PLC Sistemi a Logica Programmabile

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1 PLC Sistemi a Logica Programmabile Prof. Nicola Ingrosso Guida di riferimento all applicazione applicazione dei Microcontrollori Programmabili IPSIA G.Ferraris Brindisi ipsiaferraris.it

2 PLC Evoluzione di un sistema di comando Automazione Industriale Da quando esistono le macchine, esistono anche i comandi; essi quindi non sono un invenzione recente né una conseguenza degli sviluppi della microelettronica o dei computers. Anche i movimenti più semplici necessitano di un comando, esattamente come i processi più complessi. Il termine comando, comporta sempre tre attività: Ricevere informazioni sullo stato di un sistema o di un processo Elaborare le informazioni ricevute secondo regole prestabilite Emettere le nuove informazioni I0 I1 i2 Sistema di comando Processo Q0 Grandezza Comandata

3 PLC Evoluzione di un sistema di comando In ogni catena di comando è individuabile la direzione di flusso del segnale che può essere documentata con un diagramma: I0 Immissione Elaborazione Q0 Uscita I1 i2 Del segnale Del segnale Del segnale Il diagramma di flusso indica il percorso di un segnale dall immissione attraverso l elaborazione fino all emissione. Un segnale rappresenta un informazione. I segnali utilizzati per rappresentare un informazione si suddividono in: segnali analogici segnali digitali segnali binari

4 PLC Evoluzione di un sistema di comando Segnale Analogico Il segnale analogico è un segnale che varia con continuità nel tempo e quindi può assumere qualsiasi valore nell ambito del suo campo di variazione. Segnale Digitale Il segnale digitale è un segnale che varia con discontinuità nel tempo e quindi può assumere solo un numero discreto di valori (multipli interi dell unità base E) nell ambito del suo campo di variazione. Segnale Binario Il segnale binario è un segnale che, può assumere soltanto due valori 0 o 1. In questo tipo di segnale, pertanto, l informazione è legata alla presenza, (livello logico 1) o assenza (livello logico 0) del segnale.

5 PLC: EVOLUZIONE DELLE LOGICHE DI CONTROLLO Automazione Industriale Ciò che ha consentito l evoluzione del controllo delle macchine automatizzate o meglio dei sistemi automatici è stato il passaggio dalla componentistica elettromeccanica a quella elettronica. Nelle macchine automatizzate il progresso tecnologico è particolarmente avanzato nel circuito ausiliario (circuito di controllo) ed ha seguito nel tempo una curva di tipo esponenziale. Il controllo delle macchine è così passato da una gestione di tipo hardware,cablaggio dei circuiti elettromeccanici (logica a relè) ad un tipo software, programma, logica programmabile, o meglio - matematizzazione della logica a relè tramite l algebra booleana, che trasforma i circuiti elettromeccanici in equazioni e quindi viene affidato al Controllore a Logica Programmabile (P.L.C.).

6 PLC: EVOLUZIONE DELLE LOGICHE DI CONTROLLO Automazione Industriale Scomponendo una macchina automatizzata in blocchi la si può rappresentare nel modo seguente: Quadro comandi Quadro sinottico Circuito ausiliario Circuito di Potenza Sensori Attuatori MACCHINA

7 PLC: EVOLUZIONE DELLE LOGICHE DI CONTROLLO Automazione Industriale La macchina è l elemento produttivo. I sensori sono i dispositivi che rilevano i valori/stato di una qualunque grandezza fisica e le sue variazioni e li trasmettono al circuito ausiliario. Gli attuatori trasformano i segnali elettrici in azionamenti di tipo fisico ( motori - elettrovalvole) Il quadro comandi e il quadro sinottico permettono il dialogo tra l operatore e il circuito ausiliario. Il circuito di potenza fornisce agli attuatori l energia per poter eseguire i lavori per i quali essi sono preposti. Il circuito ausiliario è l unità di governo che determina le sequenze di lavorazione (ciclo di lavoro), in base alle informazioni provenienti dai sensori e/o dal quadro comandi). Il circuito ausiliario fornisce delle informazioni all operatore per mezzo di dispositivi segnaletici situati sul quadro sinottico. Queste informazioni segnalano le principali condizioni della macchina e/o dell impianto e le eventuali anomalie, e il sistema se opportunamente realizzato è in grado di compiere un determinato lavoro prendendo delle decisioni in funzione a determinati segnali ricevuti.

