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Il principio di funzionamento e le basi della programmazione PLC
Controllori logici programmabili (PLC)
Prima dell'avvento dei circuiti logici a stato solido, lo sviluppo di sistemi di controllo logici si basava su relè elettromeccanici. Ad oggi, i relè non sono obsoleti nella loro destinazione, ma tuttavia in alcune delle loro funzioni precedenti sono sostituiti da un controller.
Nell'industria moderna ci sono molti sistemi e processi diversi che richiedono automazione, ma ora tali sistemi sono raramente progettati da relè. I moderni processi di produzione richiedono un dispositivo programmato per eseguire varie funzioni logiche. Alla fine degli anni '60, la società americana Bedford Associates sviluppò un dispositivo chiamato MODICON (Modular Digital Controller). Successivamente, il nome del dispositivo divenne il nome dell'unità dell'azienda che lo progettò, lo realizzò e lo vendette.
Altre società hanno sviluppato le proprie versioni di questo dispositivo e alla fine è diventato noto come PLC o controller logico programmabile. L'obiettivo di un controller programmabile in grado di simulare il funzionamento di un gran numero di relè era di sostituire i relè elettromeccanici con elementi logici.
Il PLC ha una serie di terminali di ingresso con i quali è possibile monitorare lo stato di sensori e interruttori. Esistono anche terminali di uscita che forniscono un segnale "alto" o "basso" agli indicatori di potenza, alle elettrovalvole, ai contattori, ai piccoli motori e ad altri dispositivi di automonitoraggio.
I PLC sono facili da programmare perché il loro linguaggio di programmazione ricorda la logica di un relè. Quindi un normale elettricista industriale o ingegnere elettrico, abituato a leggere i circuiti logici della scala, si sentirà a proprio agio durante la programmazione di un PLC per svolgere le stesse funzioni.
La connessione del segnale e la programmazione standard sono leggermente diverse per i diversi modelli di PLC, ma sono abbastanza simili, il che consente di inserire qui un'introduzione "generale" alla programmazione di questo dispositivo.
La seguente illustrazione mostra un semplice PLC, o meglio, come potrebbe apparire di fronte. Due morsetti a vite per il collegamento di circuiti PLC interni fino a 120 V CA sono contrassegnati L1 e L2.
Sei terminali a vite situati sul lato sinistro forniscono il collegamento per i dispositivi di input. Ogni terminale rappresenta il suo canale di ingresso (X). Il terminale a vite (collegamento "generale") situato nell'angolo in basso a sinistra è generalmente collegato alla sorgente di corrente L2 (neutra) con una tensione di 120 V CA.
All'interno dell'alloggiamento del PLC che collega ciascun terminale di ingresso a un terminale comune, è presente un dispositivo opto-isolatore (LED) che fornisce un segnale "alto" isolato elettricamente per il circuito del computer (un fototransistor interpreta la luce a LED) quando viene installata una corrente alternata a 120 volt tra il corrispondente terminale di ingresso e il comune terminale. Il LED sulla parte anteriore del PLC consente di capire quale ingresso è attivo:
I segnali di uscita sono generati dai circuiti del computer PLC, attivando un dispositivo di commutazione (transistor, tiristore o persino un relè elettromeccanico) e collegando il terminale "Sorgente" (angolo in basso a destra) a qualsiasi uscita contrassegnata con la lettera Y. Il terminale di origine è generalmente associato a L1. Proprio come ogni ingresso, ogni uscita eccitata è contrassegnata da un LED:
Pertanto, il PLC può essere collegato a qualsiasi dispositivo, come interruttori ed elettromagneti.
Nozioni di base sulla programmazione PLC
La moderna logica del sistema di controllo è installata nel PLC tramite un programma per computer.Questo programma determina quali uscite sono attive e in quali condizioni di ingresso. Sebbene il programma stesso assomigli a un circuito logico di relè, non ci sono contatti di commutazione o bobine di relè che operano all'interno del PLC per creare connessioni tra ingresso e uscita. Questi contatti e bobine sono immaginari. Il programma viene scritto e visualizzato utilizzando un personal computer collegato alla porta di programmazione del PLC.
