Evoluzione delle Logiche di Controllo

EVOLUZIONE DELLE LOGICHE DI CONTROLLO

Ciò che ha consentito l’evoluzione del controllo delle macchine automatizzate è stato il passaggio dalla componentistica elettromeccanica a quella elettronica.

In un primo tempo quest’ultima era di tipo discreto, in seguito si avvalse sempre più di circuiti integrati.

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 una di tipo software (“programma” – logica programmabile, “matematizzazione” della logica a relè, tramite l’algebra booleana) che trasforma i circuiti elettromeccanici in equazioni e quindi affidato al “Controllore a Logica Programmabile” (P.L.C. – Programmable Logic Controller).

EVOLUZIONE TECNOLOGICA DEL CIRCUITO AUSILIARIO

Scomponendo una macchina automatizzata in blocchi la si può rappresentare nel seguente modo:

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 e/o elettrovalvole).

Il quadro comandi e il quadro sinottico permettono il dialogo tra l’operatore e i circuito ausiliario.

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 di potenza fornisce agli attuatori l’energia per poter eseguire i lavori pei i quali essi sono preposti.

L’operatore, tramite pulsanti e selettori del quadro comandi, impartisce ordini e/o predisposizioni al circuito ausiliario stabilendo così le condizioni di funzionamento della macchina: automatico, passo passo, ciclo singolo, ciclo continuo, ecc…

Il circuito ausiliario, in base a queste informazioni e ai dati che gli giungono dai sensori a bordo macchina, decide quali sequenze di lavorazione dovrà far svolgere impartendo comandi agli attuatori posti a bordo macchina.

Il circuito ausiliario, inoltre, fornisce delle informazioni all’operatore per mezzo di dispositivi segnaletici situati sul quadro sinottico.

Queste informazioni, fornite da un sinottico tradizionale, sono di tipo sintetico e segnalano le principali condizioni macchina e/o le anomalie del tipo: corrente inserita, tipo di ciclo selezionato, emergenza inserita, mancanza olio, temperatura del refrigerante, presenza aria, ecc…

Da quanto sopra esposto, risulta evidente che il circuito ausiliario è effettivamente il gestore della macchina, ovvero la parte dell’intera struttura che è a conoscenza in ogni istante della reale situazione della macchina che esso governa.

Sintetizziamo brevemente l’evoluzione tecnologica del circuito ausiliario:

Elettromeccanica: inizialmente il circuito ausiliario è costituito integralmente da relè. Circuiti elettronici a componenti discreti: i relè vengono sostituiti da schede elettroniche costituite da circuiti elettronici a componenti discreti.
Circuiti elettronici a circuiti integrati e discreti: le schede elettroniche sono implementate da circuiti integrati.
Controllori a logica programmabile (PLC): infine le schede elettroniche correlate e integrate in un unico ambiente, costituiscono il computer dedicato all’ambiente industriale: il controllore programmabile (PLC).

I primi Controllori a Logica Programmabile fecero il loro ingresso sul mercato italiano nel 1969. Ricordiamo alcune tappe fondamentali dell’evoluzione del PLC.

1970 – 1974: alcune innovazioni tecnologiche rendono più “flessibili” e quindi più “intelligenti” i microprocessori: introducono memorie, istruzioni matematiche e controlli per periferiche quali video (CRT) e stampanti.

1975 – 1979: lo sviluppo di hardware e software migliora ulteriormente e potenzia la flessibilità dei PLC, aumenta la capacità delle memorie, rende possibile il dialogo a distanza con input/output, introduce moduli analogici e moduli per il controllo di posizione, incrementa le istruzioni per la gestione e il trattamento delle informazioni, aumenta la flessibilità della programmazione e, infine, consente una miglior comunicazione con le periferiche.

Anni 80: cresce la necessità di integrare i diversi sistemi di automazione all’interno delle fabbriche; si ha quindi un aumento della potenza di programmazione e l’utilizzo di moduli intelligenti gestiti da microprocessori.

1982: l’applicazione in ambito industriale delle reti di telecomunicazione L.A.N. (Local Area Network = reti locali) consente lo scambio di informazioni tra le varie macchine di lavorazione e i computer, per la gestione e la programmazione della produzione. In questo modo l’area di azione del PLC si amplia enormemente.

L’industria è alle soglie di una nuova era nel campo dell’automazione; l’obiettivo primario è quello di coprire integralmente le necessità di uno stabilimento attraverso l’uso estensivo del computer.

Il trattamento delle informazioni con logica programmabile: caratteristiche dei controllori programmabili

Gli aspetti più caratteristici dei Controllori Programmabili sono:

• l’apparecchiatura è completamente statica, costituita da un sistema a microcalcolatore di tipo industriale, cioè con specifiche tali da renderlo adatto ad operare in ambienti di officina, in modo affidabile, con ingombro minimo ed una elevata sicurezza di funzionamento;
• l’apparecchiatura è modulare, quindi è possibile comporla secondo le necessità di installazione, oppure modificarla o ampliarla in tempi successivi;
• i parametri di utilizzo sono standard (tensione di alimentazione, prestazioni della modulistica, porte di comunicazione, ecc…);
• l’apparecchiatura è utilizzabile per un’altra applicazione (per es.: in caso di eliminazione del macchinario).

