Sommario PREFAZIONE 4 1 IL PLC: ASPETTI GENERALI5...

CONTROLLORI LOGICI PROGRAMMABILI 0.14

Sommario

PREFAZIONE 4

1 IL PLC: ASPETTI GENERALI .................................................................. 5

1.1 Comandi automatici a logica cablata e logica programmabile .............................................................. 5

1.2 Domande ed esercizi ........................................................................................................................ 7

2 L’HARDWARE 8

2.1 L'unità centrale ................................................................................................................................. 8

2.1.1 Il microprocessore .......................................................................................................................... 8

2.1.2 Le memorie RAM e ROM ............................................................................................................... 9

2.1.3 I bus di comunicazione ................................................................................................................. 10

2.2 Moduli di ingresso e di uscita ........................................................................................................... 10

2.2.2 Moduli di ingresso digitali .............................................................................................................. 12

2.2.3 Moduli di uscita digitali .................................................................................................................. 15

2.3 Moduli di ingresso ed uscita analogici .............................................................................................. 17

2.3.1 La conversione AD ....................................................................................................................... 17

2.5 Domande ....................................................................................................................................... 18

2.6 Esercizi .......................................................................................................................................... 19

3 IL SOFTWARE 20

3.1 Linguaggi di programmazione del PLC e la normativa IEC 1131 ....................................................... 20

3.2 Ciclo di scansione ........................................................................................................................... 22

3.3 Domande ....................................................................................................................................... 24

4 IL PLC ZELIO 25

4.1 Introduzione .................................................................................................................................... 25

5 IL PLC SIMATIC S7-200 .......................................................................... 28

5.1 Introduzione .................................................................................................................................... 28

5.2 Ciclo di scansione della CPU ........................................................................................................... 28

5.3 L'accesso ai dati ............................................................................................................................. 30

5.4 Domande ed esercizi ...................................................................................................................... 34

1


6 TUTORIAL DI PROGRAMMAZIONE ....................................................... 35

6.1 L'autoritenuta .................................................................................................................................. 35

6.2 L'autoritenuta con le bobine set e reset. ........................................................................................... 37

6.3 Il circuito ad impulso ........................................................................................................................ 40

6.4 Ritardo all'inserzione ....................................................................................................................... 43

6.5 Ritardo alla disinserzione ................................................................................................................. 48

6.6 Contapezzi ..................................................................................................................................... 53


7 GRAFCET E TECNICA DEI PASSI .......................................................... 58

7.1 Un esempio concreto ...................................................................................................................... 58

7.2 Introduzione al Grafcet .................................................................................................................... 58

7.3 Tecnica dei passi ............................................................................................................................ 63

7.3.1 Regole della sequenza di passi ..................................................................................................... 63

7.3.2 Struttura del programma ............................................................................................................... 64

7.3.3 Vantaggi delle sequenze di passi .................................................................................................. 66

7.4 Tecnica dei passi con lo Zelio .......................................................................................................... 68


8 SICUREZZA DELLE MACCHINE ............................................................. 70

8.1 Cenni sulla normativa europea ........................................................................................................ 70

8.2 Avviamento e arresto della macchina ............................................................................................... 70

8.2.1 Funzione di avviamento ................................................................................................................ 71

8.2.2 Funzione di arresto ....................................................................................................................... 71

8.3 Arresto di emergenza ...................................................................................................................... 71

9 LE RETI DI PLC 73

9.1 Introduzione .................................................................................................................................... 73

9.2 Trasmissione parallela e seriale ....................................................................................................... 73

9.2.1 La porta parallela CENTRONICS .................................................................................................. 74

9.2.2 La trasmissione seriale ................................................................................................................. 74

2


9.2.3 Lo standard RS-232-C ................................................................................................................. 75

9.2.4 Lo standard RS-422 ..................................................................................................................... 75

9.2.5 Lo standard RS-485 ..................................................................................................................... 76

9.2.6 Il loop di corrente .......................................................................................................................... 76

9.3 Il modello master-slave .................................................................................................................... 76

9.4 La configurazione della comunicazione di rete .................................................................................. 76

9.4.1 Il baudrate .................................................................................................................................... 76

9.4.2 L'indirizzo di rete .......................................................................................................................... 76

9.5 I bus di campo ................................................................................................................................ 77

9.6 Reti locali ........................................................................................................................................ 77

9.7 Domande ....................................................................................................................................... 78

10 PROBLEMI DI AUTOMAZIONE ............................................................. 79

10.1 Tema di sistemi, automazione e organizzazione della produzione – Indirizzo T.I.EL. - Sessione ordinaria 2000 ...................................................................................................................................... 79



10.4 Proposte di temi ............................................................................................................................ 85

3


PREFAZIONE

Questi appunti sui PLC sono un ausilio didattico per le lezioni di T.D.P. del quarto e quinto del corso di Elettrotecnica ed Automazione.

Essi non alcuna pretesa di trattare in modo esaustivo il tema trattato ma hanno il solo scopo di agevolarne una prima comprensione.

E' inevitabile la necessità di dover operare una scelta del particolare modello e marca di PLC da adottare nel corso di studi. Solitamente questa scelta è fortemente condizionata dalla tipologia di attrezzature disponibili nel laboratorio do T.D.P. In cui si opera. In questo caso la scelta è ricaduta su due prodotti per diversi aspetti simili: il PLC Zelio della Schneider Electric ed il PLC S7-200 della Siemens. Questi due modelli pur avendo delle caratteristiche e prestazioni molto simili presentano una architettura software, che si concretizza nei linguaggi, nella documentazione e negli strumenti di sviluppo messi a disposizione, realizzata tenendo presente degli obiettivi in parte diversi.

Il PLC Zelio presenta un approccio molto vicino all'utente finale, considerato come un tecnico dotato di una cultura tecnica di tipo impiantistico di base. Per cui sembra che molti aspetti implementativi del software, sopratutto con il linguaggio a contatti, siano stati volutamente mantenuti nascosti o in secondo piano in modo da agevolare la focalizzazione sugli aspetti principali.

Il PLC Siemens presenta un approccio più articolato che a volte forse può disorientare l'utente alle prime armi, ma che poi può agevolare chi deve poter ottenere il massimo dalla macchina e ha bisogno del controllo il più ampio possibile delle sue funzioni.

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1 IL PLC: ASPETTI GENERALI

1.1 Comandi automatici a logica cablata e logica programmabile

Un sistema automatizzato è in grado di compiere un determinato lavoro sulla parte controllata prendendo le decisioni in base ai segnali provenienti dalla stessa parte controllata.

Sistema di controllo

Sistema controllato

• Figura 1 - Sistema automatizzato.

I componenti fondamentali di un sistema automatico, oltre al sistema controllato, sono i sensori, l'unità di controllo e gli attuatori.

Sistema di controllo

Sistema controllato

Attuatori Sensori

parte di potenza

parte di comando

• Figura 2 - Sistema automatizzato in dettaglio

I comandi automatici possono essere di tipo diverso

pneumatici (pneumatici puri o elettropneumatici)

oleodinamici (oleodinamici puri o elettrooleodinamici)

elettrici

elettronici

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I sistemi di comando pneumatici sono utilizzati generalmente in settori ben definiti, come ad esempio gli ambienti antideflagranti. Essi sono caratterizzati da bassi tempi di risposta e da una complessità ridotta (un numero massimo di ingressi/uscite pari a 50).

I sistemi di comando elettromeccanici erano molto usati diverso tempo fà. Essi si basano su un componente molto diffuso, il relé. I relé sono componenti robusti e facili da usare. Per contro comportano alcuni problemi: hanno un numero limitato di contatti azionati dalla bobina, quando si guastano è difficile localizzare il guasto, assorbono una quantità elevata di energia, sono soggetti ad usura.

I comandi elettronici in particolare sono essenzialmente di due tipi:

- logica cablata: la funzione svolta è decisa una volta che i collegamenti elettrici sono stati effettuati.

- logica programmabile: una volta che i collegamenti elettrici sono stati effettuati la funzione svolta è decisa dal programma.

La logica cablata presenta caratteristiche ben definite e pertanto difficilmente modificabili: pertanto viene utilizzata in controlli di macchine o processi sufficientemente semplici e stabili, che non richiedono modificazioni nè in fase di messa in servizio nè in fase operativa.

La logica programmabile è in grado di realizzare tutte le principali funzioni logiche richieste per il comando di una macchina od un processo, in base ad un programma memorizzati in opportuni dispositivi (memorie) dell'apparecchiatura di controllo. In questo caso, cambiando il contenuto della memoria, ovvero il programma, è possibile modificare ad esempio , anche in fase operativa, un intero ciclo produttivo.

Il PLC è un sistema di controllo a logica programmabile (PLC è l'acronimo di Programmable Logic Controller). Il primo modello commerciale fu sviluppato ancora nel lontano 1969 da una ditta americana per la General Motors. Nel tempo il PLC ha subito una serie notevole di innovazioni fino a renderlo quasi simile ad un PC.

Esistono peraltro molte similitudini tra un PLC ed un PC; entrambi sono sistemi a microprocessore dotati di una memoria in cui risiede il software che decide il funzionamento della macchina. Ma mentre il PC è un sistema "general purpose", il PLC è un sistema dedicato alla gestione di sistemi industriali automatizzati.

UNITA' CENTRALE MODULI INGRESSO

UNITA' DI PROGRAMMAZIONE

ALIMENTATORE

microprocessore

memoria

MODULI USCITA

• Figura 3 - Schema a blocchi di un PLC

Una grandezza che caratterizza le potenzialità di un controllore è il numero complessiovo degli ingressi e delle uscite (numero di I/O). Generalmente si classificano tre classi di apparecchiature:

Piccole unità con un massimo di 128 I/O

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Medie unità con un massimo di 1024 I/O

Grandi unità con un numero di I/O superiore a 1024.

I PLC si caratterizzano anche a seconda dell'aspetto costruttivo. Nelle piccole unità si possono trovare PLC monoblocco (Per esempio il SIMATIC S7-200) con tutto integrato (alimentatore, ingressi, uscite, scheda di comunicazione), eventualmente espandibili. Nel caso delle medie e grandi unità, ma spesso anche nelle piccole unità, si adottano normalmente schede modulari connesse tra loro da un bus proprietario.

1.2 Domande ed esercizi

1. Disegnare lo schema a blocchi dettagliato di un sistema automatizzato.

2. Disegnare lo schema a blocchi di un PLC.

3. Disegnare l'architettura interna della CPU del PLC.

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2 L’HARDWARE

2.1 L'unità centrale

L'unità centrale, denominata spesso CPU (Central Processing Unit) è l'organo di governo ed il centro delle attività di tutto il sistema. All'interno della CPU è presente un microprocessore, diversi tipi di memoria e alcuni circuiti integrati di interfaccia con le altre unità. Il microprocessore recepisce le informazioni provenienti dal mondo esterno (interruttori, trasduttori, sensori, pulsanti, ecc.) e le elabora mediante l'esecuzione di un programma residente nella memoria della CPU. In seguito a tale elaborazione esso invia i comandi ai vari dispositivi connessi al PLC (contattori, relé, attuatori, ecc.)

In sostanza, la CPU sostituisce i cablaggi, gli interruttori, i relé, i temporizzatori, i contatori un tempo utilizzati per implementare in modo elettromeccanico la logica di controllo con le variabili del programma definite con uno dei linguaggi di programmazione a disposizione, come ad esempio il linguaggio a contatti.

• Figura 4 - Passaggio dalla logica elettromeccanica alla programmazione con linguaggio a contatti.

L'unità centrale è un tipico esempio di microcomputer e come tale ne ricalca la struttura fondamentale riportata in figura 5. La struttura di un microcomputer si basa su quattro fondamentali blocchi funzionali,il microprocessore, la memoria ROM, la memoria RAM, i dispositivi di I/O, tra loro in comunicazione mediante dei particolari gruppi di linee di comunicazione denominati bus.

2.1.1 Il microprocessore

Esso svolge le funzioni fondamentali di:

coordinamento (master)

elaborazione dei dati

con l'ausilio di volta in volta degli altri dispositivi presenti nella CPU. Le due precedenti funzioni possono essere dettagliate nelle seguenti operazioni.

Lettura ed esecuzione dalla memoria ROM del programma di sistema (Sistema operativo).

Trasferimento dai dispositivi di I/O alla memoria RAM dello stato degli ingressi.

Lettura ed esecuzione dalla memoria RAM del programma utente.

Gestione della comunicazione con altri dispositivi esterni (PC, programmatore, bus di campo)

Trasferimento dalla memoria RAM ai dispositivi di I/O dello stato delle uscite

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Tutte le funzioni svolte dal microprocessore sono "scandite" dagli impulsi di sincronismo provenienti da un circuito di clock interno al microprocessore stesso. La frequenza del circuito di clock è decisa da un componente particolare, il quarzo, dotato di proprietà piezoelettriche. A parità di altri fattori ad una maggiore frequenza di clock corrisponde una maggiore velocità di esecuzione delle istruzioni e quindi una maggiore reattività.

Per contro una elevata frequenza di clock espone il sistema a problemi di affidabilità e di robustezza che in ambito industriale non sono ben tollerati.

µ P memoria ROM

memoria RAM

disposit. I/O

bus dati

bus indirizzi

bus controllo

• Figura 5 - Architettura di un microcomputer

2.1.2 Le memorie RAM e ROM

Le memorie possono essere classificate in base a diversi criteri. Dal punto di vista costruttivo si distinguono:

Memorie ottiche

Memorie magnetiche

Memorie a semiconduttore

Nel caso della CPU sono utilizzate le memorie a semiconduttore per le caratteristiche di velocità, realizzate dal silicio mediante particolari tecniche, allo stesso modo dei microprocessori. Queste ultime si suddividono, in base alla capacità di mantenere le informazioni in assenza di alimentazione elettrica, in:

Memorie volatili

Memorie non volatili.

Per inciso, le memorie ottiche e magnetiche sono entrambe non volatili.

Le informazioni in una memoria vengono memorizzate in modalità binaria, normalmente a gruppi di otto bit (bytes). Una memoria può essere vista come una sequenza di caselle, ciascuna della dimensione di un byte, denominate anche locazioni. Ogni locazione di memoria è dotata di un indirizzo univoco che può essere espresso, nella documentazione tecnica allegata al PLC, in forma decimale, esadecimale e più raramente in forma binaria.

La dimensione, o capacità, di una memoria è data dal numero di locazioni di memoria possibili, espresse generalmente per mezzo di multipli di 2. Per esempio:

1 KByte = 210 bytes = 1024⋅8 bit = 8 Kbit

1 MByte = 210 ⋅ 210 bytes = 1024 ⋅1024⋅8 bit = 8 Mbit

Un'altra caratteristica molto importante delle memorie è la modalità di accesso; essa può essere sequenziale (SAM) o "casuale" (RAM). Nel caso dell'accesso casuale sarebbe più corretto parlare di accesso a matrice.

