Il controllore a logica programmabile nell automazione industriale 1.1 L automazione industriale

Transcript

1 Il controllore a logica programmabile nell automazione industriale 1.1 L automazione industriale L automazione industriale può essere definita come la disciplina che studia le metodologie e le tecnologie che permettono il controllo dei flussi d energia, di materiali e delle informazioni necessari alla realizzazione di processi produttivi. L importanza dell automazione nei processi produttivi moderni deriva da una molteplicità di fattori, non solo economici, tra i quali si possono ricordare: miglioramento della qualità dei prodotti; possibilità di utilizzare lo stesso impianto per più prodotti (concetto di flessibilità dell impianto); abbreviamento dei tempi di produzione; possibilità di ridurre i magazzini in ingresso ed in uscita; notevole riduzione degli scarti di lavorazione; minor costo della produzione; necessità di conformarsi a leggi e regolamenti (soprattutto nell industria farmaceutica e alimentare); possibilità di ridurre l impatto ambientale e di risparmiare energia; miglioramento della competitività dell azienda nel suo complesso. In generale, in un sistema automatizzato possono essere individuati il processo fisico ed il sistema di controllo (Figura 1.1). Il processo fisico può essere definito come una combinazione di operazioni che agiscono su entità appartenenti al mondo fisico e che cambiano alcune loro caratteristiche. Le azioni di movimento, le lavorazioni meccaniche, le reazioni chimiche, lo scorrere di flussi energetici sono alcune delle operazioni che soddisfano tale definizione e che possono essere considerate, quindi, dei processi fisici e, come tali, oggetti dell automazione. Il puro trattamento d informazioni, d altra parte, non apporta cambiamenti al mondo reale e non può quindi essere considerato un processo fisico. 1

2 Figura 1.1 Processo fisico e sistema di controllo Un processo fisico riceve in ingresso dei materiali, sotto forma di prodotti grezzi, e di energia; riceve inoltre delle informazioni che possono assumere la forma di valori di tensione o corrente elettrica, di pressione di un fluido, oppure essere codificate in sequenze di valori binari. Esso produce in uscita materiali, sotto forma di prodotti finiti e scarti, ed energia; invia inoltre delle informazioni. I disturbi provenienti dall ambiente che agiscono sul processo possono anch essi essere considerati come ingressi del processo. Le informazioni in uscita sono fornite da appositi dispositivi formati da un componente detto sensore, il quale trasforma la variabile da misurare nel tipo di grandezza che si adotta per la misura, e da un componente detto trasduttore, il quale accetta un informazione sotto forma di variabile fisica o chimica e la converte in una grandezza di differente natura (tipicamente elettrica). Molto spesso sensore e trasduttore coincidono nello stesso elemento e questa è la ragione per cui si parla genericamente di sensore (o di trasduttore) per indicare un dispositivo che misura una grandezza dando in uscita un segnale, generalmente di tipo elettrico, a esso relativo. Le informazioni in entrata sono utilizzate dagli attuatori per alterare il valore di variabili di controllo per il processo. Di solito gli attuatori veri e propri sono preceduti dai preattuatori, i quali provvedono a realizzare le conversioni delle informazioni e le amplificazioni di potenza. I sensori, gli attuatori e i preattuatori possono essere considerati come facenti parte del processo fisico e ne costituiscono l interfaccia verso il sistema di controllo. Il sistema di controllo riceve informazioni sullo stato del processo tramite i sensori, le elabora secondo algoritmi specificati, e invia agli attuatori le informazioni relative alle azioni da mettere in atto per realizzare il controllo del processo fisico. A tale scopo esso riceve anche informazioni da 2

3 una o più entità esterne, le quali possono essere degli operatori umani o altri sistemi di controllo gerarchicamente superiori; esso è inoltre in grado di fornire a queste esterne informazioni sul suo stato e su quello del processo controllato. 1.2 Sistema di controllo e misura di un processo industriale Figura 1.2 Sistema di controllo Una definizione più rigorosa di ciò che si intende per sistema per il controllo di processi e di acquisizione dati è stata data dallo standard IEC 1131 del Comitato Elettrotecnico Internazionale. Secondo tale standard, un sistema di controllo e di misura di un processo industriale (figura 1.2) può essere descritto come un insieme di dispositivi interconnessi e comunicanti tra loro attraverso una o più reti di comunicazione. Tali reti di comunicazione possono eventualmente avere una relazione gerarchica tra loro. Una funzionalità espletata da un tale sistema è modellata come un applicazione che può risiedere in un singolo dispositivo, come l applicazione C in figura 1.2, o essere distribuita tra diversi dispositivi, come le applicazioni A e B nella stessa figura. Per esempio, una applicazione può consistere nella chiusura di uno o più anelli di controllo dove l acquisizione delle misure è realizzata da un dispositivo, l algoritmo di controllo da un altro, e l invio dei comandi per il controllo da un altro ancora. 3

