Automazione in rete wireless

Author(s):
M. Casini - I.T.I. LEONARDO DA VINCI

Industry:
University/Education

Products:
LabVIEW

The Challenge:
Comunicare in modo sincrono un’informazione costituita da un’aggregazione di numeri e stringhe fra due computer facenti parte di una rete Ethernet Wireless. Decodificare l’informazione ricevuta e sfruttarla per comandare dispositivi di potenza via interfaccia seriale. A distanza avviare, frenare, variare la velocità di un motore di media potenza.

The Solution:
LabVIEW mette a disposizione tutte le funzioni necessarie per la comunicazione sincrona in rete, identificando l’indirizzo IP di ciascun computer. Viene utilizzato un inverter trifase da 8 kW con interfaccia seriale, collegato al computer che riceve l’informazione. Un notebook dotato di adattatore wireless comanda a distanza un motore di media potenza.

Breve riassunto
Una rete di computer può essere utilizzata per scopi di automazione industriale: per effettuare misure automatiche a distanza, per configurare a distanza dispositivi di potenza intelligenti, capaci di alimentare motori nelle condizioni desiderate e consentire la marcia, l’arresto, la variazione di velocità. Utilizzando LabVIEW (NI) è particolarmente intuitivo trasferire in rete dati aggregati costituiti da numeri e stringhe. Con un notebook in rete wireless viene configurato un inverter trifase da 8 kW che alimenta un motore asincrono di media potenza. Le soluzioni messe in atto consentono di abbattere le barriere costituite dalle distanze, dagli ambienti aggressivi, dagli edifici.

Articolo

Automazione in Rete Wireless
La trasmissione dell’informazione in una connessione peer to peer
L’esperienza condotta preliminarmente sfrutta la più semplice rete che si possa stabilire: due soli computer A e B, collegati fra loro in modo paritario senza prevedere una gerarchia. Lo scopo è quello di trasmettere un numero, o una stringa di caratteri, o una variabile di Boole in modo sincrono: informazioni molto semplici, ma essenziali per comandare dispositivi. In effetti la velocità di trasferimento con le tecnologie attuali è di alcuni MBit/s e quindi la comunicazione può dirsi sincrona.
Venendo al software, all’interno del pannello di controllo, per ogni computer, occorre configurare l’indirizzo IP (Internet Protocol), mediante il quale il computer viene riconosciuto nella rete. L’ambiente di programmazione LabVIEW costituisce un semplice ed efficacissimo tramite per consentire la comunicazione. Operando per icone e senza istruzioni formali, vengono fatti riconoscere i due PC; quello che trasmette il numero codifica il medesimo in cifre binarie riportate sotto forma di stringa di caratteri e quindi indirizza la medesima verso il PC ricevente. Questi deve ricevere l’informazione e riportarla in forma di numero.

I dispositivi di potenza e il motore
La tecnologia odierna mette a disposizione dispositivi elettronici di potenza, gli inverter, che sono in grado di alimentare i motori elettrici a tensione e frequenza variabili. È possibile allora realizzare azionamenti caratterizzati da comportamenti estremamente flessibili:
• variare coppia e velocità del motore,
• frenarlo improvvisamente grazie all’iniezione di una corrente unidirezionale,
• esercitare un controllo vettoriale sulla coppia, così da limitare la corrente di spunto e migliorare il rendimento.
L’inverter da noi utilizzato è un Matsushita di potenza 8 kW, 400 V trifase. Essenziale è la possibilità di configurarlo tramite un computer e comunicare con lui, durante l’esercizio, mediante interfaccia seriale.
L’obiettivo è dunque la realizzazione di un quadro di comando virtuale, da far apparire sul monitor di un notebook che, in rete wireless, comunichi con un altro computer direttamente collegato all’inverter che alimenta il motore asincrono trifase.