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Il termine RAM è però normalmente utilizzato per indicare delle particolari memorie a semiconduttore volatili, dotate di buone capacità di immagazzinamento e di velocità di accesso alle informazioni. Esse vengono realizzate con tecnologia MOS e si suddividono in due categorie in base alla tipologia della cella di memoria :

RAM statiche (cella di memoria bistabile)

RAM dinamiche (cella di memoria monostabile)

Nei PLC si usano di norma le RAM statiche; esse hanno capacità di memoria ridotte rispetto alle RAM dinamiche ma per contro sono di impiego più facile.

Sotto il termine memorie ROM rientrano diverse tipologie di memorie quali ad esempio

Mask ROM (ROM mascherate)

OTPROM (One Time Programmable ROM)

EPROM (Erasable and Programmable ROM)

EEPROM (Electrically Erasable and Programmable ROM)

Flash (Delle EEPROM molto capienti, cancellabili e riscrivibili a banchi)

Alcune di queste tipologie sono presenti all'interno di un PLC, con lo scopo di svolgere differenti funzioni di memorizzazione. Per esempio il sistema operativo una volta risiedeva normalmente in una EPROM od in una OTPROM; negli ultimi tempi si è affermato l'uso della Flash per le sue caratteristiche di riprogrammabilità in-circuit. I parametri di funzionamento dell'impianto, ovvero le costanti che vanno programmate dall'utente e raramente cambiate sono memorizzate in EEPROM.

In RAM normalmente risiede il programma utente. Per rendere non volatili i dati contenuti nella RAM si fa uso di batterie tampone che intervengono mantenendo costante l'alimentazione dei chip di RAM quando cessa l'alimentazione generale dell'impianto. Se l'impianto rimane fermo per diverso tempo il programma presente in RAM viene perso e si rende necessaria una riprogrammazione del PLC.

2.1.3 I bus di comunicazione

Il microprocessore, per svolgere le funzioni precedentemente elencate, deve comunicare con gli altri blocchi funzionali. Ciò avviene mediante delle opportune linee di comunicazione denominate "bus". Si distinguono fondamentalmente tre tipi di bus:

Bus dati

Bus indirizzi

Bus di controllo

2.2 Moduli di ingresso e di uscita

I moduli di ingresso e di uscita connettono l'unità centrale del PLC all'automatismo o all'impianto. Il PLC ed il sistema controllato comunicano tra loro tramite segnali elettrici di tensione o di corrente.

I circuiti dei moduli di I/O svolgono le seguenti principali funzioni:

- adattamento

- isolamento galvanico

- filtraggio

Adattamento dei segnali elettrici

I moduli di ingresso ricevono segnali elettrici provenienti da sensori, trasduttori, pulsanti, interruttori ecc., e li adattano ai livelli di tensione e correnti propri dei PLC.

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I moduli di uscita ricevono i segnali provenienti dall'unità centrale e li adattano ai livelli di tensione e corrente propri dei componenti di comando o segnalazione quali conatattori, lampade, valvole, relé, ecc.

Isolamento galvanico

L'isolamento galvanico viene generalmente effettuato sia sui circuiti di ingresso che sui circuiti di uscita. Esso è normalmente realizzato con l'ausilio di particolari dispositivi optoelettronici. Nel caso di ingressi ed uscite digitali si utilizzano i fotoaccoppiatori; essi sono in grado di garantire un isolamento tra due circuiti da un minimo di 1500 V ad un massimo di 4000 V. Nel caso di ingressi ed uscite analogiche l'isolamento può essere realizzato con l'ausilio degli amplificatori di isolamento.

• Figura 6 - Simbolo elettrico di un fotoaccoppiatore.

Filtraggio

In un ambiente industriale nel PLC possono essere indotti disturbi di natura elettrica; in questo caso si parla di EMI. Ma anche il PLC stesso può emettere distrubi (EMC).

Tali interferenze, se di valore sufficiente, possono dare luogo a dei segnali "fasulli" che potrebbero essere interpretati dal PLC a da altre apparecchiature come segnali veri e propri, generando in questo modo degli errori di interpretazione.

Un'altra causa di errori è l'effetto rimbalzo (debounce) dei contatti meccanici, dovuto alla loro elasticità.

I disturbi elettrici e l'effetto debounce possono essere eliminati o per lo meno ridotti a livelli accettabili mediante l'introduzione di opportuni filtri hardware e software.

Un'altra strategia consiste nell'introdurre dei ritardi nell'acquisizione dei dati dell'ordine dei 10 ÷25 ms (sia di tipo hardware che di tipo software). Infatti un disturbo dura generalmente poco mentre un segnale proveniente da un sensore dura di più.

I segnali elettrici possono essere digitali o analogici. I segnali digitali possono assumere solo due livelli di tensione e corrente, a cui sono associati due stati logici 1 e 0 oppure ON ed OFF. Ciascun livello deve essere compreso entro opportune bande di tolleranza. I segnali analogici possono assumere all’interno di un range di ingresso tutti i possibili valori intermedi.

Una stessa grandezza fisica può essere rilevata sia in modo digitale che analogico. La scelta tra digitale ed analogico viene effettuata in base a specifiche di prontezza e precisione del sistema di controllo. Per esempio nel caso del controllo di temperatura si può optare per una soluzione digitale (controllo ON-OFF) meno precisa e pronta, ma anche meno costosa, oppure per una soluzione analogica (controllo PID), sicuramente più precisa e pronta ma più onerosa. La scelta deve essere effettuata in base a criteri di convenienza; nel caso di una camera climatica potrebbe essere indispensabile optare per una soluzione analogica, mentre nel caso del condizionamento di un edificio di non elevate dimensioni la soluzione digitale può rivelarsi sufficiente.

2.2.1

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2.2.2 Moduli di ingresso digitali

I moduli di ingressi digitali trattano segnali elettrici digitali (a due stati) in corrente continua (DC) o in corrente alternata (AC) Sia per gli ingessi DC e AC sono reperibili in commercio moduli operanti a diverse tensioni.

Solitamente i moduli di ingresso DC sono più veloci dei moduli di ingresso AC. Però essi funzionano con tensioni e correnti più basse dei moduli di ingresso in AC. In presenza di contatti ossidati o sporchi a causa della polvere gli ingressi AC operando con tensioni e correnti più elevati, soprattutto con tensioni superiori a 110V, sono maggiormente in grado di perforare l'isolamento dovuto allo strato di polvere e di mantenere il contatto pulito.

I circuiti di ingresso possono essere localizzati nello stesso modulo che ospita l'unità centrale, come accade nei PLC compatti, oppure in moduli separati collegabili all'unità centrale mediante un bus di comunicazione di tipo proprietario.

I moduli di ingresso hanno solitamente un numero di ingressi multiplo di 2.

2.2.2.1 Moduli di ingresso DC

I moduli di ingresso in corrente continua si distinguono tra moduli funzionanti in logica NPN, o negativa, e in moduli funzionanti in logica PNP, o positiva.

Le apparecchiature con contatti elettromeccanici come pulsanti, selettori, finecorsa, ampolle reed, ecc., a causa dell'assenza di polarizzazione, possono essere connesse indifferentemente ad ingressi DC sia NPN che PNP.

Differente è la situazione dei sensori con uscite statiche1 del tipo NPN o PNP, come ad esempio molti sensori di prossimità induttivi, capacitivi o ultrasonici. Per poter funzionare correttamente essi devono essere collegati a moduli di ingresso omologhi.

Gli ingressi NPN hanno dei collegamenti interni per cui il dispositivo di ingresso, sia esso un contatto elettromeccanico od un interruttore di prossimità con uscita NPN, deve essere collegato tra il morsetto di ingresso del modulo ed il morsetto negativo di alimentazione.

In figura 7 si può notare la presenza per ogni ingresso di un fotoaccoppiatore, di un LED di segnalazione e di un diodo di protezione. Si può inoltre osservare che i circuiti di tutti gli ingressi sono connessi internamente ad una alimentazione esterna positiva, in altre parole hanno il morsetto comune positivo.

La figura seguente mostra un esempio di collegamento tra un sensore con uscita NPN ed un contatto elettromeccanico ed un modulo di ingresso DC tipo NPN del tipo open collector.

1Il termine “statico” indica che non vi sono parti in movimento.

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•Figura 7-Circuito di un modulo di ingresso 24V DC tipo NPN.


Gli ingressi PNP hanno dei collegamenti interni per cui il dispositivo di ingresso, sia esso un contatto elettromeccanico od un interruttore di prossimità con uscita PNP, deve essere collegato tra il morsetto di ingresso del modulo ed il morsetto positivo di alimentazione.

La figura 10 mostra un esempio di collegamento tra un sensore con uscita PNP open collector ed un contatto elettromeccanico ed un modulo di ingresso DC tipo PNP.

2.2.2.2 Moduli di ingresso AC

Negli ingressi in alternata il dispositivo di ingresso, sia esso un interruttore di prossimità o un contatto elettromeccanico, è collegato tra il morsetto di ingresso e l'alimentazione esterna mentre il comune degli ingressi è collegato all'altro morsetto dell'alimentazione.

In questo caso viene utilizzato un fotoaccoppiatore bidirezionale.

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•Figura 8-Collegamento tra sensore, NPN e contatto con un modulo di tipo NPN.

•Figura 9-Circuito di un modulo di ingresso 24V DC tipo PNP.


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•Figura 11-Collegamento di un sensore PNP e un contatto con un modulo di ingresso tipo PNP.

• Figura 12-Circuito di ingresso in corrente alternata.

• Figura 13-Collegamento tra un sensore AC ed un contatto con un modulo di ingresso AC.


2.2.3 Moduli di uscita digitali

I moduli di uscita digitali esistono in tre fondamentali tipologie:

Relé (230V - 5A AC) (30V - 1.5A DC)

Transistor (24V – 0.5A DC)

TRIAC (110÷220V – 1A AC)

Le tipologie a transistor e TRIAC supportano una corrente inferiore della tipologia a relé ma sono più veloci nella commutazione. La scelta dei moduli di uscita viene effettuata in base ai valori ed al tipo di corrente assorbita dal carico che deve essere comandato.

Nel caso di contattori di potenza è comunque sempre possibile comandare con l’uscita un relé ausiliario che va a comandare a sua volta la bobina del contattore.

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2.2.3.1 Protezione dei circuiti di uscita dalle sovratensioni

In parallelo alle uscite, quando queste pilotano dei carichi induttivi (relé, contattori, elettrovalvole, ecc.), è necessario inserire dei dispositivi di protezione dalle sovratensioni che possono presentarsi quando si va ad aprire il circuito. I dispositivi normalmente utilizzati sono:

Gruppi RC (o snubber)

Varistori

Diodi di ricircolo

I diodi sono utilizzati quando si pilotano carichi in continua, mentre i gruppi RC e i varistori sono utilizzati soprattutto in alternata.

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2.3 Moduli di ingresso ed uscita analogici

Nel controllo di processi industriali è spesso necessario convertire i segnali analogici provenienti dai trasduttori in valori numerici espressi in formato digitale mediante byte (8 bit) o word (16 bit). Tali valori possono essere poi elaborati dalla CPU mediante delle operazioni di caricamento, trasferimento e confronto. La CPU, in base ai risultati ottenuti dall’elaborazione dei dati, potrà poi effettuare le opportune azioni che verranno comunicate alle uscite.

Una necessità speculare si presenta anche in uscita, qualora eventuali valori digitali debbano essere convertiti in segnali analogici per il comando di attuatori.

2.3.1 La conversione AD

2.4

17


2.5 Domande

1. Esprimi una definizione di PLC ed illustra i suoi campi di impiego.

2. Elencare i principali tipi di memorie a semiconduttore non volatili, riportando per esteso il significato dell'acronimo (per esempio: ROM = Read Only Memory).

3. Quanti bit di informazione contiene una memoria da 8 Mbytes ?

4. Elenca e descrivi brevemente le principali funzioni svolte dai circuiti dei moduli di I/O sui segnali elettrici.

5. Che cos’è l’effetto rimbalzo e quali sono le tecniche utilizzate per ridurne gli effetti ?

6. Elenca i vari tipi di moduli di input ed illustra le loro caratteristiche.

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2.6 Esercizi

1.

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3 IL SOFTWARE

3.1 Linguaggi di programmazione del PLC e la normativa IEC 1131

All’interno del PLC le informazioni sono espresse in un linguaggio binario, denominato comunemente linguaggio macchina. Questo linguaggio è strutturato in modo tale da essere compreso dalla macchina e pertanto esso è di non agevole comprensione per le persone. L’utente normale di un PLC non può certo utilizzare il linguaggio macchina per inserire i propri programmi nella memoria.

Perciò sono stati concepiti una serie di linguaggi specifici per le applicazioni industriali. Spesso le ditte costruttrici mettono a disposizione per una stessa tipologia di PLC diversi linguaggi di programmazione in modo tale da offrire al programmatore la possibilità di lavorare nel modo migliore, secondo le proprie esigenze e la propria preparazione tecnica.

La maggior parte dei PLC mette a disposizione un set di istruzioni di base molto simili tra loro, anche se permangono alcune differenze di poco conto da una casa costruttrice all'altra.

Nel 1993 l'I.E.C. (International Electrotechnical Commission) ha sviluppato uno specifico standard, lo IEC 1131, che copre diversi aspetti della programmazione dei PLC. Lo scopo di questo standard è di favorire l'interscambio di software tra sistemi diversi, di ridurre i costi di apprendimento e di customizzazione e di evitare l'uso di più sistemi software a volte diversi solo per alcune banalità.

La normativa IEC 1131 si divide in cinque parti:

• Parte 1: Informazioni generali;

• Parte 2: Specificazioni e prove delle apparecchiature;

• Parte 3: Linguaggi di programmazione;

• Parte 4: Raccomandazioni per l'utilizzatore;

• Parte 5: Specificazioni di servizio di comunicazione.

In particolare, la terza parte dello standard in oggetto definisce un gruppo consistente di linguaggi di programmazione comuni a molti PLC.

I linguaggi di programmazione esistenti, nonostante i diversi nomi ad essi attribuiti si possono suddividere in grafici e letterali. A loro volta i linguaggi grafici possono essere a contatti, a blocchi funzionali, oppure a schemi funzionali sequenziali, un a tecnica molto simile al Grafcet francese. I linguaggi letterali possono essere a lista di istruzione, di basso livello, oppure procedurali, ovvero di alto livello. La seguente figura evidenzia la classificazione appena proposta.

Linguaggi di programmazione

Procedurali (ST)

a lista d’istruzioni (IL)

A schemi funzionali sequenziali (SFC)

a blocchi funzionali (FBD)

ladder (LD)

grafici

letterali

Lo schema ladder (LD), inventato negli Stati Uniti e denominato anche a contatti, è un linguaggio grafico di programmazione che impiega simboli grafici simili agli schemi elettrici funzionali. Gli elementi base utilizzate per rappresentare la logica di uno schema funzionale sono i contatti NA, i contatti NC, le bobine e i box.

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I box rappresentano varie funzioni che vengono eseguite quando la corrente fluisce nel box. Tipiche funzioni sono i temporizzatori, i contatori e le operazioni matematiche.

