Sistemi PLC: Architettura, Componenti e Programmazione Industriale

Cos'è un PLC: Definizione e Funzionamento

Il termine PLC, ampiamente diffuso nel settore industriale, è l'acronimo inglese di Programmable Logic Controller. Originariamente questi dispositivi venivano chiamati semplicemente PC (controllori programmabili), ma con l'avvento dei PC IBM, per evitare confusioni, è stato adottato definitivamente l'acronimo PLC. In Europa, il concetto è spesso espresso come controllore a logica programmabile.

La definizione più appropriata per questo sistema è quella di un sistema industriale di controllo automatico che lavora seguendo una sequenza di istruzioni logiche memorizzate. È considerato un "sistema" poiché contiene tutto il necessario per funzionare in modo autonomo, ed è "industriale" in quanto possiede le caratteristiche necessarie per operare negli ambienti ostili tipici del settore produttivo.

Presentazione Storica del PLC

I PLC sono stati introdotti per la prima volta nell'industria intorno al 1960. La necessità principale era quella di eliminare gli elevati costi derivanti dalla sostituzione dei complessi sistemi di controllo basati su relè e contattori. Un PLC è, in sostanza, un dispositivo utilizzato per il controllo basato su una logica definita da un software o programma specifico.

Struttura e Architettura di un Controllore Logico Programmabile

Il PLC è un hardware industriale utilizzato per la raccolta dei dati. Una volta ottenute le informazioni, queste passano attraverso un bus di comunicazione (ad esempio via Ethernet) verso un server. La sua storia risale alla fine degli anni '60, quando l'industria cercava nuove tecnologie elettroniche e soluzioni più efficienti per sostituire i circuiti basati su interruttori e componenti logici combinatori.

Evoluzione e Funzioni Avanzate

Oggi, i PLC non controllano solo la logica di funzionamento di macchine e processi industriali, ma sono in grado di eseguire operazioni aritmetiche e gestire segnali analogici per strategie di controllo avanzate, come i controllori proporzionali-integrali-derivati (PID). I moderni PLC possono comunicare con altri controllori e computer all'interno di reti locali (LAN), rappresentando una parte fondamentale dei sistemi di controllo distribuito.

Linguaggi di Programmazione

Esistono diversi linguaggi di programmazione. Tradizionalmente, il più utilizzato è il Diagramma Ladder (a contatti), preferito dagli elettricisti, insieme alla lista di istruzioni. Tuttavia, sono stati sviluppati linguaggi più intuitivi che permettono di implementare algoritmi complessi tramite diagrammi di flusso facili da interpretare. Un linguaggio più recente, molto apprezzato nell'elettronica, è il FBD (Function Block Diagram), basato su porte logiche e blocchi funzionali correlati.

Nella programmazione si possono includere diversi tipi di operandi:

• Logica booleana, contatori e temporizzatori.
• Contatti, bobine e operatori matematici.
• Gestione di ricette, puntatori e algoritmi PID.
• Funzionalità multi-media per l'interconnessione con altri dispositivi.

Componenti Hardware del PLC

Un controllore a logica programmabile è costituito da un insieme di schede a circuiti stampati su cui sono alloggiati i componenti elettronici. La struttura hardware tipica è simile a quella di un microcomputer e comprende:

• Alimentatore
• Unità Centrale di Elaborazione (CPU)
• Moduli di interfaccia Input / Output (I/O)
• Modulo di memoria
• Unità di programmazione

In alcuni casi, quando il compito da svolgere è particolarmente esigente, vengono inclusi dei moduli intelligenti aggiuntivi.

L'Unità Centrale di Elaborazione (CPU)

La CPU è il componente più complesso e indispensabile; può essere considerata il cervello del controllore. È progettata sulla base di microprocessori e memorie e contiene:

• Unità di controllo.
• Memoria RAM interna per il programma.
• Temporizzatori, contatori e memorie di tipo immagine dei relè interni.
• Registri per gli ingressi e le uscite di processo.

La sua missione è leggere lo stato dei segnali in ingresso, eseguire la logica di controllo e governare le uscite attraverso un'elaborazione continua ad alta velocità.

Il Sistema di Alimentazione

Il ruolo dell'alimentatore è fornire energia alla CPU e alle altre schede a seconda della configurazione del PLC. Le tensioni tipiche includono:

• +5 V per alimentare le schede elettroniche.
• +5,2 V per alimentare il programmatore.
• +24 V per i canali ad anello di corrente da 20 mA.

Moduli di Interfaccia Input / Output (I/O)

Questi moduli forniscono il collegamento tra i dispositivi di campo e la CPU. Attraverso di essi avviene lo scambio di informazioni per l'acquisizione dei dati e il controllo delle macchine. Poiché esiste una grande varietà di dispositivi esterni (sensori e attuatori), troviamo diversi tipi di moduli:

• Moduli di ingresso discreto (digitale).
• Moduli di uscita discreti (digitale).
• Moduli di ingresso analogici.
• Moduli di uscita analogici.

Questi gestiscono segnali in tensione o corrente, sia in corrente continua (DC) che alternata (AC).

Moduli di Memoria e Unità di Programmazione

I moduli di memoria sono progettati per conservare le informazioni in modo temporaneo o permanente. Si distinguono in:

• Memoria volatile (RAM).
• Memoria non volatile (EPROM ed EEPROM).

Infine, l'unità di programmazione rappresenta il mezzo di comunicazione tra l'uomo e la macchina. Questi dispositivi sono composti da tastiere e display. Esistono tre tipologie principali: programmatori manuali (Hand Held), terminali video e il comune PC (computer).