Maturità - 2000 Sistemi

ESAME DI STATO, MATURITÀ PROFESSIONALE

Indirizzo: TECNICO DELLE INDUSTRIE ELETTRONICHE

CORSO DI NUOVO ORDINAMENTO

Tema di: SISTEMI, AUTOMAZIONE E ORGANIZZAZIONE DELLA PRODUZIONE

TEMA 2000:

Si vogliono tenere sotto controllo le temperature in 50 punti diversi di un impianto industriale.

In ogni punto è collocata una termocoppia la cui caratteristica è rappresentata dalla funzione V = K T,

dove:

V è la differenza di potenziale in uscita misurata in mV

T è la temperatura misurata in centigradi

K è un coefficiente pari a 0. 1 mV/°C Le temperature variano da 0 a 1000 °C.

Si desidera realizzare un sistema, basato su computer, che

a) rappresenti in uno schermo, istante per istante, la temperatura di ciascun punto;

b) a fine giornata produca, a richiesta dell'operatore, un bollettino che espone, sia in modo tabellare

sia mediante grafici temperatura-tempo l'andamento della temperatura di ogni punto ad intervalli di 5 minuti.

Il candidato, formulate tutte le ipotesi aggiuntive che ritiene necessarie,

a) proponga e illustri uno schema a blocchi generale dei sistema, con riferimento sia alla struttura elettronica sia ai programmi;

b) scelga in particolare fra due ipotesi di collegamento delle termocoppie al computer; con uno schema a stella, mediante cavi separati, o con uno schema ad anello, mediante un solo cavo, illustrando comunque il diverso modo di acquisire i dati nei due casi;

c) illustri almeno una parte della realizzazione, con linguaggi o strumenti informatici di sua conoscenza, di una delle due seguenti funzioni :

• il sistema di acquisizione dei valori delle temperature da parte del computer;
• la stampa delle tabelle e dei grafici.

SOLUZIONE DEL PROBLEMA

IPOTESI AGGIUNTIVE

Considerato il numero elevato delle termocoppie é da ritenere che l'impianto industriale sia di dimensioni abbastanza grandi e pertanto le distanze da coprire per l'acquisizione dei dati siano medio lunghe tali da scartare l'ipotesi di far confluire direttamente all'elaboratore (PC) un doppino (twistato) per ogni termocoppia. É altrettanto da scartare l'ipotesi di utilizzare modem con rete a pacchetto (x.25) vista la non eccessiva mole di di dati da acquisire.

Si intende invece utilizzare, nelle vicinanze di ogni termocoppia, una interfaccia per:

• adattare (amplificare) il segnale analogico della termocoppia;
• convertire il segnale da analogico a digitale (ADC);
• colloquiare con l'elaboratore con protocollo RS-485 (versione RS-422 migliorata).

Questa interfaccia sarà gestita da un microcontrollore della serie ST62xx e dovrà avere un suo codice di identificazione usato durante la trasmissione dei dati per informare il PC da quale termocoppia arrivano i dati.

Prima dell'elaboratore si dovrà prevedere un'altra interfaccia che trasforma il segnale RS485 in RS232 così da utilizzare direttamente la porta seriale del PC per l'acquisizione dati. L'elaboratore si comporterà da MASTER e interrogherà ogni periferica (Termocoppia) che si comporterà da SLAVE.

SCHEMA A BLOCCHI DELLA PERIFERICA:

All'interno del micro ST6225 é configurabile un ADC a 8 bit (valori digitali da 0 a 255) e pertanto non idoneo al nostro scopo perché di risoluzione bassa rispetto alle esigenze del caso dove la rappresentazione della temperatura deve andare da 0 °C a 1000 °C.

Si deve adottare un ADC minimo con risoluzione a 10 bit oppure rinunciando ai 1000 °C ed accettando come massimo 999 °C si può utilizzare l'integrato CA3162 che al suo interno già converte il numero in forma binaria decimale per ogni cifra da rappresentare e mette, in forma multiplexata, il valore su 4 bit. Con questo sistema si potrebbe oltre che acquisire i dati con ST6 anche visualizzare su display a 7 segmenti la temperatura direttamente in loco per un controllo svincolato dal PC. Vedremo come più avanti.

Se accettiamo il range da 0 a 999 °C e l'uso del CA3162 si dovrà avere sull'ingresso di questo integrato un segnale compreso tra 0 mV e 999 mV.

Se la termocoppia fornisce 0,1 mV per ogni grado centigrado dovremo introdurre un amplificatore A di guadagno pari a 10 (R2/R1 vedi schema), si utilizzerà un operazionale in configurazione strumentale per ridurre le interferenze del rumore elettrico esistente in ambiente industriale.

SCHEMA :

Per la taratura cortocircuitare +IN con -IN e regolare il trimmer AZZERA affinché sul display risultino tre cifre 000 poi mandare fra +IN e -IN 99 mV misurati con multimetro digitale (utilizzare un alimentatore a tensione variabile) e regolare il trimmer GAIN affinché sul display vengano raffigurate le cifre 990 (ricontrollare eventualmente l'azzeramento). Da questo momento il circuito attaccato alla termocoppia indicherà i gradi tra 000 e 999 °C. Il software implementato nell'ST6 leggerà le cifre binarie ABCD del CA3162 e su richiesta dell'elaboratore le invierà attraverso il MAX485.

