Automazione industriale: rilevamento e attuazione
di: Roberto Stefani
fonte: 'Il Giornale dell'Installatore Elettrico'
09.04.2009
Per la nostra discussione partiamo dal controllore programmabile (Plc), un'apparecchiatura dagli usi civili e industriali ormai noto a tutti.
Il Plc presenta due caratteristiche fondamentali: la capacità di acquisire direttamente nella sua memoria tutti i segnali provenienti dal processo e dalle periferiche di dialogo con l'operatore (tastiere, pulsanti, touch-screen...) e la possibilità di erogare direttamente le uscite per gli organi di comando e i dispositivi di visualizzazione.
Il controllore programmabile è costituito da alcuni elementi di base:
- l'unità centrale (cpu);
- la memoria interna;
- gli ingressi e le uscite;
- l'alimentatore
L'unità centrale è il “motore” del Plc. E’ qui, infatti, che le istruzioni del programma vengono eseguite per generare, in funzione della situazione d’ingresso corrente, le uscite richieste. In particolare, avvalendosi del software di sistema, fornito dal costruttore e residente nella memoria del Plc, alla cpu sono affidati i seguenti compiti fondamentali:
- eseguire l'acquisizione degli ingressi, creandone un'immagine nella memoria dati;
- controllare la sequenza con cui le istruzioni del programma sono lette nella memoria programmi, interpretate ed eseguite;
- modificare la sequenza di esecuzione del programma nel caso di salti, richiami di sottoprogrammi e interruzioni;
- erogare le uscite aggiornate al termine del ciclo di scansione.
Generalmente, l’unità centrale fornisce inoltre delle segnalazioni relative allo stato del Plc (funzionamento regolare, presenza di anomalia, esecuzione di programmi diagnostici…).
A sua volta, la memoria interna del Plc può essere suddivisa in due parti fondamentali: la memoria dati e la memoria programmi.
Nella memoria dati vengono memorizzate le informazioni che possono cambiare: tipicamente i dati di I/O e i programmi non ancora completamente messi a punto. In questa memoria è inoltre presente una zona di lavoro, nella quale i programmi possono gestire le loro variabili, le funzioni interne, i bit di appoggio,eccetera.
La memoria programmi è invece utilizzata per le informazioni che cambiano con minore frequenza, o che addirittura non cambiano mai: tipicamente, i programmi applicativi nella loro versione definitiva e i programmi che fanno parte del sistema operativo del Plc.
Gli ingressi e le uscite collegano il controllore programmabile agli organi del processo, trasformando e adattando i segnali elettrici provenienti dai sensori o diretti agli attuatori.
Moduli d’ingresso
I moduli d'ingresso binari (on/off) permettono all'unità centrale di leggere lo stato logico dei sensori e degli organi di manovra on/off (pulsanti, interruttori...) ad essi collegati. Periodicamente, l'unità centrale interroga i moduli d'ingresso e ne trasferisce gli stati logici nella memoria dati.
Per evitare di danneggiare irreparabilmente la circuiteria interna del Plc a seguito di sovratensioni, sovracorrenti o altre interferenze provenienti dal campo, gli ingressi sono disaccoppiati otticamente, in modo da interrompere la continuità galvanica.
Un'altra operazione svolta dai moduli d'ingresso è la squadratura dei segnali, mediante circuiti a scatto. In questo modo, si ottengono due soli possibili livelli, indicati convenzionalmente con 0 e l.
Complessivamente, tra l'istante in cui un segnale raggiunge un terminale d'ingresso e l'istante in cui la sua immagine appare nella memoria del Plc (tempo di commutazione) si verifica un ritardo variabile da qualche millisecondo a decine di millisecondi.
Le informazioni digitali sono invece composte da una certa quantità di bit (genericamente definita come ‘parola’), che devono essere trattati in modo unitario. E’ il caso, per esempio, dei codici Ascii utilizzati per la rappresentazione dei caratteri alfanumerici.
Infine, come noto, sono dette analogiche le variabili che, nel tempo, possono assumere una serie di valori continui, all'interno di un certo intervallo. E’ il caso, per esempio, dei segnali. di temperatura, pressione, velocità, livello, nonché del tempo.
Moduli d’uscita
I moduli d'uscita binari (on/off) e digitali traducono in segnali elettrici appropriati gli stati logici presenti nella zona di Ram associata alle uscite.
L'elemento di commutazione può essere di tipo elettronico (transistor, triac, tiristore) o di tipo elettromeccanico (microrelè interno al modulo), quando le norme lo richiedano. Nelle configurazioni modulari, la scelta del tipo di uscita è imposta dalle caratteristiche elettriche del circuito da comandare (corrente continua o alternata, potenza, livello di tensione o corrente, numero di manovre al minuto, eccetera).
