Il PLC
(raccolta di lucidi)
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Introduzione
I PLC (Programmable Logic Controllers) oggi disponibili sul mercato sono dei
veri e propri computer industriali con hardware e software dedicati, realizzati
per funzionare anche in condizioni operative difficili.
I primi dispositivi di questo genere furono prodotti fra gli anni ‘60 e gli anni ‘70
per far fronte ad una sempre più pressante richiesta di automazione da parte
delle grandi industrie manufatturiere.
Questi dispositivi in un primo momento
furono chiamati PC (Programmable
Controller) ma per evitare confusioni con
l’acronimo PC (Personal Computer) si
decise di uniformare il loro nome a PLC.
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Storia dei PLC
Inizialmente, i PLC furono dei semplici dispositivi per controllo di tipo on/off
digitale utilizzati soltanto per rimpiazzare i relè elettromeccanici nelle
applicazioni industriali. Infatti, intorno agli anni ‘60, si manifesta l’esigenza di
variare sempre più rapidamente i processi di produzione; ciò deriva dalla
necessità di rispondere repentinamente alle richieste di un mercato in continua
evoluzione e dai gusti cangianti e dall’esigenza di incrementare la produttività
delle aziende e la qualità dei prodotti.
L’idea fu quella di sostituire i sistemi di controllo fino ad allora disponibili,
costituiti da una gran numero di relè connessi fra loro mediante una grande e
intricata quantità di cavi elettrici e il cui pannello di controllo poteva avere
dimensioni notevoli (anche alcuni metri).
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Dai vecchi sistemi ...
La messa in opera dei sistemi di controllo con relé elettromeccanici richiedeva:
• la progettazione a tavolino della logica del sistema di controllo;
• l’assemblaggio sul campo del sistema;
• il collegamento fisico fra i diversi relé (che potevano superare tranquillamente le
cento unità).
Questo modo di procedere comportava una serie di svantaggi; il solo modo di
accertare la correttezza progettuale e realizzativa di tutto il sistema era la
verifica sul campo a impianto avviato. In genere era problematico:
• individuare anche piccoli errori commessi nella fase di progettazione o nella
successiva fase di cablaggio;
• rilevare i problemi causati da eventuali dispositivi difettosi all'origine;
• garantire elevati intervalli di funzionamento senza guasti, dato l’uso di dispositivi
meccanici.
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… ai nuovi …
Nel caso di mal funzionamento la linea di produzione doveva essere fermata fino
all’individuazione del guasto e alla sua riparazione.
Problemi di interruzione nella linea di produzione si avevano anche quando era
necessario effettuare una pur minima variazione nella sequenza di operazioni da
eseguire.
Per superare tutti questi ostacoli si pensò di ricorrere a sistemi a microprocessore
che effettuassero tutte le operazioni logiche necessarie e rimpiazzassero gli
enormi pannelli di controllo cablati ed i fragili relé meccanici.
I primi PLC non erano in grado di gestire funzioni complesse ma soltanto semplici
operazioni di tipo on/off. Con il passare del tempo i costruttori hanno però
notevolmente migliorato le loro prestazioni e arricchito il ventaglio di operazioni
gestibili.
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… e al futuro
Grazie a ciò i moderni PLC possono implementare procedure di monitoraggio e
controllo anche molto complesse.
I dati oggi disponibili riportano che nell’anno 2000 il mercato dei PLC si è aggirato
intorno a 6,2 miliardi di dollari circa e prevedono una crescita annua intorno al
3,4%.
Questo mercato è nelle mani di poche aziende che stanno lavorando nella
direzione di arricchire i prodotti di nuove funzionalità e di renderlo utilizzabile su
più piattaforme (gli ultimi prodotti prevedono addirittura l’uso di tecnologia Web).
Per aumentarne la competitività i costruttori stanno cercando di migliorare la
qualità del prodotto senza far crescere il costo; alcuni si stanno orientando sul
mercato di fascia alta (sistemi di controllo complessi) altri sui mercati di fascia
bassa (controllo di macchinari o di processi semplici).
