Tutto sui PLC (parte 1)

11 02 2008

Definizione NEMA: è un’apparecchiatura elettronica digitale, fornita di memoria interna per contenere i dati ed i programmi, che è in grado di eseguire sequenzialmente le istruzioni contenute in questi programmi in modo da controllare il funzionamento di vari tipi di processi produttivi per mezzo di sistemi di Input e di Output sia analogici che digitali.

 

I dispositivi attraverso i quali l’automazione industriale si concretizza sono: Computers di varie tipologie, controllori a logica programmabile (PLC), unità e sistemi robotizzati, macchine a controllo numerico (CN), unità intelligenti finalizzate (acquisitori, sottosistemi di regolazione, acquisitori, ecc.).

L’automazione della fabbrica può essere affrontata a due diversi livelli: automazione a passi successivi e con dispositivi poco integrabili in assenza di una vera e propria strategia operativa; definire una vera e propria strategia operativa che si basa su una altrettanto precisa architettura del sistema di controllo partendo dalle lavorazioni di base per arrivare alla sfera decisionale di fabbrica. Volendo realizzare un’automazione industriale corrispondente al secondo livello ci si può riferire alla cosiddetta “Piramide di Produttività”. I singoli livelli possono essere così sommariamente definiti: livello macchine e processi (livello operativo nel quale le macchine utensili lavorano, nessuna decisione è presa a tale livello), livello stazione (ha il compito di muovere e manipolare e vi risiedono PLC, computer, CN che sulla base di certi ingressi e di un determinato programma, impongono i funzionamenti alle macchine utensili), livello cellula (vi è un controllore che coordina le varie stazioni e fa si che l’operatore può intervenire sul processo al fine di ottenere la massima produttività della macchina), livello centro (dove si svolge la pianificazione e gestione di un’intera area di lavorazione), livello di stabilimento (dove si definiscono le strategie dell’intero stabilimento).

La necessità di utilizzare più processori operanti a livelli diversi nella realizzazione di un sistema di controllo diverso dipende dai seguenti fattori: un solo processore non permette la gestione di un sistema complesso a causa dei tempi di risposta; PLC e computer permettono vantaggiosamente lo svolgimento di operazioni diverse a diversi livelli. L’affidabilità dell’impianto risulta migliorata da una discretizzazione del controllo.

L’architettura su cui si basa un tipico processo di automazione industriale può essere così concepita: un terminale in campo, provvisto di sensori, con caratteristiche di programmabilità, tastiera industriale porta seriale tipo RS232 o analoga, scheda I / O con memoria RAM in tampone, un sistema di supervisione.

All’interno del processo automatico può assumere un ruolo importante un altro dispositivo detto controllore programmabile multifunzionale (PMC). Questa unità consente lo svolgimento di diverse funzioni tra quali: esecuzioni e controllo di sequenze digitali, elaborazione in linea di modelli matematici, supervisione di un intero sottosistema ed è dotato di un microprocessore a 16 bit e di un coprocessore matematico.

I linguaggi di programmazione per PLC e PMC sono: linguaggio a contatti a relè (LADDER), linguaggi con schemi a blocchi, linguaggi ad alto livello (FORTRAN, C, PASCAL, BASIC, ASSEMBLER).

Il PLC figura molto spesso nell’ambito dell’automazione industriale in stretta integrazione con il controllo numerico (CN) e con la macchina utensile. In questa logica permette al CN di acquistare una maggiore potenzialità derivante da una più efficace e dettagliata logica di macchina, dalla gestione di più utensili, e dalla messa in opera di funzioni speciali incluse quelle orientate alla ricerca ed alla valutazione dei guasti. Nello svolgere tali funzioni, il PLC è spesso collegato con una struttura informativa a livello superiore (per es. un PC), con la quale colloquia tramite specifici pacchetti software applicativi.

 

 

ELEMENTI FONDAMENTALI DI UN PROCESSO

Per ogni tipo di processo o di controllo gli elementi fondamentali sono:

Comandi: sono organi che consentono all’operatore di interagire con il processo (esempio: pulsanti, interruttori, ecc.);

Unità di governo: è l’unità centrale del processo riceve le informazioni in ingresso le elabora ed attiva le uscite nei sistemi a logica cablata sono relè, temporizzatori, ecc., in quelli a logica programmabile si utilizza il PLC;

Unità di potenza: fornisce l’energia necessaria ai segnali provenienti dall’unità di governo per azionare gli attuatori;

Attuatori: elementi finali di tutto il controllo (nel nostro caso sono sempre motori);

Sensori: elementi che rilevano una determinata condizione di funzionamento e spediscono informazioni all’unità di governo possono essere finecorsa, fotocellule, ecc..

 

STRUTTURA DEL PLC

Rispetto alla logica cablata, il PLC dispone di una maggiore flessibilità e affidabilità e dell’assenza di problemi connessi al cablaggio ed alla manutenzione.

Il PLC, come il PC si può dividere in hardware e software.

Le tre parti fondamentali da cui è formato l’hardware del PLC sono: unità centrale, sezione di ingresso (input), sezione di uscita (output).

A queste parti, si deve aggiungere l’unità di programmazione che è parte integrante del PLC ma che può essere sostituito dal PC provvisto di uno specifico programma.

Per la scelta del PLC ci si riferisce ai seguenti parametri caratteristici del sistema di controllo: I / O, capacità di memoria, programmazione, periferiche o opzioni necessarie.

L’attributo I / O si dimensiona sulla base dei seguenti elementi: tipo, locazione, numero. Se il PLC a cui ci riferiamo ha I / O di tipo modulare si stabilisce il numero di I / O necessari. Per ottenere ciò, per ciascuna locazione, si sommano i vari ingressi per ogni tipo ripetendo poi l’operazione per le uscite. Infine si dividono i totali così ottenuti per il numero di punti di ingresso o di uscita caratteristici dei vari moduli arrotondando il risultato al numero intero superiore.

Il numero di ingressi e di uscite caratterizza anche la taglia dei PLC precisamente se il controllore ha fino a 128 I / O si classificano come piccoli, da 128 a 512 medi, oltre 512 grandi.

Oltre questi esistono anche i micro PLC in grado di gestire fino a 64 I / O.

La struttura hardware si divide in due diverse tipologie: compatti e modulari.

Il PLC è compatto se l’unità base, la sezione di input e quella di output sono assemblate in un’unica configurazione di caratteristiche ben definite e che non può essere modificata, anche se è possibile espandere il sistema con moduli aggiuntivi, ma sempre in una configurazione I / O ridotta.

Il PLC compatto si presenta come un blocco in cui sono presenti le due sezioni ingresso e uscita, complete di morsetti per il collegamento dei sensori e degli utilizzatori e di diodi led che permettono la visualizzazione degli stati dei segnali. Altri led indicano POWER = controllore alimentato, RUN = elaborazione del programma, ERROR = anomalia di funzionamento del PLC. Sono presenti i morsetti per il collegamento alla rete ed il connettore per il collegamento all’unità di programmazione.

Si ha il PLC modulare quando le sezioni di ingresso e di uscita sono blocchi separati dall’unità base. I blocchi di ingresso / uscita prendono il nome di espansioni. È possibile, in ogni momento, modificare la configurazione iniziale, aggiungendo o eliminando delle espansioni a seconda della necessità. Il collegamento elettrico fra le sezioni I / O e l’unità centrale è garantito da un bus, cui si collegano le espansioni. Anche in questo caso esiste un limite alla configurazione I / O che non può essere superato dipendente dall’unità centrale del PLC e variabile da casa a casa, questo limite deve essere scritto sul manuale allegato al PLC.

 

 

 

 

 

Unità CENTRALE

L’unità centrale si divide in CPU (Central Processing Unit), memoria ROM, memoria programma utente, blocchi funzionali.

Il processore è la parte più importante del PLC e coordina tutte le attività della macchina. Preleva le informazioni del Sistema Operativo, esegue il programma, rinfresca i segnali I / O comunica con i dispositivi esterni. La sua caratteristica principale è la velocità di elaborazione e si esprime in millisecondi per ogni mille istruzioni (ms / k).

ROM (Read Only Memory) memoria a sola lettura programmata dal costruttore e non può più essere modificata. Qui risiede il Sistema Operativo che è formato da istruzioni lette dalla CPU. Questa è una memoria di tipo non volatile: anche in mancanza di tensione non perde il suo contenuto. La ROM non è accessibile dall’utente.

Le memorie programma utente più utilizzate sono: EPROM, EEPROM (E²PROM), RAM con batteria tampone.

EPROM: Erasable (cancellabile) PROM, la cancellazione avviene tramite raggi ultravioletti. Si usano nei casi in cui non si modifica frequentemente il programma e la cancellazione può durare diversi minuti.

EEPROM: Erasable Electrically PROM con tempo richiesto inferiore.

RAM: Rundom Access Memory (memoria ad accesso casuale) qui si possono effettuare rapidamente sia operazioni di lettura che di scrittura. Queste memorie sono di tipo volatile (perdono il loro contenuto in assenza di tensione), per renderle non volatili sono supportate da una batteria tampone che ne preserva il contenuto.

Un dato fondamentale della memoria programma è la sua capacità, che si misura o in Kbyte o in passi – programma (detti steps) o in istruzioni.

Blocchi funzionali: insieme di circuiti integrati che rende possibile attraverso la programmazione, l’utilizzo di tutte quelle funzioni che in logica cablata si ottenevano tramite apparecchiature elettromeccaniche. Si realizzano così: la memorizzazione, la temporizzazione, il conteggio, confronto, l’immagazzinamento di parole (word), collegamenti in serie ed in parallelo, ecc.

