatto. Mediante piccole correnti
(generalmente dell'ordine dei mA) e bassissime tensioni (tipicamente 12 o 24
Vdc), si riescono a controllare correnti relativamente intense con separazione
galvanica tra circuito di comando e circuito comandato.
Esistono però diverse limitazioni per questi relè in quanto
l'equipaggio mobile presenta sempre una certa massa la cui inerzia ne impedisce
l'utilizzo in applicazioni con ripetute commutazioni a frequenze elevate, inoltre,
per quanto siano stati compiuti negli ultimi anni passi da gigante per la gestione
di contatti miniaturizzati, l'unione di bobina ed equipaggio mobile presenta
sempre un ingombro che mal si concilia con le esigenze di miniaturizzazione.
La soluzione è in questi casi fornita da un dispositivo, noto come relè reed,
concettualmente simile al classico relè elettromeccanico ma che presenta una
caratteristica peculiare: l'utilizzo di contatti ad auto attrazione come visibile in fig.
5.16. Nei relè reed i contatti sono montati su due sottili lamelle metalliche a bassa
riluttanza e con buona flessibilità. Esse sono posizionate in modo che le parti
terminali non si tocchino e che il tutto sia ermeticamente sigillato in un piccolo
bulbo di vetro riempito con gas inerte e circondato da un avvolgimento. Quando
questo viene percorso da corrente crea un campo magnetico assiale che induce
sulle estremità delle lamelle poli magnetici opposti. La conseguente forza
d'attrazione che si sviluppa è in grado di vincere la rigidità delle lamelle
flettendole reciprocamente l'una verso l'altra e causando la chiusura del contatto.
La riapertura dello stesso si verifica al cessare della corrente eccitatrice nella
bobina allorché la forza di attrazione tra le lamelle viene meno e l' elasticità
prevale nuovamente riportandole nella posizione iniziale [15]. Poiché la massa
delle lamelle è esigua, l'inerzia della stessa è trascurabile e sono possibili
commutazioni a frequenze elevate a fronte ovviamente di una corrente
commutabile ben più bassa di quella inerente i classici relè. Per queste
caratteristiche vengono spesso utilizzati per segnali di controllo.
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
100
Fig.5.16: Struttura relè reed
Un altro fattore importante è il grado IP di protezione dalla polvere offerto
dall'ampolla nei riguardi dei contatti (normalmente si tratta di un IP65). Data la
semplicità del contatto, la vita meccanica è elevata essendo dell'ordine delle
decine di milioni di operazioni. La massima corrente tollerabile è importante
perché correnti eccessive potrebbero causare riscaldamento delle lamelle,
alterazione delle proprietà magnetiche delle stesse nonché saldatura dei contatti.
Data la delicatezza di questi ultimi è sempre opportuno, soprattutto in applicazioni
ad alta affidabilità, prevedere adeguate precauzioni degli stessi nei riguardi di
sovratensioni ed extracorrenti. In figura 5.17 si riporta un classico relè reed.
Alcuni di essi contengono al proprio interno le necessarie protezioni, altri sono
dotati di un indicatore led che si attiva quando il contatto è azionato. Tale
peculiarità torna particolarmente utile nella fase di messa a punto del sistema o per
determinare l'entità di eventuali isteresi meccaniche. È necessario installare le
ampolle a debita distanza da materiali ferromagnetici o da sorgenti di campo
magnetico che potrebbero influenzarne la commutazione.
Se nella bobina di eccitazione vengono introdotti più bulbi reed si crea un relè a
più commutazioni ideale in caso di numerosi contatti.
Fig. 5.17: Relè reed
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
101
5.4.3 Schema elettrico
Alla luce del fatto che i relè reed ben si adattano a svolgere commutazioni ad alta
frequenza con disponibilità di tipologie anche a più contatti, sono stati prescelti
per la necessaria commutazione agente sulle uscite del decoder.
Il PLC abilita, tramite apposito comando, la combinazione delle 3 uscite digitali
connesse al decoder, il quale secondo la propria logica interna attiva l'uscita
corrispondente. Quest'ultima rappresenta la totalità della RS232 dello strumento
specifico tramite la presenza di n relè reed tanti quanti sono i pin da commutare.
A parte la massa comune si è ritenuto necessario commutare tutti e 8 pin di ogni
RS232, e per limitare il numero dei relè in uso si sono selezionati dei reed a 2
contatti con una massima corrente di commutazione pari a 0.5 A e una tensione di
eccitazione di 5 V, pari all'alimentazione dello stesso decoder e delle uscite
digitali del controllore. Su ogni uscita sono stati quindi collocati n/2 relè reed con
n numero di pin, permettendo che la selezione svolta dal decoder a monte dia in
uscita l'abilitazione di un insieme di pin corrispondenti allo strumento richiesto.
In altri termini ,in uscita dal decoder, si ha in ogni circostanza l'abilitazione
di 8 pin afferenti ad una delle 4 uscite in uso (Y1, Y2, Y3, Y4) connessi all'unico
connettore in ingresso al PC. Partendo da 4 seriali RS232 tramite PLC, decoder e
relè si riduce il tutto a questa singola porta di comunicazione che vede modificare
i propri segnali trasferiti in funzione dello switch effettuato dal circuito
combinatorio progettato.
Nella pagina seguente è riportato lo schema elettrico dello switch esposto, con
annessa tabella descrittiva dei simboli utilizzati (tab.5.3). Qualche esempio di
gestione successivo chiarirà meglio il suo funzionamento.
