Funzionamento di un PLC

Funzionamento di un PLC

Sappiamo che la finalità di un sistema di controllo è quella di gestire le sequenze di lavoro di una macchina.

Il PLC, attraverso l’elaborazione di un programma svolge questa funzione; pertanto l’elaborazione del programma costituisce la fase centrale e quindi la più importante del ciclo di lavoro del PLC.

Essa è preceduta da una fase di acquisizione delle informazioni ed è seguita di una fase di trasferimento del risultato delle elaborazioni verso il campo di applicazione (la macchina collegata al PLC).

Le informazioni di input o output nel programma sono codificate dal Costruttore per mezzo di sigle (indirizzamento degli Input / Output).

Come già detto, le fasi del ciclo di lavoro del PLC sono tre: 

• acquisizione delle informazioni: lettura input;
• elaborazione delle informazioni: elaborazione del programma;
• trasferimento dei risultati: posizionamento output.

1ª Fase: Lettura Input

La prima operazione che la CPU svolge è il coordinamento delle operazioni di acquisizione dello stato logico dei dispositivi collegati ai moduli d’ingresso; lo stato logico dei dispositivi viene memorizzato in una apposita zona della memoria utente (riservata ai dati).

Questa zona di memoria si chiama: Registro Immagine degli Ingressi (R.I.I.) e tale zona resta immutata per tutta la durata del ciclo. 

Il registro immagine è quindi una “copia esatta” dello stato logico di tutti gli ingressi in un determinato momento.

 2ª Fase: Elaborazione dei programma

Conclusa l’operazione di acquisizione dei dati del campo, la CPU elabora il programma applicativo inserito dall’utente e contenuto nella memoria utente relativa del PLC.

Le singole istruzioni vengono lette ed elaborate una dopo l’altra nella successione con cui si trovano nella memoria di programmazione.

In questa fase vengono interrogati e combinati gli stati logici degli ingressi e delle altre funzioni (temporizzatori, contatti a relè, ecc.) per ottenere così nuovi risultati logici. Man mano che le elaborazioni vengono eseguite, la CPU memorizza il loro risultato logico nell’apposita zona della memoria utente riservata ai dati.

Quest’altra zona di memoria si chiama: Registro Immagine delle Uscite (R.I.O.).

 3ª Fase: Posizionamento Output

Al termine dell’elaborazione del programma i nuovi stati logici memorizzati nel R.I.O. vengono trasferiti dai Registro Immagine delle Uscite ai Moduli d’uscita e di conseguenza ai dispositivi collegati.

Una delle informazioni più importanti riguardanti le prestazioni di una CPU è il tempo di elaborazione, detto tempo di scansione: esso è il tempo impiegato per eseguire tutte le istruzioni.

Come unità di misura del tempo viene utilizzato il tempo impiegato dalla CPU ad elaborare un k di istruzioni di programma (1024 parole).

Esso varia da frazioni di millisecondi ad alcune decine di millisecondi, in funzione del numero e del tipo di istruzioni che la CPU deve elaborare.

Risulta evidente quindi, che questo parametro è da tenere nella massima considerazione all’atto della scelta del PLC.

Chiamiamo invece tempo di ciclo la somma del tempo di scansione e del tempo impiegato per l’acquisizione e il posizionamento delle informazioni del processo controllato.

Nella figura sono rappresentate le fasi del ciclo di lavoro del PLC: 

Diversi modi di funzionamento del plc

Alcuni Costruttori hanno portato alcune modifiche al funzionamento tipico dei PLC.

Riportiamo di seguito la descrizione sommaria di alcune, a titolo esemplificativo:

1° Caso:

• lettura degli ingressi
• elaborazione del programma e contemporaneamente posizionamento delle uscite.

 2° Caso: 

• elaborazione del programma con lettura degli ingressi a richiesta dello stesso e posizionamento immediato delle uscite lettura degli ingressi.

3° Caso: 

In questo ultimo caso l’elaborazione del programma e la comunicazione con i moduli avviene in parallelo, per cui il tempo di ciclo coincide con il tempo di scansione.

Il programma viene suddiviso in blocchi e per ogni blocco gli input interessati vengono acquisiti in un tempo immediatamente precedente. Terminata l’elaborazione del blocco, si ha contemporaneamente sia il passaggio all’elaborazione del blocco successivo, sia il posizionamento delle uscite, relative all’ultimo blocco elaborato.