8 PLC:STRUTTURA DI UN SISTEMA DI COMANDO Automazione Industriale Traducendo quanto esposto precedentemente, la struttura di un sistema di comando assume il seguente aspetto: Azionamenti elettrici, elettronici pneumatici, oleodinamici elementi di potenza Unità di elaborazione e di comando Logica a relè Logica cablata Logica programmabile Attuatori di potenza: elettrici pneumatici oleodinamici Sensori elettrici elettronici penumatici elementi di comando Pulsanti - fine corsa - relè termici

9 PLC: EVOLUZIONE DELLE LOGICHE DI CONTROLLO Automazione Industriale Da quanto precedentemente esposto, risulta evidente che il circuito ausiliario è l effettivo gestore del sistema automatizzato, ed è a conoscenza in ogni istante della reale situazione del sistema che esso governa. Nel tempo il circuito ausiliario, ha avuto un evoluzione tecnologica, passando dalla Logica a relè alla Logica cablata fino alla Logica programmabile, seguendo di pari - passo l evoluzione tecnologica dei componenti e/o apparecchiature impiegate per la realizzazione di sistemi automatizzati.

10 PLC: Logica Cablata Un circuito che svolge determinate sequenze viene detto LOGICO. Un circuito logico non è altro che un insieme di elementi che svolgono una determinata funzione In un circuito a logica cablata i vari componenti vengono collegati tra loro seguendo uno schema ben preciso. I componenti di un sistema a logica cablata possono essere di varia natura, in base alla tecnologia adattata per il comando di quel dato sistema o impianto possono essere: componenti elettromeccanici, pneumatici, oppure componenti elettronici (circuiti integrati).

11 PLC: Logica Cablata Automazione Industriale Per la gestione automatica d impianti o macchine e necessario progettare direttamente i circuiti a logica cablata, secondo una procedura tipica che richiedeva: La costruzione del pannello. Il cablaggio dei componenti elettromeccanici e/o dei moduli elettronici scelti. La verifica del funzionamento. Non essendo generalmente disponibili delle strutture di simulazione, il controllo del funzionamento doveva basarsi sull effettiva situazione impiantistica, collegando fisicamente il controllore al sistema da governare. Se l architettura di controllo si rilevava inefficiente, spesso occorre modificare l intero schema di cablaggio, riassemblando i componenti utilizzati e collaudare nuovamente il tutto. Se dopo un certo tempo il ciclo di funzionamento dell impianto o del sistema automatico, doveva subire dei cambiamenti (per motivi di produzione) era necessario effettuare delle modifiche al quadro comando, non sempre facili e veloci o addirittura rifare completamente il quadro stesso con un costo non indifferente. In pratica, per ogni macchina o per ogni tipo di lavorazione, occorreva un quadro costruito su misura. I circuiti a logica cablata sono quindi: Rigidi (cioè non possono essere facilmente modificati) e Scarsamente riutilizzabili.

12 PLC: LOGICA PROGRAMMATA In un circuito a logica programmata le varie funzioni (relè, porte logiche, flip-flop, temporizzatori, contatori, ecc....) vengono ottenute mediante opportuni circuiti elettronici, attivati con determinate scritte (linguaggio di programmazione) e conservate nella memoria del sistema. Per gestire automaticamente impianti o macchine occorre: Stabilire le sequenze e le condizioni di attivazione delle varie funzioni; Scrivere nella memoria le istruzioni atte ad attivare le funzioni richieste al verificarsi delle condizioni stabilite (programma). Risulta evidente che, in intero ciclo produttivo o un controllo di processo può essere modificato a piacere anche in fase operativa semplicemente modificando il contenuto della memoria (cioè il programma). Inoltre non esiste più un vero e proprio cablaggio in quanto le varie funzioni vengono eseguite tramite circuiti elettronici, interni al PLC, opportunamente predisposti.

13 PLC: LOGICA PROGRAMMATA Agli ingessi occorre però sempre collegare i pulsanti, gli attuatori, i fine corsa e i rilevatori di vari tipo per segnalare: In quale stato deve essere portato l impianto (pulsanti, impostatori) In quale stato si trova istante per istante l impianto (fine corsa, rilevatori) Alle uscite del PLC vanno invece collegati: I contatori per il comando di motori elettrici; Le elettrovalvole per il comando di cilindri; I dispositivi di segnalazione; I dispositivi vari per il comando di attuatori.

