Percorso tematico: Informatica / PLC

Struttura del PLC

Un PLC è composto da un alimentatore, dalla CPU, dalla memoria e da un certo numero di schede di ingressi digitali o analogiche e uscite digitali o analogiche.

Se il PLC opera in rete con altri PLC, sono necessarie delle 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 di controllo assi, cioè delle schede molto veloci e sofisticate che permettono di gestire spostamenti e posizionamento. Vi sono poi una serie di altre schede speciali supplementari. I fondamentali parametri hardware di un PLC possono essere così riassunti:

Di seguito un’analisi dettagliata dei vari componenti:

  1. Alimentatore del PLC;

  2. Memoria del PLC;

  3. CPU del PLC;

  4. Schede I/O per PLC;

  5. Schede comunicazione per PLC;

  6. Schede speciali per PLC;


Alimentatore del PLC

L'alimentatore è un apparato necessario per il funzionamento dei PLC. Esso è utilizzato per fornire l'energia elettrica a tutte le schede del PLC. Fornisce le tensioni a 5 V necessarie alle schede, le tensioni a + o - 12 V, le altre tensioni necessarie, sempre in corrente continua (cc.). Può essere interno o esterno al PLC.


Memoria del PLC

La memoria è basata sulla stesa tecnologia usata per i PC anche se la sua organizzazione è peculiare in quanto è presente sia una memoria persistente detta memoria di programma che contiene il sistema operativo (firmware), il programma utente (la sequenza di istruzioni) e un’area per le variabili retentive, sia una memoria volatile detta memoria dati per tenere l’immagine degli ingressi, delle uscite e delle variabili interne. Questa memoria è esclusivamente di tipo RAM, mentre la memoria di programma può essere:

La memoria di lavoro o memoria dati di un controllore programmabile è rigidamente ripartita. E’ suddivisa in una parte riservata alle variabili di ingresso, un’altra riservata alle variabili di uscita, ed una terza riservata alle variabili “interne”. In altre parole, mentre un calcolatore registra i dati allocandoli dinamicamente, cioè nelle zone che di volta in volta sono libere, il controllore programmabile segue una allocazione statica: esiste una corrispondenza rigorosa tra le posizioni di memoria ed i terminali di ingresso/uscita ad esse associati. Così, un certo terminale di ingresso corrisponderà sempre ad una precisa locazione di memoria, definita in origine dal costruttore.

Per esempio al primo terminale di ingresso del modulo I/O 1, corrisponderà sempre la locazione di memoria: bit 0 del canale 0. Il programma potrà trattare le posizioni di memoria come se esse fossero direttamente gli ingressi/uscite da gestire (od i relè delle tradizionali logiche cablate). Per determinare l’allocazione, ogni tipo di variabile (ingresso, uscita, “interna”) viene identificata mediante uno speciale nome, che è di norma un numero, costruito secondo certi criteri. I contatti (Bit) di una canale sono solitamente individuati da un numero composto da due cifre (da 00 a 15). I canali (Word) indirizzabili a bit sono individuati solitamente da un numero di tre cifre. Nell’esempio sopra abbiamo individuato l’elemento 0.00 è il bit 0 del canale 000, 1.02 è il bit 2 del canale 001, e cosi via.

Ogni PLC riporta sul proprio manuale l’esatta ripartizione della propria memoria dati. La dimensioni dei registri di memoria vanno in funzione della CPU, una CPU a 16 bit avrà una memoria dati con registri da 16 bit, sarà quindi organizzata con parole di 16 Bit (16 bit = 1 Word = 1 canale). In molte aree dati i bit di una word (o canale) sono accessibili individualmente. A livello di esempio consultare la seguente recensione in cui viene analizzata la struttura della memoria di un PLC reale, facilmente reperibile sul mercato, il CJ1 Omron:


CPU del PLC

La CPU, anche chiamata, esclusivamente nella sua implementazione fisica processore, è il cervello del PLC. E’ il dispositivo di massima espressione dell'elettronica digitale : è molto piccolo, fa moltissime cose e consuma pochissima energia. Questo gadget compie operazioni logiche (e matematiche) molto velocemente, e soprattutto le esegue secondo una "scaletta" predefinita a nostro piacimento, chiamata semplicemente programma. L'elenco di tutte le operazioni che un processore può eseguire è detto Set di Istruzioni, in inglese Instruction Set. Il programma quindi non è altro che un elenco di operazioni che deve compiere la CPU. La sua potenza si esprime attraverso il Set delle istruzioni e la velocità di elaborazione. Tra le tante istruzioni che un processore può elaborare vi sono anche quelle della logica binaria (vedi ad esempio AND e OR), ecco quindi che può essere utilizzato per elaborare dei segnali elettrici e comandare delle macchine, proprio come si fa in elettrotecnica con i circuiti di comando. La trasposizione del microprocessore dal mondo dell'elettronica digitale al mondo elettrotecnico è stata quindi abbastanza semplice, viste le affinità dal punto di vista della logica. Queste affinità comportano, in generale, una straordinaria conseguenza: ogni schema funzionale può essere tradotto in una sequenza di istruzioni per un microprocessore. E' quindi possibile trasformare uno schema elettrico che comanda una macchina in un programma che praticamente svolge la stessa funzione. La CPU del PLC è del tutto simile alla CPU di un computer, che cambiano sono le prestazioni e le modalità di impiego:


