Il controllore logico programmabile (, spesso in sigla, PLC) è un computer per l'industria specializzato in origine nella gestione o controllo dei processi industriali.
Esegue un programma ed elabora i segnali digitali ed analogici provenienti da sensori e diretti agli attuatori presenti in un impianto industriale, con la struttura del PLC che viene adattata in base al processo da automatizzare: durante la progettazione del sistema di controllo, vengono scelte le schede adatte alle grandezze elettriche in gioco; le varie schede vengono quindi inserite sul BUS o rack del PLC. Il primo PLC è stato creato da Dick Morley nel 1968 con il marchio Modicon, successivamente di proprietà di Schneider Electric.
Nel tempo, con la progressiva miniaturizzazione della componentistica elettronica e la diminuzione dei costi, è entrato anche nell'uso domestico; l'installazione di un PLC nel quadro elettrico di un'abitazione, a valle degli interruttori magnetotermico e differenziale (salvavita), permette la gestione automatica dei molteplici sistemi e impianti installati nella casa: impianto di riscaldamento, antifurto, irrigazione, LAN, luci, ecc. Si tratta di un oggetto hardware componibile. La caratteristica principale è la sua robustezza estrema; infatti normalmente è posto in quadri elettrici in ambienti rumorosi, con molte interferenze elettriche, con temperature elevate o con grande umidità. In certi casi il PLC è in funzione 24 ore su 24, per 365 giorni all'anno, su impianti che non possono fermarsi mai.
Struttura Un PLC è composto da un alimentatore, dalla CPU, da una o più memorie di tipo RAM, ROM, EPROM o EEPROM e da un certo numero di schede di ingressi digitali e uscite digitali, che possono essere sia integrate nel PLC stesso (in questo caso si dicono on board) oppure su moduli esterni (dette periferiche decentralizzate), collegati da un apposito bus di comunicazione. Nel caso in cui sia necessario gestire segnali analogici, il PLC può ospitare delle schede di ingresso o di uscita analogiche, on board o esterne.
Se il PLC opera in rete con altri PLC, sono necessarie delle schede di comunicazione adatte al protocollo di rete già implementato sugli altri PLC.
Nel caso di operazioni di movimentazione, come nel campo della robotica, il PLC ospita delle schede di controllo assi, cioè delle schede molto veloci e sofisticate che permettono di gestire spostamenti e posizionamento.
Ci possono inoltre essere altre schede con funzioni particolari, in base all'impiego specifico del PLC.
Alimentatore L'alimentatore è un apparato necessario per il funzionamento dei PLC. Esso è utilizzato per fornire l'energia elettrica a tutte le schede del PLC. Fornisce le tensioni a 5 V necessarie alle schede, le tensioni a + o - 12 V, le altre tensioni necessarie, sempre in corrente continua (DC). Può essere interno o esterno al PLC. Nella normalità dell'uso, in campo industriale, l'alimentazione è a 24 VDC compatibile con la maggior parte dei sensori in commercio.
CPU La CPU è il cervello del PLC. La CPU è una scheda complessa basata su una logica programmabile con funzionalità base di memorizzazione e accesso ad I/O (input/output), nonché bootloader, e con una zona di memoria a disposizione del programma utente, cioè del programma di automazione.
La memoria utente è spesso esterna come ad esempio nel caso di memoria EPROM. Il vantaggio derivante dall'utilizzo di una memoria esterna risiede nella possibilità di trasferire agevolmente il programma di automazione su un nuovo dispositivo in caso di malfunzionamento, nonché nella salvaguardia del codice programma in situazioni di inaccessibilità del dispositivo originario. La CPU durante il funzionamento a regime, comunica con tutte le schede connesse sul BUS del PLC, trasferendo dati e comandi da e verso l'esterno (input e output).
Una delle caratteristiche peculiari di molte CPU è la capacità di poter gestire le modifiche del programma di gestione del processo durante il normale funzionamento. Questa possibilità è estremamente utile nel caso di impianti che devono essere sempre attivi, come ad esempio nel controllo di processo e nella produzione industriale in serie.
All'interno della CPU ci sono varie parti, tra cui unità di gestione, ovvero informazioni di gestione del PLC stesso, impostate dal costruttore e trasparenti all'utente; archivio di temporizzatori e contatori funzionali all'operatività del PLC; memorie immagine del processo, cioè le informazioni in ingresso ed i comandi in uscita del processo; memoria utente, in cui vengono scritti i programmi che il PLC deve eseguire; interfaccia per il dispositivo di programmazione, che comunica con gli strumenti di programmazione; bus dati, comando, indirizzi per la veicolazione dei dati fra le varie parti e con l'esterno della CPU.
Memorie I PLC possono essere dotati di una o più memorie, sia in base alla specifica applicazione sia in base alle diverse case costruttrici. In generale, nella maggior parte delle configurazioni si possono distinguere:
memoria di caricamento: è una memoria non volatile, che contiene il programma, i dati e le configurazioni del PLC; memoria di lavoro: è una memoria volatile usata per l'esecuzione del programma e per le variabili locali; memoria ritentiva: non volatile, è usata per memorizzare dati che devono restare salvati anche a CPU spenta; slot per memoria esterna (SD o simili): in alcuni PLC è presente uno slot per una memoria tampone, la cui presenza o meno non influisce sul funzionamento del PLC, ma può essere utile ad esempio per archiviare i log di processo o dei dati di lavoro che si vogliono esportare; in altri PLC, questa memoria tampone è necessaria per il funzionamento.
