Controllore logico programmabile - Programmable logic controller
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Un controllore logico programmabile ( PLC ) o controllore programmabile è un computer industriale che è stato rinforzato e adattato per il controllo di processi di produzione, come linee di assemblaggio , macchine, dispositivi robotici o qualsiasi attività che richieda elevata affidabilità, facilità di programmazione e diagnosi dei guasti di processo. Dick Morley è considerato il padre del PLC poiché aveva inventato il primo PLC, il Modicon 084, per la General Motors nel 1968.
I PLC possono variare da piccoli dispositivi modulari con decine di ingressi e uscite (I/O) , in un alloggiamento integrato con il processore, a grandi dispositivi modulari montati su rack con migliaia di I/O e che sono spesso collegati in rete ad altri PLC e Sistemi SCADA .
Possono essere progettati per molte disposizioni di I/O digitali e analogici, intervalli di temperatura estesi, immunità ai disturbi elettrici e resistenza a vibrazioni e urti. I programmi per controllare il funzionamento della macchina sono generalmente archiviati in una memoria tampone o non volatile .
I PLC sono stati sviluppati per la prima volta nell'industria automobilistica per fornire controllori flessibili, robusti e facilmente programmabili per sostituire i sistemi logici a relè cablati . Da allora, sono stati ampiamente adottati come controller di automazione ad alta affidabilità adatti per ambienti difficili.
Un PLC è un esempio di un sistema hard real-time poiché i risultati di output devono essere prodotti in risposta alle condizioni di input entro un tempo limitato, altrimenti si verificheranno operazioni indesiderate.
Invenzione e sviluppo iniziale
I PLC sono nati alla fine degli anni '60 nell'industria automobilistica negli Stati Uniti e sono stati progettati per sostituire i sistemi logici a relè. In precedenza, la logica di controllo per la produzione era composta principalmente da relè , timer a camme , sequenziatori di batteria e controller a circuito chiuso dedicati.
La natura cablata ha reso difficile per i progettisti modificare il processo di automazione. Le modifiche richiederebbero il ricablaggio e un attento aggiornamento della documentazione. Se anche un solo filo fosse fuori posto, o un relè si guastasse, l'intero sistema diventerebbe difettoso. Spesso i tecnici impiegano ore per la risoluzione dei problemi esaminando gli schemi e confrontandoli con il cablaggio esistente. Quando i computer per uso generale divennero disponibili, furono presto applicati alla logica di controllo nei processi industriali. Questi primi computer erano inaffidabili e richiedevano programmatori specializzati e un controllo rigoroso delle condizioni di lavoro, come temperatura, pulizia e qualità dell'alimentazione.
Il PLC offriva diversi vantaggi rispetto ai precedenti sistemi di automazione. Tollerava l'ambiente industriale meglio dei computer ed era più affidabile, compatto e richiedeva meno manutenzione rispetto ai sistemi a relè. Era facilmente estendibile con moduli I/O aggiuntivi, mentre i sistemi a relè richiedevano complicate modifiche hardware in caso di riconfigurazione. Ciò ha consentito un'iterazione più semplice sulla progettazione del processo di produzione. Con un semplice linguaggio di programmazione incentrato sulla logica e sulle operazioni di commutazione, era più intuitivo rispetto ai computer che utilizzavano linguaggi di programmazione generici . Ha inoltre consentito di monitorarne il funzionamento. I primi PLC erano programmati in logica ladder , che assomigliava molto a un diagramma schematico della logica a relè . Questa notazione di programma è stata scelta per ridurre le richieste di formazione per i tecnici esistenti. Altri PLC utilizzavano una forma di programmazione dell'elenco di istruzioni , basata su un solutore logico basato su stack.
modicon
Nel 1968, GM Hydramatic (la divisione di trasmissione automatica di General Motors ) ha emesso una richiesta di proposte per una sostituzione elettronica per i sistemi di relè cablati sulla base di un white paper scritto dall'ingegnere Edward R. Clark. La proposta vincente è arrivata dalla Bedford Associates di Bedford, Massachusetts . Il risultato fu il primo PLC, costruito nel 1969, chiamato 084, perché era l'ottantaquattresimo progetto di Bedford Associates.