Per la capacità di memoria si considerano i seguenti fattori: tipo di memoria (RAM, EPROM, EEPROM),capacità di memoria, rapporto fra spazio di memoria riservato ai dati ed al programma. Nei lavori di sviluppo sarà preferibile usare memoria tipo RAM, in modo da garantire la flessibilità d’uso e facilitare le operazioni di riprogrammazione. Nelle installazioni definitive o comunque in tutti quei casi in cui figurino rare necessità di modifica sarà consigliabile la memoria EPROM, che consente una maggior sicurezza nel mantenimento dei dati e non necessita di strutture ed accorgimenti atti a minimizzare la possibile perdita di informazioni in caso di malfunzionamenti od eventi di tipo catastrofico. La stima delle capacità di memoria può essere effettuata in riferimento al numero di I / O. Questo metodo di stima può essere valido per I / O digitali standard, mentre nel caso di moduli analogici, la valutazione dell’impegno della memoria per ogni singolo canale di questo tipo è indicativamente almeno un ordine di grandezza maggiore ma comunque estremamente variabile da un PLC ad un altro. La parte di memoria occupata dai dati è tanto maggiore quanto più complesso è il programma nell’ambito della manipolazione dei dati stessi.

Più un sistema possiede funzioni di programmazione sofisticate più è possibile risparmiare memoria e, nello stesso tempo rendere più agevole, sia la gestione che la programmazione stessa del sistema, anche se a volte ciò può essere in contrasto con il costo del sistema.

 

SEZIONE DI INGRESSO

Le porte I / O permettono il collegamento con i trasduttori e gli attuatori; data la modularità di molti PLC, queste porte sono rappresentate da dei moduli ciascuno dei quali contiene un determinato numero di punti di collegamento raggruppati in una morsettiera; in corrispondenza di ogni morsetto è posto in genere un LED che ne identifica il suo stato (ON – OFF). I vari moduli affluiscono in genere ad un RACK di espansione che permette di ampliare le potenzialità del dispositivo rispetto ad una sua struttura minima di base. Questi moduli possono essere di tipo logico, numerico o analogico.

Ad ogni morsetto di ingresso della morsettiera che fa capo ai moduli di ingresso e uscita è associata una cella di memoria in cui verrà immagazzinato, in forma binaria, lo stato logico del dispositivo in ingresso collegato a quel morsetto (allocazione statica). Lo stato attuale delle uscite verrà memorizzato in altre celle di memoria.

Dal momento che la CPU è normalmente alimentata a 5 V cc mentre i sensori inviano segnali non inferiori a 24 V cc al fine di minimizzare l’influenza dei disturbi, sono necessarie delle tecniche opportune di adattamento, la più utilizzata sia per gli ingressi che per le uscite fa uso di optoisolatori. La loro potenza di uscita è sufficiente a piccoli azionamenti ma, con l’uso di relè esterni, è possibile comandare anche dispositivi che richiedono grandi potenze. Sezione di ingresso: consente di rendere compatibili i segnali provenienti dall’esterno con la logica della CPU. Il processore riceve i dati dalla memoria segnali dove è riportata la condizione di ogni segnale tramite un circuito adattatore che sarà diverso in relazione alle caratteristiche elettriche del segnale. I segnali da trattare sono di due tipi: digitale ed analogico.

I più comuni moduli di I / O consentono la trasmissione e / o la ricezione di un segnale logico ad una distanza massima di una decina di metri dal “processo” che viene controllato; in caso di collocazione forzata del PLC a distanza maggiore dal sistema, il trasferimento delle informazioni a basso livello (5 o 15 V) non avverrà più con le dovute garanzie di sicurezza, tipicamente richieste in ambito industriale; si renderà quindi necessaria l’utilizzazione di speciali dispositivi capaci di lavorare efficacemente in condizioni decentralizzate, magari attraverso l’uso di trasmissione dei segnali via “modem”.

Le interfaccia di I / O possono essere inoltre di tipo programmabile e, mediante l’uso di multiplexer, possono far convergere verso la CPU i segnali provenienti da più linee esterne,; in funzione di un’opportuna programmazione è anche possibile selezionare una sola linea fra tutte quelle provenienti dal campo e facenti capo ai vari sensori presenti nel sistema controllato.

Le schede di I / O vedono, dal lato interno, il bus di sistema del PLC e, attraverso questo, comunicano con la CPU, mentre, dal lato esterno, si attaccano ai connettori che permettono fisicamente il collegamento dei cavi per il trasferimento dei segnali. L’azione di questi moduli opera anche un adattamento dei segnali in gioco e delle loro caratteristiche.

Per ridurre l’influenza dei disturbi i sensori inviano, in genere, un segale con tensione non inferiore ai 24 V cc in modo da separare il segnale informativo dai disturbi ad esso sovrapposti.

L’adattamento delle caratteristiche dei segnali di ingresso a quello dei segnali tipici della CPU comporta, oltre alle operazioni sul livello di tensione precedentemente analizzate, anche la loro squadratura ed il loro filtraggio da componenti parassite. L’operazione di squadratura è normalmente realizzata mediante un circuito comparatore con isteresi (tipo trigger di Schmitt), eventualmente preceduto, in caso di segnale alternato, da un ponte raddrizzatore. Tale operazione ha il compito, in generale, di trasformare un segnale casualmente variabile in uno calibrato, e cioè variabile a scatto tra due livelli definiti e distinti. La fase successiva di filtraggio, non è altro che l’inserimento di un filtro passa – basso che elimini dal segnale le eventuali componenti in alta frequenza tipiche del rumore di tipo impulsivo.

I moduli numerici hanno struttura analoga a quella esaminata in precedenza ed il cui utilizzo è reso indispensabile quando al PLC viene richiesto di effettuare delle operazioni numeriche sui segnali afferenti dal campo. Una scheda di I / O numerica dovrà disporre di un numero di linee in ingresso ed in uscita pari al numero di bit che costituiscono la parola (word) all’interno del sistema.

Digitale è un segnale che può assumere solo due stati logici contrapposti 1 oppure 0, tutto o niente.

Nei Digital Input sono visibili i morsetti di collegamento per i dispositivi ON / OFF (bit), i led di stato degli stessi che risultano accessi per contatto chiuso o livello logico 1 e spenti per contatto aperto o livello logico 0 (se la logica è del tipo non negata), i numeri che identificano l’indirizzo di riconoscimento di un determinato sensore, il tipo di modulo e la tensione ammessa di alimentazione dei dispositivi. Dato che i sensori possono essere alimentati sia in continua che in alternata sono disponibili moduli (sempre digitali) per entrambi le esigenze. Per realizzare il collegamento elettrico ai sensori bisogna seguire il manuale del PLC (a volte è scritto sul modulo stesso), che definisce le modalità da adottare. Per programmare è fondamentale assegnare ad ogni segnale un determinato indirizzo per la sua elaborazione. A tal fine i moduli hanno i punti di collegamento numerati; la numerazione può essere in base ottale, decimale, o esadecimale. Quando abbiamo più moduli contigui si considera la posizione (slot) che il modulo assume all’interno della configurazione. Consideriamo il caso di tre moduli; possiamo avere due possibilità di codifica.

1)    gli ingressi hanno una numerazione che ha come prefisso la posizione assunta dal modulo. Esempio primo ingresso = posizione (.) numero del bit = 0.0; ultimo ingresso = posizione (.) numero del bit = 2.7.

2)    gli ingressi sono da intendere in numerazione progressiva (es.: primo modulo 0 … 7, secondo modulo 10 … 17, ecc.).

Il segnale analogico è quello che assume tutti i valori compresi in un intervallo (range) prestabilito (per es.: 0 … 10 V, oppure 4 … 20 mA che sono i valori standardizzati). Per ottenere questo tipo di segnali si utilizzano i trasduttori (dispositivi in grado di trasdurre una grandezza fisica in una elettrica ad essa proporzionale). Per trattare questi segnali si utilizzano i moduli di ingresso analogico (Analogic Input). Quando in uscita da un sensore abbiamo un segnale variabile (per esempio tra 0 e 10 V), che fornisce la variazione della grandezza fisica corrispondente (per esempio uno spostamento), possiamo controllare anche i valori intermedi e non solo quelli estremi. Per elaborare questi segnali si utilizzano moduli di espansione di tipo analogico. In questi moduli sono visibili: i morsetti di collegamento per i trasduttori (canali), il tipo di modulo, il numero di canali di cui è dotata l’espansione, il livello massimo di escursione del segnale in ingresso. Ogni canale è provvisto di due morsetti (positivo e negativo), cui andranno a collegarsi i sensori. Il numero di canali è variabile da 1 a 8. Si collega la parte positiva al segnale che deve essere trasdotto e la parte negativa alla terra, ma in ogni caso si devono consultare i manuali operativi per le differenze che possono esserci fra i vari controllori. Vediamo come viene trattato il segnale analogico. Dato che la logica della CPU è quella binaria il modulo analogico è provvisto di un circuito denominato Convertitore Analogico / Digitale (A / D) che trasforma i livelli di tensione in una serie di bit che definiscono il corrispondente valore binario. Consideriamo una memoria a 8 bit (1 byte) e supponiamo che siano tutte a 0 tranne il secondo ed il settimo bit (che sono per forza ad 1) (LSB e MSB). Dato che il valore decimale è dato dalla somma dei pesi dei bit a 1 si ha: valore decimale = 64 + 2 = 66. I bit sono ordinati o in byte (gruppo di 8 bit) o in word (a sedici bit); il byte o la word ha come estremi due bit riconosciuti dalla CPU come più significativo (MSB) e meno significativo (LSB). Se tutti i bit fossero a livello logico 1 avremmo il massimo valore codificabile che è 255. L’A / D trasforma il livello di tensione in una condizione binaria che a 0 V tutti i bit saranno a 0 logico ed a 10 V saranno tutti a 1 (ossia 255 decimale). Da queste due condizioni estreme si ha che: valore decimale = . Questo vuol dire che la precisione del sistema è precisione =  = 0,039 V = 39 mV. Le codifiche maggiormente utilizzate sono a 8, 12 o 16 bit; naturalmente più è grande la memoria maggiore è la risoluzione del sistema e maggiore sarà la precisione della lettura del segnale. Nell’uso dei moduli analogici la lettura degli ingressi non viene fatta su segnali ON / OFF, bensì su aree di memoria più o meno estese a seconda del sistema hardware previsto dalla casa costruttrice. Per conoscere l’indirizzo interessato bisogna consultare il manuale del controllore nelle pagine relative all’assegnazione delle arre di memoria dati. Un dato importante è che il computo del numero di ingressi impegnato è legato al numero di bit occupati e non a quello dei canali impegnati.

