Indice. L hardware del PLC. La programmazione del PLC. Struttura del PLC pag. 2. Glossario dei termini. Funzionamento del PLC pag.

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1 Indice Modulo 1 L hardware del PLC Unità 1 Struttura del PLC pag Logica cablata e programmabile Classificazioni dei PLC Struttura del PLC Unità centrale CPU Memoria Alimentatore Modulo di comunicazione Altri dispositivi dell unità centrale Unità ingressi/uscite (I/O) Unità di programmazione 21 Collegamenti e approfondimenti 24 Verifica di fine unità 25 Glossario dei termini Unità 2 Funzionamento del PLC pag Elementi funzionali Individuazione degli elementi funzionali Contatti e bobine Criteri di scelta del PLC Esercitazione dell impego dei programmatori portatili 33 Collegamenti e approfondimenti 58 Verifica di fine unità 37 Preparazione all esame di Stato 38 Modulo 2 La programmazione del PLC Unità 1 Le fasi della programmazione pag Definizione dello schema funzionale Configurazione degli elementi funzionali Codifica 42

2 V 1.4 Implementazione del programma I linguaggi di programmazione 43 Collegamenti e approfondimenti 44 Verifica di fine unità 45 Unità 2 Unità 3 Unità 4 Il linguaggio KOP e la sua codifica in AWL pag Conversione diagramma a relè - schema a contatti Lista istituzioni AWL Istruzioni fondamentali di logica a relè Esercitazioni di laboratorio di elettropneumatica Programmazione di blocchi di contatti Esercitazioni di laboratorio di elettropneumatica Simulazione di un sequenziatore logico Esercitazione di laboratorio di elettropneumatica Funzioni a relè composte Linee logiche equivalenti Istruzioni di temporizzazione Esercitazioni di laboratorio di elettropneumatica Istruzioni di conteggio Esercitazione di laboratorio di elettropneumatica Uso combinato di temporizzatori e contatori Istruzioni di movimento dati Istruzioni di controllo 94 Collegamenti e approfondimenti 99 Esercizi proposti 100 Verifica di fine unità 103 Preparazione all esame di Stato 104 Il linguaggio SFC pag Costruzione del diagramma Grafcet Programmazione diretta del Grafcet 112 Collegamenti e approfondimenti 114 Esercizi svolti 115 Esercizi proposti 116 Verifica di fine unità 117 La programmazione con PC pag Programmazione con editor grafico Programmazione con software supervisore Programmazione con software simulatore Un esempio di software PLC 121 Collegamenti e approfondimenti 125 Verifica di fine unità 126 RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano

3 VI Modulo 3 Unità 1 Architettura dei sistemi di controllo automatico I concetti di base del controllo automatico pag Comando, regolazione e controllo Principio di funzionamento e struttura La classificazione fondamentale Tipi di segnali Parametri caratteristici 137 Collegamenti e approfondimenti 138 Verifica di fine unità 139 Unità 2 Schemi a blocchi funzionali pag Elementi caratteristici degli schemi funzionali Algebra degli schemi a blocchi funzionali Sintesi di uno schema a blocchi 145 Collegamenti e approfondimenti 150 Esercizi svolti 151 Esercizi proposti 154 Verifica di fine unità 155 Simboli grafici degli schemi a blocchi funzionali Unità 3 Analisi dei sistemi continui pag Metodo della Trasformata di Laplace FDT e risposta alla sollecitazione di elementi meccanici FDT e risposta alla sollecitazione di elementi elettrici FDT e risposta alla sollecitazione di elementi termici FDT e risposta alla sollecitazione di elementi idraulici Considerazioni finali 180 Collegamenti e approfondimenti 181 Esercizi svolti 182 Esercizi proposti 185 Verifica di fine unità 187 Elenco di trasformazione di Laplace

4 VII Unità 4 Schemi equivalenti pag Stesura dello schema equivalente 190 Collegamenti e approfondimenti 194 Esercizi svolti 195 Esercizi proposti 196 Verifica di fine unità 197 Unità 5 Applicazioni: regolatori industriali pag Definizioni I regolatori I termini del problema della regolazione Tipi di regolazione Regolatori elettronici (Regolatori PID) 209 Collegamenti e approfondimenti 212 Verifica di fine unità 213 Preparazione all esame di Stato 215 Servomeccanismi Modulo 4 Trasduttori Unità 1 Nozioni generali sui trasduttori pag Definizioni Classificazioni Parametri caratteristici Criteri di scelta dei trasduttori 227 Collegamenti e approfondimenti 227 Esercizi svolti 228 Esercizi proposti 228 Verifica di fine unità 229 Unità 2 Funzionamento dei trasduttori pag Trasduttori di posizione Trasduttori di velocità Traduttori di forza Traduttori di pressione Traduttori di livello Traduttori di flusso Traduttori di temperatura Traduttori di prossimità 251

5 VIII Collegamenti e approfondimenti 254 Verifica di fine unità 255 Preparazione all esame di Stato 256 Trasduttori Modulo 5 La robotica industriale Unità 1 Caratteristiche costruttive e applicazioni dei robot industriali pag Definizione di robot industriale Architettura del robot Struttura meccanica Prestazioni Classificazione cinematica dei robot Sistema d azionamento dei giunti Gli attuatori Organi di trasmissione Sensori Unità di governo Classificazione operativa Attuatore finale Applicazione dei robot 284 Collegamenti e approfondimenti 297 Esercizi svolti 297 Esercizi proposti 298 Verifica di fine unità 299 Unità 2 Principi di funzionamento dei robot pag Schemi funzionali dei robot Descrizione dei movimenti Analisi cinematica La programmazione dei robot Sistemi di programmazione Linguaggi di programmazione Istruzioni di movimento 323 Collegamenti e approfondimenti 324 Verifica di fine unità 325 Preparazione all esame di Stato 329 Analisi dinamica

6 Modulo 1 L acqua e i suoi impieghi IX Unità 3 Elementi di logistica Unità 4 Sistemi flessibili di produzione Unità 5 Richiami sui vettori e sulle matrici