Generalmente, il dispositivo di commutazione è protetto mediante circuiti RC e Vdr contro le sovratensioni e mediante fusibili o circuiti di limitazione contro i sovraccarichi e i corto circuiti.
Per quanto riguarda il disaccoppiamento, vale quanto detto per i moduli d'ingresso.
Il tempo di erogazione dell'uscita è l’intervallo tra l’istante in cui nella Ram del Plc è disponibile uno stato logico in uscita e l’istante in cui sul terminale d'uscita si raggiunge la soglia di controllo. Per le uscite elettromeccaniche, questo tempo dipende soprattutto dal tempo di salita dei relé (da due a qualche decina di millisecondi). Per le uscite elettroniche esso è molto più breve (qualche decina di microsecondi).
I sensori
Detto questo, esaminiamo più in dettaglio il lato d'ingresso del Plc, ossia la parte dove convergono tutti i segnali rilevati sul campo.
Il rilevamento dei segnali si basa su sensori di tipologia molto diversa, in funzione del tipo di segnale da rilevare (posizione, velocità, temperatura, pressione…), dell'alimentazione disponibile e del tipo di uscita richiesta.
Tra i segnali che è necessario rilevare con maggiore frequenza, vi sono quelli di posizione. I sensori utilizzabili a tale scopo sono classificabili in tre grandi famiglie:
i sensori fotoelettrici, gli interruttori di prossimità induttivi o capacitivi e gli interruttori di posizione di tipo elettromeccanico. Ad essi si affiancano altri prodotti per applicazioni specifiche, come gli encoder incrementali o assoluti, ecctera.
In base alla tipologia del segnale d’uscita, possiamo normalmente suddividere i sensori in due gruppi: ad uscita digitale, ossia con segnale tutto o niente, e ad uscita analogica, ossia con segnale variabile.
Caratteristica dei sensori tutto o niente è l’uscita associata ad uno stato fisico ben definito: aperto o chiuso. A questo gruppo appartengono, per esempio, gli interruttori di prossimità, i finecorsa, i pressostati e gli interruttori fotoelettrici.
I sensori fotoelettrici
I dispositivi fotoelettrici si prestano a numerose applicazioni, come i sistemi di sicurezza, controllo/allarme, comando/regolazione e misura/conteggio. Essi sfruttano il principio degli elementi fotosensibili, le cui caratteristiche elettriche cambiano in funzione dell'intensità luminosa che li investe, e sono utilizzati per realizzare tre tipi fondamentali di sistemi di rilevamento: a sbarramento, a riflessione e a riflessione diretta.
Il sistema a sbarramento è composto da un emettitore e un ricevitore separati.
La presenza dell'oggetto da rilevare è indicata dall'interruzione del fascio luminoso e dalla corrispondente variazione dell'uscita del ricevitore. Questo sistema permette di ottenere distanze di attuazione relativamente grandi, dell'ordine di metri o decine di metri.
Nel sistema a riflessione, l'emettitore e il ricevitore sono posti nella stessa custodia. Il raggio luminoso emesso viene riflesso da un catarifrangente, investendo il ricevitore nel suo percorso di ritorno. Il sensore interviene quando un oggetto si interpone fra l'emettitore e il catarifrangente. La portata è due o tre volte minore di quella del sistema a sbarramento.
Il sistema a riflessione diretta, infine, esegue la rivelazione utilizzando la luce riflessa dall'oggetto da rilevare. Come nel caso precedente, emettitore e ricevitore sono collocati nella stessa custodia, ma la portata è notevolmente minore.
Sensori di prossimità
I sensori di prossimità induttivi permettono di rilevare oggetti metallici senza alcun contatto meccanico. Al loro interno, un oscillatore ad alta frequenza genera un campo elettromagnetico. Quando nel campo viene introdotto un oggetto metallico, l'ampiezza delle oscillazioni si attenua, perché parte dell'energia elettromagnetica è trasferita dal sensore all'oggetto metallico, sul quale si dissipa per effetto delle correnti parassite di Foucault.
Poiché la variazione di impedenza - e quindi l'attenuazione - è proporzionale alla distanza fra il sensore e l'oggetto, è possibile misurare la distanza attraverso tale variazione (sensori analogici). In alternativa, un circuito a scatto può generare un segnale d'uscita on/off (sensori digitali).
I dispositivi induttivi offrono una serie di vantaggi, coma la durata pressoché illimitata, grazie all'assenza di parti in movimento, e la precisione della commutazione, grazie all'assenza di rimbalzi meccanici. Essi sono adatti ad applicazioni di ogni tipo, anche nelle condizioni ambientali più gravose, caratterizzate dalla presenza di olio, polvere, liquidi in genere e vibrazioni.