Bedford Associates ha avviato una società dedicata allo sviluppo, produzione, vendita e assistenza di questo nuovo prodotto, che hanno chiamato Modicon (che sta per controller digitale modulare). Una delle persone che ha lavorato a quel progetto era Dick Morley , considerato il "padre" del PLC. Il marchio Modicon è stato venduto nel 1977 a Gould Electronics e successivamente a Schneider Electric , l'attuale proprietario. Più o meno nello stesso periodo, Modicon ha creato Modbus , un protocollo di comunicazione dati utilizzato con i suoi PLC. Da allora Modbus è diventato un protocollo aperto standard comunemente utilizzato per collegare molti dispositivi elettrici industriali.
Uno dei primi modelli 084 costruiti è ora in mostra presso lo stabilimento di Schneider Electric a North Andover, nel Massachusetts . È stato presentato a Modicon da GM , quando l'unità è stata ritirata dopo quasi vent'anni di servizio ininterrotto. Modicon ha utilizzato il moniker 84 alla fine della sua gamma di prodotti fino alla comparsa del 984.
Allen Bradley
In uno sviluppo parallelo, Odo Josef Struger è anche conosciuto come il "padre del controllore logico programmabile". È stato coinvolto nell'invenzione del controllore logico programmabile Allen-Bradley ed è accreditato per aver inventato l'inizializzazione del PLC. Allen-Bradley (ora un marchio di proprietà di Rockwell Automation ) è diventato un importante produttore di PLC negli Stati Uniti durante il suo mandato. Struger ha svolto un ruolo di leadership nello sviluppo degli standard del linguaggio di programmazione PLC IEC 61131-3 .
Primi metodi di programmazione
Molti dei primi PLC non erano in grado di rappresentare graficamente la logica, e quindi era invece rappresentata come una serie di espressioni logiche in una sorta di formato booleano, simile all'algebra booleana . Con l'evoluzione dei terminali di programmazione, è diventato più comune utilizzare la logica ladder, poiché era un formato familiare utilizzato per i pannelli di controllo elettromeccanici. Esistono formati più recenti, come la logica di stato e il blocco funzione (che è simile al modo in cui viene rappresentata la logica quando si utilizzano circuiti logici integrati digitali), ma non sono ancora così popolari come la logica ladder. Una ragione principale per questo è che i PLC risolvono la logica in una sequenza prevedibile e ripetitiva e la logica ladder consente alla persona che scrive la logica di vedere eventuali problemi con i tempi della sequenza logica più facilmente di quanto sarebbe possibile in altri formati.
Fino alla metà degli anni '90, i PLC venivano programmati utilizzando pannelli di programmazione proprietari o terminali di programmazione speciali , che spesso avevano tasti funzione dedicati che rappresentavano i vari elementi logici dei programmi PLC. Alcuni terminali di programmazione proprietari visualizzavano gli elementi dei programmi PLC come simboli grafici, ma erano comuni le semplici rappresentazioni di caratteri ASCII di contatti, bobine e fili. I programmi sono stati memorizzati su cartucce a nastro . Le strutture per la stampa e la documentazione erano minime a causa della mancanza di capacità di memoria. I PLC più vecchi utilizzavano la memoria a nucleo magnetico non volatile .
Architettura
Un PLC è un controller industriale basato su microprocessore con memoria programmabile utilizzata per memorizzare istruzioni di programma e varie funzioni. Esso consiste in:
- un'unità processore (CPU) che interpreta gli ingressi, esegue il programma di controllo memorizzato e invia segnali di uscita,
- un alimentatore che converte la tensione CA in CC,
- un'unità di memoria che memorizza i dati dagli ingressi e il programma che deve essere eseguito dal processore,
- un'interfaccia di input e output, dove il controller riceve e invia dati da/a dispositivi esterni,
- un'interfaccia di comunicazione per ricevere e trasmettere dati su reti di comunicazione da/a PLC remoti.
I PLC richiedono un dispositivo di programmazione che viene utilizzato per sviluppare e successivamente scaricare il programma creato nella memoria del controller.
I PLC moderni generalmente contengono un sistema operativo in tempo reale , come OS-9 o VxWorks .
