Gli Elementi Costitutivi di un PLC

Gli elementi costitutivi di un PLC

 

Il Controllore Programmabile (PLC) è a tutti gli effetti un computer dedicato all’ambiente industriale; esso è l’unità di governo (circuito ausiliario) della macchina e come tale ne determina le sequenze di lavorazione, in base alla programmazione ricevuta.

Come per tutti i sistemi di elaborazione le parti fondamentali che lo compongono sono: l’HARDWARE e il SOFTWARE.

Per hardware si intende la struttura fisica del sistema e cioè la parte elettronica, elettrica e meccanica.

Per software si intende il complesso dei programmi e sottoprogrammi che consentono la gestione dell’hardware e la risoluzione dei problemi che vengono affidati al sistema.

Definiamo programma la sequenza di istruzioni necessarie al PLC perché esso possa far eseguire alle macchine collegate le fasi di lavoro progettate.

Definiamo istruzioni i comandi elementari che è necessario fornire alla CPU del PLC perché esso possa far eseguire alle macchine collegate le fasi di lavoro progettate. 

Componenti hardware di un controllore programmabile

Le parti fondamentali della struttura hardware di un PLC possono essere così rappresentate:

 

L’unità Centrale di Processo (CPU)

L’unità centrale di elaborazione dati, detta CPU (Central Processing Unit) è il “cuore” dell’attività del PLC.

Essa è preposta al coordinamento e al controllo di tutte le funzioni che il PLC deve eseguire. Per coordinare e controllare le funzioni del PLC, la CPU si avvale delle istruzioni contenute nel programma.

La CPU “legge” il programma, acquisisce le funzioni da eseguire, le analizza per poterle riconoscere e le esegue una ad una in modo da gestire il funzionamento completo del processo.

Con l’aiuto delle interfacce di comunicazione con le periferiche, gestisce, tratta e organizza tutte le informazioni per il dialogo con le altre parti del PLC (moduli di I/O e moduli intelligenti) e con il mondo esterno (terminali di programmazione, computer, stampanti, ecc. …).

La CPU può essere realizzata con uno o più microprocessori o con un processore cablato (insieme di più circuiti integrati).

Le potenzialità delle CPU, sono legate alla loro architettura, alla velocità di esecuzione, al loro set di istruzioni e alla capacità di indirizzamento.

Le CPU più diffuse elaborano in parallelo informazioni (Word) da 8 a 16 bit (ricordiamo che il bit è l’unità elementare di informazione digitale). Si stanno diffondendo anche CPU in grado di elaborare 32 bit.

 

MEMORIE

Si è detto che la CPU “legge” il programma, grazie al quale acquisisce le informazioni (o “ordini” di lavoro) e i dati al fine di produrre i risultati voluti (ad esempio: muovere un cilindro, comunicare al video il numero dei pezzi prodotti, attivare il programma di saldatura di un robot).

Il programma e i dati sono contenuti in componenti integrati che si chiamano memorie.

Prendiamo in esame le memorie in quanto “contenitori” di informazioni.

Da questo punto di vista le memorie vengono classificate in: 

• Memorie ad accesso sequenziale: nelle quali l’accesso ai dati può avvenire solo rispettando la sequenza in cui i dati sono stati memorizzati (come avviene ad esempio nei nastri magnetici delle audio – cassette).
• Memorie ad accesso casuale: nelle quali l’accesso ai dati può avvenire indipendentemente dalla posizione fisica occupata dall’informazione nella memoria. Esse prendono anche il nome di memorie RAM (Random Access Memory).

Le caratteristiche più importanti delle memorie sono: la capacità di memorizzazione, che è rappresentata dal numero di bit che possono essere immagazzinati; l’affidabilità, ossia la capacità di funzionare per un certo periodo di tempo senza incorrere in guasti e il tempo di accesso, ossia il tempo necessario alle CPU per localizzare ed acquisire o trasferire una informazione.

Il tempo di accesso delle memorie di tipo RAM (che può essere inferiore al microsecondo) è molto inferiore a quello delle memorie di tipo sequenziale. Per tale ragione le memorie utilizzate nei moderni calcolatori, e quindi anche nei PLC, sono di tipo RAM.