4 Il dispositivo è definito come un entità fisica indipendente capace di realizzare una o più funzionalità ed è limitato dalle sue interfacce, ossia dai componenti hardware e software che gli permettono di comunicare con l esterno. Come illustrato in figura 1.3, un dispositivo deve contenere almeno una risorsa e almeno un interfaccia, intesa verso il processo o verso la rete di comunicazione. Figura 1.3 Esempio di un generico dispositivo Una risorsa può essere considerata una suddivisione logica della struttura software (ed eventualmente hardware) di un dispositivo la quale abbia un controllo indipendente delle sue operazioni. Essa può quindi essere creata, configurata, parametrizzata, fatta partire, cancellata, senza condizionare altre risorse nello stesso dispositivo. La funzione di una risorsa è di accettare dati e/o eventi dal processo e/o dalla rete di comunicazione, di processarli, di restituire dati e/o eventi al processo e/o alla rete di comunicazione, così come specificato dall applicazione che la sta utilizzando. In una risorsa devono essere presenti: una o più applicazioni locali, o parti d applicazioni distribuite, che processano dati ed eventi interni; funzioni che collegano i dati e gli eventi da e verso il processo e/o la rete di comunicazione con quelli interni; una funzione di pianificazione delle attività (per esempio ciclica) per il coordinamento tra queste funzionalità. I dati sono delle rappresentazioni di fatti in una maniera formalizzata adatta alla comunicazione, alla interpretazione o al processamento da parte della risorsa; un esempio di dato è il codice binario corrispondente a una misura. 4

5 Gli eventi rappresentano l occorrenza di particolari condizioni come, per esempio, il raggiungimento di una determinata temperatura. Un interfaccia di processo mette in relazione le risorse contenute nel dispositivo con il processo fisico, comunicando con i sensori e gli attuatori. Le informazioni scambiate con il processo fisico sono presentate alle risorse come dati del processo e/o come eventi associati al processo. Un interfaccia di comunicazione mette in relazione le risorse con quelle appartenenti ad altri dispositivi, per lo scambio d informazioni attraverso una rete di comunicazione. Attraverso quest interfaccia alla risorsa possono essere presentate le informazioni, come dati o eventi, e forniti servizi addizionali tra i quali il supporto alla programmazione, la configurazione del sistema, la diagnostica. Un applicazione specifica le operazioni che devono essere svolte sui dati come conseguenza degli eventi e, come si è detto, può essere distribuita tra molte risorse nello stesso o in differenti dispositivi. Una risorsa determina le risposte ad eventi interni, di processo, o di comunicazione mediante le relazioni causali specificate dall applicazione, o dalla parte d applicazione, che la utilizza. Esempi di risposte possono essere: la pianificazione di operazioni, l esecuzione di operazioni, la modifica di variabili, la generazione di eventi addizionali, l interazione con le interfacce di processo e di comunicazione. Nei moderni sistemi di controllo e di misura per processi industriali, le cui architetture prevedono l interconnessione di numerosi dispositivi, si impiegano sia dei controllori a logica programmabile (o PLC, dall inglese Programmable Logic Controller ) che dei calcolatori di tipo tradizionale. In linea di principio si utilizzano i PLC quando vi è la necessità di collegarsi direttamente ai sensori e agli attuatori; un calcolatore di tipo tradizionale è invece utilizzato come dispositivo se deve soprattutto colloquiare con altri dispositivi, PLC o altri calcolatori, attraverso le reti di comunicazione. Cenni storici La possibilità di far eseguire in maniera automatica processi di lavorazione o loro parti è sempre stato uno degli obiettivi della tecnica, fin dalla sua nascita. Prima della scoperta dell elettricità automatismi funzionanti con controlli di tipo meccanico erano già diffusi: tra i più comuni si ricordano l orologio a pendolo, l orologio ad acqua e il regolatore di velocità di Watt. 5

