CONTROLLORI LOGICI PROGRAMMABILI PLC Docente: Miglietta Giovanni

1. CONTROLLORI LOGICI PROGRAMMABILI PLC Docente: Miglietta Giovanni

2. Generalità sul PLC

3. I primi PLC furono introdotti sul mercato verso la fine degli anni 60. La ragione fondamentale del loro sviluppo era di cercare di eliminare gli alti costi dei controlli basati su logiche a relè. • La Bedford Associates (Bedford, MA) propose un sistema chiamato Modular Digital Controller (MODICON) alla maggiore casa automobilistica americana. Altre compagnie proposero, contemporaneamente, degli schemi basati su computer, uno dei quali era basato sul PDP-8. Il MODICON 084 fu il primo PLC ad entrare in produzione

4. Logica cablata e logica programmabile PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER O PLC • I PLC SONO DISPOSITIVI DI • ELABORAZIONE DESTINATI A • RIMPIAZZARE I CIRCUITI A RELÈ • UTILIZZATI PER REALIZZARE • L’AUTOMAZIONE DI UN IMPIANTO • I PLC SONO PRESENTI IN TUTTE • LE FASI DELLA PRODUZIONE • INDUSTRIALE, OVUNQUE SIA • NECESSARIO UN CONTROLLO • ELETTRICO DI UNA MACCHINA.

5. Evoluzione storica IL PLC È NATO PER SOSTITUIRE SISTEMI DI AUTOMAZIONE REALIZZATI CON LOGICHE CABLATE A RELÈ QUADRI A RELÈ • CON I QUADRI A RELÈ LA FUNZIONE CHE SI VUOLE REALIZZARE È DEFINITA RIGIDAMENTE DAL TIPO DI CONTATTO DI RELÈ CHE SI UTILIZZA (NORMALMENTE APERTO O NORMALMENTE CHIUSO) E DAI SUOI COLLEGAMENTI • OGNI MODIFICA DEL CONTROLLO COMPORTA QUINDI MODIFICHE AL CABLAGGIO O UN ADEGUAMENTO DEI RELÈ • UN MODESTO VANTAGGIO DELLA SOLUZIONE A RELÈ CONSISTE NEL FATTO CHE, TRATTANDOSI DI UN COMPONENTE DI POTENZA, ESSO PERMETTE L'INTERFACCIAMENTO DIRETTO DEL CONTROLLO CON IL CAMPO • IL RELÈ È UN OGGETTO INGOMBRANTE E POCO AFFIDABILE (È COMUNQUE UN DISPOSITIVO MECCANICO E QUINDI SOGGETTO AD USURA)

6. Caratteristiche di un PLC • Numero max. I/O • Tipologia moduli di I/O • Criterio costruttivo (monoblocco, modulare) • Massima dimensione del programma (capacità di memoria) • Set di istruzioni • Tempo di scansione • Espandibilità • Moduli speciali • Periferiche • Collegabilità in rete

7. Categorie di PLC In base ai punti di input-output gestibili ed alla capacità di memoria, i PLC si suddividono nelle seguenti categorie: - Micro-PLC: fino a 64 punti di input-output digitali, memorie da 1 a 2 KB; - Piccoli PLC: da 64 a 512 punti di input-output digitali e/o analogici, memoria fino a 4 KB, connessione in rete; - Medi PLC: da 512 a 2048 punti di input-output digitali e/o analogici, memorie di decine di KB, connessione in rete e moduli speciali; - Grandi PLC: massime caratteristiche di capacità e completezza, sia hardware che software. Si hanno PLC di: · gamma bassa, quando controllano fino a 64 I/O · gamma media, quando controllano tra 64 e 512 I/O · gamma alta, quando controllano più di 512 I/O. Si dicono compatti o monoblocco i PLC che si presentano in una configurazione rigida che non può essere quasi mai modificata. Si dicono invece modulari, quelli che sono configurabili a piacere dall’utente in base alle sue esigenze.

