Automazione dei processi industriali - Il controllore a logica programmabile (M1_05)

Il controllore a logica programmabile

Il dispositivo di calcolo è responsabile dello sviluppo della logica con cui poi il controllore di basso livello, che va ad attuare il motore elettrico, andrà adoperare. Quindi è il dispositivo che genera la logica di decisione, decide se accendere o spegnere un motore, o programmazioni di questo tipo. Tale dispositivo si chiama Controllore a logica programmabile.

Controllo logico/sequenziale

Il PLC è un dispositivo che mette in relazione variabili di ingresso e di uscita. Essendo un controllore, elabora certe misure e certi ingressi per generare certe uscite; il controllore di fatto spesse volte elabora delle misure di errore per generare le uscite del controllore. Si parla di Controllo Logico, si intende binario (relazioni del tipo 0-1, sì-no, acceso-spento), ed il modo in cui viene elaborata la strategia di uscita viene chiamata algoritmo combinatorio.

Esistono due classi di controllori di questo tipo: Puramente combinatorio e controllore statico vs dinamico l’altro invece Sequenziale. Il Controllore Statico elabora le informazioni ricevute esattamente come sono, cioè prende una decisione in funzione del valore corrente della misura arrivata in ingresso e non ne fa alcuna elaborazione (così com’è se è vero faccio A, se è falso faccio B). Viene chiamato Puramente Combinatorio perché non ha nessun tipo di informazione sulla storia degli eventi avvenuti fino a quel momento.

Questo è molto utile ma ha evidentemente dei limiti, perché un conto è decidere in maniera reattiva in funzione di quello che è stato questo momento senza interessarmi che prima è andato diversamente, un conto è considerare il fatto che c'è una storia da osservare, per esempio nel caso in cui avessimo un sistema che evolve a tempo di scansione, poter guardare anche solo due o tre periodi di scansione indietro può avere un grande beneficio. Questo è quello che si chiama Controllore Dinamico. La funzione di trasferimento del controllore introduce una dinamica nel controllore, quindi una storia, qualcosa che dipende anche da quello che il controllore ha fatto passato. Una rete di anticipo è un sistema dinamico, il controllore elabora e ne fa una qualche forma di integrazione. Idem, in maniera più semplificata, un controllore dinamico si può fare per un sistema logico; quindi, l’uscita del controllore non dipende solo dagli ingressi attuali ma anche da alcuni valori passati.

Ogni algoritmo logico a cui siamo interessati si può ottenere combinando questo tipo di schemi, un po' statico un po' dinamico.

Programmable logic controller (PLC)

Il PLC è stato inventato da General Motors in quanto voleva costruire imponendo una forma di uniformità nei fornitori che davano a loro i dispositivi e quindi alla fine degli anni '60 hanno imposto di utilizzare una certa infrastruttura, cioè hanno imposto che questi oggetti fossero programmabili, dando così la possibilità a chi acquista il dispositivo di poter operarci. Questo imponeva di avere una struttura hardware e una struttura software che lo rendesse più flessibile possibile, in modo tale che il cliente potesse utilizzare i dispositivi a suo piacimento.

Naturale questo ha imposto lo sviluppo in lato industriale su questo tipo di paradigma, per cui si è affermato anche fuori dal contesto dell’azienda che l’ha proposto inizialmente.

Storia del PLC

Il concetto è che doveva essere un controllore programmabile che ha portato una svolta nella flessibilità di un produttore; quindi, l’idea era che doveva essere un sistema naturalmente orientato al controllo logico; quindi, non ci interessava qualsiasi tipo di operazione ma siccome si trattava di operazioni legate all'automazione industriale, anche solo avere un sistema programmabile dedicato al controllo logico era sufficiente.

Che fosse programmabile, che fosse orientato all'utente, cioè che avesse all’interno una forma di facilità per l’utente che utilizza questo tipo di dispositivo, questo si è tradotto nel fatto che c’erano dei linguaggi con cui si poteva programmare e che erano normalmente accessibili. Che fosse robusto, perché sono tipi di dispositivi che devono lavorare in ambienti ostili (in condizioni di temperatura, disturbi, ecc.).

