LA PROGRAMMAZIONE IN LINGUAGGIO LADDER

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1 Corso su LA PROGRAMMAZIONE IN LINGUAGGIO LADDER creato in esclusiva per Associazione PLC Forum Prof.Ing.Salvatore Cavalieri Università di Catania, Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Informatica e delle Telecomunicazioni Viale A.Doria Catania (Italy) Tel: , Fax: salvatore.cavalieri@diit.unict.it

2 Indice 1 Cenni sul Linguaggio di Programmazione Ladder Regole di Esecuzione dei Rung Contatti Contatto Normalmente Aperto Contatto Normalmente Chiuso Positive Transition-Sensing Contact Negative Transition-Sensing Contact Coil Coil Negated Coil Set Coil Reset Coil Positive Transition-Sensing Coil Negative Transition-Sensing Coil Realizzazione delle Logiche di Base Logica AND Logica OR Logiche AND e OR Effetti Collaterali delle Regole di Esecuzione dei Rung Uso di Istanze di Function Block e di Funzioni Esempio: Timer TON Feedback Paths Tecnica di Programmazione con il Ladder Tecnica di Base Marcia Arresto Motore Clock Tecnica Avanzata di Programmazione Nastro Trasportatore Errori di Programmazione...21

3 1 Cenni sul Linguaggio di Programmazione Ladder Il linguaggio Ladder è il più vecchio linguaggio di programmazione per PLC. Si basa su simboli di provenienza "elettrica": binari di potenza (power rail), che permettono l'erogazione della corrente che alimenta i circuiti progettati tramite i simboli del linguaggio Ladder (contatti e avvolgimenti elettrici). In un programma vengono utilizzati due binari di potenza tra i quali si articola il circuito. E' possibile omettere un binario, quello a destra, ma è obbligatorio rappresentare il binario di potenza a sinistra del circuito; contatti elettrici, che permettono l'interruzione o il passaggio della corrente nei circuiti progettati. Esistono molti tipi di contatti, tra cui il contatto normalmente chiuso e normalmente aperto; avvolgimenti magnetici (coil), che permettono l'attivazione o la disattivazione di comandi per gli attuatori da controllare. Esistono molti tipi di coil, tra cui il coil e il coil negato (Negated Coil); linee elettriche orizzontali, necessarie a connettere tutti gli elementi del linguaggio tra loro e con i binari di potenza. Un programma scritto in Ladder si articola in linee orizzontali dette rung, connesse a sinistra e a destra ai due binari di potenza. Ciascun "rung" deve essere connesso necessariamente al binario di potenza sinistro (left power rail), mentre il collegamento con quello destro è opzionale. In ciascun rung la corrente fluisce da sinistra a destra. Ciascun rung può contenere contatti e coil. In ogni caso è obbligatorio anteporre i contatti ai coil; ciò è anche ovvio se si pensa che la corrente fluisce da sinistra a destra e i contatti hanno lo scopo di abilitare o inibire il suo passaggio verso i coil, che permettono di comandare gli attuatori. La seguente figura mostra alcuni degli elementi del linguaggio ladder. Power Rail Linee Elettriche Orizzontali Connessioni ai Power Rail Contatto Normalmente Aperto Contatto Normalmente Chiuso Coil Negated Coil Figura 1 - Alcuni Simboli del Linguaggio Ladder PLC Forum - 1

4 2 Regole di Esecuzione dei Rung Prima di illustrare in dettaglio gli elementi che compongono il linguaggio Ladder, è necessario introdurre il concetto di esecuzione di un programma scritto in linguaggio Ladder. Come già detto, un programma scritto in linguaggio Ladder è composto da più rung disposti parallelamente tra loro e connessi ai due power rail posti a sinistra e a destra (anche se quello di destra è opzionale). L'esecuzione di un programma in Ladder è realizzata valutando un rung alla volta. L'ordine di valutazione dei rung è quello che procede dal primo rung in alto verso l'ultimo rung in basso. Quando l'ultimo rung in basso viene valutato, vengono aggiornate tutte le uscite fisiche del PLC (attuatori ad esempio) considerate nel programma, vengono letti tutti gli ingressi e si inizia nuovamente a valutare il primo rung. Si parla dunque di scansioni del programma Ladder. La valutazione di ciascun rung, consiste nella valutazione dello stato dei contatti posti a partire da sinistra. In base a tale stato, ossia contatto aperto o chiuso, viene valutato se la corrente fluisce verso la destra del rung. In base a ciò vengono, infine, valutate le azioni da intraprendere in dipendenza della tipologia dei coil presenti nel rung. La Figura seguente evidenzia le scansioni cicliche di un programma scritto in Ladder. Lettura degli Ingressi Valutazione dei Rung Aggiornamento delle Uscite Figura 2 - Scansioni in un PLC E' importante evidenziare che la lettura degli ingressi fisici del PLC consiste nella copia dei valori di tali ingressi in variabili poste in memoria interna. Analogamente l'aggiornamento delle uscite fisiche consiste nella copia dei valori correnti di variabili di memoria nelle corrispondenti uscite fisiche del PLC. In sostanza, un programma in Ladder si basa su simboli di variabili poste in memoria interna. Alcune di queste variabili sono temporanee, ossia servono solo per calcoli intermedi, altre sono collegate logicamente ad ingressi fisici ed altre ad uscite fisiche del PLC. La corrispondenza delle variabili con ingressi o uscite viene fatta in fase di definizione delle variabili stesse. E' interessante notare che, in base alla Figura 2, se una variabile è legata ad una uscita, e tale variabile subisce differenti modifiche nel corso di una singola scansione, l'uscita fisica corrispondente subisce UNA sola modifica, corrispondente al valore della variabile dopo la PLC Forum - 2

