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Gianmaria De Tommasi » 3.Architetture dei dispositivi di controllo


Indice della lezione

  • Classificazione delle architetture hardware dei dispositivi di controllo
  • dispositivi monolitici
  • architetture a bus
  • architetture PC based

Esempi di architetture

Classificazione delle architetture dei dispositivi di controllo

I dispositivi di controllo possono essere classificati sulla base della loro architettura.

Una possibile classificazione prevede dispositivi con architetture:

  • 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)

Caratteristiche dei dispositivi 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.)
  • 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 (in passato esclusivamente basate su 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 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

Esempio di controllore a logica programmabile (PLC) monolitico – PLC A&B MicroLogix

Esempio di controllore a logica programmabile (PLC) monolitico - PLC A&B MicroLogix

Esempio di dispositivo di controllo monolitico monolitico single board – Microcontrollore Arduino UNO

Esempio di dispositivo di controllo monolitico monolitico single board - Microcontrollore Arduino UNO


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 maggiore capacità di elaborazione
  • permette di trattare un numero elevato di ingressi e uscite

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 semplificato di un’architettura a bus

Schema semplificato di un'architettura a bus


Esempi di bus industriali

Esempi di architetture a bus – Controllore di corrente e forma del plasma nel tokamak JET

Il tokamak JET (Joint European Torus) è un reattore sperimentale per la fusione termonucleare.

Il sistema di controllo della corrente e della forma del plasma si occupa di regolare il valore della corrente che attraversa la colonna di gas ionizzato (plasma) all’interno del reattore e la sua forma.

L’architettura di controllo è basata su bus VME:

  • Scheda processore
  • PowerPC 400MHz
  • 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
Tempo di ciclo:  2ms

Architettura di controllo del controllore di corrente e forma del plasma del tokamak JET

Architettura di controllo del controllore di corrente e forma del plasma del tokamak JET


Esempi di architetture a bus -Sistema di stabilizzazione verticale del plasma nel tokamak JET

Nel tokamak JET la colonna di plasma è instabile verticalmente, pertanto è necessario stabilizzare il plasma attraverso un sistema di controllo dedicato.

Il sistema di stabilizzazione verticale del tokamak JET è basato su un’architettura a bus basata su ATCA e PCIe:

  • Scheda multiprocessore (Intel Core2 Quad)
  • Ingressi: 192 18 bit ADC @2MHz
  • Uscite: 5 DAC
  • Sistema Operativo: Linux+RTAI
  • Tempo di ciclo 50 µs (jitter < 1 µs)
Architettura di controllo del sistema di stabilizzazione verticale del tokamak JET

Architettura di controllo del sistema di stabilizzazione verticale del tokamak JET


Esempi di architetture a bus – Il jitter del sistema di stabilizzazione verticale del tokamak JET

Architettura di controllo del sistema di stabilizzazione verticale del tokamak JET

Architettura di controllo del sistema di stabilizzazione verticale del tokamak JET

Jitter misurato per il sistema di stabilizzazione verticale del tokamak JET

Jitter misurato per il sistema di stabilizzazione verticale del tokamak JET


Il controllore a logica programmabile (PLC)

Il Controllore a Logica Programmabile (PLC):

  • è il più diffuso dispositivo di controllo per l’automazione industriale
  • è un dispositivo modulare con architettura a bus
  • è specializzato particolarmente (ma non solo!) per il controllo logico/sequenziale
  • è un dispositivo di costruzione robusta adatto ad operare in ambienti ostili

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:

  • componenti fisicamente poco robusti, quindi non adatti al funzionamento in ambienti ostili

Esempio: softPLC TwinCAT

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