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Il linguaggio grafico a contatti
Diagramma a contatti, ladder, diagramma a scala sono nomi
diversi usati per indicare la stessa cosa, il codice grafico per
la programmazione dei PLC con il linguaggio a contatti.
Il ladder, relativo a ogni specifica applicazione, può essere disegnato dopo aver terminato lo studio del comando e averlo
sintetizzato nello schema funzionale.
1. Conversione del diagramma a relè in schema a contatti
Consideriamo lo schema a relè del circuito di autoritenuta
della figura 1, detto anche di marcia e arresto, che costituisce una delle possibili forme di schema funzionale.
In esso compaiono gli elementi principali della logica a relè
ovvero contatti NA (PM e u), contatti NC (PA ), bobine (U), collegamenti; la freccia y indica il flusso di potenza, la freccia x
individua il flusso logico.
Lo schema a relè è trasformabile in diagramma a contatti mediante le seguenti semplici modifiche:
●
Fig. 1. Circuito di autoritenuta.
●
●
●
●
le linee che rappresentano l’alimentazione vengono disegnate verticalmente;
i simboli dei contatti NA, di quelli NC e delle bobine vengono semplificati come mostrato nella figura 2;
ogni circuito viene disegnato in posizione orizzontale invece che verticale;
il flusso di potenza va da sinistra verso destra;
il flusso logico va dall’alto verso il basso.
Fig. 2. Principali simboli grafici del linguaggio a contatti.
Fig. 3. Diagramma a contatti
del circuito di autoritenuta.
Con tali convensioni lo schema del circuito di autoritenuta
della figura 1 si trasforma facilmente nel diagramma a contatti della figura 3; la linea verticale sinistra, detta barra, può
essere pensata come la linea in cui è presente la tensione,
quella destra come la linea posta a massa; il flusso di energia può andare pertanto solo da sinistra verso destra ed è
pertanto all’estremità destra che deve essere posta la bobina
da azionare.
Lo schema della figura 1 è costituito da un solo circuito; a
esso corrisponde un diagramma a contatti a una sola linea
logica; quando nello schema ci sono più circuiti, le linee che
li rappresentano vengono poste in parallelo alla prima,
dando luogo a un’immagine grafica molto vicina a quella di
COMANDI
PROGRAMMABILI
(PLC) 203
39 – Il linguaggio grafico a contatti
una scala a pioli (fig. 4); da questa somiglianza discendono i
nomi ladder o diagramma a scala.
La linea di massa può anche essere omessa; tutto il tratto
della linea logica a sinistra della bobina è detto zona test.
I contatti NA e NC, se uniti da linee orizzontali, realizzano
la funzione AND, se uniti in verticale realizzano la funzione OR.
Fig. 4. Forma a scala del diagramma a contatti.
Con riferimento alla figura 3 i contatti PM e u realizzano la
somma logica OR (PM u) essendo collegati in parallelo; tale
somma è messa in AND, ovvero in serie, con il contatto NC
PA per dare come risultato finale la funzione logica:
U (PM u)PA
dove con la lettera maiuscola U è individuata la bobina del
relè, mentre con la lettera minuscola corrispondente u è identificato un contatto NA dello stesso relè.
Nelle figure 5, 6, 7 e 8 sono descritte le trasformazioni rela-
Fig. 5. Trasformazione in diagramma a contatti di uno
schema elettrico funzionale
con bobine parallele.
Fig. 6. Trasformazione in diagramma a contatti di uno
schema elettrico funzionale
con diramazioni.
Fig. 7. Trasformazione in diagramma a contatti di uno
schema elettrico funzionale
con ponticello continuo.
204 COMANDI
PROGRAMMABILI
(PLC)
39 – Il linguaggio grafico a contatti
Fig. 8. Trasformazione in diagramma a contatti di uno
schema elettrico funzionale
con ponticello interrotto.
tive ad alcuni casi particolari, mettendo in evidenza l’errore
che deve essere evitato.
Il ladder operativo reca i codici d’identificazione di ogni elemento funzionale in sostituzione di quelli alfanumerici generalmente usati nello schema funzionale (per esempio PM,
PA, ecc. saranno sostituiti da E0, 0, E0, 1, ecc. secondo la tabella di configurazione I/O).