5 valutazione dell'ultimo rung del programma Ladder. Ciò è importante ricordarlo per evitare di commettere grossolani errori semantici durante la programmazione. PLC Forum - 3

6 3 Contatti Questa sezione illustrerà alcuni dei contatti presenti nel linguaggio Ladder. In generale, qualunque sia il tipo di contatto utilizzato in un programma scritto in Ladder, ad ogni contatto deve essere associata una variabile binaria. Tale variabile viene solamente letta. Per quanto detto nella sezione 2, la variabile può essere una variabile temporanea o una variabile collegata logicamente ad un ingresso fisico, o, infine, può coincidere con una variabile connessa ad una uscita fisica. In quest'ultimo caso il contatto non modifica la variabile di uscita ma legge solo il suo valore corrente, ossia il valore che la variabile interna di memoria possiede all'esecuzione del rung. Lo stato (On/Off) della variabile binaria associata al contatto, determina il passaggio di corrente attraverso il contatto, in dipendenza del tipo di contatto, come verrà illustrato nel seguito. 3.1 Contatto Normalmente Aperto In tale contatto la corrente fluisce da sinistra a destra se la variabile associata al contatto è 1 (On). La corrente fluisce a destra per qualunque scansione del Programma Ladder fino a quando la variabile associata al contatto diviene 0 (Off). La seguente figura mostra un contatto normalmente aperto, con la variabile binaria di nome IN associata. IN 3.2 Contatto Normalmente Chiuso In tal caso, la corrente fluisce da sinistra a destra se la variabile associata ad esso è 0. La corrente fluisce a destra per qualunque scansione del Programma Ladder fino a quando la variabile diviene 1. La figura seguente mostra un contatto normalmente chiuso con la variabile binaria di nome IN associata ad esso. IN 3.3 Positive Transition-Sensing Contact Tale contatto è sensibile alla transizione 0-1 (fronte di salita), nel senso che permette il passaggio della corrente solo nella scansione del programma Ladder, in cui la variabile binaria ad esso associato subisce una modifica del valore da 0 a 1, ossia si ha un fronte si salita. La seguente figura mostra un contatto di tale tipo con la variabile IN associata. IN P La tabella seguente riassume il funzionamento di tale contatto, mostrando nella prima colonna le scansioni successive del programma, nella colonna centrale il valore della variabile associata al PLC Forum - 4

7 contatto e nella colonna a destra lo stato della corrente che fluisce attraverso il contatto. Come si vede dalla tabella, la corrente fluisce da sinistra a destra del Positive Transition-Sensing Contact, se la variabile passa da 0 a 1. La corrente fluisce a destra solo per una scansione del Programma Ladder (quella relativa alla transizione). Scansione del Programma Valore della variabile associata al contatto quando viene valutato il rung Corrente alla Destra 1 OFF OFF 2 ON ON 3 ON OFF 4 ON OFF 5 OFF OFF 3.4 Negative Transition-Sensing Contact Tale contatto è sensibile alla transizione 1-0, nel senso che la corrente fluisce da sinistra a destra del Negative Transition-Sensing Contact, se la variabile associata al contatto passa da 1 a 0. La corrente fluisce a destra solo per una scansione del Programma Ladder (quella relativa alla transizione). La seguente figura mostra un contatto di tale tipo. IN N La tabella seguente riassume il funzionamento di tale contatto, mostrando nella prima colonna le scansioni successive del programma, nella colonna centrale il valore della variabile associata al contatto e nella colonna a destra lo stato della corrente che fluisce attraverso il contatto. Come si evince dalla tabella, la corrente fluisce da sinistra a destra del Negative Transition-Sensing Contact, se la variabile passa da 1 a 0. La corrente fluisce a destra solo per una scansione del Programma Ladder (quella relativa alla transizione). Scansione del Programma Valore della variabile associata al contatto quando viene valutato il rung Corrente alla Destra 1 ON OFF 2 OFF ON 3 OFF OFF 4 OFF OFF 5 ON OFF PLC Forum - 5

8 4 Coil Analogamente a quanto accade per i contatti, anche ad ogni coil viene associata una variabile binaria. In tal caso però la variabile viene scritta. Per tale motivo la variabile associata ad un coil può essere una variabile interna temporanea, o una variabile associata ad una uscita fisica. Non può essere una variabile associata ad un ingresso fisico. Nel seguito verranno illustrati alcuni dei più comuni coil. 4.1 Coil La variabile binaria associata al Coil è posta a 1 se vi è una corrente che fluisce da sinistra. La variabile rimane a 1 per qualunque scansione del Programma Ladder fino a quando la corrente cessa di fluire da sinistra. La figura mostra un coil con associata la variabile binaria OUT. OUT 4.2 Negated Coil La variabile binaria associata al Negated Coil è posta a 0 se vi è una corrente che fluisce da sinistra. La variabile rimane a 0 per qualunque scansione del Programma Ladder fino a quando la corrente cessa di fluire da sinistra. La figura mostra un Negated Coil con associata la variabile binaria OUT. OUT 4.3 Set Coil La variabile binaria associata al coil Set è posta a 1 se vi è una corrente che fluisce da sinistra. La variabile rimane a 1 per qualunque scansione del Programma Ladder a prescindere dalla presenza o assenza della corrente. OUT S 4.4 Reset Coil La variabile binaria associata al coil Reset è posta a 0 se vi è una corrente che fluisce da sinistra. La variabile rimane a 0 per qualunque scansione del Programma Ladder indipendentemente dalla presenza/assenza della corrente. Si noti che l'uso del coil reset è sempre da associare all'uso di un coil set. OUT R PLC Forum - 6