Disegno meccanico
Esistono due tipi di progettazione meccanica per i sistemi PLC. Una singola scatola , o un mattone è un piccolo controllore programmabile che inserisce tutte le unità e le interfacce in un involucro compatto, sebbene, in genere, siano disponibili moduli di espansione aggiuntivi per ingressi e uscite. Il secondo tipo di design - un PLC modulare - ha uno chassis (chiamato anche rack ) che offre spazio per moduli con funzioni diverse, come alimentazione, processore, selezione di moduli I/O e interfacce di comunicazione, che possono essere personalizzati per il particolare applicazione. Diversi rack possono essere amministrati da un singolo processore e possono avere migliaia di ingressi e uscite. Viene utilizzato uno speciale collegamento I/O seriale ad alta velocità o un metodo di comunicazione comparabile in modo che i rack possano essere distribuiti lontano dal processore, riducendo i costi di cablaggio per impianti di grandi dimensioni. Sono inoltre disponibili opzioni per montare i punti I/O direttamente sulla macchina e utilizzare cavi a scollegamento rapido per sensori e valvole, risparmiando tempo per il cablaggio e la sostituzione dei componenti.
Segnali discreti e analogici
I segnali discreti (digitali) possono assumere solo il valore di attivazione o disattivazione (1 o 0, vero o falso ). Esempi di dispositivi che forniscono un segnale discreto includono finecorsa , sensori fotoelettrici ed encoder . Segnali discreti sono inviati utilizzando tensione o corrente , in cui intervalli estremi specifici sono designate o n e o ff . Ad esempio, un controllore potrebbe utilizzare ingresso 24 V CC con valori superiori a 22 V DC rappresentano o n , valori inferiori a 2 V DC rappresenta o ff , ei valori intermedi indefiniti.
I segnali analogici possono utilizzare una tensione o una corrente proporzionale alla dimensione della variabile monitorata e possono assumere qualsiasi valore all'interno della loro scala. Pressione, temperatura, flusso e peso sono spesso rappresentati da segnali analogici. Questi sono generalmente interpretati come valori interi con vari intervalli di precisione a seconda del dispositivo e del numero di bit disponibili per memorizzare i dati. Ad esempio, un ingresso analogico del loop di corrente da 0 a 10 V o 4-20 mA verrebbe convertito in un valore intero compreso tra 0 e 32.767. Il PLC prenderà questo valore e lo trasporrà nelle unità desiderate del processo in modo che l'operatore o il programma possa leggerlo. Una corretta integrazione includerà anche i tempi di filtro per ridurre il rumore, nonché i limiti alto e basso per segnalare i guasti. Gli ingressi di corrente sono meno sensibili ai disturbi elettrici (ad es. provenienti da saldatrici o avviamenti di motori elettrici) rispetto agli ingressi di tensione. Anche la distanza dal dispositivo e dal controller è un problema poiché la distanza massima di percorrenza di un segnale 0-10 V di buona qualità è molto breve rispetto al segnale 4-20 mA. Il segnale 4-20 mA può anche segnalare se il filo è scollegato lungo il percorso poiché un segnale <4 mA indicherebbe un errore.
Ridondanza
Alcuni processi speciali devono funzionare in modo permanente con tempi di inattività indesiderati minimi. Pertanto, è necessario progettare un sistema che sia tollerante agli errori e in grado di gestire il processo con moduli difettosi. In tali casi, per aumentare la disponibilità del sistema in caso di guasto dei componenti hardware, è possibile aggiungere alla configurazione hardware moduli CPU o I/O ridondanti con la stessa funzionalità per prevenire l'arresto totale o parziale del processo dovuto a guasto hardware. Altri scenari di ridondanza potrebbero essere correlati a processi critici per la sicurezza, ad esempio, le grandi presse idrauliche potrebbero richiedere che entrambi i PLC attivino un'uscita prima che la pressa possa scendere nel caso in cui un'uscita non si disattivi correttamente.
Programmazione
I controllori a logica programmabile sono destinati ad essere utilizzati da ingegneri senza un background di programmazione. Per questo motivo è stato inizialmente sviluppato un linguaggio di programmazione grafico chiamato Ladder Diagram (LD, LAD). Assomiglia al diagramma schematico di un sistema costruito con relè elettromeccanici ed è stato adottato da molti produttori e successivamente standardizzato nello standard di programmazione dei sistemi di controllo IEC 61131-3 . A partire dal 2015, è ancora ampiamente utilizzato, grazie alla sua semplicità.
A partire dal 2015, la maggior parte dei sistemi PLC aderisce allo standard IEC 61131-3 che definisce 2 linguaggi di programmazione testuale: Structured Text (ST; simile a Pascal ) e Instruction List (IL); oltre a 3 linguaggi grafici: diagramma ladder , diagramma a blocchi funzione (FBD) e diagramma funzionale sequenziale (SFC). Instruction List (IL) è stato deprecato nella terza edizione dello standard.
