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L’ABC del motion control in fabbrica

Cosa si intende per motion control in fabbrica? Che differenza c'è tra un encoder e un inverter? Come funziona la cpu del plc e come si gestiscono gli aspetti legati a programmazione, connettività e safety? Ecco le nostre linee guida.

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Silvia Marigonda

Indice

  1. Cosa si intende per motion control in fabbrica
  2. Encoder e inverter: definizioni
  3. Cos'è un plc e come funziona
  4. I PLC e i moduli CPU
  5. I linguaggi di programmazione PLC più utilizzati
  6. Cose'è Codesys
  7. A cosa servono i bus di campo (Fieldbus) nelle applicazioni di motion control
  8. Motion control, sicurezza funzionale e Integrated Safety
  9. Le principali funzioni di sicurezza nel motion control

Cosa si intende per motion control in fabbrica

Con il termine motion control si indica l'insieme delle tecnologie finalizzate alla movimentazione e al controllo degli assi a bordo macchina, sulla base di una precisa sincronizzazione.

Grazie a queste tecnologie, quindi, macchine destinate alle lavorazioni industriali, macchine a controllo numerico o robot sono in grado di eseguire movimenti precedentemente progettati, sulla base di una precisa sincronizzazione e di una precedente porgammazione.

Encoder e inverter: definizioni

Un encoder è un trasduttore optoelettronico che trasforma un movimento meccanico in una serie di segnali elettrici. Questi segnali possono a loro volta essere utilizzati per controllare gli spostamenti meccanici che li hanno generati e la corrispondente velocità di spostamento.

Un inverter (convertitore di frequenza) è un dispositivo che controlla la velocità di un motore elettrico. Può essere utilizzato per efficientare un processo, ridurre e ottimizzare l’utilizzo di energia o ridurre le sollecitazioni meccaniche sulle macchine.

Cos’è un PLC e come funziona

Un PLC (Programmable Logic Controller, Controllore Logico Programmabile) è un sistema elettronico a memoria programmabile che archivia istruzioni per l’implementazione di funzioni logiche specifiche, di sequenziamento, di temporizzazione, di conteggio e di calcolo aritmetico di asset e processi di una macchina.

Destinato principalmente all’uso in ambito industriale, il PLC può essere utilizzato per controllare, mediante ingressi e uscite sia digitali sia analogiche, vari tipi di macchine e processi. Applicazioni tipiche prevedono che i sensori a bordo macchina inviino in ingresso al PLC segnali sullo stato del sistema controllato, ovvero l’insieme dei valori delle grandezze controllate. In base ai segnali ricevuti e alle istruzioni del programma utente, il PLC decide cosa fare. Invia quindi in uscita agli attuatori i comandi per intervenire sul processo.

I PLC e i moduli CPU

Un PLC può integrare più moduli CPU. Ciascun modulo CPU controlla ed elabora i segnali che arrivano in ingresso (input) e determina in uscita (output) le operazioni che gli attuatori (o altri device connessi) devono compiere nel sistema sottoposto a controllo.

Ogni modulo CPU contribuisce a coordinare l’attività del PLC interpretando ed eseguendo il programma utente, svolgendo operazioni aritmetiche e verifiche funzionali. Tra i circuiti dei moduli CPU sono importanti: il selettore del modo operativo, che determina la modalità operativa del PLC (che può essere programmazione o esecuzione), il circuito di autodiagnostica, che controlla ripetutamente l’esistenza delle condizioni di sicurezza necessarie per l’esecuzione del programma utente, e il circuito watchdog, che interrompe l’attività del PLC quando l’autodiagnosi rileva anomalie.

I linguaggi di programmazione PLC più utilizzati

Esistono diversi linguaggi per la programmazione PLC. Ognuno ha caratteristiche peculiari. La scelta del linguaggio giusto dipende dal tipo di applicazione, dalle preferenze personali e/o aziendali e dalla familiarità con il linguaggio. Di seguito indichiamo i principali.

Structured Text (ST) è un linguaggio di programmazione, paragonabile ad altri linguaggi di alto livello come C o Pascal, che consente lo sviluppo di algoritmi complessi. Il codice del programma è costituito da una combinazione di espressioni e istruzioni. Esse possono anche essere eseguite in modo condizionato (IF... THEN... ELSE) o in cicli (WHILE... DO).

Structured Function Chart (SFC) è un linguaggio di programmazione visuale. È uno dei cinque linguaggi definiti dallo standard IEC 61131-3: i tre linguaggi grafici SFC, LD e FBD e i due linguaggi testuali ST e IL.

Function Block Diagram (FBD) è un linguaggio di programmazione IEC 61131-3 orientato graficamente. Funziona con un elenco di reti. Ciascuna rete contiene una struttura che può, a sua volta, contenere espressioni logiche e aritmetiche, chiamate di blocchi funzione, un salto o un'istruzione di ritorno.