6 Con il diffondersi dell utilizzo dell elettricità, si cominciarono a utilizzare dispositivi elettromeccanici, come relè e temporizzatori per le applicazioni d automazione. Tali dispositivi permettevano effettivamente di realizzare, con relativa facilità, dei sistemi di controllo i quali, però, presentavano diversi svantaggi: non avevano un elevata velocità di elaborazione dei segnali, erano molto costosi, erano riconfigurabili con difficoltà. La loro progettazione, inoltre, era lunga e complessa così come la loro installazione e la successiva manutenzione. L avvento dell elettronica, con l introduzione del transistore prima e dei circuiti integrati poi, risolse molti di questi problemi ma non permetteva ancora di realizzare automatismi flessibili, cioè che avessero la capacità di essere adattati, in tempi brevi, allo svolgimento di nuove funzioni. L introduzione del calcolatore elettronico, con la sua caratteristica di avere un comportamento programmabile, non poteva non avere ripercussioni per le aziende che si occupavano di automazione industriale. Vari autori concordano nel fissare la data di nascita del primo controllore a logica programmabile, o, più semplicemente, del PLC nell anno 1968, quando la General Motors negli Stati Uniti specificò le caratteristiche desiderate per una nuova generazione di controllori da destinare ai propri impianti di produzione. Essi avrebbero dovuto: essere facilmente programmati e riprogrammati, eventualmente sul luogo di funzionamento; essere di facile manutenzione, e quindi di concezione modulare; essere abbastanza robusti da poter funzionare senza problemi in un ambiente industriale in presenza di interferenze elettromagnetiche, polvere, vibrazioni; occupare meno spazio rispetto ai sistemi allora utilizzati; essere competitivi nei costi. Altri criteri erano la possibilità di espandere la memoria, di comunicare con altri sistemi per la registrazione dei dati, di accettare segnali in media tensione alternata. Il risultato fu lo sviluppo della prima generazione di PLC i quali non erano altro che dei sequenziatori riprogrammabili. Nella metà degli anni 70 l Allen-Bradley introdusse il primo PLC basato su un microprocessore (era l Intel-8080) e da allora la loro evoluzione è continua progredendo in parallelo con quella dell informatica classica. Attualmente un PLC di classe elevata è basato su un sistema multiprocessore, ha possibilità integrate di connessione in rete informatica, è capace di eseguire funzioni molto complesse. È praticamente basato sulle stesse tecnologie di un calcolatore convenzionale ma è adattato al suo utilizzo principale, il controllo di processi industriali. 6

7 1.3 Il controllore a logica programmabile Cosa si intende per controllore a logica programmabile o PLC? Per rispondere in modo esauriente a questa domanda viene in aiuto lo standard 1131 del Comitato Elettrotecnico Internazionale, che lo definisce come 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 ed uscite sia digitali che analogici, vari tipi di macchine e processi. Viene inoltre definito come sistema controllore a logica programmabile o sistema PLC la: Configurazione realizzata dall utilizzatore, formata da un controllore a logica programmabile e dalle periferiche associate, necessaria al sistema automatizzato previsto. Nell uso comune con il termine PLC si indica indifferentemente sia il PLC vero e proprio, cioè la scheda processore, sia l intero sistema completo delle sue schede di interfaccia. Si indicherà qui con il sistema PLC l insieme dei dispositivi hardware e software relativo che compongono un sistema di automazione basato su un controllore a logica programmabile. Figura 1.4 Aspetto schematico di un PLC La configurazione minima di un sistema PLC (Figura 1.4) è composta dai seguenti cinque componenti fondamentali: l armadio, il modulo processore, i moduli di ingresso/uscita, il modulo alimentatore, il terminale di programmazione. L armadio (detto anche cestello o rack ) contiene e racchiude tutti gli altri moduli, assicurandone la connessione meccanica e il collegamento elettrico. Ha in genere la forma di un parallelepipedo aperto su di un lato per permettere l inserimento dei moduli che risultano collegati elettricamente tra di loro grazie alla presenza, sul lato opposto, di un circuito stampato con dei connettori. È di metallo 7

8 e deve essere connesso elettricamente a terra, sia per ragioni di sicurezza sia per meglio schermare i moduli alloggiati. Il modulo processore è il vero e proprio PLC ed è costituito essenzialmente da una scheda a microprocessore con una architettura simile a quelle dei calcolatori convenzionali. Esso controlla e supervisiona tutte le operazioni eseguite all interno del sistema, attraverso l esecuzione delle istruzioni contenute nella memoria. I moduli di ingresso/uscita, o moduli I/U, sono delle schede che permettono l interfacciamento tra la microelettronica del PLC e il modulo esterno, e devono perciò provvedere al condizionamento dei segnali e all isolamento. Il modulo alimentatore è una scheda che alimenta tutti gli altri moduli presenti nell armadio. Connesso alla rete di alimentazione elettrica, tale modulo fornisce una o più tensioni stabilizzate con un massimo di corrente erogabile. Il terminale di programmazione può essere o un dispositivo particolare o un semplice personal computer e serve per la programmazione del PLC che non ha, usualmente, dispositivi di interfaccia con l uomo. Il terminale di programmazione viene connesso al PLC solo quando viene utilizzato tramite una porta seriale e/o una rete informatica Il modulo processore Il modulo processore rappresenta il cuore del sistema PLC e racchiude una scheda con uno o più microprocessori, che eseguono i programmi del sistema operativo e quelli sviluppati dall utente, e la memoria dove questi programmi sono conservati, oltre a tutti i componenti necessari al funzionamento. Praticamente tutti i PLC moderni utilizzano microprocessori come unità di processo centrale; alcuni sono basati su microprocessori appositamente realizzati per interpretare direttamente le istruzioni sul bit le quali, come si vedrà, sono le più diffuse. Un tipico modulo processore potrebbe contenere tre microprocessori: uno specializzato per operare sul singolo bit, uno per le istruzioni di tipo aritmetico/logico, uno dedicato alle comunicazioni con i moduli di ingresso/uscita e con dispositivi esterni. La modalità di funzionamento più diffusa del modulo processore, realizzata dal sistema operativo, prevede l esecuzione di un ciclo composto dalle seguenti operazioni: aggiornamento dell area di memoria a tal scopo riservata con i valori provenienti dagli ingressi fisici; 8

9 esecuzione del programma (o dei programmi) utente operando sui valori della memoria e conservando i risultati sempre in memoria; esecuzione di programmi di gestione del sistema (per esempio per la diagnostica); scrittura sulle uscite fisiche dei loro valori conservati nell area di memoria a ciò riservata. Il ciclo sopra descritto viene talvolta indicato come ciclo a copia massiva degli ingressi e delle uscite. Esso permette una ottimizzazione delle comunicazioni con i moduli di ingresso/uscita, e garantisce che i valori memorizzati degli ingressi restino inalterati durante l esecuzione dei programmi. Si vuole sottolineare che la lettura degli ingressi e la scrittura delle uscite è gestita interamente dal sistema operativo, consentendo all utilizzatore di concentrarsi sul programma applicativo. Per particolari situazioni in cui non è tollerabile l attesa della fine del ciclo per leggere un ingresso o scrivere una uscita, può essere prevista la possibilità di eseguire delle operazioni con accesso immediato ai punti di ingresso/uscita. Non si deve abusare comunque nel loro utilizzo perché allungano in maniera non trascurabile i tempi di scansione del programma; per tale ragione esse sono solitamente riservate alla gestione di emergenze. Altra eccezione al ciclo di funzionamento può essere rappresentata dalla possibilità di gestire interrupt. La velocità di elaborazione del modulo viene descritta dal tempo di scansione, che è definito come il tempo che intercorre tra due attivazioni successive della stessa porzione del programma applicativo, comprendendo quindi il tempo necessario per effettuare l aggiornamento degli ingressi e delle uscite. Il tempo di scansione dà una indicazione dei tempi necessari a effettuare le fasi del ciclo di funzionamento prima descritto ed è, quindi, strettamente legato al numero di ingressi e di uscite da aggiornare e alle dimensioni e alla complessità del programma utente. Esso viene di solito indicato dal produttore come valor medio per programmi di media complessità e varia da qualche unità a qualche decina di millisecondi per Kiloword (1 Kiloword = 1024 parole) di programma, a seconda della classe del PLC. Il tempo di scansione non deve essere confuso con il tempo di risposta del sistema, definito come il massimo intervallo di tempo che passa tra la rilevazione di un certo evento e l esecuzione dell azione di risposta programmata. Tale tempo, infatti, tiene conto anche dei ritardi introdotti dai moduli di ingresso/uscita. Il sistema operativo di un PLC è costituito da un insieme di programmi di supervisione che sono memorizzati in maniera permanente e costituiscono, in pratica, una parte essenziale del PLC stesso. Essi sono dedicati al controllo della attività, all elaborazione dei programmi utente, alla 9