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Il ladder logic e ...
L’uso dei PLC rendeva il sistema di misura e controllo più flessibile e meno
costoso in termini di tempo e danaro. In questo caso, infatti, ogni variazione
nella sequenza delle operazioni o nella logica del sistema non richiedeva più
il ricablaggio dell'intero processo e la conseguente interruzione della linea,
ma soltanto la riscrittura (fuori linea) delle parti del programma che erano
cambiate.
Bastava poi caricare il nuovo programma sul PLC per rendere effettivi tutti i
cambiamenti realizzati.
Per non rendere il linguaggio di programmazione “troppo ostile” ai tecnici
dell'epoca (che erano ancora elettricisti esperti nel cablaggio dei vecchi sistemi
elettromeccanici) si cercò di non distaccarsi molto dal linguaggio ad essi
consueto; per questo motivo il primo linguaggio di programmazione dei PLC fu
il ladder logic (letteralmente logica a scala).
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Un programma scritto in ladder logic (detto ladder diagram) risulta di semplice
comprensione per gli esperti e tecnici del settore elettromeccanico in quanto esso
è molto simile a una particolare forma di schema elettrico, lo schema funzionale,
ancora oggi molto in uso nella realtà industriale. Esso è composto da diversi rungs
(letteralmente pioli) che collegano gli ingressi posti alla sinistra del diagramma con
le uscite poste alla destra.
I1
I2
I3
O1
I4
I5
O2
I6
I7
O3
8
… i suoi fondamenti ...
Il ladder logic è un linguaggio che ricalca essenzialmente la rappresentazione
simbolica dei circuiti elettrici. Anche se può variare leggermente con la casa
costruttrice del PLC esso mantiene fondamentalmente gli stessi simboli e lo
stesso schema di programmazione. Senza entrare nel merito della questione
(sarà svolta una esercitazione dedicata a questo) possiamo individuare due
categorie fondamentali:
• gli ingressi (o contacts)
• le uscite (o coils).
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• Il programma eseguito dal PLC è codificato dal ladder diagram costituito da due
linee verticali laterali collegate fra loro tramite i rungs;
• Il funzionamento del programma è molto semplice: il PLC esamina
continuamente gli ingressi (scanning) e, in base allo stato di questi ed a quanto
codificato dal ladder diagram, aggiorna le uscite.
• Il tempo di scansione del programma (scan time) è variabile con il PLC e nella
maggior parte dei casi è dell’ordine dei millisecondi; per ladder diagram più
lunghi e complessi esso può aumentare.
I1
O1
I2
O2
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Lo scan time può essere suddiviso in tre fasi distinte:
i)
una fase di scansione degli ingressi;
ii) una fase di scansione del programma;
iii) una fase di aggiornamento dello stato delle uscite.
Infatti il PLC in un primo momento aggiorna le aree di memoria interne che
riflettono lo stato degli ingressi del sistema e poi passa alla valutazione logica
del programma eseguendo i vari rungs del ladder diagram producendo i nuovi
valori delle uscite.
Di conseguenza il PLC nella fase ii) è insensibile alle eventuali variazioni
degli ingressi (ingressi congelati) che saranno riconsiderati solo al successivo
scan time a meno di comandi di aggiornamento espliciti compresi nel ladder
diagram e non sempre presenti nel set di istruzioni di tutti i modelli.
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… l’indirizzamento logico
L’indirizzamento logico serve ad accedere in modo strutturato alle informazioni
contenute nella memoria del PLC; l'accesso può avvenire a livello dei singoli
bit, delle singole word (gruppo di 8, 16 o più bit) o di blocchi di due o più word
denominate files. La sintassi dei riferimenti a questi elementi può cambiare,
anche se di poco, con la ditta costruttrice.
Nel caso di un PLC Allen-Bradley PLC-5/500 il formato sarà del tipo:
separatori di campo
X f N f : e.s / b
tipo file
numero di bit
numero elemento
numero file
N.B.: il campo s si applica solo ai file di tipo C (counter), T (timer) e R (control).
