Vai alla Home Page About me Courseware Federica Living Library Federica Virtual Campus 3D Le Miniguide all'orientamento Gli eBook di Federica
 
I corsi di Ingegneria
 
Il Corso Le lezioni del Corso La Cattedra
 
Materiali di approfondimento Risorse Web Il Podcast di questa lezione

Alfredo Pironti » 2.Architetture dei dispositivi di controllo


Tecnologie dei sistemi di automazione

Architettura dei dispositivi di controllo e dispositivi di controllo specializzati

Sommario della lezione

  • Architetture dei dispositivi di controllo
    • Architettura monolitica
    • Architettura a bus
    • Architettura PC based
  • Dispositivi di controllo: I Controllori specializzati

Architetture dei dispositivi di controllo

Classificazione

Classificazione delle architetture hardware dei dispositivi di controllo:

  • MONOLITICHE (singola scheda o singolo chip)
  • A BUS (architettura modulare)
  • PC based

Dispositivi di controllo monolitici

  • I controllori monolitici comprendono in un unico dispositivo fisico tutti i componenti necessari per realizzare le funzioni di controllo.
  • In particolare posseggono le interfacce con il Processo Fisico integrate (moduli di I/O) all’interno del dispositivo stesso.

I dispositivi di controllo monolitici possono essere realizzati:

  • Su singola scheda (single board)
  • Su singolo chip (single chip)

Dispositivi di controllo monolitici

Un dispositivo di controllo monolitico comprende:

  • l’unità di elaborazione
  • la memoria non volatile (per la memorizzazione del programma utente)
  • la memoria volatile (per la memorizzazione dei dati)
  • il clock per la temporizzazione
  • i dispositivi di interfaccia analogici (campionatori, ADC e DAC) e/o digitali
  • sistema di gestione delle interruzioni

Controllori single chip (microcontrollori)

I controllori monolitici su singolo chip:

  • Sono molto diffusi negli ambiti applicativi in cui la potenza di elaborazione richiesta non è elevata ed il numero di ingressi e uscite è ridotto (elettrodomestici “intelligenti”, stampanti, controller di HD, controllori per l’automotive, ecc.)
  • Sono utilizzati per realizzare controllori embedded
  • Tipicamente vengono programmati in linguaggio macchina
  • Hanno un sistema operativo ridotto (scheduler + gestione comunicazioni inter-processo)
  • Non possiedono interfacce di comunicazione con altri dispositivi di controllo

Controllori single board

I controllori monolitici su singolo scheda:

  • Hanno architetture basate su microprocessori (tipicamente RISC oppure DSP)
  • Posseggono sistemi operativi scalabili
  • A volte prevedono un’interfaccia di comunicazione con altri dispositivi (sempre più comune l’utilizzo di Ethernet)

Limitazioni dei dispositivi monolitici

Le motivazioni principali che limitano l’utilizzo di dispositivi di monolitici, in particolare single chip, in applicazioni di controllo complesse sono:

  • la memoria ridotta
  • la limitata potenza di calcolo
  • la possibilità di gestire solo un numero ridotto di ingressi e uscite
  • l’assenza di interfacce di comunicazione

Esempi di architetture monolitiche

Controllore a logica programmabile monolitico

Controllore a logica programmabile monolitico

Microcontrollore PIC

Microcontrollore PIC


L’architettura a bus

Quando la complessità dell’applicazione di controllo aumenta non si possono più utilizzare dispositivi monolitici e si deve ricorrere a dispositivi con architettura a bus.

L’architettura a bus offre:

  • una maggiore capacità di elaborazione
  • una capacità di trattare un numero elevato di ingressi e uscite
  • la possibilità di comunicare attraverso reti informatiche
  • la possibilità di realizzare interfacce uomo-macchina complesse

Il bus

Un bus:

  • è un insieme di linee elettriche, raggruppate per funzioni, che connettono tra loro varie schede o moduli
  • è caratterizzato dal protocollo attraverso il quale i moduli possono usare le linee elettriche per comunicare tra loro
  • definisce anche le caratteristiche elettriche e meccaniche dei connettori che servono per collegare i moduli tra loro
Schema esplicativo di un BUS

Schema esplicativo di un BUS


Bus industriali

Esempi:

