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ⓘ Controllore logico programmabile




Controllore logico programmabile
                                     

ⓘ Controllore logico programmabile

Il controllore logico programmabile è un computer per lindustria specializzato in origine nella gestione o controllo dei processi industriali.

Il PLC esegue un programma ed elabora i segnali digitali ed analogici provenienti da sensori e diretti agli attuatori presenti in un impianto industriale. Nel tempo, con la progressiva miniaturizzazione della componentistica elettronica e la diminuzione dei costi, è entrato anche nelluso domestico; linstallazione di un PLC nel quadro elettrico di unabitazione, a valle degli interruttori magnetotermico e differenziale salvavita, permette la gestione automatica dei molteplici sistemi e impianti installati nella casa: impianto di riscaldamento, antifurto, irrigazione, LAN, luci, ecc.

Si tratta di un oggetto hardware componibile. La caratteristica principale è la sua robustezza estrema; infatti normalmente è posto in quadri elettrici in ambienti rumorosi, con molte interferenze elettriche, con temperature elevate o con grande umidità. In certi casi il PLC è in funzione 24 ore su 24, per 365 giorni allanno, su impianti che non possono fermarsi mai.

La struttura del PLC viene adattata in base al processo da automatizzare. Durante la progettazione del sistema di controllo, vengono scelte le schede adatte alle grandezze elettriche in gioco. Le varie schede vengono quindi inserite sul BUS o rack del PLC.

Il primo PLC è stato creato da Dick Morley nel 1968 con il marchio Modicon, ora di proprietà di Schneider Electric.

                                     

1. Funzionamento

La prima azione che il PLC compie è la lettura degli ingressi del portale e si intende tutti gli ingressi sia digitali sia analogici, on board o su bus di campo schede remote collegate al PLC o con una rete di comunicazione. Dopo aver letto tutti gli ingressi, il loro stato viene memorizzato in una memoria che è definita "Registro immagine degli ingressi". A questo punto le istruzioni di comando vengono elaborate in sequenza dalla CPU e il risultato viene memorizzato nel "Registro immagine delle uscite". Infine, il contenuto dellimmagine delle uscite viene scritto sulle uscite fisiche ovvero le uscite vengono attivate. Poiché lelaborazione delle istruzioni si ripete continuamente, si parla di elaborazione ciclica; il tempo che il controllore impiega per una singola elaborazione viene detto tempo di ciclo solitamente da 10 a 100 millisecondi.

                                     

2. Struttura del PLC

Un PLC è composto da un alimentatore, dalla CPU che in certi casi può avere interna o esterna una memoria di tipo RAM, ROM, EPROM o EEPROM, da un certo numero di schede di ingressi digitali e uscite digitali, e nel caso in cui sia necessario gestire grandezze analogiche, il PLC può ospitare delle schede di ingresso o di uscita sia analogiche che digitali.

Se il PLC opera in rete con altri PLC, sono necessarie delle schede di comunicazione adatte al protocollo di rete già implementato sugli altri PLC.

Nel caso di operazioni di movimentazione, come nel campo della robotica, il PLC ospita delle schede di controllo assi, cioè delle schede molto veloci e sofisticate che permettono di gestire spostamenti e posizionamento.

                                     

2.1. Struttura del PLC Alimentatore

Lalimentatore è un apparato necessario per il funzionamento dei PLC. Esso è utilizzato per fornire lenergia elettrica a tutte le schede del PLC. Fornisce le tensioni a 5 V necessarie alle schede, le tensioni a + o - 12 V, le altre tensioni necessarie, sempre in corrente continua cc. Può essere interno o esterno al PLC. Nella normalità delluso, in campo industriale, lalimentazione è a 24 V c.c. compatibile con la maggior parte dei sensori in commercio.

                                     

2.2. Struttura del PLC Schede di ingresso digitali

Le schede di ingresso digitali sono utilizzate per il controllo di grandezze "digitali", cioè di tensioni a due valori ad esempio 0 V o 24 V, oppure 0 V 110 V. Ogni scheda può gestire da 4 a 64 ingressi digitali differenti. I segnali dal campo vengono fatti arrivare con cavi elettrici fino alla morsettiera della scheda ed ogni singolo canale è opportunamente protetto da fusibili di adeguato valore.

                                     

2.3. Struttura del PLC Schede di uscita digitali

Le schede di uscita digitali sono utilizzate per i comandi di attuatori digitali. Ad esempio un relè è un attuatore digitale, in quanto può avere soltanto due stati stabili: diseccitato, o eccitato. Altro esempio di attuatore è una valvola digitale a due stati: aperta, chiusa elettrovalvola. Anche nel caso di schede di uscita digitali, si possono gestire da un minimo di 4 ad un massimo di 64 uscite digitali differenti.

                                     

2.4. Struttura del PLC Schede di ingresso analogiche

Questo tipo di schede di ingresso permettono il controllo di grandezze elettriche il cui valore può variare entro un intervallo. Le grandezze in gioco sono in tensione o in corrente. Ad esempio sono disponibili schede di ingresso analogiche in corrente, con un intervallo variabile tra 4 mA e 20 mA. Molti produttori di PLC rendono disponibili schede con ingressi analogici per sonde di temperatura sia Pt100 che termocoppie T, J, K, ecc. Queste schede sono disponibili con varie risoluzioni 8-12-14-16 bit e con 1 o più ingressi separati galvanicamente disponibili in morsettiera o sul connettore frontale.