Schede I/O per PLC

Le schede di Imput / Output vengono utilizzate dal PLC per comunicare con l’esterno. Si possono distinguere quattro tipologie di schede:

Prima di analizzare queste diverse tipologie di schede è opportuno precisare la differenza tra logica PNP e NPN. Un plc, o qualsiasi altra apparecchiatura, che richiede segnali PNP (fonte) significa che ha il comune degli ingressi collegato a gnd e necessita di un segnale positivo per pilotare l'ingresso. Pertanto con logica positiva PNP, allo stato logico 1 corrisponde un segnale positivo verso massa , solitamente +5 , +10 , +24 VDC. Viceversa per le uscite, allo stato logico 1 corrisponde quindi un segnale positivo verso l’esterno e quindi verso l’utilizzatore. Da questo principio deriva il termine “fonte” o “logica positiva”.

Un plc che richiede segnali NPN (pozzo) ha il comune degli ingressi collegato al positivo (solitamente +24Vdc) e si attiva l'ingresso collegandolo a gnd. Pertanto logica negativa NPN , vale a dire che allo stato logico 1 corrisponde un segnale negativo verso massa , -5,-10,-24 VDC. Viceversa per le uscite, allo stato logico 1 corrisponde quindi un segnale negativo verso l’esterno e quindi verso l’utilizzatore. Da questo principio deriva il termine “pozzo” o “logica negativa”.

A seconda del tipo di sensori che controllano il processo si deve utilizzare delle schede di ingressi digitali a logica PNP cioè positiva oppure NPN ,negativa.

Le schede di ingresso digitali: sono utilizzate per il controllo di grandezze "digitali", cioè di tensioni a due valori (ad esempio 0 V o 24 V, oppure 0 V 110 V). Ogni scheda può gestire da 4 a 32, o 64 ingressi digitali differenti. I segnali dal campo vengono fatti arrivare con cavi elettrici fino alla morsettiera della scheda ed ogni singolo canale è opportunamente protetto da fusibili di adeguato amperaggio. Queste schede possono essere di diversa tipologia AC, DC, AC/DC. DC o c.c. per soli segnali in corrente continua (5 - 12 - 24 V) PNP a logica positiva e NPN a logica negativa. AC o c.a. per soli segnali in corrente alternata (110 - 220 V).

Le schede di uscita digitali: sono utilizzate per comandare attuatori digitali. Ad esempio un relè 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 (elettrovalvola). Anche nel caso di schede di uscita digitali, si possono gestire da un minimo di 4 ad un massimo di 64 uscite digitali differenti. Vi sono diverse tipologie di schede: a triac per carichi in A.C. (110 - 220 V), a transistor per carichi in D.C. (5, 12 ,24 V) e relè per carichi in A.C. (110 - 220 V) o per carichi in D.C.. (5, 12, 24 V).

Schede di ingresso analogiche: Questo tipo di schede di ingresso permettono il controllo di grandezze elettriche dicrete il cui valore può variare entro un intervallo. Le grandezze in gioco sono in tensione o in corrente. Ad esempio sono disponibili schede di ingresso analogiche in corrente, con un intervallo variabile tra 4 mA e 20 mA. Queste schede sono disponibili con varie risoluzioni 8-12-14-16 bit.

Schede di uscita analogiche: permettono di controllare degli attuatori variabili. Possono essere in corrente o in tensione ed avere una determinata risoluzione esprimibile in bit. Ad esempio è possibile comandare un motore elettrico tramite un inverter variandone la velocità, tramite la frequenza, da zero alla sua massima velocità. Oltre all'esempio sopra citato servono per regolazioni di temperatura variando l'intervallo di uscita, regolazioni di luce. Un esempio che può risultare molto chiaro è quella dell'intensità luminosa di una serie di plafoniere. Tramite un potenziometro noi aumenteremo o diminuiremo l'intensità luminosa. Ad ogni aumento o diminuzione di luce corrisponde un equivalente segnale in corrente o in tensione.


Schede comunicazione per PLC

Il PLC durante il suo funzionamento può comunicare con computer, con altri PLC oppure con altri dispositivi come le macchine CNC (i torni e/o le frese a controllo numerico delle aziende). La comunicazione con computer e altri dispositivi avviene tramite tipi di connessione standard come:

La comunicazione con altri PLC avviene tramite protocolli standard, spesso detti bus di campo, ad esempio:


Schede speciali per PLC

Qualunque PLC di livello medio alto, oltre le consuete schede di ingresso/uscita, analogiche/digitali, ha a catalogo moduli dedicati a particolari compiti di automazione. Il vantaggio nell'utilizzare tali schede è quello di avere il controllo di un'operazione/evento indipendentemente dal ciclo del PLC, relegando il PLC alla funzione di controllo. L'offerta è veramente vasta e ogni produttore propone a catalogo le più svariate soluzioni fra cui si segnala: