Programmable Logic Controllers - PLC

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1 Programmable Logic Controllers - PLC Introduzione! Negli anni sessanta i sistemi di automazione e controllo potevano essere implementati solo tramite circuiti a relè oppure con dispositivi allo stato solido (logica cablata).! Il relè è costituito da un elettromagnete (nucleo + bobina), da una armatura mobile posta ad una estremità del nucleo e mantenuta distante dallo stesso mediante l'azione di molle.

2 Introduzione Introduzione!Con relè e circuiti logici combinatori si sono stati realizzati sistemi anche molto complessi.!esempio: sistema composto da una caldaia che deve riscaldare acqua per mantenere un ambiente ad una temperatura costante

3 Introduzione Sistema: variabili da controllare! Ta - temperatura dell'ambiente che si vuole riscaldare, che può oppure no superare una soglia prefissata;! Tc - temperatura dell'acqua contenuta nella caldaia che non deve superare una determinata soglia, ad esempio 60 C;! Tp - temperatura dell'acqua oltre la quale la pompa di circolazione deve entrare in funzione, ad esempio 30 C;! Sp - manometro di sicurezza che deve impedire alla pressione, in caso di guasto, di superare una data soglia di sicurezza.

4 Sistema: variabili da controllare! Dall'elaborazione di queste informazioni fornite dal processo al circuito digitale, devono essere generati dei segnali di uscita per il comando, tramite opportuni circuiti di interfaccia! Accensione del bruciatore (Cb),! Accensione della pompa (Cp);!Segnale di allarme (A) che spenga tutto l'impianto ed accenda una spia. Sistema: variabili da controllare

5 Tabella della verità! Ipotesi: inizialmente l'ambiente che si vuol riscaldare è freddo, l'acqua nella caldaia è fredda e la pompa che la spinge in circolazione è ferma.! Dopo l'accensione del bruciatore, la pompa entra in funzione non appena l'acqua supera i 30 C di temperatura e si spegne solo in caso di allarme o se la temperatura scende nuovamente sotto i 30 C. Tabella della verità! Il bruciatore si accende se l'ambiente è freddo e l'acqua nella caldaia è al di sotto di 60 C. Si spegne, invece, quando l'ambiente ha raggiunto la temperatura voluta o quando l'acqua sale al di sopra di 60 C.! Nel caso di allarme, che si ha se la pressione supera un determinato valore, il manometro emette un segnale (Sp), che deve spegnere tutto l'impianto ed accendere una lampada spia.

6 Tabella della verità Equazioni booleane!la tabella può essere convertita in queste equazioni

7 Equazioni booleane!le 3 equazioni possono essere ulteriormente ridotte, usando le mappe di Karnaugh Circuito Logico!Si possono sintetizzare le tre equazioni col seguente circuito

8 Automazione on/off!l esempio appena visto si inquadra in quelli di automazione on/off:!in corrispondenza ai valori binari velle variabili accendo o spengo dei dispositivi!si tratta anche di un sistema di automazione cablato :!Ogni modifica nella logica di funzionamento, richiede una variazione circuitale Automazion on/off! La logica usata è puramente combinatoria, ma si potrebbero usare anche circuiti sequenziali (es. Flip-flop), temporizzatori ecc.! Con questi componenti sono stati realizzati sistemi anche molto complessi, ma che richiedevano sforzi notevoli per realizzare anche semplici modifiche

9 Automazione programmata! L avvento dei microprocessori ha permesso, da circa la metà degli anni settanta, l introduzione sul mercato di dispositivi programmabili progettati esclusivamente per realizzare sistemi di automazione.! Con i PLC, le funzioni di automazione non sono realizzate in hardware, bensì da un programma, eseguito in maniera ciclica.! Ad ogni ciclo, lo stato o il valore delle variabili di impianto viene acquisito, elaborato e il risultato inviato all impianto in forma di segnali, comandi etc. Il PLC! Dal punto di vista hardware, un PLC è composto da un'unità centrale e una serie di unità periferiche.

10 Il PLC! Tali unità sono normalmente costituite da moduli che vengono messi in collegamento tra loro da un bus. Il PLC! L installazione dei moduli avviene su guide profilate o su appositi rack.

