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Indice
Introduzione ai PLC
Automazione
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 comporta l'utilizzo di:
- 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 presenta molti vantaggi; i più importanti sono:
Il ricorso all'automazione è particolarmente vantaggioso le operazioni da svolgere sono ripetitive e richiedono precisione, velocità di esecuzione e uniformità nel risultato. I vantaggi sono molteplici:
- 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)
Logica cablata e logica programmabile
Un sistema di automazione può essere anche molto complesso e il suo controllo, un tempo affidato a circuiti progettati apposta per svolgere una specifica funzione è sempre più spesso affidato a dispositivi digitali a microprocessore. Queste due soluzioni alternative vengono dette:
- logica cablata
- logica programmabile
La logica cablata ha ancora senso per applicazioni molto semplici, ad esempio l'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 opportunamente secondo una determinata logica. La stessa funzione può essere svolta sostituendo tutti i componenti con un dispositivo digitale, come un PLC o un microcontrollore, programmato opportunamente. Questa soluzione presenta una serie di vantaggi e svantaggi che è bene evidenziare:
- il sistema è più complicato da utilizzare e richiede una formazione specifica2)
- 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
- 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
Il PLC
Un PLC (programmable logic controller o controllore a logica programmabile) è un particolare tipo di computer utilizzato nel campo dell'automazione industriale e 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 controllori scambiano informazioni e collaborano nella gestione di sistemi complessi.
I primi PLC sono stati sviluppati dalla General Motors alla fine degli anni '60 per sostituire relè e timer nelle linee di produzione dell'industria automobilistica rivoluzionando un settore che, caratterizzato da singoli impianti che richiedono frequenti aggiornamenti, richiedeva un nuovo cablaggio per ogni modifica con tempi, costi, ed errori conseguenti. Il passaggio ad una soluzione a microprocessore, che ha semplificato la progettazione e manutenzione, migliorato l'efficienza e abbassato i costi, è stato possibile perché i PLC erano in grado di offrire quelle 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 progettati su misura e 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 - a 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
Differenze tra PLC e PC
I PLC sono computer a tutti gli effetti: eseguono programmi e hanno un'architettura hardware con microprocessore, memoria di massa e memoria RAM, ingressi uscite e bus di comunicazione. Tuttavia, rispetto ad un normale PC, si differenziano sia per l'hardware che per il software.
L'hardware di un PLC:
- ha prestazioni nettamente inferiori a quelle di un PC
- è progettato per lavorare in ambienti industriali con valori critici di umidità, temperatura, vibrazioni disturbi, blackout
- è particolarmente robusto e progettato per durare molti anni
- è facilmente interfacciabile con ingressi e uscite sia digitali che analogiche
- è predisposto per funzionare in rete con altri dispositivi attraverso 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 durante il funzionamento del PLC
Caratteristiche hardware 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)3)
- 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, come per i microcontrollori, i compiti da svolgere sono molto 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, sotto forma di contatti a 24V DC4)
- pochi di ingressi analogici che accettano tensioni da 0 a 10 Volt (o correnti da 4 a 20 mA) con una risoluzione di 10bit
- 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
Le interfacce uomo-macchina
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; in alternativa si impiegano display LCD, pannelli touchscreen o sistemi SCADA anche molto sofisticati dove il controllo e la supervisione avvengono su uno o più computer collegati in rete che eseguono programmi dedicati. Un'ulteriore soluzione è offerta dalla funzionalità webserver che è disponibile nei PLC più recenti.
Programmare i PLC
Per programmare un PLC è necessario usare un PC, collegato ad esso con un cavo Ethernet, con installato il software proprietario del produttore del PLC (ambiente di sviluppo). Purtroppo non c'è compatibilità tra i vari produttori, né per il software che permette la programmazione né per i linguaggi, che 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 quattro diversi linguaggi di programmazione. Questi linguaggi, che sono standardizzati anche se restano le incompatibilità tra produttori, seguono approcci diversi per affrontare lo stesso problema. Quello più utilizzato è il ladder (o schema a contatti), un linguaggio grafico che si è affermato perché è il più semplice da imparare e interpretare. I programmi 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 rappresentano graficamente la sequenza delle operazioni da svolgere (sistemi a stati finiti)
Esecuzione dei programmi
I programmi per PLC prevedono 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 in sequenza 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 costante5) è sempre inferiore a un tempo massimo, come previsto in tutte le applicazioni real-time6).
Riferimenti
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:
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)
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