Benvenuto su questo sito dedicato all’automazione industriale. Oggi ti presento un nuovo caso studio riguardante un progetto d’automazione (in questo caso domotica) di un presepio.
L’idea di un presepe controllato da un PLC è venuta da uno dei nostri numerosi studenti, dopo aver seguito i nostri corsi di programmazione.
Solitamente quando si parla di progettare l’automazione industriale, si pensa a impianti complessi, macchinari su linee di produzione, confezionatrici, robots e molto altro. Ci sono però dei piccoli progetti molto interessanti, soprattutto per chi si sta avvicinando al mondo della programmazione PLC, e vuole farlo mettendo subito in pratica ciò che sta imparando.
Il presepe automatizzato è uno dei progetti più diffusi di questo tipo.
Vediamo ora le fasi che abbiamo seguito per realizzare questo lavoro, partendo da quella di analisi dei requisiti (specifiche).
1. Analisi dei requisiti del progetto d’automazione.
La richiesta è di rendere automatizzata l’animazione di un presepio, in particolare:
a) Regolare la luminosità generale del presepio, e la colorazione della luce per simulare il susseguirsi delle giornate (giorno, notte, alba e tramonto).
b) Animare alcuni oggetti decorativi: un ruscello e un mulino ad acqua.
c) Animare alcuni personaggi: un maniscalco che batte un martello su un incudine, e un contadino che zappa la terra.
Il sistema deve essere controllato da un PLC, e da un pannello HMI che sarà utilizzato per l’impostazione di alcune variabili di funzionamento del presepe.
2. Scelta dei componenti per la realizzazione dell’automazione.
Dopo aver definito i requisiti desiderati, abbiamo analizzato ogni funzione richiesta per individuare i componenti necessari:
a) Sistema di controllo: per il sistema di controllo scegliamo una cpu Siemens S7-1212C, con uscite a transistor (stato solido), dato che permettono di lavorare in PWM, e comandare così il sistema luci a led. Per quanto riguarda l’interfaccia HMI, scegliamo un pannello Weintek della serie IP, con schermo tattile da sette pollici. Il pannello è collegato al PLC attraverso la porta ethernet.
Le uscite digitali del PLC necessarie sono sei:
Una per controllare la striscia led bianca.
Una per controllare la striscia led blu.
Una per controllare la striscia led giallo / ambra.
Una per controllare la pompa dell’acqua e il mulino.
Una per controllare il motorino del maniscalco.
Una per controllare il motorino del contadino.
Non sono previsti ingressi.
b) Alimentazione del sistema: L’alimentazione del PLC e del pannello HMI è affidata a un alimentatore a 24 volt continui, capace di erogare 50W, più che sufficienti per il compito da svolgere.
Per alimentare i motorini e le pompe utilizzati per l’animazione di oggetti e personaggi, scegliamo un alimentatore a 12V, dato che questa tensione è quella più utilizzata in ambito hobbistico, insieme a quella a 5V continui.
c) Illuminazione: Per quanto riguarda l’illuminazione generale installiamo delle strisce led bianche regolabili, naturalmente saranno controllate da un driver LED con ingresso PWM.
Utilizziamo anche dei led colorati per simulare la diversa luce nelle varie fasi della giornata.
d) Animazione degli oggetti: il ruscello sarà movimentato da una mini pompa sommersa, alimentata a 12V; un motorino sempre a 12V assolve al compito di muovere la ruota del mulino ad acqua.
Dato che questi componenti lavorano a 12V, interfacceremo le uscite a transistor a 24V del PLC, con due relè; questo permetterà di alimentare i componenti portandogli il 12V fornito dall’apposito alimentatore.
Nella figura che segue troviamo i componenti per l’illuminazione e la movimentazione appena descritti.
3. Software di gestione nel PLC.
Per programmare il software del plc scegliamo il linguaggio ladder, adatto anche a chi non ha esperienze particolari in questo ambito.
Ecco le funzioni che vengono eseguite nel controllore:
a) Abilitazione generale del presepe: un selettore sul pannello hmi permette di attivare e disattivare le animazioni del sistema. Per sicurezza, inseriamo un tempo massimo d’attività impostabile sul pannello HMI, in modo da spegnere il presepe se viene dimenticato acceso.
a) Gestione luminosità generale: la regolazione della luminosità generale avviene attraverso un controllo PWM su un’uscita del PLC. Quest’uscita è collegata al driver della striscia led bianca.
b) Transizioni giorno notte: giorno, alba, tramonto e notte sono gestite con le classiche funzioni di dimmer, realizzando rampe progressive, il cui tempo può essere impostato sul pannello HMI.
Le strisce led colorate permettono di simulare i diversi colori durante la giornata, in particolare sono così gestite:
Durante la notte, la luce bianca è spenta o molto debole e si accendono solo LED blu per simulare un’atmosfera notturna.
All’alba, la luminosità bianca aumenta gradualmente e si attivano LED arancioni per ricreare toni caldi.
Raggiunto il giorno, i LED colorati si spengono e la luce bianca è al massimo.
Nel tramonto, l’intensità della luce bianca diminuisce lentamente mentre aumentano i toni rossi e arancio, che dominano fino a fine ciclo.
Con il calare della notte, tutto si spegne tranne la luce blu, riportando l’ambiente a una scena notturna.
La durata del ciclo che modifica i colori della luce viene calcolata in percentuale rispetto alla durata totale giorno / notte. I sotto cicli di ogni colore vengono anch’essi calcolati in proporzione.
c) Animazione oggetti: la pompa dell’acqua viene attivata per simulare il flusso continuo del ruscello e garantire l’animazione del mulino. Il PLC gestisce il ciclo di funzionamento della pompa con intervalli programmati per simulare periodi di accensione e spegnimento, e rendere il movimento naturale e non costante.
Il mulino è collegato a un motore che aziona la ruota; l’attivazione avviene con la stessa uscita che alimenta la pompa sommersa.
d) Animazione dei personaggi: il maniscalco e il contadino sono animati da motorini in corrente continua a 12V. Le braccia sono movimentate tramite un meccanismo a camma, il quale trasforma la rotazione continua del motore in un movimento su e giù.
Le animazioni sono attivate solamente durante alcune ore del giorno (la durata del giorno e della notte sono impostabili sul pannello operatore).
4. Interfaccia HMI con pannello operatore.
Sul pannello operatore è stata creata una pagina dove trovano posto:
a) Selettore di abilitazione generale del sistema.
b) Tempo massimo di attivazione (in ore) per spegnimento automatico.
c) Durata del giorno e della notte (in minuti).
d) Durata dei cicli di regolazione dei colori della luce (in percentuale).
e) Durata dell’animazione del ruscello e del mulino, e tempo di pausa (in percentuale).
f) Durata dell’animazione del maniscalco e tempo di pausa (in percentuale).
g) Durata dell’animazione del contadino e tempo di pausa (in percentuale).