                                     

2.5. Struttura del PLC Schede di uscita analogiche

Le schede di uscita analogiche permettono di controllare degli attuatori variabili. Possono essere in corrente o in tensione ed avere una determinata risoluzione esprimibile in bit. Ad esempio è possibile comandare un motore elettrico tramite un inverter variandone la velocità, tramite la frequenza, da zero alla sua massima velocità. Oltre allesempio sopra citato servono per regolazioni di temperatura variando lintervallo di uscita, regolazioni di luce. Un esempio che può risultare molto chiaro è quella dellintensità luminosa di una serie di plafoniere. Tramite un potenziometro noi aumenteremo o diminuiremo lintensità luminosa. Ad ogni aumento o diminuzione di luce corrisponde un equivalente segnale in corrente o in tensione.

                                     

2.6. Struttura del PLC Schede di comunicazione

Il PLC durante il suo funzionamento può comunicare con computer, con altri PLC oppure con altri dispositivi come le macchine CNC i torni e/o le frese a controllo numerico delle aziende.

La comunicazione con computer e altri dispositivi avviene tramite tipi di connessione standard come:

  • RS422/RS485
  • RS232
  • TCP/IP

La comunicazione con altri PLC avviene tramite protocolli standard, ad esempio:

  • ETHERCAT
  • EGD
  • UDP/IP
  • TCP/IP
  • Modbus
  • Modbus TCP/IP
  • DeviceNet
  • Profinet
  • CAN BUS
  • Profibus
  • CANOPEN
  • Modbus Plus
  • Wi-Fi 802.11
  • Controlnet

ecc.

                                     

2.7. Struttura del PLC Schede speciali

Qualunque PLC di livello medio alto, oltre le consuete schede di ingresso/uscita, analogiche/digitali, ha a catalogo moduli dedicati a particolari compiti di automazione. Il vantaggio nellutilizzare tali schede è quello di avere il controllo di unoperazione/evento indipendentemente dal ciclo del PLC, relegando il PCM alla funzione di controllo/parametrizzazione. Lofferta è veramente vasta e ogni produttore propone a catalogo le più svariate soluzioni, fra cui si segnala:

                                     

2.8. Struttura del PLC Schede di conteggio veloce

Sono in grado di accogliere il segnale di un sensore di conteggio e direzione up/down ossia incremento/decremento più un canale di azzeramento, sia in single ended ossia a livelli di tensione 0÷24 V che in differenziale normalmente secondo lo standard RS-422; normalmente è possibile programmarle in modo che scatenino un evento per esempio alzando unuscita al raggiungimento di un dato conteggio o se il conteggio è compreso fra una finestra di valori. Su tali schede sono normalmente disponibili un numero limitato di uscite programmabili.

                                     

2.9. Struttura del PLC Schede programmatori a camme

Compito di tali schede è emulare una o più camme meccaniche; accettano in ingresso un segnale proveniente da un encoder ed è possibile, se la posizione è entro determinate finestre, avviare un evento tramite unuscita digitale programmabile.

                                     

2.10. Struttura del PLC Schede PID Proporzionale Integrale Derivativo

Spesso nel campo industriale è necessario controllare una variabile del processo per esempio la potenza applicata su un elemento riscaldante, rilevando una variabile da esso dipendente per esempio la temperatura di un ambiente. Se il processo è particolarmente critico è necessario eseguire il controllo in modo accurato, tramite moduli dedicati. In passato, prima dellavvento dei controllori logici programmabili PLC, esistevano moduli hardware, in qualche caso realizzati con tecnologie ibride meccaniche, pneumatiche, elettromeccaniche, in grado di svolgere la regolazione sommando le tre azioni proporzionale, integrativa e derivativa, ma al giorno doggi sono realizzati dalle stesse case produttrici dei PLC, non solo come blocchetti aggiuntivi hardware, ma anche come blocchi software a cui è sufficiente passare i corretti parametri.

                                     

2.11. Struttura del PLC Schede controllo assi

Si impiegano ove sia necessario controllare il movimento di un organo meccanico tramite un motore, sia esso brushless che passo passo. Alcune schede presentano un funzionamento particolarmente semplice permettendo di fissare una quota di consegna che lasse deve raggiungere e un ingresso per il feedback di posizione, altre - particolarmente complesse - permettono grandissima flessibilità e permettono di emulare diversi profili. Richiedono generalmente un modulo di potenza esterno amplificatore di corrente per il comando effettivo del motore.

                                     

2.12. Struttura del PLC Schede safety

Sono utilizzate per tutti i segnali le sequenze il cui controllo deve rispettare normative di sicurezza.

                                     

3. Linguaggi di programmazione

Il PLC per ottemperare ai suoi compiti deve essere programmato. La programmazione del PLC è effettuata normalmente con un PC sul quale un software specializzato permette di creare programmi da caricare nella memoria della CPU del PLC.