Uno degli aspetti del PLC è che è modulare ed espansibile: vuol dire che posso costruire un sistema di tipo PLC aggregando moduli e questo va sempre nella direzione di costruire un dispositivo che è disegnato esattamente per l'applicazione e che non è sovradimensionato, in modo da mantenere i costi più bassi possibile.

Che fosse in continuità con il passato, questo significa che alcuni linguaggi di programmazione sembrano di fatto come delle reti quindi un ingegnere elettronico o elettrotecnico che fino a quel momento si era occupato di sviluppare questo tipo di problematiche, avrebbe potuto spostarsi nell'utilizzo di questi nuovi sistemi.

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Ogni volta che si parla di sviluppo di un nuovo dispositivo vuol dire che ha avuto una formazione industriale, portando allo sviluppo di alcuni standard. Hanno sviluppato una normativa (aggiornata due volte), per cui un programmatore PLC normalmente si adegua a questo standard dove sono descritte una serie di best practice, che è più per esempio a proposito del software come viene in effetti implementato nei vari produttori di PLC.

Abbiamo detto che il PLC è un dispositivo digitale, con dentro tutte le informazioni di tipo clock e tutta una serie di oggetti programmabili. Il programmatore del PLC può stabilire una certa logica combinatoria tra alcune variabili di ingresso e alcune variabili in uscita. Le variabili d'ingresso vengono rese disponibili da dei moduli della struttura modulare che si occupano della lettura degli ingressi che poi elabora tramite una logica.

Quindi si può applicare la logica combinatoria nel senso classico, nel senso sequenziale, esistono poi delle temporizzazioni e dei conteggi; quindi, esistono dei timer che permettono di ritardare alcune operazioni o di sincronizzarle con altre. È possibile anche effettuare dei calcoli aritmetici. Il calcolo aritmetico “fa a botte con la logica combinatoria”, cioè per logica combinatoria si intende che prendo delle variabili vere e false e le combino in maniera opportuna, il calcolo aritmetico è invece quello più legato alla parte del controllo discreto.

PLC: architettura

È lo schema dell’architettura hardware del PLC connessa con un’infrastruttura di comunicazione a Bus. Si immagina questo oggetto come se fosse una piccola rete. Ho il dispositivo e devo sostanzialmente assemblarlo; per assemblarlo, il bus è costruito da dei supporti fisici che costruiscono ognuno dei pezzi compatibili con il PLC in questione.

In alto ho l’unità di programmazione (Program Unit) che dovrebbe essere il punto in cui vado a caricare il programma; il processore è la CPU e la memoria. La scheda madre è l’oggetto rigido su cui si agganciano dispositivi che permette la comunicazione e l'alimentazione di ciascuno dei dispositivi; quindi, uno aggancia la propria scheda di RAM dentro ed eventualmente ci attacca un morsetto con i dati o la corrente e in questo modo si costruisce un'infrastruttura modulare di questo tipo.

Esistono anche dei moduli di ingresso e uscita (quindi degli attuatori e dei sensori), in funzione delle esigenze possono essere delle fotocellule, ecc. e ci sono dei moduli dedicati, per esempio un motore elettrico che è agganciato tramite il proprio modulo che permette il controllo dell’asse.

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Più nel dettaglio, un rack è un oggetto su cui si possono alloggiare dei dispositivi; per esempio i rack con dentro i dispositivi di rete, sostanzialmente si agganciano tutti i moduli come se fossero dei pezzi che si incastrano in un rack. Oppure semplicemente si aggancia uno sull'altro e ognuno ha dei pezzi per agganciarsi al successivo e al precedente. In ognuno di questi slot bisogna mettere tutte le componenti necessarie: un alimentatore, che trasforma ed eroga la corrente in maniera opportuna. Esiste un processore, il modulo di rete, quindi la possibilità di collegarsi in x modi al PLC; abbiamo i moduli di ingresso e uscita e il modulo di comunicazione che può essere utile per comunicare tra i PLC.

Abbiamo quindi un oggetto che viene disegnato in maniera opportuna da permettere questa modularità. Per esempio una macchinetta del caffè che ha al suo interno un PLC che fa una serie di operazioni banalissime e ripetitive e ha una serie di sensori che misurano: se c'è il bicchiere, se ha finito di riempire il bicchiere, se è stata messa la spatolina.