2. Programmazione di un sequenziatore logico
Il sequenziatore logico è un dispositivo, realizzabile con tecnologia pneumatica o elettrica o elettronica, che funziona secondo il principio delle memorie di fase; il suo impiego è molto
diffuso in automazione poiché consente di risolvere, abbastanza facilmente, qualsiasi problema di logica sequenziale.
Indipendentemente dalla tecnologia con cui è costruita, ciascuna memoria di fase è un modulo logico standard composto da:
●
●
●
una memoria a disattivazione prevalente;
un elemento AND;
un elemento OR.
Il sequenziatore è costituito dal collegamento di tanti moduli quante sono le fasi del comando.
Il modulo n, quando viene attivato, attraverso l’elemento
AND del modulo precedente n 1 provoca le tre azioni seguenti:
●
●
●
attivazione dell’uscita di fase (n);
azzeramento della memoria precedente (n 1);
predisposizione della memoria successiva (n 1).
L’attivazione dell’uscita consente tutte le azioni degli attuatori che devono avvenire nella fase ad essa corrispondente.
L’azzeramento della memoria n 1 avviene attraverso l’elemento OR; la memoria n 1 viene invece predisposta attivando un ingresso dell’elemento AND in modo che, all’arrivo
del segnale di consenso, possa essere generato il comando
della fase successiva.
COMANDI
PROGRAMMABILI
(PLC) 205
39 – Il linguaggio grafico a contatti
Per ottenere un simile comportamento con il PLC è necessario programmare una linea logica come indicato in figura 9;
l’autoritenuta si rende necessaria per svincolare l’uscita di
fase dalla durata dei segnali di predisposizione e di consenso.
3. Istruzioni di temporizzazione
Fig. 9. Linea logica per la simulazione di una memoria di
fase.
Fig. 10. Sintassi dell’istruzione di temporizzazione.
Ogni PLC è in grado di fornire contemporaneamente un certo
numero di temporizzatori (timer); questi, come mostra la figura 10, sono costituiti da un ingresso di lancio, una bobina
d’uscita e un valore preset di ritardo, che può essere impostato tra un valore minimo e un valore massimo dipendente
dal modello di PLC.
Le condizioni d’ingresso possono essere espresse da una qualsiasi combinazione di logica a contatti.
Il tipo di timer prevalentemente simulato è quello ritardato
all’eccitazione, detto a decremento, il cui funzionamento è
il seguente: esso viene attivato quando sono verificate le condizioni d’ingresso, quindi il ritardo impostato decrementa finché raggiunge lo zero; a questo punto viene attivata la bobina d’uscita che a sua volta resta attiva fino a quando le
condizioni d’ingresso non sono più verificate.
Ogni timer ha un numero illimitato di contatti NA ed NC
che possono essere usati in qualsiasi punto del programma.
Fig. 11. Esempio di programmazione di un timer.
Nell’esempio della figura 11 le condizioni d’ingresso sono rappresentate dall’AND tra I1, che è un contatto NA, e I2, che è
un contatto NC, per cui sono verificate non appena viene attivato I1; a partire da questo istante il timer T1 inizia il conteggio dei 4,5 secondi, terminato il quale attiva la sua bobina
d’uscita; questa resterà attivata finché non si verifica una delle
due condizioni: attivazione di I2 o disattivazione di I1.
Altri tipi di temporizzazione (ritardo alla diseccitazione, ritardo ad intermittenza, ecc.) si possono ottenere in fase di
programmazione combinando il timer con altri elementi logici o sequenziali.
4. Istruzioni di conteggio
I contatori elettromeccanici sono dispositivi che commutano
i loro contatti dopo che un evento si è verificato un numero
di volte preimpostato; vengono molto impiegati nell’automazione dei processi produttivi; possono essere di due tipi:
●
Fig. 12. Istruzione di conteggio unidirezionale.
206 COMANDI
PROGRAMMABILI
(PLC)
●
unidirezionali (a incremento o a decremento),
reversibili.
Nei PLC vengono simulati entrambi; ogni contatore del primo
tipo è costituito da un ingresso di conteggio, un ingresso di
riassetto, una bobina d’uscita, un valore di preselezione di
conteggio (preset) e un registro di conteggio corrente.
Come si può osservare dalla figura 12 i contatori, a differenza
39 – Il linguaggio grafico a contatti
dei timer, richiedono due linee logiche per controllare il loro
funzionamento: la condizione d’ingresso e la condizione
d’azzeramento o di riassetto; ciascuna di queste due linee
può essere costituita da una qualsiasi combinazione logica di
contatti.