10 comunicazione e ad altre funzioni. Tra queste ultime sono da ricordare le funzioni di diagnostica interna, quali watchdog timer sulle funzioni principali (per esempio, sul tempo di scansione), controlli di parità sulla memoria e sulle linee di comunicazione, controllo della tensione di alimentazione e dello stato delle batterie tampone. Tali funzioni possono limitarsi ad attivare indicatori dello stato (per esempio, memoria OK, batteria OK, processore OK ecc.) oppure possono avviare l esecuzione di routine di emergenza; viene inoltre in genere previsto l aggiornamento di bit interni di stato che possono essere utilizzati dai programmi utente. Le modalità operative di un PLC, spesso attivabili attraverso una chiave hardware per prevenire commutazioni accidentali, sono quelle di esecuzione, di validazione e di programmazione. Nella modalità di esecuzione, i programmi utente vengono eseguiti e l aggiornamento degli ingressi e delle uscite viene effettuato. Nella modalità di validazione vengono eseguiti i programmi, ma l aggiornamento delle uscite è disabilitato; ciò permette di provare la correttezza del codice sviluppato senza preoccuparsi delle possibili conseguenze di errori di programmazione. La modalità di programmazione è utilizzata per caricare nella memoria del PLC il programma sviluppato; in alcuni casi la modalità di programmazione on-line prevede la scrittura del programma direttamente nella memoria del PLC. Il fatto che fosse necessario, in passato, programmare il PLC direttamente nella sua memoria, insieme all utilizzo di microprocessori non standard, ha fatto sì che, ancora oggi, in molti PLC il programma venga interpretato; ogni istruzione viene cioè convertita in codice macchina immediatamente prima di essere eseguita. Attualmente, la maggior diffusione di architetture basate su processori convenzionali, insieme all utilizzo di personal computer come terminali di programmazione, sta portando alla realizzazione di PLC per i quali è prevista una fase di compilazione prima dell esecuzione del programma. La memoria di un PLC è solitamente organizzata per aree distinte. Una possibile ripartizione della memoria è la seguente: area sistema operativo riservata alla memorizzazione permanente dei programmi del sistema operativo e che deve essere di tipo a sola lettura (ROM, Read Only Memory); area di lavoro del sistema operativo riservata alla memorizzazione di dati intermedi da parte dei programmi del sistema operativo e che, come tale, deve permettere la lettura e la scrittura (RAM, Random Access Memory); area ingressi/uscite riservata alla memorizzazione degli stati degli ingressi e delle uscite (RAM); area programmi utente riservata alla memorizzazione dei programmi utente; essa deve essere necessariamente di tipo RAM durante lo sviluppo dei programmi mentre può essere sostituita da 10

11 una PROM (memoria programmabile a sola lettura) una volta che il programma è stato realizzato e verificato; area dati utente riservata alla memorizzazione dei dati dei programmi utente e che deve essere quindi di tipo RAM. Le aree di memoria realizzate con RAM possono essere in parte o tutte alimentate da batterie tampone per evitare perdite di informazioni nel caso di mancanza di alimentazione. Per questa ragione, tali aree vengono solitamente realizzate in tecnologia CMOS, per limitare il consumo. In caso di mancanza di alimentazione, il sistema operativo o i programmi utente possono, attraverso i bit di stato, gestire la modalità di ripristino del funzionamento: nuova inizializzazione del sistema o ripartenza dell ultima istruzione effettuata. Quando un produttore indica la memoria disponibile su un PLC non sempre è chiaro a quali aree si riferisce: secondo logica dovrebbe indicare le dimensioni delle sole aree utente, ma la logica non sempre coincide con gli interessi commerciali. Le dimensioni di memoria offerte variano da mezzo Kiloword a qualche centinaio di Kiloword a seconda della classe del PLC considerato, con word di 8 o 16 bit. Sono poi dati generalmente dei limiti sul numero e sul tipo di ingressi e uscite gestibili, sul numero delle strutture speciali (timer, contatori) e sul numero di word a disposizione per altri dati. Altre caratteristiche del modulo processore sono la possibilità di espandere la memoria, il numero di armadi di I/U gestibili direttamente, il numero di armadi gestibili in modalità remota con i relativi tempi per la scansione, il numero e la qualità di porte di comunicazione disponibili (seriale, parallela, di rete), il tipo di linguaggi supportati I moduli di ingresso/uscita I moduli di ingresso e uscita, sia digitali sia analogici, sono i moduli attraverso cui il PLC comunica con il processo fisico, rilevando eventi e dati dai sensori e comandano azioni agli attuatori. Dal punto di vista elettrico essi devono realizzare l interfaccia tra i livelli di tensione TTL o CMOS con cui opera l elettronica del PLC e le tensioni (o correnti) usate per la trasmissione dei segnali che possono andare da qualche decina di Volt a centinaia di Volt sia in continua che in alternata. Questo permette, nella maggior parte dei casi, di connettere il PLC direttamente ai vari dispositivi presenti sul campo riducendo al minimo la necessità di ulteriori condizionamenti del segnale. Inoltre, molto spesso gli ingressi e le uscite sono isolati galvanicamente, attraverso fotoaccoppiatori o trasformatori, dall elettronica interna del PLC, in modo da evitare che eventuali impulsi di tensione possano danneggiare il sistema. 11