9 4.5 Positive Transition-Sensing Coil La variabile binaria associata al Positive Transition-Sensing Coil è posta a 1 se la corrente che fluisce da sinistra passa da un valore 0 (OFF) ad una valore 1 (ON). La variabile rimane a 1 solo per una scansione del Programma Ladder (quella relativa alla transizione dello stato della corrente). La seguente tabella riassume il funzionamento di questo coil. Scansione del Programma Valore della corrente alla sinistra del coil quando viene valutato il rung La Figura seguente mostra un Positive Transition-Sensing Coil al quale è associata la variabile binaria OUT. OUT P Valore della variabile binaria 1 OFF OFF 2 ON ON 3 ON OFF 4 OFF OFF 4.6 Negative Transition-Sensing Coil La variabile binaria associata al Negative Transition-Sensing Coil è posta a 1 se la corrente che fluisce da sinistra passa da un valore 1 ad un valore 0. La variabile rimane a 1 solo per una scansione del Programma Ladder (quella relativa alla transizione dello stato della corrente). La seguente tabella riassume il funzionamento di questo coil. Scansione del Programma Valore della corrente alla sinistra del coil quando viene valutato il rung La Figura seguente mostra un Negative Transition-Sensing Coil al quale è associata la variabile binaria OUT. OUT N Valore della variabile binaria 1 ON OFF 2 OFF ON 3 OFF OFF 4 ON OFF PLC Forum - 7

10 5 Realizzazione delle Logiche di Base Scopo di questa sezione è quella di illustrare come sia possibile utilizzare i simboli di contatti e coil per realizzare le due funzioni logiche di base, la funzione "and" e quella "or". La prima permette di attivare una o più variabili binarie (ad esempio per comandare attuatori) se e solo se la contemporaneità di più eventi è soddisfatta. La funzione "or", invece permette di attivare una o più variabili di uscita se almeno una tra più eventi si sia verificato. In questo paragrafo, per evento si intende l'attivazione (passaggio da OFF a ON) o la disattivazione (passaggio da ON a OFF) di una variabile binaria. 5.1 Logica AND La funzione di "and" può essere realizzata connettendo in serie più contatti (di tipologia opportunamente scelta in base al problema da risolvere), a ciascuno dei quali sia associata una variabile binaria. La connessione in serie permette di far dipendere il passaggio della corrente verso la destra del rung, se e solo se tutti gli eventi che fanno chiudere i contatti in serie si sono verificati contemporaneamente. Basta che uno di essi non sia verificato, per interrompere l'erogazione della corrente. La Figura seguente mostra un esempio di logica "and". START STOP M FAN Figura 3 - Esempio di Funzione AND In tal caso sono stati posti 3 contatti in serie ai quali vengono associate le variabili binaria Start, Stop e M. Come si vede il primo e il terzo contatto è di tipo normalmente aperto mentre il secondo è normalmente chiuso. Ciò significa che la corrente alimenterà la bobina presente nel rung se e solo se tutti i seguenti eventi si verificano contemporaneamente: la variabile Start passa da OFF a ON la variabile Stop passa da ON a OFF la variabile M passa da OFF a ON PLC Forum - 8

11 5.2 Logica OR La funzione di "or" viene realizzata connettendo in parallelo più contatti (la cui tipologia è scelta in base al problema da risolvere), a ciascuno dei quali è associata una variabile binaria. La connessione in parallelo permette di far dipendere il passaggio della corrente verso la destra del rung (attivando il coil connesso al rung), se almeno uno tra tutti gli eventi che fanno chiudere i contatti in parallelo si è verificato. La Figura seguente mostra un esempio di logica "or". START FAN STOP M Figura 4 - Esempio di Funzione OR In tal caso sono stati posti 3 contatti in parallelo ai quali vengono associate le variabili binarie Start, Stop e M. Come si vede il primo e il terzo contatto è di tipo normalmente aperto mentre il secondo è normalmente chiuso. Ciò significa che la corrente alimenterà la bobina presente nel rung se e solo se almeno uno dei seguenti eventi si è verificato: la variabile Start passa da OFF a ON la variabile Stop passa da ON a OFF la variabile M passa da OFF a ON Se nessuno di essi si verifica la corrente non fluirà a destra del rung. 5.3 Logiche AND e OR E' possibile creare rung caratterizzati da contatti messi in serie e in parallelo. In tal caso vengono realizzate funzioni logiche più complesse composte sia da logiche in "and" sia da logiche in "or". La seguente Figura mostra un esempio di rung, in cui più contatti vengono messi in serie e in parallelo. START STOP M FAN S IN Figura 6 - Esempio di Logica composta da Funzioni AND e OR PLC Forum - 9

12 In tal caso la variabile FAN verrà attivata se viene verificata almeno una delle seguenti condizioni: START=1, STOP=0, M=1 oppure S=1, IN=1 e M=1 PLC Forum