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
102
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
103
Tabella descrittiva simboli utilizzati
Simbolo Funzione
FE1 Finecorsa esterno 1° cassetto
FE2 Finecorsa esterno 2° cassetto
FE3 Finecorsa esterno 3° cassetto
FE4 Finecorsa esterno 4° cassetto
A Uscita digitale PLC Q0.14-Ingresso di selezione DMUX
B Uscita digitale PLC Q0.13-Ingresso di selezione DMUX
C Uscita digitale PLC Q0.12-Ingresso di selezione DMUX
Y1,Y2,Y3,Y4 Uscite DMUX abilitate
I1 Interruttore ON/OFF
L12 Indicatore luminoso Y1 attiva
L13 Indicatore luminoso Y2 attiva
L14 Indicatore luminoso Y3 attiva
L15 Indicatore luminoso Y4 attiva
DCD
DSR
RXD
RTS
TXD
CTS
DTR
RI
Pin seriale RS232 connessa al PC
DCDn
DSRn
RXDn
RTSn
TXDn
CTSn
DTRn
RIn
Pin seriale RS232 n-esimo strumento
Tab 5.3: Descrizione simboli e funzionalità
5.4.4 Esempio di riepilogo
Dopo aver abilitato la connessione tra PLC e decoder tramite interruttore
on/off (I1) si suppone di avere l'apertura del 1° cassetto porta-strumento, la cui
apertura totale è determinata dall'attivazione del suo rispettivo finecorsa esterno
FE1. Ciò comporta, tramite opportuna programmazione, una combinazione delle
uscite CBA del PLC pari a 001 direttamente posta in ingresso al
decoder/demultiplexer. La logica interna di quest'ultimo, in base al codice in
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
104
ingresso, prevede l'attivazione dell'output Y1 anch'essa alla tensione caratteristica
di 5 V.
I 4 relè reed eccitati dalla continuità su Y1 chiudono gli 8 complessivi contatti
permettendo la trasmissione diretta o inversa tra PC e 1° strumento abilitando
proprio gli 8 pin della correlata seriale. L'indicatore luminoso L12 segnala
l'attivazione dell'uscita Y1.
Lo stesso processo avviene in maniera analoga all'apertura degli altri cassetti
porta-strumento. Qualora non si volesse commutare nessuna RS232 è possibile
interrompere l'acquisizione ponendo in OFF l'interruttore I1.
5.5 Applicazione Ladder per la gestione dello switch
L'applicazione strutturata per determinare l'adeguato controllo delle uscite
digitali C,B,A del PLC, nonché gli ingressi del decoder, ha assunto più che altro la
funzione di implementazione dell'architettura ladder già costruita per il pilotaggio
dei motori dei cassetti porta-strumento.
Utilizzando difatti le variabili in ingresso rappresentanti i finecorsa esterni dei 4
ripiani, si è articolata la programmazione grafica al fine di creare una diretta
dipendenza tra la completa apertura di ogni cassetto e la commutazione dello
switch verso la rispettiva RS232, connettendo proprio quest'ultima al PC.
Ovviamente il legame tra le due attività è stato compiuto dalle apposite uscite C,
B, A le quali hanno assunto i valori stabiliti per ogni apertura di uno dei 4 cassetti,
in altre parole integrando la comparsa dello strumento durante la visita e la
consequenziale comunicazione dello stesso con il PC.
I primi 8 rung sono quindi attinenti al controllo dei motori dei cassetti già visti
nell'apposita sezione, i successivi e ultimi 3 pilotano, invece, le uscite
combinatorie.
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
105
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
106
Un'efficiente descrizione del programma si ottiene tramite l'utilizzo della tabella
di verità 5.4 appositamente costruita.
FE1 FE2 FE3 FE4 C B A Stato globale
0 0 0 0 0 0 0 Nessun cassetto in completa apertura,
uscita decoder stabile su Y0.
1 0 0 0 0 0 1 1° cassetto in posizione di completa
apertura, attivazione uscita decoder Y1
(RS232 1° strumento)
0 1 0 0 0 1 0 2° cassetto in posizione di completa
apertura, attivazione uscita decoder Y2
(RS232 2° strumento)
0 0 1 0 0 1 1 3° cassetto in posizione di completa
apertura, attivazione uscita decoder Y3
(RS232 3° strumento
0 0 0 1 1 0 0 4° cassetto in posizione di completa
apertura, attivazione uscita decoder Y4
(RS232 4° strumento)
1 0 0 1 0 0 0 2 cassetti in completa apertura, nessuna
uscita in uso del decoder attiva
CAPITOLO 5 - PROGETTAZIONE DI UNO SWITCH DIGITALE PER LA COMMUTAZIONE DELLE PORTE SERIALI RS232
107
La gestione appena visionata ha creato una stretta dipendenza tra l'apertura di un
ripiano e l'acquisizione dati, tramite linea seriale, dallo specifico strumento sopra
poggiato. Avendo creato uno switch elettro-meccanico che permette la
trasmissione dati da un singolo apparato per volta, l'erronea apertura
contemporanea di 2 o più cassetti, comporta il passaggio a livello logico basso di
tutte e 3 le uscite combinatorie C, B e A, non commutando nessuna RS232 verso
il PC fino a nuovo comando.
