Guida completa ai PLC

I PLC acronimo di Programmable Logic Controller (controllori logici programmabili ) sono dispositivi progettati per monitorare e regolare macchine e processi di produzione in ambienti industriali che utilizzano tecnologie di automazione. Possono operare come sistemi autonomi per ottimizzare i processi in modo intelligente e indipendente.

Come possiamo definire un PLC? Essenzialmente, è un sistema elettronico a funzionamento digitale dotato di una memoria programmabile. Questa memoria non volatile viene utilizzata per salvare le istruzioni di controllo che consentono al dispositivo di eseguire determinate funzioni ed esercizi. Attraverso moduli di uscita digitali e analogici vengono quindi controllati vari tipi di macchine e processi.

Dick Morley costruì il primo PLC nel suo garage senza rendersene conto. Si trattava di un semplice relè a quattro uscite, che divenne interessante per le aziende automobilistiche nel 1969.

Nel 1973, Michael Greenburg creò un PLC per renderlo disponibile in commercio, perfezionato da Modicon per essere utilizzato da General Motors e Landis. 

Relè fisici, connessioni cablate e timer hanno beneficiato della logica ladder PLC, che ha consentito una maggiore funzionalità senza molti nuovi cablaggi e hardware.

Nei sette anni successivi, entrò in scena il software basato su PC, il che significava che i PLC potevano essere programmati, la velocità di elaborazione poteva essere aumentata e nuove funzionalità potevano essere sviluppate più facilmente.

Più tardi, venne realizzata una versione avanzata di PLC, ribattezzata controller di automazione programmabile (PAC). 

Nel corso del tempo, la tecnologia PAC ha continuato a utilizzare software basato su PC, ma ha anche aggiunto l'interfaccia uomo-macchina (HMI) e la gestione delle risorse. 

Sebbene le organizzazioni più grandi abbiano iniziato a utilizzare PAC, le piccole e medie imprese continuano ancora a trovare la tecnologia PLC, pur se meno avanzata, estremamente vantaggiosa per le proprie aziende.

Grazie alla loro grande flessibilità, i controllori logici programmabili vengono utilizzati sempre più spesso in molti settori dell'industria. Queste soluzioni informatiche industriali erano originariamente destinate a sostituire i sistemi di relè elettromeccanici, come avviene tuttora in alcune situazioni.

Gli usi possono spaziare dalle applicazioni professionali a quelle domestiche. L’impiego nell’automazione dei PLC è molto comune in campo industriale, sia nel Regno Unito che negli altri paesi. Questi componenti trovano vasto impiego, ad esempio, nell’industria manifatturiera, nel settore alimentare e nel controllo degli edifici.

Cosa possono fare i PLC? Alcuni esempi tipici di utilizzo sono i seguenti:

• Impianti di produzione
• Controllo dei semafori
• Macchine di imballaggio
• Ascensori e scale mobili
• Applicazioni mediche
• Sistemi per cancelli automatici
• Sistemi di controllo del riscaldamento

I controllori PLC sono formati principalmente da ingressi e uscite. Essenzialmente, sono dispositivi collegabili in rete programmati per rispondere agli input e fornire determinati output. I controllori logici programmabili possono anche includere interfacce uomo-macchina.

Questi componenti elettronici possono essere programmati digitalmente e possono svolgere compiti di controllo complessi in vari processi di produzione in rete dell’Industria 4.0.

La relazione tra hardware, software e programmazione è spiegata più dettagliatamente nelle sezioni seguenti di questa guida.

Programmazione dei PLC

I PLC sono disponibili in diversi modelli, adatti per vari linguaggi di programmazione. Le opzioni più comuni sono le seguenti:

• ST: Structured Text (testuale)
• FBD: Function Block Diagram (grafico)
• LAD: Logica Ladder (grafico)
• STL: Statement List (testuale)
• SCL: Structured Control Language (grafico)

Per chi non conosce il mondo della logica e dei linguaggi di programmazione PLC sono disponibili numerosi corsi e tutorial sulla programmazione dei PLC. FBD è una scelta molto comune tra i principianti, in quanto utilizza una funzionalità “drag & drop”. Aiuta inoltre a rendere il comportamento degli I/O più facile da capire. Anche i linguaggi PLC visuali basati su immagini, come la logica Ladder, possono essere utili per la comprensione e il miglioramento dei processi. Ad esempio, un diagramma Ladder semplice e intuitivo può risultare di grande aiuto. Il linguaggio SCL, viceversa, viene usato principalmente quando i requisiti di programmazione sono più complessi ed esigenti.

