Il PLC (raccolta di lucidi)

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.

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).

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.

… ai nuovi … 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.

… e al futuro 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).

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).

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

… 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).

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

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.

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

Xf: Nf: B = Bit o Binary 0 = Output C = Counter 1 = Input D = BCD 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

l’indirizzamento degli ingressi e delle uscite di tipo on/off ha un formato leggermente diverso: tipo file (O = output, I = input) numero chassis (07) numero di rack numero di gruppo numero di bit [00oct17oct(*)] 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.

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

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

I/O digitali I/O Analogici CPU

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. CPU 586 Controller

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).

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.

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.

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).

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. 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.

Esempi di PLC 1. PLC FANUC 2. PLC OMRON 3. PLC SCHNEIDER

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.

Lo standard IEC 61131 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, 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.

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. I1 I2 O1 LD I1 LD I2 ST I1 AND I2 O1 = I1 AND I2

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. Start transition 1 Fase 1 Calcola O1=I1&I2 transition 2 I1 I2 O1 AND

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.

Alcune conclusioni e ... 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.

… una buona alternativa 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.

PC per il controllo industriale 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;

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.