CAPITOLO 6 - MESSA IN SERVIZIO E RISULTATI OTTENUTI
108
Capitolo 6
Messa in servizio e risultati ottenuti
6.1 Gestione della postazione tramite PC
L’importanza della comunicazione fra i sistemi di gestione e controllo e i
PLC in campo, rappresenta, come ormai è risaputo, un fattore essenziale per
l'importante monitoraggio di macchine e impianti con interfacce dedicate. Tutti i
costruttori svolgono in questo ambito una continua ricerca mirata al conferire ai
loro prodotti le più intuitive risorse hardware e software per il più agevole dialogo
tra uomo e macchina. L'opportuna comunicazione tra PC e PLC deve pertanto
essere sicura e affidabile e fornire all'utente la corretta panoramica sui dati in Real
Time in funzione delle sue effettive richieste.
Il mercato propone una vasta gamma di dispositivi e soluzioni in grado di
garantire una comunicazione PC-PLC sicura,rapida ed efficace in rapporto alle
diverse esigenze. Nonostante ciò tecnici esperti programmatori preferiscono
sviluppare da soli, in Visual Basic o in Visual C++, un’applicazione ad hoc
imbattendosi molte volte in problematiche di comunicazione tra l’applicazione e
le periferiche (PLC,regolatori, bus ecc...). Se implementare le funzionalità di base
di un protocollo può essere impegnativo, la realizzazione di un driver affidabile
può risultare una vera impresa.
Molti produttori, in soccorso agli utenti, offrono un solo driver per tutti i
principali fieldbus sul mercato e uno stesso tool di configurazione anche per
Ethernet, configurabile come se fosse un bus. Altre applicazioni consentono di
utilizzare una LAN Ethernet esistente per connettersi a dispositivi d’automazione,
di solito dotati esclusivamente di una porta seriale con protocollo proprietario, in
modo da convogliare i dati tra una porta seriale e una rete Ethernet creando una
interazione tra le reti LAN/Internet, un Serial Server e un driver software, il cui
insieme può essere paragonato a un cavo seriale virtuale esteso.
Noto successo ha anche riscosso l'utilizzo di particolari moduli con pacchetto
dedicato che permettono di collegare un qualsiasi PLC associabile allo stesso
CAPITOLO 6 - MESSA IN SERVIZIO E RISULTATI OTTENUTI
109
modulo funzionale, a una rete LAN, intranet o Internet e controllarlo da remoto
(fig.6.1). Questa interfaccia Ethernet è anche un potente server di rete che
consente, oltre il monitoraggio del PLC collegato tramite software di
programmazione, la visualizzazione e l’impostazione dei dati di campo tramite
pagine Html residenti sul Web server e accessibili da remoto tramite browser.
Fig.6.1: Modulo Master come elemento di connessione tra PC e PLC
Similmente ad altre case costruttrici, la necessità di collegare un controllore
programmabile ai sistemi di dialogo e supervisione, ha orientato i prodotti
dell’offerta Telemecanique di Schneider Electric verso uno standard largamente
diffuso e noto soprattutto in ambito industriale, Ethernet TCP/IP.
Nelle ultime evoluzioni della soluzione sono state implementate ulteriori
funzionalità che soddisfano meglio le esigenze degli utenti finali e degli OEM
(costruttori di macchine). Novità fondamentale è il concetto di plug&play, che
viene trasportato nel mondo dell’automazione grazie appunto a Telemecanique,
permettendo di sostituire e configurare I/O remoti connessi in Ethernet senza
alcun intervento di programmazione. Vengono così semplificate sia la
manutenzione dell’impianto/macchina, con minori tempi d’arresto, sia la messa in
servizio, evitando errori d’installazione. Per ottenere informazioni comuni in
tempo reale su tutti i dispositivi connessi alla rete Ethernet è presente il servizio
Global Data, incluso nei moduli Web Server, che permette all’operatore di
CAPITOLO 6 - MESSA IN SERVIZIO E RISULTATI OTTENUTI
110
scegliere quali dati rendere pubblici e delega in modo autonomo alla scheda la
gestione della comunicazione verso gli altri dispositivi connessi.
Tutto questo si estende anche alla gamma di controllori programmabili di fascia
medio-piccola supportati da schede che consentono, grazie a un RAS (Remote
Access Server) integrato, la modalità di connessione via intranet e in remoto via
modem. Viene messo quindi a disposizione un Web Server nel quale generare un
sito Web della macchina, dove poter diagnosticare e controllare il sistema. Questa
tecnologia è stata inserita direttamente nelle CPU dei PLC, mettendo a
disposizione tutti i servizi necessari all’integrazione in reti Ethernet aziendali [16].
Il tutto per una totale trasparenza dei dati che si traduce in semplificazione delle
architetture di rete, riduzione dei dispositivi necessari al trasporto e alla gestione
dei dati, uniformità delle interfacce e diminuzione dei costi d’esercizio grazie alla
remotazione.
6.1.1 Configurazione Ethernet e server Modbus TCP
Questa particolarità dei prodotti Schneider più evoluti ha ovviamente
contributo alla selezione del PLC M221 utilizzato nelle precedenti fasi operative.
La presenza delle porte di comunicazione RS232 e Ethernet con la scheda TCP/IP
integrata, ha difatti permesso la scelta del mezzo di trasmissione deputato
all'interfacciare il controllore ad uno o più utenze di supervisione quali PC,
necessari per un controllo delle variabili di campo in maniera altamente
tecnologica e professionale.
