L'automazione consiste nell'impiego di tecnologie in grado di ridurre o sostituire l'intervento dell'uomo nella produzione di beni e servizi e nel controllo dei processi, utilizzando macchine in grado di svolgere autonomamente determinati compiti. Questo è possibile usando:

• sensori che forniscono informazioni sul sistema
• sistemi elettronici che elaborano le informazioni e decidono come intervenire sul sistema
• attuatori che intervengono sul sistema

Il ricorso all'automazione è particolarmente vantaggioso quando le operazioni da svolgere sono ripetitive ed è richiesta precisione, velocità di esecuzione e uniformità nel risultato. Il risultato è:

• elevata produttività
• qualità e uniformità dei risultati
• diminuzione¹⁾ dei costi (risparmio energetico, ottimizzazione delle risorse e dei materiali, minori tempi di lavorazione)
• minore fatica e maggiore sicurezza per gli operatori (ambienti nocivi, lavorazioni pericolose)

Un sistema di automazione può essere anche molto complesso e il suo controllo, un tempo affidato a circuiti progettati per svolgere una specifica funzione, è sempre più spesso affidato a dispositivi digitali a microprocessore. Esistono dunque due soluzioni alternative:

• logica cablata
• logica programmabile

La logica cablata ha ancora senso per applicazioni molto semplici, come un azionamento marcia-arresto di un motore. In questo caso il comando è affidato a dispositivi come relè e temporizzatori installati in un quadro e collegati in modo da realizzare una certa logica. La stessa funzione però può essere svolta sostituendo tutti i componenti con un dispositivo digitale - un PLC o un microcontrollore - programmato opportunamente. Questa seconda soluzione presenta molti vantaggi:

• le possibilità offerte dalla logica programmabile sono molto maggiori, sia in termini di complessità che di velocità
• i consumi, l'usura e l'affidabilità sono nettamente migliori
• ingombri e cablaggi sono molto ridotti
• la flessibilità del sistema è molto maggiore: apportare modifiche o estendere il sistema comporta la sola riscrittura del programma invece che la realizzazione di un nuovo circuito e l'installazione di nuovi componenti
• i costi di sviluppo sono bassi perché si utilizzano componenti standard e la progettazione coinvolge prevalentemente la parte software
• la supervisione del sistema e l'interfacciamento con dispositivi digitali semplificano la gestione
• il debugging e la messa a punto sono molto più semplici

Di contro un sistema a logica programmabile è più complicato da utilizzare e richiede una formazione specifica, mentre la logica cablata è facilmente comprensibile da tutti gli operatori del settore, anche non specializzati.

Un PLC (programmable logic controller o controllore a logica programmabile) è un tipo di computer utilizzato nel campo dell'automazione industriale specializzato nel controllo dei processi produttivi.

I compiti svolti da un PLC vanno dal realizzare semplici sequenze di operazioni al controllo delle movimentazioni alla realizzazione di sofisticati sistemi di controllo distribuiti, dove più PLC collaborano nella gestione di sistemi complessi scambiandosi informazioni.

I primi PLC sono stati sviluppati dalla General Motors alla fine degli anni '60; il loro compito era sostituire i circuiti in logica cablata, con relè e timer, nelle linee di produzione dell'industria automobilistica. In quel settore l'avvento del PLC è stata una vera rivoluzione perché nelle linee di assemblaggio, caratterizzate da impianti che richiedono frequenti aggiornamenti, la soluzione in logica cablata richiedeva un nuovo cablaggio e l'installazione di nuovi componenti per ogni modifica con tempi, costi, ed errori conseguenti. Il passaggio ad una soluzione a microprocessore ha semplificato la progettazione e la manutenzione, migliorato l'efficienza e abbassato i costi. Questa soluzione però richiedeva l'uso di computer specializzati, con caratteristiche di affidabilità, robustezza e prestazioni che un computer tradizionale non poteva garantire.