14 PLC: LOGICA PROGRAMMATA Collegamento I/O al PLC IDEC Micro 1 PROGRAMMA Memoria

15 PLC: ELEMENTI COSTITUTIVI DI UN PLC Costruttivamente la struttura generica di un PLC è assimilata ad un Personal Computer, richiamandone gli elementi fondamentali. Unità di Ingresso Memoria Dati CPU Unità di Uscita Programma In modo più specifico i PLC sono costituiti da: Unità centrale (CPU) Dispositivi di ingresso Dispositivi di uscita Memorie Unità di programmazione Interfaccia di collegamento a PC

16 PLC: Struttura di un Controllore Logico Programmabile Automazione Industriale Dispositivo di interfacciamento Unità di programmazione Memoria Programma Circuiti di Ingresso Dispositivo di Ingresso Memorie di Massa Memoria di lavoro CPU Circuiti di Uscita Dispositivo di Uscita

17 PLC: UNITA CENTRALE Automazione Industriale L unità centrale di un PLC detta anche CPU (Central Processor Unit), è il centro di attività di tutto il sistema, in pratica coordina tutte le attività. Va a cercare nella memoria le funzioni che gli vengono richieste, le analizza per poterle riconoscere, le esegue ad una ad una, in modo sequenziale, per gestire il funzionamento completo di ogni processo. La CPU recepisce tutte le informazioni che provengono dal mondo esterno (tramite interruttori, trasduttori, ecc), quindi svolgendo il programma invia per mezzo di altre periferiche i risultati delle sue operazioni all esterno (attraverso contattori, relè, ecc...). In pratica la CPU sostituisce i cablaggi in modo più rapido, più sicuro e più flessibile.

18 PLC: UNITA CENTRALE Automazione Industriale Le funzioni logiche ed aritmetiche di un PLC vengono realizzate, in base a quanto specificato nel programma, dall Unità Centrale del PLC. Il PLC essendo un computer, orientato al controllo di sistemi di automazione industriale, è in grado di elaborare solamente delle informazioni espresse sui due livelli logici 1 e 0. Con 1 logico si deve intendere presenza di segnale, mentre con 0 logico si deve intendere assenza di segnale. Di conseguenza tutte le informazioni fornite ad un PLC, siano esse dei dati o delle istruzioni, devono essere espresse tramite combinazioni di questi due stati o livelli logici. La rappresentazione di dati ed istruzioni in termini di 0 ed 1 logici, prende il nome di rappresentazione binaria. L unità d informazione più piccola viene denominata BIT, dalla terminologia inglese BInary digit. Un informazione, nella forma comprensibile al PLC, potrebbe essere del tipo seguente:

19 PLC: UNITA CENTRALE Caratteristica base di tutti i sistemi di elaborazione dati e quindi anche dei PLC è il funzionamento sequenziale, da intendersi nel senso di una operazione alla volta, una dopo l altra. Infatti, non bisogna dimenticarsi che l elemento centrale di un PLC è la sua CPU, la quale a sua volta vede come componente fondamentale un microprocessore. Il microprocessore è un componente la cui logica opera in sequenza, un operazione alla volta, e tale comportamento si estende a tutta la CPU e quindi a tutto il PLC. Ad osservare un PLC al lavoro, non si direbbe che esegua un istruzione alla volta, un operazione dopo l altra, ma piuttosto che attui più funzioni contemporaneamente. Questo dipende ovviamente dalla velocità di esecuzione delle singole istruzioni.

20 PLC: UNITA CENTRALE Dati di Ingresso Istruzione n. 1 Istruzione n. 2 Istruzione n. 3 M em oria D ati CPU Istruzione n.... N Programma Dati di Uscita

21 PLC: UNITA CENTRALE Automazione Industriale Il funzionamento sequenziale dei sistemi PLC porta a due importanti conclusioni: L elaborazione di un programma richiede un certo tempo. Le istruzioni che comportano funzioni tra loro in evidente contraddizione sono elaborate una dopo l altra. In considerazione di quanto sopra, diventa importante conoscere il tempo che un PLC impiega per eseguire una determinata operazione, e il tempo che impiega per il tempo per eseguire interamente un programma, perché per esempio, un tempo molto grande (sempre dell ordine di microsecondi) può rappresentare un problema se il PLC è inserito in alcuni cicli produttivi.

