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uVMA – Introduzione

Premessa…

Questo è un progetto al quale lavorai l’anno scorso, che ho in questi giorni deciso di postare. Essendo molto complesso seguirà una lunga serie di post per coprirlo tutto, e quindi come infarinatura segue in questo articolo una relazione presentata per la partecipazione di questo prototipo ad un concorso.

Scopo del progetto

Il progetto vuole realizzare un dispositivo ibrido la cui collocazione è tra un plc modulare
in subrack classico, un sistema visuale con interfaccia tattile (touchscreen) tipica delle
soluzioni moderne ed uno strumento di misura di precisione. Tutto ciò con una
possibilità di personalizzazione sia hardware che software, a richiesta dell’utente finale,
quasi totale.

Il sistema è governato da un computer in grado di eseguire le procedure di raccolta delle
misure, fornire comandi su delle porte di I/O e distribuire i dati in totale autonomia. Tutti i
dati, le elaborazioni degli stessi, la logica funzionale, sono centralizzati su una mappa dati
con funzioni di sincronizzazione distribuita. Questa funzione permette a molti software e
programmi di accedere contemporaneamente ai dati e di modificarli, distribuendo le
informazioni in tempi molto brevi a tutti i moduli ad esso collegati, sia via connessione di
rete (socket) che sul bus proprietario realizzato nel subrack. Viene di fatto realizzato un
sistema di acquisizione e gestione dei dati distribuito.

Descrizione del progetto

Il sistema è costruito attorno ad un subrack 19 pollici contenente un backplane e varie
schede in formato eurocard. Le schede forniscono gli I/O digitali ed analogici,
provvedendo in autonomia a precondizionare i segnali ed eseguire i cicli di
campionamento richiesti. Le schede sono provviste di ingressi e uscite digitali con
accesso diretto da un microcontrollore a 32 bit, con una capacità di lettura e scrittura
sulle uscite molto alta, si prestano quindi anche alla lettura di segnali rapidi, come i
segnali degli encoder e al comando in PWM di chopper e inverter. Per queste ultime
funzioni vengono utilizzate direttamente le periferiche interne del microcontrollore.

Le schede eurocard forniscono anche l’I/O analogico, mediante convertitori sigma-delta a
18 bit e un condizionamento elettrico degli ingressi che ne permette la riconfigurazione
come ingresso 0-2V / 0-45V / 0-20mA / PT100 ecc con riferimento ad alta stabilità (ppm) e
PGA programmabile. Il sistema è stato concepito per essere facilmente espanso con
moduli provvisti di uscite analogiche (ad esempio 4-20mA 0-10V) esterni e moduli
specifici interni o esterni per funzioni dedicate, come schede di comunicazione in fibra ottica per prove in ambiente rumoroso o in presenza di forti campi elettrici. Altri moduli
di espansione possono leggere e condizionare sensori come le celle di carico per la
pesatura, sensori di PH, salinità, polveri sottili, parametri biometrici ecc.

Il modulo CPU è stato dotato di interfaccia SCADA touch/mouse. L’interfaccia viene
realizzata completamente mediante script di configurazione. Questo permette di
realizzare una User Interface naturale nell’uso lavorando ad alto livello senza dover
continuamente scendere nei dettagli della programmazione.

Le modifiche alla UI diventano così molto più semplici da realizzare. Poiché i dati a cui
accede l’interfaccia sono centralizzati. Il sistema realizza una UI distribuita in modo nativo,
una qualsiasi modifica da parte di un utente collegato al nodo controllore si rifletterà
istantaneamente anche sulle altre interfacce, il cui numero non è vincolato ad un
massimo o ad un minimo.

La connettività

Il subrack è dotato di bus di collegamento per l’espansione diretta dello stesso con altri
subrack mediante l’uso di segnali differenziali full duplex su semplici patch di rete
ethernet con protocollo proprietario. Le patch di interconnessione rack permettono di
unire fra loro più backplane anche a diversi metri di distanza e ad alta velocità,
consentendo di lavorare con un indirizzamento logico delle schede sul bus di 65534
elementi device con tratte da 128/256 elementi separate da ripetitori (buffer). I subrack
sono collegabili anche via LAN tra loro (attraverso il modulo CPU/LAN) permettendo di
dislocarli fisicamente ad elevata distanza. Tutto questo è stato fatto mediante l’uso diretto
dei socket di rete TCP/IP.

