Controllori logici programmabili (PLC): Nozioni di base, tipi e applicazioni

Che cos’è un PLC?

PLC sta per “Controllore logico programmabile”. Un PLC è un computer appositamente progettato per funzionare in modo affidabile in ambienti industriali difficili, come temperature estreme, condizioni umide, asciutte e/o polverose. I PLC vengono utilizzati per automatizzare processi industriali come la catena di montaggio di un impianto di produzione, un impianto di lavorazione del minerale o un impianto di trattamento delle acque reflue.,

I PLC condividono molte funzionalità del personal computer che hai a casa. Entrambi hanno un alimentatore, una CPU (Central Processing Unit), ingressi e uscite (I/O), memoria e software operativo (anche se è un software operativo diverso).

Le maggiori differenze sono che un PLC può eseguire funzioni discrete e continue che un PC non può fare, e un PLC è molto più adatto ad ambienti industriali difficili. Un PLC può essere pensato come un computer digitale “rinforzato” che gestisce i processi elettromeccanici di un ambiente industriale.,

I PLC svolgono un ruolo cruciale nel campo dell’automazione, facendo parte di un sistema SCADA più ampio. Un PLC può essere programmato in base alle esigenze operative del processo. Nell’industria manifatturiera, ci sarà bisogno di riprogrammare a causa del cambiamento nella natura della produzione. Per superare questa difficoltà, sono stati introdotti sistemi di controllo basati su PLC. Per prima cosa discuteremo le basi del PLC prima di esaminare varie applicazioni dei PLC.

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PLC Basics

I PLC sono stati inventati da Dick Morley nel 1964. Da allora PLC ha rivoluzionato il settore industriale e manifatturiero. Esiste una vasta gamma di funzioni PLC come temporizzazione, conteggio, calcolo, confronto ed elaborazione di vari segnali analogici.

Il vantaggio principale del PLC rispetto ad un sistema di controllo “hard-wired” è che si può tornare indietro e cambiare un PLC dopo averlo programmato, a poco costo (solo il costo del tempo del programmatore)., In un sistema di controllo cablato, si sta essenzialmente dover strappare i fili e ripartire da zero (che è più costoso e richiede più tempo). Diamo un’occhiata ad un esempio per capire meglio questo vantaggio.

Immagina di avere una luce collegata a un interruttore. In generale, la luce funziona in due condizioni: ON e OFF. Ora ti viene assegnato un compito che quando accendi l’interruttore, la luce dovrebbe brillare solo dopo 30 secondi. Con questa configurazione cablata-siamo bloccati. L’unico modo per raggiungere questo obiettivo è quello di ricablare completamente il nostro circuito per aggiungere un relè di temporizzazione., Questo è un sacco di problemi per un piccolo cambiamento.

Questo è dove un controllore a logica programmabile entra in scena, che non richiede alcun cablaggio aggiuntivo e hardware per assicurarsi di un cambiamento. Piuttosto richiede una semplice modifica del codice, programmando il PLC per accendere la luce solo 30 secondi dopo l’accensione dell’interruttore. Quindi, utilizzando un PLC, è facile incorporare più ingressi e uscite.,

Questo è solo un semplice esempio: un PLC ha la capacità di controllare processi molto più grandi e complessi. Un PLC può essere personalizzato a seconda dell’applicazione e delle esigenze dell’utente.

Come funziona un PLC?

Il funzionamento di un controllore logico programmabile può essere facilmente compreso come un metodo di scansione ciclico noto come ciclo di scansione.,

Un processo di scansione PLC include i seguenti passaggi

• Il sistema operativo inizia il ciclismo e il monitoraggio del tempo.
• La CPU inizia a leggere i dati dal modulo di ingresso e controlla lo stato di tutti gli ingressi.
• La CPU inizia a eseguire l’utente o il programma applicativo scritto in logica relay-ladder o in qualsiasi altro linguaggio di programmazione PLC.
• Successivamente, la CPU esegue tutte le attività di diagnosi e comunicazione interne.,
• In base ai risultati del programma, scrive i dati nel modulo di uscita in modo che tutte le uscite siano aggiornate.
• Questo processo continua finché il PLC è in modalità di esecuzione.

Struttura fisica del PLC

La struttura di un PLC è quasi simile all’architettura di un computer.