Considerare il seguente programma di circuito e PLC:
Quando l'interruttore a pulsante non è attivato (nello stato spento), il segnale non viene inviato all'ingresso X1. In conformità con il programma, che mostra l'ingresso "aperto" X1, il segnale non verrà inviato all'uscita Y1. Pertanto, l'uscita Y1 rimarrà diseccitata e l'indicatore ad esso collegato si spegnerà.
Se l'interruttore a pulsante viene premuto, il segnale verrà inviato all'ingresso X1. Tutti i contatti X1 nel programma assumeranno uno stato attivato, come se fossero contatti di relè attivati fornendo tensione a una bobina di relè chiamata X1. In questo caso, il contatto aperto X1 sarà “chiuso” e invierà un segnale alla bobina Y1. Quando la bobina Y1 è eccitata, l'uscita Y1 si accenderà con una lampadina collegata ad essa.
Dovrebbe essere chiaro che il contatto X1 e la bobina Y1 sono collegati tramite fili e il "segnale" che appare sul monitor del computer è virtuale. Non esistono come componenti elettrici reali. Sono presenti solo in un programma per computer - parte del software - e assomigliano solo a ciò che sta accadendo nel circuito del relè.
È altrettanto importante capire che il computer utilizzato per scrivere e modificare il programma non è necessario per un ulteriore utilizzo del PLC. Dopo che il programma è stato caricato nel controller programmabile, il computer può essere spento e il PLC eseguirà in modo indipendente i comandi del programma. Includiamo un monitor per personal computer nell'illustrazione in modo da comprendere la connessione tra condizioni reali (chiusura interruttore e stati lampada) e stati del programma (segnali attraverso contatti virtuali e bobine virtuali).
La vera potenza e versatilità del PLC si rivela quando vogliamo cambiare il comportamento del sistema di controllo. Poiché il PLC è un dispositivo programmabile, possiamo modificare i comandi che abbiamo impostato senza riconfigurare i componenti ad esso collegati. Supponiamo di aver deciso di cambiare la funzione "interruttore - lampadina" al contrario: premere il pulsante per spegnere la lampadina e rilasciarla per accenderla.
La soluzione a questo problema in condizioni reali è che l'interruttore, "aperto" in condizioni normali, è sostituito da un "chiuso". La sua soluzione software sta cambiando il programma in modo tale che il contatto X1 in condizioni normali sia "chiuso" e non "aperto".
Nell'immagine seguente vedrai un programma già modificato, con l'interruttore non attivato:
E qui l'interruttore è attivato:
Uno dei vantaggi dell'implementazione del controllo logico nel software, rispetto al controllo mediante hardware, è che i segnali di ingresso possono essere utilizzati tutte le volte che è necessario. Ad esempio, considera un circuito e un programma progettati per accendere una lampadina se almeno due dei tre interruttori sono attivati contemporaneamente:
Per costruire un circuito simile utilizzando un relè, saranno necessari tre relè con due contatti aperti in condizioni normali, ciascuno dei quali deve essere utilizzato. Tuttavia, utilizzando il PLC, possiamo programmare quanti pin per ogni ingresso "X" vorremmo senza aggiungere ulteriori apparecchiature (ogni ingresso e uscita non dovrebbero occupare più di 1 bit nella memoria digitale del PLC) e chiamarli tutte le volte necessarie .
Inoltre, poiché ogni uscita del PLC occupa non più di un bit nella sua memoria, possiamo aggiungere contatti al programma, portando l'uscita Y in uno stato inattivo. Ad esempio, prendere uno schema del motore con un sistema per controllare l'inizio del movimento e arrestare:
L'interruttore collegato all'ingresso X1 funge da pulsante "Start", mentre l'interruttore collegato all'ingresso X2 funge da pulsante "Stop". Un altro contatto, denominato Y1, come la stampa in contatto, consente al contattore del motore di rimanere eccitato anche se si rilascia il pulsante Avvio. In questo caso, puoi vedere come il contatto X2, "chiuso" in condizioni normali, appare nel blocco di colore, mostrando così che si trova nello stato "chiuso" ("elettricamente conduttivo").