DIAGRAMMA DI FLUSSO SOFTWARE ST6:

LETTURA CIFRE TEMPERATURA

Ogni periferica rimane in attesa di essere interrogata dal PC pertanto legge cosa arriva dalla porta_c connessa al MAX485 e se i dati in arrivo contengono il proprio codice di identificazione della periferica allora passa al recupero del valore della temperatura presente sulla porta_b. Attende che il CA3162 abiliti le Unità mettendo a livello zero il PB6 della porta_b. Se appunto il Bit 6 é = a 0 allora il valore ABCD (binario-decimale) sui pin PB0-PB3 vengono salvati nella variabile UNITA. Per fare questo si azzerano i 4 bit piú significativi facendo AND con il valore binario 00001111b. Recuperato la cifra delle unita torno a valutare il Bit 6, se é ancora 0 aspetto e continuo a leggere port_b altrimenti é 0 il bit 5 per cui passo a salvare nella variabile DECINE e così via fino alle CENTINAIA.

Ora dispongo delle tre cifre da inviare tramite il MAX485 in linea verso il PC, al termine del colloquio ritorno a inizio programma in attesa della prossima chiamata.

SCHEMA A BLOCCHI ACQUISIZIONE:

RETE DI COMUNICAZIONE DATI:

La rete di connessione tra periferiche ed elaboratore potrebbe assumere tre diverse topologie:

• a stella dove tutte le periferiche giungono all'elaboratore con una linea indipendente;
• ad anello dove una unica linea percorre in modo circolare la prima periferica fino all'ultima e poi ritorna all'elaboratore ;
• a BUS o cavo comune dove ogni periferica si allaccia nel punto più conveniente.

La topologia a stella (tesso sistema usato per i telefoni, ogni telefono ha una linea dedicata sino in centrale) avrebbe il vantaggio di avere una acquisizione indipendente ed immediata senza codice di identificazione. Inoltre se la linea si guasta é una e indipendente dalle altre. Per contro però il costo di installazione é maggiore dovendo posare tante linee separate con percorsi separati. Anche l'interfaccia tra periferiche e il PC ha una elettronica più complicata dovendo concentrare tutte le 50 linee su se stessa. Metodo adatto, a mio avviso, per un numero non elevato di periferiche da gestire (max 8/16).

La topologia ad anello (non adeguata per il metodo che intendo adottare) in genere é realizzata per lo scambio di dati fra terminali dello stesso tipo (da PC a PC). In ambito industriale viene utilizzato anche fra il centro elaborazione e macchine programmabile e/o controllabili a distanza. In questo caso le interfaccie fra le macchine e l'anello assolvono anche alla funzione di rigenerazione del segnale di transito. Il segnale dell'anello, durante il transito, entra ed esce in ogni periferica e viene rigenerato (pulito e squadrato) e rimesso in circolo fino al centro elaborazione dati. Questo metodo consente di coprire distanze notevoli rispetto ad altri metodi. Lo svantaggio consiste nel fatto che se una periferica o l'anello si guasta ad esempio per un corto di linea rimane fuori servizio tutto il sistema.

La topologia a BUS in genere é realizzata da un cavo coassiale e pertanto si presta anche per il transito ad alta velocità; inoltre, salvo corti di linea, anche se va fuori servizio una periferica il sistema rimane funzionate per tutte le altre. Con questo metodo il colloquio avviene con indirizzamento della periferica.

Nel nostro caso intendo usare una soluzione di questo tipo dove al posto del cavo coassiale uso un normale doppino intrecciato ideale per la comunicazione RS485. Con il doppino intrecciato i disturbi raccolti, dovuti al rumore elettromagnetico, incidono in eguale misura su entrambi i fili e pertanto eliminati dall'amplificatore differenziale alla ricezione nel MAX485.

DIAGRAMMA DI FLUSSO SOFTWARE PC:

ACQUISIZIONE DATI DAL MAX485 AL PC:

Il software che si dovrà implementare nel PC potrebbe acquisire i dati colloquiando con il MAX485 attraverso due strade:

• attraverso la porta COM1 / 2 con il protocollo RS232 standard già previsto nei linguaggi di programmazione;
• attraverso la LPT1 / 2 con un protocollo sempre del tipo seriale gestendo l'I/O direttamente con il software lavorando sui livelli dei pin della LPT.

Lo schema a blocchi che ho predisposto prevede l'utilizzo della RS232 pertanto gestibile anche in un linguaggio semplice come il QBASIC.

OPEN "COM1:2400,N,8,1" FOR RANDOM AS #1 ;2400 é la velocità bit/s, N= no parità, 8 bit, 1 bit di stop

INPUT #1, RX$ : PRINT #1," " ;attivi la porta COM1 per la comunicazione con relativo buffer

per mandare verso l'uscita si prepara quanto si vuole trasmettere nella variabile TX$

PRINT #1, TX$

poi per ricevere si usa

INPUT #1, RX$ ;dove RX$ é la variabile che conterrà i dati ricevuti