Il diagramma a blocchi funzionali (FBD) ,maggiormente popolare in Europa, fa uso di blocchi che svolgono le funzioni logiche AND, OR, NOT, NAND, ecc.. Da questo punto di vista esso è maggiormente orientato ad una utenza con competenze prevalentemente elettroniche.

Gli schemi a blocchi funzionali (SFC) costituiscono una tecnica di programmazione basata sull'organizzazione del flusso del programma in una sequenza di passi e transizioni che consentono una buona ideazione ed organizzazione del software di controllo. Essi sono il punto di partenza per risolvere molti problemi di automazione.

La lista di istruzioni (IL) è un linguaggio di programmazione è simile all'assembler, utilie per applicazioni relativamente piccole o per ottimizzare parti di una applicazione. Esistono diversi dialetti di questo linguaggio. La normativa si è basata fortemente sull'AWL tedesco (Anweisungsliste) utilizzato nelle CPU S5 e S7 della Siemens.

Una delle novità introdotte dallo standard è l'overloading, ovvero l'accettazione di diversi tipi di formati di dati per una stessa istruzione. Per esempio il linguaggio STEP7 della Siemens mette a disposizione l'istruzione ADD_I per la somma tra numeri interi e l'istruzione ADD_R per la somma tra numeri reali. Lo standard IEC prevede invece una sola istruzione ADD per tutti i tipi di dati. Sarà poi compito del compilatore tradurre l'istruzione ADD nelle opportune istruzioni in linguaggio macchina a seconda del formato degli operandi.

Inoltre lo standard IEC prevede espressamente che venga effettuato dal compilatore un controllo di congruità dei parametri utilizzati in una istruzione, in modo tale che nell'eventualità di un uso errato delle istruzioni dia luogo a specifiche segnalazioni di errore. Se, ad esempio, una istruzione prevede come parametro un valore booleano, qualora gli venga assegnato un valore intero il compilatore segnalerà l'errore agevolando così il lavoro del programmatore e riducendo la possibilità di errori a volte subdoli e difficilmente individuabili.

Per contro lo standard IEC prevede espressamente che le variabili utilizzate in un programma vengano dichiarate indicandone esplicitamente il tipo, prima di essere utilizzate.

Il testo strutturato (ST) è un linguaggio ad alto livello di tipo procedurale che assomiglia molto al BASIC, introdotto per evitare i rischi connessi al linguaggio C.

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•

Figura 14: Elementi base degli schemi ladder.

•Figura 15: Esempio di programma in FBD.


3.2 Ciclo di scansione

Le risorse di cui è dotato un PLC sono gestite da un programma realizzato dalla casa costruttrice e residente permanentemente in una zona della memoria di programma non accessibile agli utenti. Questo programma è in pratica un vero e proprio sistema operativo e rappresenta uno strato di software interposto tra le risorse hardware del PLC e l'eventuale programma scritto dall'utente. Poiché normalmente il PLC esegue un solo programma utente alla volta, si può intuire che i sistemi operativi dei PLC non presentano la complessità dei sistemi operativi dei personal computer.

Quando un PLC viene alimentato tipicamente esso si può trovare in stato di run o in stato di stop. Nello stato di run viene continuamente letto ed eseguito il programma utente in modo ciclico. Ogni ciclo di esecuzione viene denominato ciclo di scansione

Durante il ciclo di scansione la CPU esegue normalmente i seguenti task:

lettura degli ingressi

esecuzione del programma utente

elaborazione delle richieste di comunicazione

controllo autodiagnostico della CPU

scrittura dei valori nelle uscite

Ogni ciclo di scansione inizia con la lettura dello stato degli ingressi e con la successiva memorizzazione del valore in una area di memoria RAM appositamente riservata.

Successivamente il il controllore esegue il programma iniziando dalla prima riga di programma e leggendo le righe da sinistra verso destra e dall'altro verso il basso.

Durante la fase di elaborazione delle richieste di comunicazione il PLC verifica ed elabora gli eventuali messaggi ricevuti da altre unità quali ad esempio l'unità di programmazione ad un altro PLC, provvedendo ad inviare le eventuali risposte richieste dal protocollo di comunicazione.

La fase di autodiagnosi consiste in controlli periodici del firmware del controllore, della memoria interna e dello stato dei moduli di ingresso.

Al termine i nuovi valori delle uscite ottenuti dall'elaborazione del programma utente e memorizzati in una apposita area di memoria vengono effettivamente impostati nelle uscite fisiche del PLC o di eventuali moduli di uscita connessi ad esso.

La durata Tc di un ciclo di scansione può assumere un valore variabile da poche centinaia di microsecondi a decine di millisecondi, a seconda del tipo di PLC. In alcuni modelli di PLC è possibile ritardare intenzionalmente l'esecuzione del ciclo di scansione.

Il valore di Tc è un parametro di cui bisogna tener conto per comprendere se un segnale impulsivo presete in ingresso può essere sicuramente recepito. Infatti, ciascun ingresso viene letto per un tempo molto breve all'inizio di ciascun ciclo di scansione. Per essere sicuramente recepito è necessario che il segnale permanga ai terminali di ingresso per un tempo superiore a Tc .

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Normalmente accade che la durata del ciclo di scansione è inferiore ai tempi propri dei comandi di tipo elettromeccanico, come ad esempio l'azionamento di un pulsante. Però in presenza di fenomeni molto rapidi, come ad esempio gli impulsi di un conteggio occorre porre molta attenzione al rischio di perdere alcuni impulsi se essi sono troppo brevi.

E' questo il motivo per cui i produttori di PLC prevedono appositi moduli di conteggio, non soggetti alla limitazione appena esposta.

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Ingresso fisico

Ingressodigitale

Tc

Figura 16: Acquisizione di un segnale in ingresso


3.3 Domande

1. Classifica i linguaggi di programmazione utilizzati nei PLC e mostra qualche esempio.

2. Per quali motivi è stato introdotta la normativa IEC 1131-3.

3. Spiega cosa è il ciclo di scansione e descrivi le attività che vengono svolte durante la sua esecuzione, nell'ordine cronologico con cui vengono eseguite.

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4 IL PLC ZELIO

4.1 Introduzione

I moduli ZELIO LOGIC sono dei PLC di fascia bassa prodotti dalla Schneider Electric. Le diverse configurazioni offrono da 10 a 40 I/O utilizzabili per implementare piccole automazioni. I moduli ZELIO sono disponibili in due serie, compatta e modulare.

I ZELIO possono essere programmati mediante i linguaggi grafici LADDER e FBD. Il programma può essere realizzato e simulato su PC mediante il software Zelio Soft 2, e può essere poi scaricato nella memoria di programma mediante un apposito cavo di connessione.

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•

Figura 18: Collegamento per la programmazione ed il trasferimento dei dati.

• Figura 17: Il PLC Zelio.


Nei modelli dotati di display retroilluminato è possibile introdurre ed editare il programma direttamente utilizzando I tasti di navigazione disposti sotto il display.

Il programma presente in un modulo Zelio può eventualmente essere salvato in una memoria di backup che si inserisce nell'alloggiamento utilizzato dal cavo di collegamento con il PC e poi trasferito in un altro modulo.

• Figura 19: Elementi del pannello frontale del modulo logico.

Qui di seguito è riportato l'elenco dei riferimenti del pannello frontale di figura 20.

1. Staffette di fissaggio a scomparsa.

2. Morsetti a vite per l’alimentazione.

3. Display LCD, 4 righe, 18 caratteri.

4. Morsetti a vite degli ingressi digitali.

5. Morsetti a vite degli ingressi analogici, digitali 0-10V.

6. Alloggiamento della memoria di backup o cavo di collegamento PC.

7. Tasto Shift (bianco).

8. Tasto Menu/Ok (verde) di selezione e conferma.

9. Morsetti a vite delle uscite relè.

10. Tasti di navigazione (grigi) o, dopo la configurazione, pulsanti Z.

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27


5 IL PLC SIMATIC S7-200

5.1 Introduzione

La ditta tedesca Siemens, società multinazionale nel settore elettrico ed elettronico, produce diverse gamme di PLC identificate dal nome di prodotto SIMATIC. Il micro-PLC S7-200 è una delle versioni più compatte, superata da questo punto di vista dalla serie LOGO, ed è utilizzata per compiti di automazione nella fascia di potenzialità medio-bassa.

• Figura 21 - Il PLC S7-200 (CPU 214)

Il PLC S7-200 integra al suo interno una CPU, una unità di alimentazione, dei circuiti di ingresso e dei circuiti di uscita.

Esistono diversi tipi di CPU S7-200, dotate di funzionalità e prestazioni via via crescenti. Nello specifico, la serie S7-200 prevede le CPU 221, CPU 222, CPU 224, CPU 224XP e CPU 226.

5.2 Ciclo di scansione della CPU

La figura seguente è un semplice esempio di un schema a relé programmato all'interno della CPU. In questo esempio lo stato del pulsante d'avvio è confrontato con lo stato del pulsante di arresto e con lo stato attuale del motore. La valutazione logica determina il prossimo stato delle uscite

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• Figura 22 - Interazione della CPU S7-200 con il sistema di automazione.

La CPU S7-200 esegue continuamente una serie di task, compreso il programma utente, in modo ciclico. L'esecuzione ciclica dei task viene definita ciclo di scansione. Durante il ciclo di scansione la CPU esegue normalmente i seguenti task:

lettura degli ingressi

esecuzione del programma utente

elaborazione delle richieste di comunicazione

effettuazione dell'autodiagnostica interna CPU

scrittura dei valori nelle uscite

L'esecuzione del ciclo di scansione dipende dal modo operativo della CPU. La CPU S7-200 è dotata di due modi operativi: STOP e RUN. In RUN il ciclo di scansione viene eseguito, mentre in STOP esso non viene eseguito.

• Figura 23 - Il ciclo di scansione

Lettura degli ingressi

Ingressi digitali: ogni ciclo di scansione inizia con la lettura del valore corrente degli ingressi digitali e con la scrittura di tali valori nel registro delle immagini di processo di ingresso.

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Ingressi analogici: la CPU non aggiorna automaticamente gli ingressi analogici come parte del ciclo di scansione e non memorizza un registro per le immagini di processo analogiche, a meno che non sia attivata la funzione di filtraggio di ingresso.

Esecuzione del programma

Durante la fase di esecuzione del ciclo di scansione, la CPU esegue il programma utente iniziando dalla prima istruzione e procedendo fino alla istruzione finale . E' possibile utilizzare delle operazioni dirette di I/O che forniscono all'utente un accesso immediato a ingressi ed uscite nel corso dell'esecuzione del programma o di una routine di interrupt.

Se si utilizzano interrupt nel programma utente, le routine associate agli eventi di interrupt vengono memorizzate come parte del programma. Le routine di interrupt non vengono eseguite come parte normale del ciclo di scansione, bensì quando accade un evento di interrupt e ciò può accadere in qualsisasi momento del ciclo di scansione.

Elaborazione delle richieste di comunicazione

Durante questa fase la CPU elabora i messaggi che ha ricevuto dall'interfaccia di comunicazione.

Effettuazione dell'autodiagnostica interna della CPU

Durante questa fase del ciclo di scansione, la CPU esegue un controllo del suo firmware, della memoria del programma (solo se in modo RUN) e dello stato delle unità I/O.

Scrittura dei valori nelle uscite digitali

Al termine di ogni ciclo di scansione la CPU scrive nelle uscite digitali i valori memorizzati nel registro delle immagini di processo delle uscite.

La CPU non aggiorna automaticamente le uscite analogiche come parte del ciclo di scansione e non memorizza un registro delle immagini delle uscite analogiche. E' compito del programma utente accedere direttamente alle uscite analogiche.

Interruzione del ciclo di scansione.

Il ciclo di scansione può essere interrotto in ogni momento dall'accadere di un evento di interrupt. Ciò può succedere sempre che ci siano eventi di interrupt gestiti e gli interrupt stessi siano abilitati. Ad ogni evento di interrupt, di cui si vuole effettuare la gestione, deve corrispondere una routine di interrupt. Nel caso di più interrupt concorrenti (che accadono nello stesso istante di tempo) la CPU elabora l'interrupt con la priorità maggiore.

5.3 L'accesso ai dati

Il PLC S7-200 memorizza l'informazione in differenti aree di memoria, ognuna delle quali è dotata di un indirizzo univoco. Il programma dell'utente può accedere direttamente a queste aree di memoria mediante il richiamo esplicito del loro indirizzo.

La seguente tabella rappresenta i tipi di dati che possono essere rappresentati a seconda delle dimensioni dell'area di memoria.

• Tabella 1 - Limiti decimali ed esadecimali per differenti dimensioni

Rappresentazione Byte (B) Word (W) Double Word (D)

Unsigned integer da 0 a 255

da 0 a FF

da 0 a 65.535

da 0 a FFFF

da 0 a 4.294.967.295

da 0 a FFFF FFFF

Signed integer da -128 a +127

da 80 a 7F

da -32.768 a +32.767

da 8000 a 7FFF

da -2.147.483.648 a +2.147.483.647

da 8000 0000 a 7FFF FFFF

Real

IEEE 32-bit floating point

da 1,175495E-38 a 3,402823E+38

da -1.175495E-38 a -3,402823E+38

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Per accedere ad un singolo bit in un'area di memoria si deve specificare l'identificatore dell'area di memoria, l'indirizzo del byte e l'indirizzo del bit all'interno del byte. Nell'esempio seguente si accede ad un bit dell'area di memoria delle immagini degli ingressi.

• Figura 24 - Indirizzamento byte.bit

La memoria di dati dell'S7-200 può essere suddivisa in un'area dati ed un'area oggetti di dati. L'area dati comprende aree di memoria V, I, Q, M, e SM, a cui si può accedere come bit, byte, word, double word. Essa è altamente flessibile ed è possibile l'accesso si in lettura che in scrittura in tutte le aree con l'esclusione

V Area di memoria variabile; essa è utilizzata per memorizzare risultati intermedi di operazioni

I Registro delle immagini di processo di ingresso. L'S7-200 campiona gli ingressi all'inizio del ciclo di scansione e scrive i valori in tale registro

Q Registro delle immagini di processo di uscita. Alla fine del ciclo di scansione l'S7-200 copia i valori memorizzati in quest'area di memoria sulle uscite fisiche.

M Area di memoria a bit. Quest'area è utilizzata per implementare i relé software (detti anche merker) utilizzati per memorizzare risultati intermedi di operazioni logiche.

SM Area di memoria speciale. Nell'area di memoria speciale sono presenti dei valori che permettono al sistema operativo di comunicare con il programma utente. Per esempio il bit SM0.1 viene settato solo al primo ciclo di scan. In questo modo esso può essere utilizzato per effettuare alcune inizializzazioni che vanno fatte solo all'inizio del programma.

Gli oggetti di dati sono locazioni di memoria associate ad elementi quali i temporizzatori (T), i contatori (C), gli ingressi analogici (AI), le uscite analogiche (AQ), gli accumulatori (AC) e i contatori veloci (HC). L'accesso a queste aree è più restrittivo ed avviene fornendo l'identificatore di area ed il numero di dispositivo.