Esistono diversi tipi di memorie RAM che si differenziano in base alle funzioni che svolgono: memorie di sola lettura e memorie di lettura e scrittura. 

Memorie di sola lettura (R.O.M.)

Sono memorie di sola lettura: 

• MASK: la scrittura è stata realizzata da parte del costruttore durante la produzione (fase di mascheratura).
• P.R.O.M. (Programmable R.O.M.): è programmabile dall’utente (una sola volta e non può essere più modificata).
• E.P.R.O.M. (Erasable P.R.O.M.): come le PROM, questa memoria è programmabile dall’utente ma può essere riprogrammata più volte, previa cancellazione del contenuto.La EPROM più utilizzata nei controllori è quella a cancellazione ottica (indicata anche con il nome U.V.P.R.O.M. = Ultra Violet P.R.O.M.); le informazioni immagazzinate vengono cancellate esponendo la memoria ad una radiazione di raggi ultravioletti. L’operazione non può essere ripetuta più di una ventina di volte. Come per le PROM anche le UVPROM necessitano di un particolare dispositivo per la loro programmazione.
• E.E.P.R.O.M. o E².P.R.O.M. (Electrical Erasable P.R.O.M.): si distingue dalla UVPROM per una diversa procedura di cancellazione. Infatti esse vengono cancellate mediante un procedimento elettrico anziché ottico; è possibile inoltre selezionare il tipo di cancellazione, che può essere completa o parziale. Non è necessario quindi, per la programmazione e la cancellazione, estrarle dal circuito in cui sono inserite.
• N.V.R.A.M. (Non Volatile RAM): la memoria NVRAM (denominata anche shadow = ombra), è composta sostanzialmente da una RAM (read e write) e da una EEPROM. Le informazioni sono contenute ed eventualmente manipolate all’interno della RAM. Nel momento in cui la tensione di alimentazione scende al di sotto del valore di mantenimento, tutti i dati vengono travasati nella EEPROM, la quale non è direttamente accessibile dall’utente. Nell’istante in cui la tensione si riporta a valori accettabili avviene un nuovo trasferimento dalla EEPROM alla RAM. Il vantaggio di utilizzare una NVRAM anziché una EEPROM consiste nel fatto che il sistema utilizza come memoria una RAM e quindi impiega un tempo di accesso minore. Per contro le NVRAM hanno una minore capacità di immagazzinamento e una complessità circuitale maggiore che comporta un costo più elevato.

Memorie di lettura e scrittura: in esse è possibile anche la programmazione parziale da parte dell’utente.

Si dividono in: 

• Memorie a circuito integrato: che presentano un tempo di accesso al dato molto breve (il più breve tra quelli delle altre memorie) ma una necessità di alimentazione costante per non perdere le informazioni contenute. È questo il motivo per cui i PLC sono dotati di batterie per l’alimentazione ausiliaria, capace di sostituire quella primaria.
• Memorie su disco magnetico: che hanno il vantaggio di non perdere informazioni e di essere facilmente trasportabili.

 

In sintesi: 

 Struttura della memoria:

La memoria è realizzata mediante una matrice di ´ righe – può rappresentare la “parola” (WORD) – per n° 8 colonne. L’intersecazione tra riga e colonna determina una locazione di memoria che contiene l’informazione digitale elementare (bit). Di conseguenza una “parola” della lunghezza di 8 bit (1 byte) può contenere 256 combinazioni di bit (2⁸).

 

Per aumentare il numero delle combinazioni possibili generalmente vengono collegate insieme due memorie, in modo da ottenere una parola della lunghezza di 16 bit (si possono in questo modo ottenere 2¹⁶ combinazioni = 65536).

 

Per indicare la capacità di memoria, poiché il numero di byte della memoria è spesso molto elevato, si usano i multipli del byte: 

2¹⁰ (1.024) byte                               =    1 kilo – byte    (kbyte o kb)

1.000 kbyte (2²⁰) (1.048.576) byte   =    1 Mega – byte (Mbyte o Mb).

Dal punto di vista operativo possiamo distinguere le memorie nel PLC in memorie di sistema e memoria utente.