12 La modularità prevista per i moduli di ingresso e uscita e la disponibilità di molti differenti tipi rendono possibile una realizzazione del sistema PLC tagliata per il particolare problema che si sta affrontando. Il loro indirizzamento da programma, cioè gli indirizzi delle parole di memoria dove vengono memorizzati gli stati degli ingressi e delle uscite, dipende da dove fisicamente il modulo viene posto nell armadio, o negli armadi, del PLC. Per questa ragione sono di solito presenti accorgimenti meccanici per evitare che un modulo possa essere installato in una posizione diversa da quella prevista. I moduli di ingresso/uscita digitali sono generalmente forniti di circuiti di filtraggio contro il rumore e di indicatori di stato prima e/o dopo l isolamento. Le informazioni tecniche per tali moduli devono prevedere il numero di ingressi o uscite, le tensioni di riferimento, il ritardo di segnalazione introdotto. Valori comuni per le tensioni di riferimento per gli stati ON e OFF sono 0-24 V e V in corrente continua o alternata, 0-5 V in corrente continua (livelli TTL), 0-50 V in corrente continua. Le uscite, di solito protette da fusibili, sono realizzate attraverso transistori, per corrente continua, TRIAC o SCR, per corrente alternata, oppure relè, per corrente continua e alternata. Nel caso di uscite di corrente continua realizzate tramite transistori, deve essere specificato anche se la corrente è fornita al carico o assorbita da esso, per permetterne il corretto collegamento. I moduli di ingresso/uscita analogici sono moduli che realizzano le conversioni digitali/analogiche o analogiche/digitali richieste per interfacciare direttamente segnali analogici (continui nel tempo e nei valori) con il PLC che, essendo un calcolatore, lavora con stringhe di bit di lunghezza finita nel tempo discreto. Questi moduli trattano una ampia gamma di segnali, possono avere intervalli di lavoro e caratteristiche filtranti selezionabili via software, possono realizzare la scalatura automatica del dato in unità ingegneristiche, sono anch essi optoisolati e possiedono indicatori del loro stato. Le informazioni solitamente disponibili per questi moduli riguardano i valori dei segnali trattati, la possibilità di accettare ingressi single-ended o differenziali, la risoluzione di conversione, la rappresentazione dei dati fornita, la velocità di conversione. Valori tipici dei segnali trattati sono 5 V, 10 V, 0-5 V, 4-20 ma in corrente continua. I moduli di ingresso utilizzano di solito, per ragioni economiche, un solo convertitore analogico/digitale e un multiplexer per collegarvi i vari canali di ingresso. Alcuni moduli di uscita hanno la caratteristica di poter fare assumere alle uscite uno stato predefinito se non hanno nuove informazioni dal PLC entro un tempo fissato. Data la loro diffusione, esistono moduli di ingressi previsti per l utilizzo diretto di sensori di temperatura come i resistivi a metallo (RTD) e le termocoppie. 12

13 1.3.3 Il modulo alimentatore Il modulo alimentatore fornisce, attraverso l armadio, l alimentazione elettrica stabilizzata necessaria al funzionamento di tutti gli altri moduli. Sarà quindi composto da un trasformatore, da un circuito rettificatore, da un filtro, da un circuito stabilizzatore e da un circuito per la protezione da sovracorrenti o cortocircuiti. Tra le sue caratteristiche peculiari vi sono la potenza massima fornibile, la possibilità di connessione in parallelo (per aumentare la potenza disponibile o per ottenere una ridondanza di sicurezza), la possibilità di inviare al PLC una segnalazione di shutdown se l'alimentazione in ingresso scende al di sotto di certi limiti (il PLC potrebbe usare tale segnalazione per attivare delle procedure prima dell effettivo spegnimento), la presenza di indicatori del suo stato. Ogni modulo componente di un sistema PLC assorbe una determinata potenza e quindi il dimensionamento dell'alimentatore deve essere realizzato considerando la somma delle potenze richieste dai moduli previsti, aumentata di una certa percentuale per tener conto di eventuali espansioni future L'armadio L armadio, o rack, deve contenere i moduli componenti di un sistema PLC e assicurare la connessione elettrica (attraverso il bus) e meccanica, oltre che alla schermatura. Le sue caratteristiche sono essenzialmente di tipo meccanico come il numero di slot, le dimensioni di ingombro, le modalità di fissaggio Il terminale di programmazione Il PLC non prevede tastiere e schermi per la comunicazione con il programmatore, e quindi la sua programmazione deve avvenire per il tramite di dispositivi particolari. I terminali a tastiera, ancora molto utilizzati per i piccoli PLC, si connettono direttamente al PLC attraverso una porta di comunicazione (per esempio, seriale) e presentano all'operatore una tastiera per l inserimento delle varie istruzioni, un piccolo display a cristalli liquidi per il controllo del 13