È anche importante notare che, sebbene normalmente si utilizzino un laptop e un software, alcuni modelli meno recenti possono essere dotati di un programmatore palmare.

Software dei PLC

Il controllore viene programmato tramite il programma applicativo, mediante un computer o un pannello di controllo collegato. Il programma viene caricato sul controllore tramite l'interfaccia e definisce la commutazione dei dispositivi di uscita e dei dispositivi di ingresso. Il funzionamento vero e proprio viene quindi gestito, indipendentemente dal PC e in modo autonomo, in quanto i controllori dispongono di un proprio alimentatore.

Le funzioni specifiche dei PLC possono includere:

• Controllo del flusso
• Controllo dei collegamenti
• Funzioni basate su dati numerici, come orari e conteggi

Il software dei controllori logici programmabili può essere ulteriormente classificato come segue:

• PLC a funzionamento ciclico: questi PLC seguono il principio di base dell'elaborazione dei dati con input, elaborazione e output. Gli input vengono richiamati con una query e il controllo viene quindi trasferito al programma utente. Dopo che i segnali di controllo sono stati trasferiti alle uscite, il processo riparte dall’inizio
• PLC ciclici con interrupt: questi PLC sono programmati per eseguire un loop di programmazione aggiuntivo che, in caso di cambiamento di stato del sensore collegato, ne adatta il funzionamento a una situazione diversa. Una volta completato il ciclo aggiuntivo, il programma principale continuerà la normale esecuzione
• PLC controllati da eventi: questi PLC sono progettati per elaborare specifiche attività pre-programmate a seguito di un cambiamento di stato del sensore o dei sensori collegati

Va osservato che il software di programmazione dei PLC non è standardizzato. È sempre realizzato per uno specifico produttore e a volte per un modello specifico. Questo significa che, nella determinazione dei requisiti per gli accessori dei PLC, è possibile usare diverse alternative ai comuni cavi seriali.

Hardware dei PLC

Un dispositivo PLC è costituito essenzialmente da una stazione base con alcuni ingressi e uscite. La versione base presenta un processore nel gruppo centrale, ingressi e uscite di segnale, l’interfaccia e un sistema operativo.

A seconda della complessità del modello, i controllori possono avere un numero diverso di ingressi e uscite analogici o digitali, i quali sono collegati al sistema o alla macchina tramite sensori e attuatori. Ad esempio, agli ingressi possono essere presenti sensori di temperatura, livello o pressione che monitorano le funzioni della macchina. Il sistema operativo valuterà quindi le informazioni raccolte e le confronterà con i parametri programmati definiti dall'utente per poi inviare alle uscite i segnali di controllo corrispondenti.

Anche gli attuatori che regolano le funzioni possono variare. Possono essere costituiti da:

• Valvole elettriche, utilizzate per sistemi idraulici e ad aria compressa
• Contattori, usati per la commutazione di motori elettrici
• Moduli di controllo dell'azionamento

Oltre a quanto già detto, uno dei principali vantaggi dei PLC è la loro capacità di collegarsi in rete con computer e dispositivi di altri sistemi. Anche i modelli meno recenti possono essere collegati a nuovi dispositivi utilizzando i cavi, i connettori e gli adattatori appropriati.

La maggior parte dei controllori può essere collegata a un computer attraverso un cavo seriale. A questo scopo si possono utilizzare server di dispositivi seriali, anche collegando uno o più componenti seriali convenzionali attraverso una LAN. I convertitori multimediali Ethernet rappresentano un’altra soluzione per garantire la compatibilità e collegare mezzi di trasmissione differenti. Le interfacce più diffuse sono RS-232 e RS-485 con connettori DB-9 e DB-25.