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• Figura 25 - Accesso ad un byte, ad una word e ad una double word

T: l'area di memoria dei timer

Il PLC S7-200 mette a disposizione dei timer che conteggiano incrementi con una risoluzione di 1ms, 10ms e 100ms. Ad ogni timer sono associate due variabili:

- il valore corrente: è un intero con segno a 16 bit che memorizza quanto tempo è passato dallo start.

- Il timer bit:: è un bit che viene resettato o settato a seconda del risultato della comparazione del valore corrente con il valore di preset. Il valore di preset viene inserito mediante l'istruzione specifica per il timer.

Ad entrambe queste aree di memoria si accede usando l'indirizzo del timer (T+numero). L'accesso al valore corrente o al timer bit avviene a seconda del tipo di istruzione in cui è inserito l'indirizzo del timer, come si può notare dalla seguente figura.

• Figura 26 - Accesso al valore corrente e al timer bit

C: l'area di memoria dei contatori

Il Simatic S7-200 mette a disposizione tre tipi di contatori: up, down e up-down. Anche ai contatori sono associate due variabili:

- il valore corrente: è un intero con segno a 16 bite che memorizza il valore di conteggio.

- Il counter bit:: è un bit che è resettato o settato a seconda del risultato della comparazione del valore corrente con il valore di preset. Il valore di preset viene inserito mediante l'istruzione specifica per il counter.

In modo analogo a quanto accade con i timer ad entrambe queste aree di memoria si accede usando l'indirizzo del contatore (C+numero). L'accesso al valore corrente o al counter bit avviene a seconda del tipo di istruzione in cui è inserito l'indirizzo del counter, come si può notare dalla seguente figura.

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• Figura 27 -Accesso al valore corrente e al counter bit.

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1. Elencare i task eseguiti dal PLC durante un ciclo di scansione.

2. Elenca i limiti decimali di una word.

1. Che cosa sono i registri delle immagini di processo ?

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6 TUTORIAL DI PROGRAMMAZIONE

In questa sezione impariamo a programmare i PLC Zelio e SIMATIC S7-200 attraverso la proposta di una serie di problematiche che si incontrano frequentemente nell'ambito dell'automazione. La soluzione di tali problematiche verrà proposta mediante l’esposizione di programmi realizzati nei linguaggi LAD (LADder) e STL (Statement List).

6.1 L'autoritenuta

L'autoritenuta è sicuramente nota a chiunque abbia una esperienza sia pur minima di impianti elettrici industriali.

Nella figura seguente il relé KM viene eccitato non appena viene premuto il pulsante di marcia S1, normalmente aperto. Il relé KM rimane eccitato anche quando il pulsante S1 viene rilasciato grazie al contatto ausiliario di autoritenuta KM posto in parallelo a S1. Quando viene premuto il pulsante di stop S2, normalmente chiuso, il relé Km viene diseccitato.

Per realizzare la funzione di autoritenuta mediante un programma occorre per prima cosa assegnare un ingresso a ciascun pulsante ed una uscita alla bobina di comando KM del teleruttore. Prendendo come esempio il PLC Zelio effettuiamo le seguenti assegnazioni

Contatti Ingressi

S1 I1

S2 I2

Gli ingressi digitali sono numerati da 1 a 9 e da A ad R, con l'eccezione delle lettere I, M e O, in funzione del modulo logico e dell'eventuale estensione.

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• Figura 28: Schema elettrico dell'autoritenuta.


Bobine Uscite

KM Q1

Le uscite digitali sono numerate da 1 a 9 e poi da A a G, in base al modulo logico e all'eventuale estensione.Vediamo ora come effettuare il collegamento elettrico degli ingressi e delle uscite del PLC ai dispositivi elettromeccanici. Prenderemo sempre come riferimento l'hardware del PLC Zelio.

Con l'ausilio del software ZelioSoft2 si introduce il seguente programma realizzato con il linguaggio grafico Ladder. Si può notare che il pulsante di stop applicato in ingresso è normalmente chiuso. Questa scelta è stata fatta per evitare che una interruzione accidentale del contatto possa impedire l'esecuzione del comando di stop.

Se invece di utilizzare lo Zelio prendiamo in considerazione l'S7-200 l'autoritenuta può essere agevolmente implementata con l'ausilio del software MicroWin utilizzando il seguente schema LAD.

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• Figura 29: Autoritenuta con lo Zelio

• Figura 30: Implementazione in Ladder dell'autoritenuta.


• Figura 31 - L'autoritenuta nel linguaggio LAD.

L'ingresso I0.1 quando viene azionato interrompe il "flusso di corrente" mentre il contatto Q0.0 posto in parallelo ad I0.0 è un esempio di retroazione dell'uscita. Il seguente diagramma temporale evidenzia il suo funzionamento.

Il precedente schema a contatti può essere tradotto in linguaggio STL nel seguente modo:

LD I0.0O Q0.0A I0.1= Q0.0

Le istruzioni LD, O, ed A rappresentano contatti standard normalmente aperti. In particolare l’istruzione LD viene utilizzata per iniziare una nuova “network”. Una network può essere iniziata anche con le istruzioni LDN, LDI e LDNI.

L’istruzione (=) è un esempio di istruzione di output. Essa scrive il valore binario presente in cima allo stack nel registro delle immagini di processo di uscita all’indirizzo specificato (in questo caso Q 0.0). La CPU S7-200 fa uso di una determinata area di memoria denominata Logic Stack per risolvere la logica di controllo del programma. Vedremo meglio nei prossimi esempi come viene gestita questa memoria.

Esercizio proposto 1.

Modificare il programma autoritenuta e il relativo schema funzionale inserendo anche la gestione delle lampade di segnalazione e del contatto del relé termico, tenendo presente che le norme prescrivono che esso deve intervenire direttamente sulla diseccitazione del contattore KM mediante un contatto ausiliario. L'informazione dell'intervento deve comunque essere portata in ingresso al PLC mediante un ulteriore contatto del relè termico al fine di permettere al programma di disattivare comunque le uscite e segnalare l'intervento con una lampada gestita da una delle uscite a disposizione.

6.2 L'autoritenuta con le bobine set e reset.

Nella tecnica dei PLC l'autoritenuta viene implementata spesso anche in un'altra variante: anziché ricorrere alla retroazione dell'uscita, come nel precedente esempio, si impiegano le funzioni Set e Reset.

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PLC Zelio

Nel linguaggio LD le uscite digitali rendono disponibili quattro modalità di funzionamento:

• modalità contattore

• modalità contattore bistabile

• modalità eccitazione

• modalità diseccitazione

Nell'esempio della autoritenuta “classica” l'uscita Q1 è stata utilizzata nella modalità contattore, con la quale la bobina si eccita solo se i contatti ai quali è collegata realizzano un cortocircuito logico. In caso contrario essa non si eccita. In questo caso la bobina ha un comportamento monostabile.

Utilizzando la modalità eccitazione, denominata anche bobina SET, la bobina si eccita quando si realizza il cortocircuito e resta eccitata anche se questo dopo viene a mancare.

Con la modalità diseccitazione, denominata bobina RESET, la bobina interessata si diseccita quando si realizza il cortocircuito logico e rimane diseccitata anche quando il cortocircuito logico non è più presente.

Abbinando le due precedenti funzionalità l'autoritenuta può essere implementata molto semplicemente nel modo riportato in figura.

Si noti che l'ingresso i2 è impostato come NC tenendo conto del fatto che è realizzato fisicamente con un interruttore NC.

PLC S7-200

Nello schema seguente in LAD, un impulso di commutazione in I0.0 determina l'inserimento con tenuta di Q0.0 mentre un impulso di commutazione in I0.1 determina la disinserzione di Q0.0

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• Figura 32: Autoritenuta set-reset con Zelio.


• Figura 33 - L'autoritenuta nell'ottica del PLC.

Si tenga presente che la priorità spetta all'ultima operazione eseguita nella sequenza del programma, in questo caso la funzione di reset, che è quindi bene mettere per ultima. Il programma STL è il seguente:

LD I0.0S Q0.0, 1LDN I0.1R Q0.0, 1

L’istruzione Set (S) pone a 1 un determinato numero di bit (in questo caso 1) a partire dall’indirizzo specificato (Q0.0). In modo analogo si comporta l’istruzione di reset (R) con la differenza che essa pone a 0 i bit indicati.

Osservazione. E' bene tenere a mente che quando si utilizza una bobina SET per un'uscita digitale, si consiglia di prevedere anche la bobina RESET per tale uscita. L'uso di una bobina SET da sola è giustificato se si vuole attivare un segnale d'allarme azzerabile solo con il riavvio del programma.

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6.3 Il circuito ad impulso

Spesso, negli impianti civili ed industriali si utilizzano i relé ad immobilizzazione di posizione, denominati anche relé passo-passo. Essi permettono di realizzare i cosiddetti circuiti ad impulso di corrente. Vediamo come funzionano.

• Figura 34 - Circuito ad impulso.

La lampada connessa al contatto ausiliario K1 deve accendersi non appena viene brevemente azionato il pulsante P1, che eccita il relé K1. Essendo il relé K1 provvisto di aggancio meccanico il contatto K1 rimane chiuso anche quando il relé si diseccita. Se P1 viene nuovamente azionato il relé K1 eccitandosi provoca lo sgancio del contatto ausiliario K1. In sostanza ad ogni azionamento dell'interruttore P1 il relé deve cambiare di stato.

PLC S7-200

Questa volta illustriamo la soluzione con il Siemens. Illustriamo nella seguente figura la soluzione mediante uno schema LAD per il PLC SIMATIC. Il pulsante P1 viene associato all'ingresso I0.0 e la lampadina viene comandata dall'uscita Q0.5.

La seguente figura rappresenta l'andamento dell'uscita Q0.5 in base all'andamento dell'ingresso I0.0.

• Figura 35 - Diagramma temporale del circuito ad impulso.

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Assegna lo stato di M0.0 all'uscita Q0.5

Rileva se su I0.1 vi è stato un cambiamento di stato da "0" a "1" (fronte positivo) Se l'uscita Q0.5 è 0 setta il

merker M0.0

Se l'uscita Q0.5 è 1 resetta il merker M0.0

• Figura 36 - Il circuito ad impulso in AWL.

Il linguaggio KOP dispone di due funzioni, -|P|- ed -|N|-, per il rilevamento rispettivamente dei fronti di discesa e di salita. Il contatto -|P|-, denominato Positive transition, viene chiuso per la durata di un ciclo di scansione quando il contatto a monte, in questo caso I0.0, passa da OFF ad ON. Analogamente il contatto Negative transition -|N|- viene chiuso per un ciclo di scansione ad ogni transizione da ON ad OFF del flusso di corrente a monte.

In questo esempio vediamo la comparsa dei merker; il merker di bit M0.0 viene utilizzato come locazione di memoria interna del PLC per memorizzare un risultato intermedio di una operazione logica o aritmetica che deve essere rielaborato subito da altri segmenti del programma. Nella tecnica dei PLC i merker simulano la funzionalità propria dei contatti ausiliari della logica elettromeccanica.

In caso di caduta di tensione il contenuto dei merker viene perduto, a meno che non si faccia uso della proprietà di rimanenza (retention).

LD I0.0EULPSAN Q0.5S M0.0, 1LPPA Q0.5R M0.0, 1

LD M0.0= Q0.5

Si può notare la presenza della istruzione Positive Transition (EU) e delle istruzioni Logic Push (LPS) e Logic Pop (LPP) che operano sullo Logic Stack della CPU S7-200.

A questo punto è opportuno approfondire il concetto di stack. Esso è un’area di memoria di tipo LIFO (Last In First Out). I dati possono essere inseriti nello stack mediante istruzioni di push , ed estratti mediante operazioni di pop.L’ultimo dato inserito con una istruzione di push (LPS) è anche il primo dato disponibile per una eventuale successiva estrazione mediante una istruzione di pop (LPP). La CPU S7-200 fa uso di uno stack logico composto da otto bit.

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L’istruzione LPS duplica il bit presente in cima allo stack e lo inserisce (push) in cima, dopo aver spostato in basso i valori presenti nello stack. In seguito all'operazione LPS il valore iv8 viene perso come si può notare dalla figura 37 .

L’istruzione LPP estrae (pop) il bit in cima allo stack spingendo in alto i valori presenti nello stack.

• Figura 38 - Funzionamento delle istruzioni dello stack logico.

Le altre istruzioni che operano con lo stack sono: ALD, OLD, LDS e LRD.

PLC Zelio

La funzionalità relé passo-passo può essere realizzata negli Zelio in modo più rapido, utilizzando uscite digitali nella modalità contattore bistabile.

In questo caso è evidente la facilità d'uso del software Zelio. Tutti i particolari implementativi sono stati nascosti al programmatore dalla funzionalità contattore bistabile del software Zelio.

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• Figura 39: Relé passo-passo con Zelio.


6.4 Ritardo all'inserzione

Oltre ai contatti e alle bobine i dispositivi più utilizzati nelle logiche di comando sono i timer. Il più comune è il timer con ritardo all'inserzione. Da esso possono essere derivate altre funzioni di temporizzazione come il timer con ritardo alla disinserzione, il timer impulsivo o i timer multipli.

Un tipico esempio in cui è necessario applicare un timer con ritardo all'inserzione è l'avviamento stella-triangolo dei motori asincroni trifase. Durante la fase di avviamento gli avvolgimenti del m.a.t., dimensionati per essere alimentati ad una tensione nominale di 400V mediante un collegamento a triangolo, vengono connessi a stella in modo tale che la tensione ai loro capi sia ridotta a 230V. In questo modo la corrente di linea e la coppia di avviamento si riducono entrambe ad un terzo dei rispettivi valori nominali.

Lo schema di potenza dell'avviamento stella-triangolo fa uso di tre teleruttori (Figura 40)

Il funzionamento dello schema di comando elettromeccanico è il seguente:

• se si aziona il pulsante P2, il teleruttore di rete K1 si chiude attivando l'autoritenuta;

• il teleruttore K2 viene eccitato e il timer T1 comincia a contare

• allo scadere del tempo impostato con il timer T1 impone la diseccitazione del teleruttore K2 e la quasi contemporanea eccitazione di K3.

• T1 rimane eccitato finché il teleruttore K1 rimane eccitato, ovvero finché non viene premuto il pulsante di stop o interviene la termica.

Il legame temporale tra il segnale K1 e il timer T1 è chiaramente rappresentato nella seguente figura.

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• Figura 41: Schema di potenza dell'avviamento stella/triangolo.


• Figura 42: Timer con ritardo alla inserzione

PLC Zelio

Per prima cosa eseguiamo l'assegnazione degli ingressi e delle uscite

Contatti Ingressi

P1 STOP I1

P2 START I2

RT I3

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• Figura 43: Schema di comando avviamento stella/triangolo

K1

T1

PT1


Bobine/Lampade Uscite

K1 Q1

K2 Q2

K3 Q3

H1 Q4

H2 Q5

H3 Q6

Ed ecco il listato LADDER del programma implementato.

Il timer T1 è stato opportunamente programmato nella modalità di funzionamento A (Elaborazione: comando mantenuto).