La memoria di sistema contiene il sistema operativo dove risiedono il set di istruzioni e i programmi che sovrintendono all’esecuzione dell’elaborazione della CPU. Sono programmi generali che comandano e coordinano le funzioni dell’intero sistema.

Il sistema operativo svolge separatamente alcuni compiti importantissimi, quali: 

• controllare i componenti hardware del sistema,
• immagazzinare e rendere disponibili le informazioni,
• accettare e codificare il programma,
• tradurre il programma inserito dall’utente in dati che la CPU sia in grado di interpretare.

 Il sistema operativo viene scritto dal costruttore; esso è difficilmente modificabile, data la funzione rilevante che svolge.

Proprio per questo motivo, normalmente, sono impiegate delle memorie di sola lettura.

La memoria utente è destinata a contenere i diversi programmi applicativi, stabiliti dall’utente e i dati.

Questa memoria deve poter essere cancellata e/o modificata facilmente sia in fase di messa a punto (debugging), sia in momenti successivi; per questo vengono impiegate normalmente memorie leggibili e scrivibili in tempi brevissimi.

Moduli interfaccia verso il campo

I moduli di interfaccia permettono il collegamento della CPU con l’impianto di produzione attraverso la trasformazione dei segnali elettrici provenienti dal campo in segnali logici binari comprensibili dall’unità centrale.

I moduli disponibili sul mercato sono:

 

• discreti: per l’interfacciamento di segnali monobit (ON/OFF);
• a parola: paralleli o analogici per l’interfacciamento di segnali multibit;
• intelligenti: per l’interfacciamento e l’elaborazione di informazioni e/o segnali multibit.

 

Moduli discreti

I moduli discreti permettono l’interfacciamento con dispositivi in grado di fornire una sola informazione quali, ad esempio, pulsanti, selettori, sensori, o con dispositivi in grado di ricevere una sola informazione quali lampade, relè, bobine delle elettrovalvole. È possibile collegare ai moduli discreti dispositivi che possono avere tensioni di funzionamento differenti.

 

INPUT	OUTPUT
110 V–	110V‑
220 V–	220 V‑
24 V@	24/48 V=
48 V@
TTL
24 V=

I circuiti elettronici dei moduli discreti sono dotati di disaccoppiatori digitali: essi adattano (in corrente e in tensione) i segnali elettrici provenienti dal campo al circuito elettronico dell’unità centrale assicurano l’isolamento galvanico tra segnale logico e campo esterno e garantiscono il filtraggio dei disturbi elettrici.

Nella figura seguente è rappresentato il circuito semplificato di moduli
discreti d’ingresso e d’uscita. 

Il segnale elettrico proveniente dal campo (pulsante PS) viene interpretato e adattato dal circuito del transistor dell’optoisolatore, per essere poi inviato al registro immagine degli I/O (area di conservazione dei dati della memoria). Nel modulo di uscita avviene la trasformazione inversa.

Generalmente ogni modulo può controllare 8,16,32 segnali con gli stessi livelli elettrici.

Questi moduli dispongono di indicatori di stato logico per ogni punto (dispositivo) collegato, visualizzati per mezzo di LED, i quali permettono una rapida diagnosi sullo stato logico del dispositivo.

 

Moduli a parole paralleli

I moduli di tipo parallelo sono in grado di accettare informazioni su 16 bit e di depositarle in una parola (da 16 bit o in 2 byte).

Vengono utilizzati per il collegamento di selettori decadici (Contraves), con lo scopo, ad esempio, di impostare timer e contatori.

È possibile utilizzare moduli paralleli d’uscita per visualizzare su display valori di conteggio o per pilotare stringhe alfanumeriche.

 

Moduli a parole analogici

Sono convertitori analogici – digitali che trasformano segnali elettrici in numeri binari o viceversa, proporzionali a grandezze fisiche (tensioni, temperatura, pressione).

Esistono sia moduli di ingresso che di uscita analogici per l’interfacciamento con dispositivi quali: trasduttori di temperatura, trasduttori di tensione, potenziometri, valvole fluidiche motorizzate (servovalvole), ecc…

La maggior parte dei moduli analogici, presenti sul mercato, convertono valori di tensione continua (generalmente da -10 a +10 V come massima escursione) in valori binari espressi con 8 o 12 bit.

 

Moduli intelligenti

Questi moduli, grazie ad una CPU interna con microprocessore, sono in grado di offrire alte prestazioni e di svolgere funzioni che prima erano compito della CPU del controllore programmabile, come calcoli statistici complessi o report di produzione.

Le elaborazioni dei modulo avvengono in modo asincrono rispetto alle elaborazioni dell’unità centrale del PLC.

Con il decentramento dell’intelligenza, quindi, si riducono di molto i tempi di elaborazione della CPU del controllore; inoltre si amplia la memoria dell’intero sistema.

Un esempio di modulo intelligente è il modulo basic.

Questo modulo accetta la programmazione in linguaggio basic e dispone di porte di comunicazione seriali. Esso viene utilizzato per effettuare calcoli complessi, statistiche, grafici, letture di dispositivi a codice a barre o sistemi di identificazione prodotto e può essere messo in comunicazione con interfacce operatore quali video terminali, stampanti, registratori.

Potendo accedere alla memoria dati del PLC, può essere utilizzato per stilare rapporti diagnostici o di monitoraggio, favorendo così una maggior velocità nell’individuazione e nella eliminazione dei guasti.

Un altro modulo intelligente è il modulo di ingresso ad alta velocità.

Questo modulo è in grado di rilevare, memorizzare ed elaborare, treni di impulsi così veloci, nell’ordine dei millisecondi, che non potrebbero essere acquisiti tramite moduli tradizionali dalla CPU.

Questi impulsi possono provenire da trasduttori di posizione (Encoder) oppure da fotocellule che rilevano il passaggio di elementi ad alta velocità.

 

Alimentatore

Un altro componente del PLC è l’alimentatore.

Esso assicura l’adattamento dell’energia elettrica, fornita dalla rete, ai livelli di tensione continua richiesta dai componenti elettronici che costituiscono il PLC.

Nei PLC compatti l’alimentatore fa parte dell’intero sistema hardware, nei sistemi modulari anch’esso si presenta sotto la forma di modulo.

La maggior parte degli alimentatori possono essere alimentati sia a 110 V~, 220 V~ che a 24 V=.

 

ARCHITETTURA DEL PLC

Struttura hardware

I moduli di interfaccia verso il campo trovano alloggiamento in appositi raccoglitori, denominati basi, o rack, o telai, o chassis, che possono essere costituiti da 4, 8 o 16 alloggiamenti, comunemente denominati slot.

I telai comunicano con l’unità centrale tramite un bus o collegamento fisico per il trasporto delle informazioni e vengono distinti in locali e remoti.

I telai locali sono quelli che dialogano direttamente con la CPU fino a distanze di qualche metro.

I telai remoti invece dialogano con l’unità centrale fino a distanze di qualche chilometro, mediante un cavo di comunicazione di tipo coassiale o con doppino telefonico.

Il colloquio tra l’unità centrale e i telai (remoti o locali) avviene mediante appositi moduli di interfaccia per la comunicazione, da inserire nell’unità centrale e nei telai stessi.

I moduli di interfaccia per le comunicazioni remote sono dotati di un microprocessore e di un modem per la gestione delle comunicazioni.

La tipologia di interconnessione dei telai varia da sistema a sistema e può essere a:

• cascata
• stella

La tipologia a cascata è caratterizzata dall’avere le basi collegate tra loro in modo interdipendente.

 

Nella tipologia a stella, ogni telaio dialoga direttamente con l’unità centrale ed è quindi indipendente dalle altre basi. In questo modo la CPU è gin grado di comunicare più velocemente con tutti i dispositivi collegati.

 

Collegamento dei dispositivi ai moduli

Tutti i dispositivi esterni (sensori ed attuatori, che devono fornire delle informazioni all’unità centrale) sono collegati ai moduli di interfaccia mediante tecniche diverse che devono comunque consentire la sostituzione dei moduli senza dover scollegare i fili.

II cablaggio può avvenire direttamente sul modulo per mezzo di morsettiere movibili, oppure tramite morsettiere fisse collocate sul contenitore di moduli.