7 L hardware del PLC Introduzione Il controllore logico programmabile, in sigla PLC (Programmable Logic Controller), appare per la prima volta sul mercato nel 1969, proposto dalla General Motor per la gestione dei cicli di lavoro sequenziali delle macchine automatiche; è subito evidente che il suo punto di forza è la flessibilità che deriva dalla sostituzione della logica cablata con quella programmabile. In continua e rapida evoluzione, come del resto tutti i prodotti elettronici, il PLC si trasforma da semplice sequenziatore a vero e proprio computer; grazie a tanti anni di applicazione sul campo e alla continua ricerca industriale il prodotto PLC raggiunge un elevata affidabilità e un ottimo rapporto costo/prestazioni. Per merito delle sue caratteristiche esso rappresenta oggi la soluzione ottimale di molti problemi d automazione; non esistono più settori della produzione o del controllo nei quali i PLC non siano presenti. L importanza che il PLC ha assunto nel contesto di sua competenza è paragonabile a quella che ha avuto il personal computer nella diffusione dell informatica; è dunque inevitabile riservare ampio spazio a questo importante componente dell automazione di fabbrica. Esamineremo come è realizzato, quali sono le modalità di funzionamento, come deve essere programmato, in che modo esso consente l automazione dei sistemi discreti, come può essere impiegato nei controlli analogici. Naturalmente il livello delle competenze richieste in merito alle questioni elettroniche sarà adeguato a una cultura prevalentemente meccanica, tuttavia, per la comprensione degli argomenti trattati, è necessario che siano state acquisite le competenze relative all algebra logica e agli elementi di elettronica del primo volume nonchè ai comandi pneumatici ed elettropneumatici del secondo volume del corso. Competenze Valutare la convenienza del ricorso alla logica programmabile nel contesto dello studio di fattibilità di un sistema d automazione. Abilità Dimensionare il PLC necessario a gestire semplici applicazioni d automazione. Unità 1 Unità 2 Modulo 1Struttura del PLC Funzionamento del PLC L hardware del PLC U.1 Struttura del PLC U.2 Funzionamento del PLC Conoscenze Componenti fondamentali del PLC. Tipi di PLC. Funzioni svolte dal PLC.

8 2 unità 1 Struttura del PLC Secondo la norma IEC 1131: il PLC (Programmable Logic Controller) è un sistema elettronico, a funzionamento digitale, destinato all uso in ambito industriale, che utilizza una memoria programmabile per l archiviazione interna di istruzioni orientate all utilizzatore per l implementazione di funzioni specifiche, come quelle logiche, di sequenziamento, di temporizzazione, di conteggio e di calcolo aritmetico, e per controllare, mediante ingressi e uscite sia digitali che analogici, vari tipi di macchine e processi. La definizione descrive in forma sintetica, ma al tempo stesso in modo esauriente, le caratteristiche costruttive e funzionali del controllore logico programmabile; esso è un dispositivo elettronico a microprocessore e in quanto tale si deve considerare come un sistema composto da hardware (insieme dei circuiti elettronici e delle apparecchiature annesse) e software (insieme delle istruzioni che formano il programma utente). Per quanto riguarda invece la modalità di funzionamento la definizione può essere interpretata per mezzo dello schema illustrato in figura 1.1; i sensori inviano in ingresso al PLC lo stato del sistema controllato, ovvero l insieme dei valori delle grandezze controllate; in base ai dati ricevuti e alle istruzioni del programma utente il PLC decide che cosa si deve fare e invia in uscita agli attuatori i comandi per intervenire sul processo. 1.1 Logica cablata e programmabile Il PLC è nato per superare i limiti dei quadri a relè nella realizzazione delle macchine sequenziali, limiti dovuti essenzialmente alla scarsa flessibilità della logica cablata; questa infatti richiede sempre interventi di modifica al quadro elettrico quando, per vari motivi (errori, imprevisti, ampliamenti, ecc.), si rende necessario apportare variazioni al progetto del ciclo di lavorazione. Con la logica programmabile le suddette modifiche si effettuano tramite la riscrittura delle corrispondenti istruzioni del programma utente. In altri termini l intervento sull hardware è sostituito dall intervento sul software, che evidentemente è meno oneroso sia in termini di costo che di tempo. figura 1.1 Sistema d automazione programmabile tramite PLC.

9 Unità 1 Struttura del PLC 3 esempio 1.1 Si devono comandare per mezzo di un PLC, due attuatori pneumatici A e B in modo da ottenere movimenti lineari secondo la sequenza A B A B eventualmente modificabile in A B B A. Il primo ciclo si ottiene con il cablaggio illustrato in figura 1.3.Ciascun cilindro è azionato per mezzo di un elettrovalvola (EV a e EV b ). La posizione degli steli è rilevata mediante quattro sensori di prossimità a 0, a 1, b 0 e b 1 ; per gestire il sistema, in sostituzione del blocco di comando pneumatico o elettrico che abbiamo progettato nel secondo volume del corso, può essere impiegato un piccolo PLC. I due cilindri A e B costituiscono il blocco di potenza; il PLC realizza il blocco di governo mentre i sensori e le elettrovalvole formano il blocco di comunicazione del comando automatico. Più precisamente EV a e EV b realizzano l interfaccia E/A poiché inviano agli attuatori i segnali di comando provenienti dal PLC; la necessità di questi elementi intermedi deriva dal fatto che i segnali digitali emessi dal controllore non sono direttamente trasferibili agli attuatori che necessitano di segnali pneumatici (invio di aria in una del- Consideriamo il semplice circuito di figura 1.2; esso è relativo a un caso banale, che non richiederebbe certo il ricorso a un PLC, tuttavia ci consente di chiarire bene, oltre al principio di funzionamento del controllore, anche la differenza tra logica cablata e logica programmabile. I dispositivi di campo sono un interruttore I e una lampadina L che deve accendersi quando I viene chiuso e deve spegnersi quando I viene aperto; in figura è indicato il cablaggio tra I, L e il PLC, per evidenziare la differenza fondamentale che il controllore stabilisce tra le due apparecchiature: I costituisce un ingresso (In), L è invece un uscita (Out). Il programma utente, in tal caso estremamente semplice, istruisce la CPU informandola che non appena trova chiuso I deve far accendere L; la CPU esegue il programma ripetutamente e quindi in tal caso legge continuamente il valore di I. Poiché l istruzione è L I, finché I 0 anche L 0, ma non appena il PLC si accorge che I 1, perché in quell istante qualcuno ha premuto l interruttore, abilita l uscita collegata a L, cioè pone L 1 consentendo alla lampada, alimentata dal generatore esterno, di accendersi. La CPU continua a eseguire il programma ed è pertanto in grado di rilevare qualsiasi variazione nello stato di I per intervenire nel modo che è stato richiesto dall utente attraverso la stesura del programma. È molto importante osservare che con tale sistema sarebbe possibile far accendere la lampadina con l interruttore aperto e viceversa senza dover apportare alcuna modifica fisica all impianto; basta infatti, con lo stesso cablaggio, scrivere in memoria un programma che istruisce il PLC nel modo seguente: se I 0 poni L 1 se I 1 poni L 0 Ciò si ottiene con l istruzione: L I esempio figura 1.2 Confronto tra circuito cablato e circuito programmabile. Un altro esempio, quello del comando automatico illustrato in figura 1.3, è utile per chiarire immediatamente il tipo di apporto che il PLC è in grado di fornire nel contesto dei cicli sequenziali delle macchine automatiche. 1.2 figura 1.3 Esempio di inserimento di un PLC in un comando pneumatico. RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano

10 4 Modulo1L hardware del PLC le due camere). I sensori a 0, a 1, b 0 e b 1 realizzano invece l interfaccia A/E; essi consentono al PLC di ricevere il feedback dal campo; per esempio, quando a 0 invia il suo segnale il controllore viene a sapere che, in quell istante, lo stelo del cilindro A ha terminato la sua corsa di ritorno. Se invece della sequenza A B A B decidiamo di realizzare il ciclo A B B A, come abbiamo visto nel secondo volume del corso, dobbiamo ricorrere alla tecnica dei collegamenti o a quella della cascata per eliminare i segnali bloccanti; ciò, oltre che complicare il circuito pneumatico, poiché si rende necessario introdurre altri elementi costruttivi, ci costringe a ricablare quasi l intero circuito. Con il PLC non accade niente di tutto ciò; i dispositivi da aggiungere vengono simulati dal controllore mentre gli interventi da effettuare sul cablaggio sono sostituiti dalle modifiche al programma utente. Per chiarire ulteriormente questi importanti concetti sulla logica programmabile, fin qui esposti attraverso semplici esempi, riteniamo utile effettuare, con l aiuto della figura 1.4, il confronto tra un sistema elettromeccanico (a relé) e un sistema programmabile (a PLC). figura 1.4 Confronto tra un comando elettromeccanico e un comando elettronico a logica programmabile (tratto da catalogo Siemens Simatic S5).

11 Unità 1 Struttura del PLC 5 Per un sistema elettromeccanico si può affermare che: la funzionalità del comando è determinata dai collegamenti tra gli elementi di commutazione, realizzati con contatti normalmente chiusi (NC), normalmente aperti (NA) e di scambio (NC NA), di vari dispositivi elettromeccanici come relè, temporizzatori, contatori, comparatori, ecc.; il funzionamento del sistema si descrive mediante gli schemi elettrici funzionali; i dispositivi elettromeccanici sono installati in un apposito armadio, che prende il nome di quadro, e cablati secondo lo schema funzionale; la composizione e il cablaggio del sistema dipendono dal particolare comando da realizzare; dal quadro vengono derivati i collegamenti tra il comando e le apparecchiature di campo (attuatori e sensori); risiedendo la logica funzionale nella scelta dei componenti e nel particolare cablaggio eseguito, eventuali modifiche di funzionamento della macchina o dell impianto richiedono variazioni, sia della composizione del quadro che del suo cablaggio, e pertanto un elevato costo e fermi macchina di notevole durata; il costo di messa in servizio è rilevante, per gli stessi motivi indicati al punto precedente, essendo in questa fase particolarmente frequenti le modifiche da apportare al sistema per giungere al suo corretto funzionamento. Per un sistema di comando programmabile, realizzato per mezzo di un PLC, valgono invece le seguenti considerazioni: le funzioni che deve svolgere l unità di governo sono determinate mediante un programma che risulta indipendente dal tipo di sensori e attuatori usati, poiché considera solo lo stato dei segnali in ingresso sul controllore; il programma si può scrivere in uno dei vari linguaggi di programmazione; per ogni PLC generalmente viene fornita la possibilità di scelta tra due o tre linguaggi; una volta scritto il programma si può facilmente trasferire nella memoria del controllore per mezzo di una tastiera dedicata o di un PC; la composizione dell unità di governo è indipendente dalle particolari funzioni da realizzare; il PLC è sempre lo stesso qualunque sia il suo compito; il cablaggio si riduce al solo collegamento dei sensori e degli organi d azionamento degli attuatori al PLC; essendo la logica funzionale contenuta nel programma memorizzato sul controllore, essa può essere modificata altrettanto facilmente di come può essere scritta; variazioni funzionali e messa in servizio possono essere effettuate a costi ridotti, non richiedendo modifiche costruttive e di cablaggio. Nella scelta tra sistema cablato e programmabile vengono normalmente presi in considerazione i criteri riassunti nella tabella 1.1. tabella 1.1 Criteri di scelta tra logica cablata e programmabile. Criterio Logica cablata Logica programmabile Costo/funzione Basso Basso Dimensioni Elevate Molto contenute Velocità Bassa Elevata Immunità ai disturbi elettrici Molto elevata Buona Capacità di effettuare operazioni complicate No Sì Flessibilità Scarsa Molto elevata Facilità di installazione No Sì Semplicità di manutenzione No Sì