PLC S7-200

Vediamo ora come la stessa funzionalità può essere ottenuta con il PLC Simatic. Passiamo subito all'assegnazione degli ingressi e delle uscite.

Contatti Ingressi

P1 STOP I0.0

P2 START I0.1

RT I0.2


K1 Q0.0

K2 Q0.1

K3 Q0.2

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• Figura 44: Programma avviamento stella/triangolo per PLC Zelio



H1 Q0.3

H2 Q0.4

H3 Q0.5

Il programma fa uso del temporizzatore T37 di tipo TON, avviato con ritardo all'inserzione e avente una risoluzione di 100 ms.Ecco qui di seguito il diagramma KOP del programma. Si nota che il timer è caricato con un ritardo di 5 s.

Il listato AWL del programma è il seguente

//Network 1 AutoritenutaLD I0.2LD I0.1O Q0.0ALD

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A I0.0= Q0.0

//Network 2 stellaLD Q0.0AN T37AN Q0.2= Q0.1

//Network 3 triangoloLD Q0.0A T37AN Q0.1= Q0.2

//Network 4 temporizzatoreLD Q0.0TON T37, 50

//Network 5 lampada termicaLD I0.2= Q0.3

//Network 6 lampada stellaLD Q0.1= Q0.4

//Network 7 lampada triangoloLD Q0.2= Q0.5

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6.5 Ritardo alla disinserzione

Un'altra modalità di applicazione dei timer che si può incontrare frequentemente in un impianto industriale è il ritardo alla disinserzione.

Partiamo da un caso concreto. Quando si preme il pulsante P1, tramite il timer T1, viene alimentata la bobina KM del teleruttore che alimenta un ventilatore. Dall'istante in cui il pulsante P1 viene rilasciato si vuole che il ventilatore continui a funzionare per altri 5 secondi.

Il seguente diagramma temporale evidenzia l'andamento dei segnali.

PLC Zelio

Come al solito assegniamo gli ingressi e le uscite

Contatti Ingressi

P1 I1

48

•Figura 45-Timer con ritardo alla disinserzione.

•Figura 46-Diagramma temporale del ritardo alla disinserzione.

P1

KM

PT1



KM Q1

Il programma si riduce banalmente alle due seguenti network. Ovviamente il timer TT1 deve essere programmato per eseguire la funzione C (Riposo).

PLC S7-200

La CPU S7-200 mette a disposizione tre tipologie di temporizzatori:

• temporizzatore avviato come ritardo all'inserzione (TON);• temporizzatore avviato come ritardo alla disinserzione (TOF);• temporizzatore avviato com ritardo all'inserzione e con memoria (TONR)

Il temporizzatore che realizza il ritardo alla disinserzione è il TOF. Per nota di cronaca il temporizzatore TONR ha un comportamento simile al TON eccetto per il fatto che mantiene il conteggio anche quando l'ingresso di abilitazione è disabilitato.Tutti e tre le tipologie di temporizzatori sono disponibili con tre risoluzioni (1 ms, 10 ms, 100 ms).

49

• Figura 47-Impostazione del timer con ritardo alla disinserzione nello Zelio.


La seguente figura evidenzia la facilità con cui si implementa il ritardo alla disinserzione con il timer TOF.

Il listato AWL è il seguente:

//Network 1 LD I0.0TOF T37, 50

//Network 2LD T37= Q0.0

Come si è prima accennato è possibile realizzare il ritardo alla disinserzione utilizzando un temporizzatore con ritardo all'inserzione. Si parte dal circuito di autoritenuta classico, sostituendo il contatto di disinserzione I0.1 normalmente chiuso con il timer bit normalmente chiuso del timer T37.


Modificare il precedente programma utilizzando un timer TON al posto del timer TOF.

Soluzione

50


Se Q0.0 è azionato e I0.0 è di nuovo "0" (S1 non è più azionato) il temporizzatore T37 inizia a contare..

Se T37 è scaduto, l'autoritenuta viene interrotta da questo contatto, Se T37 non è scaduto l'autoritenuta non si arresta.

I0.0 attiva Q0.0 e Q0.0 si automantiene da solo poiché è collegato in parallelo a I0.0.

• Figura 48 - Il ritardo alla disinserzione in KOP.

Il temporizzatore T37 ha una base tempi di 100 ms, quindi il valore di temporizzazione è di 30⋅100ms = 3 s.

Il programma equivalente in STL è riportato qui di seguito.

LD I0.0O Q0.0AN T37= Q0.0LD Q0.0AN I0.0TON T37, +30

L’ On-Delay Timer (TON) esegue il conteggio finché l’ingresso di enable (IN nel diagramma LAD) è attivo. Quando il valore di conteggio raggiunge il preset time (PT) il timer bit Txx viene settato. Se l’ingresso IE rimane settato TON continua il conteggio fino al raggiungimento del massimo valore (32767).


Realizzare un programma che quando viene azionato un selettore un'uscita va immediatamente ad ON mentre un'altra uscita va ad ON dopo 10 secondi. Quando il selettore va ad OFF entrambe le uscite si portano ad OFF.


Date le seguenti istruzioni in AWL per S7-200 scrivere il corrispondente programma KOP e disegnare il diagramma temporale dei segnali I0.0, T37, e Q0.0 tenendo conto che I0.0 è un segnale impulsivo della durata di 1 s.

LD I0.0O Q0.0AN T37= Q0.0LD Q0.0TON T37, +100

51



Un motore asincrono trifase è caratterizzato da due sensi di rotazione. Il pulsante SB3 consente di avviare il motore in senso antiorario, mentre il pulsante nell'ingresso SB2 consente di avviarlo in senso orario. Il pulsante SB1 e la termica FR fermano il motore. Il senso di rotazione può essere invertito solo dopo che è stato premuto il pulsante STOP (SB1) e sono trascorsi 5 s per permettere al motore di frenare e riavviarsi nella direzione opposta. Realizzare il programma utilizzando un PLC S7-200 e rispettando le seguenti assegnazioni I/O.

Simbolo Indirizzo Descriziopne

KM1a I0.0 Contatto (NO) ausiliario del contattore KM1.

SB1 I0.1 Pulsante (NC) di arresto.

SB2 I0.2 Pulsante (NO) marcia oraria

SB3 I0.3 Pulsante (NO) marcia antioraria

KM2a I0.4 Contatto (NO) ausiliario del contattore KM2

FR I0.5 Contatto (NC) del relé termico

SB4 I0.6 Pulsante (NC) emergenza esterna

KM1 Q0.0 Contattore marcia oraria

KM2 Q0.1 Contattore marcia antioraria

HL2 Q0.2 Lampada segnalazione marcia oraria

HL3 Q0.4 Lampada segnalazione marcia antioraria

HL1 Q0.5 Lampada segnalazine intervento termica

HL5 Q0.6 Lampada segnalazione condizione di blocco motore dopo arresto

52


6.6 Contapezzi

Sovente nelle applicazioni di automazione si incontra la necessità di contare il numero di volte che un dato evento avviene e, qualora si sia raggiunto un valore prestabilito di effettuare una particolare operazione. Per risolvere questa problematica i PLC mettono a disposizione i contatori. Le tipologie di contatori normalmente presenti in un PLC sono i contatori in aval contatori normalmente presenti sono:

• contatori avanti;

• contatori avanti/indietro;

• contatori indietro.

Il PLC S7-200 dispone dei contatori CTU, CTUD e CTD mentre il PLC Zelio mette a disposizione la modalità di conteggio TO e la modalità di conteggio FROM.

Vediamo l'applicazione dei contatori proponendo il seguente semplice problema di automazione.

Si supponga di dover determinare il numero di pezzi che si trovano contemporaneamente su un nastro trasportatore. I pezzi che arrivano nel nastro passano davanti alla fotocellula FC1 che attiva il conteggio in avanti, mentre i pezzi che lasciano il nastro passano davanti alla fotocellula FC2 che attiva il conteggio indietro. In nastro è mosso da un motore comandato dal teleruttore K1. Il motore si deve fermare quando sul nastro sono presenti più di 9 pezzi. Sono previsti un pulsante di marcia, uno di arresto ed uno di reset del conteggio.

PLC S7-200

Il problema può essere risolto utilizzando un contatore up-down (CTUD).

Contatti Ingressi

STOP I0.3

START I0.0

RESET I0.5

FC1 I0.1

FC2 I0.2


K1 Q0.0

53

• Figura 49: Contapezzi.


Qui di seguito viene riportato il programma nella versione in linguaggio KOP.

Mentre nel linguaggio AWL il programma è il seguente.

LD Q0.0A I0.1LD Q0.0A I0.2LD I0.5CTUD C1, 10

LD I0.0O Q0.0AN C1A I0.3= Q0.0


Modificare il precedente programma introducendo una lampada intermittente di segnalazione che viene attivata quando è stato superato il numero massimo di pezzi.


Risolvere il problema del contapezzi con il PLC Zelio.

54



1. Qual’è la funzione svolta dall’istruzione EU ?

2. Che cosa è il “Logic stack” ?

3. Fai un esempio di un segmento in cui si usano le istruzioni LPP e LPS.

4. Come si realizza un ritardo all'inserzione ? Disegnare lo schema a contatti e la lista di istruzioni per due possibili soluzioni, una con una bobina normale ( ) ed una con (S) ed (R).

5. Tradurre in STL il seguente circuito:

6. Tradurre in STL il seguente circuito:

Soluzione:

LD I0.0O I0.1AN I0.2AN I0.3= Q0.0

7. Scrivere il listato AWL della seguente network in KOP per PLC S7-200.

8. Tradurre in STL, utilizzando il registro di stack, il seguente circuito:

Soluzione:

55


LD I0.0A I0.1LD I0.2A I0.3OLDLD I0.4O I0.5ALDAN I0.6= Q0.0

9. Tradurre in lista di istruzioni i seguenti listati a contatti per SIMATIC S7-200:

a)

b)

Soluzione b):

LD I0.0O I0.3O I0.5LDN I0.1O I0.4ALDA I0.2ALD= Q0.0

56


10. Data la seguente lista attribuzioni, eseguire la rappresentazione STL e LAD della marcia ed arresto di un m.a.t. con segnalazione:

Nome Simbolo Commento

PM I0.0 Pulsante di marcia (inizio ciclo)

PALT I0.1 Pulsante di arresto

F2F I0.2 Protezione termica motore

KIM Q0.0 Teleruttore motore

HIL Q0.1 Lampada di segnalazione

Soluzione:

STL

NETWORK 1LD I0.0O Q0.0AN I0.1AN I0.2= Q0.0NETWORK 2LD Q0.0= Q0.1

LAD

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7 GRAFCET E TECNICA DEI PASSI

7.1 Un esempio concreto

L'analisi del funzionamento di un'automazione o di un processo industriale, in termini più generali, di solito porta alla individuazione di una serie di fasi attraverso le quali il sistema automatico passa durante il suo funzionamento. Il riconoscimento e la descrizione di queste fasi, o passi, è di fondamentale importanza per la realizzazione del software che è deputato a controllare il processo.

Partiamo da un esempio applicativo relativo ad un sistema automatico di trapanatura:

Il motore di una trapanatrice viene avviato con rotazione oraria tramite il pulsante PM. Dopo 3 secondi viene inserito l’avanzamento. L’avanzamento viene disinserito quando viene raggiunto il finecorsa di profondità FC2. Una molla riporta il trapano nella posizione di partenza. Durante il ritorno il motore gira in senso antiorario. Quando viene raggiunto il finecorsa di partenza FC1 il motore gira ancora per un secondo prima che la macchina venga completamente disinserita. Con il pulsante di arresto PA è sempre possibile disinserire la macchina. Prevedere la gestione della protezione termica F2F. La rotazione oraria del motore è comandata dal teleruttore K1M, mentre la rotazione antioraria è comandata dal teleruttore K2M. L'avanzamento del mandrino è effettuato da un pistone a singolo effetto alimentato dalla elettrovalvola K3.

Nel nostro caso, da una analisi del testo, possiamo riconoscere i seguenti sei passi di cui diamo una descrizione verbale:

1. Posizione di riposo

2. Motore in rotazione oraria

3. Avanzamento con motore acceso

4. Ritorno con motore in rotazione antioraria

5. Raggiungimento posizione di riposo con motore in rotazione

6. Arresto motore

Si intuisce che la transizione da un passo all'altro può avvenire quando vengono soddisfatte delle precise condizioni. Ad esempio il passaggio dal passo 2 al passo 3 avviene quando scade un timer caricato a 3 secondi al momento dell'arrivo al passo 2.

Si può notare inoltre che dopo aver raggiunto il passo 6 il sistema passa automaticamente al passo 1 che rappresenta lo stato di riposo. Questo è un aspetto tipico delle automazioni; esse tendono ad assumere un andamento ciclico.


Provare a descrivere verbalmente le condizioni che permettono la transizione da un passo all'altro

7.2 Introduzione al Grafcet

Nel mondo industriale sono stati introdotti diversi linguaggi grafici per descrivere una automazione, ognuno dei quali creati strettamente legato alla tecnologia in questione. Gli elettrici hanno confidenza con gli schemi a relé, gli elettronici con gli schemi a blocchi, gli informatici si trovano a loro agio con diagrammi di flusso e listati di programmi, gli esperti di pneumatica con gli schemi pneumatici. Nella seconda metà degli anni settanta in Francia è stato introdotto il GRAFCET2 , un linguaggio grafico ideato per da agevolare la comunicazione tra i diversi attori interessati nello sviluppo di una automazione, tra cui anche l'utente ed il fornitore dell'automazione.

2 Il metodo GRAFCET è nato in Francia nel 1977. Il nome deriva dalle iniziali della frase "Graphe de commande etape-transition".

58


Il Grafcet è una combinazione di segni grafici, sigle alfanumeriche e descrizioni letterali che permette la descrizione a diversi livelli di dettaglio del funzionamento di una automazione. Esso è stato adottato a livello internazionale nel 1988 mediante la pubblicazione IEC 848, poi recepita a livello nazionale dalla norma CEI 3-35 “Preparazione dei diagrammi funzionali per sistemi di comando e controllo”.

Esistono due tipi di diagrammi GRAFCET: il GRAFCET di primo livello, o descrittivo, ed il GRAFCET di secondo livello, o OPERATIVO.

ll diagramma funzionale di primo livello ha lo scopo di chiarire al progettista quale dovrà essere il compito del blocco di comando da costruire. Di conseguenza esso non stabilisce nè la natura nè le caratteristiche dei sensori e degli attuatori utilizzati.

Il diagramma funzionale di secondo livello deve contenere invece tutte le informazioni in dettaglio ed è immediatamente precedente alla stesura del programma vero e proprio.

In generale, il ciclo di funzionamento di un sistema viene suddiviso in una successione di passi separati da condizioni di transizione.

Ogni passo è caratterizzato da una o più azioni svolte dal sistema, come la marcia di un motore o l'alimentazione di una elettrovalvola.

Prima di entrare in un passo devono essere soddisfatte le condizioni di transizione, che potrebbero essere l'azionamento di un finecorsa, l'attivazione di un sensore di prossimità o lo scadere di un timer.