Al fine della gestione dei cassetti porta-strumento, della poltrona e l'annessa
commutazione seriale adibita alla selezione dello strumento in uso specifico, si è
preferito orientare la comunicazione tramite Ethernet, per una maggiore velocità
di trasmissione e per l'opportunità di accesso anche da remoto, a implementazione
di una comunicazione locale di base fornita al prototipo.
Questa peculiarità permette di gestire gli input forniti al controllore in maniera
locale dal medico operante, oltre alla potenzialità di un monitoraggio da remoto
dell'intera postazione, che correlata dall'interfacciamento degli strumenti, può
permettere anche una sorta di teleconsulto fra medici fisicamente distanti.
CAPITOLO 6 - MESSA IN SERVIZIO E RISULTATI OTTENUTI
111
La programmazione da effettuare per interfacciare il controllore al PC è
notevolmente semplificata a ridotte operazioni eseguibili tramite lo stesso
software Somachine Basic, già possidente delle caratteristiche hardware e
software preimpostate in fase di costruzione del programma applicativo. Più che
programmazione l'attività si riduce ad una fase di configurazione della linea
Ethernet e del server Modbus TCP/IP integrato.
È infatti possibile configurare la connessione TCP/IP con il logic controller
agendo sulla rete Ethernet stabilendo una rete di area locale (LAN) tra il
controllore e gli altri dispositivi: nel caso in esame con il PC dello stesso studio
medico. Ciò consente di impostare l'indirizzo IP del dispositivo di rete ottenibile
tramite i protocolli DHCP o BOOTP oppure definendolo associando allo stesso
gli indirizzi della subnet mask e del gateway come in figura 6.2 [6].
Fig.6.2: Configurazione Ethernet tramite Somachine Basic
Attivando il server Modbus TCP caratteristico della scheda Ethernet integrata, il
secondo passo consiste nel configurare proprio questo protocollo (fig. 6.3),
consentendo di impostare il server di comunicazione preferito (MASTER) e i suoi
parametri caratteristici spesso già preinseriti da funzionali suggerimenti di default.
CAPITOLO 6 - MESSA IN SERVIZIO E RISULTATI OTTENUTI
112
Fig.6.3: Configurazione Modbus TCP
La successiva fase permette la visualizzazione e l’impostazione dei dati di campo
tramite pagine Html residenti sul Web server e al contempo accessibili anche da
remoto tramite browser qualora si configuri l'accesso all'indirizzo IP specifico
assegnato in precedenza. Legando le variabili configurate nel programma
operativo, memorizzate in registri appositi della memoria del controllore, con le
funzionalità grafiche della pagina web dedicata, si determina l'interazione tra
l'input esterno agente a livello di segnale Ethernet, con la fisica variazione logica
dell'ingresso stabilito, con consequenziale attuazione delle uscite digitali secondo
l'algoritmo di controllo prefissato.
Le precedenti operazioni di configurazione non sono state ultimate in quanto il
fine ultimo del progetto è quello di interfacciare le azioni di comando agenti su
ArkiStation e l'acquisizione dei dati dagli strumenti, su un unico software
specifico (vedi par. 6.4). La fase di programmazione necessaria sarà dunque svolta
da un esperto programmatore informatico.
6.2 Progettazione del pannello di controllo sinottico
L'applicazione Ladder, fornita al controllore, è stata costruita in diverse
sezioni distinte in funzione delle finalità della programmazione. Si è dapprima
argomentata l'architettura a contatti per il controllo dei motori dei cassetti porta
strumento, successivamente implementata dalla gestione delle uscite digitali poste
in ingresso allo switch digitale RS232, e solo dopo si è discussa la gestione degli
CAPITOLO 6 - MESSA IN SERVIZIO E RISULTATI OTTENUTI
113
algoritmi di controllo dedicati al pilotaggio del motore elettrico azionante la
poltrona automatica del paziente. L'unione di queste sezioni, separatamente
analizzate, ha definito il programma applicativo conclusivo fornito al logic
controller in fase di messa in servizio.
Il medico può, in conclusione, agire sugli ingressi del PLC tramite
interfaccia Ethernet o per mezzo dei pulsanti manuali connessi fisicamente nei
rispettivi input di comando, azionando:
• l'apertura o chiusura dei 4 cassetti, con conseguente acquisizione dei
dati dallo specifico strumento in uso a causa della commutazione
dell'apposito switch RS232;
• lo spostamento della poltrona sia in avanti sia indietro
posizionandola perfettamente in corrispondenza delle posizioni di
stallo prefissate per l'attuazione della visita, fornendo l'apposito
comando univoco per raggiungere la destinazione specifica.
Il tutto è gestito dal controllore che acquisisce i valori sensoriali in ingresso
compresi i segnali determinati dai sensori o finecorsa installati, e in base ad essi e
all'algoritmo di controllo scaricatogli, scrive le uscite ad ogni scansione
modificando lo stato delle variabili fisiche connesse.
Come si è potuto apprendere nei vari capitoli precedenti,però, per garanzie
di esercizio si sono contemporaneamente inclusi dei pulsanti manuali a valle del
PLC, indipendenti da quest'ultimo, adibiti ad un uso della postazione in condizioni
di necessità o semplicemente per la maggiore comodità che potrebbe suscitarne
l'utilizzo nel caso specifico. Trattandosi ,infatti, di un'intera unità ad uso medicale
si è ritenuto opportuno conferire alla postazione una continuità di esercizio a se
stante senza limitazioni dovute a improvvisi guasti o errori al controllore.
