Descrizione e architettura di un PLC

Il controllore a logica programmabile (PLC) è un componente elettronico dotato di microprocessore al pari di un computer ed è nato inizialmente per il monitoraggio e controllo di processi industriali. Il PLC è un sistema hardware modulare equipaggiato di schede input e output che gli permettono di interfacciarsi al mondo esterno come ad esempio con schede che gli permettono di leggere i segnali analogici e digitali dal campo. Allo stesso modo dispone di elementi in uscita che gli permettono di controllare gli attuatori ed attivare movimentazione e altri dispositivi. Come un computer anche il PLC ha la possibilità di eseguire un programma che viene eseguito ciclicamente. Rispetto ai normali computer non è in genere dotato di sistema operativo capace di caricare programmi di terze parti per funzioni particolari. Ha un suo firmware, capace di interpretare un set di istruzioni e moduli predefiniti dal costruttore detto bootloader. Questa scelta lo rende meno suscettibile a cali prestazionali o bug tali da compromettere l'esecuzione del programma ciclico preservando in tal modo la sicurezza impianti e macchinari controllati. Altra caratteristica che lo contraddistingue da un comune computer è la sua struttura robusta che lo rende idoneo all'esercizio in contesti estremi, generalmente alloggiato in quadri elettrici dove sono presenti interferenze elettromagnetiche importanti, rumore , temperature elevate ed umidità. I quadri elettrici sono infatti distribuiti a tutte le latitudini, a volte esposti agli agenti atmosferici, all'esterno di contesti riparati. Quando predisposti per il controllo impianti sono spesso in servizio 365 giorni all'anno senza interruzione.

CPU
(Immagine per una CPU tipo)

La sua struttura modulare prevede un minimo di interfacce di ingresso uscita (input/output) direttamente sulla scheda principale detta CPU (central processing unit), il PLC vero e proprio. Il resto della configurazione di ingressi uscita, è realizzata tramite l'aggiunta di schede aggiuntive montate a lato. Ogni scheda è variamente equipaggiata di segnali di un singolo tipo, ad esempio scheda analogica di ingresso, scheda analogica di uscita, scheda digitale di ingresso, scheda digitale di uscita,sono le più tradizionali, poi altre particolari, alcune comuni anche nel contesto IT in generale tipo schede ethernet, altre più specifiche nel settore dell'automazione industriale, tipo schede Profibus, Modbus, RS485 e molte altre.


Prima ho detto che le schede tradizionali hanno segnali di un singolo tipo, non è proprio vero in senso assoluto, ho detto una piccola bugia ! Si è una imprecisione, ci sono anche schede miste ma poi ci si addentra in un elenco di schede infinito e la guida si sarebbe trasformata in un catalogo di componenti elettronici. Migliaia di pagine per intendersi... Esiste comunque un modo alternativo e molto comune di estendere le capacità di interfacce di ingresso uscita del PLC e consiste nell'equipaggiarlo connessione a bus , tipo Profibus,Profinet,DeviceNet ed altre che permettono la connessione a unità componibili dislocate per l'impianto tramite cavi dedicati. Tramite questi bus di campo si raggiungono ragguardevoli distanze mantenedo alte velocità di comunicazione.

Modalità esecuzione

Come si diceva, il PLC esegue il programma caricato dall'inizio alla fine e poi riparte con un nuovo inizio ed esecuzione rendendo di fatto il processo ad esecuzione ciclica e tipicamente un ciclo è eseguito in ordine a 10/60 millisecondi in funzione della velocità della CPU e del numero istruzioni che compongono l'intero programma caricato. Prima di eseguire un ciclo di programma la CPU si preoccupa di aggiornare la sua immagine di processo ingressi copiando al suo interno lo stato di tutti i segnali da campo configurati. Questo significa che quando si scrive la logica di funzionamento si considerano i segnali da campo come attuali. Allo stesso modo, anche per le uscite esiste una immagine di processo uscite. Durante lo svolgimento del programma, le logiche comandano le uscite in un certo stato, ma l'attuazione delle uscute fisiche avviene solo a fine del ciclo istruzioni programma, prima di tornare all'inizio per ripetere come da modalità ciclica.