Un altro tipo di espansione è il modulo di conteggio veloce. Questi moduli vengono utilizzati quando il segnale proveniente da un sensore arriva sotto forma di un treno di impulsi con frequenze anche molto elevate. In questo modulo i segnali (impulsi) vengono contati da un contatore presente nell’espansione stessa ed il dato può essere prelevato dalla CPU per la sua elaborazione. La frequenza di lettura arriva a decine di kHz. Un impiego comune è quello dell’utilizzo per la lettura dei dati provenienti da encoder. Anche qui i dati saranno configurati a word e non sotto forma di segnali ON / OFF.

Il modulo di ingresso a 24 V cc contiene un’alimentazione con questo valore di tensione; quando l’interruttore situato nel campo si chiude, tale tensione comanda un optoisolatore attraverso il quale il comando di campo è inviato alla CPU. La corrente di assorbimento tipica di tale dispositivo è di circa 10 – 15 mA. Il diodo LED ha la funzione di evidenziare lo stato logico dell’ingresso, mentre la resistenza ha il compito di limitare la corrente sul diodo dell’optoisolatore. Questo tipo di modulo offre le migliori garanzie nel caso di ingressi di tipo veloce.

Il modulo di ingresso è a 24 V ca / cc varia solo per l’inserimento di un ponte di Graetz.

Il modulo di ingresso a 115 V ac consiste in un adattamento del precedente al caso in cui i segnali in ingresso siano caratterizzati da tensioni elevate; viene quindi inserito a monte del raddrizzatore un filtro RC in grado di bloccare l’eventuale componente continua del segnale. Il modulo in oggetto inoltre dovrà essere provvisto di un apposito circuito di protezione contro le eventuali sovracorrenti di campo, che intervenga sul funzionamento shuntando l’ingresso e proteggendo quidi il circuito a valle.

Durante l’elaborazione del programma utente, che stabilisce il processo di lavoro in un sistema, si può verificare la necessità di una risposte più veloce da parte del PLC, per esempio per eventi critici; in questo caso tramite il modulo di interrupt e in funzione di determinati segnali di abilitazione si obbliga la CPU a svolgere delle funzioni particolari.

 

SEZIONE DI USCITA

Il modulo di uscita a 24 V cc / 2 A è utilizzato per collegare da 1 a 4 uscite tramite una sola alimentazione proveniente dal campo e assicurando, per ogni uscita collegata, una corrente fino a 2 A. l’alimentazione ed il carico, situati in campo, determinano la polarizzazione stabilizzata della serie dei diodi Zener, per l’amplificatore di corrente a MOSFET eccitato dal segnale proveniente dall’optoisolatore.

Il modulo di uscita a 24 V cc permette in genere il cablaggio fino a 8 uscite attraverso la stessa alimentazione proveniente da campo. Il suo funzionamento è equivalente a quello di un interruttore elettronico. Infatti, quando un relè corrispondente alla linea di uscita eccita l’optoisolatore, questo, essendo polarizzato dall’alimentazione interna a 24 V cc attraverso due resistenze, finisce per pilotare la base del transistor, portandolo alla saturazione. Ciò determina la chiusura del carico sul campo attraverso il transistor stesso, il fusibile e l’alimentazione proveniente dal campo. In tal modo la corrente fluisce attraverso il carico attivandolo; un eventuale picco di corrente non desiderato verrebbe bloccato dall’intervento del fusibile, interrompendo e proteggendo così il modulo in oggetto. Un’ulteriore protezione dalle sovratensioni è fornita dal diodo Zener che, attivato, assicurerà al tiristore la corretta tensione di polarizzazione, ai fini di garantire la saturazione, anche in caso di tensioni provenienti dal campo fuori dai valori di sicurezza. In ogni caso il transistor risulterà interdetto finché non verrà pilotato l’optoisolatore.

Il modulo di uscita a relè consente il cablaggio da 1 a 8 uscite con alimentazione fornita dal campo. In questo caso un relè è adibito alla chiusura diretta di un contatto che determina la chiusura del campo sul PLC permettendo la corrente di circolazione sul carico e, in ultima analisi, la sua attivazione. La tensione di alimentazione fornita dal campo può avere una qualsiasi forma d’onda, mentre la corrente assorbita dal campo potrà assumere valori notevolmente superiori a quelli del caso precedente, in quanto non è, in questa configurazione, limitata dalle soglie di sicurezza.

La sezione di uscita realizza un’interfaccia tra la CPU e l’esterno. Anche in questo caso ogni casa costruttrice mette a disposizione degli utenti moduli di espansione per i PLC modulari, con caratteristiche diverse. Il comando fornito dalle uscite del PLC può essere sia di tipo digitale che analogico. Le uscite digitali possono essere in funzione dei dispositivi da collegare: a relè (Relay Output), a transistor (Transistor Output), a triac (SSR Output). Il primo tipo di modulo fornisce in uscita un segnale privo di tensione, poiché proveniente da un relè posto in uscita, che, tramite un proprio contatto, fornisce la condizione logica off (livello logico 0) quando è diseccitato e la condizione logica on (livello logico 1) quando è eccitato. Il comando della condizione del relè è fornito dalla CPU. Questo tipo di output può dare la possibilità all’utente di collegare dispositivi a diverse tensioni di alimentazione, se i morsetti sono separati, se invece i moduli hanno un comune per un certo numero di contatti a questi vanno collegate apparecchiature che hanno le stesse caratteristiche elettriche. I moduli a transistor, vengono impiegati in caso di apparecchiature che vanno alimentate in corrente continua, quelli a triac in corrente alternata.

I moduli di uscita si presentano con: morsetti di uscita, il tipo di modulo, gli indirizzi di riconoscimento dei dispositivi ed i morsetti di alimentazione.

Nel caso di uscite a transistori vi è la necessità di collegare una tensione continua assegnata al modulo (generalmente 24 V). nel caso del triac si deve collegare una tensione alternata (115 / 230 V). per realizzare il collegamento elettrico alle apparecchiature si deve consultare il manuale di accompagnamento del PLC.

Per l’indirizzamento delle uscite valgono le stesse regole di quelle già viste per gli ingressi.

Consideriamo un esempio di comando analogico: una regolazione di un motore. Il sistema elettronico di regolazione del motore è in grado di fornire delle grandezze elettriche variabili, da inviare all’attuatore, sulla base di un segnale analogico di riferimento proveniente dall’esterno (per es. il PLC). Se il riferimento è 0 … 10 V avremo che a 0 V il motore sarà fermo e a 10 V girerà con velocità massima e variando il riferimento di tensione varieremo la velocità. Per la elaborazione di questo tipo di segnale si ricorre all’uscita analogica (analog output). Il modulo analogico è composto principalmente da: morsetti di collegamento per le apparecchiature da comandare, tipo di modulo, numero di uscite analogiche (canali) di cui è provvisto il modulo ed il valore di tensione e di corrente che l’uscita è in grado di fornire.

Il collegamento ai dispositivi di uscita avviene attraverso i terminali di uscita (due), che, essendo polarizzati, vanno collegati in modo corretto. La tensione è fornita direttamente dal modulo.

Per quanto riguarda l’indirizzo dei dispositivi di uscita, vale ancora quanto detto per la sezione di ingresso. Anche per le uscite, l’elaborazione di segnali analogici impegna nel controllore aree di memorie codificate in byte o word (come per gli ingressi), ma non a semplice bit. L’operazione che deve realizzare l’espansione è quella di rendere compatibile il risultato elaborato dalla CPU con la tipologia di segnale di cui c’è necessità in uscita, ossia si deve fare la conversione digitale / analogica e si usa un circuito denominato convertitore digitale / analogico (D / A Converter). Quando la CPU ha elaborato il dato da inviare in uscita, lo trasferisce nella memoria segnali di uscita sotto forma binaria, in codifica 8, 12 o 16 bit. Sarà poi il convertitore a trasformare il valore contenuto nella memoria nel corrispondente livello di tensione (o corrente) disponibile sul canale di uscita. Consideriamo una memoria a 8 bit per cui si ha una corrispondenza: 0 in formato binario corrisponde a 0 V in uscita, 255 corrisponde a 10 V in uscita. Nel caso di una memoria a 16 bit abbiamo: 0 in formato binario corrisponde a 0 V in uscita, 65535 corrisponde a 10 V in uscita. Per quanto riguarda l’indirizzo da assegnare alle uscite non c’è un’indicazione generale sulle modalità di identificazione, ma tramite il manuale, alle pagine relative all’area di memoria a word, si ritroveranno i dati necessari. Nel computo dei punti uscite impegnate, per quella CPU sono da considerare i bit per singolo canale utilizzati e non il numero dei canali.

Vi sono dei moduli di uscita speciali. La scheda del modulo controllo assi consente un posizionamento corretto ad alta velocità e alta precisione con impulsi di comando a migliaia di kHz; dà la possibilità di un’interpolazione circolare e lineare con un posizionamento molto dolce; sullo stesso modulo si possono avere uno o due controlli.

Il modulo seriale ASCII permette il collegamento fra PLC e qualsiasi periferica equipaggiata con porta seriale RS232C. la trasmissione fra i sistemi avviene tramite software.

Il modulo BASIC è un’espansione dotata di microprocessore che fa da supporto alla CPU del PLC, ed è in grado di può elaborare un programma.

 

OPERAZIONI DELLA CPU

Le istruzioni eseguibili dai PLC sono basate su operazioni logiche, su calcoli aritmetici, su conteggi e con la possibilità di misurare intervalli di tempo. Questo dispositivo è il più semplice ed economico microcomputer nato per lavorare in ambiente industriale. Esso risulta dotato di particolari interfacce per poter comunicare direttamente con trasduttori ed attuatori, occupa poco spazio, è di facile manutenzione, riprogrammabile e di impiego flessibile, inoltre possiede le potenzialità modulari per una sua estensione ed utilizzazione a livelli ben più elevati e complessi in integrazione con sistemi informatici gerarchicamente superiori.