Tutti i pulsanti manuali, interruttori e indicatori luminosi, sono stati concentrati in
un pannello di controllo sinottico disposto fisicamente tra lo start e i moduli
porta-strumento, dotandolo di tutto il necessario per la gestione in condizioni di
emergenza o meno dei motori presenti. Gli indicatori luminosi installati
prescindono dalla modalità di funzionamento della postazione, essi rispondono ai
movimenti o posizionamenti delle varie macchine indipendentemente dal modo
con cui sono state azionate o arrestate.
CAPITOLO 6 - MESSA IN SERVIZIO E RISULTATI OTTENUTI
114
In figura 6.4 si riporta una progettazione di massima del pannello sinottico
discusso, con l'annessa tabella descrittiva (tab. 6.5) inerente a simboli già
introdotti negli schemi elettrici precedenti.
Fig. 6.4: Progettazione di massima del pannello di controllo sinottico
Simbolo Area di collocazione Funzione
Pm1 Diagnostica 1 Pulsante manuale per apertura 1° cassetto
Pm2 Diagnostica 1 Pulsante manuale per chiusura 1° cassetto
L1 Diagnostica 1 Indicatore luminoso apertura 1° cassetto (verde)
L2 Diagnostica 1 Indicatore luminoso chiusura 1° cassetto (rosso)
Pm3 Diagnostica 2 Pulsante manuale per chiusura 2° cassetto
Pm4 Diagnostica 2 Pulsante manuale per chiusura 2° cassetto
L3 Diagnostica 2 Indicatore luminoso apertura 2° cassetto (verde)
L4 Diagnostica 2 Indicatore luminoso chiusura 2° cassetto (rosso)
Pm5 Diagnostica 3 Pulsante manuale per chiusura 3° cassetto
Pm6 Diagnostica 3 Pulsante manuale per chiusura 3° cassetto
L5 Diagnostica 3 Indicatore luminoso apertura 3° cassetto (verde)
L6 Diagnostica 3 Indicatore luminoso chiusura 3° cassetto (rosso)
Pm7 Diagnostica 4 Pulsante manuale per chiusura 4° cassetto
Pm8 Diagnostica 4 Pulsante manuale per chiusura 4° cassetto
L7 Diagnostica 4 Indicatore luminoso apertura 4° cassetto (verde)
L8 Diagnostica 4 Indicatore luminoso chiusura 4° cassetto (rosso)
Pm9 Poltrona Pulsante manuale di avanzamento
Pm10 Poltrona Pulsante manuale di indietreggiamento
L9 Poltrona Indicatore luminoso di avanzamento (verde)
CAPITOLO 6 - MESSA IN SERVIZIO E RISULTATI OTTENUTI
115
L10 Poltrona Indicatore luminoso di indietreggiamento (rosso)
L11 Poltrona Indicatore luminoso di stallo (giallo)
I1 RS232 PC Interruttore on/off di comunicazione
Tab. 6.5: Legenda dei pulsanti e indicatori usati
6.3 Optoisolatori
Nonostante si sia scelta una bassa tensione di alimentazione per gli attuatori,
connessi direttamente alle uscite digitali o indirettamente tramite appositi relè
esterni, si è ritenuto indicato ovviare a possibili malfunzionamenti dannosi
soprattutto per quanto riguarda la gestione dello switch RS232. La presenza di
numerose commutazioni ad elevata frequenza ha mosso l'iniziativa di preservare
la porta seriale RS232 connessa al PC in linea con la maggioranza delle
applicazioni professionali.
Si sono usati dei dispositivi denominati optoisolatori in relazione al loro principio
fisico di funzionamento. In generale il loro contributo è spesso orientato per una
proficua interazione tra il circuito di potenza e il circuito di comando solitamente
a tensioni differenti, conferendo ad essi l'adeguata separazione galvanica.
L'optoisolatore, la cui schematizzazione è riportata in figura 6.6, in questo senso
funge da elemento di sicurezza con cui le due sezioni possono scambiare comandi
e informazioni in modo bidirezionale, rimanendo separati dal punto di vista
elettrico. Esso comunica attraverso la trasmissione di impulsi luminosi che
passano attraverso un isolante trasparente alla luce, ma con alta rigidità dielettrica,
mettendo a colloquio i due sistemi senza che, un'improvvisa sovratensione,
danneggi i circuiti del sistema a tensione più bassa.
Fig.6.6: Optoisolatore
È costituito da un elemento foto emittente in genere un diodo emettitore di luce e
da un elemento foto sensibile rappresentato da un foto diodo o foto transistor. I
CAPITOLO 6 - MESSA IN SERVIZIO E RISULTATI OTTENUTI
116
due elementi sono isolati galvanicamente e l'influenza che il circuito di ingresso
(fotoemittente), esercita sul circuito di uscita (fotosensibile), avviene attraverso la
luce e non attraverso la tensione o corrente.
Il totale isolamento elettrico tra ingresso e uscita consente di connettere in
condizioni di sicurezza circuiti a masse diverse o addirittura di lasciarne qualcuno
fluttuante, cioè privo di massa, anche operanti a tensioni diverse ed eventualmente
elevate. I materiali trasparenti di separazione permettono di raggiungere resistenze
di isolamento dell'ordine di migliaia di Megaohm e di lavorare con differenze di
potenziale tra i due lati fino alle migliaia di volt.
