Un Programmable Logic Controller (PLC) è un dispositivo elettronico progettato per controllare macchinari e processi industriali. I PLC sono fondamentali per l’automazione industriale e sono utilizzati per monitorare e gestire varie attività, dal controllo di linee di produzione complesse a operazioni più semplici come il controllo di motori o pompe. Possono infatti essere impiegati anche per semplici processi produttivi o semplici anelli di controllo logico in processi di automazione più articolati. Vediamo una breve (e non esaustiva) lista di applicazioni di un PLC
- controllo semafori
- controllo processi di depurazione
- controllo processi produttivi
- sistemi anti incendio
- sistemi antifurto
- gestione logica giostre
- controllo gestione rifiuti
- controllo e gestione accessi persone
- controllo e gestione accessi automezzi
- controllo sistemi di irrigazione complessi
- controllo del traffico mezzi in fabbriche
- controllo processi industriali
- controllo processi chimici
- controllo gestione energie
I PLC come abbiamo appena visto sono utilizzati in una vasta gamma di settori industriali, tra cui manifattura, automobili, chimica, energia e molte altre.
Alcune applicazioni comuni includono il controllo di sistemi di trasporto a nastro, linee di assemblaggio, macchine utensili, impianti di trattamento delle acque e sistemi di illuminazione.
Componenti principali di un PLC
Un PLC è composto da diversi componenti chiave: la CPU (Central Processing Unit), la memoria (RAM e ROM), i moduli di ingresso e uscita (I/O), l’alimentazione e i dispositivi di comunicazione. Ogni componente ha una funzione specifica e contribuisce al funzionamento complessivo del sistema.
La CPU del PLC
La CPU è il cervello del PLC. Si occupa dell’esecuzione dei programmi memorizzati, dell’elaborazione dei dati di ingresso, del controllo degli output e della gestione delle comunicazioni con altri dispositivi. La CPU opera secondo cicli di scansione, leggendo gli ingressi, eseguendo il programma utente e aggiornando le uscite. Vedi anche il nostro articolo che parla di come funziona un microprocessore Z80
Memoria RAM
La RAM (Random Access Memory) nel PLC è utilizzata per memorizzare dati temporanei e variabili che possono cambiare durante il funzionamento. Questa memoria è volatile, il che significa che i dati vengono persi quando l’alimentazione viene interrotta. La RAM è cruciale per l’elaborazione in tempo reale dei dati.
Memoria ROM
La ROM (Read Only Memory) è una memoria non volatile utilizzata per memorizzare il programma utente e i dati che non devono essere modificati durante il funzionamento. La ROM garantisce che il programma sia preservato anche in caso di interruzione dell’alimentazione, consentendo al PLC di riprendere il funzionamento corretto al riavvio. Esistono vari tipi di ROM, ne abbiamo parlato in questi articoli:
Come funziona una memoria EEPROM La memoria EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) è un tipo di memoria non volatile che può essere programmata e cancellata elettricamente. Essa conserva i dati anche quando l’alimentazione è spenta, rendendola ideale per applicazioni che richiedono la conservazione dei dati a lungo termine senza alimentazione continua. Le EEPROM sono comunemente utilizzate in vari dispositivi elettronici, come microcontrollori, sistemi embedded e schede di espansione.
Come funziona una memoria EPROM Una EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) è un tipo di memoria non volatile che può essere programmata e cancellata più volte. Questo tipo di memoria è utilizzato per conservare dati che devono rimanere intatti anche quando il dispositivo è spento, come il firmware dei computer o i programmi nei microcontrollori. La programmazione di una EPROM avviene applicando una tensione elevata (circa 27V ma controlla sempre il datasheet del modello di Eprom specifico) ai suoi terminali specifici, il che permette di scrivere i dati desiderati nelle celle di memoria. Una volta programmata, la EPROM mantiene i dati finché non viene esposta alla luce ultravioletta (UV), che permette di cancellare i dati e riprogrammare la memoria.
Moduli di Ingresso del PLC
I moduli di ingresso del PLC sono responsabili della raccolta dei segnali provenienti dai sensori e dai dispositivi esterni. Questi segnali possono essere digitali (on/off) o analogici (valori variabili). I moduli di ingresso convertono questi segnali in un formato che può essere elaborato dalla CPU. I moduli digitali sono generalmente disaccoppiati elettricamente dal circuito logico (CPU, RAM ecc.) attraverso l’impiego di fotoaccopiatori. Gli ingressi analogici invece, con le dovute protezioni elettriche, sono inviate ai convertitori analogico-digitali che convertono i segnali di tensione in codice binario.