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dove:
X f:
N f:
B = Bit o Binary
C = Counter
D = BCD
0 = Output
1 = Input
2 = Status
F = Floating Point
3 = Bit
I = Input
4 = Timer
N = Integer
5 = Counter
O = Output
6 = Control
R = control
7 = Integer
S = Status
8 = Floating Point
T = Timer
9...999 = altro
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l’indirizzamento degli ingressi e delle uscite di tipo on/off ha un formato
leggermente diverso:
separatori di campo
tipo file
(O = output, I = input)
numero chassis
(07)
numero di rack
(07)
X f : crg / b
numero di bit
[00oct17oct(*)]
numero di gruppo
(07)
(*) notate che il numero di bit è espresso in formato ottale; il numero di bit disponibili
sono 16, perciò b varia da 00oct a 17oct, cioè da 0 a 15 in decimale.
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Ad esempio:
• l'indice I:005/6 individua l'ingresso 6, del gruppo 5, del rack 0, dello chassis 0
• l’indice O:016/3 individua l'uscita 3, del gruppo 6, del rack 1, dello chassis 0
PLC
rack 0
rack1
rack2
I/O 1
I/O 3
I/O 5
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I componenti di un PLC
Una rappresentazione schematica di un moderno PLC comprende quattro
blocchi fondamentali:
• unità di ingresso
• unità di elaborazione
• unità di memoria
• unità di uscita
Ingresso
CPU
Uscita
Memoria
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I/O Analogici
I/O digitali
CPU
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L’Unità Centrale
L’unità centrale è il cervello del PLC (è dotata di un
suo sistema operativo) e svolge le stesse funzioni
CPU
586 Controller
della CPU di un comune calcolatore; date le difficili
condizioni ambientali nelle quali i PLC sono
normalmente impiegati, in essa è sempre previsto
uno stadio di controllo e diagnosi atto a rilevare e
segnalare lo stato di non corretto funzionamento
del dispositivo.
La CPU del PLC esegue tutte le operazioni
impostate da programma (ladder logic), produce i
valori di uscita in base ai segnali di ingresso,
gestisce le comunicazioni e le interazioni con i vari
componenti del sistema.
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La Sezione di Ingresso
La sezione di ingresso è la parte del PLC che consente
di connettere svariati tipi di dispositivi di ingresso:
sensori analogici (celle di carico, trasduttori di posizione,
ecc.) e a stati discreti (interruttori, contatori, fine-corsa,
ecc.). Se il numero degli ingressi lo richiede, possono
essere assemblati anche diversi moduli connessi fra loro
e posti in un singolo rack o, se necessario, su più rack
interconnessi. Il numero massimo di ingressi per un PLC
varia da poche decine, per i tipi più semplici, a svariate
migliaia, per quelli più sofisticati: ogni modulo ha in
genere 8 ingressi (bassa densità) che possono diventare
anche 32 (alta densità).
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Le operazioni fondamentali demandate a questa sezione del PLC sono:
i) protezione dell’unità centrale (ottenuta in genere mediante opto-isolatori)
ii) conversione dei segnali esterni in valori logici gestibili dall’unità centrale.
I moduli di ingresso discreti sono generalmente dotati di indicatori di stato (spie
luminose) che indicano quali ingressi sono attivi e spesso anche di indicatori di
corretto funzionamento.
I moduli di ingresso analogici sono di diverso tipo e possono rilevare i segnali
elettrici normalizzati in tensione o in corrente a seconda delle necessità.
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La Memoria
L’unità di memoria del PLC assolve a due funzioni fondamentali:
i) memorizzazione del sistema operativo e del programma utilizzato;
ii) memorizzazione dello stato del sistema (ingressi,uscite, valori temporanei, ecc.)
• La prima funzione è implementata su una
memoria non volatile e non modificabile tipo
ROM (Read-only Memory).
• La seconda funzione è implementata in
blocchi di memorie su cui sono memorizzati gli
stati degli ingressi e delle uscite (I/O image
tables). In essi gli stati dei singoli ingressi e
delle singole uscite del PLC sono
rappresentati dai valori assunti (0 o 1) da
altrettanti bit di memoria.