I moderni PLC possono essere programmati in vari modi, dalla logica ladder derivata da relè ai linguaggi di programmazione come i dialetti appositamente adattati di BASIC e C .
Sebbene i concetti fondamentali della programmazione PLC siano comuni a tutti i produttori, le differenze nell'indirizzamento I/O, nell'organizzazione della memoria e nei set di istruzioni indicano che i programmi PLC non sono mai perfettamente intercambiabili tra produttori diversi. Anche all'interno della stessa linea di prodotti di un singolo produttore, modelli diversi potrebbero non essere direttamente compatibili.
Dispositivo di programmazione
I programmi PLC sono generalmente scritti in un dispositivo di programmazione, che può assumere la forma di una console desktop, un software speciale su un personal computer o un dispositivo di programmazione portatile. Quindi, il programma viene scaricato nel PLC direttamente o in rete. È memorizzato nella memoria flash non volatile o nella RAM con batteria tampone . In alcuni controllori programmabili, il programma viene trasferito da un personal computer al PLC tramite una scheda di programmazione che scrive il programma in un chip rimovibile, come EPROM .
I produttori sviluppano software di programmazione per i loro controller. Oltre a essere in grado di programmare i PLC in più lingue, forniscono funzionalità comuni come la diagnostica e la manutenzione dell'hardware, il debug del software e la simulazione offline.
Un programma scritto su un personal computer o caricato da PLC utilizzando un software di programmazione può essere facilmente copiato e salvato su una memoria esterna.
Simulazione
La simulazione PLC è una caratteristica che si trova spesso nei software di programmazione PLC. Consente il test e il debug nelle prime fasi dello sviluppo del progetto.
PLC programmati in modo errato possono causare perdita di produttività e condizioni pericolose. Testare il progetto in simulazione migliora la sua qualità, aumenta il livello di sicurezza associato alle apparecchiature e può far risparmiare costosi tempi di fermo durante l'installazione e la messa in servizio delle applicazioni di controllo automatizzato poiché molti scenari possono essere provati e testati prima che il sistema venga attivato.
Funzionalità
La differenza principale rispetto alla maggior parte degli altri dispositivi di elaborazione è che i PLC sono destinati e quindi tollerano condizioni più severe (come polvere, umidità, calore, freddo), offrendo allo stesso tempo un ampio ingresso/uscita (I/O) per collegare il PLC a sensori e attuatori . L'input del PLC può includere semplici elementi digitali come interruttori di fine corsa , variabili analogiche da sensori di processo (come temperatura e pressione) e dati più complessi come quelli provenienti da sistemi di posizionamento o di visione artificiale. L'uscita PLC può includere elementi come spie luminose, sirene, motori elettrici , cilindri pneumatici o idraulici , relè magnetici , solenoidi o uscite analogiche . Le disposizioni di ingresso/uscita possono essere integrate in un semplice PLC, oppure il PLC può avere moduli I/O esterni collegati a un bus di campo oa una rete di computer che si collega al PLC.
La funzionalità del PLC si è evoluta nel corso degli anni per includere il controllo sequenziale del relè, il controllo del movimento, il controllo del processo , i sistemi di controllo distribuiti e il networking . La gestione dei dati, l'archiviazione, la potenza di elaborazione e le capacità di comunicazione di alcuni moderni PLC sono approssimativamente equivalenti ai computer desktop . La programmazione simile a un PLC combinata con l'hardware di I/O remoto, consente a un computer desktop generico di sovrapporsi ad alcuni PLC in determinate applicazioni. I controller per computer desktop non sono stati generalmente accettati nell'industria pesante perché i computer desktop funzionano su sistemi operativi meno stabili rispetto ai PLC e perché l'hardware del computer desktop non è generalmente progettato con gli stessi livelli di tolleranza a temperatura, umidità, vibrazioni e longevità di i processori utilizzati nei PLC. I sistemi operativi come Windows non si prestano all'esecuzione di logiche deterministiche, con la conseguenza che il controllore potrebbe non rispondere sempre ai cambiamenti di stato degli ingressi con la coerenza temporale attesa dai PLC. Le applicazioni di logica desktop trovano utilizzo in situazioni meno critiche, come l'automazione di laboratorio e l'uso in piccole strutture in cui l'applicazione è meno impegnativa e critica.