La condizione d’ingresso stabilisce quando il registro di conteggio va incrementato (o decrementato).
Quando questa condizione commuta da off a on il valore corrente viene aumentato di 1; per registrare un altro incremento
(o decremento) la linea d’ingresso deve prima interrompersi
per poi far avvenire un’altra transizione da off a on.
La condizione d’azzeramento, ovvero la seconda linea logica,
controlla la messa a zero del valore corrente di conteggio;
ovviamente questo vale nel caso del contatore a incremento
mentre, nel caso di quello a decremento, il valore corrente
di conteggio viene posto pari al valore di preselezione.
Il valore preset di conteggio può essere impostato dall’utente
tra un minimo e un massimo che dipende dal modello del PLC.
I contatori reversibili sono costituiti come quelli unidirezionali con l’aggiunta di un ingresso d’incremento Up, mentre
l’altro (quello di decremento) prende il nome di Down.
Fig. 13. Istruzione di conteggio reversibile.
Il loro funzionamento è illustrato nella figura 13: il contatore
incrementa o decrementa di uno il valore di conteggio ogni
volta che si verificano le condizioni d’ingresso Up o quelle
d’ingresso Down; l’uscita del contatore si attiva solo quando
il valore di conteggio è stato incrementato o decrementato
fino al valore preset; quando i segnali Up e Down sono contemporanei non si verifica alcun conteggio.
I contatori sono sempre ritentivi.
COMANDI
PROGRAMMABILI
(PLC) 207
Esercizi
■
39 Il linguaggio grafico a contatti
Esercizio 1. Il linguaggio grafico a
contatti
Trasformare lo schema elettrico della figura 14,
relativo al comando elettropneumatico del ciclo
automatico/semiautomatico A A di un cilindro
pneumatico a d.e., in diagramma a contatti.
Fig. 14.
Soluzione
Il risultato è riportato in figura 15.
è riportato in figura 17; sono presenti cinque segnali bloccanti; utilizziamo il metodo del sequenziatore simulandolo con il PLC.
In base alla figura 9 e alla configurazione I/O
della figura 18a si ottiene il diagramma ladder
della figura 18b.
Ciascuna uscita è indicata con On, dove n è il numero della fase; i movimenti corrispondenti sono
riportati a lato di ogni linea logica; il ciclo ha
otto fasi e pertanto si hanno otto linee logiche;
si può verificare, per esempio, che quando viene
attivata l’uscita O4, collegata al lato negativo del
distributore di B, si ha:
● la corsa di ritorno del cilindro B;
● la disattivazione dell’uscita precedente O3; ciò
avviene attraverso l’apertura del contatto NC
O4 posto in serie al contatto di autoritenuta
della bobina;
● la predisposizione della bobina di fase successiva O5; ciò avviene attraverso la chiusura
del contatto NA O4, che è posto in serie al finecorsa b0 ovvero al segnale che avvisa il controllore del termine della fase B.
I collegamenti dei finecorsa e delle elettrovalvole
con gli ingressi e le uscite del PLC, per ottenere
Fig. 15.
■
Esercizio 2. Sequenziatore logico
Disegnare il ladder per comandare con il PLC il
ciclo automatico A A B B C D D C
di quattro cilindri pneumatici a d.e.
Soluzione
Il blocco di potenza del comando da realizzare
è quello della figura 16; il diagramma delle fasi
Fig. 16.
Circuito
di potenza
con 4 cilindri a d.e.
208 COMANDI
PROGRAMMABILI
(PLC)
Fig. 17.
39 – Il linguaggio grafico a contatti
il funzionamento desiderato, devono essere
quelli schematicamente indicati nella figura 19
che si riferisce ad un generico PLC.
a)
Fig. 18. a) Configurazione I/O; b) diagramma a contatti.
b)
Fig. 19. Cablaggio I/O.
COMANDI
PROGRAMMABILI
(PLC) 209
39 – Il linguaggio grafico a contatti
■
Esercizio 3. Temporizzatore
Attivare un dispositivo di campo, con un certo ritardo dalla commutazione di un selettore su on,
e disattivarlo con un altro ritardo dopo la commutazione del selettore su off.
Soluzione
Il risultato è dato in figura 20 dove sono stati
usati due timer per fornire, per esempio, ritardi
di 8 e di 4 s.
Fig. 20. Ritardo all’eccitazione e alla diseccitazione.