Ladder Diagram (LD) è un linguaggio di programmazione orientato alla grafica che approssima uno schema elettrico. LD è adatto sia per la realizzazione di unità di commutazione logiche, sia per creare reti come in FBD. Pertanto, LD può essere utilizzato molto bene per controllare le chiamate di altri blocchi di programma. È attualmente il linguaggio di programmazione per PLC più usato.

Instruction List (IL) è un linguaggio di programmazione conforme allo standard IEC 61131-3 simile all'Assembler (linguaggio macchina).

Continuous Function Chart (CFC) è un editor grafico che può essere utilizzato insieme con altri strumenti, per creare l'intera struttura software della CPU a partire da blocchi già pronti.

Cos’è Codesys?

Codesys è un ambiente di sviluppo integrato per la programmazione di applicazioni di controllori secondo lo standard industriale internazionale IEC 61131-3. Codesys è un software molto diffuso per l'automazione ed è indipendente dall'hardware. L’ambiente Codesys abilita lo sviluppo software nei linguaggi di programmazione del PLC secondo lo standard IEC 61131-3 (ST, FBD, LD, IL, SFC e CFC).

A cosa servono i bus di campo (Fieldbus) nelle applicazioni di motion control

Sono definiti dai Bus di campo (Fieldbus) i sistemi di comunicazione digitale di tipo seriale tra dispositivi di campo (sensori, attuatori, inverter e PLC. Il Fieldbus è un sistema di distribuzione supportato da una rete locale che garantisce la comunicazione tra i dispositivi collegati.

Sono stati sviluppati parecchi sistemi Fieldbus (“aperti” o “proprietari”). La loro diversità consiste appunto nel livello di controllo e comando, nel volume dei dati trasmessi, nei tempi di risposta e nel grado di protezione.

Motion control, sicurezza funzionale e Integrated Safety

Con sicurezza funzionale si intende quella parte della sicurezza globale delle apparecchiature e dei sistemi di controllo associati che dipende dal corretto funzionamento dei sistemi elettrici, elettronici ed elettronici programmabili per applicazioni safety secondo CEI EN 61508. Dalla norma tecnica di riferimento CEI EN 61508 discendono tutti gli standard tecnici per la regolamentazione della materia.

La sicurezza funzionale non va confusa con il concetto di Integrated Safety (sicurezza integrata). Quest’ultima consiste nel decentramento delle funzioni di safety dell’applicazione motion di una macchina direttamente sulla componentistica di campo, come ad esempio sull’inverter.

Il decentramento delle funzioni di sicurezza dell'applicazione motion comporta implica diversi benefici: riduzione della complessità, e quindi dei tempi di progettazione; riduzione del cablaggio e dei relativi costi; facilità di messa in servizio; velocità di attuazione, grazie allo stretto accoppiamento tra funzione di sicurezza e azionamento.

Le principali funzioni di sicurezza: una panoramica

Il Safe Torque Off (STO) è una funzione di sicurezza integrata negli azionamenti che, togliendo alimentazione e coppia al motore, impedisce il riavvio inaspettato. Normalmente, si attiva dopo la SS1 (Safe Stop 1).

La funzione Safe Stop 1 (SS1) arresta il motore in sicurezza, riducendone gradualmente la velocità, poi attiva la funzione STO. La SS1 è utilizzata normalmente in applicazioni dove il movimento deve essere arrestato in modo controllato prima di passare a uno stato di assenza di coppia. Oltre a un arresto sicuro del processo, la SS1 può essere usata anche per implementare un arresto d'emergenza.

La funzione Safe Brake Control (SBC) fornisce un segnale sicuro in uscita per controllare un freno di stazionamento meccanico. Questo tipo di funzione di sicurezza è richiesto da trivelle, gru, argani, paranchi, trasportatori verticali ed elevatori che richiedono soluzioni con freni esterni. L'uso tipico della SBC si ha quando un azionamento viene spento con la funzione STO e c'è un carico attivo che agisce sul motore (es. carico appeso a una gru).

La Safe Operating Stop (SOS) controlla la posizione di arresto. In pratica, viene utilizzata quando macchine o parti delle stesse si devono trovare in sicurezza in una finestra di posizione definita oppure in fermo macchina, ad esempio durante la sostituzione di un componente.

Da ultimo, il funzionamento di Safe Stop 2 (SS2) differisce da Safe Stop 1 in quanto, invece di entrare in STO quando il movimento si arresta, il sistema entra in Safe Operating Stop (SOS). Durante un arresto operativo sicuro, il motore viene portato in una posizione specifica e tenuto lì dall'azionamento.

L’ABC del motion control in fabbrica - Ultima modifica: 2023-11-20T14:28:17+01:00 da Silvia Marigonda