13 6 Effetti Collaterali delle Regole di Esecuzione dei Rung L'esecuzione ciclica dei rung di un programma in Ladder (vedi Figura 2), ha degli effetti collaterali di cui bisogna tenere conto al fine di evitare grossi errori di programmazione. In particolare è necessario prestare attenzione quando variabili collegate ad uscite fisiche vengono associate a coil. Si consideri il seguente esempio di programma in Ladder. IN1 IN2 IN3 FAN IN4 IN5 FAN Figura 7 - Esempio di Effetto Collaterale della Regola di Esecuzione dei Rung Come si vede, nel programma in Ladder sono presenti due rung, posti lontani uno dall'altro (primo rung e ultimo rung del programma), che comandano la stessa variabile binaria FAN. Si supponga che tale variabile dia collegata ad una uscita fisica del PLC. Nel primo rung, la variabile viene attivata se i tre ingressi IN1, IN2 e IN3 sono contemporaneamente ON (1). Nell'altro rung, la stessa variabile è attivata se sono ON gli ingressi IN4 e IN5. Dal punto di vista logico questo programma è corretto, in quanto corrisponde ad un problema in cui si vuole che la variabile binaria FAN venga comandata da due possibili eventi: IN1=1, IN2=1 e IN3=1 oppure IN4=1 e IN5=1 Sebbene corretto logicamente, questo programma produrrebbe in esecuzione un comportamento assai poco prevedibile, a causa della regola di esecuzione dei rung. Si ricorda che ciclicamente il PLC legge gli ingressi, valuta tutti i rung uno alla volta a partire dall'alto e aggiorna le uscite dopo la valutazione dell'ultimo rung, per poi iniziare nuovamente la scansione. Detto ciò, si esegua passo passo il programma appena illustrato. Si consideri una generica scansione del programma e si supponga che all'inizio, quando vengono letti gli ingressi del PLC, la situazione sia: IN1=1, IN2=1, IN3=1 IN4=1 e IN5=0 Ci aspettiamo, in base a tali ingressi, che l'uscita fisica corrispondente alla variabile FAN venga attivata. Dopo la valutazione del primo rung, la variabile FAN è effettivamente posta ad 1. Appena viene valutato l'ultimo rung, il valore 0 dell'ingresso IN5 causa la disattivazione della variabile FAN. Visto che questo era l'ultimo rung, le uscite adesso vengono realmente aggiornate (come mostrato in Figura 2), ossia l'uscita fisica corrispondente alla variabile FAN viene adesso aggiornata e posta a 0. Che è successo? E' successo che l'effetto di IN1, IN2, e IN3 sull'uscita reale collegata alla variabile FAN è nullo. L'uscita reale può essere modificata solo da IN4 e IN5, a causa della posizione del rung che li contiene. PLC Forum

14 Quale è la regola che deve essere applicata per evitare situazioni quali quella appena illustrata? Semplice: basta ricordarsi che, nel caso di coil, l'ordine di valutazione comporta la necessità di riunire tutti i rung che operano delle modifiche (scritture) sulle stesse variabili. La seguente figura mostra lo stesso programma di prima, nel quale è stata applicata la riunificazione appena detta. IN1 IN2 IN3 FAN IN4 IN5 Figura 8 - Riunificazione dei Rung Riunendo i rung, l'uscita reale collegata alla variabile FAN verrà aggiornata solo dopo aver valutato il rung composto dagli ingressi IN1, IN2, IN3, IN4 e IN5. Adesso l'uscita reale associata alla variabile FAN verrà attivata o disattivata correttamente. PLC Forum

15 7 Uso di Istanze di Function Block e di Funzioni Fino ad ora è stato illustrato come l'uso appropriato di contatti e coil permetta l'esecuzione di funzioni logiche binarie. E' chiaro che ci potrebbe essere la necessità di gestire all'interno di un programma in Ladder, variabili analogiche o sia necessario eseguire funzioni assai più complesse. In tal caso è possibile invocare, all'interno di un programma in Ladder, un Function Block (FB) o una Funzione. E' possibile connettere contatti con gli ingressi dell'istanza del FB o della funzione, purché essi siano binari. E' possibile connettere coil con le uscite dell'istanza del FB o della funzione, purché esse siano binarie. Nel caso in cui una istanza di FB o una funzione richieda un ingresso binario sempre TRUE (ON), è possibile collegare tale ingresso direttamente al power rail di sinistra. Eventuali variabili analogiche o valori analogici (interi, reali, temporali, etc.) possono essere connessi direttamente ai corrispondenti ingressi dell'istanza del FB o della funzione La seguente Figura mostra un esempio di istanza di FB connessa in un programma Ladder. Le variabili x, y sono analogiche e l'ingresso In5 è connesso ad una costante di tipo temporale (time). Nome Istanza FB1 In1 Out1 In2 In3 Out2 y x In4 T#1s In5 Figura 10 - Esempio di Uso di FB in un Programma Ladder 7.1 Esempio: Timer TON Al fine di illustrare un esempio di utilizzo di function block in un programma Ladder, si consideri il FB standard Timer Ton. Esso è disponibile su qualunque PLC compatibile con lo standard IEC La Figura seguente mostra un timer TON. IN Q PT ET Figura 11 - Timer TON PLC Forum