Si ottiene un fotoaccoppiatore se si utilizza un LED per irraggiare la giunzione
BC di un fototransistor allo scopo di aumentare la corrente controllata,ovvero di
migliorare la sensibilità del trasduttore. Il fototransistor può essere pertanto
considerato come l'insieme di un fotodiodo e di un transistore avente il compito di
amplificatore.
Il diodo emettitore è in grado di emettere una potenza luminosa proporzionale
alla corrente di polarizzazione diretta. La luce emessa ha una lunghezza d'onda nel
vicino infrarosso (0.8 a 1.6 microns). Il fototransistor è in pratica un transistore
BJT con la base connessa ad un fotorivelatore. La foto-corrente dovuta
all'assorbimento di fotoni viene iniettata nella base del transistor che quindi viene
mandato in conduzione o in saturazione a seconda dell'entità della luce emessa
[14].
Lo stesso principio viene utilizzato internamente al PLC, figura 6.7, per la
separazione elettrica dei dispositivi d'ingresso dalla logica interna del controllore,
conferendo l'isolamento galvanico adibito ad acquisire i segnali in ingresso e
adattarli alla proprio logica interna.
Fig.6.7: Optoisolatore in ingresso al PLC
CAPITOLO 6 - MESSA IN SERVIZIO E RISULTATI OTTENUTI
117
Oltre a questi utilizzi, prettamente pratici, dovuti al garantire la sicurezza tra
sezioni a tensione differente, gli optoisolatori sono utilizzati per proteggere i
dispositivi di comunicazione, i PC ,e le apparecchiature nelle quali sono installati,
da eventuali impulsi e scariche elettriche che possono essere generati sulle linee,
ad esempio da fulmini, dall’avvio di grossi motori elettrici o da loop di corrente.
Gli optoisolatori adibiti alla protezione della RS232 sono
spesso accoppiati a ripetitori utilizzati per effettuare il refresh dei segnali elettrici
e quindi aumentare la distanza di trasmissione dei dati.
Lo standard RS 232 permette la trasmissione del segnale ad una distanza di 15 m
mentre con i ripetitori queste distanze possono essere raddoppiate. In commercio
sono presenti grandi varietà di connettori optoisolati per la porta DB9 come quello
in figura 6.8a, ma la possibilità di reperire i singoli elementi di protezione
(fig.6.8b), include anche l'opzione di costruire l'isolamento galvanico voluto in
maniera autonoma similmente allo schema di figura 6.9.
a) b)
Fig. 6.8: a)Connettore optoisolato RS232 - b)Optoisolatore
CAPITOLO 6 - MESSA IN SERVIZIO E RISULTATI OTTENUTI
118
Fig. 6.9: Optoisolamento della seriale RS232
6.4 Conduzione della visita medica
Il medico potrà in definitiva controllare la postazione ArkiStation tramite
un'interfaccia intuitiva dell'intero PLC tramite PC, sia esso locale o remoto e in
più il pannello di controllo installato potrà fornire la giusta garanzia di utilizzo
della postazione in qualsiasi condizione.
Il controllo elettro-meccanico esposto è al momento separato dalla gestione dei
dati relativi agli apparati diagnostici. Si è pilotato lo switch RS232 in modo da
commutare i giusti pin di trasmissione al connettore del PC senza però introdurre
argomentazioni sulla complessa procedura di controllo della comunicazione tra
strumenti e supervisore.
La definitiva messa a punto dell'intera postazione, ormai rappresentata da
elementi sia fisici che virtuali, verrà effettuata in collaborazione con un esperto
programmatore informatico che concentrerà, su un'unica piattaforma software, la
gestione dell'intera postazione modulare e l'acquisizione dati dagli strumenti,
implementando un software di analisi medica già costruito ma ancora non
disponibile ad uso comune.
Si tratta del software ArkiMed ideato dal Prof. Franco Battaglia già abilitato
all'interfacciare la comunicazione dei vari strumenti diagnostici riportando
autonomamente dati, misure, immagini o video forniti dagli apparecchi stessi; utili
per la definizione diagnostica e la stesura delle terapie o ricette finali. Un database
CAPITOLO 6 - MESSA IN SERVIZIO E RISULTATI OTTENUTI
119
incluso permette di archiviare efficacemente tutte le prestazioni per paziente
introducendo l'importante funzione di trasporto delle informazioni per analisi
postume o dirette ad altri specialisti.
Inglobando in queste funzionalità già presenti gli appositi comandi virtuali per la
gestione meccanica della postazione si otterrà una piattaforma originale ed
esclusiva mirata all'adempiere l'intera procedura diagnostica di una completa
visita oftalmologica. La schermata principale di ArkiMed è riportata in figura
6.10, ad essa verranno aggiunti i comandi per la gestione della postazione
ArkiStation.
Fig.6.10: Software ArkiMed
CAPITOLO 6 - MESSA IN SERVIZIO E RISULTATI OTTENUTI
120
6.5 Conclusioni
L'analisi globale del progetto argomentato, ha essenzialmente verificato gli
obiettivi predisposti in fase introduttiva. Le richieste del medico specialista
inerenti all'ottimizzazione degli spazi, al contenimento dei costi e alla
modernizzazione dell'ambiente di lavoro mediante le tecniche di automazione
appropriate, ha permesso la progettazione dell'unità modulare ArkiStation
decisamente in linea con le caratteristiche ricercate.