Per fare in modo che un processo venga eseguito in modo corretto, l’utente realizza un programma che la CPU elaborerà in modo sequenziale, istruzione dopo istruzione, sulla base delle informazioni provenienti dall’esterno e ne trasmetterà altre, come risultato, in uscita. Nella realizzazione di questa attività di elaborazione, la CPU esegue altre operazioni fondamentali per la corretta gestione di tutto il sistema. Ciò è detto scansione. La prima operazione è quella di interrogare tutti gli ingressi (comprese le periferiche) e l’informazione relativa alla loro condizione logica, viene immagazzinata nella memoria segnali. La seconda operazione è quella di elaborare il programma utente, in sequenza, e terminerà quando sarà incontrata la prima istruzione di fine programma. Durante questa fase, qualsiasi variazione dei segnali in ingresso non sortirà alcun effetto sulla elaborazione poiché non sono più controllati dalla CPU. La terza operazione è quella di assegnare i risultati alle uscite del PLC che attiveranno gli utilizzatori ad esse collegati. Poi si ripete il ciclo finché la modalità operativa del PLC è quella di RUN.

Il tempo necessario alla CPU per eseguire l’attività principale esposta viene denominato tempo di scansione e spesso viene anche utilizzato il termine velocità di scansione (scan – speed) che stabilisce i tempi di risposta che si avranno in uscita e dipende dalla velocità di elaborazione della CPU, dalla lunghezza del programma (numero di istruzioni), dalla configurazione del sistema (numero I / O). I manuali forniscono il tempo di scansione medio (average) che viene espresso in ms per 1024 istruzioni (ms / k). Ogni istruzione richiede un tempo diverso di elaborazione.

Il controllo del tempo di scansione, richiesto per un determinato ciclo di lavoro, va eseguito per evitare che il PLC possa andare in allarme con il conseguente arresto del suo funzionamento. È presente in tutti i controllori un particolare temporizzatore denominato watch – dog (cane da guardia) che ha funzione di verificare che la CPU esegua le singole scansioni in un tempo prestabilito. Se lo si supera la macchina si arresta. Il tempo varia da casa a casa e può essere fissato o regolabile a seconda del ciclo che si vuole realizzare.

Su alcuni PLC è a disposizione dell’utente la possibilità di modificare la modalità di scansione creando delle interruzioni (interrupt) per eseguire dei programmi speciali attivati a tempo. Il comportamento della CPU è regolato da interruzioni periodiche con un tempo prefissato dal costruttore. In questo caso il tempo di scansione subisce dei rallentamenti che vanno calcolati e dei quali bisogna tenere conto. L’utilizzo della scansione periodica è gestita direttamente dalla CPU.

Il principio di funzionamento della scansione a interrupt è lo stesso della scansione periodica con la differenza che la richiesta di interrupt viene gestita dall’utente con l’utilizzo di segnali esterni collegati ad un modulo specifico di interrupt.

L’autodiagnosi è un’attività di servizio svolta dalla CPU per valutare se l’intero sistema svolge correttamente tutte le funzioni necessarie. Le principali anomalie che vengono controllate sono: errori sulla CPU, errore di alimentazione, errore programma utente, errore I / O. ad ogni test viene associato un livello di gravità ed a seconda di questo livello il sistema può continuare o no la sua elaborazione.

 

PROGRAMMATORE

L’unità di programmazione è un dispositivo dedicato (consolle di programmazione), che interagisce con il sistema operativo del PLC per la corretta interpretazione dei comandi, dati dal tecnico. L’unità di programmazione deve garantire la possibilità di poter svolgere tutte quelle funzioni che consentono di avere l’assoluta certezza che il processo risponda, in ogni istante ai requisiti richiesti. Le operazioni fondamentali che devono essere possibili sono: scrittura delle istruzioni, modifica e / o cancellazione di una o più istruzioni, inserimento fra istruzioni di nuovi passi, ricerca veloce di un’istruzione o di un numero di linea; scorrimento delle linee di programma, scrittura nella memoria del PLC, lettura dalla memoria del PLC, avvertimento per immissioni errate, visualizzazione dello stato logico dei segnali, visualizzazione dei dati numerici, possibilità di forzare lo stato logico dei segnali, possibilità di cambiare parametri, possibilità di archiviare su memoria il programma, possibilità di stampare su materiale cartaceo il programma.

Alcune consolle di programmazione (Siemens) offrono la possibilità di operare sia off – line che on – line. La modalità operativa off – line consente tutte le operazioni di editing senza dover collegare il dispositivo al PLC (si usa per simulazioni). La modalità on – line richiede il collegamento fra PLC e dispositivo (si trasferisce il programma nella memoria del controllore). Questa modalità è indispensabile per effettuare dei collaudi.

Abbiamo diversi tipi di consolle di programmazione.

L’hand – held / pocket (miniprogrammatori che possono essere tenuti, date le dimensioni, in mano) opera per piccoli sistemi PLC, per applicazioni non complesse, laddove i costi delle esigenze operative non giustificano l’acquisto di programmatori più costosi. Generalmente sono formati da un display (ad una due o quattro righe per otto o sedici caratteri), da tasti modi operativi (accesso agli editori ed alle funzioni da realizzare, selezione e spostamento del cursore, accesso alle variabili ed alle istruzioni non riportate sulla tastiera, inserimento, cancellazione, convalida, annullamento e shift), inserimento istruzioni o variabili, e da tastiera esadecimale per inserimento di parole.

Le consolle di programmazione mettono a disposizione dell’utente diverse funzioni in base alla fase di lavoro che si sta svolgendo, queste sono: fase di inizializzazione, editing, collaudo, archiviazione.

La fase di inizializzazione è quella relativa al primo collegamento fra PLC e programmatore, ed è il momento in cui vanno impostati tutti quei parametri (per esempio la configurazione delle periferiche o delle uscite, la password, ecc.) che consentono il corretto funzionamento di tutto il sistema. Non tutti i controllori prevedono questa fase.

Nella fase di editing si immettono le istruzioni che realizzeranno il programma.

Durante la fase di collaudo si verifica che il programma risponda alle richieste stabilite. In questa fase si può avere la possibilità di vedere il comportamento di alcuni segnali o di modificarli. A questo scopo i programmatori permettono di eseguire due funzioni: il monitoraggio, che consente di verificare tutte le aree di memoria del PLC (per esempio controllare se un contatore ha raggiunto il livello ON), e la forzatura di un segnale (cariando il tempo di intervento di un temporizzatore). Con la fase di collaudo termina il lavoro di programmazione ed a questa segue l’applicazione pratica.

Ultima è la fase di archiviazione del programma, che generalmente viene salvato su memoria magnetica o su supporto cartaceo.

Per sistemi più complessi si usano sistemi portatili che sono programmatori portatili aventi una struttura hardware che consente un’interazione veloce col controllore.

I PC programmer sono personal computer corredati di opportuni software.

Il PC riveste un ruolo importante come ausilio al PLC in quanto permette, mediante un opportuno programma di inserire nel PLC le necessarie istruzioni o di modificare quelle già esistenti e di trasferire il programma, già testato, nella memoria del PLC. Con un opportuno software di simulazione il PC permette, con le uscite e gli ingressi connessi a quelli del PLC, di simulare il funzionamento del controllo esercitato dal PLC su un impianto il cui sinottico può essere visibile sullo schermo. La tendenza attuale vede il PC come controllore di vari PLC.

Uno standard di trasmissione diffuso all’interno delle varie famiglie di PLC è quello definito dalle specifiche RS – 422; da notare come, viceversa, la comunicazione seriale di un PC avvenga tramite il protocollo standard RS – 232; in questo caso si può immaginare il collegamento in rete tra un sistema a PLC e un PC ed in questo caso è necessario un opportuno adattatore. L’adattatore deve riportare i livelli in ingresso dei segnali a quelli compatibili alla logica a cui sono destinati; deve cioè ricostruire a partire dal segnale unico proveniente dal PC, i due segnali differenti (normalmente + 10 V e – 10 V cc) destinati al PLC e viceversa. La comunicazione tra PC e adattatore avviene attraverso il cavo standard CBL – 390; che è provvisto di un connettore terminatore a 25 pin.

L’interfaccia EIA RS – 232 è dotata di un unico conduttore di segnale, ed il circuito di comunicazione si richiude per mezzo della massa. I livelli logici dei segnali in linea corrispondono, tipicamente, ai seguenti valori di tensione: 1 logico = – 10 V cc, 0 logico = + 10 V cc. Le normali famiglie logiche adottano tuttavia livelli di tensione diversi per i segnali in gioco e dunque si rende necessario l’utilizzo di un driver di trasmissione, e di un ricevitore in ricezione per adattare i livelli dei segnali in linea con quelli della logica da cui provengono o a cui sono destinati.

Il collegamento mediante interfaccia EIA RS – 422, utilizzando un ricevitore di tipo differenziale, al quale arrivano i conduttori di linea opportunamente intrecciati, permette di ridurre, rispetto al caso precedente, i disturbi di linea.

Talvolta, nella scelta del PLC, influisce anche la necessità di disporre di particolari opzioni e fra queste: video al posto del display di programmazione, possibilità di cambiare il programma durante il funzionamento, necessità di interfacciamento con un computer supervisore, ecc..

Al fine inoltre di consentire al PC di distinguere e selezionare i vari PLC con i quali instaurare la comunicazione si è introdotto l’uso di una Unità di Comunicazione Dati (DCU); tale unità ha lo scopo di creare un’interfaccia tra i vari elementi del sistema di controllo, garantendone la comunicazione in tempo reale. È necessaria un’unità di comunicazione per ogni PLC presente in campo; ad ogni unità è assegnato un proprio numero di identificazione.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I blocchi fondamentali di un PLC sono: memoria interna, microprocessore, porte I / O. L’unità di programmazione provvista di tastiera è collegata esternamente tramite cavo. La memoria interna è composta da una memoria RAM, usata come memoria di lavoro, e che, data la sua volatilità, rende necessario l’uso di batterie tampone o di gruppi di continuità e da una memoria EPROM o E²PROM il cui compito è quello di immagazzinare i programmi necessari al funzionamento intrinseco del sistema operativo (SO) e quindi che non devono essere alterati.