16 Gli ingressi del function block sono: IN: Binario. In corrispondenza ad un fronte di salita, il timer viene fatto partire. PT: Time. E' il valore temporale per impostare il timer Le uscite sono: Q: Binaria. Valore di uscita del timer ET: Time. Fornisce il tempo trascorso dopo l'attivazione del timer. La seguente figura illustra il funzionamento del timer. IN Q PT PT Figura 12 - Comportamento temporale del Timer TON ET Si consideri adesso il seguente programma in Ladder. Start Timer TON IN Q M T#1s PT ET Il comportamento del programma è che l'uscita M viene attivata dopo 1 secondo dall'attivazione (passaggio da 0 a 1) dell'ingresso Start, se il valore di tale ingresso permane a 1 (ON) per almeno un secondo. Dopo tale intervallo temporale, l'uscita M rimane attiva fino a quando la variabile Start si disattiva. PLC Forum

17 8 Feedback Paths In base al problema da risolvere, è possibile che si abbia la necessità di realizzare un rung contenente dei contatti e dei coil ai quali vengono associate le stesse variabili binarie. Si parla in tal caso della presenza di Feedback paths. Si consideri ad esempio la seguente Figura. Essa presenta un semplice programma in Ladder in cui un rung è composto da un contatto normalmente chiuso, un contatto normalmente aperto e da un coil ai quali viene associata la stessa variabile binaria FAN. Ovviamente la variabile viene utilizzata per sola lettura dai contatti e viene scritta, invece, solo dal coil. IN1 IN2 IN3 FAN IN4 FAN FAN OUT Figura 13 - Esempio di FeedBack Path Nel caso di feedback paths, è necessario ricordare come viene valutato un rung, al fine di non commettere errori di programmazione. La regola che viene applicata è che il valore associato a ciascuna variabile binaria è quello ottenuto a seguito della valutazione dei rung precedenti nella medesima scansione del programma. Se non vi sono rung precedenti contenenti un coil con associata la variabile considerata, allora il valore considerato è quello relativo all'ultimo rung della precedente scansione di programma. Se si sta considerando la prima scansione del programma, allora il valore della variabile è quello relativo al valore con cui viene inizializzata la variabile stessa. Considerando l'esempio prima mostrato in Figura 13, il valore della variabile FAN che viene valutato per il contatto normalmente chiuso presente nel primo rung è quello che la variabile FAN assume all'ultimo rung della precedente scansione, o al valore con cui viene inizializzata la variabile FAN se si sta considerando la prima scansione del programma. Il valore della variabile FAN che viene considerato nel secondo rung, per il contatto normalmente aperto, è invece quello relativo al valore prodotto dal rung precedente (ossia dipende da IN1, IN2, IN3, IN4 e dal valore precedente di FAN). E' importante mettere in evidenza come l'uso dei Feedback possa essere pericoloso, in quanto può portare ad una instabilità delle uscite del PLC. Ad esempio, considerando sempre l'esempio precedente, l'uscita FAN diviene instabile (oscilla tra 0 e 1) se inizialmente FAN=0 e nel tempo gli ingressi IN1, IN2, IN3 e IN4 si mantengono costanti e pari a IN1=0, IN2=0, IN3=1, IN4=1. In allegato al documento è disponibile il programma "Feedback" realizzato per il Simatic Step7. PLC Forum

18 9 Tecnica di Programmazione con il Ladder Scopo della sezione è quello di fornire alcuni concetti generali sulle tecniche di programmazione basate sul linguaggio Ladder. Volendo schematizzare il problema, si può affermare che è possibile individuare due tecniche generali applicabili a due tipologie di problemi ben diverse. Nel seguito le due tecniche verranno illustrate fornendo alcuni esempi. La prima è sicuramente quella più semplice ed applicabile alla maggior parte dei problemi da risolvere, e verrà denominata Tecnica di Base, per tale motivo. La seconda è sicuramente assai più articolata, ma permette di risolvere problemi più complessi, e verrà denominata Tecnica Avanzata. 9.1 Tecnica di Base La tecnica di programmazione più istintiva e naturale che è possibile applicare al linguaggio Ladder è quella che permette di esprimere tramite i rung le relazioni causa effetto, che legano le uscite da comandare agli ingressi o a particolari condizioni logiche interne. La scrittura di un programma in Ladder deve prevedere dunque l'esplicitazione di tali relazioni e la loro traduzione utilizzando i simboli del linguaggio Ladder. Nel seguito verranno mostrati due esempi che permettono di comprendere meglio quanto detto Marcia Arresto Motore Il problema da risolvere è un classico problema di gestione dell'accensione/spegnimento di un motore, il cui funzionamento può essere controllato da un pulsante di marcia, da uno di arresto, e dall'eventuale intervento della termica. In particolare, l'accensione del motore è comandata da un pulsante di Marcia, che deve essere attivato (posizione ON) per poter accendere il motore. Una volta attivato, la sua posizione non è più rilevante per il mantenimento dell'accensione del motore, ossia esso può rimanere in ON o può essere indifferentemente portato in OFF. Per la gestione di eventuali emergenze, è previsto l'utilizzo di un pulsante di Arresto, che normalmente è posto in posizione OFF; nel caso di anomalie la sua attivazione (posizione ON) determina lo spegnimento del motore. Infine il motore deve essere interrotto nel caso di surriscaldamento, ossia a seguito dell'intervento della termica; esso è un contatto normalmente chiuso, che si apre nel caso di surriscaldamento interrompendo il funzionamento del motore. Sia nel caso dell'attivazione del pulsante di Arresto, sia nel caso di intervento della termica, la ripartenza del motore può avvenire solo quando il pulsante di Arresto è nuovamente OFF, la Termica è OFF e viene attivato il pulsante di Marcia. La seguente Figura mostra il programma in Ladder che realizza lo schema di Marcia Arresto Motore. Marcia Arresto Termica Motore Motore Figura 14 - Programma Ladder Marcia/Arresto Motore PLC Forum