In un diagramma funzionale sono presenti i seguenti tre principali segni grafici:

• passi;

• transizioni;

• linee orientate di interconnessione tra passi e transizioni.

La struttura del diagramma è costituita da una sequenza di passi connessi tra loro medianti linee orientate con interposte le transizioni.

• Figura 50-Elementi di un diagramma funzionale.

I passi del ciclo vengono rappresentati con quadrati o rettangoli contenenti il numero del passo.

Lo stato di partenza, o stato base, è evidenziato con un doppio riquadro. In ogni diagramma vi deve essere presente sempre almeno uno stato iniziale.

59

1

2

passo

transizionecollegamento

orientato


A destra del quadrato del passo è presente un altro rettangolo al cui interno vengono poste le azioni che vengono eseguite durante il passo. I vari passi sono connessi da una linea tagliata da un trattino orizzontale al cui destra vengono riportate le condizioni di transizione per il passaggio da un passo a quello successivo.

Un comando associato ad un passo viene eseguito nel momento in cui il passo diventa attivo. Quando il passo diventa inattivo si possono verificare due situazioni: il comando cessa o il comando si mantiene nello stato assunto al momento dell'attivazione del passo. Nel primo caso siamo in presenza di un comando non mantenuto mentre nel secondo caso di un comando mantenuto.

In un dato istante, in base allo stato del processo, un passo può trovarsi in due possibili condizioni: attivo o inattivo. Graficamente un passo attivo è contrassegnato da un puntino all'interno del quadrato.

Applichiamo il formalismo grafico Grafcet per rappresentare l'automatismo del trapano.

Per quanto riguarda le transizioni dalla figura 51 si può notare l'uso del simbolo ∙ del prodotto logico per rappresentare el condizioni che devono essere contemporaneamente espresse e l'uso del simbolo == di equivalenza logica, derivato dal linguaggio C.

Le linee orientate rappresentano il percorso evolutivo dell'automazione. Quando la direzione si sviluppa dal basso all'alto è necessario aggiungere una freccia

Per quanto riguarda i comandi il diagramma di figura 51 si può notare che, con l'esclusione dell'azione di caricamento del timer, siamo sempre in presenza di comandi non mantenuti.

I comandi non mantenuti si realizzano con uscite del tipo a bobina o teleruttore mentre i comandi mantenuti si realizzano con istruzioni di Set, le quali richiedono la disattivazione esplicita con un comando di Reset.

E' necessario che l'utilizzazione di comandi mantenuti sia indicata in modo esplicito magari utilizzando le parole SET e RESET. Comunque la tecnica dei passi fa normalmente uso di comandi non mantenuti per ragioni di semplicità e per evitare di dimenticare di resettare un comando in condizioni non previste.

60

•Figura 51-Diagramma funzionale dell'automatismo del trapano.

1

2

(PM == 1) ∙ (PA == 0) ∙ (FC1 == 1)

3 K1M = 1 K3 = 1

2 K1M = 1 Timer = 3s

(Timer == 0)

23 K1M = 1 K3 = 1

(Timer == 0)

4 K1M = 1 K3 = 1

(FC2 == 1)

K2M = 1

(

5 K1M = 1 K3 = 1

(FC1 == 1)

K2M = 1 Timer = 1s

(

(Timer == 0) (


In realtà il diagramma di figura 51 è incompleto. Esso non prende in considerazione la gestione del pulsante di emergenza e della protezione termica. Nel caso che uno o entrambi questi segnali si attivino è necessario riportare il sistema al passo 1. Se avessimo rappresentato tutte le transizioni associate ai segnali PA e F2F avremmo appesantito eccessivamente il diagramma perdendo in semplicità e leggibilità senza guadagnare molto in termini di completezza della documentazione. Per questo motivo le transizioni associate alle condizioni generali di emergenza normalmente si omettono, documentandole con altre modalità.

Un ciclo può evolvere seguendo diversi tipi di sequenze. I principali tipi di sequenze sono:

• sequenza singola;

• sequenza divergente;

• sequenza convergente;

• sequenze simultanee.

Una sequenza singola è costituita da una serie di passi attivati uno di seguito all'altro. Il ciclo riportato in figura 51 è un esempio di sequenza singola.

Nel caso della sequenza divergente un ciclo può evolvere tra due o più diramazioni del diagramma funzionale. Una sola delle diramazioni viene percorsa in un certo istante di tempo. Una sequenza divergente è individuata da una linea orizzontale posta sopra a diverse transizioni, ciascuna caratterizzata differenti condizioni.

•Figura 52 -Sequenza divergente.

Nel caso della sequenza convergente più sequenze, provenienti da una sequenza divergente, convergono in una singola sequenza.

61

K2M = 1 23

2 K1M = 1 Timer = 3s

(Timer == 0)

23 K1M = 1 K3 = 1

(Timer == 0)∙(FC1 == 0)

2324(FC1 == 1)

K2M = 1 23

2 Timer = 3s

23 K1M = 1

(P1 == 0)

2324(P1 == 1)

2 K3M = 1

(FC1 == 1) (FC2 == 1)


Quando il superamento di una transizione conduce ad attivare contemporaneamente più sequenze che vengono eseguite contemporaneamente siamo in presenza di sequenze simultanee.

•Figura 53 -Sequenze simultanee.

Le sequenze simultanee convergono tutte in una unica doppia linea. Finché tutti i passi convergenti sulla doppia linea sono non saranno attivati la transzione successiva alla doppia linea non potrà essere abilitata.

Il seguente esercizio è un esempio applicativo delle tipologie di sequenze divergenti e convergenti.


Disegnare il diagramma funzionale della sequenza elettropneumatica A+ / B+ / B- / A-.


Modificare il diagramma funzionale precedente in modo che in base allo stato di un selettore SA a due posizioni venga eseguito il ciclo precedente oppure il ciclo A+ / B+ / A- / B-.

Consci di non aver esaurito tutti gli aspetti del formalismo dei diagrammi funzionali passiamo a trattare la tecnica dei passi.

62

•

K3M = 1 23

2 Timer = 3s

23 K1M = 1

(P1 == 1)

2325

K3M = 1

(Timer == 0)

(FC1 == 1)

2324 K2M = 1

6


7.3 Tecnica dei passi

Lo sviluppo del software di controllo di una automazione è una fase critica perché da esso dipendono le prestazioni e la flessibilità dell'impianto. La tecnica dei passi3 è una metodologia di programmazione che agevola il passaggio dal diagramma grafcet che descrive il funzionamento dell'impianto al programma vero e proprio. Vediamo di chiarire in cosa consiste questa tecnica mediante la sua applicazione all'esempio della trapanatrice precedentemente esposto.

Per nostra comodità ipotizziamo di utilizzare una CPU S7-200, data la relativa semplicità con cui la tecnica dei passi può essere realizzata utilizzando il linguaggio a contatti.

Come accade nella soluzione di un qualsiasi problema di automazione dobbiamo innanzitutto redigere la lista delle attribuzioni degli ingressi e delle uscite del PLC.

• Tabella 2 - Lista attribuzioni I/O


PA I0.0 Pulsante di arresto


FC1 I0.4 Fine corsa posizione di base

FC2 I0.3 Fine corsa riscontro di profondità

K1M Q0.0 Teleruttore rotazione oraria motore del mandrino

K2M Q0.1 Teleruttore rotazione antioraria del mandrino

K3 Q0.2 Comando pistone avanzamento carello

7.3.1 Regole della sequenza di passi

Un comando a sequenza di passi deve sottostare alle seguenti regole in parte mutuate dalle regole del Grafcet:

- Normalmente deve essere eseguito il passo precedente prima che si possa passare al successivo.

- Il nuovo passo diventa attivo quando viene soddisfatta la relativa condizione di proseguimento.

- Ad ogni passo viene correlato un merker separato (Merker di passo); quando il passo è attivo il merker associato ad esso vale “1”.

- Quando viene impostato un nuovo merker di passo, il merker di passo che identifica il passo precedente viene resettato.

- Nel primo merker di passo (posizione base) non devono essere attivati motori o valvole.

- Se viene azionato il pulsante di arresto o se interviene la protezione motore deve essere impostato subito il primo merker di passo e contemporaneamente devono essere resettati tutti gli altri merker passo.

- Le uscite devono essere pilotate solo dai merker di passo mediante una bobina normale (comando non mantenuto).

La condizione di proseguimento viene generalmente derivata dallo stato degli ingressi e dal fatto che è attivo il merker del passo precedente.

3Alcuni autori denominano la tecnica dei passi con il termine di tecnica batch.

63


7.3.2 Struttura del programma

Nel proseguimento della sequenza di passi non ci si preoccupa dell’attivazione delle uscite. Questa funzione viene svolta da un’altra parte del programma.

Inoltre la parte di programma che gestisce le condizioni di emergenza deve trovarsi alla fine delle condizioni di proseguimento normali e prima della attivazione delle uscite.

Ciò significa che in base alle regole ed alle precedenti considerazioni un programma basato su sequenze di passi è costituito da almeno tre parti:

Gestione delle condizioni di proseguimento e dei temporizzatori

Inizializzazione e stop

Pilotaggio delle uscite

Il fatto che le uscite siano pilotate direttamente dai merker di passo, mediante un bobina semplice o contattore, garantisce che l’uscita venga attivata solo nel relativo passo. Se un’uscita deve valere “1” in diversi passi (nel nostro caso per esempio Q0.0) i rispettivi merker di passo vengono combinati logicamente in OR ed assegnati all’uscita.

Vediamo ora i diversi segmenti che compongono la soluzione.

64


65


7.3.3 Vantaggi delle sequenze di passi

L’uso delle sequenze di passi presenta diversi vantaggi.

La sezione di comando della sequenza di passi e il pilotaggio delle uscite sono separati

Se una uscita deve essere attiva anche nel passo 7 e non solo nei passi 2 e 3, è sufficiente modificare il programma nel solo segmento di attivazione dell’uscita.

Il programma si può testare facilmente

Ogni passo si può seguire sul dispositivo di programmazione. Se il ciclo non prosegue si può facilmente individuare il passo in cui il programma si è bloccato e il segnale che impedisce il proseguimento.

Meno errori di programmazione

L’uso della sequenza di passi implica una strutturazione del programma che riduce al minimo gli errori di programmazione.

Esercizio proposto 11. Sequenza elettropneumaticai

Un pannello elettropneumatico utilizza due cilindri (A e B) a doppio effetto, due elettrovalvole di distribuzione 5/2 bistabili (1V1 e 2V1) e una valvola 3/2 monostabile 0V permette la distribuzione dell'aria alle due elettrovalvole.

Il ciclo continuo A+ / B+ / B- / A- inizia con la pressione del pulsante SB1 e potrà essere interrotto mediante il pulsante di Stop SB3.

Agli ingressi del PLC S7-200 vengono collegati il selettore SA per il comando dell'aria compressa, il pulsante di arresto ciclo SB3, il pulsante di avvio ciclo automatico SB1, i fine corsa magnetici a0, a1, b0, b1 per il controllo della posizione dei pistoni dei cilindri A e B.Le segnalazioni sono affidate a due lampade HL1 e HL2 che indicano rispettivamente la presenza dell'aria e il ciclo in funzione.

Date le seguenti assegnazioni I/O realizzare il programma con la tecnica dei passi.

Simbolo Indirizzo Descriziopne

SA I0.0 Selettore ON/OFF.

SB3 I0.1 Pulsante (NC) di arresto ciclo

SB1 I0.2 Pulsante (NO) di inizio ciclo continuo

a0 I0.4 Finecorsa posizione A-

66


a1 I0.5 Finecorsa posizione A+

b0 I0.6 Finecorsa posizione B-

b1 I0.7 Finecorsa posizione B+

0Y1 Q0.0 Solenoide valvola 0V

1Y1 Q0.1 Solenoide valvola 1V1 corsa A+

1Y2 Q0.2 Solenoide valvola 1V1 corsa A-

2Y1 Q0.3 Solenoide valvola 2V1 corsa B+

2Y2 Q0.4 Solenoide valvola 2V1 corsa B-

HL1 Q0.5 Lampada presenza aria

HL2 Q0.6 Lampada ciclo in funzione

Esercizio proposto 12. Modifica sequenza

Modificare il programma precedente in modo tale che in base allo stato dell'ingresso I0.3 del PLC venga effettuato la sequenza precedente oppure la sequenza A+ / B+ / A- / B-.

Esercizio proposto 13. Linea per il confezionamento automatico di prodotti

Un nastro trasportatore, comandato dal motore M2, trasferisce delle bottiglie verso una stazione di confezionamento. Un sensore rileva il passaggio delle bottiglie e quando ne sono passate 12 viene attivato un secondo nastro trasportatore comandato dal motore M1. Questo ha il compito di trasferire il gruppo di 12 bottiglie alla stazione di stoccaggio e viene mantenuto in movimento per 5 secondi. Quando il motore M1 è in azione il motore M2 rimane spento. Al termine dei 5 secondi il ciclo riprende con l'arresto di M1 e l'azionamento di M2. Prevedere un pulsante di marcia per l'avvio del ciclo e un pulsante di arresto. Risolvere il problema utilizzando la tecnica della sequenza di passi.

67


7.4 Tecnica dei passi con lo Zelio

68



1. Si traduca in STL il programma della trapanatrice proposto nel paragrafo relativo alla sequenza di passi.

2. Disegnare lo schema Grafcet della automazione che realizza la sequenza elettropneumatica A+/B+/B-/A- in ciclo singolo e ciclo continuo utilizzando un pulsante di marcia PM, un pulsante di arresto PA e un selettore c.s./c.c. SC.

3. Tradurre in linguaggio STL l'automazione descritta dal diagramma funzionale prodotto con il precedente esercizio

.

69


8 SICUREZZA DELLE MACCHINE

8.1 Cenni sulla normativa europea

Qualsiasi prodotto o macchinario, per essere liberamente commercializzato all’interno dei paesi della Comunità Europea, deve soddisfare le direttive 2006/95/ CE (“direttiva bassa tensione”) e 2006/42/CE (“direttiva macchine”) e successive modifi che ed integrazioni. Queste direttive determinano i requisiti fondamentali affinché il dispositivo o il macchinario riesca a garantire un sufficiente livello di sicurezza per gli operatori. La conformità viene certificata mediante l’emissione della Dichiarazione di Conformità da parte del costruttore e dall’apposizione della marcatura CE sulla macchina stessa.

Per la valutazione dei rischi che la macchina presenta e per la realizzazione dei sistemi di sicurezza atti a proteggere l’operatore da tali rischi gli enti normatori europei CEN e CENELEC hanno emanato una serie di norme che traducono in indicazioni tecniche il contenuto delle Direttive.

Le norme per la sicurezza si suddividono in tre gruppi: A, B e C.

• Norme di tipo A.Sono norme che trattano i concetti di base ed i principi di progettazione generale per la realizzazione di tutte le macchine.

• Norme di tipo B. Sono norme che trattano nello specifico uno o più aspetti relativi alla sicurezza e che a loro volta si suddividono in norme di tipo B1 e B2.