Moduli di uscita del PLC
I moduli di uscita del PLC inviano segnali ai dispositivi di attuazione, come motori, valvole e luci. Come per i moduli di ingresso, le uscite possono essere digitali o analogiche. La CPU determina lo stato delle uscite in base alle logiche definite nel programma utente. Le uscite possono essere a relè (quindi a contatto elettromeccanico) oppure di tipo a stato solido (transistor, Mosfet, IGBT ecc.)
Alimentazione del controllore
Il modulo di alimentazione fornisce l’energia necessaria al funzionamento del PLC e dei suoi componenti. I PLC possono funzionare con varie tensioni di alimentazione, a seconda del modello e delle specifiche del produttore. L’affidabilità dell’alimentazione è cruciale per garantire il funzionamento continuo del sistema. Alcuni modelli richiedono alimentazione a 12V o 24V mentre altri sono alimentati dalla tensione di rete 230V c.a. e dispongono al loro interno di un alimentatore switching in grado di creare le tensioni di alimentazione necessarie, generalmente 3,3V o 5V per la logica e 12V per l’attuazione degli stadi di uscita a relè oppure a semiconduttore a stato solido.
Programmazione del PLC
I PLC sono programmati utilizzando linguaggi di programmazione specifici, come il linguaggio Ladder, il linguaggio di testo strutturato (ST), il linguaggio di blocchi funzionali (FBD) e il linguaggio di lista di istruzioni (IL). Questi linguaggi permettono di creare logiche di controllo complesse in modo relativamente semplice.
Interfacce di programmazione
Per programmare un PLC, gli ingegneri utilizzano software di sviluppo che forniscono un ambiente grafico per la scrittura, la simulazione e il debugging del programma. Questi strumenti facilitano la creazione e la gestione dei programmi, consentendo di visualizzare il funzionamento del sistema in tempo reale.
Ciclo di scansione
Il ciclo di scansione è il processo attraverso il quale la CPU del PLC legge gli ingressi, esegue il programma utente e aggiorna le uscite. Questo ciclo si ripete continuamente durante il funzionamento del PLC, garantendo una risposta rapida e continua ai cambiamenti nei segnali di ingresso. I PLC moderni includono funzionalità di diagnostica avanzate che aiutano a identificare e risolvere problemi di funzionamento. Questi strumenti di diagnostica possono monitorare lo stato del sistema, registrare eventi e avvisi, e fornire informazioni dettagliate per la manutenzione preventiva e correttiva.
Comunicazione con altri dispositivi
I PLC possono comunicare con altri dispositivi e sistemi tramite vari protocolli di comunicazione, come Modbus, Profibus, Ethernet/IP, RS-232, RS-485 e molti altri. Questa capacità di comunicazione è essenziale per integrare il PLC in reti più ampie e sistemi di controllo distribuiti. Noi abbiamo parlato ad esempio di questi:
Come funziona l’integrato interfaccia MAX232 Il MAX232 è un circuito integrato che serve come interfaccia tra segnali seriali a livelli logici TTL/CMOS e segnali RS-232. Questo integrato è ampiamente utilizzato in applicazioni di comunicazione seriale per adattare i segnali di tensione dei microcontrollori, che solitamente operano a 5V o 3.3V, ai segnali standard RS-232, che richiedono tensioni più elevate, generalmente comprese tra ±3V e ±15V. Il MAX232 utilizza un’architettura che comprende una serie di convertitori di tensione interni e amplificatori di segnale per garantire che la comunicazione tra dispositivi avvenga senza errori e con un’adeguata integrità del segnale.
Come funziona lo standard di comunicazione 485 La porta 485, conosciuta anche come RS-485, è uno standard di comunicazione seriale utilizzato principalmente in ambienti industriali e automazione. Questo standard offre una comunicazione robusta e affidabile su lunghe distanze e in ambienti rumorosi, rendendolo ideale per una vasta gamma di applicazioni. In questo articolo, esploreremo come funziona la porta 485, i suoi vantaggi e le sue applicazioni principali. La porta RS-485 è un’interfaccia di comunicazione seriale che utilizza un cavo a due fili per trasmettere dati. È nota per la sua capacità di supportare reti multi-punto, dove più dispositivi possono comunicare sulla stessa linea di trasmissione. Questo la rende molto utile in ambienti dove è necessario collegare molti dispositivi su grandi distanze.