Controllori logici programmabili controlla continuamente i valori di ingresso da vari dispositivi di rilevamento di ingresso (ad es., accelerometro, scala del peso, segnali cablati, ecc.) e produce produzione corrispondente a seconda della natura della produzione e dell’industria. Un tipico schema a blocchi del PLC si compone di cinque parti, cioè:

• Rack o telaio
• Modulo di Alimentazione
• Unità di Elaborazione Centrale (CPU)
• Ingresso & Modulo di Uscita
• Modulo di Interfaccia di Comunicazione

Rack o Telaio

In tutti i sistemi PLC, PLC rack o telaio che costituisce la parte più importante del modulo e funge da spina dorsale per il sistema. I PLC sono disponibili in diverse forme e dimensioni., Quando sono coinvolti sistemi di controllo più complessi, richiede rack PLC più grandi.

Il PLC di piccole dimensioni è dotato di una configurazione pin I/O fissa. Quindi, sono andati per PLC rack di tipo modulare, che accetta diversi tipi di moduli I / O con scorrimento e adattamento al concetto. Tutti i moduli I / O risiederanno all’interno di questo rack/chassis.

Modulo di Alimentazione

Questo modulo è utilizzato per fornire la potenza richiesta per l’intero sistema PLC., Converte l’alimentazione CA disponibile in corrente continua richiesta dalla CPU e dal modulo I/O. PLC generalmente funziona su un 24 V DC di alimentazione. Pochi PLC utilizza un alimentatore isolato.

Modulo CPU e memoria

Modulo CPU ha un processore centrale, ROM & Memoria RAM. La memoria ROM include un sistema operativo, driver e programmi applicativi. La memoria RAM viene utilizzata per memorizzare programmi e dati. CPU è il cervello di PLC con un microprocessore ottale o esagonale.

Essendo una CPU basata su microprocessore, sostituisce timer, relè e contatori., Due tipi di processori come un singolo bit o word processor possono essere incorporati con un PLC. Un processore bit viene utilizzato per eseguire funzioni logiche. Mentre i word processor sono utilizzati per l’elaborazione di testo, dati numerici, il controllo e la registrazione dei dati.

La CPU legge i dati di input dai sensori, li elabora e infine invia il comando ai dispositivi di controllo. Fonte di alimentazione DC, come accennato nella discussione precedente è necessario segnali di tensione. CPU contiene anche altre parti elettriche per collegare i cavi utilizzati da altre unità.,

Modulo di ingresso e uscita

Hai mai pensato a come rilevare parametri fisici come temperatura, pressione, flusso, ecc? utilizzando PLC? Naturalmente, PLC ha un modulo esclusivo per l’interfacciamento di ingressi e uscite, che è chiamato un ingresso & modulo di uscita.

I dispositivi di input possono essere pulsanti di avvio e arresto, interruttori, ecc. Il modulo I / O aiuta a interfacciare i dispositivi di input e output con un microprocessore. Il modulo di ingresso del PLC è spiegato nella figura seguente.,

The input module of PLC does four main functions.,

1. modulo di Input interfaccia riceve il segnale dal processo di dispositivi a 220 V AC
2. Converte il segnale di ingresso 5 V DC, che può essere utilizzato da PLC
3. Sezionatore blocco è utilizzato per isolare/prevenire il PLC dalla fase di fluttuazione
4. una volta che il segnale viene inviato all’uscita fine ho.e il PLC

Ci sono due principali sezioni del modulo di input vale a dire la sezione di potenza e la sezione logica. Entrambe le sezioni sono elettricamente isolate l’una dall’altra. Inizialmente il pulsante è chiuso., Quindi, l’alimentazione a 220 V CA viene fornita al circuito del ponte attraverso i resistori R1 e R2.

Un raddrizzatore a ponte (come un raddrizzatore a ponte a diodi) viene utilizzato per convertire il segnale AC in DC e il diodo Zener viene utilizzato per fornire un’alimentazione a bassa tensione al LED. Quando la luce del LED cade sul fototransistor, funziona nella regione di conduzione. Infine, viene fornita un’alimentazione 5V DC al processore.