14 programma, e delle limitate funzioni di composizione. In questo caso la programmazione avviene direttamente nella memoria del PLC. Sono molto utilizzati, attualmente, sistemi di sviluppo basati su personal computer i quali facilitano molto la programmazione, la quale può essere effettuata anche off-line. Essi presentano funzionalità di composizione dei programmi molto complesse e hanno la capacità di memorizzazione permanente dei programmi sviluppati. Sono connessi al PLC o direttamente o attraverso una rete informatica; in quest ultimo caso un solo personal computer può realizzare lo sviluppo e il caricamento dei programmi per tutti i PLC connessi in rete. Sono inoltre tipicamente previste funzioni di monitoraggio dell esecuzione del programma e delle aree di memoria del PLC, eseguibili anche durante il normale funzionamento del dispositivo I moduli speciali Nell'ambito di un sistema PLC esiste poi una vasta gamma di moduli che realizzano delle funzionalità speciali in maniera da rendere il sistema ancora più flessibile e più adeguato a rispondere a diverse esigenze. Moduli di I/U remoto. Se il numero di punti di ingresso e uscita è elevato ed essi sono inoltre disposti su una superficie molto estesa, è conveniente realizzare il cosiddetto I/U remoto. in questo caso, vi sono armadi di I/U sparsi nell impianto che sono poi collegati al PLC attraverso un modulo di I/U remoto che provvede a inviare lo stato degli ingressi e delle uscite dell armadio in cui è montato attraverso una linea seriale. Moduli per la connessione in rete. Sono moduli che gestiscono i protocolli di comunicazione per le diverse tipologie di reti informatiche che possono coinvolgere un sistema PLC (bus di campo, reti proprietarie, ETHERNET). Moduli coprocessore. Sono moduli che contengono un vero e proprio calcolatore convenzionale il quale può accedere direttamente ai dati contenuti nella memoria del PLC. Con tali moduli è possibile eseguire elaborazioni anche complesse attraverso programmi scritti in linguaggi di programmazione classici come BASIC o il C; essi possono comprendere unità di memorizzazione di massa e comunicare direttamente con l'esterno attraverso interfacce classiche come la seriale RS-232, la parallela Centronics, lo standard PCMCIA. Moduli PID. Se la regolazione PID, proporzione-integrale-derivata, non è disponibile, o non può essere eseguita direttamente dal PLC a causa della lunghezza del ciclo di scansione, tale modulo permette di avere a disposizione alcuni anelli PID a cui il PLC deve limitarsi a fornire i 14

15 riferimenti. Oltre alle funzionalità tipiche del regolatore PID, tali moduli possono essere autosintonizzati e permette un passaggio neutro tra modalità di regolazione manuale e automatica. Moduli di servo. Sono moduli che realizzano direttamente, e in maniera autonoma, l'asservimento di uno (o più) motori a passo, motori idraulici, motori in corrente continua con encoder incrementali. Moduli encoder. Realizzano tutte le funzionalità necessarie per utilizzare uno o più encoder incrementali o assoluti. Sono essenzialmente moduli con contatori ad alta velocità. Moduli interfaccia operatore. Rendono possibile il colloquio di un operatore con il PLC attraverso tastiere e display alfanumerici. Attualmente questo tipo di funzionalità viene sempre più spesso realizzato con calcolatori tradizionali connessi in rete con il PLC. Moduli di backup. Sono moduli che, inseriti negli armadi di due PLC differenti e collegati tra loro, permettono di avere una funzionalità di backup. In un sistema a massima disponibilità il modulo processore di riserva, attraverso tali moduli, viene informato costantemente sullo stato del modulo processore principale, esegue lo stesso programma e può, in caso di malfunzionamento di quest'ultimo, sostituirlo in tempi brevissimi nella gestione degli ingressi e delle uscite; eventualmente si può avere una duplicazione anche degli altri moduli che compongono il sistema. Un altra modalità di backup, detta a sicurezza intrinseca, prevede che i due moduli processore siano concordi nel decidere lo stato che deve assumere un uscita prima che ciò sia effettivamente eseguito. 1.4 Linguaggio di programmazione Lo standard IEC 1131 definisce anche i linguaggi di programmazione per i sistemi di controllo, in generale, e i controllori a logica programmabile, in particolare. Tale standard dovrebbe far progredire verso una normalizzazione della sintassi dei linguaggi di programmazione che conduca a metodi moderni per lo sviluppo di applicazioni (programmazione strutturata, modularità del software), aiuti la portabilità dei codici tra macchine diverse, faciliti la verifica dei codici, permetta di riutilizzare codice già sviluppato, riduca i costi e il tempo di sviluppo. Lo standard prevede i seguenti cinque linguaggi di programmazione per i PLC: diagramma funzionale sequenziale (o SFC, da Sequential Functional Chart), linguaggio a contatti (Ladder Diagram), diagramma a blocchi funzionali (o FBD, da Function Block Diagram), lista di istruzioni, testo strutturato. I primi tre sono linguaggi di programmazione grafici, gli ultimi due sono linguaggi testuali. 15