Schede di ingresso digitali Le schede di ingresso digitali sono utilizzate per la lettura di segnali digitali, cioè di tensioni a due valori (ad esempio 0 V o 24 V, oppure 0 V 110 V). Ogni scheda può gestire da 4 a 64 ingressi digitali differenti. I segnali dal campo vengono fatti arrivare con cavi elettrici fino alla morsettiera della scheda.
Schede di uscita digitali Le schede di uscita digitali sono usate per i comandi di attuatori digitali. Ad esempio un relè è un attuatore digitale, in quanto può avere soltanto due stati stabili: diseccitato, o eccitato. Altro esempio di attuatore è una valvola digitale a due stati: aperta, chiusa (elettrovalvola). Anche nel caso di schede di uscita digitali, si possono gestire da un minimo di 4 ad un massimo di 64 uscite digitali differenti.
Schede di ingresso analogiche Questo tipo di schede di ingresso permettono il controllo di grandezze elettriche il cui valore può variare all'interno di un intervallo; si distinguono due casi: variazione della tensione e variazione della corrente. Ad esempio sono disponibili schede di ingresso analogiche in corrente, con un intervallo variabile tra 4 mA e 20 mA. Molti produttori di PLC rendono disponibili schede con ingressi analogici per sonde di temperatura (sia Pt100 che termocoppie).
Schede di uscita analogiche Le schede di uscita analogiche permettono di controllare degli attuatori variabili. Possono essere in corrente o in tensione ed avere una determinata risoluzione esprimibile in bit. Ad esempio è possibile comandare un motore elettrico tramite un inverter variandone la velocità, tramite la frequenza, da zero alla sua massima velocità. Oltre all'esempio sopra citato servono per regolazioni di temperatura variando l'intervallo di uscita, regolazioni di luce. Un esempio che può risultare molto chiaro è quella dell'intensità luminosa di una serie di plafoniere. Tramite un potenziometro noi aumenteremo o diminuiremo l'intensità luminosa. Ad ogni aumento o diminuzione di luce corrisponde un equivalente segnale in corrente o in tensione.
Schede di comunicazione Il PLC durante il suo funzionamento può comunicare con computer, con altri PLC oppure con altri dispositivi come le macchine CNC (i torni e/o le frese a controllo numerico delle aziende).
La comunicazione con computer e altri dispositivi avviene tramite tipi di connessione standard come: RS232 RS422/RS485 TCP/IP
La comunicazione con altri PLC avviene tramite protocolli standard, ad esempio:
CANopen CAN BUS Controlnet DeviceNet EGD ETHERCAT Ethernet Modbus Modbus Plus Modbus TCP/IP Profibus Profinet TCP/IP UDP/IP Wi-Fi 802.11
Schede speciali Molti PLC, oltre le consuete schede di ingresso/uscita, analogiche/digitali, ha a catalogo moduli dedicati a particolari compiti di automazione. Il vantaggio nell'uso di tali schede è quello di avere il controllo di un'operazione/evento indipendentemente dal ciclo del PLC, relegando il PCM alla funzione di controllo/parametrizzazione. L'offerta è veramente vasta e ogni produttore propone a catalogo le più svariate soluzioni, fra cui si segnala:
Schede di conteggio veloce Chiamate comunemente schede conta impulsi, sono in grado di accogliere il segnale di un sensore di conteggio e direzione (up/down ossia incremento/decremento) più un canale di azzeramento, sia in single ended (ossia a livelli di tensione 0÷24 V) che in differenziale (normalmente secondo lo standard RS-422); normalmente è possibile programmarle in modo che scatenino un evento (per esempio alzando un'uscita) al raggiungimento di un dato conteggio o se il conteggio è compreso fra una finestra di valori. Su tali schede sono normalmente disponibili un numero limitato di uscite programmabili.
Schede programmatori a camme Compito di tali schede è emulare una o più camme meccaniche; accettano in ingresso un segnale proveniente da un encoder ed è possibile, se la posizione è entro determinate finestre, avviare un evento tramite un'uscita digitale programmabile.
Schede PID (Proporzionale Integrale Derivativo) Spesso nel campo industriale è necessario controllare una variabile del processo (per esempio la potenza applicata su un elemento riscaldante), rilevando una variabile da esso dipendente (per esempio la temperatura di un ambiente). Se il processo è particolarmente critico è necessario eseguire il controllo in modo accurato, tramite moduli dedicati. In passato, prima dell'avvento dei controllori logici programmabili (PLC), esistevano moduli hardware, in qualche caso realizzati con tecnologie ibride meccaniche, pneumatiche, elettromeccaniche, in grado di svolgere la regolazione sommando le tre azioni proporzionale, integrativa e derivativa, ma al giorno d'oggi sono realizzati dalle stesse case produttrici dei PLC, non solo come blocchetti aggiuntivi hardware, ma anche come blocchi software a cui è sufficiente passare i corretti parametri.
Schede controllo assi Si impiegano ove sia necessario controllare il movimento di un organo meccanico tramite un motore, sia esso brushless che passo passo. Alcune schede presentano un funzionamento particolarmente semplice permettendo di fissare una quota di consegna che l'asse deve raggiungere e un ingresso per il feedback di posizione, altre - particolarmente complesse - permettono grandissima flessibilità e permettono di emulare diversi profili. Per realizzare questi posizionamenti è necessario generalmente un modulo di potenza esterno (amplificatore di corrente) per il comando effettivo del motore.
Schede safety Sono adoperate per tutti i segnali e le sequenze il cui controllo deve rispettare normative di sicurezza.
Funzionamento