Il microprocessore rappresenta il cuore del sistema: scandisce ciclicamente gli ingressi, pone in esecuzione il programma e, sulla base dei risultati ottenuti, invia i relativi comandi agli attuatori.

L’unità di programmazione è un dispositivo esterno al PLC composto da una tastiera e da un elemento di visualizzazione e serve per la programmazione del PLC.

Attraverso delle interfacce il PLC può essere collegato con varie periferiche: dispositivo di simulazione (provvisto di interruttori e LED) che serve per verificare la corretta funzionalità del programma, driver per la memorizzazione del programma su supporto magnetico, computer.

 

Grazie alla struttura modulare il PLC può nascere in configurazione base, o minima, ai fini della soluzione di un problema o di una parte di esso, per poi essere potenziato successivamente attraverso la semplice installazione dei moduli opzionali occorrenti; la composizione del sistema è tuttavia limitata dal numero degli slot liberi disponibili all’interno del RACK. La differenziazione e le prestazioni dei moduli a disposizione, insieme alla facilità ed alla potenzialità della struttura di programmazione, determinano le qualità del PLC e ne delimitano le sue possibili applicazioni.

I moduli di ingresso e uscita costituiscono la vera e propria interfaccia con il mondo esterno e rappresentano tutti quei dispositivi in grado di ricevere in tempo reale un segnale di natura elettrica dal cosiddetto “campo”, attraverso opportuni trasduttori e di inviare a loro volta segnali analoghi verso gli strumenti esterni al PLC, pilotando dispositivi appositi detti attuatori. I moduli di I / O sono la parte che permettono al PLC la sua utilizzazione nell’ottica di un’espandibilità programmata. Alcuni aspetti che differenziano, dal punto di vista dei moduli di I / O, le caratteristiche dei PLC sono: modularità, visualizzazione dello stato di ogni punto I / O (tramite dei LED), collegamento con macchine sotto tensione. La scelta della configurazione del PLC dovrà tenere presente le reali necessità dell’impianto, ai fini di ottimizzare il rapporto prezzo / prestazioni.

La maggior parte dei moduli sarà di tipo logico. A seconda del livello di complessità del PLC realizzato possono essere forniti moduli di I / O di tipo logico, con un numero di punti I / O variabile (secondo la potenza di 2) da 1 a 128.

I più comuni moduli di I / O consentono la trasmissione e / o la ricezione di un segnale logico ad una distanza massima di una decina di metri dal “processo” che viene controllato; in caso di collocazione forzata del PLC a distanza maggiore dal sistema, il trasferimento delle informazioni a basso livello (5 o 15 V) non avverrà più con le dovute garanzie di sicurezza, tipicamente richieste in ambito industriale; si renderà quindi necessaria l’utilizzazione di speciali dispositivi capaci di lavorare efficacemente in condizioni decentralizzate, magari attraverso l’uso di trasmissione dei segnali via “modem”.

Le interfaccia di I / O possono essere inoltre di tipo programmabile e, mediante l’uso di multiplexer, possono far convergere verso la CPU i segnali provenienti da più linee esterne,; in funzione di un’opportuna programmazione è anche possibile selezionare una sola linea fra tutte quelle provenienti dal campo e facenti capo ai vari sensori presenti nel sistema controllato.

Le schede di I / O vedono, dal lato interno, il bus di sistema del PLC e, attraverso questo, comunicano con la CPU, mentre, dal lato esterno, si attaccano ai connettori che permettono fisicamente il collegamento dei cavi per il trasferimento dei segnali. L’azione di questi moduli opera anche un adattamento dei segnali in gioco e delle loro caratteristiche.

Per ridurre l’influenza dei disturbi i sensori inviano, in genere, un segale con tensione non inferiore ai 24 V cc in modo da separare il segnale informativo dai disturbi ad esso sovrapposti.

L’adattamento delle caratteristiche dei segnali di ingresso a quello dei segnali tipici della CPU comporta, oltre alle operazioni sul livello di tensione precedentemente analizzate, anche la loro squadratura ed il loro filtraggio da componenti parassite. L’operazione di squadratura è normalmente realizzata mediante un circuito comparatore con isteresi (tipo trigger di Schmitt), eventualmente preceduto, in caso di segnale alternato, da un ponte raddrizzatore. Tale operazione ha il compito, in generale, di trasformare un segnale casualmente variabile in uno calibrato, e cioè variabile a scatto tra due livelli definiti e distinti. La fase successiva di filtraggio, non è altro che l’inserimento di un filtro passa – basso che elimini dal segnale le eventuali componenti in alta frequenza tipiche del rumore di tipo impulsivo.

I moduli numerici hanno struttura analoga a quella esaminata in precedenza ed il cui utilizzo è reso indispensabile quando al PLC viene richiesto di effettuare delle operazioni numeriche sui segnali afferenti dal campo. Una scheda di I / O numerica dovrà disporre di un numero di linee in ingresso ed in uscita pari al numero di bit che costituiscono la parola (word) all’interno del sistema.

I moduli di I / O particolari permettono l’espletamento di funzioni attraverso la presenza di dispositivi addizionali quali: contatori, temporizzatori, ingressi logici a soglia regolabile, I / O analogiche, uscite di allarme.

La disponibilità di moduli hardware capaci di svolgere tali operazioni è importante allo scopo, per esempio, di accelerare il ciclo di scansione, oppure quando la velocità con la quale vengono acquisiti i dati esterni è tal mente elevata da non consentire tramite gli strumenti software il trattamento in tempo reale dei dati stessi. La temporizzazione hardware può infine essere utilizzata per realizzare la cosiddetta funzione di “watch dog” (cane da guardia), e cioè per verificare se ciascuna istruzione è eseguita correttamente nel tempo previsto e, in caso contrario, inviare un segnale di allarme, con interruzione dell’attività del controllore e possibile visualizzazione di un messaggio. Le schede di ingresso di tipo logico con soglia regolabile permettono invece di associare ai livelli logici 0 e 1, su cui lavora la CPU, livelli analogici programmabili a seconda delle applicazioni; questa operazione risulta particolarmente utile qualora il contenuto informativo del segnale in ingresso non sia legato direttamente all’effettivo valore assunto dal segnale stesso, ma al valore che tale segnale analogico ha in rapporto ad un riferimento predefinito.

Il livello di precisione ottenibile nel trattamento dei segnali analogici è direttamente proporzionale al numero di bit utilizzati nella conversione; questo infatti determina il numero dei livelli discreti corrispondenti, da cui dipende l’ampiezza di ogni singolo intervallo di quantizzazione e, in ultima analisi, la “sensibilità” della conversione; per esempio se per un segnale analogico in ingresso, variabile tra – 10 e + 10 V cc, si utilizzano nella conversione 8 bit, si avrà un segnale discretizzato a 256 livelli con una risoluzione pari a [ + 10 – ( –  10)]  / 256 = 78 mV. Tale risoluzione determina la minima variazione del segnale di ingresso rilevabile dal sistema digitale e rappresenta di fatto un fattore di errore costante; risulta evidente che l’aumento del numero dei bit utilizzati dal convertitore A / D ridurrebbe in modo proporzionale tale errore di quantizzazione. A tal fine, per limitare il costo del sistema, spesso viene utilizzato un solo convertitore A / D sufficientemente potente ed i vari ingressi analogici vengono selezionati attraverso un multiplexer, prima di essere convertiti; in uscita, invece, si prevede generalmente di disporre di un convertitore D / A per ogni canale analogico.

 

Al fine inoltre di consentire al PC di distinguere e selezionare i vari PLC con i quali instaurare la comunicazione si è introdotto l’uso di una Unità di Comunicazione Dati (DCU); tale unità ha lo scopo di creare un’interfaccia tra i vari elementi del sistema di controllo, garantendone la comunicazione in tempo reale. È necessaria un’unità di comunicazione per ogni PLC presente in campo; ad ogni unità è assegnato un proprio numero di identificazione.

 

L’operazione di programmazione del PLC passa attraverso i seguenti punti fondamentali: studio dettagliato del processo per valutare quante e quali grandezze il PLC deve controllare e quale tipo di controllo esercitare su di esse, determinazione del numero e del tipo di trasduttori e attuatori necessari al controllo (ossia fissare il numero degli ingressi e delle uscite), realizzazione dello schema di controllo utilizzando il metodo preferito (Ladder, schemi e blocchi funzionali, Grafcet), scrittura del programma e verifica della funzionalità. Nell’assegnare gli ingressi e le uscite al PLC bisognerà inizialmente distinguere se questo ha i punti di I / O separati, oppure se ogni morsetto può essere utilizzato sia come Input che come Output previa opportuna immissione di una parola chiave nel registro ad esso dedicato.

La rete LADDER è un insieme di righe contenenti i simboli logici delle funzioni di controllo e di comando; ogni rigo si considera terminata se contiene come ultimo simbolo logico una bobina. I simboli più utilizzati sono i contatti NA e NC. Questi due contatti devono essere controllati ciclicamente dal microprocessore al fine di riconoscere lo stato e, in funzione di questo determinare lo stato di uscita o la commutazione di un relè interno; in funzione di questi stati il microprocessore può anche comandare un contatore, un temporizzatore oppure un relè di controllo.

Tutti gli elementi logici vengono collegati mediante linee orizzontali o verticali per formare un blocco logico. Tutti i blocchi logici sono compresi fra due linee verticali che rappresentano le polarità dell’alimentazione.

Il registro a scorrimento è utile, quando il PLC debba comandare un sistema la cui attività sia caratterizzata da una sequenza cadenzata di spostamenti (esempio catena di montaggio). Una funzione scorrimento è caratterizzata da tre segnali di ingresso (uno per attivarne l’inizio, uno per definire l’intervallo di tempo corrispondente alla cadenza desiderata e l’altro per resettare il registro a scorrimento. Il numero di SR posseduti dal PLC e dei relativi passi variano da dispositivo a dispositivo. Consideriamo adesso il programma passo per passo

 

Significato: i tre ingressi corrispondono a1 tre contatti 01, 02, 03 disposti su tre righe distinte e successive. alla chiusura del contatto 01 la prima cella dello SR va in ON (cella 100). Attraverso il contatto 02 arriva il CLOCK che fa scorrere la condizione ON sulle celle successive con una cadenza dipendente dalla sua frequenza. La condizione ON della cella 101 corrisponde al primo CLOCK, ossia alla prima chiusura del contatto 02, determina la chiusura del contatto omonimo (101) e quindi l’eccitazione della bobina d’uscita (10). Analogamente avverrà per la bobina (20) e (30) in corrispondenza del raggiungimento dello stato ON nella seconda e terza cella del SR e così via. Il numero (105) corrisponde all’ultima locazione disponibile del SR.