12 6 Modulo1L hardware del PLC 1.2 tabella 1.2 Classificazioni dei PLC I controllori programmabili possono essere classificati in base a diversi criteri. Con riferimento alla quantità di ingressi e uscite, che può gestire un PLC, si definisce come indicato in tabella 1.2. Classificazione dei PLC in base al numero di I/O che è in grado di gestire. >>> CASE Involucro predisposto a contere internamente la componentistica elettronica rendendo disponibili all esterno le porte di comunicazione. BARRA DIN Dispositivo di montaggio costituito da un profilato a forma di omega che viene fissato all interno del quadro elettrico e sul quale si possono installare componenti dotati del necessario meccanismo di aggancio. PLC Numero I/O Altre caratteristiche associate nano max 10 Bassa capacità di memorizzazione micro max 64 I/O solo digitali small (di gamma bassa) med (di gamma media) I/O digitali e analogici Connessione in rete Elevata capacità di memorizzazione Moduli speciali large (di gamma alta) 2028 Massime prestazioni per ogni caratteristica Quando si parla di numero di ingressi/uscite si intende sempre il numero complessivo; dire per esempio 64 I/O significa che il PLC controlla un massimo di 64 punti, che possono essere o ingressi o uscite, secondo una determinata combinazione come per esempio 32 ingressi 32 uscite oppure 48 ingressi 16 uscite ecc. Per gestire un determinato numero di I/O si può ricorrere anche al collegamento di più PLC; per governare, per esempio, 68 I/O si può utilizzare un PLC small opportunamente configurato, oppure due PLC micro collegati tra loro. Per grandi numeri di I/O devono necessariamente utilizzarsi PLC di gamma alta collegati tra loro; per esempio il modello Sysmac C2000H della Omron offre la possibilità di collegare 32 PLC, ciascuno dei quali gestisce 2048 I/O; in configurazione massima, il numero di I/O indirizzabili è pertanto di Questa pratica del collegamento di più PLC si rivela oggi, grazie all attuale efficienza delle reti, più conveniente rispetto all impiego di un solo PLC di taglia superiore. In base al criterio costruttivo adottato i PLC possono essere: monoblocco, o compatti: tutti i componenti sono integrati all interno di un case di cui in figura 1.5 è fornito un esempio. Sono particolarmente adatti per montaggio a bordo macchina e appartengono normalmente alle categorie nano, micro e small; a moduli affiancabili: sono configurabili dall utente, in base alle sue esigenze specifiche, affianca vari moduli ciascuno dei quali svolge una determinata funzione; eventuali altri moduli possono essere montati in coda all ultimo. Una volta assemblato il PLC può essere fissato su barra DIN. Sono adatti all installazione in armadio e appartengono prevalentemente alla categoria med. In figura 1.6 è illustrato un PLC appartenente a questa categoria, il PLC figura 1.5 PLC monoblocco Siemens Simatic S7-200 CPU 224XP. figura 1.6 PLC a moduli affiancabili (Omron CJ1M).

13 Unità 1 Struttura del PLC 7 figura 1.7 Modulo CPU del PLC di figura 1.6. figura 1.9 PLC a moduli su rack (Mitsubishi Melsec System Q). figura 1.10 >>> RACK Dispositivo di montaggio per moduli standard costituito da una fascia metallica sulla quale sono praticati i fori per il fissaggio. figura 1.8 Modulo di comunicazione del PLC di figura 1.6. CJ1M della Omron; le figure 1.7 e 1.8 descrivono due dei suoi componenti, la CPU e il modulo di comunicazione; nella figura 1.7 si può osservare il connettore maschio che si innesta sul connettore femmina visibile nella figura 1.8 ; a moduli su rack: sono configurabili dall utente assemblando i moduli su un rack, ovvero su un pannello predisposto per le connessioni. Anche questi PLC, appartenenti alle categorie med e large, vengono installati in armadio. In figura 1.9 è illustrato un PLC appartenente a questa categoria, il Melsec System Q della Mitsubishi; i moduli hanno un connettore posteriore che si innesta sul rack e quindi le operazioni di montaggio e smontaggio, come mostra la figura 1.10 risultano estremamente semplici. Si deve osservare che la modularità non è una prerogativa dei PLC a moduli affiancabili o su rack, entrambi classificati genericamente come modulari nei cataloghi delle case costruttrici; anche molti controllori compatti infatti godono di questa proprietà, essendo comunque espandibili. Il numero degli I/O può infatti essere aumentato con il collegamento a unità d espansione; il PLC della figura 1.5, per esempio, può essere collegato a 7 unità per raggiungere un massimo di 168 I/O. Dal punto di vista dell impiego i PLC si possono classificare in: sequenziali: sono impiegati nella realizzazione degli automatismi che funzionano secondo una logica sequenziale; in pratica sono i controllori della prima generazione ovvero quelli nati per sostituire i quadri elettromeccanici. Gli attuali PLC sequenziali sono tuttavia molto migliorati e svolgono, oltre a quelle logiche, anche altre funzioni come per esempio calcoli matematici, elaborazione di segnali analogici oltre che digitali, conteggio veloce per l acquisizione di segnali a elevata frequenza come, per esempio, quelli provenienti da rilevatori di posizione e di velocità angolare (10 khz); multifunzione: sono impiegati in tutti quei casi in cui, oltre alle funzioni caratteristiche della logica sequenziale, sono richieste alcune delle seguenti prestazioni: misura; regolazione (PID); posizionamento; controllo assi, dialogo tra PLC e periferiche; comunicazione tra PLC; supervisione.

14 8 Modulo1L hardware del PLC 1.3 tabella 1.3 Struttura del PLC Il controllore logico programmabile è un prodotto che ha raggiunto uno standard consolidato, definito dalle norme IEC , e ; viene offerto dai costruttori ( tab. 1.3) in modelli che, nelle varie categorie, non differiscono molto tra una casa produttrice e l altra. Principali costruttori di PLC; nel sito è possibile trovarne molti altri. Costruttore Famiglie di PLC Sito web Allen-Bradley Festo GE-Fanuc Hitachi Logix (Micro, Flex, Compact) SL500 Pico FEC-FC30-FST FEC-FC400-FST FEC-FC600-FST Serie Serie Versamax Durus EH 150 Micro EH Mitsubishi FX Moeller PS4 XC Omron Sysmac (CPM, CP1, CJ, CS1) Siemens Schneider-electric (ex Telemecanique) Simatic (S7, S7-200, S7-300, S7-400) Logo Modicon Twido Zelio Il PLC è un dispositivo a microprocessore, con un architettura interna molto simile a quella di un microcomputer, la cui caratteristica principale, dal punto di vista costruttivo ( figg. 1.5, 1.6 e 1.9), è la robustezza necessaria per resistere a tutte le sollecitazioni tipiche di una collocazione in ambito industriale. Essendo generalmente montato all interno dei quadri elettrici, esso opera infatti in ambienti che presentano temperature elevate, spesso molto umidi o polverosi, in presenza di notevoli interferenze elettriche; inoltre non sono rari i casi di un loro impiego a tempo pieno su impianti a ciclo continuo. Con riferimento alla sua implementazione hardware il PLC è una unità di controllo con architettura a bus costituita, come mostrato in figura 1.11, dalle seguenti tre unità: unità centrale: coordina e controlla tutte le operazioni eseguite dal sistema; unità ingressi/uscite (I/O): consente il collegamento tra il microprocessore e il sistema da controllare; unità di programmazione: permette di programmare il PLC. figura 1.11 Architettura a bus del PLC. Le prime due componenti sono installate all interno di una struttura portante la cui tipologia, come visto nel paragrafo precedente, è diversa se il PLC è compatto o a moduli; in ogni caso tale struttura assicura la connessione meccanica e il collegamento elettrico di tutti gli elementi che costituiscono il PLC; la terza è invece una unità periferica