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La Sezione di Uscita
La sezione di uscita svolge la funzione opposta a
quella di ingresso in quanto consente di connettere al
PLC un'ampia gamma di dispositivi: visualizzatori,
strumenti e attuatori (elettrovalvole per fluidi, motori,
teleruttori, ecc). Anch'essa è organizzata in moduli,
con un numero di uscite variabile, che possono
essere, a seconda delle esigenze, sia discrete che
analogiche.
Anche per la sezione di uscita il numero massimo di
ingressi per un PLC varia da poche decine per i tipi
più semplici a svariate migliaia per quelli più sofisticati
(ogni modulo ha in genere 8 uscite che possono
aumentare fino a 32 nei moduli ad alta densità).
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L’operazione fondamentale demandata a questa sezione del PLC è quella di
modificare lo stato delle variabili di campo di uscita (variabili manipolabili) in base
ai risultati dell'elaborazione dello stato degli ingressi eseguita dal programma.
I moduli di uscita digitali sono generalmente dotati di spie luminose che segnalano
quando i fusibili di protezione delle uscite sono interrotti.
I moduli di uscita analogici possono generare i segnali elettrici normalizzati in
tensione o in corrente.
Oggi sono disponibili in commercio moduli di ingresso/uscita dedicati ad
applicazioni di controllo anche piuttosto complesse: per l’elaborazione di
immagine, per l’identificazione a radio frequenza, per le misure remote, per la
comunicazione tra PLC o tra PLC e calcolatore, per l’implementazione di
controlli PID, per la realizzazione di controlli fuzzy e così via.
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Esempi di PLC
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I terminali per PLC
La programmazione di un PLC può oggi essere fatta in diversi
modi. Il metodo più rapido e utilizzato ricorre all’uso di un
elaboratore esterno (che per comodità può anche essere un
computer portatile). In questo modo è possibile scrivere un
nuovo programma di gestione dell’impianto o modificare il
vecchio in modalità off-line, senza interrompere il ciclo di
produzione. Solo in un secondo momento il programma viene
caricato per sostituire il precedente. In alternativa si può ricorrere
a dispositivi di input palmari che hanno uno schermo di
dimensioni ridotte e permettono quindi di visualizzare solo poche
istruzioni per volta. Oggi, sono anche disponibili piccole
interfacce montate sul campo con il quale l’operatore può
interagire con il PLC o anche moduli di interfaccia touch screen.
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Lo standard IEC 61131
Lo standard IEC 61131 rappresenta il primo serio tentativo di uniformare a
livello internazionale il mondo dei PLC: esso si occupa di hardware, di
comunicazione, di linguaggi di programmazione e di altre cose attinenti questi
dispositivi.
In particolare la sezione IEC61131-3 tratta le variabili e i tipi di dati ed ha come
scopo principale quello di standardizzare (almeno a livello sintattico) i diversi
linguaggi di programmazione dei PLC. E’ noto infatti che PLC di marche
differenti o anche differenti modelli dello stesso costruttore possono avere
differenti ladder logic. Gli svantaggi principali di questo formalismo sono:
• la difficoltà di implementare funzioni matematiche complesse
• la necessità di ricordare le differenze fra i diversi software
• la difficoltà di usare programmi già sviluppati
• la laboriosità nel controllare l’esecuzione del programma.
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Lo standard, quindi, si pone come obiettivo la possibilità di utilizzare uno stesso
programma su PLC differenti. In esso sono specificati 5 tipi di linguaggi di
programmazione:
• Ladder Diagram
• Instruction List
• Structured Text
• Sequential Function Charts
• Function Block Diagram
che possono essere usati singolarmente o combinati a seconda delle necessità
e per ottimizzare il funzionamento del PLC in base alla specifica applicazione.
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• il LADDER DIAGRAM è probabilmente il linguaggio
di programmazione più utilizzato dai PLC. Utilizza
I1
I2
O1
un formalismo grafico che ben si adatta ad una
tecnologia hardware a relè.