 

Il linguaggio GRAFCET utilizza blocchi che identificano le varie “fasi” del funzionamento del sistema controllato, ad ognuna delle quali corrisponde il compimento di una certa “azione”. Ogni “fase” rappresenta una situazione statica nella quale il sistema svolge una funzione. Il passaggio da una fase all’altra avviene se si verificano certe condizioni, in tal caso nasce una “transizione”. La fase viene indicata con un blocco. Il passaggio tra due fasi avviene solo se la prima è ON e risulta verificata la condizione legata alla stessa transizione. La linea di collegamento che unisce due fasi, e che evidenzia il passaggio dall’una all’altra può essere orientata al fine indicarne il verso. Tale orientamento può essere omesso nel caso che si sottintenda valido quello dall’alto verso il basso.

Esistono due livelli di GRAFCET. Nel primo il funzionamento è scritto in modo esplicito e indipendentemente dai dispositivi di I / O (trasduttori e attuatori). Nel secondo livello il funzionamento del sistema è scritto in funzione dei dispositivi che lo compongono. L’utilizzazione del GRAFCET di primo livello comporta, ad esempio, la descrizione letterale di un’azione (per es.: “comandare il motore”), mentre l’utilizzazione di un GRAFCET di secondo livello permetterebbe la descrizione in modo simbolico con riferimento al simbolo identificatore della bobina di eccitazione dello stesso motore.

 

Con il termine affidabilità di un comando elettronico si intende la capacità di soddisfare, in un determinato periodo di tempo ed entro determinati limiti (dati tecnici), alle esigenze richieste della sua finalità applicativa. Per quanti sforzi si facciano, non è possibile escludere completamente errori, per cui non esiste la possibilità di un’affidabilità del 100%. Una misura dell’affidabilità di un dispositivo è data dall’indice di guasto con: A = n / (N * t) con n = numero di guasti nel tempo t ed N = numero iniziale di dispositivi.

Il comportamento in relazione ai guasti nel tempo può essere suddiviso, grossolanamente, in tre diverse fasi. La prima fase è caratterizzata dai “guasti precoci” che sono dovuti ai difetti dei materiali e della fabbricazione; l’indice di guasto decresce tuttavia rapidamente durante un primo periodo, relativamente breve, di funzionamento. Nella seconda fase predominano i “guasti casuali”, se le previste prescrizioni tecniche vengono rispettate, l’indice di guasto rimane costante; questo comportamento “normale” costituisce la base per la valutazione di tutte le grandezze caratteristiche dell’affidabilità. Aumentando il tempo di funzionamento l’indice di guasto comincia a crescere, e guasti dovuti all’usura cominciano ad accumularsi, denunciando così l’approssimarsi della fine del periodo di utilizzo; questa transizione avviene con gradualità, senza un brusco andamento dell’indice di guasto.

Da un calcolo statistico risulta che solo il 5 % dei guasti avviene nel comando elettronico (di questa parte un 10 % nell’unità centrale ed il rimanente nelle periferiche); la gran parte dei guasti si verifica nei trasduttori, attuatori, cablaggi, ecc..

La disponibilità V è la probabilità di avere un sistema funzionante in un dato momento ed è valutata in:  V = MTBF / ( MTBF + MTTR) dove MTBF = Mean Team Between – Failure; tempo medio di funzionamento senza guasti; MTTR = Mean Time To Repair, tempo medio di riparazione.

 

Discriminante per la tipologia di guasto è sicuramente l’effetto che ne consegue. Si possono avere guasti attivi (sul comando) o passivi (sulla segnalazione), pericolosi o non pericolosi.

 

In un controllo a memoria programmabile ad un solo canale vi sono possibilità limitate per aumentare il grado di sicurezza:

      programmi o loro parti, possono venire caricati o elaborati più volte nel programma applicativo;

      le uscite possono venire controllate per mezzo di software, mediante una retroazione, in parallelo sugli ingressi di uno stesso apparato;

      funzioni diagnostiche, interne al controllore, possono, al verificarsi di un guasto interno, porre le uscite dell’apparato in uno stadio definito, generalmente  OFF.

 

Se nel comando ad un solo canale le misure adottate non si dimostrano sufficienti a soddisfare le esigenze di sicurezza richieste, diventa necessario ricorrere ai comandi elettronici a più canali (ridondanti).

Nei comandi a due canali il PLC è costituito da due apparati parziali programmati in modo identico, e funzionanti in sincronismo; il controllo viene effettuato da due unità di confronto: gli errori vengono segnalati e vengono fatte scattare le relative procedure di sicurezza. Nel comando a molti canali si può usare una metodologia due su tre.

 

Il modello 100U del S5 è caratterizzato da:

      struttura modulare che consente fino ad un massimo di 256 ingressi ed uscite modulari, tale caratteristica consente al PLC di essere indicato anche per il controllo di macchine, come pure per l’automazione ed il monitoraggio di sistemi di media grandezza.

      Flessibilità di assemblaggio: tutte le diverse unità sono costituite da piccoli blocchi indipendenti; essi non necessitano normalmente di ventilazione e la loro elettronica è realizzata in modo da garantire la massima insensibilità ai disturbi. Le diverse unità vengono innestate su moduli di bus standard e fissate con viti; i moduli di bus vengono montati su una guida profilata. Tutto l’apparato può essere montato su una o più file e sviluppato in senso sia verticale che orizzontale.

      Semplicità di programmazione: viene utilizzato il programma STEP 5 AWL; ed i programmi possono essere caricati in memoria direttamente anche senza l’ausilio dei dispositivi di programmazione.

 

L’S5 – 100U è un controllore a memoria programmabile appartenente alla famiglia SIMATIC S5. Esso comprende diverse unità funzionali (moduli) che possono venire combinate in modo da adattarsi ad ogni applicazione specifica.

      Alimentatore (PS 930). È necessario per il funzionamento da rete dove non sia già disponibile una tensione di 24 V DC per la CPU.U

      Unità centrale (CPU)U. Elabora il programma applicativo. Il contenuto della memoria è conservato, in caso di mancanza di tensione, grazie ad una batteria tampone. Il programma applicativo può venire memorizzato anche in un modulo di memoria. La CPU possiede un’interfaccia seriale alla quale può essere applicato un dispositivo di programmazione, un pannello di servizio oppure il bus SINEC.

      Unità periferiche: effettuano lo scambio di informazioni tra la CPU e la periferica di processo (datori di segnale, attuatori, convertitori di misura, ecc.).

      Unità di ingresso e di uscita digitali (a 4, 8 e 16 canali). Sono adatte per semplici compiti di comando, dove sono presenti solamente gli stati di segnale 0 e 1.

      Unità di ingresso e uscita analogiche per il rilevamento e la formazione di grandezze variabili (correnti, tensioni).

      Temporizzatori per l’impostazione dei tempi (senza modificare il programma).

      Contatori per la preelaborazione di impulsi numerici fino a 500 Hz.

      Unità veloci di conteggio / rilevamento spostamenti: il contatore veloce può essere impiegato per l’acquisizione di impulsi numerici rapidi e per semplici funzioni di posizionamento.

      Comparatori per il controllo (di correnti e tensioni) rispetto ai valori preimpostati.

      Simulatori per generare segnali digitali di ingresso o visualizzare segnali digitali di uscita.

      Unità diagnostiche per verificare il funzionamento del bus periferico.

      Unità di uscita per stampante per l’emissione di testi e di messaggi con data ed ora su una stampante collegata.

      Moduli di bus con blocchi di attacco che collegano la CPU con le unità periferiche. Su ciascun modulo di bus possono venire inserite due unità periferiche.

      Interfacce per montare il controllore programmabile su più file.

      Guide profilate normalizzate su cui viene effettuato il montaggio del controllore.

È inoltre disponibile un’intera gamma di accessori, i cui componenti principali sono costituiti da:

      Batteria tampone che provvede a conservare il programma ed i dati nel controllore programmabile anche quando questo viene disinserito. Il tempo tampone per una batteria nuova è di almeno un anno.

      Moduli di memoria che sono usati per conservare il programma quando si disinserisce il controllore o per caricare programmi nel controllore stesso.

      Memoria EPROM: il suo contenuto può essere cancellato soltanto per mezzo di un dispositivo di cancellazione a raggi ultravioletti.

      Memoria EEPROM: il contenuto del modulo può venire sovrascritto; la programmazione può aver luogo direttamente tramite il dispositivo di programmazione apposito, oppure per i moduli EEPROM, nel controllore stesso.

      Dispositivi di programmazione servono per introdurre programmi, per la prova dei programmi, per il monitoraggio dei programmi. Il collegamento tra il dispositivo e la CPU si effettua mediante un cavo dedicato.

      Pannelli di servizio servono per visualizzazione dei valori attuali di temporizzatori e contatori, introduzione di nuovi valori di consegna, visualizzazione dei messaggi comandati dal programma (in forma di testo), visualizzazione di campi dovuti a ingressi, uscite e dati.

La CPU dispone di una parte di memoria RAM; questa ha le seguenti caratteristiche:

      il contenuto della memoria può essere modificato rapidamente;

      in caso di mancanza di tensione di rete l’informazione contenuta nella memoria viene perduta.

Il applicativo viene memorizzato in un’area della memoria RAM ad esso riservata e detta memoria di programma.

Gli stati di segnale delle unità di ingresso vengono immessi a loro volta in una zona riservata della memoria RAM, dove costituiscono l’immagine di processo degli ingressi (PAE).

Le informazioni dirette dalla CPU alle unità di uscita vengono analogamente memorizzate in un’altra area definita come l’immagine di processo delle uscite (PAA).