22 PLC: UNITA CENTRALE Tempo di istruzioneper tempo di istruzione si intende il tempo impiegato dall unità centrale per leggere, un istruzione contenuta nella memoria e per elaborarla, e il tempo necessario per passare al successivo indirizzo del programma. Tempo di ciclo Per tempo di ciclo si intende la somma dei tempi necessari all elaborazione delle singole istruzioni che compongono il programma. Nell analisi successiva dei vari moduli, ci accorgeremo che il tempo necessario all esecuzione di una istruzione o di tutto il programma, viene influenzato da altri tempi relativi ai moduli d ingresso e di uscita. La CPU nel suo interno è costituita da tante parti che svolgono distinte funzioni:

23 PLC: UNITA CENTRALE Dati di Ingresso Memoria Dati Memoria Programma Dati di Uscita Contatore di Istruzioni Unità di Comando Registro di Istruzioni ALU

24 PLC: MEMORIE Automazione Industriale In un controllore programmabile, le funzioni di controllo e comando sono determinate dal programma, il quale viene caricato, istruzione per istruzione, in memoria. Il caricamento avviene da parte del tecnico programmatore, il quale a questo scopo si serve di un opportuno apparecchio di programmazione, di fatto una apposita tastiera specializzata a questo funzione ed interfacciata con il PLC. In un PLC sono identificabili due grandi blocchi di memoria: System Memory, o memoria di sistema Application Memory, o memoria applicativa

25 PLC: MEMORIE MEMORIA MEMORIA DI SISTEMA MEMORIA APPLICATIVA MEMORIA DATI MEMORIA DI PROGRAMMA La memoria di sistema comprende la memoria destinata a contenere il Sistema Operativo del PLC (il programma definito dal costruttore del PLC e che sovrintende alle funzioni di base, e a contenere i dati di lavoro, dati generati e utilizzati dal sistema operativo stesso.) La memoria di sistema non è disponibile all utente. La memoria applicativa è destinata alle applicazioni, quindi all utente, sia per i programmi (Memoria di Programma) e sia per i dati (memoria dati).

26 PLC: COMPONENTI DI UN PLC Moduli I/O - Schede che permettono l interfacciamento del modulo processore con il mondo esterno Modulo processore - Scheda a microprocessore - Controlla e supervisiona tutte le operazioni eseguite all interno del sistema

27 PLC: COMPONENTI DI UN PLC Alimentatore - Alimentazione per tutte le schede presenti nel cestello Terminale di programmazione - Tramite Tastierino e con qualsiasi personal computer dotato di scheda per la comunicazione seriale (RS232 / RS485)

28 PLC: SEZIONE D INGRESSOD Un PLC essendo un computer concepito per la soluzione di problemi di comando e controllo in automazione industriale, deve soddisfare particolari esigenze per quanto concerne l Input/Output (I/O) dei dati. Le informazioni provenienti dal processo controllato possono essere più semplicemente definite con il termine di segnali; o più precisamente come segnali d ingresso. Tali segnali sono poi da intendersi sempre come segnali binari, quindi con due soli valori: 1 logico 0 logico Questo a prescindere dalla natura iniziale del segnale, il quale potrebbe benissimo essere di tipo analogico, quindi con valori variabili nel tempo. Infatti, se il segnale fosse di tipo analogico, verrebbe sottoposto, da parte di opportuni moduli del PLC, a conversione da analogico a digitale, ricevendo quindi sempre nella sua logica interna un segnale digitale su due livelli possibili, vale a dire binario. Le schede d ingresso quindi rappresentano l interfaccia tra la logica interna del PLC e i segnali esterni, comunque generati..

29 PLC: SEZIONE D USCITAD Il risultato fondamentale dell elaborazione di un programma da parte di un PLC consiste nella generazione di segnali in uscita, che agiscono sul processo controllato, tramite opportuni attuatori. Le schede di uscita rappresentano quindi sostanzialmente l interfaccia tra l elaborazione del programma attuata dalla CPU del PLC e gli attuatori che consentono al sistema di comando di agire sull impianto controllato.

30 PLC: UNITA DI PROGRAMMAZIONE Il dispositivo di programmazione è una unità periferica con tastiera e piccolo schermo (display) di visualizzazione ed è impiegata per: Immettere le istruzioni in sequenza in modo da informare il PLC su come e in che ordine eseguire le operazioni di gestione dell impianto; Visualizzare eventuali programmi impostati precedentemente; Editare (cambiare, aggiungere, cancellare) parti di programma; Visualizzare il valore corrente di ogni temporizzatore e contatore interno; Controllare il funzionamento di qualsiasi relè o contatto programmato.

31 PLC: UNITA DI PROGRAMMAZIONE Display Tasti di programmazione Il programmatore può essere connesso in modo permanente alla CPU, oppure rimosso senza comprometterne il funzionamento: infatti una volta introdotto e testato il programma. la CPU è in grado di lavorare autonomamente e il programmatore può essere rimosso ed impiegato per servire altre CPU.

32 PLC: UNITA DI PROGRAMMAZIONE Unità di programmazione per - IDEC MICRO 1

33 PLC: SOFTWARE DI PROGRAMMAZIONE Esempio: WINLADER Per PLC IDEC