Il PLC non è l'unica soluzione a microprocessore per l'automazione ma risulta la più conveniente se il sistema è progettato su misura in un unico esemplare ed è soggetto a frequenti modifiche. In questo caso i costi di sviluppo e manutenzione sono minori perché il PLC offre:

• una soluzione hardware standardizzata e già pronta per l'uso
• componentistica robusta, testata ed affidabile
• un sistema facile da installare e interfacciare
• un sistema facile da utilizzare e programmare

Le soluzioni alternative - microcontrollore o PC - risultano invece convenienti quando:

• si producono un numero di esemplari che consente di ammortizzare il costo di sviluppo (produzione di massa)
• non sono previste modifiche o aggiornamenti successivi
• sono richieste prestazioni elevate

I PLC sono computer a tutti gli effetti: eseguono programmi e hanno un'architettura hardware con: microprocessore, memoria di massa, memoria RAM, ingressi e uscite, bus di comunicazione. Tuttavia, rispetto ad un normale PC, si differenziano sia per l'hardware che per il software.

L'hardware di un PLC:

• usa componentistica con prestazioni nettamente inferiori a quelle di un PC
• è progettato per lavorare in ambienti industriali (umidità, temperatura, vibrazioni, disturbi, blackout)
• è particolarmente robusto e fatto per durare molti anni
• è facilmente interfacciabile (ingressi e uscite sia digitali che analogiche)
• è predisposto per funzionare in rete con altri dispositivi secondo protocolli e standard specifici per applicazioni industriali

Il software di un PLC si distingue per:

• il sistema operativo che gestisce l'hardware, diverso da quello di un PC, ma estremamente affidabile e real-time, cioè in grado di garantire una risposta alle sollecitazioni in ingresso entro un tempo massimo
• la facilità di programmazione, perché si usa un linguaggio grafico derivato dagli schemi funzionali che è facile da imparare e interpretare e perché esistono strumenti per il debugging, la simulazione e supervisione del funzionamento del PLC

I PLC sono disponibili in forma:

• compatta, con tutti i componenti fondamentali integrati in un unico involucro (ad esempio il modello S7-1200 di Siemens)²⁾
• modulari, dove i dispositivi sono disponibili su singoli moduli installati in un rack e collegati tra loro (ad esempio il modello S7-1500 di Siemens)

Un PLC compatto contiene:

• un alimentatore
• la CPU
• una memoria di lavoro volatile (RAM)
• una di programma (ROM, flash, EEPROM) non volatile
• schede di ingresso e uscita, sia digitali che analogiche
• una porta di comunicazione

Le caratteristiche dei componenti non sono nemmeno paragonabili a quelle di un PC - valori tipici potrebbero essere 1 MB di memoria di programma, 100 KB di memoria di lavoro e una CPU da 100 MHz - ma le prestazioni risultano adeguate perché i compiti da svolgere sono semplici e non richiedono grandi potenze di calcolo.

Le possibilità di interfacciamento in ingresso e uscita sono il vero punto di forza dei PLC. Di solito sono disponibili:

• molti ingressi digitali (di solito a 24V)
• pochi di ingressi analogici che accettano tensioni da 0 a 10 Volt (o correnti da 4 a 20 mA)
• molte uscite digitali, a relé o a transistor
• poche (o nessuna) uscite analogiche

Grazie a questi è possibile collegare:

• sensori (finecorsa, sensori di posizione, sensori di prossimità, temperatura, pressione, ecc.)
• attuatori (motori, solenoidi, relè, elettrovalvole, sistemi pneumatici o idraulici, ecc.)

La porta di comunicazione, che usa un bus e dei protocolli specifici per automazione industriale (ad esempio il Fieldbus) su un mezzo fisico (in genere Ethernet), consente lo scambio di informazioni:

• tra PLC e PLC
• tra PLC e PC
• via web

L'interazione con i PLC avviene attraverso le HMI (human machine interface), cioè le interfacce uomo-macchina. Le HMI servono per:

• il comando
• la segnalazione e gli allarmi
• la configurazione del sistema di automazione
• la supervisione
• generare report e analisi del processo

I compiti più semplici possono essere affidati a lampade, spie e pulsantiere altrimenti si impiegano display LCD, pannelli touchscreen o sofisticati sistemi SCADA dove il controllo e la supervisione sono demandati a computer collegati in rete con software dedicati. I PLC più recenti offrono anche la funzionalità webserver per svolgere queste funzioni.