19 Come si vede, esso è composto da un unico rung in cui viene realizzato un Feedback path. Infatti, tale rung presenta un contatto normalmente aperto relativo al pulsante di Marcia, due contatti normalmente chiusi relativi al pulsante di Arresto e alla Termica e un coil che attiva il Motore. In parallelo al pulsante di Marcia è posto un contatto normalmente aperto al quale è associato il comando di uscita che controlla l'accensione del Motore, realizzando il feedback path. Supponendo che il pulsante di Arresto e la Termica siano OFF, l'avvio del motore è ottenuto tramite l'attivazione dell'ingresso Marcia. Una volta attivato, il motore continua ad essere acceso anche se il pulsante di Marcia viene disattivato. Ciò grazie alla presenza del feedback. Si noti la presenza, infine, dei due contatti normalmente chiusi che permettono lo spegnimento del motore sia nel caso in cui viene premuto il pulsante di Arresto, sia nel caso di intervento della termica. In allegato al documento è disponibile il programma "MarciaArrestoMotore" realizzato per il Simatic Step Clock Si supponga di voler realizzare un programma che permetta di fornire in uscita al PLC un segnale periodico ad onda quadra. Sia T il periodo del segnale. Sia out la variabile binaria alla quale viene associata l'uscita fisica del PLC per la quale si vuole produrre il segnale periodico. Si consideri nella soluzione del problema una variabile binaria interna (start), inizializzata a OFF (0). Si considerino, infine, due function block timer TON, denominati T1 e T2, ciascuno caratterizzati dal valore del PT pari a T/2 (semiperiodo). Il programma mostrato nel seguito rappresenta la soluzione in Ladder al problema appena descritto. start IN T1 TON Q IN T2 TON Q start T/2 ET T/2 ET Figura 15 - Programma di Clock Come si vede dalla Figura 15, anche in tal caso è presente un feedback sulla variabile start. La seguente tabella illustra il funzionamento del circuito Ladder, scansione per scansione. Come si vede dalla scansione 6 in poi il comportamento del programma si ripete nel tempo. Si noti che la tabella riporta per ciascuna scansione, il valore della variabile start valutata al contatto, i valori delle due uscite di ciascun timer, il valore dell'uscita out e il valore della variabile start modificata dal coil. start T1 T2 start Scansione contatto Q ET Q ET out coil <T/ T/ T/2 0 <T/ T/2 1 T/ uguale alla scansione uguale alla scansione 2 PLC Forum

20 Il seguente grafico riporta l'andamento del segnale prodotto in uscita (variabile out). out T/2 T/2 scansione 1 scansione 2,3,4 scansione 5,6 Figura 16 - Segnale in Uscita In allegato al documento è disponibile il programma "Clock" realizzato per il Simatic Step Tecnica Avanzata di Programmazione La tecnica di programmazione vista nella sezione precedente non può essere applicata per problemi più complessi, in cui l'attivazione delle uscite (ad esempio i comandi agli attuatori) non dipende esclusivamente dagli ingressi (o da variabili interne, quali bits, contatori, timers) ma è legata al concetto di "stato". In particolare, alcuni problemi sono caratterizzati da soluzioni che prevedono l'evoluzione del sistema da uno stato ad una altro, a partire da uno stato iniziale per far ritorno, spesso, a tale stato. In tali casi, il comando di uno o più attuatori avviene in corrispondenza di uno stato, e può verificarsi che lo stesso attuatore venga attivato in due o più stati differenti. L'evoluzione del sistema da uno stato ad un altro avviene in corrispondenza di valori assunti da particolari ingressi, oppure in base a valori di timers o di contatori, ovvero da valori di opportune espressioni logiche. La tecnica di programmazione che è applicata in questi casi, si articola nei seguenti passi: Rappresentare la soluzione del problema con una macchina a stati. Ogni stato di tale macchina viene rappresentato da una variabile binaria, con la convenzione che un valore booleano 1 significa che il sistema si trova in quello stato, mentre un valore 0 significa che il sistema si trova in un altro stato. E' chiaro che istante per istante vi deve essere uno stato attivato e non più di uno. Per ogni stato vengono identificate le azioni da eseguire. Tali azioni sono, nel caso più semplice, le attivazioni di particolari uscite del PLC (comandi di attuatori), ma possono essere anche rappresentate dall'attivazione di timers, contatori, etc. Vengono identificati gli eventi che producono il passaggio di stato. Per ciascuno stato è necessario che vi sia un evento che permette al sistema di evolvere verso un altro stato. Un evento può essere rappresentato, nel caso più semplice, da un ingresso o da una variabile interna, oppure da una combinazione logica di ingressi, variabili, valori di timers, valori di contatori, etc. Sulla base della macchina a stati definita in base alle condizioni al contorno del problema da risolvere, può essere sviluppato il programma in Ladder. E' necessario che esso sia composto da tre sezioni: La prima sezione deve essere in grado di rappresentare l'evoluzione del sistema da uno stato ad un altro. In particolare, per ciascuno stato, è necessario definire una porzione di programma in Ladder che permetta l attivazione di un nuovo stato a partire dallo stato corrente a seguito di un determinato evento. In genere l'attivazione di un nuovo stato viene realizzata in Ladder tramite coil set. PLC Forum