• l’INSTRUCTION LIST è un linguaggio di
programmazione di basso livello che utilizza
LD I1
istruzioni testuali; molto simile all'Assembly, questo
LD I2
linguaggio è piuttosto difficile da usare ma molto
ST I1 AND I2
efficiente.
• lo STRUCTURED TEXT è un linguaggio di
programmazione testuale di alto livello strutturato
O1 = I1 AND I2
simile al Pascal; prevede l'uso di blocchi
condizionali, operatori matematici standard, ecc.
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• il SEQUENTIAL FUNCTION CHARTS è un
Start
linguaggio di programmazione che descrive
transition 1
graficamente un processo di controllo
sequenziale e si compone di fasi separate da
Fase 1
Calcola O1=I1&I2
transition 2
transizioni.
• il FUNCTION BLOCK DIAGRAM è un
linguaggio grafico semplice da gestire in quanto
I1
AND
O1
costituito da funzioni o blocchi elementari (che
implementano una data operazione o un
algoritmo) in cui le uscite sono prodotte non
I2
appena i dati sono forniti all’ingresso del blocco.
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In pratica il programma per un PLC può essere scritto in uno dei 5 linguaggi
brevemente illustrati anche se gli ultimi due sembrano avere maggiori possibilità
(applicazioni multi-tasking e controllo real-time) e garantire la modularità che è
una caratteristica ormai richiesta anche ai sistemi di misura e controllo.
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Alcune conclusioni e ...
Un PLC moderno ha diversi vantaggi rispetto ai precedenti sistemi di misura e
controllo; i più importanti sono:
•
la flessibilità di un computer;
•
il tipo di programmazione che ben si adatta ai tecnici dell’industria;
•
l’uso di componenti elettronici e non di dispositivi elettromeccanici;
•
una sufficiente modularità e riprogrammabilità;
•
una elevata immunità ai disturbi e una buona robustezza.
Grazie a queste peculiarità il PLC ha avuto (ed ha) un notevole impiego
nell’industria; è possibile trovarlo nei sistemi a nastro trasportatore, nei sistemi di
imballaggio, nelle catene di montaggio, nell’industria automobilistica, nel
controllo di macchine utensili, ecc. In questo contesto sono nate e si sono
sviluppate piccole aziende che realizzano un numero limitato di macchine con
PLC dedicati.
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… una buona alternativa
Di contro i costruttori di PLC offrono sistemi con hardware, software e protocolli
di comunicazione ancora proprietari che, in pratica, hanno impedito lo
svilupparsi di uno standard. In questa situazione, su un impianto non risulta
possibile assemblare pezzi di marchi differenti (CPU di una ditta, moduli I/O di
un’altra ditta, ecc.) cosicché l’utente è costretto ad usare componenti di uno
stesso costruttore per la realizzazione di un sistema di misura e controllo.
Di pari passo il PC, grazie alla standardizzazione dell’hardware (IBM
compatibile) e del software (Windows), è andato sempre più diffondendosi in
ambito industriale passando da strumento di programmazione del PLC a
dispositivo di controllo del processo produttivo.
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PC per il controllo industriale
• Tutto ciò è stato anche determinato dalla riduzione dei costi dell’hardware, dal
miglioramento dell’interfaccia utente, dalla possibilità di esportare i dati del
processo in altre applicazioni, dalla facilità di connessione in rete, dalla semplicità
della gestione del controllo a distanza.
• Sono stati prodotti quindi dei computer industriali che racchiudono i vantaggi dei
normali PC da tavolo e hanno la resistenza e l’immunità ai disturbi del PLC.
• I sistemi di controllo realizzati con PC possono essere fondamentalmente di due
tipi:
1) Soft Logic Control in cui il processo di misura e controllo ha priorità alta ma può
comunque essere interrotto da una procedura di servizio del sistema operativo;
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2) Real-Time Control in cui il processo di misura e controllo ha massima priorità e il
sistema operativo non ne può interrompere il funzionamento. In questo modo il
processo è completamente protetto dal sistema operativo e resta insensibile ad
eventuali crash di sistema.
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