15 Unità 1 Struttura del PLC 9 che può essere realizzata mediante una tastiera dedicata oppure un personal computer. Oltre che al dispositivo di programmazione, il PLC può essere connesso a una serie di altre periferiche che servono a facilitare il dialogo uomo-macchina; esse sono: il simulatore, la stampante e i dispositivi di memorizzazione di massa. Il simulatore è un dispositivo che, emulando ciò che accade sul campo, facilita la messa a punto del programma; i dispostivi di memorizzazione di massa invece permettono di conservare i programmi sviluppati anche quando non sono installati sul PLC, evitando così di doverli riscrivere quando servono. Queste funzioni, invece che da dispositivi dedicati, possono più convenientemente essere svolte da un PC, che nel corso degli anni ha assunto il ruolo di periferica privileggiata del PLC. 1.4 Unità centrale L unità centrale, spesso impropriamente individuata con il nome della sua componente principale (CPU), è la parte del PLC che effettua le elaborazioni logico-matematiche e che organizza tutte le attività del controllore. Come illustrato dallo schema a blocchi della figura 1.12, l unità centrale, che ha una struttura a bus comprendente un bus dati, un bus indirizzi e un bus di controllo, è costituita da: CPU (Central Processor Unit): costituisce il cervello del controllore; è realizzata fisicamente da una scheda elettronica complessa, a logica programmabile, contenente uno o più microprocessori; memoria: è il supporto fisico dove sono memorizzate tutte le informazioni che servono al funzionamento del PLC. Si divide in tre sezioni: memoria dati, memoria di programma e memoria di sistema; modulo di comunicazione: consente al microprocessore di interfacciarsi con le periferiche. alimentatore: è il dispositivo che eroga l energia elettrica a tutti i componenti del sistema; normalmente fornisce diverse tensioni stabilizzate CPU figura 1.12 Schema a blocchi dell unità centrale. figura 1.13 Scansione. La CPU svolge le proprie mansioni secondo un ordine sequenziale che può essere schematizzato come mostra la figura 1.13; questa successione di operazioni prende il nome di scansione e può essere: sincrona d ingresso e d uscita: sia la lettura che l invio dei dati avvengono in sincronismo, ovvero contemporaneamente per tutti gli ingressi e per tutte le uscite. La CPU legge i dati d ingresso e aggiorna le uscite una volta sola per ogni ciclo di elaborazione dell intero programma contenuto nella memoria; quando si verifica una variazione degli ingressi, questa non può essere rilevata che all inizio di una nuova scansione; sincrona d ingresso e asincrona d uscita: tutti gli ingressi vengono letti contemporaneamente, mentre l invio alle uscite viene fatto in tempi diversi; gli ingressi vengono letti una sola volta all inizio della scansione ma le uscite vengono trasmesse all esterno via via che maturano i risultati durante lo svolgimento del programma; con questa modalità si ha un aggiornamento delle uscite più rapido di quello che consente il ciclo precedente;

16 10 Modulo1L hardware del PLC asincrona d ingresso e d uscita: sia la lettura degli ingressi che l aggiornamento delle uscite vengono effettuati in tempi diversi; sia le uscite che gli ingressi vengono aggiornati ogni volta che si ottiene un risultato durante l esecuzione del programma. Si definisce tempo di risposta il tempo che passa tra la variazione degli ingressi e la corrispondente variazione delle uscite. Si definisce tempo di scansione il tempo che il microprocessore impiega per acquisire i dati, elaborare tutto il programma e inviare i nuovi dati alle uscite. Con le definizioni poste si ha che: nella scansione sincrona d ingresso e d uscita il tempo di risposta è sempre superiore al tempo di scansione. Dato l ordine di grandezza molto piccolo di quest ultimo parametro, in generale compreso tra 15 e 40 ms in dipendenza della quantità di istruzioni contenute nel programma e del tipo di CPU, il manifestarsi di questa condizione non costituisce un inconveniente per molte applicazioni. Nella scansione asincrona d ingresso e d uscita il tempo di risposta è notevolmente ridotto rispetto ai primi due casi. Poiché il tempo di scansione dipende, ovviamente, anche dalla lunghezza del programma, i costruttori forniscono delle tabelle per mezzo delle quali è possibile determinare il suo valore caso per caso; la conoscenza di questo parametro, proprio per il modo di funzionare che abbiamo appena descritto, è molto importante e, a seconda dei tempi previsti per il ciclo lavorativo, influenza la scelta del controllore; minore è il tempo ciclo, minore deve essere il tempo di risposta e quindi maggiori devono essere le prestazioni del PLC da questo punto di vista. Per svolgere i suoi compiti la CPU dispone di un sistema operativo, memorizzato su ROM, che, oltre alla gestione della scansione, consente le seguenti altre funzioni: l autodiagnosi: alla fine di ogni scansione, immediatamente prima di ricominciare quella successiva, la CPU effettua un test autodiagnostico, ovvero un controllo sul funzionamento dei suoi circuiti interni; se viene riscontrata qualche anomalia il sistema emette un segnale d allarme, per avvertire gli operatori che qualche cosa non funziona nella CPU, e contemporaneamente vengono disabilitate le uscite, per evitare eventuali danni alle persone o alle apparecchiature. Il tipo e il numero dei controlli dipendono dal particolare modello, tuttavia quasi tutti rilevano eventuali malfunzionamenti del microprocessore, della memoria e delle schede I/O, eventuali errori nella sintassi del programma utente, un tempo di scansione anormale, un livello insufficiente della tensione fornita dalla batteria tampone; la protezione dei dati: in caso d improvvisa mancanza di alimentazione elettrica il sistema operativo provvede automaticamente a far alimentare le memorie da una batteria tampone; ciò è indispensabile per evitare la perdita dei dati con conseguenze facilmente immaginabili. Per disporre di questa protezione occorre necessariamente mantenere la batteria ausiliaria in condizioni di perfetta efficienza; è questo il motivo per cui la verifica di tali prestazioni è inserita nel test di autodiagnosi; le condizioni di avaria sono segnalate all esterno attraverso una spia luminosa; l interrupt o funzione d interruzione: nella gestione dei cicli di lavoro possono verificarsi casi in cui occorre controllare operazioni che avvengono in tempi molto brevi come accade, per esempio, nel conteggio veloce tipico del posizionamento e controllo assi; l elaborazione del programma principale viene immediatamente interrotta in seguito all eventuale commutazione degli ingressi veloci per provocare l esecuzione del cosiddetto programma rapido; ciò consente una più immediata reazione del microprocessore alle variazioni di quei segnali che vengono indicati come prioritari. A intervento effettuato la scansione del programma principale riprende dal punto in cui era stata interrotta. Oltre a quelle sopra descritte, comuni a tutti i controllori, nei PLC multifunzione di gamma alta, per assicurare le elevate prestazioni richieste, il sistema operativo gestisce funzioni complesse tra le quali illustriamo le più interessanti.