11 Il PLC! L'unità centrale contiene la CPU e l unità di memoria. Compito della CPU è quello di eseguire ciclicamente il programma utente residente nell'unità di memoria. Il PLC! Nel suo funzionamento, il controllore programmabile acquisisce segnali provenienti dall impianto da controllare (ingressi) e li elabora secondo il programma utente ricavandone ulteriori segnali (uscite) con i quali agisce sull impianto.

12 Il PLC! Tali funzioni vengono svolte per mezzo di un adeguata sezione di ingresso/uscita costituita da schede che permettono il trattamento dei segnali usati per l'interfacciamento del controllore programmabile al campo. PLC! I tipi di schede di ingresso/uscita e il numero di segnali trattati sono molteplici e variano a seconda dei produttori! praticamente tutti forniscono schede in grado di gestire i segnali digitali e analogici tipici dell automazione di impianto e di realizzare l isolamento galvanico verso il campo.! Tra le unità periferiche vanno anche annoverate quelle che permettono di collegare il PLC ad altri dispositivi che non fanno parte della sua struttura! Es: schede per interfaccia seriale, schede per interfaccia verso le reti di comunicazione

13 PLC con moduli I/O PLC! L'avvento dei PLC ha portato grandi miglioramenti nei sistemi di automazione industriale, infatti le funzioni che essi svolgono sono molteplici e potenti.! Essi permettono infatti di realizzare le operazioni logicocombinatorie tipiche dei relè, ma soprattutto sono in grado di fornire prestazioni molto simili a quelle dei moderni sistemi a microprocessore, tra le quali:! operazioni aritmetiche complesse a 16 e 32 bit! temporizzazioni, conteggi,! tecniche di indirizzamento,! blocchi decisionali,! cicli iterativi, ecc.

14 PLC! Un controllore programmabile, come tutti i sistemi a microprocessore, è basato su una struttura hardware il cui nucleo centrale, la CPU, esegue ciclicamente un programma memorizzato su un supporto fisico adeguato. Spesso il sistema è completato da dispositivi di interfaccia uomo-macchina (video, tastiere, ecc.) i quali permettono un interazione agevole con l impianto sotto controllo del PLC.! Domanda: quanto è diverso da un normale PC, con opportune interfacce verso il campo?! Dove sta il vantaggio nell usare il PLC? PLC vs PC! I PLC sono progettati in hardware e software per l automazione di impianto e i componenti usati per realizzare un sistema di automazione basato su PLC provengono da un unico produttore che ne garantisce la compatibilità.! Un sistema di automazione basato su PC usa normalmente componenti hardware e software di produttori diversi. Questo, se da un lato si traduce in minori costi realizzativi, dall altro può dar luogo a problemi di compatibilità talvolta anche notevoli.

15 PLC vs PC! Le caratteristiche costruttive e la sensibilità ai disturbi di carattere elettromagnetico dei PC li rendono poco adatti ad essere impiegati in ambienti industriali. Per ovviare a tale inconveniente potrebbe essere usata la versione industriale dei PC, tuttavia in questo caso il costo del sistema aumenta e viene a mancare uno dei vantaggi.! L ambiente dei PC è molto più dinamico e flessibile di quello dei PLC, questo comporta una maggiore rapidità negli aggiornamenti hardware e software. PLC vs PC! Gli strumenti software messi a disposizione per i PC sono infinitamente più potenti di quelli dei PLC.! I PLC sono stati progettati in modo da poter essere usati da personale non esperto di informatica (basti pensare ai linguaggi di programmazione disponibili), mentre per realizzare e/o gestire un sistema di automazione basato su PC sono necessarie buone competenze informatiche.

16 Software per PLC! Per realizzare il programma che un PLC deve eseguire ogni produttore mette a disposizione un sistema di sviluppo: si tratta di un ambiente software che permette la scrittura e il test dei programmi.! Il sistema di sviluppo è solitamente un PC, tuttavia esistono anche dei piccoli terminali per la programmazione, che sono piuttosto utili in fase di collaudo sull impianto date le loro dimensioni molto ridotte e la semplicità d uso. Software per PLC! Nell'implementazione di un programma per un PLC si possono distinguere due fasi:! la fase "off-line" di realizzazione nella quale sistema di sviluppo e PLC non sono collegati.! la fase "on-line" in cui il programma realizzato viene trasferito nel PLC e provato. Il collegamento tra sistema di sviluppo e il PLC (necessariamente presente in questa fase) permette di usufruire di tutti i tool a disposizione per il test dei programmi quali ad esempio il forzamento di variabili, la lettura del loro stato, l impostazione di breakpoint nel programma, ecc.