Affidabilità, sicurezza e robustezza dei PLC
I PLC sono progettati per operare in ambienti industriali difficili, dove sono esposti a temperature estreme, polvere, vibrazioni e interferenze elettriche. La robustezza e l’affidabilità dei PLC li rendono adatti a queste condizioni estreme, garantendo un funzionamento continuo e sicuro. La sicurezza è un aspetto fondamentale nell’uso dei PLC, soprattutto in applicazioni critiche. I PLC includono funzionalità di sicurezza per prevenire guasti e proteggere operatori e macchinari. Queste funzionalità possono includere protezioni contro sovraccarichi, interblocchi di sicurezza e procedure di arresto di emergenza.
Espandibilità dei PLC
I PLC possono essere facilmente espansi aggiungendo moduli di ingresso/uscita aggiuntivi o moduli di comunicazione. Questa espandibilità permette di adattare il sistema alle crescenti esigenze dell’applicazione senza dover sostituire completamente il PLC. Un esempio pratico di applicazione del PLC è il controllo di una linea di produzione automatizzata. In questo contesto, il PLC monitora i sensori lungo la linea, coordina le operazioni dei robot di assemblaggio, gestisce i trasportatori a nastro e assicura che tutti i componenti siano assemblati correttamente. I PLC offrono numerosi vantaggi rispetto ai tradizionali sistemi di controllo tra cui maggiore flessibilità, facilità di programmazione, diagnostica avanzata, affidabilità superiore e capacità di comunicazione. Questi vantaggi contribuiscono a migliorare l’efficienza e la produttività delle operazioni industriali. I PLC stanno diventando sempre più potenti e integrati con funzionalità avanzate come l’intelligenza artificiale e l’Internet of Things (IoT). Queste innovazioni stanno aprendo nuove possibilità per l’automazione e il controllo industriale, rendendo i PLC strumenti ancora più versatili e indispensabili.
Display e segnalazioni dei PLC
Di PLC ne esistono di tanti tipo, alcuni provvisti di display a matrice in grado di visualizzare un grande numero di informazioni e di accedere – attraverso una tastiera – a tutte o ad alcune funzionalità. Altri modelli, dispongono di un certo numero di spie a led che indicano lo stato logico di ogni ingresso (1/0), lo stato logico delle uscite (1/0), la presenza di alimentazione o eventuali segnalazioni di errore o guasto. Le spie luminose sono particolarmente utili in fase di test e di diagnosi in quanto consentono di vedere immediatamente lo stato di ogni ingresso ed ogni uscita del PLC. In caso ad esempio uno stato di ingresso non corrisponda a quanto dovrebbe, si può procedere al controllo dei sensori dell’impianto o dei cablaggi per capire la natura del guasto. In caso di incoerenza di uno stato di uscita, si può verificare la corretta presenza degli stati di ingresso oppure il corretto svolgimento del programma.
Collegamento di più PLC in cascata
I PLC collegati in cascata rappresentano una configurazione avanzata utilizzata in sistemi di controllo complessi, dove diversi PLC devono collaborare per gestire processi produttivi articolati. Questa configurazione consente di suddividere il controllo in più livelli o segmenti, ciascuno gestito da un PLC dedicato, con comunicazioni coordinate tra i vari PLC per garantire un controllo integrato ed efficiente dell’intero processo.
Il collegamento in cascata di PLC offre numerosi vantaggi: Scalabilità: La possibilità di aggiungere nuovi PLC consente di espandere il sistema di controllo in base alle esigenze crescenti del processo produttivo. Affidabilità: La suddivisione del controllo su più PLC riduce il rischio di guasti totali del sistema. Se un PLC fallisce, gli altri possono continuare a operare indipendentemente. Specializzazione: Ogni PLC può essere programmato per gestire specifiche parti del processo produttivo, migliorando l’efficienza e la precisione del controllo. Flessibilità: La configurazione modulare consente di modificare o aggiornare singoli segmenti del sistema senza dover riprogettare l’intero impianto.