Un controllore logico programmabile può diventare più efficiente con l’aggiunta di attrezzature aggiuntive appropriate e può essere ampliato con altri dispositivi attraverso l’interfaccia. All’occorrenza, è anche possibile includere moduli aggiuntivi con I/O supplementari. Altri componenti hardware dei PLC sono i seguenti:

• HMI (interfacce uomo-macchina)
• Pannelli touch (per la visualizzazione, il comando e la diagnostica di macchine e impianti)
• Moduli di comunicazione (come MODBUS)
• Guide DIN (per un montaggio ottimale)
• Display e monitor (per la visualizzazione diretta dei dati operativi)
• Smart gateway (reti IIoT intelligenti)

Cosa contiene un PLC?

Per una progettazione più avanzata, può essere utile conoscere i componenti principali all'interno di un controllore programmabile moderno e complesso. Dalle porte seriali e dai moduli di ingresso digitali ai connettori cavo-scheda, alla memoria e ai componenti passivi, questi elementi possono essere combinati per creare controllori logici programmabili ad alte prestazioni e all'avanguardia.

Guardate il nostro video per osservare questi sistemi in azione e capire come i singoli componenti interagiscono tra loro per controllare il funzionamento di dispositivi IoT, sistemi di automazione e processi di produzione industriale.

Esempi di PLC

È disponibile un’ampia gamma di controllori PLC, ognuna delle quali è particolarmente indicata per scopi e applicazioni differenti. In generale, la scelta è tra le opzioni seguenti:

I controllori logici programmabili possono essere classificati secondo diversi criteri. Ne esistono molti tipi diversi, ognuno caratterizzato da proprie funzioni e capacità.

Per quanto riguarda la struttura e le funzionalità, è possibile fare una netta distinzione tra PLC hardware e software. I PLC classici sono di tipo hardware. Sono dispositivi per uso generico e di norma comprendono solo le funzioni di controllo più importanti pur offrendo la possibilità di aggiungere varie estensioni, ad esempio per guide DIN e connessioni plug-in.

I controllori logici programmabili software, viceversa, sono orientati principalmente al controllo via software. Dispongono di un proprio sistema operativo e spesso comprendono anche altri software. Tuttavia, non possiedono una propria unità di elaborazione centrale (CPU), perciò utilizzano al suo posto il processore del PC. Questo significa che devono condividere il processore con il sistema operativo del PC (e magari con altre applicazioni), una condizione che può incidere sulle prestazioni quando il carico di lavoro è elevato.

Altri tipi sono i PLC compatti e quelli su scheda. In un PLC compatto, tutti i componenti si trovano su un unico circuito stampato in un unico alloggiamento. I controllori su scheda vengono usati direttamente come schede plug-in PCI e sono destinati ad attività specifiche, ad esempio alla memorizzazione dei dati di produzione. Con questi tipi di controllori, il computer digitale è progettato per sostituire l'hardware del PLC. Tuttavia, a differenza dei PLC software, i modelli su scheda sono dotati di un co-processore e di un proprio sistema operativo. Questo permette loro di eseguire le attività di controllo indipendentemente dal processore del PC. Le connessioni integrate forniscono l'accesso a sensori e attuatori decentralizzati.

I principali produttori di pannelli di controllo per PLC sono i seguenti:

Marchi principali

Siemens

Siemens è un marchio leader che offre un’ampia gamma di PLC di alta qualità, adatti per le esigenze di qualsiasi prodotto.

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Allen Bradley

Allen Bradley offre una gamma completa di PLC con caratteristiche differenti in termini di dimensioni, funzionalità e moduli.

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Mitsubishi

Il nostro assortimento comprende un’ampia scelta di controllori logici programmabili Mitsubishi di alta qualità. Acquista online con RS.

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Omron

RS offre una gamma completa di PLC Omron, un marchio noto per la qualità e le alte prestazioni dei suoi prodotti.

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I PLC svolgono un ruolo fondamentale nelle aziende industriali di oggi, in particolare per i produttori di piccole e medie dimensioni. 

Sono un'ottima soluzione che consente il monitoraggio ravvicinato di apparecchiature e macchinari importanti 24 ore su 24. Sono facili da mantenere ed espandere secondo necessità. Sebbene siano associati ai PLC alcuni rischi, offrono anche molti vantaggi. 

Forniscono una soluzione flessibile, affidabile e sicura per costituire la base di un programma di manutenzione predittiva.