La programmazione con LabVIEW
Buona parte delle difficoltà sono state affrontate nel corso dell’esperienza rivolta alla trasmissione di un numero. Occorre anzitutto definire nel notebook che trasmette lo stato della marcia del motore e la frequenza della sua alimentazione; tali dati vengono aggregati in un unico numero a 9 byte e sparati verso il PC che riceve, il quale è in comunicazione seriale con l’inverter. Ma per consentire la comunicazione fra questi ultimi, bisogna impossessarsi del protocollo di comunicazione seriale Matsushita e questa non è una cosa semplice. Il PC che riceve il dato a 9 byte deve disaggregarlo estraendo il dato relativo allo stato della marcia e quello relativo all’indicazione di frequenza di alimentazione. All’interno dell’inverter, ogni funzione (marcia, arresto, frenatura, variazione di frequenza) possiede un indirizzo che va richiamato. In particolare, volendo impostare la frequenza di alimentazione legata alla velocità di rotazione del motore, si deve esprimerla in centesimi di Hertz, convertire il dato in un numero a quattro cifre in base 16, codificare questo come stringa di caratteri ASCII, scambiare i primi due caratteri con i secondi due. Ad esempio se si volesse impostare una frequenza di alimentazione 110 Hz, si dovrebbe passare a 11000 centesimi di Hertz, da qui la conversione in caratteri esadecimali 2AF8, quindi in stringa, infine si scambiano le cifre e si ottiene F82A, roba da esperti enigmisti. Si giunge così a definire una complessa stringa costituita da 23 caratteri, comprendenti tutte le informazioni necessarie a individuare i parametri di marcia desiderati
%01#WDD00238002382AF8**
Questa stringa può essere sparata con successo verso l’inverter.

Risultati ottenuti
Difficile riportare in un articolo l’emozione legata al successo dell’esperienza. Più immediata sensazione perviene dai filmati realizzati e proiettati nel corso della conferenza.
Tutto è scaricabile da www.webalice.it/casmar/casmar/PRESENTAZIONE.zip (occhio alle maiuscole e ai 10 MB da scaricare). Nel corso dell’esperienza, gli allievi si aggiravano per il cortile spostandosi con il notebook e impostando i parametri di marcia del motore e questi seguiva fedelmente le indicazioni.
Da sottolineare un’interessante soluzione sperimentata. Si era evidenziato nel corso delle prove che la presenza di un ostacolo poteva compromettere la comunicazione wireless: il notebook destinato alla trasmissione non avrebbe potuto più comandare il motore, una falla nella sicurezza dell’impianto. Ebbene, il software allestito consente di riconoscere la presenza di un errore di comunicazione e, a seguito di ciò, invia all’inverter il comando di arresto; a quel punto il motore può essere riavviato solo su comando dell’operatore. È possibile variare la velocità del motore da 0 a 3600 giri al minuto. Ciò corrisponde ad una frequenza di alimentazione proveniente dall’inverter variante fra 0 e 120 Hz. L’inverter in verità potrebbe spingersi sino a 400 Hz, corrispondenti a 12000 giri al minuto sul motore, ma quest’ultimo ha una costruzione standard, che garantisce i cuscinetti sino a soli 3600 giri al minuto.
Comunicando i due computer mediante il protocollo TCP/IP, qualora fossimo in grado di garantire degli indirizzi IP proprietari, nulla vieterebbe che i due computer fossero veramente a grande distanza, sfruttando la rete internet. Il notebook poterebbe trovarsi nelle isole Samoa, sulle ginocchia di uno di noi, dotato di telefono satellitare e inviare qui a Firenze le informazioni per comandare il motore nella nostra aula. Tutto ciò assume particolare importanza in un mondo dove si tende a realizzare impianti non presidiati, dove le macchine, installate nei luoghi più remoti, vengono monitorate istante per istante da una sede centrale posta a migliaia di chilometri di distanza.

Conclusioni
Certamente i nostri ragazzi si sono divertiti e saranno orgogliosi di raccontare la loro esperienza agli amici. Gli sviluppi futuri? Ci stiamo lavorando. Oggi sono in commercio dei dispositivi miniaturizzati, più piccoli di una scatola di fiammiferi, capaci di convertire l’informazione codificata secondo il protocollo TCP/IP della rete Ethernet in una informazione codificata secondo un protocollo RS232.
Dotando in rete di indirizzo IP il dispositivo miniaturizzato, sarebbe possibile eliminare la presenza del PC destinato alla ricezione. Si realizzerebbe una rete distribuita di dispositivi intelligenti, operante su scala planetaria, e capace di comandare dispositivi di potenza e macchine in ambienti non presidiati.

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