Programmazione PLC e automazione degli impianti industriali

La programmazione PLC è diventata negli ultimi decenni indispensabile per una corretta gestione di macchinari, processi e impianti elettrici industriali.

In questa guida vedremo i riferimenti principali che riguardano l’automazione dei processi industriali attraverso la programmazione PLC. Questa guida vuole essere un punto di partenza per chi si approccia per la prima volta a questa branca complessa e oggi molto richiesta.

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Monico Impianti sin dal 1946 si occupa di impianti elettrici civili e industriali, collaborando con le principali aziende della provincia di Belluno.

Che cos’è il PLC?

E l’acronimo di Programmable Logic Controller e significa “Controllore a Logica Programmabile”. Si tratta sostanzialmente una computer che non si interfaccia con l’uomo ma con i circuiti di un impianto elettrico.

Una buona programmazione PLC permette di automatizzare numerosi processi industriali, come la depurazione delle acque, il controllo delle temperature, eccetera…

L’hardware del PLC

Il PLC è composto da un telaio, chiamato rack, con un certo numero di posti scheda: il primo dei quali è riservato all’elemento più importanti di tutti, cioè il processore.

Il microprocessore

Il cuore della programmazione PLC risiede nella presenza di un micro-processore che ha il compito di eseguire in tempi estremamente brevi una sequenza di operazioni dette Instruction Set, ovvero set di istruzioni.

Sistemi di Input & Output

Un PLC può avere segnali di ingresso e di uscita analogici o digitali. Questo vuol dire che può essere collegato ad esempio ad una sonda di temperatura che riceve dei dati in ingresso e reagisce effettuando un comando.

Programmazione PLC

Lo standard IEC 1131-3 fa riferimento proprio ad una standardizzazione che riveste un ruolo chiave nei processi industriali. La norma IEC 1131-3 è oggi molto utilizzata, prevede 5 linguaggi di programmazione differenti ed supportata da vari software commerciali. Possiamo distinguere:

• i linguaggi testuali
  E’ il tipo di programmazione PLC più complessa per chi è agli inizi. Hanno provenienza elettronica/informatica, per cui rappresentano dei veri e propri linguaggi di programmazione.
  
  • Instruction List (IL) – struttura simile all’assembler, viene utilizzato nella produzione di problemi più semplici e non supporta programmazione strutturata. Generalmente viene interpretata direttamente dal PLC
  • Structured Text (ST) – è il linguaggio di programmazione PLC testuale più complesso, indispensabile per compiere determinate operazioni all’interno del sistema.
• i linguaggi grafici
  Si presentano come schemi elettrici o a blocchi.
  • Schema a contatti (LD) – è il linguaggio di programmazione PLC più usato perché si presenta proprio come uno schema elettrico.
  • Schema blocchi di funzione (FBD) – viene usato nei processi automatizzati delle grandi centrali e funziona come i classici blocchi dell’elettrotecnica.
  • Schema funzionale in sequenza (SRF) – si basa su un linguaggio di programmazione PLC sviluppato in Francia con una rappresentazione a blocchi. Ogni blocco rappresenta un’operazione della macchina dell’impianto.

Come si programmano i PLC

Generalmente la programmazione avviene attraverso l’uso di software su un PC. In questa prima fase il computer è scollegato dal PLC che è interamente nelle mani di un programmatore.

Una volta esplicitato tutto il codice o eseguita fase off-line di programmazione, si esegue il download, cioè si scarica il codice con un cavetto all’interno della memoria del PLC. La fase di caricamento può essere effettuata solo quando il PLC è spento, tranne nei dispositivi più grossi.

Modalità di funzionamento

Il PLC può essere impostato in due diverse modalità.

• programmazione (Stop): il PLC è fermo e attende che il programmatore carichi i suoi dati e li configuri all’interno della memoria. In questa fase tutte le uscite (output analogici e digitali) sono disattivate, per cui i macchinari collegati restano inattivi.
  E’ questo un dettaglio da non trascurare ad esempio quando il PLC va a controllare anche gli impianti di illuminazione.
• esecuzione (Run): in base al programma caricato, il PLC esegue il programma interno e aggiorna le uscite così come pre-impostate dal programmatore.

Nel caso in cui si verifichi un errore irreversibile (ad esempio una divisione per zero), il PLC entra automaticamente in modalità programmazione e attende una riconfigurazione del programmatore.

Cenni sul linguaggio di programmazione PLC

Chi ha studiato un po’ informatica ha ben presente il concetto di numeri binari. L’informazione digitale base è il bit, costituita da un transistor che rappresenta una cella di memoria non attiva (cioè con valore 0) o attiva (cioè con valore 1).

Il byte è un gruppo di 8 bit e il word è un gruppo di 16 bit. Il bit può rappresentare solo due combinazioni (cioè 0 e 1), mentre il byte può rappresentarne 2^8 (con numeri fino a 255) e il word 2^16 (con numeri fino a 65.535).

Poiché i microprocessori dei PLC funzionano a 16 bit, allora le informazioni vengono rappresentate in word.

Software del PLC

Instructions set

Abbiamo già detto che il PLC non è altro che un piccolo computer con un suo microprocessore, memoria interna e dispositivi di input e output. La struttura hardware di cui abbiamo parlato necessità di un set di istruzioni che possono essere variabili a seconda del tipo di PLC utilizzato. In generale sono possibili:

• calcoli matematici;
• confronto tra dati;
• manipolazione di dati alfanumerici e stringhe;
• controllo di variabili nei processi;
• unità di misura;
• istruzione gestione nelle comunicazioni;

Nella memoria del PLC ci sono in genere 2 file: File di Immagine degli Ingressi e File di Immagine delle Uscite che regolano i processi di INPUT e OUTPUT.

System files

Così come in un normale computer, c’è poi un’area della memoria riservata ai file di sistema, non modificabili direttamente dal programmatore PLC e che però sono fondamentali al corretto funzionamento della struttura.

Obiettivi della programmazione PLC

Gli obiettivi primari di un buon programma PLC sono la sicurezza delle persone e delle cose, l’efficienza nell’utilizzo dei macchinari, comprensione del programma e protezione contro gli errori.

A tal fine il programmatore deve conoscere alla perfezione quelle che saranno le macchine elettriche che dovranno essere servite dal PLC.