17 Unità 1 Struttura del PLC 11 La multielaborazione: a essa si giunge attraverso l uso specializzato di più CPU a ognuna delle quali è demandato un compito particolare; per esempio 4 CPU per misura e regolazione, posizionamento, dialogo, comunicazione: questa architettura scarica la CPU principale, che può così dedicarsi più efficacemente all elaborazione sequenziale, limitandosi alla sola sincronizzazione delle diverse CPU specializzate. La multiprogrammazione: consiste nella specializzazione dei programmi ovvero nell utilizzo di un programma per ciascun compito; per esempio 4 programmi per: posizionamento, misura e regolazione, dialogo, logica sequenziale; un programma supervisore gestisce l esecuzione in parallelo dei programmi specializzati e individua eventuali priorità da far rispettare. Il multilinguaggio: è la funzione di livello più evoluto; essa gestisce la specializzazione dei linguaggi ovvero l utilizzo del linguaggio più adatto per ciascuna applicazione Memoria La CPU, come ormai più volte sottolineato, stabilisce i valori delle variabili d uscita in funzione di quelli delle variabili d ingresso e delle istruzioni del programma utente; allo scopo deve poter leggere e scrivere informazioni. Essa deve infatti leggere continuamente il valore dei segnali e il programma nonché scrivere i risultati dell elaborazione svolta perché questi possano essere inviati alle uscite. I dispositivi che consentono queste operazioni sono le memorie, le cui caratteristiche, esaminate nel primo volume del corso, sono riepilogate in tabella 1.4. Essendo la principale funzione delle memorie quella di ricevere e conservare informazioni, il parametro che le caratterizza maggiormente è la capacità, cioè la quantità di dati che possono contenere. Per trattare informazioni di tipo matematico e logico, come le istruzioni di un programma, o per gestire segnali analogici, più elementi vengono aggregati tra loro per formare gruppi di quattro, otto, sedici o trentadue bit, cui si dà in generale il nome di word (parola); in particolare i gruppi di otto bit vengono denominati byte. L unità utilizzata dai costruttori di PLC, per definire la quantità di memoria è la Kword (chiloparola) abbinata alla lunghezza di word che può essere di 4, 8, 16 o 32 bit. tabella 1.4 Memorie. Tipo Definizione Caratteristiche ROM RAM EPROM Ready Only Memory (memorie di sola lettura) Random Access Memory (memorie ad accesso libero) Erasables Programmable Read Only Memory (memorie di sola lettura cancellabili e riprogrammabili) EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory (memorie di sola lettura cancellabili elettricamente e riprogrammabili) MEMORY CARD Memorie flash (memorie elettroniche permanenti riscrivibili) Vengono scritte in modo definitivo dal costruttore che le predispone per compiti specifici e pertanto possono essere solo lette dal processore. In assenza di alimentazione elettrica mantengono il proprio contenuto, ovvero sono non volatili. Possono essere sia scritte che lette in qualsiasi momento dal microprocessore; sono volatili poiché perdono il loro contenuto in assenza di alimentazione elettrica. Sono non volatili e possono essere solo lette dal processore ma, al contrario delle ROM, possono essere cancellate e scritte di nuovo dall utente; per queste ultime operazioni si rendono tuttavia necessari particolari dispositivi. La cancellazione si effettua con sistemi a emissione di raggi ultravioletti (UV); la scrittura è ottenibile con un apparecchiatura specifica che prende il nome di programmatore di EPROM. Sono memorie aventi le stesse caratteristiche funzionali delle EPROM ma sono cancellabili elettricamente in modo assai più veloce richiedendo solo alcuni secondi contro i minuti delle EPROM. Sono EEPROM particolari che permettono di indirizzare blocchi di bit come un disco fisso. Per il loro modo di funzionamento hanno minore longevità rispetto alle EEPROM in termini di numero di cicli di cancellazione sopportabili (dell ordine del milione di cicli per le flash memory). Per contro, le flash risultano molto più economiche delle EEPROM.