La centralità dell'elaborato ha visto erigere un sistema di controllo dell'intera
postazione mirato al semplice e intuitivo uso della stessa tramite un' architettura di
processo caratteristica di un PLC di fascia media, perfettamente sufficiente per il
raggiungimento degli scopi prefissati. La sua interazione con i vari sensori e
attuatori utilizzati, ha permesso di automatizzare lo studio medico in questione
concentrando, in un ambiente di lavoro compatto, il confort e la praticità di una
visita oftalmologica moderna e altamente tecnologica. La motorizzazione dei
cassetti porta-strumento e della poltrona include infatti la massima professionalità
e l'adeguato ordine strutturale che qualsiasi ambiente medico dovrebbe possedere,
tenendo il passo esponenziale dell'innovazione tecnologica odierna. Il tutto
garantendo l'adeguata sicurezza e continuità di esercizio anche laddove venissero
a mancare gli elementi centrali dell'intera struttura di controllo.
La commutazione della specifica porta RS232 dallo strumento in servizio ha
determinato una pratica trasmissione dati tra PC e strumenti diagnostici, rendendo
la connessione dei dispositivi anch'essa legata ad una logica di controllo integrata
con le altre fasi operative.
Oltre al PLC si è ritenuta adeguata anche una differente tecnica di
automazione legata ad un generico sistema embedded generato tramite lo sviluppo
dell'intero hardware e software per la verifica degli stessi obiettivi in esame.
Separatamente a questo elaborato, la struttura concentrata del sistema integrato, ha
fatto evincere ottime prestazioni operative incrementate da un costo di produzione
decisamente limitato. Per contro un sistema di questo tipo, sia esso interamente
progettato o reperito nel mercato, funge esclusivamente per i compiti prefissati
dando nel tempo una flessibilità e riusabilità notevolmente limitata rispetto ai
controllori logici programmabili. I PLC riescono, infatti, a subire modifiche
CAPITOLO 6 - MESSA IN SERVIZIO E RISULTATI OTTENUTI
121
hardware o software in maniera rapida e efficiente con possibilità di
implementazioni future per eventuali espansioni o cambio di obiettivi.
Condivisione di risorse, decentramento delle funzioni e intelligenza distribuita a
fronte di un costo maggiore, indirizzano il PLC come cuore pulsante dell'intera
postazione ArkiStation garantendo una necessaria affidabilità e conformità alle
normative vigenti.
Un sistema embedded, al contempo, riesce con un costo minore a svolgere
le stesse funzionalità addirittura prestazionalmente migliori in relazione al PLC di
paragone, concentrando in maniera miniaturizzata tutto il necessario per il
compimento delle funzioni richieste. I dispositivi di base commercializzati,
facilitano le operazioni di costruzione e programmazione del prototipo hobbistico
che adempierà agli scopi previsti. Trattandosi, però, di un'apparecchiatura
potenzialmente diretta alla commercializzazione totale, con sezione elettrica e
elettronica integrata nel mobile ambulatoriale stesso, occorre, però, una necessaria
certificazione del prototipo di controllo ottenibile in maniera seguente a opportune
operazioni di testing, misurazioni e necessari inscatolamenti di sicurezza imposti
dalle norme presenti. Ciò comporterebbe un'ingente aumento del costo di
produzione facendo declinare la principale attitudine di economicità della
soluzione.
In altri termini un investimento maggiore iniziale (PLC) potrebbe
semplificare e limitare gli sforzi tecnici ed economici nel tempo a seguito di
incombenti variazioni, viceversa difficoltà di riadattare il prototipo alle presunte
modifiche (sistema Embedded), rispecchia una soluzione parigrado in fase iniziale
caratterizzata da un minor costo di realizzazione. Spetterà dunque all'ideatore e
finanziatore del progetto decidere la tecnica di automazione più adeguata per le
aspettative future della postazione ArkiStation, apparato ambulatoriale
oftalmologico probabilmente destinato ad essere brevettato.
CAPITOLO 6 - MESSA IN SERVIZIO E RISULTATI OTTENUTI
122
6.5.1 Sviluppi futuri
Oltre all'interfacciare ArkiStation con il software di analisi medica ArkiMed
per la gestione centralizzata dell'intero sistema, si metterà a punto un interblocco
elettrico tale da permettere la gestione della postazione in maniera univoca con la
modalità di controllo scelta. Qualora infatti si rendesse necessario l'utilizzo della
pulsantiera manuale, si disattiverà il controllo tramite PLC e viceversa, evitando
contemporanee azioni di comando dalle due interfacce progettate.
APPENDICE
123
Appendice A
Seriale RS-232
Lo standard RS232 nacque nei primi anni '60 per opera della Electronic
Industries Association (EIA) ed era orientato alla comunicazione tra i mainframe e
i terminali (DTE Data Terminal Equipment) attraverso la linea telefonica,
utilizzando un modem (DCE Data Communication Equipment). Pur essendo un
protocollo piuttosto vecchio, attualmente la RS232 è ancora largamente utilizzata
per la comunicazione a bassa velocità tra microcontrollori, dispositivi industriali
ed altri circuiti relativamente semplici che non necessitano di particolare velocità;
è invece praticamente scomparsa in ambito "desktop", ambito nel quale lo
standard è nato per la comunicazione tra un computer ed un modem.