Anche le informazioni che provengono dalle unità funzionali, o vi sono dirette, vengono immesse nelle immagini di processo.

Le immagini di processo per allarmi (PAE – allarme e PAA – allarme) sono impiegate esclusivamente nell’elaborazione di programma conseguente ad una interruzione da parte di un temporizzatore o di un controllo di sicurezza.

In queste aree di tipo “immagini” vengono quindi memorizzate tutte le informazioni dirette alle unità periferiche o da esse provenienti.

Infine, in un’ulteriore area di RAM, sono immessi i dati di sistema in forma di “parole”; l’unità di governo utilizza questi parametri nella elaborazione del programma applicativo.

La CPU rende disponibili temporizzatori e contatori che possono venire impostati, cancellati, attivati ed arrestati dal programma.

I valori di tempo e di conteggio vengono immessi in aree riservate della memoria RAM; in un’altra area di memoria possono essere collocate informazioni, per esempio dei risultati intermedi, sotto forma di merker.

La memoria ROM rappresenta il vero e proprio Sistema Operativo; questo contiene i programmi di sistema che hanno il compito di provvedere alla esecuzione delle istruzioni del programma applicativo, alla gestione delle comunicazioni di input e di output, alla ripartizione della memoria ed alla gestione dei dati.

L’unità aritmetica è costituita da due accumulatori a 16 bit, ACCU1 e ACCU2, sui quali vengono eseguite le operazioni sui byte e sulle “parole”; è inoltre disponibile un registro a 1 bit (ACCUbit) per le esecuzioni di operazioni binarie.

L’unità di governo coordina e controlla tutta l’attività del PLC. Per quanto riguarda il programma applicativo, essa richiama una dopo l’altra le istruzioni contenute nella memoria di programma e provvede alla loro esecuzione. A tale scopo vengono elaborate le informazioni provenienti dalla PAE, tenendo conto dei valori dei temporizzatori e dei contatori interni, nonché degli stati di segnale dei merker interni. I risultati vengono trasferiti in PAA.

I programmi applicativi possono essere memorizzati in un modulo di memoria. I programmi presenti in un modulo di memoria possono a loro volta essere copiati nella memoria di programma. Tali moduli possono essere inseriti o estratti in modo non distruttivo soltanto nello stato di rete OFF.

L’interfaccia seriale consente il collegamento con le seguenti unità: dispositivo di programmazione, pannello di servizio, bus SINEC L1.

Il controllore programmabile S5 – 100U è dotato, per il trasferimento di dati tra CPU e unità periferiche, di un bus seriale che presenta le seguenti caratteristiche: la sua struttura modulare consente un perfetto adattamento a qualsiasi compito di controllo, non richiede alcuna impostazione di indirizzi sulle unità periferiche, non richiede l’impiego di alcuna spina di chiusura, non è possibile un accesso periferico diretto (su una singola unità). La trasmissione dei dati avviene mediante una catena di registri a scorrimento; a ciascun posto – Econnettore del modulo di bus sono assegnati quattro bit per i dati ed un bit per il controllo del bus. Tutte le unità che utilizzano più di quattro bit per dato, sono dotate di un proprio registro a scorrimento, che sostituisce il registro a scorrimento del posto – Econnettore. La lunghezza complessiva del registro a scorrimento viene ricavata come somma dei bit dati di tutte le unità inserite e dei posti vuoti. La massima estensione di tale registro dipende dal tipo di CPU e varia dai 256 bit del modello 100 ai 704 bit del modello 103.

 

L’elaborazione del programma è, in generale, ciclica. Il programma applicativo viene prelevato dalla memoria di programma, istruzione per istruzione, ed elaborato. Per l’elaborazione delle istruzioni vengono utilizzate informazioni della PAE, dei merker, e i dati attuali dei temporizzatori e dei contatori; i risultati vengono memorizzati nella PAA. Dopo l’elaborazione del programma viene eseguiti un ciclo dati, per mezzo del quale i dati della PAA vengono trasferiti alle unità di uscita e, contemporaneamente, i dati attuali delle unità di ingresso vengono trasferiti nella PAE. Viene quindi avviata, con questa PAE aggiornata, una nuova elaborazione del programma. Ogni elaborazione ciclica del programma attiva un tempo di controllo (trigger di ciclo). Se il trigger di ciclo non viene riattivato entro il tempo di controllo, il PLC si pone automaticamente in STOP e interdice le unità di uscita; il tempo di controllo per le CPU 100 e 102 è fisso e ammonta a circa 350 ms., mentre nella CPU 103 tale tempo, preimpostato a 500 ms., può essere modificato. Il tempo di controllo può essere oltrepassato in caso di malfunzionamento, come per esempio la programmazione di un loop senza uscita, o un guasto della CPU.

Il tempo di esecuzione di un programma dipende da diversi fattori, non tutti esattamente quantificabili, e dipendenti dalla configurazione del sistema. Una parte significativa di tale tempo è data dal “tempo di reazione”: questo rappresenta il tempo che intercorre tra la variazione del segnale in ingresso e quello del segnale di uscita. Tale tempo risulta tipicamente come somma di: ritardo dell’unità di ingresso, tempo di elaborazione programma, tempo del ciclo dati, tempo di elaborazione del sistema. Il ritardo delle unità di uscita è normalmente trascurabile. Nel caso più sfavorevole si può ipotizzare un tempo di reazione pari a: T = 2 x tempo di elaborazione + 3 x tempo di ciclo + tempo di ritardo delle unità di ingresso. Un ulteriore allungamento, occasionale, del tempo di reazione avviene nel passaggio dallo stato di STOP a quello di RUN.

L’operazione di caricamento trasferisce un programma nella memoria di programma della CPU. È possibile caricare un programma tramite un dispositivo di programmazione collegato (funzionamento ON LINE), oppure prelevandolo da un modulo di memoria. In questo caso è possibile una serie di operazioni automatiche, in modo che il programma sia copiato dal modulo di memoria alla memoria di programma della CPU, oppure, in alternativa, tale operazione può essere eseguita manualmente. Se la batteria è inserita, un programma eventualmente presente viene cancellato dalla routine di caricamento; in ogni caso vengono caricati solamente i blocchi cosiddetti validi.

Si può effettuare un salvataggio del programma sul modulo EEPROM soltanto con la batteria tampone attivata. Mediante l’operazione di salvataggio, un programma viene copiato dalla memoria di programma della CPU in un modulo di memoria; anche in questo caso vengono copiati soltanto i blocchi “validi”.

Quando viene a mancare la tensione di rete o si disinserisce il PLC, il contenuto della memoria interna viene conservato soltanto se è inserita una batteria tampone. Il contenuto della memoria che rimane disponibile al momento della riaccensione del sistema è il seguente: programma applicativo, merker e valori di conteggio, contenuto del registro di interruzione. Non tutti gli operandi sono a “rimanenza”; il loro numero e la loro configurazione dipende dal tipo di CPU. L’installazione o il cambio della batteria deve essere fatta a sistema acceso, altrimenti è necessario eseguire una cancellazione totale dopo l’inserimento. L’assenza o il guasto della batteria tampone viene segnalato dall’accensione di un LED sul pannello operativo.

 

Un indirizzo è costituito da un indirizzo di byte e da un numero di canale e costituisce parte di un istruzione del programma applicativo. Non appena un’unità viene montata su un posto connettore di un modulo a bus, questa unità viene attribuito un numero identificativo del posto – connettore e, con esso, un indirizzo fisso di byte in una, o in entrambe, delle immagini di processo. trasduttori ed attuatori vengono collegati al blocchetto di attacco. Con la scelta del morsetto si stabilisce il numero di canale. Il PLC S5 – 100U può essere configurato su un massimo di 4 file; pertanto si possono impiegare fino a 16 moduli di bus, ciascuno comprendente 2 posti – connettore, per un totale di 32 posti – connettore. I posti – connettore vengono numerati in successione; la numerazione comincia dal posto – connettore situato accanto alla CPU, con il numero 0 ed è indipendente dal fatto che un’unità sia innestata o meno.

Le unità digitali possono essere situate su qualsiasi posto – connettore (da 0 a 31). Per oogni canale possono essere trasmessi solo due stati informativi da una, o nel caso delle uscite, a una, unità digitale con memoria a un bit. L’indirizzo X.Y di un’unità digitale è costituito da due componenti: X = indirizzo di byte, coincidente con il numero di posto – connettore;

Y = numero di canale, scritto sulla piastra frontale (vanno da 0 a 3).

 

Le unità analogiche possono venire innestate solamente sui posti – connettore da 0 a 7; mentre nel caso di un’unità digitale, vengono trasmesse solamente le informazioni 1 e 0 per ogni canale, da una, o nel caso delle uscite, a una, unità analogica, possono venire trasmesse 65536 informazioni diverse per ogni canale con 16 bit di memoria. Le unità vengono interpellate, mediante le operazioni di caricamento o di trasferimento, byte per byte, o parola per parola. Il PLC tiene conto inoltre della maggiore capacità di memoria richiesta dall’innesto di un’unità analogica nel modo seguente: ad ogni posto – connettore sono assegnati 8 byte, ad ogni canale sono riservati 2 byte, l’area di indirizzamento del posto – connettore viene commutata, il campo di indirizzi ammesso è compreso tra i byte 64 e 127.

 

Il software di programmazione STEP 7 si basa sul livello operativo WINDOWS.

Il PLC SIMATIC S7 200rappresenta una soluzione compatta e molto economica per comandi semplici. Le caratteristiche principali sono:

      i brevi tempi di elaborazione delle istruzioni riducono i tempi di ciclo;

      i contatori veloci integrati ampliano l’impiego a nuovi campi applicativi;

      l’ampliabilità modulare rende possibile il dimensionamento su misura delle prestazioni;

      le uscite a impulsi integrate possono comandare motori passo passo o a corrente continua;

      il repertorio operazionale risolve già da solo compiti complessi in modo comodo e veloce;

      l’interfaccia punto a punto PPI apre possibilità di programmazione, di servizio e supervisione nonché di collegamento di apparecchiature con interfaccia seriale.

