La progettazione di un impianto di Automazione

Oggi l’Automazione consente di meccanizzare e informatizzare le attività e ridurre al minimo il coinvolgimento umano. Anche in ambito casalingo è possibile lavorare su progetti di Automazione. Nell’articolo esaminiamo, a grandi linee, un progetto di Automazione. Esso è concepito per l’utilizzo con il modulo di controllo Crouzet Nano PLC, ma qualunque altra tipologia di automatismo può andare senz’altro bene.

Introduzione

Con l’Automazione viene eseguito un processo o una procedura con la minima assistenza umana. Essa concerne e organizza il controllo automatico dei sistemi per il funzionamento di apparecchiature, macchinari, processi, dispositivi, veicoli e altro. Vengono interessati tutti i settori tecnologici, dai più semplici ai più complessi e, oltre a garantire la massima precisione, l’instancabilità e la puntualità viene tutelata, soprattutto, la sicurezza, al fine di proteggere il benessere fisico e psicologico del lavoratore. La tipologia standard di controllo automatico prevede che un sensore raccolga i dati e che vengano confrontati con altre grandezze di soglia, tramite dispositivo a microcontrollore. In caso di evento anomalo o di trigger, il sistema attiva immediatamente un attuatore. Diversamente da come si potrebbe immaginare, gli impianti di Automazione esistono, probabilmente, da quando l’uomo ha messo piede sul pianeta. Inizialmente meccanici, idraulici e pneumatici, essi si sono oggi evoluti fino a diventare elettrici, elettronici e informatici. Con un sistema di Automazione si risparmia manodopera, elettricità e materiale nonché, come detto prima, si ottengono prestazioni eccellenti in termini di qualità, precisione e sicurezza. Gli impianti automatizzati sono perfettamente integrati in innumerevoli settori e fanno di tutto, dallo svolgimento delle attività di produzione alla gestione dei centralini telefonici. Nella vita quotidiana si incontrano sistemi automatizzati praticamente in ogni luogo. Ormai il livello di dipendenza dell’uomo è estremamente elevato ed è impensabile farne a meno. A ogni modo la sicurezza dei lavoratori è posta in primo piano ed è una caratteristica sempre al centro dell’attenzione durante l’automatizzazione di una industria. I sistemi automatizzati spesso allontanano i lavoratori da un luogo critico di lavoro, proteggendoli così dai pericoli delle fabbriche. Un dispositivo estremamente professionale di PLC è rappresentato dal modulo di controllo Crouzet Nano PLC, visibile in figura 1.

Figura 1: il modulo di controllo Crouzet Nano PLC



Automazione e manutenzione predittiva degli impianti




Progetto di un impianto di Automazione

L’Automazione gestisce le macchine e i processi. Un impianto automatico è un insieme di software e hardware di controllo che riceve segnali dall’esterno, li processa e pilota i carichi e gli attuatori designati. Come esempio di progettazione può essere considerato un semplice sistema industriale (ma che può essere anche adattato in ambito casalingo) che sovraintende alle seguenti operazioni:

  • accensione intelligente delle luci, con la sola presenza del personale. In caso di locali vuoti l’illuminazione resta disattivata, per motivi puramente economici e ambientali;
  • rilevamento automatico di gas, di allagamento e d’incendio, con le relative segnalazioni di allarme.

E’ interessante notare che il sistema può essere implementato in un unico circuito oppure può essere frazionato in diversi dispositivi, tra loro indipendenti. Il suo schema a blocchi è visibile in figura 2.

Figura 2: schema a blocchi

Come qualsiasi altro sistema o software, il progetto deve essere realizzato con estrema professionalità, prevedendo tutte le evenienze di funzionamento e tutte le casistiche che possono verificarsi esternamente e internamente. Particolare attenzione deve essere posta agli aspetti del risparmio energetico e della sicurezza. Altri fattori da tenere in considerazione sono la facilità d’uso, la possibilità di prevedere modifiche e aggiornamenti e le pronte velocità di risposta agli eventi. Come si nota dallo schema a blocchi del sistema, il segnale in ingresso è rappresentato da diversi sensori:

  • sensori di presenza per la rilevazione di persone all’interno di più aree;
  • sensore di incendio e di fumo;
  • sensore di allagamento;
  • sensore di gas.

Naturalmente è possibile implementare altre tipologie di sensori, che possano rilevare, ad esempio, la temperatura e l’umidità del luogo. Le soluzioni, in tal senso, sono infinite. Il sistema, una volta acquisite diverse grandezze fisiche in tempo reale, dopo una precisa elaborazione provvede ad attivare i carichi e gli attuatori di turno. Un sistema deve possedere anche altre caratteristiche di contorno, ma contraddistinte da altrettanta importanza. Un’interfaccia di comando con cui l’operatore “colloqui” con il dispositivo è indispensabile, così come la possibilità di un collegamento alla Rete, per la memorizzazione remota degli eventi o per attingere dati, decisioni o modelli dai Clouds. Non per ultimo, il sistema di alimentazione è di primaria importanza e deve essere adeguato all’assorbimento elettrico delle varie unità. Deve essere caratterizzato da un rumore nullo, costanza di erogazione e pulizia massima del segnale. La figura 3 mostra un ipotetico piano di cablaggio dell’impianto di automazione.