8. Struttura del PLC PLC Siemens SIMATIC S7-400 PLC Siemens SIMATIC S7-312 PLC Telemecanique serie Twido PLC Hitachi EH-150

9. PLC Telemecanique TSX Micro PLC Telemecanique TSX Premium PLC Siemens S7-300

11. Produttori di P.L.C. • Klockner-Moeller • Mitsubishi • Matsushita • Bosh • Hitachi • Modicon Siemens Allen-Bradley Omron Telemécanique GE Fanuc Toshiba

12. I sistemi di controllo e il PLC

13. Esempio di sistema di controllo con PLC

14. PLC a singolo processore

15. PLC multi-processore

16. Rete di PLC

17. Struttura gerarchica del SW di un PLC

18. Comunicazione tra PLC

19. Controllo, Supervisione Bus di Campo PLC micro-PLC, dispositivi intelligenti Bus di Dispositivi Bus di Sensori Sensori 256 30 8 bit bytes file messaggi bit BatiBus, InterBus S, CAN (DeviceNet), LONWorks InterBus S, CAN (DeviceNet), LONWorks, Profibus DP-PA-FMS, WorldFIP Profibus PA-FMS, WorldFIP, FieldBus Fondation, FieldBus IEC 61158 Ethernet, Token Bus

20. Relè programmabili Zen Logo Zelio

21. Schema a blocchi della struttura di un PLC

22. Confronto logica cablata e logica programmata • Spazi • Tempi • Affidabilità • Consumi • Velocità • Costi

23. Spazi

24. Tempi di esecuzione

25. Affidabilità

26. Consumi

27. Velocità

28. Costi

29. Componenti fondamentali di un PLC ARMADIO (CESTELLO O RACK) - CONTIENE GLI ALTRI MODULI - ASSICURA LA CONNESSIONE ELETTRICA ATTRAVERSO IL BUS SUL FONDO DEL RACK ALIMENTATORE - ALIMENTAZIONE PER TUTTE LE SCHEDE PRESENTI NEL RACK MODULO PROCESSORE - SCHEDA A MICROPROCESSORE - CONTROLLA E SUPERVISIONA TUTTE LE OPERAZIONI ESEGUITE ALL’INTERNO DEL SISTEMA MODULI I/O - SCHEDE CHE PERMETTONO L’INTERFACCIAMENTO DEL MODULO PROCESSORE CON IL MONDO ESTERNO TERMINALE DI PROGRAMMAZIONE - QUALSIASI PERSONAL COMPUTER DOTATO DI SCHEDA PER LA COMUNICAZIONE SERIALE (RS232 / RS485)

30. Struttura del PLC Un PLC è composto da un alimentatore, dalla CPU che in certi casi può avere interna o esterna una memoriaRAM o Flash o EPROM, da un certo numero di schede di ingressi digitali e uscite digitali, e nel caso in cui sia necessario gestire grandezze analogiche, il PLC può ospitare delle schede di ingresso analogiche o di uscita analogiche.Il PLC normalmente opera in rete con altri PLC, quindi sono necessarie dei moduli/schede di comunicazione adatte al protocollo di rete già implementato sugli altri PLC.Nel caso di operazioni di movimentazione, come nel campo della robotica, il PLC ospita delle schede acquisizione controllo assi, cioè delle schede molto veloci e sofisticate che permettono di gestire spostamenti e posizionamento. Armadio (o Rack o Guida Profilata) Contiene i vari moduli assicurandone la connessione meccanica ed elettrica (tramite bus) e la schermatura. Le sue caratteristiche fondamentali sono il numero di slot, il grado di protezione, le dimensioni e il tipo di fissaggio. Modulo alimentatore Fornisce l’alimentazione stabilizzata ai moduli del rack. Le sue caratteristiche principali sono la potenza massima erogabile, la connettibilità in parallelo (per aumentare la potenza o per motivi di ridondanza), la possibilità di inviare al PLC un segnale di shutdown in caso di mancanza di alimentazione, la presenza di batterie tampone e di indicatori di stato.

31. CPU La CPU è il cervello del PLC. La CPU è una scheda complessa basata su un microprocessore con un sistema operativo proprietario, e con una zona di memoria a disposizione del programma utente, cioè del programma di automazione.La memoria utente è spesso esterna come ad esempio nel caso di memoria EPROM. Il vantaggio di una memoria esterna è legata alla semplicità di programmazione o di modifica dello stesso.La CPU durante il funzionamento a regime, colloquia con tutte le schede connesse sul BUS del PLC, trasferendo dati e comandi sia verso il mondo esterno, sia dal mondo esterno. Una delle caratteristiche peculiari delle CPU dei PLC è la loro capacità di poter gestire le modifiche del programma di gestione del processo durante il normale funzionamento. Questa possibilità è estremamente utile nel caso di impianti che devono essere sempre attivi. Moduli di ingresso digitali I moduli di ingresso digitali sono utilizzati per il controllo di grandezze "digitali", cioè di tensioni a due valori (ad esempio 0V o 24V, oppure 0V 110V). Ogni modulo può gestire da 4 a 32, o 64 ingressi digitali differenti. I segnali dal campo vengono fatti arrivare con cavi elettrici fino alla morsettiera del modulo. Moduli di uscita digitali I moduli di uscita digitali sono utilizzati per i comandi di attuatori digitali. Ad esempio un relé è un attuatore digitale, in quanto può avere soltanto due stati stabili: diseccitato, o eccitato. Altro esempio di attuatore è una valvola digitale a due stati: aperta, chiusa. Anche nel caso di schede di uscita digitali, si possono gestire da un minimo di 4 ad un massimo di 64 uscite digitali differenti.

