Guida completa ai PLC: componenti, funzionamento e programmazione

Origini e componenti del PLC

Il PLC (Programmable Logic Controller) nasce intorno agli anni '70 come sistema di controllo nelle fabbriche produttrici di materiali pesanti, in sostituzione dei sistemi che utilizzano relè.

Oggigiorno il PLC ha in gran parte soppiantato i quadri a logica cablata a relè, esso è considerato il punto di intermediazione tra elettromeccanica ed elettronica.

Ogni PLC è costituito da:

• Unità alimentatore

Alcuni modelli di PLC hanno l'alimentatore direttamente dalla rete 230V, altri modelli invece usano un'ingresso a 24VDC, il quale viene solitamente poi ridotto a 5V per la CPU.

Alcuni modelli di PLC hanno a disposizione un'uscita stabilizzata a 24VDC per alimentare direttamente i suoi ingressi digitali.

• Unità centrale o CPU

Funzionamento della CPU del PLC

CPU dall'inglese Central Processing Unit è il cuore del sistema, le sue funzioni sono:

eseguire l'acquisizione dei segnali d'ingresso, creandone l'immagine negli appositi registri di memoria dati

controllare la sequenza con cui le istruzioni del programma vengono lette nella memoria programma, interpretate secondo i loro codici operativi e infine eseguite secondo lo stato logico assegnato agli ingressi

interrompere la sequenza normale di programma in presenza di salti, di richiami a sottoprogrammi e interruzioni

generare le uscite abilitate dell'elaborazione delle varie istruzioni del programma, aggiornandole di volta in volta a ogni ciclo di scansione

• Unità di memoria

Tipologie di memoria nei PLC

L'unità di memoria dei PLC può essere di diversi tipi: RAM, ROM, PROM, EPROM, EEPROM.

In genere le memorie di tipo RAM vengono utilizzate per la memoria dati e la memoria programma in esecuzione, esse sono di tipo volatile, cioè perdono il contenuto se viene a mancare tensione, quindi devono essere tamponate da batteria.

Le memorie di tipo ROM-PROM contengono il firmware (sistema operativo del PLC).

Le memorie di tipo EPROM e EEPROM contengono il programma utente in veste definitiva, con la differenza che le EPROM per essere scritte hanno bisogno di un apposito scrittore e per essere cancellate hanno bisogno di una lampada a raggi ultravioletti, invece le EEPROM possono essere scritte e riscritte con dei semplici comandi da programma o da PLC. Queste in alcuni modelli di PLC sono di tipo estraibile.

• Unità di ingresso e uscita I/O

Ingressi e uscite del PLC

La loro funzione è di trasformare i segnali elettrici dai/ai dispositivi esterni al PLC in segnali interpretabili dalla CPU.

Esistono tante tipologie di unità ingresso e uscita in seguito trovate un breve riassunto, per informazioni dettagliate potete fare riferimento ai manuali hardware dei rispettivi PLC, oppure richiedermeli via e-mail.

• Unità ingresso digitale

PNP a logica positiva (dal dispositivo d'ingresso proviene un segnale positivo)

NPN a logica negativa (dal dispositivo d'ingresso proviene un segnale negativo)

• Unità ingresso analogico

in tensione 0-10V

in corrente 4-20mA

Il valore rilevato in ingresso viene convertito in digitale con risoluzione di 8, 10, 12 ,16 bit.

Per esempio, se abbiamo un convertitore digitale a 8 bit, in ingresso una tensione che varia da 0 a 10V l'uscita digitale del convertitore varierà da 0 a 255.

• Unità uscite digitali

PNP (transistor)

NPN (transistor)

a relè

a triac

• Unità uscite analogiche

sono l'inverso degli ingressi analogici

• Moduli speciali (vedere il rispettivo manuale)

interfacciamento termocoppia, PT100

conteggio veloce

posizionamento assi

comunicazione

PID

seriali

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Algebra di Boole e teoremi

L'algebra di Boole (1815/1864) venne sviluppata come modello matematico da applicarsi alle operazioni sugli insiemi formati da due soli valori (0,1).