L’indirizzamento degli input/output

È definito indirizzamento la modalità con cui il PLC identifica i dispositivi a cui è collegato e memorizza le informazioni relative ad essi.

Sappiamo che ogni volta che la CPU riceve un’istruzione di interrogazione dello stato logico di un ingresso o di una uscita fa riferimento al Registro Immagine dove è contenuta l’informazione richiesta.

L’identificazione del dispositivo collegato da interrogare non è più basata sulle tradizionali sigle elettromeccaniche codificate dalle normative internazionali o aziendali (PS = pulsante; FC = finecorsa; PX = sensore di prossimità; EV =   elettrovalvola; LS = lampada di segnalazione), ma su sigle codificate dal Costruttore.

Infatti il PLC non è in grado di riconoscere se il segnale d’ingresso è pervenuto da un finecorsa meccanico oppure da una fotocellula elettronica, dal momento che tutti i dispositivi periferici hanno la possibilità di assumere solamente due stati contrapposti tra loro: aperto/chiuso, vero/falso, on/off.

La determinazione esatta di questo codice dipenderà dalla connessione fisica del dispositivo interessato sulla morsettiera del modulo.

Nelle figure è evidenziata la codifica del dispositivo elettromeccanico e la codifica del punto o terminale del modulo in cui è collegato il dispositivo.

Il codice rappresentativo del dispositivo collegato può essere formato da una parte alfabetica, generalmente espressa per gli ingressi dalle lettere X, E, I; e da una parte numerica.

La parte numerica in genere corrisponde anche all’individuazione della cella di memoria che contiene l’informazione all’interno del Registro Immagine.

Se per esempio i primi 4 moduli, sul primo telaio del PLC, sono moduli d’ingresso ad 8 punti, significa che le prime 32 informazioni del PLC vengono registrate nel Registro Immagine degli ingressi.

Un indirizzamento del tipo E 0.0, oltre ad identificare il primo punto del primo modulo, indica anche l’esatta collocazione dell’informazione all’interno del Registro Immagine. Infatti 0.0 significa bit 0 della parola (o byte) 0.

Analogamente la sigla I 1.3 significa sia il quarto punto del secondo modulo, che il quarto bit della parola 1. 

Se ad esempio viene utilizzata la sigla X 1 questa oltre ad identificare il primo punto del sistema come ingresso, costituisce anche il riferimento della prima cella della prima parola del Registro Immagine.

A differenza dell’esempio precedente, in questo esempio non è identificabile facilmente in quale cela fisica la CPU colloca il dato in ingresso. Infatti non si ha una corrispondenza tra la parte numerica e l’indirizzamento delle celle di memoria (la parte numerica è progressiva con sistema di numerazione decimale).

Il tempo impiegato per aggiornare il Registro Immagine varia dal numero o dispositivi collegati, per ognuno dei quali la CPU utilizza tempi che possono variare da 3 – 4 microsecondi ad alcune decine di microsecondi per elemento connesso.

Anche per le uscite è valido quanto affermato per gli ingressi.

Il PLC gestisce le uscite tutte allo stesso modo (senza discriminare se l’uscita è una elettrovalvola o una lampadina o una bobina di un teleruttore o la bobina di un relè).

L’unico elemento che generalmente discrimina un input dall’output vieni rappresentato nella parte alfabetica da una lettera.

Esempio: Y 67, O 3.2, A 2.5, etc.

Ne risulta che l’indirizzamento e quindi l’uso appropriato delle sigle che identificano i dispositivi collegati ai moduli, è molto importante all’interno del programma.

Infatti:

cambiare la posizione fisica ad un pulsante significa modificare le sigle che identificano anche all’interno del programma stesso.

Per alcuni PLC i Registri Immagine non sono così distinti, ma sono inglobati in un unico Registro Immagine.

La cella di memoria sarà quindi destinata a contenere una informazione d’ingresso o di uscita, a seconda del modulo che l’unità centrale riconosce nella configurazione degli I/O.

Possiamo notare inoltre che durante la stesura del programma si possono introdurre tante istruzioni d’interrogazione dello stato logico di un qualsiasi dispositivo collegato (pulsante, bobina, finecorsa, ecc.), quante sono necessarie. Infatti il PLC consente di superare le limitazioni fisiche imposte dal numero di contatti disponibili di un dispositivo elettromeccanico.