32. Moduli di ingresso analogici • Questo tipo di moduli di ingresso permettono il controllo di grandezze elettriche il cui valore può variare entro un intervallo. Le grandezze in gioco sono in tensione o in corrente. Ad esempio sono disponibili moduli di ingresso analogiche in corrente, con un intervallo variabile tra 4mA e 20mA. Molti produttori di PLC rendono disponibili moduli con ingressi analogici per sonde di temperatura sia Pt100 che termocoppie, T, J, K ecc. Questi moduli sono disponibili con varie risoluzioni (8-12-14-16 bit) e con 1 o più ingressi distinti disponibili in morsettiera o connettore. • Moduli di uscita analogici • I moduli di uscita analogici permettono di controllare degli attuatori variabili. Ad esempio è possibile comandare un motore elettrico tramite un inverter variandone la velocità da zero alla sua massima velocità. • I moduli di I/O analogici realizzano anche le conversioni D/A e A/D. • Schede di comunicazione • Il PLC durante il suo funzionamento può comunicare con computer, con altri PLC oppure con altri dispositivi. • La comunicazione con computer e altri dispositivi avviene tramite tipi di connessione standard come: • RS232 • RS422/RS485 • TCP/IP

33. Moduli speciali Ne esistono di molti tipi. I principali sono: • moduli di I/O remoto (posti in un rack diverso da quello del PLC), • moduli per connessione in rete (per bus di campo, ethernet,...), • moduli per controllo PID, • moduli per la lettura di sensori particolari (termocoppie, encoder,…), • moduli d’interfaccia operatore (tastierini, display,…), • moduli di backup (CPU di riserva sincronizzate con quella principale, che le subentrano in caso di malfunzionamento). Terminale di programmazione Vi sono terminali di tipo dedicato che si collegano direttamente al PLC tramite una porta di comunicazione e sono dotati di una tastiera per l’inserimento delle istruzioni e di un display per il controllo del programma. Sono sempre più diffusi sistemi di sviluppo basati su PC, con cui si effettua off-line la programmazione del codice da memorizzare sul PLC. Si utilizzano dei pacchetti software appositi. I terminali PC sono connessi al PLC direttamente o via rete. Spesso consentono anche il monitoraggio del PLC durante il suo normale funzionamento.

34. Ingressi uscite del PLC

35. Sezione ingressi E’ l’hardware di interfaccia tra Input e CPU Pulsanti Selettori Finecorsa Fotocellule Trasduttori Circuito adattatore Memoria segnali CPU Morsettiera

36. Sezione ingressi Gli ingressi possono essere: Digitali ed assumere solo due stati logici detti 0 – 1 o On – Off. Analogici ed assumere qualsiasi valore compreso tra due estremi (range) definiti Fronte di salita Fronte di discesa 1 0 t Durata segnale t

37. Sezione ingressi Gli ingressi vengono collegati con opportuni morsetti di collegamento debitamente numerati e il loro stato viene monitorato con led che risultano accesi per livello di ingresso 1 e spenti per livello di ingresso 0 Ingressi

38. Rappresentazione dei fotoaccoppiatori • I fotoaccoppiatori sono usati per isolare i circuiti interni dei PLC dagli ingressi, ciò consente di eliminare la possibilità che dei disturbi elettrici possano entrare direttamente nei circuiti elettrici interni del PLC.

39. CPU Circuito adattatore Memoria segnali Sezione uscite E’ l’hardware di interfaccia tra CPU e Output Contattori Relè Elettrovalvole Circuiti elettrici Display Regolatori Morsettiera

40. I sensori NPN devono essere connessi con un uscita al PLC input e l’altra uscita alla massa dell’alimentazione. Se i sensori non sono alimentati dal PLC, allora le masse devono essere collegate insieme. I sensori PNP devono essere connessi con un uscita alla tensione positiva e con l’altra agli ingressi del PLC. Anche in questo caso se i sensori non sono alimentati dal plc, le tensioni V+ devono essere connesse insieme. I sensori PNP sono comunemente usati in Europa.