Per programmare un PLC è necessario collegarlo a un computer con un cavo Ethernet e usare il software proprietario del produttore del PLC (ambiente di sviluppo) installato su PC. Purtroppo non c'è compatibilità tra i vari produttori perché sia il software per la programmazione che i linguaggi si diversificano leggermente tra loro.

L'ambiente di programmazione per PLC offre molte funzionalità:

• creazione dei programmi con uno o più linguaggi di programmazione
• verifica e compilazione dei programmi
• upload e download del programma (PC → PLC e viceversa)
• simulazione del programma (utile e vantaggiosa economicamente perché permette di testare e perfezionare il programma senza rischi per la sicurezza e senza interrompere la produzione)
• monitoraggio dell'esecuzione del programma (utile sia per ricerca dei guasti che per la supervisione)

Un programma per PLC può essere scritto usando cinque diversi linguaggi di programmazione. Questi linguaggi - standardizzati anche se restano le incompatibilità tra produttori - permettono di usare approcci diversi per affrontare il medesimo problema. Il linguaggio più utilizzato è il ladder, un linguaggio grafico che si è affermato perché è il più semplice da imparare e interpretare. I programmi infatti somigliano agli schemi funzionali con relè e timer che i progettisti con un background elettrico (e non informatico) ben conoscono. Gli altri linguaggi sono:

• lo structured text, un linguaggio strutturato simile al BASIC o al C
• il function block diagram, un linguaggio grafico che fa uso delle funzioni logiche tipiche dell'algebra di Boole
• l'instruction list, un linguaggio simile all'assembler
• il sequential flow chart, un meta-linguaggio dove si rappresenta graficamente la sequenza delle operazioni da svolgere (tipo sistemi a stati finiti)³⁾

I programmi per PLC prevedono sempre una esecuzione ciclica di una serie di istruzioni (un po' come avviene per i microcontrollori). Il cosiddetto ciclo di scansione, ripetuto all'infinito, prevede questa sequenza di operazioni:

• attivazione delle uscite in base a quanto contenuto nell'area di memoria detta immagine di processo delle uscite elaborata nel ciclo precedente
• acquisizione degli ingressi e loro memorizzazione nell'area di memoria detta immagine di processo degli ingressi (che non cambierà fino al ciclo successivo)
• elaborazione delle istruzioni del programma
• aggiornamento dell'immagine di processo delle uscite

Il tempo impiegato per completare la sequenza viene detto scan time e la sua durata, pur non essendo costante⁴⁾ è sempre inferiore a un tempo massimo, come previsto in tutte le applicazioni real-time⁵⁾.

Dal libro di testo di TPA:

• Modulo 11 unità 1: logica cablata e programmata, generalità e obiettivi dell'automazione
• Modulo 11 unità 2: il PLC S7-200 (poco utile perché noi usiamo l'S7-1200), molti esercizi interessanti

Documentazione prodotta a scuola:

• Eserciziario del Prof. Ferraro (2013)

Dal testo di quarta di sistemi, modulo H sul PLC:

• H1 e H2: generalità sull'automazione, architettura del PLC, ciclo di scansione e hardware (ripetizione di quanto detto in questa pagina)
• H3: programmazione del PLC S7-1200 (molto utile, tutte le istruzioni principali)
• H4: esercizi con esempi e applicazioni

Dal sito di Siemens:

• Manuale di sistema dell'S7-1200, manuale completo di 900 pagine (ultima risorsa ma molto dettagliato)
• Easy book (Guida rapida all'S7-1200), guida all'uso del sistema di 400 pagine
• Getting Started con l'S7-1200, piccola guida semplice ed accessibile per iniziare a usare il PLC, 60 pagine (usare come tutorial in laboratorio)
• Guida introduttiva al TIA Portal v13, utile guida pratica all'uso di TIA Protal versione 13, 200 pagine (da consultare autonomamente)

Dal web:

• la voce Wikipedia (quella in inglese, molto più completa)

Torna all'indice.