Lo studio si articola su tre passi distinti:

1. definizione dei concetti fondamentali

2. derivazione dei postulati partendo dai concetti fondamentali

3. teoremi

Classe(K) è definita come l'insieme costituito dagli elementi 0,1

OR(+) o somma binaria, è un'operazione definita su due elementi della classe

AND(*) o prodotto binario, è un'operazione definita su due elementi della classe

NOT(-) o negazione, un'operazione definita su un solo elemento della classe

= uguale, è il simbolo che definisce l'uguaglianza di elementi della classe

Proprietà commutativa:

A+B=B+A

A*B=B*A

Proprietà distributiva:

A+(B*C)=(A+B)*(A+C)

A*(B+C)=A*B+A*C

Elementi identità:

0+A=A

1*A=A

Uguaglianze:

A+A/=1

A*A/=0

TEOREMI:

Teorema di idempotenza:

A+A=A

A*A=A

Teorema dell'involuzione (doppia negazione):

A//=A (con numero pari di negazioni)

A///=A/ (con numero dispari di negazioni)

Teorema dell'assorbimento:

A+A*B=A

A*(A+B)=A

Teorema dell'unione e dell'intersezione:

A+1=1

A*0=0

Teorema dell'associazione:

A+(B+C)=(A+B)+C

A*(B*C)=(A*B)*C

Il teorema afferma che:

A+B(tutto negato)=A/*B/

A*B(tutto negato)=A/+B/

quindi:

un nor equivale ad un and con gli ingressi negati

un nand equivale ad un or con gli ingressi negati

Sistemi numerici e logica cablata

Numerico decimale:

0,1,2,3,4,5,6,7,8,9

Ottale:

0,1,2,3,4,5,6,7

Esadecimale:

0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F

Binario:

0,1

bit 0

bit 1

byte 11001100 (gruppo di otto bit)

word 11001100 11001100 (due byte) (16bit)

doppia word 11001100 11001100 11001100 11001100 (due word) (32 bit)

In un circuito di tipo a relè (od a logica cablata) l'attivazione delle uscite avviene in modo parallelo e quindi il rinfresco delle stesse avviene con tempi legati alla sola risposta delle singole apparecchiature.

In un circuito a logica programmabile l'elaborazione avviene in modo sequenziale:

1. elaborazione segnali in ingresso

2. elaborazione programma

3. elaborazione stato uscite

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Linguaggi di programmazione dei PLC

I linguaggi di programmazione dei PLC sono svariati e soddisfano in genere le necessità dell'operatore che si avvicina a tale ambiente.

Anche in questo settore, si è sentita l'esigenza di uniformare i linguaggi utilizzati; è infatti nata la norma IEC 1131 la quale, partendo da un'analisi dei linguaggi impiegati dalle varie ditte produttrici, indica quali sono gli standard.

Vediamo ora, i principali linguaggi utilizzati dai PLC:

• Ladder diagram

• Linguaggio booleano (mnemonico o lista istruzioni)

• Linguaggio letterale

• Linguaggio grafcet

Ladder diagram e logica cablata

Il ladder diagram è il primogenito tra i linguaggi utilizzati per la programmazione dei PLC.

Questo si deve al fatto che inizialmente il PLC andava a sostituire la logica cablata che utilizzava i relè.

Il ladder (chiamato anche schema a contatti o diagramma a relè) è tuttora il linguaggio più diffuso, poiché permette l'avvicinamento al PLC in modo immediato.

E' un linguaggio molto assomigliante ad una elaborazione di tipo elettromeccanico, dove il programma è scritto all'interno di due barre verticali che indicano le alimentazioni (la barra di destra alcuni software la omettono).

Ogni riga circuitale è divisa in due parti: zona di test (con le variabili d'ingresso o interne) e zona delle azioni (comprende le bobine d'uscita ed interne oltre a determinati blocchi funzione).