Se si preme il pulsante "Start", una corrente passerà attraverso il contatto "chiuso" X1 e invierà 120 VAC al contattore del motore. Anche il contatto parallelo Y1 si "chiuderà", chiudendo così il circuito:
Se ora premiamo il pulsante "Start", il contatto X1 entrerà nello stato "aperto", ma il motore continuerà a funzionare, poiché il contatto chiuso Y1 manterrà comunque la bobina sotto tensione:
Per arrestare il motore, è necessario premere rapidamente il pulsante "Stop", che segnalerà la tensione all'ingresso X1 e il contatto "aperto", che porterà alla terminazione dell'alimentazione di tensione alla bobina Y1:
Quando si è premuto il pulsante "Stop", l'ingresso X1 è stato lasciato senza tensione, riportando così il contatto X1 al suo normale stato "chiuso". In nessun caso il motore funzionerà di nuovo fino a quando non si preme nuovamente il pulsante Avvio, poiché la stampa nel pin Y1 è andata persa:
Un modello tollerante ai guasti dei dispositivi di controllo PLC è molto importante, come nel caso dei dispositivi di controllo a relè elettromeccanici. È sempre necessario tenere conto dell'effetto di un contatto erroneamente "aperto" sul sistema. Quindi, ad esempio, nel nostro caso, se il contatto X2 viene erroneamente "aperto", non ci sarà modo di arrestare il motore!
La soluzione a questo problema è riprogrammare il contatto X2 all'interno del PLC e premere effettivamente il pulsante Stop:
Quando il pulsante “Stop” non viene premuto, l'ingresso del PLC X2 viene eccitato, ad es. il contatto X2 è "chiuso". Ciò consente al motore di avviare il funzionamento quando la corrente viene comunicata al terminale X1 e di continuare il funzionamento quando viene rilasciato il pulsante "Avvio". Quando si preme il pulsante "Stop", il contatto X2 passa allo stato "aperto" e il motore smette di funzionare. Quindi, puoi vedere che non esiste alcuna differenza funzionale tra questo e il modello precedente.
Tuttavia, se il terminale di ingresso X2 è stato erroneamente "aperto", l'ingresso X2 può essere arrestato premendo il pulsante "Stop". Di conseguenza, il motore si spegne immediatamente. Questo modello è più sicuro del precedente, dove premendo il pulsante "Stop" sarà impossibile arrestare il motore.
Oltre agli ingressi (X) e alle uscite (Y) nel PLC, è possibile utilizzare “contatti interni e bobine. Sono utilizzati allo stesso modo dei relè intermedi utilizzati nei circuiti relè standard.
Per comprendere il principio di funzionamento dei circuiti e dei contatti "interni", considerare il seguente circuito e programma sviluppato sulla base dei tre ingressi della funzione logica AND:
In questo circuito, la lampada è accesa finché non viene premuto uno dei pulsanti. Per spegnere la lampada, premere tutti e tre i pulsanti:
Questo articolo sui controller logici programmabili illustra solo un piccolo esempio delle loro capacità. Come computer PLC, può eseguire altre funzioni avanzate con una precisione e un'affidabilità molto maggiori rispetto all'uso di dispositivi logici elettromeccanici. La maggior parte dei PLC ha più di sei ingressi e uscite. La seguente illustrazione mostra uno dei PLC Allen-Bradley:
Con i moduli, ognuno dei quali ha 16 ingressi e uscite, questo PLC ha la capacità di controllare una dozzina di dispositivi.Un PLC posizionato nel quadro elettrico occupa poco spazio (per i relè elettromeccanici che svolgono le stesse funzioni, sarebbe necessario molto più spazio libero).
Uno dei vantaggi del PLC, che semplicemente non può essere duplicato da un relè elettromeccanico, è il monitoraggio e il controllo remoti tramite la rete digitale del computer. Poiché un PLC non è altro che un computer digitale specializzato, può facilmente "parlare" con altri computer. La foto successiva è una rappresentazione grafica del processo di riempimento del liquido (stazione di pompaggio per il trattamento delle acque reflue municipali) controllato da un PLC. Inoltre, la stazione stessa si trova a pochi chilometri dal monitor del computer.
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