Funzioni base
La funzione più basilare di un controllore programmabile è quella di emulare le funzioni dei relè elettromeccanici. Agli ingressi discreti viene assegnato un indirizzo univoco e un'istruzione PLC può verificare se lo stato dell'ingresso è attivato o disattivato. Proprio come una serie di contatti di relè esegue una funzione AND logica, non consentendo il passaggio di corrente a meno che tutti i contatti non siano chiusi, così una serie di istruzioni "esamina se attivato" attiverà il suo bit di memoria di uscita se tutti i bit di ingresso sono attivi. Allo stesso modo, un insieme parallelo di istruzioni eseguirà un OR logico. In uno schema di cablaggio di un relè elettromeccanico, un gruppo di contatti che controlla una bobina è chiamato "rung" di uno "schema ladder", e questo concetto è anche usato per descrivere la logica del PLC. Alcuni modelli di PLC limitano il numero di istruzioni in serie e in parallelo in un "ramo" di logica. L'uscita di ogni ramo imposta o cancella un bit di memorizzazione, che può essere associato a un indirizzo di uscita fisico o che può essere una "bobina interna" senza connessione fisica. Tali bobine interne possono essere utilizzate, ad esempio, come elemento comune in più pioli separati. A differenza dei relè fisici, di solito non c'è limite al numero di volte in cui è possibile fare riferimento a un ingresso, un'uscita o una bobina interna in un programma PLC.
Alcuni PLC applicano un rigoroso ordine di esecuzione da sinistra a destra e dall'alto verso il basso per valutare la logica del ramo. Questo è diverso dai contatti dei relè elettromeccanici, che, in un circuito sufficientemente complesso, possono passare la corrente da sinistra a destra o da destra a sinistra, a seconda della configurazione dei contatti circostanti. L'eliminazione di questi "percorsi furtivi" è un bug o una caratteristica, a seconda dello stile di programmazione.
Le istruzioni più avanzate del PLC possono essere implementate come blocchi funzionali, che eseguono alcune operazioni quando abilitate da un ingresso logico e che producono uscite per segnalare, ad esempio, completamento o errori, mentre manipolano internamente variabili che potrebbero non corrispondere a logica discreta.
Comunicazione
I PLC utilizzano porte integrate, come USB , Ethernet , RS-232 , RS-485 o RS-422 per comunicare con dispositivi esterni (sensori, attuatori) e sistemi (software di programmazione, SCADA , HMI ). La comunicazione avviene tramite vari protocolli di rete industriale, come Modbus o EtherNet/IP . Molti di questi protocolli sono specifici del fornitore.
I PLC utilizzati nei sistemi I/O più grandi possono avere una comunicazione peer-to-peer (P2P) tra i processori. Ciò consente a parti separate di un processo complesso di avere un controllo individuale, consentendo al contempo ai sottosistemi di coordinarsi sul collegamento di comunicazione. Questi collegamenti di comunicazione sono spesso utilizzati anche per dispositivi HMI come tastiere o workstation di tipo PC .
In precedenza, alcuni produttori offrivano moduli di comunicazione dedicati come funzione aggiuntiva in cui il processore non aveva una connessione di rete integrata.
Interfaccia utente
I PLC potrebbero dover interagire con le persone allo scopo di configurazione, segnalazione di allarmi o controllo quotidiano. A tale scopo viene utilizzata un'interfaccia uomo-macchina (HMI). Gli HMI sono anche denominati interfacce uomo-macchina (MMI) e interfacce grafiche utente (GUI). Un sistema semplice può utilizzare pulsanti e luci per interagire con l'utente. Sono disponibili display di testo e touch screen grafici. I sistemi più complessi utilizzano software di programmazione e monitoraggio installati su un computer, con il PLC collegato tramite un'interfaccia di comunicazione.
Processo di un ciclo di scansione
Un PLC lavora in un ciclo di scansione del programma, dove esegue ripetutamente il suo programma. Il ciclo di scansione più semplice consiste in 3 fasi:
- leggere gli ingressi,
- eseguire il programma,
- scrivere output.
Il programma segue la sequenza delle istruzioni. In genere, il processore impiega un intervallo di tempo di decine di millisecondi per valutare tutte le istruzioni e aggiornare lo stato di tutte le uscite. Se il sistema contiene I/O remoto, ad esempio un rack esterno con moduli I/O, ciò introduce ulteriore incertezza nel tempo di risposta del sistema PLC.