Inoltre: 

• il PLC può sostituire circuiti di comando obsoleti su macchinario preesistente;
• è possibile apportare, in tempi brevissimi, modifiche al ciclo di lavorazione di macchinari in funzione;
• a partire da un certo livello di prestazioni operative, il costo del PLC è nettamente competitivo rispetto ai corrispondenti sistemi a logica cablata;
• è interfacciabile con periferiche quali stampanti, terminali video, computer, stringhe alfanumeriche, altri PLC e/o sistemi di controllo.
•  

Trasformazioni di circuiti elettromeccanici in equazioni booleane

Nella quasi totalità dei calcolatori elettronici l’informazione viene elaborata sotto forma digitale, cioè i segnali elettronici che la rappresentano possono assumere soltanto due valori nominali detti anche livelli o stati logici.

I circuiti preposti all’elaborazione di questo tipo di segnali prendono il nome di circuiti logici.

A metà ‘800 il matematico inglese Boole aveva introdotto il calcolo logico, al fine di rendere in forma algebrica le leggi della logica; nel 1938 Shannon applicò le regole dell’algebra booleana alla progettazione di circuiti a relè, associando i due stati logici 1 e 0 ai due diversi stati fisici del relè.

Possiamo identificare come “stati logici” (oltre a 1 e 0) anche:

1	0
ON	OFF
CHIUSO	APERTO
ACCESO	SPENTO
VERO	FALSO
HIGH	LOW
SI	NO
DIODO CONDUCENTE	DIODO NON CONDUCENTE
TRANSISTORE SATURO	TRANSISORE INTERDETTO

Per il funzionamento del circuito logico non è essenziale conoscere il valore numerico esatto o il valore di tensione o corrente del segnale binario; di conseguenza per rappresentare i due possibili valori o livelli risulta comodo far uso di due simboli scelti a piacere. Normalmente questi valori vengono indicati con “0” ed “1”.

Ne deriva che il funzionamento di un circuito può essere interamente descritto da un punto di vista logico e non quantitativo e senza preoccuparsi della sua struttura fisica.

Il circuito ausiliario realizzato a componentistica elettromeccanica può presentare due soli tipi di collegamento fra i dispositivi che lo compongono: 

• collegamento SERIE
• collegamento PARALLELO.

Ricordiamo che i componenti elettromeccanici, quali ad esempio pulsanti, sensori, relè, ecc., presentano: 

• contatti normalmente aperti (N.A.),
• contatti normalmente chiusi (N.C.).

Poiché i valori 0 – 1 sono convenzionali, se assumiamo il contatto normalmente aperto non azionato con il valore logico 0, il contatto N.C. assumerà il valore logico 1.

Se assumiamo il contatto normalmente aperto azionato con il valore logico 1, il contatto N.C. assumerà il valore logico 0.

Analizziamo il collegamento serie, rappresentato in figura, dove A e B rappresentano i contatti dei dispositivi collegati in serie e U rappresenta l’utilizzatore. 

È possibile compilare una tabella, detta tabella della verità, in cui compaiono tutte le possibili combinazioni delle variabili indipendenti (A e B). 

In questo caso la tabella definisce il prodotto logico, delle variabili definito AND (in italiano “e” congiunzione) perché per ottenere l’uscita a 1 logico è necessario avere una variabile “e” l’altra, “e” l’altra … 

Tale prodotto soddisfa l’equazione algebrica booleana:

A·B = U

Generalizzando si può concludere che in un sistema a n variabili:

U = A·B·……·n

U vale 1 solamente se tutte le n variabili valgono 1.

Ricordiamo che esiste il circuito integrato (denominato “porta logica”) che realizza la funzione AND (integrato 4081 [contiene 4 porte a 2 ingressi]) (prodotto logico): 

Analizziamo ora il collegamento parallelo, rappresentato in figura: 

Compiliamo la tabella della verità:

In questo caso la tabella definisce la somma logica, delle variabili definita OR, (in italiano o congiunzione) perché per ottenere l’uscita a 1 è necessario avere o una variabile o un’altra, o tutte e due: 

Tale somma soddisfa l’equazione algebrica booleana: 

A+B = U

Generalizzando si può concludere che in un sistema a n variabili:

U = A+B+……+n

U vale 1 quando almeno una o più variabili assume il valore logico 1.

Ricordiamo che esiste il circuito integrato (denominato “porta logica”) che realizza la funzione OR nell’integrato 4032 (contiene 4 porte a 2 ingressi) (prodotto logico):

Nella figura seguente, il contatto N.C. rappresenta un contatto dei dispositivo A: 

In questo caso la tabella della verità definisce la negazione, funzione di negazione NOT (in italiano “non”), il cui simbolo grafico, nelle equazioni è (–) sopra la lettera.

La tabella soddisfa l’equazione algebrica booleana: 

Ā = U

Ricordiamo che esiste il circuito integrato (“porta logica”) che realizza la funzione NOT nell’integrato 7404 (contiene 6 porte a 1 ingresso): 

In figura è rappresentato un circuito elettromeccanico caratterizzato da collegamenti in serie e parallelo, che controllano un solo utilizzatore. Tale circuito viene definito: rete logica.

Ogni equazione booleana rappresenta la trasformazione di una rete logica: di conseguenza, per trasferire in un PLC la funzione di un circuito con più reti logiche, bisogna trasformare nell’equazione corrispondente ciascuna rete logica che lo compone.