  • VME
  • EISA
  • PCI
  • PC/104 e PC/104+

Esemio di architettura a bus

Architettura di controllo su bus VME (in figura):

  • Scheda processore
    • PowerPC 400MHz con
    • 512 MB di memoria volatile
    • Interfacce di comunicazione Ethernet e ATM
  • Schede di ingresso e uscita digitali
  • Schede di ingresso e uscita analogiche
  • Sistema Operativo: VxWorks
Architettura di controllo su bus VME

Architettura di controllo su bus VME


Dispositivi con architettura Pc based

I dispositivi con architettura PC based sono dei personal computer general purpose sui quali viene installato un sistema operativo real-time.

Vantaggi:

  • Riduzione dei costi
  • Ampia scelta di fornitori hardware e software
  • Semplificazione della manutenzione
  • Un PC standard prevede delle funzionalità che nelle altre architetture sono considerate opzionali (es. presenza di una memoria di massa, interfaccia grafica, interfaccia di comunicazione, ecc.)

Svantaggi:

  • Numero limitato di schede di I/O dalle caratteristiche non particolarmente spinte
  • Componenti fisicamente poco robusti, quindi non adatti al funzionamento in ambienti ostili

I controllori specializzati

  • La diffusione in ambito industriale di alcuni tipi di controllo ha fatto sì che venissero sviluppati dei particolari dispositivi di controllo dedicati o specializzati
  • A differenza dei dispositivi general purpose, per i quali lo sviluppatore deve progettare ed implementare l’algoritmo di controllo, i controllori specializzati richiedono solo una configurazione da parte dell’utente

Controllori di macchine a controllo numerico

  • Una macchina a controllo numerico (Computer Numerical Control machine) è un macchinario che esegue lavorazioni e movimentazioni attraverso assi di rotazione e traslazione controllati
  • Tipicamente è dotata di un linguaggio di programmazione di alto livello orientato alla funzionalità svolta dalla macchina (ad esempio la possibilità di specificare un movimento di un braccio robotico per punti)

Esempi di macchine CNC: torni, frese, braccio manipolatore robotico

Requisiti per un dispositivo di controllo di macchine CNC

L’architettura di controllo delle macchine CNC deve:

  • controllare i movimenti di ogni asse
  • generare i riferimenti corretti
  • coordinare tra loro i movimenti degli assi
  • realizzare l’interfaccia uomo-macchina
  • avere la capacità di comunicare con dispositivi esterni per necessità di coordinamento
  • avere capacità di autodiagnosica

Architettura di un dispositivo di controllo di macchine CNC

I dispositivi di controllo delle macchine CNC hanno tipicamente un architettura a bus, in cui sono presenti:

  • un modulo per ognuno degli assi da movimentare
  • un modulo che interpreta il programma utente e manda gli opportuni comandi ai moduli di movimentazione
  • un modulo che realizza il controllo logico/sequenziale
  • un per la realizzazione dell’interfaccia uomo macchina

I regolatori Pid

  • I regolatori proporzionali-integrali-derivativi (PID) sono i dispositivi più diffusi per la regolazione in ambito industriale
  • Sono spesso realizzati con architetture monolitiche di dimensioni ridotte
PID – legge di controllo classica

PID - legge di controllo classica


Controllori per motori elettrici

Il controllo dei motori elettrici (in c.c., in c.a. oppure passo passo) è una delle applicazioni più diffuse nel controllo industriale

Per questo motivo esistono in commercio dispositivi di controllo specializzati per le varie tipologie di motori

I controllori a logica programmabile o PLC

I controllori a logica programmabile o PLC


Prossima lezione

I controllori a logica programmabile

I materiali di supporto della lezione

P. Chiacchio e F. Basile, Cap. 7 e 9

  • Contenuti protetti da Creative Commons
  • Feed RSS
  • Condividi su FriendFeed
  • Condividi su Facebook
  • Segnala su Twitter
  • Condividi su LinkedIn
Progetto "Campus Virtuale" dell'Università degli Studi di Napoli Federico II, realizzato con il cofinanziamento dell'Unione europea. Asse V - Società dell'informazione - Obiettivo Operativo 5.1 e-Government ed e-Inclusion