18 12 Modulo1L hardware del PLC esempio 1.3 Da quanti byte è costituita la memoria RAM di un PLC di 3,5 Kword di 16 bit? Soluzione 3,5 Kword corrispondono a 3, word 3584 word di 16 bit corrispondono a bit bit corrispondono a / byte 7168 byte corrispondono a 7168/ Kbyte Noto il numero di parole della memoria RAM, per calcolare la lunghezza del programma che essa può contenere, occorre conoscere il numero di parole per istruzione. esempio 1.4 Quante istruzioni può memorizzare il PLC dell esempio 1.3 se richiede un numero di parole per istruzione pari a 2? Soluzione 3584 word corrispondono a 3584/ istruzioni La memoria installata nell unità centrale di un PLC è suddivisa in tre sezioni principali a ciascuna delle quali sono affidati compiti diversi: memoria di sistema: serve a conservare il sistema operativo del PLC. Questa memoria, dato il contenuto, di primaria importanza per il controllore, viene realizzata dal costruttore mediante ROM allo scopo di impedire modificazioni o cancellazioni; memoria di programma: serve per registrare le istruzioni del programma utente che il PLC deve eseguire; per svolgere tale funzione essa deve essere accessibile all utente e pertanto viene realizzata con RAM o con EPROM. Normalmente il controllore offre la possibilità di usare in alternativa tra loro, attraverso la commutazione di un selettore, una RAM o una EPROM per sfruttare le caratteristiche positive di entrambe; per sviluppare e mettere a punto il programma si utilizza la memoria RAM, che può essere scritta e corretta, restando installata nel PLC, con l unità di programmazione del controllore; nel funzionamento normale conviene sfruttare invece le caratteristiche delle memory card che offrono i vantaggi tipici delle memorie esterne (semplicità di programmazione e di modifica dei programmi registrati, facilità di duplicazione). Le istruzioni che costituiscono il programma utente sono registrate in memoria una di seguito all altra e codificate in binario; memoria dati: è a sua volta suddivisa in tre parti, memoria d ingresso, memoria d uscita e memoria ausiliaria. Nella prima viene memorizzato lo stato, continuamente aggiornato, dei sensori di campo collegati al controllore; nella seconda il processore scrive, a ogni scansione, lo stato delle uscite che deve essere trasmesso all esterno; la memoria ausiliaria contiene i dati necessari per il funzionamento dei dispositivi logici ausiliari quali temporizzatori, contatori, registri a scorrimento, ecc.; sono tutte necessariamente realizzate con memorie RAM. Nel funzionamento normale sono accessibili solo al processore ma, per favorire la fase di messa a punto, è possibile attivare una modalità di lavoro che consente l accesso alla memoria dati anche all utente che può, simulando lo stato, o come si dice in gergo forzando gli I/O, verificare la rispondenza del programma alle specifiche. Per il trattamento di segnali on-off si utilizzano memorie a basso costo poiché a singolo bit; per i segnali analogici s impiegano invece memorie più costose, con lunghezza di word normalmente pari a quella della memoria di programma; maggiore è infatti la lunghezza di word migliore risulta la definizione dei segnali analogici. È chiaro pertanto che il costo del PLC sale all aumentare del numero dei segnali analogici da trattare e della precisione richiesta.

19 Unità 1 Struttura del PLC Alimentatore Il microprocessore necessita di alimentazione con una tensione continua e stabilizzata di pochi Volt (in genere 3-5 V); altri dispositivi complementari, come per esempio i circuiti adibiti al test autodiagnostico, richiedono una tensione di 12 o 24 V sempre in corrente continua. L unità centrale è pertanto equipaggiata con un alimentatore che converte la tensione alternata della rete in una tensione continua e che dispone di prese interne a varie tensioni. All esterno è sempre disponibile un commutatore a più posizioni per la selezione della tensione di rete (110, 220 V) e una morsettiera per l alimentazione in C.A.; alcuni costruttori offrono modelli monoblocco di taglia piccola forniti di un alimentazione direttamente in C.C., generalmente a 24 V. L alimentatore può essere sia integrato nella CPU, come avviene nei PLC di tipo compatto ( fig. 1.5 ), che esterno ad essa, come nei controllori a moduli ( figg. 1.6 e 1.9 ). In questo secondo caso l utente non deve effettuare comunque alcun cablaggio poiché sono previsti morsetti predisposti per il collegamento rapido alla CPU e agli altri elementi. Sul pannellino frontale della scheda di alimentazione o sul coperchio, nel caso di PLC monoblocco, sono previsti indicatori a led luminosi, che si accendono quando si ha l alimentazione elettrica. Sul lato C.A. è sempre predisposto un fusibile di protezione. Si può considerare come parte dell alimentatore anche il dispositivo che, in assenza dell energia di rete, commuta l alimentazione delle memorie su una batteria tampone per salvare il loro contenuto. Quando la tensione presente tra i morsetti di tale batteria, in genere al litio, scende al di sotto di un certo valore (circa 2 V), si accende sul pannello un indicatore led Batteria; al verificarsi di tale situazione, se il PLC sta funzionando con una RAM come memoria centrale, occorre provvedere immediatamente alla sostituzione della batteria tampone dal momento che l improvvisa perdita di dati dalla RAM può dar luogo a seri inconvenienti nell impianto o nella macchina controllata dal PLC Modulo di comunicazione L interfaccia di comunicazione seriale, di cui è equipaggiata l unità centrale, consente il dialogo tra il microprocessore e: il dispositivo di programmazione (tastiera o PC); eventuali periferiche standard come stampante o dispositivo di memorizzazione di massa; il simulatore per la verifica off-line dei programmi; un computer supervisore di processo; altri dispositivi a microprocessore come, per esempio, un CNC. La comunicazione seriale asincrona è preferita in campo industriale a quella seriale sincrona, perché più economica, e a quella parallela perché consente maggiori distanze di trasmissione; gli standard disponibili sono: RS232C: consente velocità di trasmissione fino a 19,2 kbps a una distanza massima di circa 20 m; il tipo di comunicazione è quello punto-punto. La trasmissione è notevolmente disturbata dai campi magnetici e pertanto questo standard è poco impiegato in campo industriale; RS422: consente velocità e distanza di trasmissione maggiori rispetto alla precedente; il segnale è in grado di percorrere fino a m a una velocità di 100 kbps; oltre tale velocità la distanza decresce rapidamente. La comunicazione può essere punto-punto e multipunto; RS485: è lo standard più flesssibile dal momento che i collegamenti possono essere realizzati con doppino telefonico, con cavo coassiale o con fibre ottiche che, a fronte di un costo maggiore, consentono le prestazioni migliori in termini di velocità, distanza di trasmissione e immunità ai disturbi elettromagnetici. RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano

20 14 Modulo1L hardware del PLC Altri dispositivi dell unità centrale I componenti fondamentali dell unità centrale (CPU, memorie, alimentatore e modulo di comunicazione) sono affiancati da altri dispositivi; diamo nella tabella 1.5 una breve descrizione di tali elementi. tabella 1.5 Altri componenti dell unità centrale. Dispositivo Selettore della modalità operativa Connettore per unità di programmazione Descrizione Tutti i PLC possono essere usati almeno in due diverse modalità operative: in esecuzione (run) e in apprendimento o programmazione (program); per selezionare la modalità di funzionamento è disponibile esternamente un selettore. Quando esso è in posizione di programmazione le uscite sono disabilitate e pertanto possono essere introdotti o editati programmi; in modalità esecuzione le uscite vengono abilitate e quindi il programma contenuto in memoria è operante. Alcuni PLC hanno una terza modalità di lavoro detta di monitoraggio (monitor) che consente di attivare le funzioni di simulazione del PLC per effettuare la messa a punto del programma; in tal caso si avrà un selettore a tre posizioni. Naturalmente è previsto un indicatore led esterno che informa l utente del modo di funzionamento in atto. Per inserire i programmi nella memoria del controllore occorre collegare a esso una delle tastiere di programmazione previste dal costruttore oppure un normale PC; è necessario quindi che il case disponga di un opportuno connettore. Nella maggior parte dei casi si ha una porta RS232C. Selettore RAM/EPROM Abbiamo già illustrato la possibilità di funzionamento sia con RAM che con EPROM; per rendere possibile questa prestazione il PLC deve essere dotato di uno zoccolo portamemoria estraibile, per l interscambio RAM/EPROM, oppure di uno zoccolo porta EPROM supplementare e di un selettore che avvisa il processore circa la memoria che deve leggere. Relè di RUN o inibitore delle uscite Si tratta di un dispositivo di sicurezza che in modo esecuzione è attivato e pertanto abilita le uscite; quando si verifica una qualche irregolarità rilevata dall autodiagnosi o viene a mancare tensione, il relè si disattiva automaticamente interrompendo il programma e disabilitando le uscite. Tale dispositivo può essere fornito di contatti esterni utilizzabili per realizzare un allarme in caso di guasto. Circuiti di autodiagnosi Indicatori led I/O Morsettiere I/O Come già detto in precedenza il controllore esegue a ogni ciclo un test autodiagnostico; se si verifica un guasto a uno qualsiasi dei dispositivi controllati si interrompe la scansione del programma, si apre il contatto del relè di RUN e si disabilitano le uscite. Sul pannello frontale dei controllori monoblocco sono sempre previsti indicatori luminosi (led), in quantità pari al numero dei punti I/O, che si accendono quando gli ingressi o le uscite corrispondenti sono attivi. Tali led nel caso dei PLC modulari sono disposti su ciascuna scheda I/O in modo da risultare sempre ben visibili. Ogni controllore deve avere una morsettiera cui cablare gli ingressi e le uscite esterne; per non dover ricablare tutti i punti I/O ogni volta che si deve smontare il PLC, spesso tali morsettiere sono separabili per mezzo di un connettore speciale appositamente predisposto. Connettore per espansione I/O Nel caso dei PLC monoblocco è previsto un connettore per collegare all unità centrale un eventuale unità d espansione allo scopo di aumentare il numero degli I/O disponibili. Sistema di raffreddamento I PLC possono operare senza problemi fino a una temperatura di circa 50 C; quando si prevede, in prossimità del controllore, il verificarsi di temperature superiori si inserisce nell unità centrale un ventilatore per favorire lo smaltimento del calore.

21 Unità 1 Struttura del PLC Unità ingressi/uscite (I/O) L unità ingressi/uscite è composta da dispositivi adatti a consentire il dialogo del PLC con il gruppo di potenza. Le unità d ingresso operano sui segnali provenienti dai sensori dell impianto per renderli compatibili con la CPU. Per non generare incertezze nella stesura dei programmi si utilizzano tutti i sensori con contatti NA poiché la funzione del contatto NC si può simulare negando il contatto NA direttamente da programma. Le unità d uscita trattano i segnali emessi dalla CPU per inviarli ai dispositivi d azionamento degli attuatori. La costruzione pratica di queste unità, che vengono generalmente indicate con il nome di schede I/O, è effettuata sulla base dei segnali da scambiare, che possono essere digitali o analogici; i primi sono identificati dal PLC sulla base della loro appartenenza a un certo intervallo, o range, di valori caratteristico per ciascun controllore; ne forniamo un esempio in tabella 1.6. tabella 1.6 Esempio di specifiche dei segnali d ingresso. >>> OPTOISOLATORI Componenti elettronici che permettono di trasferire un segnale tra due circuiti mantenendo l isolamento galvanico tra di essi. Specifiche d ingresso ON/OFF in corrente continua Range di tensione Stato dell ingresso 0/8 V Off (0) 16/27 V On (1) 9/15 V Non si modifica Specifiche d ingresso ON/OFF in corrente alternata Range di tensione Stato dell ingresso 0/54 V 94/260 V 55/93 V Off (0) On (1) Non si modifica L offerta da parte dei costruttori di soluzioni per la gestione degli I/O costituisce un importante elemento di valutazione delle prestazioni di un PLC. All aumentare del numero di I/O gestiti aumenta notevolmente il costo del PLC. Optoisolatori Un problema, comune sia ai circuiti d ingresso che a quelli d uscita, è costituito dai diversi livelli energetici caratteristici dei due ambienti, CPU e impianto, messi in comunicazione da questi dispositivi; l unica soluzione possibile, allo scopo di evitare che sbalzi di tensione o cortocircuiti, accidentali dell impianto o della macchina controllata, possano danneggiare il PLC, è quella di tenere le due parti separate elettricamente per mezzo di speciali dispositivi fotoaccoppiatori, detti anche optoisolatori. Questi consentono la trasmissione di segnali elettrici tra due circuiti separati: il segnale d ingresso eccita un diodo emettitore di luce posto a fianco a un fototransistor ricevitore; questo consente il passaggio di corrente nel circuito in cui è inserito solo quando viene colpito da un impulso luminoso. Il diodo emettitore può funzionare solo se alimentato con una determinata tensione continua, quindi i segnali d ingresso vengono opportunamente trasformati. Moduli d ingresso digitali I segnali d ingresso di tipo digitale possono essere distinti in base al tipo di alimentazione dei sensori che può essere in corrente alternata o in corrente continua; inoltre per ciascuno dei due casi si possono avere diverse tensioni nominali. La CPU del PLC opera invece con una logica binaria i cui due stati sono individuati dalle tensioni 0 e 5 V in corrente continua. Questa differenza si supera adattando i segnali esterni alla CPU, trasformandoli e/o raddrizzandoli, mediante componenti assemblati allo scopo sulle schede d ingresso.