Struttura del PLC

Il PLC ha un alimentatore che gli fornisce corrente, generalmente stabilizzato e fornito dal produttore del PLC stesso e accoppiato ad esso direttamente sul rack di alloggio. Altro elemento è la CPU che è il processore vero e proprio equipaggiato generalmente sia di memoria interna che esterna. La memoria esterna può generalmente essere scelta ed è disponibile di diversi tipi come RAM,FLASH,EEPROM che LINK : adempiono a compiti diversi. Ovviamente esistono CPU con diverse caratteristiche di velocità e memoria, anche con dotazioni diverse in termini di bus di campo a bordo, eventualmente contatori veloci per compiti particolari e alcuni segnali di ingresso uscita già a bordo. A volte i PLC sono collegati con altri PLC a formare una rete. Questi tipi di reti si poggiano in generale su layer a bus di campo come ad esempio Profibus o Profinet. I PLC sono anche capaci di ospitare schede di controllo assi che permettono il controllo in posizione di motori dedicati cosi da ottenere spostamenti nello spazio molto precisi a velociù controllate. Si pensi ad esempio al caso dei robot antropomorfi o cartesiani

sample devices
(Le quattro foto partendo da sinistra rappresentano : (A)una vecchia CPU Siemens 115U; (B)scheda di memoria (C)esempio di connessione di CPU a periferia decentrata (D)cavo Profibus con i suoi connettori 9 poli maschio)

CPU

La CPU è il componente predisposto al controllo e comando. Tutte le operazioni che avvengono all'interno del suo dominio di applicazione, tutti gli organi a lui collegati, eseguono i suoi comandi e sono pertanto sotto la sua regia. La CPU durante il funzionamento, colloquia con tutte le schede connesse al PLC, trasferendo dati e comandi da e verso il mondo esterno. Si avvia tramite un firmware residente programmato dal costruttore e chiamato bootloader. Il bootloader è in sostanza una specie di sistema operativo con funzionalità dedicate. La CPU ha una zona di memoria per il programma utente che è il vero e proprio programma di automazione e controllo progettato. Una delle caratteristiche del programma utente è che può essere modificato durante l'esecuzione ciclica e questo comporta un vantaggio significativo in automazione in quanto permette modifiche al programma senza interrompere l'esercizio della macchina o impianto quando devono essere sempre in marcia. A livello sistemico nella CPU sono presenti diversi componenti utili: stati interni di controllo del funzionamento gestiti dal bootloader, definiti dal costruttore, alcuni visibili all'utente e altri del tutto trasparenti. immagini di processo degli ingressi e uscite; mappa memoria, temporizzatori e contatori attualizzati all'istante presente; il programma utente in esecuzione; bus dati, bus controllo, bus indirizzi per il trasporto dati tra le componenti della CPU; accessibilità alla programmazione tramite interfaccia dedicata.

Schede di periferia

Sono quelle schede che permettono tramite diversi layer hardware, di estendere i rack della CPU a periferie decentrate. In generale le schede di periferia hanno una alimentazione indipendente e sono collegate alla CPU tramite bus di campo, poi supportano l'alloggio di molte schede di ingresso uscita impacchettate a lato del modulo di periferia stesso. Queste rendono agevole la connessione a organi dislocati in impianto evitando la dispendiosa stesura di cavi elettrici dal quadro agli attuatori e componenti.

Programmazione del controllore

Il PLC è programmabile per definizione. Il programma viene scritto tramite un PC equipaggiato di apposito software dedicato per lo sviluppo, fornito dal produttore del PLC. Una volta completato il programma, tramite pulsanti appositi viene scaricato nella memoria del controllore programmabile. Una volta scaricato, il programma viene attivato tramite comando da PC di programmazione. Il programmatore puà collegarsi al PLC con il codice in esecuzione e monitorare lo stato attuale delle variabili per fini di test e diagnostica. La normativa [CEI EN 61131-3] pone degli standard ai linguaggi di programmazione sia testuali che grafici.
logica ladder (foto di esempio programma a contatti, detto ladder)
Grazie a questa standardizzazione, è possibile che un programmatore possa passare da un'architettura hardware ad un'altra senza essere obbligato a reimparare un nuovo linguaggio di programmazione.

Descrizione e architettura di un PLC

vai a questo link per la sezione PLC nel contesto di automazione.

  • indirizzo

    Via Roma 28
    - 22040 - Lurago d'Erba
    Lombardia - ITALIA
  • cell.

    (+39) 347-4618653
  • email

    info chiocciola ege3d punto it

  • facebook

    link to facebook 3D

  • facebook

    link to facebook 2D