◦ Norme di tipo B1. Norme relative ad alcuni aspetti della sicurezza (ad esempio distanze di sicurezza, temperature, rumore ecc.)

◦ Norme di tipo B2. Norme relative a dispositivi di sicurezza (ad esempio arresto di emergenza, controlli bimanuali, dispositivi di interblocco, ripari, ecc.).

• Norme di tipo C. Sono norme che trattano dettagliatamente le prescrizioni di sicurezza per particolari gruppi di macchine (es. presse idrauliche, macchine ad iniezione, ecc.

Il costruttore di dispositivi o macchinari, per comprendere quali norme deve applicare ai propri prodotti, deve per prima cosa verificare se il prodotto ricade all’interno di una norma di tipo C. In caso positivo sarà tale norma a indicare le prescrizioni per la sicurezza, altrimenti faranno fede le norme di tipo B per ogni specifico aspetto o dispositivo del prodotto. In mancanza di ulteriori specifiche il costruttore seguirà i principi generali enunciati nelle norme di tipo A.

8.2 Avviamento e arresto della macchina

Diverse sono le norme che trattano l'aspetto importante dell''arresto della macchina. In particolare due norme, appartenenti al gruppo B2, delineano gli aspetti fondamentali della funzione di arresto di emergenza. Esse sono la EN 13850 del:2006 “Arresto di emergenza”, che sostituisce la EN 418 del 1992, e la CEI EN 60204-1 (CEI 44-5) “Equipaggiamento elettrico delle macchine” giunta nel 2006 alla quarta edizione.

In particolare la norma CEI EN 60204-1 fornisce le prescrizioni e le raccomandazioni relative all'equipaggiamento elettrico delle macchine in modo da perseguire:

• la sicurezza delle persone e dei beni;

• la congruenza delle risposte ai comandi;

• la facilità di manutenzione.

L'equipaggiamento preso in considerazione dalla norma inizia dal punto di connessione dell'alimentazione all'equipaggiamento elettrico della macchina.

70


8.2.1 Funzione di avviamento

Per quanto riguarda la funzione di avviamento la norma prescrive che non deve essere possibile avviare una macchina finché non siano stati montati tutti i meccanismi di protezione o non siano completamente operativi.

Questo stato iniziale è generalmente riconosciuto come la posizione iniziale della macchina.

8.2.2 Funzione di arresto

Per quanto riguarda la funzione di arresto la norma distingue tre categorie di funzione di arresto, 0, 1 e 2, in base al motivo per cui si deve fermare la macchina.

Categoria di arresto 0

Arresto della macchina mediante l'immediata rimozione dell'alimentazione di potenza agli attuatori della macchina. Questo è un arresto di tipo non controllato. In ogni macchina deve essere previsto l'arresto di categoria 0, che viene spesso realizzata mediante l'arresto di emergenza.


Arresto controllato, durante il quale l'alimentazione di potenza degli attuatori è mantenuta fino all'arresto, Non appena la macchina si arresta l'alimentazione viene tolta. La funzione di arresto di categoria 1 deve essere prevista in quei casi dove sia richiesta per ragioni di sicurezza e funzionamento della macchina.


Arresto controllato, durante il quale l'alimentazione di potenza degli attuatori è mantenuta anche dopo l'arresto. Questo tipo di arresto si usa per fermare un processo di produzione in modo ordinario. La funzione di arresto di categoria 1 deve essere prevista in quei casi dove siano richieste per ragioni di sicurezza e funzionamento della macchina. La funzione di arresto di categoria 2 deve essere prevista in quei casi dove sia richiesta per ragioni di sicurezza e funzionamento della macchina.

Le funzioni di arresto di categoria 0 e 1 devono poter agire indipendentemente dalla modalità di funzionamento della macchina, ovvero indipendentemente dal passo in cui si trova e l'arresto di categoria 0 deve avere la priorità sull'arresto di categoria 1.

Il ripristino da una situazione di guasto non deve produrre alcun pericolo potenziale

8.3 Arresto di emergenza

L'attuazione dell'arresto d emergenza deve portare ad uno stato sicuro sia per l'uomo che per la macchina. Deve essere possibile disattivare immediatamente qualsiasi attuatore e motore che potrebbe creare situazioni di pericolo, come ad esempio la rotazione di un mandrino. D'altro canto attuatori e motori che, se disattivati, possano portare a situazioni di pericolo per gli operatori, come ad esempio se reggono carichi sospesi, devono continuare ad operare anche in emergenza.

Le seguenti raccomandazioni sono specifiche dell'arresto di emergenza in aggiunta a quelle per la funzione di arresto:

• precedenza su ogni altra funzione ed azione in qualsiasi modalità di operazione;

• l'alimentazione dei motori che possono causare situazioni di pericolo deve essere disattivata il prima possibile senza creare ulteriori situazioni di pericolo, ad esempio per mezzo di dispositivi di fermo meccanico che non richiedono una alimentazione esterna, per mezzo di freni a disinserimento automatico;

• il ripristino dell'avviamento non deve avvenire in modo automatico.

L'arresto di emergenza deve agire come arresto di categoria 0 o 1.

Nella precedente versione della norma era esplicitamente richiesto che l'arresto di emergenza di categoria 0 non doveva essere realizzato dal PLC, ma solo con componenti elettromeccanici, in modo da garantire l'arresto anche in caso di

71


malfuzionamento o guasto del PLC. Il comportamento della macchina durante un arresto di emergenza doveva comunque essere seguito in parallelo anche dal PLC in modo tale che se la macchina dovesse ripartire, i segnali presenti sulle uscite fossero coerenti con lo stato dei dispositivi.

Nell'ultima revisione della norma è stato tolto ogni riferimento ad ogni divieto all'uso di equipaggiamenti elettronci programmabili di sicurezza per gli arresti di emergenza di categoria 0

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9 LE RETI DI PLC

9.1 Introduzione

Il PLC può operare da solo (stand-alone) per controllare una macchina od un impianto, ma può essere collegato in rete ad altri PLC o anche a dei personal computer. Questa seconda possibilità estende le possibilità di controllo di un impianto. Un PLC collegato in rete trasmette e riceve i dati (numeri, lettere, elementi grafici, ecc.) sotto forma di segnali digitali che si presentano come gruppi di bit opportunamente codificati.

Uno dei codici più frequentemente utilizzati è il codice ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Esso consente di codificare i caratteri normalmente utilizzati per lo scambio di informazioni, come lettere, numeri, caratteri speciali e simboli grafici ed una serie di caratteri di controllo. Il codice ASCII utilizza 7 bit e quindi permette di codificare 128 caratteri; da tempo sono state introdotte delle estensioni al codice ASCII che fanno uso di 8 bit per un totale di 256 caratteri (Extended ASCII).

Nella comunicazione di rete, oltre al tipo di codice utilizzato, è importante il metodo con cui avviene la trasmissione dei dati. Essa può essere:

- simplex la comunicazione avviene in un solo senso, si può trasmettere o ricevere ma non compiere entrambe le operazioni

- half-duplex la comunicazione avviene in entrambi i sensi, ma non può avvenire contemporaneamente

- full duplex la comunicazione può avvenire in entrambi i sensi e contemporaneamente.

TX RX

simplex

TX TX

half duplex RX RX

TX RX

full duplex RX TX

• Figura 54 - Tipi di trasmissione

9.2 Trasmissione parallela e seriale

Le informazioni codificate possono essere trasmesse in modo parallelo o seriale.

In un sistema di trasmissione parallela l'informazione viene trasferita in blocco, inviando contemporaneamente tutti i bit (normalmente otto) che formano in codice gli elementi di informazione, usando tanti conduttori quanti sono i bit da inviare. Ad esempio se viene utilizzato il codice ASCII vengono utilizzati otto conduttori ai quali vengono aggiunti uno o più conduttori per il controllo della comunicazione.

In un sistema di trasmissione seriale i bit che codificano il carattere vengono inviati uno dopo l'altro utilizzando un unico conduttore.

73


9.2.1 La porta parallela CENTRONICS

Questa breve descrizione introduce le caratteristiche di funzionamento della porta parallela CENTRONICS. Anche se essa non è sovente utilizzata nei PLC si è ritenuto comunque introdurre alcuni aspetti data la sua estrema diffusione nei personal computer.

La interfaccia parallela CENTRONICS e’ nata per il collegamento tra calcolatore e stampante. Per le prime stampanti a carattere era sufficente il trasferimento parallelo dei caratteri dal calcolatore alla periferica con una coppia di segnali di handshake strobe e busy. Le prime porte parallele permettevano un flusso unidirezionale di sola uscita, poi con la evoluzione delle stampanti le porte parallele sono diventate bidirezionali, in grado di supportare modi di trasferimento dati veloci ed altre periferiche quali scanner o dischi rimovibili esterni.

La interfaccia parallela puo’ essere realizzata come piastra sul bus ISA o direttamente integrata nel chipset sulla piastra madre del calcolatore, in entrambi i casi il collegamento esterno e’ un connettore a vaschetta D a 25 poli femmina dal lato calcolatore, dal lato stampante il connettore e’ tipicamente a 36 poli chiamato “Centronics”.

Nella architettura del personal computer e’ stato previsto di poter avere fino a tre porte parallele sullo stesso calcolatore, indirizzate separatamente e completamente autonome fra di loro. I nomi di dispositivo previsti sono LPT1 (PRN), LPT2 e LPT3. In fase di inizializzazione il BIOS del calcolatore e’ in grado di rilevare la presenza delle porte parallele e di assegnare in sequenza i nomi agli indirizzi trovati dal piu’ altro (se c’e’ una porta parallela sola e’ sempre LPT1 indipendentemente da quale indirizzo occupa).

Per la porta parallela integrata sulla piastra madre e’ possibile impostare in modo software l’indirizzo, la linea di interruzione eventualmente usata ed il modo di funzionamento SPP simple printer port, BIDIRECTIONAL, ECP enhanced control port EPP enhanced parallel port.

9.2.2 La trasmissione seriale

Uno degli inconvenienti della trasmissione parallela consiste nel fatto che essa non può essere effettuata per lunghe distanze (oltre i due-tre metri) a causa di fenomeni di crosstalk tra una linea ed un'altra. La trasmissione seriale, invece, può avvenire anche per grandi distanze utilizzando ad esempio un doppino telefonico come mezzo trasmissivo.

La trasmissione seriale fa uso di particolari registri a scorrimento (shift registers) che permettono in trasmissione la conversione del dato dal formato parallelo al formato seriale (PISO, parallel input serial output) e in ricezione la conversione del dato dal formato seriale al formato parallelo (SIPO, serial input parallel output).

TX RX 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0

1 0 1 0 0 0 1 0

PISO SIPO

1

• Figura 55 - Principio di funzionamento della trasmissione seriale.

Se ad esempio si vuole trasmettere il carattere 'E', equivalente a 01010001 in codifica Extended-ASCII, verrà prima caricato il byte che rappresenta il carattere nel registro PISO, poi verranno inviati i singoli bit a partire dal meno significativo. In ricezione i bit vengono ricevuti uno ad uno dal registro SIPO, ma le cose sono un po più complesse perché bisogna distinguere un bit dall'altro.

Questo problema viene risolto in due modi : mediante la trasmissione asincrona e la trasmissione sincrona.

Nella comunicazione seriale sincrona i caratteri vengono trasmessi uno dopo l'altro consecutivamente. Inoltre si prevede, oltra alla linea di trasmissione, anche una linea con il segnale di clock emesso dal dispositivo che sta inviando i caratteri. Il clock permette di scandire la durata dei singoli bit. in questo modo si riducono i problemi di sincrnizzazione fra trasmettitore e ricevitore, sino al punto che sulla linea transitano quasi esclusivamente i dati da trasmettere e solo, ogni tanto, qualche segnale di sincronismo.

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Nella comunicazione seriale asincrona si fa in modo che il dispositivo trasmettitore ed il dispositivo ricevitore possano fare a meno del segnale di clock; in questo modo è necessario un solo conduttore oltre al conduttore di riferimento.

I due apparati devono comunque essere dotati ognuno di una proprio segnale di clock, con frequenze uguali, anche se è ammessa una certa tolleranza. Lasincronizzazione avviene facendo precedere ogni carattere effettivo da un bit di "start" e facendolo seguire da uno o due bit di "stop". Ad ogni bit di start si effettua in pratica la sincronizzazione fra i due apparati, per cui i pochi bit che seguono (codifica del carattere e bit di stop) non possono produrre uno slittamento tale da effettuare una ricezione errata.

Oltre ai bit di start e di stop può essere aggiunto un bit di parità che serve per controllare la correttezza dei dati trasmessi.

Il dispositivo che permette di effettuare queste operazioni è generalmente denominato UART (Universal Asyncronous Receiver Transmitter) e si trova normalmente integrato all'interno delle CPU dei PLC.

9.2.3 Lo standard RS-232-C

E' uno standard per la comunicazione seriale asincrona full-duplex, nato negli anni 60 negli Stati Uniti, per rispondere all'esigenza di una interfaccia standard per l'I/O ampiamente accettata e diffusa. Attualmente esso è uno standard ancora molto diffuso per la connessione di sistemi a microprocessore ad un personal computer, anche se ormai sta per essere soppiantato da sistemi di comunicazione molto più recenti ed evoluti come l'USB (Universal Serial Bus).

Lo standard definisce:

- le caratteristiche del segnale elettrico

- l'interfaccia meccanica

- la disposizione funzionale dei circuiti di interscambio

Lo standard RS232, o V24, accetta livelli di tensione tra +3V e +12V (stato logico 0 o "space") e tra -3V e -12V (stato logico 1 o "mark"). A causa dei circuiti utilizzati questo standard è fortemente penalizzato dal rumore elettrico ed è adatto per comunicazioni su distanze limitate (massimo 10-15 m a 9600 baud).

Si comprendono le scelte progettuali effettuate per questo standard se si considera l'applicazione per cui originariamente è stato progettato: l'interfacciamento tra un computer di grosse dimensioni (mainframe) ed un terminale remoto. Un terminale era una combinazione di tastiera e video.

MODEM

DCE

MODEM

DCE

RS232 RS232

MAINFRAME TERMINALE

linea telefonica

DTE DTE

• Figura 56 - Connessione di un terminale remoto ad un mainframe mediante linea telefonica.

In particolare la RS232 garantiva il collegamento tra il DTE (Data Terminal Equipment) ed il DCE (Data Communication Equipment). Il DCE consisteva essenzialmente in un MODEM (MOdulator-DEModulator). Il MODEM converte i due livelli di tensione della RS-232 in toni differenti (Modulazione) e viceversa (Demodulazione). Questa operazione si rende necessaria perché il segnale digitale non può essere trasmesso su filo a grandi distanze a causa dell'effetto attenuatore delle resistenze e delle capacità parassite.

9.2.4 Lo standard RS-422

Un altro standard è l'RS-422 che, pur impegando segnali più deboli (da -5V a +5V), utilizza circuiti maggiormente affidabili che consentono di raggiungere distanze fino a 1000m e raggiungere velocità prossime ai 10Mbaud.