Il modulo di uscita del PLC funziona in modo simile al modulo di ingresso, ma nel processo inverso. Si interfaccia il carico di uscita e processore., Quindi qui la prima sezione sarebbe logic session e la sezione power viene dopo. Il funzionamento del modulo di output è mostrato nella figura sotto

Quindi, qui, quando la logica del programma in alto segnale è generato dal processore, Il LED si accende e permettere alla luce di cadere su un phototransistor. Quando il transistor va alla regione di conduzione, genera un impulso al cancello del Triac., Il blocco isolatore viene utilizzato per isolare la sezione logica e la sezione di controllo.

Modulo di interfaccia di comunicazione

Per trasferire informazioni tra CPU e reti di comunicazione, vengono utilizzati moduli I / O intelligenti. Questi moduli di comunicazione aiutano a connettersi con altri PLC e computer che sono collocati in una posizione remota.

Tipi di PLC

I due principali tipi di PLC sono PLC fisso / compatto e PLC modulare.

PLC compatto

All’interno di un singolo caso, ci sarebbero molti moduli. Ha un numero fisso di moduli I / O e schede I/O esterne., Quindi, non ha la capacità di espandere i moduli. Ogni input e output sarebbe deciso dal produttore.

PLC modulare

Questo tipo di PLC consente l’espansione multipla attraverso “moduli”, quindi denominati PLC modulari. I componenti I/O possono essere aumentati. È più facile da usare perché ogni componente è indipendente l’uno dall’altro.,

PLC sono divisi in tre tipi, a seconda di uscita vale a dire una uscita a Relè, Transistor di uscita e Uscita Triac PLC. Il tipo di uscita a relè è più adatto per dispositivi di uscita AC e DC. Il tipo PLC di uscita a transistor utilizza operazioni di commutazione e viene utilizzato all’interno di microprocessori.

Secondo la dimensione fisica, un PLC è diviso in Mini, Micro e Nano PLC.,

Alcuni produttori di Plc includono:

• Allen Bradley
• ABB
• Siemens
• Mitsubishi PLC
• Hitachi PLC
• Delta PLC
• General Electric (GE) PLC
• Honeywell PLC

Applicazioni PLC

i Plc hanno una varietà di applicazioni, tra cui:

1. Processo di Impianti di Automazione (ad es., estrazione mineraria, petrolio &gas)
2. l’Industria del Vetro
3. l’Industria della Carta
4. per la Produzione di Cemento
5. caldaie – centrali Termiche

di Programmazione PLC

Quando si utilizza un PLC, è importante progettare e implementare i concetti a seconda del tuo caso particolare. Per fare ciò, dobbiamo prima saperne di più sulle specifiche della programmazione PLC.

Un programma PLC è costituito da un insieme di istruzioni in forma testuale o grafica, che rappresenta la logica che governa il processo che il PLC sta controllando., Esistono due classificazioni principali dei linguaggi di programmazione PLC, che sono ulteriormente suddivisi in molti tipi sottoclassificati.

1. Testuale Lingua
   • lista di Istruzioni
   • testo Strutturato
2. Grafica
   • Schemi Ladder (LD) (cioè la Logica Ladder)
   • Function Block Diagram (FBD)
   • SFC (Sequential Function Chart)

anche se tutti questi linguaggi di programmazione PLC può essere usato per programmare un PLC, linguaggi grafici (come la logica ladder) sono in genere preferito testuale linguaggi di programmazione in testo strutturato).,

Logica ladder

Logica ladder è la forma più semplice di programmazione PLC. È anche conosciuto come”relay logic”. I contatti relè utilizzati nei sistemi controllati a relè sono rappresentati utilizzando la logica ladder.
La figura seguente mostra un semplice esempio di un diagramma ladder.

Nell’esempio sopra menzionato, vengono utilizzati due pulsanti per controllare lo stesso carico della lampada. Quando uno qualsiasi degli interruttori è chiuso, la lampada si illuminerà.,

Le due linee orizzontali sono chiamate pioli e le due linee verticali sono chiamate rotaie. Ogni gradino forma la connettività elettrica tra binario positivo (P) e binario negativo (N). Ciò consente alla corrente di fluire tra i dispositivi di ingresso e di uscita.