In un sistema a cascata, i PLC sono tipicamente organizzati in una gerarchia di livelli:
Livello superiore: Questo livello spesso include un PLC master o un sistema di controllo centrale (come un SCADA) che coordina i PLC subordinati e gestisce la supervisione generale del processo. Livello intermedio: Può includere PLC che controllano sottoprocessi specifici o sezioni principali della produzione. Questi PLC ricevono istruzioni dal livello superiore e comunicano con i PLC di livello inferiore. Livello inferiore: Comprende PLC che gestiscono operazioni più dettagliate e locali, come il controllo di singoli macchinari o linee di produzione. Questi PLC raccolgono dati dai sensori e attuano comandi direttamente sugli attuatori.
Comunicazione tra diversi PLC
La comunicazione tra i PLC in cascata avviene attraverso vari protocolli di rete industriale, come: Ethernet/IP: Un protocollo di comunicazione industriale standard basato su Ethernet. Profibus/Profinet: Ampiamente utilizzati in ambienti di automazione industriale per comunicazioni affidabili e veloci. Modbus: Un protocollo di comunicazione semplice e diffuso che permette la connessione tra dispositivi di vari produttori.
Coordinamento dei processi
Nel controllo dei processi produttivi, i PLC in cascata devono coordinarsi per: Sincronizzare le operazioni: Assicurarsi che le varie fasi della produzione siano sincronizzate correttamente per evitare colli di bottiglia o incongruenze. Condividere dati in tempo reale: Scambiare informazioni cruciali sullo stato del processo, i parametri operativi e gli allarmi. Gestire la ridondanza: Implementare meccanismi di backup e failover per garantire che un guasto in un PLC non comprometta l’intero sistema (soprattutto in processi legati alla sicurezza ed alla prevenzione di problemi gravi).
Esempio di applicazione di PLC in comunicazione
Un esempio pratico di PLC collegati in cascata è in una fabbrica di produzione automobilistica: Livello superiore: Un sistema SCADA centralizzato monitora l’intera linea di produzione e fornisce istruzioni ai PLC di livello intermedio. Livello intermedio: PLC specifici gestiscono sezioni della linea, come l’assemblaggio del telaio, la verniciatura e l’installazione dei componenti interni. Livello inferiore: PLC locali controllano operazioni dettagliate, come il posizionamento dei robot di saldatura, il movimento delle linee di trasporto e il controllo qualità finale. La sincronizzazione è cruciale per il successo di un sistema a cascata. Ogni PLC deve operare con precisione temporale per garantire che le operazioni successive siano pronte a tempo debito. Ad esempio, nel caso di una linea di montaggio, il PLC che gestisce l’installazione del motore deve aspettare che il PLC che controlla l’assemblaggio del telaio completi il suo ciclo.
Un sistema di PLC in cascata include solitamente funzionalità avanzate di monitoraggio e diagnostica, che permettono di: Rilevare e isolare i guasti: Identificare rapidamente i problemi e isolarli per prevenire l’interruzione del processo produttivo. Ottimizzare le operazioni: Analizzare i dati di produzione in tempo reale per identificare inefficienze e migliorare le prestazioni del sistema. Gestire la manutenzione preventiva: Utilizzare i dati raccolti per programmare interventi di manutenzione prima che si verifichino guasti critici.
L’implementazione di un sistema di PLC in cascata richiede una pianificazione accurata e una configurazione precisa. Gli ingegneri devono: Progettare l’architettura del sistema: Determinare la suddivisione dei compiti tra i vari PLC e stabilire le gerarchie di controllo. Configurare le reti di comunicazione: Assicurarsi che tutti i PLC possano comunicare efficacemente utilizzando i protocolli appropriati. Scrivere e testare i programmi: Creare logiche di controllo che garantiscano il funzionamento coordinato e sicuro dell’intero sistema.
Alcune caratteristiche tecniche dei PLC
- numero ingressi logici
- numero ingressi analogici
- numero uscite
- tipo uscite (relè, stato solido ecc)
- tipo alimentazione (12V, 24V, 230V ecc.)
- tipo montaggio (generalmente su barra DIN)
- ingombro moduli barra DIN
- misure esterne
- tipo di RAM
- tipo di processore
- velocità processore
- tipo e numero porte esterne (es. RS232, RS485, Ethernet ecc.)
- eventuali porte espansione I/O
- consumo energetico (in Watt)
- memoria del programma
- memoria dati
- numero totale di contatori (es. 256)
- numero timer (es. 256)