I possibili utilizzi

Queste grandi possibilità di espansione e personalizzazione permettono di poter
adattare l’hardware ad ogni esigenza, da una sala di prova per motori (dove possono
essere controllati velocità, potenza, tensione, corrente, rendimento, coppia e dove
possono essere avviate ed eseguite con un semplice click tutte le procedure e le
sequenze di comando-misura necessarie) ad un laboratorio di biotecnologie (in cui è
possibile gestire dalle più sofisticate apparecchiature di misura ai dispositivi attuatori del
settore in un’unica console).

Il sistema può essere connesso con la maggior parte degli strumenti di laboratorio
commerciali, come multimetri, oscilloscopi, generatori di funzione, alimentatori,
generatori RF, ma anche PH-metri, termoscanner, misuratori di distanza, lunghezza,
spessore, viscosimetri, durometri, accelerometri, analizzatori di gas di scarico. In generale
attrezzature che abbiano una porta seriale o una porta LAN/ethernet e per la quali vi sia
una documentazione dei protocolli di comunicazione.

Il sistema ha una API di connessione che può essere utilizzata per farlo comunicare con
sistemi e protocolli differenti con delle interfacce sw che richiedono uno sforzo minimo. Si
può quindi integrarlo con piattaforme commerciali come Alexa, Telegram, Google Home,
Labview ecc.

L’architettura software che ne risulta è distribuita, completamente scalabile, di facile
utilizzo e può essere eseguita sia in modalità locale, sia in modalità remota su un vasto
insieme di dispositivi connessi via rete a μVMA. È possibile, a titolo esemplificativo, far
comunicare due laboratori o impianti posti in aree geograficamente molto distanti
facendoli apparire come un unico sistema.

Il sistema sw è stato realizzato in linguaggio C#, rendendo possibile l’esecuzione dei
singoli moduli su processori e sistemi differenti (Mac, ARM, Linux, windows).

CARATTERISTICHE TECNICHE

Input Analogici 18 Bit

  • Tensione
    • Fondo scala ±45V (±0.015%), ±22,5V (±0.015%), ±11,25V (±0.015%), ±2,625V (±0.015%)
    • Fondo scala ±2,048V (±0.01%), ±1,024 (±0.01%), ±512mV (±0.01%), ±256mV (±0.01%)
  • Corrente
    • Fondo scala ±20mA (±0.012%), ±10mA (±0.012%), ±5mA (±0.012%), ±2,5mA (±0.012%)
  • Termistori NTC e PTC
  • Termocoppie (con giunto freddo compensato)
  • Riferimento di tensione 2,048V 3ppm/K ±0,24%
  • Sorgente a 5V isolata dal computer per misure fuori massa (massimo 50mA di assorbimento esterno)

Output Digitali

Possono pilotare carichi vari, anche ad elevata induttanza, chiudendo l’output verso
massa. È possibile controllare in PWM gli output con risoluzione a cento punti. Sopportano carichi fino a 50V 500mA.

Input Digitali

Sono completamente isolati dal computer mediante un optoisolatore e non sono
polarizzati. Vi è un comune per ogni quattro ingressi. Ogni ingresso è ad alta frequenza
(può senza problemi essere usato per la lettura di encoder ecc…) ed è impostato un
interrupt ad evento sul suo cambiamento di stato. Hanno una fascia di certezza in ingresso che si colloca tra 3V e 32V.

Connettività

Hardware

  • Due porte USB 2.0 (espandibili con hub USB)
  • Due porte USB 3.0 (espandibili con hub USB)
  • Compatibile con adattatore USB a RS232
  • Ethernet
  • RS485 protocollata RAP3 per espansione hardware

Software

  • Possibilità di connessione con PLC di varie marche e modelli
  • Driver per protocollo di comunicazione modbus TCP-IP
  • Possibilità di integrazione con strumenti da laboratorio con almeno un ethernet, un USB o un RS232
  • Possibilità di connessione a server on-line per cloud dati o comando remoto
  • Possibilità di gestione di database
  • Web app integrata
  • Scada integrato e diffuso
  • Possibilità di espansione del sw sia locale che remoto
  • Gestione utenti e livelli di accesso integrata con sistemi di autenticazione avanzati

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