Diagrammi a blocchi funzionali

Il diagramma a blocchi funzionale (FBD) è un metodo semplice e grafico per programmare più funzioni in PLC. PLCOpen ha descritto l’utilizzo di FBD nello standard IEC 61131-3. Un blocco funzione è un’unità di istruzioni del programma che, una volta eseguita, produce uno o più valori di output.,

È rappresentato da un blocco come mostrato di seguito. È rappresentato come un blocco rettangolare con ingressi che entrano a sinistra e linee di uscita che escono a destra. Esso fornisce una relazione tra lo stato di ingresso e di uscita

Il vantaggio di utilizzare FBD è che qualsiasi numero di ingressi e uscite possono essere utilizzate in blocco funzionale. Quando si utilizzano più ingressi e uscite, è possibile collegare l’uscita di un blocco funzione all’ingresso di un altro., Whereby building a Function Block Diagram.

The figure below shows various function blocks used in FBD programming.

The figure below shows a ladder diagram and its function block equivalent in Siemens notation.,

Structured Text Programming

Structured text is a textual programming language that utilizes statements to determine what to execute. It follows more conventional programming protocols but it is not case sensitive., Una serie di istruzioni (logica) è costituita da esprimere assegnazioni e relazioni utilizzando diversi operatori. Gli operatori di testo delle strutture sono elencati di seguito nell’immagine.

di Programmazione PLC Esempi

Una lampada di segnalazione è necessaria per essere acceso se una pompa è in funzione e la pressione è soddisfacente, o se la lampada di prova dell’interruttore è chiuso., In questa applicazione, se ci dovrebbe essere un’uscita dalla lampada ingressi sia dalla pompa e sensori di pressione sono necessari. Quindi, vengono utilizzate porte logiche.

O la logica viene utilizzata per la condizione di ingresso di prova, è necessario fornire un’uscita di lampada accesa indipendentemente dal fatto che vi sia un segnale dal sistema AND. Utilizzando l’istruzione END o RET nel diagramma ladder, possiamo dire PLC ha raggiunto la fine del programma. Lo schema a blocchi funzione e lo schema a scala sono mostrati di seguito nella figura.,

un altro esempio, considerare una valvola che deve essere utilizzato per il sollevamento di un carico quando la pompa è in funzione e l’ascensore interruttore o un interruttore azionato che indica che il carico non è già stato sollevato e che è in fondo il suo ascensore canale.

O logica viene utilizzato per due interruttori e un AND logica viene utilizzato con due interruttori e la pompa. La valvola sarà azionata soltanto se la pompa è SOPRA e due commutatori sono azionati.,

si Consideri una macchina di bevande che permette la selezione di tè o di caffè, latte o non latte, lo zucchero o senza zucchero, e fornirà la necessaria bevanda calda sull’inserimento di una moneta. Dalla figura mostrata sotto, si vede che il tè o il caffè vengono selezionati utilizzando il primo O la porta logica.

Il primo E il gate danno un’uscita quando viene selezionato tè o caffè e una moneta viene inserita nella macchina., L’output da questo E gate è dato al secondo E gate. Il secondo E il cancello funzionano solo quando l’acqua calda si combina con il tè. Latte e zucchero sono aggiunte opzionali che possono verificarsi dopo che è stata inserita una moneta.,

Storia del Plc

Molti dei primi Plc non sono stati in grado di rappresentazione grafica della logica, e così è stato, invece, rappresentato come una serie di espressioni logiche in un Booleano formato (simile al algebra Booleana).,

Con l’evoluzione dei terminali di programmazione, è diventato più comune l’uso della logica ladder, poiché era un formato familiare utilizzato per i pannelli di controllo elettromeccanici. Esistono formati più moderni, come la logica di stato e i diagrammi a blocchi funzione, ma non sono ancora così popolari come la logica ladder.

Una possibile ragione di ciò è che i programmatori preferiscono l’aspetto più visivo della logica ladder rispetto alla programmazione di testo strutturato.,

Fino a circa la metà degli anni 1990, i PLC erano programmati utilizzando pannelli di programmazione proprietari o terminali di programmazione speciali, che spesso avevano tasti funzione dedicati che rappresentano i vari elementi logici dei programmi PLC.

Alcuni terminali di programmazione proprietari mostravano gli elementi dei programmi PLC come simboli grafici, ma erano comuni rappresentazioni in codice ASCII di contatti, bobine e fili.