21 Un altra sezione del programma deve permettere la rappresentazione della disattivazione dello stato precedente a causa dell attivazione di un nuovo stato. In particolare il programma relativo alla prima sezione, prima descritta, permette l'attivazione di un nuovo stato a partire da quello corrente. Ogni volta che un nuovo stato viene attivato, quello precedente deve essere necessariamente disattivato. Ciò viene realizzato da questa seconda sezione del programma Ladder. In genere la disattivazione di uno stato precedente viene realizzata in Ladder tramite coil reset. Una terza sezione del programma deve permettere la realizzazione delle azioni eseguite in ciascuno degli stati. Per ogni stato, deve essere scritta una porzione di programma che attivi le variabili (ad esempio le uscite), che, in base alla macchina a stati, sono previste per quello stato. Generalmente l'attivazione delle uscite viene realizzata con coil. Si ricordi che nel caso si usino coil normali e vi siano più stati che possono attivare le stesse uscite, è necessario riunire tutti i rung, come mostrato in Sezione 6 (vedi Figura 8). Al fine di illustrare meglio la procedura appena descritta nella sezione successiva verrà fornito un esempio. In allegato al documento è disponibile il programma "Nastro" realizzato per il Simatic Step7, che risolve tale esempio Nastro Trasportatore Si supponga di avere un nastro trasportatore mosso da un motore in c.c., e sia M la variabile che controlla la sua attivazione (se M=1 viene data tensione al motore, che mette in moto il nastro, se M=0, il nastro si ferma). Si supponga che in ciascuna delle due estremità del nastro sia presente un sensore costituito da una coppia di diodi trasmettitore e ricevitore. Si supponga che se un ostacolo si pone tra la coppia di diodi, il sensore fornirà valore logico 1, mentre se i due diodi sono visibili, il sensore fornirà valore 0. Siano S1 e S2 i nomi delle due variabili interne associate ai due sensori. Si supponga che S1 sia messo all'inizio e S2 alla fine del nastro trasportatore, secondo il senso di marcia del nastro. La figura mostra il nastro e i due sensori. S1 M Figura 17 - Nastro Trasportatore S2 Si supponga che si voglia sviluppare un programma di controllo che soddisfi i seguenti requisiti: Se non vi sono pezzi da trasportare il nastro è fermo (M=0). Appena un pezzo viene messo all'inizio (attivando il sensore S1) il nastro si muove (M=1). Appena il pezzo arriva all'estremità finale del nastro (attivando il sensore S2), il nastro si ferma (M=0). Il nastro potrà essere pronto per l'uso solo dopo che il pezzo giunto all'estremità, verrà rimosso. Tale condizione viene riconosciuta dal passaggio di stato ON- OFF del sensore S2 (fronte di discesa). Come si vede in questo esempio, l'attivazione/disattivazione del motore dipende non solo dagli ingressi ma anche dall'evoluzione del sistema, per cui il motore deve essere spento sia quando il sistema è a riposo, ossia nessun pezzo è presente sul nastro, sia quando il pezzo è giunto all'estremità del nastro (S2=1). Inoltre, si evidenzi che in corrispondenza del valore 0 degli ingressi PLC Forum

22 S1 e S2, il motore potrebbe essere in movimento o essere fermo. Infatti, se il sistema è a riposo, i due sensori avranno valore 0, e il motore è spento. Quando un pezzo viene messo all'inizio del nastro e il nastro si muove, appena il pezzo supera S1 ma non ha ancora raggiunto il sensore S2, i due sensori S1 e S2 sono entrambi a valore 0, ma in questo caso il motore è attivo. Dunque lo stesso valore degli ingressi S1=0 e S2=0 corrisponde a due diversi valori delle uscite (M=0 se il motore è a riposo e M=1 se il motore è in movimento). In un caso come questo, conviene applicare la tecnica di programmazione precedentemente descritta. Applicando tale tecnica si ottiene: La soluzione del problema si può modellare con la macchina a stati mostrata in Figura 18, composta da tre stati, ai quali vengono associate le tre variabili binarie, e Stop. Ciascuna variabile assume il valore 1 se lo stato corrispondente è attivo, altrimenti è 0. Ovviamente istante per istante solo uno stato può essere attivo. E' richiesto, poi, che la variabile sia inizializzata ad 1, mentre le altre due variabili devono all'inizio assumere valore 0. Questo al fine di garantire che nello stato iniziale l'unico stato attivo sia. Nello stato di il sistema è a riposo, ossia M=0. Nello stato di il nastro viene fatto muovere, ossia M=1. Infine nello stato di Stop il nastro si ferma (M=0) in attesa che il pezzo venga tolto. Gli eventi che producono il passaggio di stato, sono i due ingressi S1 e S2. Il passaggio di stato da a è determinato dall'attivazione di S1. Il passaggio da e Stop dall'attivazione di S2. Infine il ritorno ad sia ha quando il sensore S1 passa dal valore 1 al valore 0 (!S2 significa che l'evento è verificato quando S2 assume il valore 0). M=0 S1!S2 Stop M=0 M=1 S2 Figura 18 - Macchina a Stati La seguente Figura mostra il programma in Ladder scritto in accordo alla macchina a stati precedentemente descritta. Come si vede esso è composto da tre porzioni: La sequenza di codice indicata con 1, permette l attivazione di un nuovo stato a partire dallo stato corrente a seguito dell'attivazione o della disattivazione dei sensori S1 e S2. La sequenza di codice indicata con 2, permette la disattivazione dello stato precedente a causa dell attivazione di un nuovo stato. Infine l'ultima sequenza si riferisce alle azioni eseguite in ciascuno degli stati. Nell'esempio in esame, l'unica azione è l'attivazione del motore nello stato. PLC Forum