Man mano che i PLC diventavano più avanzati, sono stati sviluppati metodi per modificare la sequenza di esecuzione ladder e sono state implementate le subroutine. Questa programmazione avanzata potrebbe essere utilizzata per risparmiare tempo di scansione per processi ad alta velocità; ad esempio, parti del programma utilizzate solo per l'impostazione della macchina potrebbero essere separate da quelle parti necessarie per funzionare a velocità più elevate. I PLC più recenti ora hanno la possibilità di eseguire il programma di logica in modo sincrono con la scansione IO. Ciò significa che l'IO viene aggiornato in background e la logica legge e scrive i valori come richiesto durante la scansione della logica.
È possibile utilizzare moduli I/O speciali quando il tempo di scansione del PLC è troppo lungo per consentire prestazioni prevedibili. I moduli di temporizzazione di precisione, o moduli contatore da utilizzare con encoder ad albero , vengono utilizzati quando il tempo di scansione sarebbe troppo lungo per contare in modo affidabile gli impulsi o rilevare il senso di rotazione di un encoder. Ciò consente anche a un PLC relativamente lento di interpretare ancora i valori contati per controllare una macchina, poiché l'accumulo di impulsi viene effettuato da un modulo dedicato che non è influenzato dalla velocità di esecuzione del programma.
Sicurezza
Nel suo libro del 1998, EA Parr ha sottolineato che anche se la maggior parte dei controllori programmabili richiede chiavi fisiche e password, la mancanza di rigorosi sistemi di controllo degli accessi e di controllo delle versioni, nonché un linguaggio di programmazione di facile comprensione, rendono probabile che modifiche non autorizzate ai programmi accadrà e rimarrà inosservato.
Prima della scoperta del worm Stuxnet nel giugno 2010, la sicurezza dei PLC riceveva poca attenzione. I moderni controller programmabili generalmente contengono un sistema operativo in tempo reale, che può essere vulnerabile agli exploit in modo simile ai sistemi operativi desktop, come Microsoft Windows . I PLC possono anche essere attaccati ottenendo il controllo di un computer con cui comunicano. Dal 2011, queste preoccupazioni sono cresciute poiché il networking sta diventando più comune nell'ambiente PLC che collega le reti dell'impianto e le reti degli uffici precedentemente separate.
Nel febbraio 2021, Rockwell Automation ha divulgato pubblicamente una vulnerabilità critica che interessava la sua famiglia di controllori Logix. La chiave crittografica segreta utilizzata per verificare la comunicazione tra il PLC e la workstation può essere estratta dal software di programmazione Studio 5000 Logix Designer e utilizzata per modificare in remoto il codice del programma e la configurazione del controllore collegato. Alla vulnerabilità è stato assegnato un punteggio di gravità di 10 su 10 sulla scala di vulnerabilità CVSS . Al momento in cui scriviamo, la mitigazione della vulnerabilità consisteva nel limitare l'accesso alla rete ai dispositivi interessati .
PLC di sicurezza
Negli ultimi anni i PLC di "sicurezza" sono diventati popolari, sia come modelli standalone che come funzionalità e hardware di sicurezza aggiunti alle architetture di controllori esistenti ( Allen-Bradley Guardlogix, Siemens F-series ecc.). Questi differiscono dai tipi di PLC convenzionali poiché sono adatti per applicazioni critiche per la sicurezza per le quali i PLC sono stati tradizionalmente integrati con relè di sicurezza cablati e aree della memoria dedicate alle istruzioni di sicurezza. Lo standard del livello di sicurezza è il SIL . Ad esempio, un PLC di sicurezza potrebbe essere utilizzato per controllare l'accesso a una cella robotizzata con accesso a chiave bloccata o forse per gestire la risposta di spegnimento a un arresto di emergenza su una linea di produzione di nastri trasportatori. Tali PLC hanno in genere un set di istruzioni regolari limitato, ampliato con istruzioni specifiche per la sicurezza progettate per interfacciarsi con arresti di emergenza, schermi luminosi e così via. La flessibilità offerta da tali sistemi ha portato a una rapida crescita della domanda di questi controller.