■
Esercizio 4. Comandi temporizzati
di un attuatore pneumatico
Disegnare il diagramma a contatti per ottenere
con il PLC i seguenti comandi temporizzati del cilindro pneumatico della figura 21:
● corsa A con ritardo dall’azionamento del
pulsante di marcia;
● corsa A con ritardo dall’azionamento del
pulsante di marcia;
● corsa A con ritardo dal rilascio del pulsante
di marcia;
● corsa A con ritardo dal rilascio del pulsante di
marcia.
Soluzione
La corsa A con ritardo dall’azionamento del
pulsante di marcia si ottiene con il ladder di figura 22; la bobina del timer si attiva dopo 4 s dal
verificarsi delle condizioni d’ingresso che sono
costituite dall’azionamento di PM; il contatto NA
del timer che comanda l’elettrovalvola A si
chiude quindi con 4 s di ritardo dopo che PM è
stato premuto.
Nel caso della corsa A con ritardo dall’azionamento del pulsante di marcia, la posizione di partenza è quella con stelo avanzato per cui indipendentemente da PM l’elettrovalvola A deve essere attiva e questo è quanto accade con il programma della figura 23.
Inserendo nel PLC il programma derivante dal
ladder della figura 24, all’azionamento di PM si
eccita l’elettrovalvola e pertanto si ha la corsa
A; finché si tiene premuto PM il suo contatto
NC fa sì che il timer sia inattivo e che A rimanga
eccitata; non appena si rilascia PM si chiude tale
contatto, ed essendo chiuso anche quello NA
della bobina A, si verificano le condizioni d’ingresso che lanciano il temporizzatore, il quale
210 COMANDI
PROGRAMMABILI
(PLC)
Fig. 22.
Fig. 21. Circuito di potenza.
Fig. 23.
Fig. 24.
Fig. 25.
passati 8 s apre il suo contatto NC, diseccita la
bobina A e consente il rientro dello stelo, ottenendo la corsa di ritorno con ritardo dal rilascio del pulsante di marcia.
Con riferimento al diagramma a contatti della figura 25, premendo PM si ha la corsa A poiché
39 – Il linguaggio grafico a contatti
il contatto NC del relè ausiliario interno si apre
e quindi si diseccita l’elettrovalvola.
Lasciando PM si chiude il contatto NC dell’ultima
linea del diagramma e, poiché il relè interno è
eccitato, si verificano le condizioni di lancio del
temporizzatore che, trascorsi 10 s, apre il suo contatto NC diseccitando la bobina di controllo interna, si chiude il contatto NC della seconda linea logica e si eccita la bobina A.
■
Esercizio 5. Impiego dei contatori
Disegnare il ladder per comandare con il PLC il
ciclo automatico con corse ripetitive A A A
A B B B B.
Soluzione
Il circuito di potenza è ancora quello della figura 16; la tabella del ciclo è data in figura 26;
il segnale b0 nella prima fase comanda A, mentre nella settima fase aziona B; il segnale a0
nella terza fase comanda A, mentre nella
quinta fase aziona B.
Il metodo del contatore richiede un cablaggio
particolare nei due casi di realizzazione pneumatica ed elettropneumatica; è invece di applicazione immediata, con la simulazione del contatore da parte del PLC.
Tab. 1.
Contatore
Ingresso
Riassetto
C1
a0
C2 PR
C2
b0
C2 PR
a)
Fig. 26.
Essendo necessario il riassetto del sistema occorre
prevedere un pulsante PR che riporta il comando
nelle condizioni iniziali. Le equazioni booleane
del ciclo sono:
A PM a0 C1
A al
B b0 C1
B b1
Nella prima e nella terza equazione troviamo rispettivamente a0 e b0 perché ricordiamo che
come primi segnali si devono intendere quelli
che si attivano dopo la partenza del ciclo, per cui
il primo a0 è quello della terza fase mentre il
primo b0 è quello della settima fase.
Per ogni contatore occorre definire le condizioni
di ingresso e di riassetto; nel nostro caso avremo
quanto sintetizb)
zato in tabella 1.
Seguendo
le
equazioni logiche e la configurazione I/O della
figura 27a si può
disegnare il diagramma ladder
della figura 27b.
I due contatori
sono preimpostati a 2 perché
a0 e b0 comandano rispettivamente B e A
alla loro seconda
presenza.
Fig. 27. a) Configurazione I/O; b) ladder.
COMANDI
PROGRAMMABILI
(PLC) 211