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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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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.

… ai nuovi …

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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).

… e al futuro

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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

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… 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:

N.B.: il campo s si applica solo ai file di tipo C (counter), T (timer) e R (control).

bseNX ff /.:

numero file

numero elemento

numero di bit

tipo file

separatori di campo

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dove:

Xf: Nf:

B = Bit o Binary 0 = Output

C = Counter 1 = Input

D = BCD 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:

: /fX crg btipo file

(O = output, I = input)

numero chassis(07)

numero di rack(07)

numero di gruppo(07)

numero di bit[00oct17oct

(*)]

separatori di campo

(*) 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 digitali

I/O AnalogiciSCALE 1.000

SCALE 1.000

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

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.

CPU586 Controller

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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).

SCALE 1.000

SCALE 1.000

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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.

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.

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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 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.

Lo standard IEC 61131

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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

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

istruzioni testuali; molto simile all'Assembly, questo

linguaggio è piuttosto difficile da usare ma molto

efficiente.

• lo STRUCTURED TEXT è un linguaggio di

programmazione testuale di alto livello strutturato

simile al Pascal; prevede l'uso di blocchi

condizionali, operatori matematici standard, ecc.

O1 = I1 AND I2

I1 I2 O1

LD I1

LD I2

ST I1 AND I2

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• il SEQUENTIAL FUNCTION CHARTS è un

linguaggio di programmazione che descrive

graficamente un processo di controllo

sequenziale e si compone di fasi separate da

transizioni.

• il FUNCTION BLOCK DIAGRAM è un

linguaggio grafico semplice da gestire in quanto

costituito da funzioni o blocchi elementari (che

implementano una data operazione o un

algoritmo) in cui le uscite sono prodotte non

appena i dati sono forniti all’ingresso del blocco.

I1

I2

O1 AND

Start

transition 1

transition 2

Calcola O1=I1&I2Fase 1

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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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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.

Alcune conclusioni e ...

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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.

… una buona alternativa

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• 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;

PC per il controllo industriale

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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.