23 S1 S 1 Stop S2 S2 Stop S S R 2 Stop R Stop R 3 M1 Figura 19 - Programma Ladder corrispondente alla Macchina a Stati di Figura 18. Come detto, in allegato al documento è disponibile il programma "Nastro" che implementa il programma di Figura 19 nell'ambiente Simatic Step Errori di Programmazione L'applicazione della tecnica di programmazione avanzata appena descritta, è soggetta ad un effetto collaterale, che comporta l'errato funzionamento del programma quando: La macchina a stati ha solo due stati. Gli eventi che determinano il passaggio da uno stato all'altro sono mutuamente esclusivi. Come esempio si consideri la macchina a stati mostrata in Figura 20. In tal caso sono presenti due soli stati ( e ) e gli eventi P1 e!p1 (ossia P1 uguale a 1 e P1 uguale a 0, rispettivamente) determinano il passaggio da uno stato all'altro. I due eventi sono palesemente mutuamente esclusivi. Si supponga che il sistema si trovi nello stato di. In tale stato il comando M deve essere disattivato. In accordo a tale macchina, se P1 diviene 1, allora lo stato deve essere disattivato e lo stato deve essere attivato. In tal caso l'uscita M deve essere attivata. Nello sato di, se P1 diviene 0, allora il sistema deve tornare in (disattivando l'uscita M). Quanto appena detto rappresenta il comportamento desiderato per il sistema. Si applichi adesso la tecnica descritta precedentemente, giungendo al programma Ladder mostrato in Figura 21. PLC Forum

24 P1 M=0 P1 P1 S S R! P1 R M=1 M1 Figura 20 - Macchina a Stati Figura 21 - Programma Ladder corrispondente alla Macchina a Stati di Figura 20 Si esegua passo passo tale programma, al fine di verificare se il suo comportamento corrisponde a quello desiderato. Si consideri il sistema nello stato di, ossia si supponga che le variabili e abbiano valore 1 e 0, rispettivamente. Per il valore di P1=0 il sistema permarrà nello stato di. Si supponga adesso che P1=1. Eseguendo passo passo il programma in Ladder si vede che il valore P1=1 produce l'attivazione dello stato, che a sua volta produce il reset dello stato di e l'accensione del comando M. Fin qui, dunque, nulla di strano. Adesso si supponga che P1 torni a zero nuovamente. Eseguendo passo passo il programma in Ladder, il secondo rung produce il set della variabile, ma il terzo rung produce il reset di, visto che ancora la variabile è 1. Ciò significa che da ora in poi il sistema rimarrà nello stato, senza poter più tornare nello stato di. Esistono differenti possibili soluzioni all'inconveniente visto precedentemente. La più semplice soluzione consiste nell'aggiunta di uno stato fittizio, come mostrato in Figura 22. Si supponga che il sistema parta dallo stato iniziale Tmp (ossia inizialmente Tmp=1, =0 e =0). Il comportamento della macchina a stati mostrata in Figura 22 è identico a quello della macchina a stati mostrata in Figura 20, ad eccezione del fatto che adesso la macchina a stati transita in uno stato aggiuntivo Tmp. Si consideri adesso il programma Ladder corrispondente alla macchina a stati di Figura 22. Tale programma è mostrato in Figura 23. Lo si esegua passo passo supponendo che il sistema parta dallo stato Tmp, ossia si supponga che le variabili Tmp, e abbiano valore 1,0 e 0, rispettivamente. Per il valore di P1=0 il sistema si sposterà immediatamente alla prima scansione nello stato di. Ciò grazie al primo rung e al quarto rung. Dunque, alla seconda scansione si avrà subito che l'unico stato attivo è. Dalla seconda scansione in poi, il sistema permarrà nello stato di, mentre P1=0. Si supponga adesso che P1 diventi 1. Eseguendo passo passo il programma in Ladder si vede che il valore P1=1 produce l'attivazione dello stato, che a sua volta produce il reset dello stato di e l'accensione del comando M. Fin qui, dunque, tutto come prima, tranne la permanenza per una sola scansione nello stato fittizio Tmp. Adesso si supponga che P1 torni a zero nuovamente. Eseguendo passo passo il programma in Ladder, il terzo rung produce il set della variabile Tmp e il sesto rung produce il reset di. PLC Forum

25 Dunque, in questa scansione il sistema si porta nello stato fittizio di Tmp. Alla successiva scansione, il primo e il quarto rung permettono al sistema di tornare nello stato di. Dunque, il sistema può liberamente portarsi in uno dei due possibili stati, e, grazie al transito temporaneo (solo per una scansione) nello stato fittizio Tmp. Tmp P1 S M=0 P1 P1 S Tmp S!P1 Tmp!P1 Tmp R R M=1 Tmp R M=0 P1 M1 Figura 22 - Macchina a Stati Figura 23 - Programma Ladder corrispondente alla Macchina a Stati di Figura 22 PLC Forum