17 Software per PLC! Per la memorizzazione del programma di un PLC vengono usati vari tipi di memorie presenti sul mercato, quindi dipendentemente dal produttore si possono incontrare moduli di tipo EPROM, EEPROM, FLASH EPROM o RAM! Per quanto riguarda i linguaggi di programmazione per PLC, esiste lo standard internazionale IEC 1131! tutti i produttori dovrebbero fare riferimento a questo standard, quindi fornire dispositivi programmabili con i linguaggi specificati dallo standard. Software per PLC! In realtà la situazione è molto più complessa e variegata in quanto lo standard è stato emanato solo recentemente.! Ciò ha permesso negli anni passati la proliferazione di molti prodotti proprietari incompatibili tra di loro.! Questa situazione permane attualmente poiché i produttori di PLC sono restii a cambiare i loro linguaggi di programmazione, anche a causa delle resistenze provenienti dai loro utenti.

18 Software per PLC! Tuttavia spesso i linguaggi adottati da produttori diversi sono molto simili; in particolare, quasi tutti prevedono il cosiddetto linguaggio a contatti (ladder diagram)! Si tratta di una rappresentazione grafica dove i contatti identificano le variabili (ingressi, uscite, registri interni), mentre i collegamenti tra i contatti specificano le operazioni da compiere sulle variabili. Software per PLC! Tuttavia spesso i linguaggi adottati da produttori diversi sono molto simili; in particolare, quasi tutti prevedono il cosiddetto linguaggio a contatti (ladder diagram)! Si tratta di una rappresentazione grafica dove i contatti identificano le variabili (ingressi, uscite, registri interni), mentre i collegamenti tra i contatti specificano le operazioni da compiere sulle variabili.

19 Software per PLC! Questo linguaggio deriva dai primi impieghi dei PLC, che in pratica sostituivano delle logiche cablate realizzate con dei relè, e risulta essere di comprensione immediata, le sue potenzialità sono però piuttosto limitate.! E tuttavia il caso di osservare che il linguaggio a contatti è ancora molto diffuso soprattutto per i PLC di produzione americana e per utenti dell ambiente elettro-meccanico. Software per PLC! Un altro linguaggio molto diffuso è il cosiddetto schema funzionale (control system flow-chart), dove le operazioni sulle variabili sono definite da blocchi ai quali le variabili fanno capo.! Mediante lo schema funzionale si possono realizzare funzioni di alto livello, ad esempio regolatori PID, registri a scorrimento, operazioni aritmetiche in virgola mobile, logiche combinatorie molto complesse, ecc.

20 Software per PLC! Il terzo linguaggio di programmazione per PLC che viene citato è la lista di istruzioni (statement list)! E il linguaggio più usato in Europa e ha alcune istruzioni proprie dell'assembly del microprocessore del PLC e altre più sofisticate che vengono tradotte dal SO del PLC in fase di generazione del codice. Software per PLC! I tre linguaggi appena menzionati di solito vengono messi a disposizione da tutti i produttori di PLC e sono presenti nello standard IEC 1131; tuttavia, come già accennato essi sono incompatibili tra di loro.! IEC 1131 specifica anche un ulteriore linguaggio, che viene fornito solo da pochi produttori ed è denominato Sequential Flow-Chart (SFC).! Si tratta di un linguaggio studiato esplicitamente per la programmazione di sequenze, dato che questo tipo di operazioni è molto frequente in automazione industriale.

21 Software per PLC! La simbologia grafica adottata deriva dalle reti di Petri (le vedremo): si nota la presenza di "step" e "transizioni".! Negli step si intraprendono azioni (ad esempio invio di comandi) mentre le condizioni presenti nelle transizioni regolano il passaggio agli step successivi.! E prevista la possibilità di realizzare rami in alternativa e rami simultanei, operazioni di salto e altre operazioni più complesse.