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La linea di trasmissione è del tipo differenziale ovvero è composta da due conduttori indipendenti da massa aventi sempre tensioni opposte tra loro. In ricezione il segnale viene ricavato facendo la differenza tra le due tensioni.In questo modo si aumenta l'immunità ai disturbi.

Bisogna però tenere presente che la velocità di trasmissione massima si ottiene con una lunghezza della linea pari a 10 m, e che all'aumentare della lunghezza decresce la velocità di trasmissione (100kbaud per una lunghezza di 1000 m).

9.2.5 Lo standard RS-485

Ha le stesse caratteristiche di velocità e distanza della RS-422 e come questa utilizza segnali differenziali.

La caratteristica più interessante di questo standard è che esso accetta sulla stessa linea più trasmettitori e più ricevitori insieme fino ad un massimo di 32. In realtà in ogni istante vi può essere un solo dispositivo che tramette (comunicazione half-duplex) mentre tutti gli altri dispositivi collegati sulla linea ascoltano. Eventuali conflitti vengono risolti adottando protocolli di comunicazione del tipo master-slave.

9.2.6 Il loop di corrente

Un'altro tipo di trasmissione seriale sovente utilizzato è il loop di corrente a 20mA che assoccia i due stati del segnale della linea alla presenza di corrente (20 mA) o alla sua assenza (0 mA).

Questa interfaccia possiede una elevata immunità ai disturbi elettromagnetici; non sono però possibili raggiungere distanze elevate (300-500 m)..

9.3 Il modello master-slave

Nella comunicazione di rete ricorre spesso il concetto di master-slave.

Master: è un dispositivo che può iniziare una richiesta di comunicazione con un altro dispositivo presente nella rete.

Slave: è un dispositivo che può solo rispondere ad eventuali richieste di comunicazione provenienti da un dispositivo master.

In una rete che si basa sul modello master-slave possono essere presenti più dispositivi master e più dispositivi slave. Però, per evitare problemi di conflitto (bus contention) è necessario che in ogni istante di tempo vi sia sempre solo un master abilitato a comunicare.

9.4 La configurazione della comunicazione di rete

Quando si vuole connettere un PLC ad una rete è necessario configurare alcuni parametri fondamentali della comunicazione. Tra di essi vi sono il baudrate e l'indirizzo di rete.

9.4.1 Il baudrate

Il baudrate è un indice della velocità con cui i dati vengono trasmessi in rete. Esso rappresenta il numero massimo di bit che possono essere trasmessi in un secondo.

Per esempio un baudrate di 19200 indica un limite massimo di 19200 bit al secondo. In realtà tale limite è un valore "lordo" perché comprende anche i vari bit di start e di stop.

9.4.2 L'indirizzo di rete

L'indirizzo di rete è un numero univoco che viene assegnato ad ogni dispositivo presente in rete. In una rete non ci possono essere due dispositivi dotati dello stesso indirizzo; ciò assicura che i dati spediti da un dispositivo vengano recepiti soltanto dal dispositivo interessato.

Per esempio i PLC S7-200 supportano indirizzi di rete da 0 a 126.

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9.5 I bus di campo

Derivati dalla tecnologia delle reti locali, i bus di campo (fieldbus) permettono di interconnettere i dispositivi di rilevamento, attuazione, interfacciamento e controllo distribuiti in un impianto industriale od in un edificio "intelligente" (building automation). Diversi sono i vantaggi rispetto ai sistemi di collegamento tradizionali:

riduzione dei cablaggi e dei relativi problemi di manutenzione

possibilità di utilizzare dispositivi di produttori diversi

gestione più efficace dei flussi di informazione fra le apparecchiature

disponibilità di strumenti di supporto per il controllo, l'installazione e la configurazione dell'architettura distribuita.

Nel 1996 è stato ratificato lo standard europeo EN50170 per i bus di campo. Esso comprende tre standard nazionali già sperimentati e affermati nei rispettivi Paesi di origine: Profibus in Germania, WorldFip in Francia e Pnet in Danimarca.

Il Profibus, in particolare, deriva dal protocollo SIEMENS SINEC L2. Profibus è l'acronimo di PROcess FIeld BUS. Dal punto di vista hardware il Profibus opera in RS-485.

9.6 Reti locali

Le reti locali, generalmente chiamate LAN (Local Area Network) sono reti private all'interno di un singolo edificio, di dimensioni non superiori di qualche chilometro. Esse sono molto utilizzate per collegare i personal computer all'interno degli uffici e degli stabilimenti in modo da permettere la condivisione delle risorse, per esempio stampanti, memoria fisica, connettività internet, ecc., e lo scambio di informazioni.

Se si vuole affrontare il problema del controllo di una fabbrica con sistemi computerizzati che gestiscano il controllo sia a livello di produzione che a livello di gestione (CIM: Computer Integrated Manufacturing) ci si imbatte inevitabilmente in situazioni in cui si rende necessario rendere disponibili all'interno di una rete locale i PLC adibiti al controllo ed alla supervisione dei vari processi.

Per questo motivo già da un pò di tempo le ditte costruttrici mettono a disposizione delle interfaccie che permettono di far vedere un PLC come un nodo di rete, alla stessa stregua di un computer.

Le LAN usano spesso una tecnologia di trasmissione che usa un solo cavo al quale tutte le macchine sono collegate. In questo caso si parla di reti broadcast. Le LAN più recenti possono arrivare a velocità fino a centinaia di Mbit/s.

Esistono sostanzialmente due tipologie di reti broadcast: a bus e ad anello.

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Computer

Cavo

(a) (b)

• Figura 57 - Reti broadcast. (a) Bus. (b) Anello.

In una rete a bus, in ogni istante ad una sola macchina è permesso di trasmettere. A tutte le altre macchine è richiesto di trattenersi dal trasmettere. E' quindi necessario un meccanismo di arbitrio per risolvere i confllitti quando due o più macchine vogliono trasmettere simultaneamente; il meccanismo può essere centralizzato o distribuito. Lo standard IEEE 802.3, popolarmente conosciuto con il nome Ethernet, è una rete broadcast basata su bus con controllo decentralizzato operante a 10, 100 e 1000 MBit/s.

9.7 Domande

2. Descrivi le modalità con cui può avvenire una trasmissione dati tra due nodi in una comunicazione di rete.

3. Che cosa è il baud rate.

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10 PROBLEMI DI AUTOMAZIONE

10.1 Tema di sistemi, automazione e organizzazione della produzione – Indirizzo T.I.EL. - Sessione ordinaria 2000

TESTO DEL TEMA

“Un sistema di smistamento bagagli su nastro trasportatore deve dividere quelli destinati alle partenze nazionali da quelli destinati alle partenze internazionali.

Un primo sensore rileva la presenza del bagaglio sul nastro trasportatore, mentre un secondo sensore legge su un codice a barre il tipo di destinazione.

Se il bagaglio è destinato ai voli internazionali il nastro trasportatore procede senza interrompersi; se invece è destinato ai voli nazionali, il bagaglio viene deviato mediante due cilindri pneumatici: il primo blocca il bagaglio, il secondo provvede a spingerlo su un secondo nastro trasportatore.

Il candidato esegua il progetto del sistema automatico seguendo la logica elettropneumatica con componenti elettromeccanici o facendo ricorso ad un controllore a logica programmabile (in questo caso potrà elaborare il relativo programma con il linguaggio che meglio conosce).

Il candidato può, a sua facoltà, eseguire il confronto fra le due soluzioni in modo da evidenziarne le caratteristiche.”

SOLUZIONE

Un problema di automazione spesso può essere risolto in diversi modi. Comunque, le soluzioni normalmente si suddividono sempre in una serie di fasi più o meno ricorrenti. Qui di seguito vengono esposti i diversi passi necessari per arrivare alla soluzione; essi sono presentati in un ordine logico che è bene rispettare.

Ipotesi aggiuntive

La prima fase consiste nella formulazione di eventuali ipotesi aggiuntive necessarie per una formulazione corretta e non ambigua della soluzione.

Nel nostro caso, in assenza di altre indicazioni, si ipotizza che il sensore di presenza serva ad avviare il nastro trasportatore quando vi è collocato un bagaglio e ad interromperlo quando non vi è alcun bagaglio, lasciando però il tempo all’ultimo bagaglio di giungere alla fine del nastro.Inoltre si ipotizza che quando il bagaglio viene trasferito sul secondo nastro trasportatore venga avviato il motore di esso per un tempo definito da un apposito timer.

Schema di principio dell’impianto

Lo schema di principio dell’impianto deve presentare in modo semplice e chiaro la disposizione relativa dei vari componenti dell’impianto in modo da agevolare la comprensione della soluzione adottata.

E’ opportuno essere molto schematici nella rappresentazione dei vari elementi e non aggiungere elementi grafici non strettamente necessari.

Se ciò agevola la comprensione, si possono realizzare diverse viste dell’impianto.

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A SN SP

M2

M1 B

Vista di lato

Vista dall’alto

• Figura 58 - Schema di principio dell'impianto.

Circuiti elettropneumatici

Molto spesso nei problemi di automazione è esplicitamente richiesta l’utilizzazione di alcuni attuatori elettropneumatici come ad esempio i cilindri a singolo o a doppio effetto. E’ pertanto necessario disegnare lo schema pneumatico e lo schema delle fasi del circuito pneumatico.

Nel nostro caso il problema può essere risolto mediante l’utilizzazione di due cilindri pneumatici a singolo effetto ciascuno comandato da una elettrovalvola 4/2 monostabile4.

A

a0

b0 b1

a1

B

Y2

Y1 A+ A-

B+ B-

SN1

a1

b1

a0

• Figura 59 - Schema pneumatico e diagramma delle fasi.

Indicando con A e B i due cilindri e con Y1 e Y2 le loro rispettive elettrovalvole, la sequenza desiderata è del tipo:

A+ / B+ / (A- / B-)4 A quattro vie, due posizioni ed una bobina.

80


Si fa uso di due finecorsa per cilindro (a0 e a1, b0 e b1).

Lista attribuzioni

Nome Simbolo Commento


PALT I0.1 Pulsante di arresto



SP I1.0 Sensore presenza valigie

SN I1.1 Sensore voli nazionali

a0 I1.2 finecorsa di ritorno del cilindro A

a1 I1.3 finecorsa di andata del cilindro A

b0 I1.4 finecorsa di ritorno del cilindro B

B1 I1.5 finecorsa di andata del cilindro B

KM1 Q0.0 teleruttore motore primo nastro trasportatore

KM2 Q0.1 teleruttore motore secondo nastro trasportatore

Y1 Q0.2 azionamento cilindro A

Y2 Q0.3 azionamento cilindro B

Diagramma degli stati (Grafcet)

Nel nostro caso, data la relativa semplicità del problema di automazione abbiamo riportato immediatamente il diagramma operativo. Si sottolinea la presenza in esso di nodi di diramazione.

81


0

PM = 1

1 TM1 = 0 → KM1 = 0, TM2 = 0 → KM2 = 0

SP = 1

2 KM1 = 1 TM1 = 10s

SN = 1

3 Y1 = 1

a1 = 1

4 Y2 = 1

b1 = 1

5 Y1 = 0 KM2 = 1 TM2 = 10s

a0 = 1

6 Y2 = 0

SN = 0

• Figura 60 - Diagramma GRAFCET operativo del sistema di smistamento bagagli

Programma

82


83



TESTO DEL TEMA

“Un sistema a nastro trasportatore, azionato da un motore con funzione di trasferimento:

( ) ( ) ( )s1021s10212,5sG

23mot⋅⋅+⋅⋅⋅+

=−−

serve a riempire delle scatole di confezioni di medicine.

Quando sono state contate 24 confezioni il nastro si deve fermare per consentire la sostituzione della scatola e ripartire automaticamente dopo un tempo pari a 20 s.

Il candidato, indicati i necessari dispositivi, illustri una possibile configurazione del sistema e il suo conseguente funzionamento. Descriva quindi, utilizzando un metodo a sua scelta, una possibile soluzione dell’automatismo.

Sapendo inoltre che la velocità del motore viene controllata da un sistema ad anello chiuso che comprende:

- un sistema di controllo con funzione di trasferimento: GA(s) = 45;

- una dinamo tachimetrica con guadagno: GT(s) = 0,1;

- un circuito condizionatore con Gcond(s) = 0,2;

- un regolatore proporzionale con Kp = 1,8.

Il candidato determini la funzione di trasferimento complessiva del sistema e analizzi la stabilità del sistema utilizzando un criterio a sua scelta.”


TESTO DEL TEMA

“In un stabilimento di prodotti dolciari si utilizza, per la cottura di merendine, un sistema di automazione costituito da un forno, che deve fornire la temperatura costante TF = 200°C, da un nastro trasportatore sul quale si chiudono le porte del forno e da un dispositivo necessario per inserire e togliere le merendine dal forno. Sapendo che le funzioni di trasferimento del forno, del sistema di comando e del regolatore sono rispettivamente:

( )s5001

2,0sGF ⋅+= ( ) 3sGA = ( ) 1,0sGK =

il candidato:

1. descriva mediante uno schema a blocchi il sistema di controllo della temperatura all’interno del forno e indichi la funzione di ogni blocco;

2. determini la funzione di trasferimento del blocco di reazione, termocoppia e circuito di condizionamento, sapendo che la termocoppia presenta un guadagno di 40 µV/°C e un polo con una costante tempo τC = 50s e che la tensione in uscita dal blocco vale VR = 1V per la temperatura TF = 200°C;

3. calcoli la funzione di trasferimento del sistema e ne analizzi la stabilità utilizzando un criterio di sua scelta.

Inoltre, tenendo presente che:

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a) un pulsante di chiusura delle porte avvia il ciclo di cottura e consente di chiuderle in caso di necessità;

b) il tempo di cottura delle merendine è di 40 minuti;

c) il forno si riapre per 20s per consentire il cambio delle merendine.

Il candidato, fatte le eventuali ipotesi aggiuntive, descriva una possibile configurazione del sistema automatico e illustri, con un metodo di sua scelta, una soluzione dell’automatismo.

10.4 Proposte di temi

PRIMA PROPOSTA

Su un nastro trasportatore vengono depositati degli oggetti che devono andare a riempire delle scatole posizionate su un secondo nastro trasportatore. Mentre gli oggetti scorrono uno ad uno sul primo nastro vengono contati tramite un sensore che rileva la loro presenza. Nel frattempo il nastro che trasporta le scatole rimane fermo; quando sono stati contati i dieci oggetti che devono riempire la scatola, il primo nastro si ferma e viene contemporaneamente avviato il secondo nastro che porta la scatola a destinazione. Il secondo nastro si blocca immediatamente se viene rilevata la presenza di una nuova scatola oppure comunque dopo 20 secondi. La presenza di una nuova scatola provoca l'immediato avvio del primo nastro trasportatore.

Il candidato, fatte le eventuali ipotesi aggiuntive, descriva una possibile configurazione del sistema automatico e illustri, con un metodo di sua scelta, una soluzione dell’automatismo.

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Sommario PREFAZIONE 4 1 IL PLC: ASPETTI GENERALI5...

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