PLC rispetto ad altri sistemi di controllo
I PLC sono ben adattati a una serie di compiti di automazione . Si tratta in genere di processi industriali nella produzione in cui il costo di sviluppo e manutenzione del sistema di automazione è elevato rispetto al costo totale dell'automazione e in cui sono attese modifiche al sistema durante la sua vita operativa. I PLC contengono dispositivi di input e output compatibili con dispositivi e controlli pilota industriali; è richiesta una piccola progettazione elettrica e il problema di progettazione è incentrato sull'espressione della sequenza di operazioni desiderata. Le applicazioni PLC sono in genere sistemi altamente personalizzati, quindi il costo di un PLC confezionato è basso rispetto al costo di uno specifico progetto di controller personalizzato. Nel caso di prodotti di serie, invece, i sistemi di controllo personalizzati sono economici. Ciò è dovuto al minor costo dei componenti, che possono essere scelti in modo ottimale al posto di una soluzione "generica", e dove gli oneri di ingegneria non ricorrenti sono ripartiti su migliaia o milioni di unità.
I controllori programmabili sono ampiamente utilizzati nel movimento, nel posizionamento o nel controllo della coppia. Alcuni produttori producono unità di controllo del movimento da integrare con PLC in modo che il codice G (che coinvolge una macchina CNC ) possa essere utilizzato per istruire i movimenti della macchina.
Chip PLC / Controller integrato
Per piccole macchine con volume basso o medio. PLC in grado di eseguire linguaggi PLC come Ladder, Flow-Chart/Grafcet,... Simile ai PLC tradizionali, ma le loro dimensioni ridotte consentono agli sviluppatori di progettarli in circuiti stampati personalizzati come un microcontrollore, senza conoscenze di programmazione del computer, ma con un linguaggio facile da usare, modificare e mantenere. Si colloca tra i classici PLC/Micro-PLC e i Microcontrollori.
Timer cam
Per compiti di automazione fissi ad alto volume o molto semplici, vengono utilizzate diverse tecniche. Ad esempio, una lavastoviglie consumer a buon mercato sarebbe controllata da un timer a camma elettromeccanico che costa solo pochi dollari in quantità di produzione.
Microcontrollori
Un progetto basato su microcontrollore sarebbe appropriato dove verranno prodotte centinaia o migliaia di unità e quindi il costo di sviluppo (progettazione di alimentatori, hardware di input/output e test e certificazioni necessari) può essere distribuito su molte vendite e dove la fine -user non avrebbe bisogno di modificare il controllo. Le applicazioni automobilistiche sono un esempio; milioni di unità vengono costruite ogni anno e pochissimi utenti finali modificano la programmazione di questi controller. Tuttavia, alcuni veicoli speciali come gli autobus di transito utilizzano economicamente PLC invece di controlli progettati su misura, poiché i volumi sono bassi e il costo di sviluppo sarebbe antieconomico.
Computer a scheda singola
Il controllo di processo molto complesso, come quello utilizzato nell'industria chimica, può richiedere algoritmi e prestazioni superiori alle capacità anche di PLC ad alte prestazioni. Anche i controlli ad altissima velocità o precisione possono richiedere soluzioni personalizzate; per esempio, i controlli di volo degli aerei. I computer a scheda singola che utilizzano hardware semi-personalizzato o completamente proprietario possono essere scelti per applicazioni di controllo molto esigenti in cui possono essere supportati gli elevati costi di sviluppo e manutenzione. I "Soft PLC" in esecuzione su computer di tipo desktop possono interfacciarsi con l'hardware di I/O industriale durante l'esecuzione di programmi all'interno di una versione di sistemi operativi commerciali adattati alle esigenze di controllo dei processi.
La crescente popolarità dei computer a scheda singola ha avuto un'influenza anche sullo sviluppo dei PLC. I PLC tradizionali sono generalmente piattaforme chiuse , ma alcuni PLC più recenti (ad esempio ctrlX di Bosch Rexroth , PFC200 di Wago , PLCnext di Phoenix Contact e Revolution Pi di Kunbus) forniscono le funzionalità dei PLC tradizionali su una piattaforma aperta .
Controllori PID
I PLC possono includere la logica per il circuito di controllo analogico con retroazione a variabile singola, un controller PID . Un circuito PID potrebbe essere utilizzato per controllare la temperatura di un processo produttivo, ad esempio. Storicamente i PLC erano solitamente configurati con solo pochi loop di controllo analogici; laddove i processi richiedessero centinaia o migliaia di loop, verrebbe invece utilizzato un sistema di controllo distribuito (DCS). Poiché i PLC sono diventati più potenti, il confine tra le applicazioni DCS e PLC è stato offuscato.