Questi software di programmazione possono leggere il programma direttamente dalla memoria della CPU, e visualizzare il programma sul PC. Normalmente il programma viene scritto su PC, quindi scaricato sul PLC, e salvato sul PC stesso, per ulteriori modifiche o per sicurezza.

La normativa IEC 1131-3 del 1993 ha standardizzato 5 linguaggi di programmazione, di cui 3 grafici e 2 testuali.

La Normativa è stata successivamente aggiornata con luscita della "CEI EN 61131-3" detta anche "CEI 65-40" Prima Edizione: 1º giugno 1996.

                                     

3.1. Linguaggi di programmazione Linguaggi grafici

  • Ladder diagram LD o KOP detto Linguaggio a contatti - Era il linguaggio più usato fino a pochi anni fa, in quanto è una efficace trasposizione informatica, dei circuiti elettrici usati dagli elettrotecnici. Lautomazione industriale infatti era basata su sistemi a logica cablata, il PLC controllore di logica programmabile ha permesso di trasportare i concetti della logica cablata nel linguaggio Ladder. Il programmatore semplicemente utilizza simboli logici corrispondenti a segnali di ingresso e di uscita per implementare la logica non più cablando i relè, ma disegnando gli schemi elettrici nel software di programmazione.
  • Sequential function chart SFC detto Diagramma funzionale sequenziale - Viene usato anche come strumento di specifica. Tale linguaggio permette di implementare facilmente una macchina o automa a stati finiti.
  • Function Block Diagram FBD o FUP detto Diagramma a blocchi funzionali - Analogo ai diagrammi circuitali usati dagli elettronici.


                                     

3.2. Linguaggi di programmazione Linguaggi testuali

  • Instruction List IL o AWL detto Lista di istruzioni - Linguaggio di basso livello, diffuso nelle maggior ditte di programmazione con plc, molto simile allAssembly linguaggio di basso livello. Può essere facilmente ricavato dal Ladder e permette una programmazione più strutturata rispetto a questultimo, infatti molti lo preferiscono per questo fattore.
  • Structured Text ST detto Testo strutturato - Linguaggio di alto livello simile al Pascal.
                                     

4. Il PLC rispetto ad altri sistemi di controllo

I PLC si adattano bene a una serie di compiti di automazione. Questi sono in genere processi industriali nel settore manifatturiero, dove i costi di sviluppo e manutenzione del sistema di automazione è elevato rispetto al costo totale dellautomazione, e dove sono attese modifiche al sistema durante la sua vita operativa. I PLC contengono dispositivi di input e output compatibili con i dispositivi pilota ed i controlli industriali; richiedono poca progettazione elettrica, ed il problema del progetto è focalizzato sulla sequenza desiderata di operazioni. Le applicazioni PLC sono tipicamente sistemi altamente personalizzati, per cui il costo di un PLC preconfezionato è basso rispetto a quanto costerebbe il progetto di un controllore su misura. Per contro, nel caso di prodotti di massa, sistemi di controllo personalizzati risultano economici. Ciò è dovuto al minor costo dei componenti, che possono essere scelti in modo ottimale al posto di una soluzione "generica", e dove i costi di progetto non ricorrenti sono distribuiti su migliaia o milioni di unità.

Per applicazioni in grandi numeri o nel caso di compiti di automazione fissi e molto semplici, vengono utilizzate tecniche diverse. Per esempio, una lavastoviglie casalinga potrebbe essere controllata da un temporizzatore elettromeccanico a camme che costa pochissimo se prodotto in grandi quantità.

Un progetto basato su microcontrollore sarebbe appropriato qualora vengano prodotte centinaia o migliaia di unità e quindi il costo di sviluppo progettazione di alimentatori, hardware di ingresso/uscita e necessario test e certificazione possa essere ripartito su molte vendite, e dove lutente finale non necessiti di modificare il controllo. Un esempio è costituito dalle applicazioni automotive; milioni di unità sono costruite ogni anno, e molto pochi utenti finali alterano la programmazione di questi controllori. Tuttavia, alcuni veicoli speciali quali autobus di linea utilizzano economicamente i PLC invece di controlli progettati su misura, perché i volumi sono bassi e il costo di sviluppo sarebbe antieconomico.

Un controllo di processo molto complesso, come ad esempio quello utilizzato in un impianto chimico, può richiedere algoritmi e prestazioni al di là della capacità di PLC anche ad alte prestazioni. Controlli di precisione o ad elevata velocità possono anche richiedere soluzioni personalizzate; ad esempio comandi di volo degli aeromobili. Per applicazioni di controllo molto esigenti, nelle quali può essere sostenuto lelevato costo di sviluppo e manutenzione, si possono utilizzare dei single-board computer che utilizzino hardware semi-personalizzato o completamente proprietario. I "Soft PLC" in esecuzione su computer desktop sono in grado di interfacciarsi con lhardware di I/O industriale eseguendo programmi su una versione di sistemi operativi commerciali adattata per le esigenze di controllo di processo.