È stata introdotta una protezione software con password a tre livelli per proteggere il programma utente secondo i seguenti permessi di accesso:

1)    accesso totale: il programma può essere modificato a piacere;

2)    solo lettura: il programma è protetto da modifiche non autorizzate; test, impostazione dei parametri e copia del programma sono possibili,

3)    protezione completa: il programma non può essere né modificato, né copiato; sono possibili le impostazioni dei parametri.

Il software di programmazione STEP 7 – Micro / DOS e dispositivi di programmazione dedicati velocizzano lo sviluppo dei programmi, mentre il visualizzatore di testi TD 200 ed i pannelli operatore COROS consentono comode funzioni di supervisore. È possibile utilizzare funzioni di diagnosi e di test: il programma viene elaborato ed analizzato per un numero di cicli prefissabile; parametri interni come merker, temporizzatori o contatori sono verificabili su massimo 124 cicli. Gli ingressi e le uscite possono essere impostati indipendentemente dal ciclo e quindi in modo permanente a scopo per esempio, di test del programma utente.

 

Il PLC SIMATIC S7 300 rappresenta una soluzione modulare in dimensioni di ingombro assai contenute per processi estremamente veloci o per compiti di automazione che richiedono anche elaborazione dei dati. Le caratteristiche principali sono:

      elevata capacità di calcolo, repertorio operazionale assai esteso, interfaccia multipoint MPI e connettività in reti SINEC;

      funzioni integrate, molteplici possibilità diagnostiche, protezioni software con password, comoda tecnica di collegamento e illimitate possibilità di inserzione per le unità modulari;

      elaborazione delle istruzioni estremamente veloce che consente tempi di ciclo brevissimi;

      potenti unità modulari e la disponibilità di tre diverse CPU per molteplici esigenze di automazione;

      ampliabilità modulare fino a tre diversi telai di montaggio, estrema compattezza, un bus backplane integrato nelle varie unità e tecniche di collegamento di tipo preconfezionato (morsettiere passive)

viene garantita la compatibilità con l’intera famiglia SIMATIC. Inoltre le funzioni ausiliare di servizio e supervisioni integrate, il software di programmazione STEP 7 basato su sistema operativo Windows e dispositivi di programmazione dedicati velocizzano lo sviluppo dei programmi e garantiscono l’inserimento dello strumento tipico dell’automazione industriale nell’ambito dell’ultima generazione dei dispositivi informatici. Per la parametrizzazione di tutte le unità esiste un unico strumento software con livello operativo unitario. Nel sistema operativo del SIMATIC S7 300 sono integrate funzioni ausiliare di servizio e supervisione; tali funzioni non devono quindi essere predisposte in fase di progettazione. Il sistema diagnostico della CPU sorveglia continuamente la funzionalità del sistema e ne registra errori ed eventi specifici (per esempio errori temporali, scambio di unità, non integrità dei dati di scambio, ecc.). Gli eventi vengono memorizzati in un buffer con indicazione temporale per la successiva ricerca degli errori. Un selettore dei modi di funzionamento (STOP, RUN, RUN / P) consente tramite una chiave di definire le modalità di accesso al sistema; a chiave estratta il modo di funzionamento non può essere cambiato. Sono così impedite la cancellazione e la sovrascrittura del programma utente da parte del personale. Infine sono state implementate funzioni per un’aritmetica in virgola mobile, con la conseguente introduzione di funzioni matematiche complesse.

 

I dispositivi di progettazione di ultima generazione offrono attualmente molto di più di un normale PC, almeno per quanto riguarda le applicazioni nella tecnica di automazione e rappresentano quindi la soluzione ideale per la manutenzione, il service, la messa in servizio, la programmazione e la progettazione. In generale tali strumenti sono caratterizzati da un’ampia dotazione di interfacce integrate per il collegamento di altri componenti di automazione, vari software e caratteristiche industriali. I dispositivi di programmazione PG SIMATIC hanno il software STEP 7 e STEP 5 preinstallato, l’interfaccia per il collegamento con il controllore programmabile ed un programmatore di memorycard o EPROM integrati.

Il linguaggio STEP 7costutuisce lo sviluppo conseguente delle sperimentate funzioni STEP 5 e propone nuovi modelli di sviluppo software per progettare e programmare. Sono disponibili diverse funzioni per tutte le fasi di un progetto di automazione , dalla costruzione del sistema modulare alla programmazione della CPU, al tuning delle proprietà modulari. Il sistema operativo su cui è basato è costituito da Windows ed utilizza quindi i vantaggi di un interfaccia utente intuitiva, di facile apprendimento ed ormai di conoscenza diffusa. Un “help” in linea consente di evitare la ricerca di spiegazioni o di funzioni particolari nei vari manuali utente; è garantita l’omogeneità con il mondo PC ed è pertanto possibile importare nello STEP 7 files di simboli approntati con un diverso strumento software in uno dei formati standard. La disponibilità di un notevole numero di operatori rende possibile lo sviluppo grafico anche per programmi complessi; sono comunque disponibili tre diversi linguaggi di rappresentazione: AWL (lista di istruzioni), KOP (schema a contatti), e FUP (schema logico in preparazione). Tutti i blocchi di programmazione hanno la possibilità di contenere il repertorio operazionale completo; tipo di blocco e funzionalità sono univocamente correlabili.

L’utente di STEP 7 ha a disposizione una serie di strumenti coordinati per un livello operativo omogeneo. La costruzione di un progetto si può riassumere nelle seguenti fasi:

1.     configurazione dell’hardware: definizione dei telai di montaggio, predisposizione delle unità.

2.     Progettazione della comunicazione: definizione dello scambio dati tra sistemi di automazione tra loro e con altre apparecchiature (per esempio un pannello operatore)

3.     Programmazione: predisposizione e dimensionamento dei dati, sviluppo del programma utente in lista istruzioni o schema a contatti.

4.     Test e messa in servizio: prova del programma utente, visualizzazione e modifica variabili, visualizzazione di segnalazione di errori della CPU.

5.     Correzione on – line del programma utente.

Nello STEP 7 sono disponibili i seguenti tipi di blocco: organizzativi (OB), funzionali e funzioni (FB e FC), dati e dati di istanza (DB), funzionali e funzioni di sistema (SBF e SBC) e dati di sistema (SDB). I blocchi organizzativi regolano lo svolgimento del programma; questi, indipendentemente dall’evento che li attiva, sono suddivisi in classi con diverse priorità. A seconda delle priorità gli OB si possono interrompere vicendevolmente. Allo start di un OB viene fornita un’informazione dettagliata sull’evento che l’ha attivato. I blocchi funzionali contengono il programma utente vero e proprio; questi possono essere alimentati con dati diversi ad ogni richiamo. I dati, gli eventi ed i valori intermedi vengono registrati nel corrispondente blocco dati di istanza e gestiti automaticamente dal sistema. Le funzioni contengono routines di programma per comandi di frequenze utilizzo; esse non necessitano di alcun blocco dati di istanza. Ad ogni funzione è associato un valore corrispondente; sono possibili altri parametri di uscita, i quali vengono passati al blocco richiamante. I blocchi dati sono aree di dati per la memorizzazione dei dati di utente; ai dati di un blocco può essere associato un tipo di dato elementare o strutturato. Tipi di dati elementari sono per esempio INT o REAL; tipi di dati strutturati (campi o strutture) sono costituiti dall’insieme di dati elementari. I dati di un blocco possono essere indirizzati simbolicamente per facilitare la leggibilità del programma. I blocchi dati di istanza devono essere attribuiti al blocco FB / SFB quando questi viene richiamato. Essi sono generati automaticamente in fase di traduzione. L’utente può accadere a questi dati, anche in modo simbolico, da qualsiasi punto del programma. I blocchi funzionali di sistema, le funzioni di sistema ed i blocchi dati di sistema sono integrati nel sistema operativo della CPU.

 

La tendenza degli impianti di automazione va oggi verso strutture di tipo decentralizzato, poiché queste risultano più flessibili, più semplici e più economiche. Un sistema di bus aperto è quindi una priorità necessaria affinché componenti eterogenee di tipo diverso (comprese le apparecchiature da campo) possano funzionare insieme senza problemi nel rispetto di un livello di costo accettabile. Il bus PROFIBUS rappresenta uno standard ottimale per il raggiungimento di tale scopo. Insieme al sistema di periferia decentrata ET 200esso offre tutte le libertà di configurazione e consente di realizzare velocemente strutture di automazione decentrate in modo semplice ed a costi contenuti. La progettazione con Windows e la possibilità di programmazione a distanza via bus garantiscono in ogni caso potenzialità e facilità d’uso.

A tutti i livelli di automazione SIMATIC ha una lingua comune per le comunicazioni: SINEC H1 è il sistema di bus per il livello applicativo medio / alto conforme allo standard internazionale Ethernet, SINEC L2 è il sistema di bus per il livello applicativo medio / basso basato su PROFIBUS.

Come successore del SINEC L è disponibile per i PLC SIMATIC S7 300 e S7 400 l’interfaccia multipoint MPI integrata nella CPU. Grazie all’interfaccia MPI apparecchiature di servizio e supervisione, dispositivi di programmazione, PC e PLC S7 possono essere connessi tra loro senza processori di comunicazione addizionali. Indipendentemente dal tipo di comunicazione l’utnte interagisce sempre con lo stesso livello operativo. Per il SIMATIC S7 200 c’è l’interfaccia punto a punto PPI; in base a tale interfaccia il dispositivo programmabile può essere messo in comunicazione con i partners più svariati.

 

Poiché tutto va tenuto sotto controllo, i sistemi di servizio e supervisione giocano un ruolo sempre più importante anche per i comandi più semplici. Il sistema DSIMATIC S7 ad esempio, può funzionare in stretta combinazione con le apparecchiature di servizio e supervisione COROS. Queste richiedono al SIMATIC S7 solo i dati processo necessari per le figure / pagine video progettate. La procedura di trasmissione è automatica e non ne va tenuto conto nel programma utente. I pannelli COROS dispongono per la progettazione dello stesso livello operativo sotto Windows come il SIMATIC S7.


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14 10 2014
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