41. Hardware Update Digital I/O with NPN and PNP configuration selection PNP configuration

42. Hardware Update Digital I/O with NPN and PNP configuration selection NPN configuration

43. Sezione uscite Le uscite vengono collegate con opportuni morsetti di collegamento debitamente numerate e il loro stato viene monitorato con led che risultano accesi per livello di uscita 1(on) e spenti per livello di uscita 0 (off) Uscite

44. Ingressi digitali Per ingressi digitali si intendono quei morsetti del PLC ai quali può essere collegato un contatto on/off (digitale), quale un termostato, pressostato, finecorsa, pulsante, ecc. Normalmente per gli ingressi digitali si utilizza la tensione 24Vcc, quindi nel quadro con il PLC si rende necessario l'installazione di un alimentatore a loro dedicato. Per separare i circuiti interni della CPU con la tensione proveniente dall’impianto, ogni scheda di ingresso è dotata di appositi optoisolatori (detti anche fotoaccoppiatori), che resistono a differenze di potenziale anche di 1500 V (tensione di isolamento).

45. Memoria La memoria di un PLC è organizzata per aree distinte: • area del sistema operativo (ROM), • area di lavoro del sistema operativo (RAM), • area di I/O (RAM), • area dei programmi utente (RAM durante lo sviluppo, poi PROM o EPROM), • area dei dati utente (RAM). La memoria a disposizione dei programmi utente varia tipicamente da circa mezzo kiloword a qualche centinaio di kiloword, con word di 8 o 16 bit. Le EPROM sono ormai da considerare obsolete e non vengono praticamente più usate. Sono state sostituite dalle Memorie flash o EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) che possono essere cancellate elettricamente senza dover ricorrere ai raggi UV. Una memoria flash è una memoria permanente riscrivibile (EEPROM) organizzata a blocchi, ovvero un circuito semiconduttore sul quale è possibile immagazzinare dati in forma binaria mantenendoli anche in assenza di alimentazione. TSX Micro

46. Memoria La memoria di un PLC può essere divisa in diverse aree, in base all’utilizzo che ne fa: Area del sistema operativo[2] (ROM); è quella destinata alla memorizzazione permanente dei programmi del sistema operativo.Area di lavoro del sistema operativo (RAM); è quella dedicata alla memorizzazione delle variabili temporanee utilizzate dai programmi del sistema operativo. Area di I/O (RAM); è quella nella quale sono memorizzati i valori relativi agli ingressi e i valori da assegnare le uscite. Area programmi utente [1] (RAM - PROM per il programma finale), è quella utilizzata per la memorizzazione del programma da eseguire durante la fase di controllo. Area dati utente (RAM); è quella destinata alla memorizzazione del valore delle variabili temporanee del programma utente. Area funzioni di sistema (RAM); è quella utilizzata per l'accesso alle “funzioni di sistema” definite dall'utente (timer, contatori, ecc…). [1] Il programma utente è il software che contiene le istruzioni specifiche per realizzare le operazioni necessarie per il controllo del processo → va modificato di volta in volta, in funzione delle esigenze. [2] Il sistema operativo si distingue dal programma utente, per i seguenti aspetti: è il software che si occupa di tutte le operazioni per la gestione della funzionalità di base del PLC: lettura degli ingressi, copia degli ingressi, copia delle uscite, ecc.

47. La memoria dei PLC è organizzata in word di 8 o 16 bit. L’informazione digitale di base è il bit, una cella di memoria che può valere 0 (quando non attivo) o 1 (quando attivo). I bit vengono raggruppati a loro volta in blocchi:

48. Principio di funzionamento del PLC

49. La scansione del PLC

50. Modalità di funzionamento della CPU di un PLC La scansione del PLC e i tempi di esecuzione Il PLC ha un funzionamento di tipo sequenziale: esso esegue le funzioni programmate con ripetitività, da quando viene alimentato e messo in stato di RUN fino a quando lo si porta in stato di STOP e si toglie alimentazione. Il ciclo che esso compie viene denominato ciclo di scansione, mentre il tempo che impiega a compierlo si chiama tempo di scansione.