Relè logici programmabili (PLR)
Negli anni più recenti, i piccoli prodotti chiamati relè logici programmabili (PLR) o relè intelligenti sono diventati più comuni e accettati. Questi sono simili ai PLC e sono utilizzati nell'industria leggera dove sono necessari solo pochi punti di I/O e si desidera un basso costo. Questi piccoli dispositivi sono generalmente realizzati in una dimensione e forma fisica comuni da diversi produttori e marchiati dai produttori di PLC più grandi per completare la loro gamma di prodotti di fascia bassa. La maggior parte di questi ha da 8 a 12 ingressi discreti, da 4 a 8 uscite discrete e fino a 2 ingressi analogici. La maggior parte di questi dispositivi include un minuscolo schermo LCD delle dimensioni di un francobollo per visualizzare la logica ladder semplificata (solo una parte molto piccola del programma è visibile in un dato momento) e lo stato dei punti I/O, e in genere questi schermi sono accompagnati da un Pulsante a bilanciere a 4 vie più altri quattro pulsanti separati, simili ai pulsanti chiave su un telecomando del videoregistratore e utilizzati per navigare e modificare la logica. La maggior parte ha una piccola presa per il collegamento tramite RS-232 o RS-485 a un personal computer in modo che i programmatori possano utilizzare semplici applicazioni in sistemi operativi generici come MS Windows, macOS o Linux , che hanno interfacce utente (G) user friendly, per la programmazione invece di essere costretti a utilizzare il minuscolo display LCD e il set di pulsanti per questo scopo. A differenza dei normali PLC che sono solitamente modulari e notevolmente espandibili, i PLR di solito non sono modulari o espandibili, ma il loro prezzo può essere di due ordini di grandezza inferiore a un PLC e offrono comunque un design robusto e un'esecuzione deterministica delle logiche.
Una variante dei PLC, utilizzata in località remote è l' unità terminale remota o RTU. Una RTU è tipicamente un PLC rinforzato a bassa potenza la cui funzione chiave è gestire i collegamenti di comunicazione tra il sito e il sistema di controllo centrale (tipicamente SCADA ) o in alcuni sistemi moderni, "The Cloud". A differenza dell'automazione di fabbrica che utilizza Ethernet ad alta velocità , i collegamenti di comunicazione a siti remoti sono spesso basati su radio e sono meno affidabili. Per tenere conto della ridotta affidabilità, RTU eseguirà il buffer dei messaggi o passerà a percorsi di comunicazione alternativi. Durante il buffering dei messaggi, la RTU registra ogni messaggio in modo da poter ricostruire una cronologia completa degli eventi del sito. Le RTU, essendo PLC, hanno un'ampia gamma di I/O e sono completamente programmabili, tipicamente con linguaggi dello standard IEC 61131-3 che è comune a molti PLC, RTU e DCS. Nelle località remote, è comune utilizzare una RTU come gateway per un PLC, in cui il PLC esegue tutto il controllo del sito e la RTU gestisce le comunicazioni, gli eventi di timestamp e il monitoraggio delle apparecchiature ausiliarie. Nei siti con solo una manciata di I/O, la RTU può anche essere il PLC del sito e svolgerà sia le comunicazioni che le funzioni di controllo.
Guarda anche
Riferimenti
Bibliografia
- Bolton, William (2015). Controllori a logica programmabile (6a, ed. rivista). Novità. ISBN 9780081003534 – tramite Google Libri.
- Parr, EA (1998). "Computer e controllo industriale". Manuale di controllo industriale . Industrial Press Inc. ISBN 0-8311-3085-7 – tramite Google Libri.
- Laughton, MA; Warne, DF (2002). Libro di riferimento dell'ingegnere elettrico (16a ed.). Novità. ISBN 9780750646376 – tramite Google Libri.
Ulteriori letture
- Daniel Kandray, Tecnologie di automazione programmabile , Industrial Press, 2010 ISBN 978-0-8311-3346-7 , Capitolo 8 Introduzione ai controllori a logica programmabile
- Walker, Mark John (2012-09-08). Il Controllore a Logica Programmabile: la sua preistoria, nascita e applicazione (PDF) (tesi di dottorato). Dipartimento di Comunicazione e Sistemi Facoltà di Matematica, Informatica e Tecnologia: The Open University . Archiviato (PDF) dall'originale il 20/06/2018 . Estratto il 20/06/2018 .