Interruttori di posizione
La tecnologia di rilevazione si basa ormai prevalentemente su componentistica elettronica. Ciò nonostante, i tradizionali interruttori di posizione (finecorsa) restano ancora dei dispositivi molto interessanti, offrendo caratteristiche come l'elevata robustezza, la facilità di messa in opera, i contatti a manovra positiva di apertura, l'isolamento galvanico e la possibilità di commutare correnti che possono raggiungere i 10 A.
Nonostante la tecnologia degli interruttori di prossimità sia ormai matura, non mancano le evoluzioni. Per esempio, i dispositivi più recenti sono forniti con sistemi di visualizzazione dello stato del contatto, sia per verificare il punto di commutazione (nei contatti a scatto rapido), sia per controllare l'extracorsa (nei contatti a scatto lento).
Gli azionamenti
Passiamo infine al lato d'uscita del Plc, quello dove vengono emessi i comandi diretti agli organi di comando e azionamento.
L’azionamento elettrico, è un elemento chiave dei sistemi di automazione permettono di trasformare energia elettrica in energia meccanica (per esempio motori). Gli azionamenti pneumatici permettono invece di trasformare energia pneumatica in energia meccanica (per es. cilindri pneumatici).
Tra le tecnologie di azionamento disponibili, un posto fondamentale è occupato dai dispositivi di variazione della velocità. Essi permettono, infatti, di utilizzare motori elettrici a cc o ca nelle condizioni ottimali richieste dalla specifica applicazione.
Oggi, gli azionamenti sono diventati più intelligenti, sanno spesso decidere da soli quali sono i parametri di funzionamento ottimali e sono in grado di dialogare con altre apparecchiature.
La regolazione elettronica dei motori basata su componenti elettronici avanzati consente di raggiungere caratteristiche operative molto precise e ripetibili, in termini sia di dinamica dell'azionamento, sia di precisione statica. Le principali innovazioni introdotte dagli azionamenti elettronici comprendono l'elevato comfort di esercizio mediante parametrizzazione e funzioni di diagnosi, la semplicità di messa in servizi e la riproducibilità dei parametri (rendendo possibile la memorizzazione di vere e proprie 'ricette' di funzionamento).
La variazione della velocità
Il Plc ha bisogno di “muscoli” affidabili e precisi, che gli permetta di trasmettere alla parte operativa i comandi richiesti. Un variatore di velocità, unito a un motore elettrico (per ottenere un sistema di motion control) risponde a questa esigenza.
La variazione di velocità è antica quanto gli stessi motori elettrici, essendo sempre esistita la necessità di selezionare il regime di funzionamento ottimale per ogni situazione applicativa dove siano utilizzati motori a corrente continua o alternata.
La scelta della velocità di rotazione ottimale offre, infatti, importanti benefici, come la maggiore qualità delle lavorazioni con macchine a controllo numerico, la maggiore durata di vita delle parti meccaniche, il risparmio energetico, ed il funzionamento ottimale dei sistemi di movimentazione dei materiali.
La disponibilità di motori con caratteristiche molto diversificate (a corrente continua o alternata, sincroni o asincroni, a gabbia o a rotore avvolto, brushless, a terre rare...) pone in primo piano la necessità di utilizzare il tipo di variatore più adatto ad ogni circostanza.
Motori elettrici
Proseguiamo con una semplice classificazione dei motori elettrici più utilizzati nel campo degli azionamenti.
L'energia elettrica di alimentazione può essere continua o alternata. Nel primo caso si parla di motori a cc, mentre nel secondo si hanno i motori a ca sincroni o asincroni. L'energia meccanica viene generata dal motore sotto forma di una coppia utilizzata per ottenere un moto rotatorio.
I motori a cc, attualmente i più utilizzati nelle applicazioni di automazione in genere, possono essere ulteriormente suddivisi in base al tipo di commutazione, che può essere meccanica (a spazzole e collettore) o elettronica.
I motori con commutazione meccanica permettono ampie possibilità di regolazione della velocità, soprattutto quando sia il campo statorico sia il campo rotorico sono generati dalla corrente di alimentazione.
Con i motori a cc il posizionamento statico non è facilmente ottenibile perché, una volta alimentati, il loro rotore si mette in movimento. Il problema è risolto tramite sensori che misurano la posizione e la velocità del rotore. Sfruttando queste informazioni il controllo riesce ad applicare al motore un'alimentazione tale da imporgli in rapida successione delle rotazioni infinitesime simmetriche nell'una e nell'altra direzione, in modo che il movimento risultante a livello macroscopico sia nullo.