Figura 3: un ipotetico piano di cablaggio dell’impianto di automazione

Il modulo di controllo Crouzet Nano PLC

Si tratta di un sofisticato e performante PLC della famiglia EM4 di Crouzet Automation. E’ estremamente compatto e facilmente programmabile anche da chi, di programmazione, non è esperto. Le applicazioni e le funzioni di accesso remoto possono essere implementate tramite il linguaggio grafico FBD. Ecco alcune sue caratteristiche tecniche:

  • tipo di protezione IP20;
  • temperatura ambiente di funzionamento compresa tra -10° C e +60° C;
  • montaggio a guida DIN;
  • altezza 61 mm;
  • lunghezza 124 mm;
  • larghezza 90 mm;
  • display si;
  • fino a 46 I/O: base 16 ingressi (4 HighSpeed, 12 analogici/ingressi), 8 uscite relè + 2 uscite statiche;
  • ingressi analogici 4-20 mA, 0-10 continua o pulsante e 0-Vdc 12 bit;
  • display LCD con 4 righe di 18 caratteri;
  • tensione di esercizio 24 VDC (20.4 V ~ 28.8 V);
  • immunità contro micro interruzioni di potenza < 1 ms;
  • grado di protezione (secondo CEI/EN 60529): IP 40 su frontale, IP 20 su morsettiera;
  • peso: 345 g;
  • collegamento Ethernet tipo RJ45, 10/100 Mbit/s, MDI/MDIX;
  • indirizzamento statico o dinamico (server DHCP/Auto IP);
  • protocolli: Modbus TCP (client/server), Discovery, UDP, TCP, FTP, SMTP (SSL/TLS), comunicazione Workshop via Ethernet (SSL/TLS);
  • lunghezza dei cavi: lunghezza massima tra 2 dispositivi: 100 metri;
  • messa a terra Ethernet: si;
  • metodo di programmazione FBD (diagramma a blocchi funzionali), incluso SFC (diagramma funzionale sequenziale) (Grafcet);
  • dimensioni del programma: blocchi funzionali: valore tipico 1000 blocchi, macro blocchi: 127 max. (255 blocchi per macro);
  • memoria di programma: Flash;
  • memoria dati: 2 Kbytes;
  • tempo di backup, in caso di guasto al sistema di alimentazione: programmi, impostazioni e dati: 10 anni.

Dal punto di vista della sicurezza, il PLC in esame ha ottenuto diverse importanti certificazioni:

  • certificazione prodotti CE, cULus Listed;
  • conformità alla direttiva Bassa Tensione (secondo 2014/35/EU): CEI/EN 61131-2 (dispositivi aperti);
  • conformità alla direttiva CEM (secondo 2014/30/EU): CEI/EN 61000-6-1 (ambito residenziale, commerciale e piccola industria), IEC/EN 61000-6-2 (ambito industriale), IEC/EN 61000-6-3 (ambito residenziale, commerciale e piccola industria), IEC/EN 61000-6-4 (ambito industriale);
  • categoria di sovratensione 3 in conformità con IEC/EN 60664-1;
  • inquinamento Grado 2 secondo CEI/EN 61131-2;
  • resistenza meccanica: immunità alle vibrazioni CEI/EN 60068-2-6, prova Fc, immunità agli urti CEI/EN 60068-2-27, prova Ea;
  • resistenza alle scariche elettrostatiche: immunità alle scariche elettrostatiche CEI/EN 61000-4-2, livello 3;
  • resistenza alle correnti parassite HF: immunità ai campi elettrostatici irradiati CEI/EN 61000-4-3, livello 3; immunità alle tensioni transitorie CEI/EN 61000-4-4, livello 3, immunità alle onde d’urto CEI/EN 61000-4-5, frequenza radio in modalità comune CEI/EN 61000-4-6, livello 3;
  • emissioni irradiate e condotte (secondo EN 55022/11 gruppo 1): classe B.

Il costruttore mette a disposizione la versione Standalone em4 Local B26, e la versione Ethernet em4 Ethernet B26 ET, con la possibilità del collegamento alla rete.




Automazione e manutenzione predittiva degli impianti




Che linguaggio di programmazione usare?

I migliori dispositivi elettronici, PLC e microcontrollori dispongono di sistemi di programmazione e ambienti di sviluppo estremamente sofisticati. E’ possibile programmarli, fortunatamente, utilizzando diverse strategie e il linguaggio di programmazione è una esclusiva esigenza del programmatore, finalizzato anche alla tipologia di risultato che si intende raggiungere. Solitamente i firmware dei PLC sono preparati in linguaggio Ladder, abbastanza semplice da imparare, comprendere e implementare. La sua struttura grafica lo rende adatto alla maggior parte delle applicazioni, anche molto sofisticate ed esigenti. Relativamente al Crouzet Nano PLC l’azienda ha creato un software ad-hoc per la sua programmazione semplice e visuale. Si tratta dell'”em4 soft” (vedi figura 4), un ambiente grafico di facile utilizzo dedicato alla gamma nano-PLC em4. Risulta facile da usare e consente una programmazione rapida, semplice e intuitiva. Non richiede neppure conoscenze specialistiche. E’ caratterizzato da una modalità di simulazione che rappresenta e riporta costantemente il funzionamento del PLC in una modalità di debug, al fine di testare il programma applicativo. Inoltre la programmazione dei blocchi di funzione è molto divertente e altamente intuitiva. L’ambiente di sviluppo è leggera e gratuita.

Figura 4: l’ambiente grafico di programmazione “em4 soft”

Conclusioni

Un impianto automatizzato rimuove mano d’opera dalle industrie e richiede meno ore lavorate. Ma salva tante vite umane, operando spesso anche in luoghi estremamente critici. I professionisti dell’automazione svolgono continuamente un ruolo cruciale nella progettazione secondo le norme vigenti, allo scopo di migliorare le condizioni di vita dei lavoratori. La tecnologia, in tal senso, dà una grande mano all’uomo.

Redazione Fare Elettronica