L'interfaccia RS-232 ridotta a 9 pin utilizza un protocollo seriale di tipo asincrono:
• Seriale: significa che i bit che costituiscono l’informazione sono
trasmessi uno alla volta su un solo filo. Questo termine è in genere
contrapposto a parallelo in cui i dati sono trasmessi contemporaneamente
su più fili, per esempio 8, 16 o 32.
• Asincrono : ovvero che i dati sono trasmessi senza l’aggiunta di un
segnale di clock, cioè privi di un segnale comune che permette di
sincronizzare la trasmissione con la ricezione; ovviamente sia il
trasmettitore che il ricevitore devono comunque essere dotati di un clock
locale per poter interpretare i dati. La sincronizzazione dei due clock è
necessaria ed è fatta in corrispondenza della prima transizione sulla linea
dei dati [10].
Il connettore seriale DB9, visibile in fig. 6.11, è formato da 9 pin ognuno
corrispondente ad una trasmissione unidirezionale eccetto il pin GND
rappresentante la massa comune. Ogni pin distingue una propria funzione
caratteristica che permette la denominazione singola di ogni piedino facente parte
il connettore. Ai fini della costruzione dello switch risulta indispensabile la
conoscenza delle funzioni di ogni pinout.
APPENDICE
124
Fig.6.11: Pinout porta seriale a 9 pin RS232
• GND: serve ad assicurare la connessione fra i telai delle apparecchiature a
scopo di schermatura, è il riferimento a 0 V comune a tutti i segnali che
viaggiano sul cavo;
• TxD (Trasmitted Data): è una delle due linee su cui viaggia il segnale
seriale, portando al DCE i dati generati dal DTE perché siano trasmessi
sul canale di comunicazione;
• RxD (Received Data): porta al DTE i dati che il DCE ha ricevuto;
• DSR (Data Set Ready): quando è attiva, questa linea indica al DTE (al
terminale) che il DCE è collegato, acceso e pronto all’uso. Se non è attiva,
il DTE dovrebbe restare in attesa ed evitare di trasmettere dati;
• DTR (Data Terminal Ready): svolge la stessa funzione della linea DSR in
direzione opposta, indicando al DCE che il DTE è pronto all’uso;
• RTS (Request to Send): nel protocollo originale, questo segnale serve a
comandare il passaggio in trasmissione dei modem, è una sorte di segnale
di inizio dello scambio dati;
• CTS (Clear to Send ):in risposta all’RTS, comunica al DTE che il DCE ha
eseguito le operazioni necessarie a passare in trasmissione ed è quindi
pronto ad accettare il flusso di dati in partenza;
• DCD (Data Carrier Detect): indica che sul canale trasmissivo è presente
una portante dati valida. attivato quando viene stabilita una connessione, in
modo che il pc possa accorgersene senza bisogno di attendere la ricezione
della stringa appropriata simbolo dell'avvenuta connessione;
APPENDICE
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• RI (Ring Indicator): i modem telefonici attivano questa linea per segnalare
al DTE le chiamate in arrivo. E’ poco usata, perché ormai tutti i modem
trasmettono al computer la stringa "ring" ad ogni squillo e sono anche in
grado di rispondere di propria iniziativa.
In teoria per ricevere e trasmettere un segnale RS-232 bastano tre fili:
ricezione, trasmissione e massa. Spesso lo è anche in pratica. Gli altri fili di solito
opzionali, ma con utilità variabile a seconda delle applicazioni, servono per
sincronizzare in hardware la comunicazione. Un uso alternativo dei pin RTS e
DTR è l'utilizzo come fonte di alimentazione del dispositivo collegato alla porta
seriale stessa. L'esempio classico è il mouse seriale ma nulla impedisce di
collegare un microcontrollore generico o qualche altro circuito. Unico ed
importante limite è la corrente erogata, visto che questi pin non sono pensati per
questo uso: è opportuno limitarsi ad un paio di mA anche se molti PC permettono
di arrivare tranquillamente a 10mA.
BIBLIOGRAFIA
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Bibliografia
[1] C. Bonivento, "Sistemi di automazione industriale, Architettura e controllo",
editore McGraw-Hill.
[2] L. Bergamaschi, "Manuale di programmazione dei PLC", editore Hoepli.
[3] International Standard IEC 61131-1, Second Edition 2005.
[4] PLCopen, "Introduction into IEC 61131-3", Programming Languages.
[5] Guida Hardware, "Modicon M221 Logic Controller", Schneider Electric.
[6] Guida alla programmazione, "Modicon M221 Logic Controller", Schneider
Electric.
[7] Prof. Giacomo Scelba, Appunti del corso di "Azionamenti elettrici".
[8] E.H. Werninck, "Manuale dei motori elettrici", editore Tecniche nuove.
[9] C.T.S., "Catalogo guide lineari".
[10] R. Iacono, " Porta seriale RS232, cos'è, come funziona, piedinatura e
standard", WordPress SEO, Social media.
[11] Prof. Giuseppe Nunnari, Appunti del corso di "Fondamenti di Automatica".
[12] P. Bolzen, "Fondamenti di Controlli automatici", editore McGraw-Hill.
[13] Ing. D. Rapisarda, Appunti del corso di "Automazione Industriale",
Università degli Studi di Siena.
[14] L. Daliento, "Elettronica generale", editore McGraw-Hill Education.
[15] Elettrico Plus, Articolo di elettrotecnica di base " Il Relè reed".
[16] L. Milani, "La comunicazione PC-PLC", Fieldbus & Networks.