16 Il diagramma funzionale sequenziale permette di formulare le applicazioni di controllo di processi fisici utilizzando i concetti di fase e di transizione. Brevemente, le fasi rappresentano le azioni da compiere, eventualmente in parallelo, mentre le transizioni rappresentano le condizioni da soddisfare affinché si possa passare da una fase all altra. Esso può essere anche utilizzato per la definizione delle specifiche funzionali del sistema automatizzato. é un linguaggio gerarchicamente superiore agli altri quattro nel senso che è prevista la possibilità di formulare le fasi e le transizioni identificate attraverso l'utilizzo di uno degli altri quattro linguaggi. Tra le sue caratteristiche si ricordano la possibilità di prevedere sequenze che si sviluppano in parallelo o in alternativa, eventualmente assegnando loro delle priorità, e la possibilità di prevedere sequenze di retroazione che modifichino lo svilupparsi delle sequenze normali. Il linguaggio a contatti, conosciuto anche con il nome inglese Ladder Diagram, prevede l'utilizzo degli elementi contatto aperto, contatto chiuso e bobina, tipici degli schemi di controllo a relè elettromeccanici. Sono inoltre previste delle istruzioni per realizzare funzioni di temporizzazione e di conteggio. Il linguaggio a contatti è stato concepito per trattare principalmente logica binaria anche se è stato esteso attraverso l uso di funzioni speciali per permettergli, per esempio, di poter trattare numeri reali e realizzare funzionalità di controllo di processo (regolatore PID). Il diagramma a blocchi funzionali è anch esso un linguaggio di programmazione concepito per trattare principalmente logica binaria. Utilizza, per definire in forma grafica azioni da compiere e condizioni da verificare, una simbologia derivante dalla progettazione dei circuiti elettronici. La lista di istruzioni è un linguaggio di programmazione testuale simile ai linguaggi assemblativi dei calcolatori tradizionali. Presente soprattutto nei PLC di origine tedesca con la sigla AWL, è utilizzato soprattutto da programmatori che provengono dal mondo informatico. Il testo strutturato è un linguaggio di programmazione testuale ad alto livello, simile al PASCAL, con adattamenti all utilizzo nei sistemi di controllo. I linguaggi di programmazione più utilizzati al giorno d oggi restano il linguaggio a contatti e la lista di istruzioni, offerti, da soli o insieme, da tutti i costruttori di PLC. Cominciano a diffondersi anche applicazioni in diagramma funzionale sequenziale, le quali permettono una maggiore facilità di scrittura e leggibilità dei programmi; molto spesso però le singole fasi e transizioni debbono poi essere descritte attraverso altri linguaggi. Il testo strutturato è stato recentemente introdotto da alcuni costruttori, anche se il suo utilizzo non si è ancora diffuso; molto probabilmente si affermerà nel futuro, con il diffondersi della cultura informatica e la necessità di combinare insieme, in certe applicazioni, PLC e calcolatori tradizionali. 16

17 1.5 Classificazione dei PLC Data la diversità delle offerte dei produttori per quanto riguarda i controllori a logica programmabile, si ritiene utile proporre una loro classificazione in quattro categorie: micro PLC, piccoli PLC, medi PLC e grandi PLC. I micro PLC sono dei PLC che trattano fino a 64 punti di ingresso/uscita, generalmente tutti di tipo digitale, con memorie di 1 o 2 K. Non hanno, di solito, una struttura modulare ad armadio anche se possono prevedere delle espansioni per gli I/U. L insieme di istruzioni comprende quelle di base, quelle di temporizzazione e conteggio, oltre alle operazioni aritmetiche. Sono principalmente utilizzati come sostituzione di logiche a relè in applicazioni come il controllo di macchine operatrici, di ascensori, di lavatrici. I piccoli PLC trattano da 64 a 512 punti di ingresso/uscita, in predominanza digitali, ma vi possono essere capacità di I/U analogiche. Hanno una struttura modulare ad armadio e una memoria che arriva fino a 4 K. Possono avere capacità di connessione in rete e di gestione di I/U remoto. L insieme di istruzioni è più completo rispetto ai micro. I medi PLC possono arrivare a trattare da 256 a 2048 punti di ingresso/uscita e avere una memoria che arriva a qualche decina di k. Hanno una struttura modulare ad armadio, gestiscono l I/U remoto e sono arricchiti con moduli speciali. Hanno elevate capacità di comunicazione in rete informatica e un insieme di istruzioni molto completo; alcuni sono dotati di linguaggi di programmazione più evoluti. I grandi PLC sono caratterizzati dalla capacità di trattare numerosi punti di ingresso/uscita, di solito qualche migliaio, e dalla disponibilità di centinaia di K di memoria. Sono di solito utilizzati come interfacciamento tra PLC di minori prestazioni e calcolatori di gestione. Il loro insieme di istruzioni, molto completo, permette notevoli capacità di trattamento di informazioni. 17