Nella lettura del programma la CPU esegue una scansione ciclica, che compie il suo percorso segmento per segmento, da sinistra verso destra e dall'alto verso il basso. Questa differenza tra logica cablata è molto importante da comprendere prima di iniziare a programmare un PLC. (Per approfondimenti postate nella sezione PLC didattica del PLCforum).

Esso è il metodo di programmazione che più si avvicina alla logica con cui lavora il microprocessore.

Tale linguaggio è usato anche dalle console di programmazione. La programmazione assume la sembianza di una lista istruzioni, dove compare il passo di programma associato al codice della funzione logica e l'indirizzo a cui si riferisce l'operazione.

Le istruzioni variano da marca a marca. In particolare Siemens utilizza un linguaggio un po' diverso chiamato AWL.

Linguaggio letterale e grafcet

Sono quei linguaggi di base informatica, evoluzioni del Basic, C, Fortran o Pascal.

Esso è costituito da una successione di stringhe che contengono:

- un'etichetta identificatrice di linea

- una frase letterale, che è il programma vero e proprio

- un commento alla riga di programma

Questo è senza dubbio il linguaggio più potente per la programmazione dei PLC che però non è supportata da tutti i PLC.

Il linguaggio grafcet (Graphe de Commande Etape/Transition) nasce in Francia con l'obbiettivo di creare una rappresentazione grafica delle funzioni che un ciclo automatico compie.

E' un'insieme di simboli grafici che descrivono delle fasi e delle transizioni che rispettano determinate regole di sintassi.

Il grafcet è stato normalizzato con la normativa NF C03-190 dell'UTE.

Le varie istruzioni variano da marca a marca e solo in questi ultimi anni quasi tutte le case produttrici stanno uniformando i linguaggi di programmazione utilizzando la norma IEC 1131.

Quindi tutti i software dichiarati IEC1131 compatibili sono tutti simili tra loro, col le stesse funzioni.

Tabella di esempio delle principali funzioni logiche analizzate tra varie marche di PLC:

LOAD STR STR L L STRT LD STR L

LOAD-NOT STR-NOT STR-NOT LN LN STRT-NOT LD-NOT STR-NOT LN

AND AND AND A A AND AND U AND A

AND-NOT AND-NOT AND-NOT AN AN AND-NOT AND-NOT UN AND-NOT AN

OR OR OR O O OR OR O OR O

OR-NOT OR-NOT OR-NOT ON ON OR-NOT OR-NOT ON OR-NOT ON

OUT OUT OUT = = OUT OUT = OUT =

TIMER TMR T TR PT T TIM T TMR =T

COUNTER CNT C C PP C CNT Z CNT CU/CD

CGE HITACHI MOELLER LOVATO NATIONAL OMRON SIEMENS SPRECHER

SCHUCH TELEMECANIQUE

Esempi di programmazione in AWL

Veniamo ora alla parte più interessante, faremo degli esempi su come trasferire un circuito a logica cablata su un PLC.

Esso corrisponde al collegamento in serie della logica cablata

In AWL Siemens:

U E0.0

U E0.1

= A1.0

Circuito con combinazione logica OR

Esso corrisponde al collegamento in parallelo della logica cablata

In AWL Siemens:

O E0.0

O E0.1

= A1.0

In AWL Siemens:

U E0.0

U E0.1

O

U E0.2

U E0.3

= A1.0

In AWL Siemens:

U(

O E0.0

O E0.1

)

U(

O E0.2

O E0.3

)

= A1.0

Esempio di programma in ladder:

Circuito di temporizzazione con uscita ad impulso (Siemens SI)

Esempio di programma in ladder:

Circuito di temporizzazione con uscita ad impulso prolungato (Siemens SV)

Esempio di programma in ladder:

Circuito di temporizzazione con ritardo all'eccitazione con memoria (Siemens SS)

Esempio di programma in ladder:

Circuito di temporizzazione con ritardo alla diseccitazione (Siemens SA)