La commutazione elettronica
Nel caso della commutazione elettronica si può distinguere tra i motori ad autocommutazione e quelli a commutazione imposta.
I motori ad autocommutazione sono più noti come motori senza spazzole (brushless). I motori a commutazione imposta vengono comunemente chiamati motori passo (stepping motor) in quanto hanno la capacità di far compiere al rotore dei movimenti discreti e di trattenerlo quindi in equilibrio stabile.
Gli stepping motor sono utilizzati quando l'applicazione necessita di posizionamenti precisi, mentre i brushless permettono anche elevate velocità. I due tipi di motori sono molto simili, tanto che ogni motore passo può funzionare come brushless se gli si aggiunge un sensore in grado di rilevare la posizione angolare del rotore (in genere un encoder).
I vantaggi dei motori ad autocommutazione rispetto a quelli a commutazione meccanica sono numerosi. Innanzitutto, l'assenza di dispositivi di commutazione meccanica (spazzole e collettori) elimina la limitazione alla quantità di corrente commutabile ed aumenta l'affidabilità del sistema.
In secondo luogo, questi motori non richiedono rampe di accelerazione e decelerazione, perché la presenza del sensore di posizione permette di attendere che il rotore compia effettivamente lo spostamento necessario prima di pilotare la commutazione.
I motori passo hanno gli stessi vantaggi e svantaggi dei brushless ma necessitano di rampe di accelerazione e decelerazione, in quanto la commutazione è imposta dall'esterno.
Il loro vantaggio è di poter essere controllati con un'elettronica digitale relativamente semplice.
Motori a corrente alternata
I motori a ca vengono detti sincroni quando la loro velocità di rotazione è rigorosamente legata alla frequenza di alimentazione e asincroni in caso contrario. I motori asincroni attualmente rappresentano la categoria più diffusa in quanto possono funzionare (a velocità fissa) anche se sono semplicemente collegati alla rete. La tendenza è comunque quella di impiegarli con azionamenti in grado di fornire una tensione ed una frequenza variabile in modo da poterne controllare la velocità.
L'utilizzo di questi azionamenti permette di ottenere un buon campo di variazione della velocità (comunque inferiore a quello possibile con i motori a ca) impiegando tuttavia motori molto robusti e affidabili (mancano spazzole e collettori) come quelli asincroni.
I limiti sono la non perfetta costanza della velocità che varia in funzione del carico, soprattutto nel funzionamento a bassa velocità, e la limitata coppia di spunto che non può superare quella di regime.
L'utilizzo di motori sincroni permette di diminuire le variazioni della velocità. Tuttavia, questa scelta impone l'uso di una rampa di accelerazione per portare il motore alla velocità di regime; questo perché la coppia che è in grado di fornire, massima alla velocità di sincronismo, diminuisce molto rapidamente quando ci si allontana da essa.
Avviatori statici
I motori asincroni trifase sono progettati per fornire delle rapide accelerazioni fino al raggiungimento della velocità nominale, sviluppando in fase di accelerazione una coppia superiore a quella generata alla velocità di regime. La coppia di avviamento può essere tuttavia ridotta attraverso dispositivi di tipo meccanico, idraulico o elettrico.
Gli avviatori statici (comunemente noti come Soft Starter) sono, di fatto, dei parzializzatori di tensione a frequenza fissa. Essi sono costruiti con Scr (Silicon Controlled Rectifier), componenti elettronici di potenza che hanno la capacità di parzializzare la tensione presente in ingresso in funzione del momento di innesco controllato da un comando remoto.
Per ottimizzare l’accelerazione motore si utilizzano normalmente il controllo della rampa di tensione all’avviamento e la limitazione della corrente richiesta dal motore. Il metodo più impiegato negli avviatori statici è, infatti, quello dell'avviamento in rampa di tensione, dove la tensione applicata al motore passa da un certo valore iniziale alla tensione nominale nell’arco di un determinato periodo di tempo. Ad ogni punto della rampa di velocità corrisponde un livello della coppia motore, che dipende direttamente dalla tensione applicata.
Poiché, in alcuni casi, il bisogno di corrente iniziale potrebbe superare la capacità del sistema e la coppia sviluppata all’avviamento potrebbe danneggiare la macchina, la corrente d’avviamento viene limitata proporzionalmente alla tensione. La limitazione della corrente consente il passaggio lineare da una caratteristica di tensione all’altra in modo da non superare la corrente massima regolata; essa determina una riduzione della coppia d’avviamento e di conseguenza un prolungamento del tempo d’avviamento.
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