PLC: Concetti base nell'hardware

2.1 I Microprocessori
Il microprocessore è il dispositivo massima espressione dell'elettronica digitale : è molto piccolo, fa moltissime cose e consuma pochissima energia.
Questo gadget compie operazioni logiche (e matematiche) molto velocemente, e soprattutto le esegue secondo una "scaletta" predefinita a nostro piacimento, chiamata semplicemente programma.

Il programma quindi non è altro che un elenco di operazioni che deve compiere il microprocessore.

Tra le tante istruzioni che un microprocessore può elaborare vi sono anche quelle della logica binaria (vedi ad esempio AND e OR citati in precedenza), ecco quindi che può essere utilizzato per elaborare dei segnali elettrici e comandare delle macchine, proprio come si fa in elettrotecnica con i circuiti di comando.
La trasposizione del microprocessore dal mondo dell'elettronica digitale al mondo elettrotecnico è stata quindi abbastanza semplice, viste le affinità dal punto di vista della logica.

Queste affinità comportano, in generale, una straordinaria conseguenza :

ogni schema funzionale puo essere tradotto in una sequenza di istruzioni per un microprocessore.

E' quindi possibile trasformare uno schema elettrico funzionale che comanda una macchina in un programma che praticamente svolge la stessa funzione all'interno del microprocessore.
Un PLC è appunto un apparecchio dotato di microprocessore è destinato al comando di dispositivi elettrici, ma con il vantaggio che una modifica del programma è molto semplice e veloce, rispetto alla modifica del circuito elettrico che deve essere ricablato.

2.2 Differenza PC - PLC
Vediamo nella tabella che segue una comparazione esemplificativa che confronta i mondi PC e PLC :

Caratteristica	PC	PLC
Spostamento di dati	> 500.000 kByte/sec	< 10 kByte/s
Dimensione dei programmi	> 10.000 kByte	< 10 kByte
Operazioni binarie tipiche	spostamento di 32 bit	operazioni su 1 bit singolo
Frequenza Microprocessore	> 1 GHz	< 100 MHz
Funzionamento tipico	8 ore al giorno	24 ore su 24
Immunita a disturbi elettrici	scarsa	elevata
Condizioni ambientali	interno climatizzato	da 0 a 55 °C
Programmazione	Compilata con linguaggi ad alto livello	diretta, praticamente in "linguaggio macchina"

Il programma di un PLC, se confrontato con i software che abbiamo nel Personal Computer posto sulla nostra scrivania, è veramente piccolo, anzi microscopico.
Quando si usa un PC il microprocessore al suo interno sposta centinaia di MegaByte al secondo attraverso i vari bus, mentre nel PLC si spostano pochi Byte, se non addirittura bit singoli.

Paradossalmente si potrebbe costruire un PLC anche con un processore per PC dell'ultimissima generazione, ma sarebbe un tantino sovradimensionato.

2.3 Caratteristiche Hardware
Come già accennato, un PLC è un piccolo computer, ma a differenza del PC non deve interfacciarsi con l'uomo, ma con circuiti elettrici.
Il suo microprocessore non si aspetta quindi di ricevere un segnale da un mouse o da una tastiera, ma da dispositivi elettrici quali un singolo pulsante, un contatto di allarme, un segnale di livello, ecc.

A sua volta il PLC, una volta elaborati i segnali di ingresso tramite il programma, produrrà in uscita un risultato atto, non a essere visualizzato su un monitor, ma a comandare un motore, elettrovalvole, spie luminose, ecc.

Vi sono quindi :

• Dei circuiti di ingresso che "adattano" i segnali elettrici, provenienti dal macchinario o dall'impianto, alle tensioni e correnti interne al PLC;
• Dei circuiti di uscita che compiono la sequenza contraria.

Tipicamente i circuiti di ingresso sono costitiuti da fotoaccoppiatori che dal lato "campo" gestiscono segnali a 24 Vcc, mentre dal lato interno a 5Vcc.
Per le uscite generalmente il microprocessore pilota delle bobine di relé o dei transistor "open collector".

Tra gli accessori piùusati da non dimenticare i dispositivi di interfaccia uomo-macchina, indispensabili per segnalare errori, anomalie, e dare la possibilità all'operatore di inserire set-point e scegliere modalità diverse di funzionamento.

Nota : Per un approfondimento di tutti questi aspetti si rimanda alle altre sezioni del "Manuale Pratico del PLC" (edizione 2002).


2.4 Tipi di Segnali elettrici Gestiti
Tipicamente un PLC, nell'interfacciarsi con il mondo esterno, gestisce :

DI - Digital Inputs Ingressi Digitali	Sono segnali proveneinti da contatti, pulsanti, termostati, ecc. e che tipicamente hanno tensione 0 quanto OFF e tensione +24 Vcc quando ON.
DO - Digital Outputs Uscite Digitali	Sono i segnali con i quali il PLC comanda (tramite relé ausiliari e/o contattori) gli attuatori, quali motori, elettrovalvole, segnalazioni, ed altri circuiti.
AI - Analog Inputs Ingressi Analogici	Sono segnali provenienti da trasduttori di pressione, portata, o termometri, igrometri, analizzatori chimici, analizzatori di Energia Elettrica e altri strumenti che trasducono la grandezza fisica analizzata in un segnale elettrico proporzionale (tipicamente 4-20 mA o anche 0-10 V);
AI - Analog Outputs Uscite Analogiche	Sono segnali atti a pilotare valvole proporzionali, strumenti indicatori, registratori, Regolatori di Velocità per motori (Drives o Inverter), e altre apparecchiature regolatrici.

In particolare la gestione di queste ultime due categorie di segnali e di grande utilità e consente un enorme passo avanti ai sistemi di controllo programmati rispetto a quelli cablati, con i quali non sono possibili simili operazioni.


2.5 Dummy, il nostro PLC ideale
Dato che nel presente manuale si farà spesso ricorso ad esempi, configuriamo ora un PLC virtuale con il quale fare tutte le nostre successive sperimentazioni, e che chiameremo "Dummy".
Dummy è un ipotetico PLC di media potenza e con caratteristiche Hardware e Software abbastanza aggiornate, in modo da poter sviluppare programmi con le concezioni piùavanzate (senza esagerare).
In poche parole Dummy ci metterà a disposizone gli strumenti più moderni e contemporaneamente più pratici che si hanno a disposizione


Come è fatto Dummy
Il PLC sara composto da un telaio, detto rack, con 7 posti scheda così utilizzati :

• Slot 0 - CPU
• Slot 1 - Modulo con 16 segnali di Ingresso Digitali 16 DI
• Slot 2 - Modulo con 8 segnali di Ingresso Digitali 8 DI
• Slot 3 - Modulo con 16 segnali di Uscita Digitali 16 DO
• Slot 4 - Modulo con 8 segnali di Uscita Digitali 8 DO
• Slot 5 - Modulo con 8 segnali Analogici di Ingresso 8 AI
• Slot 6 - Modulo con 4 segnali Analogici di Uscita 4 AO

Da ciò risulta il seguente disegno :

nr.	0	1	2	3	4	5	6
Modulo Tipo In/Out	CPU	16 in Digitali	8 in Digitali	16 Out Digitali	8 Out Digitali	8 In Analog.	4 Out Analog.

Nota : tipicamente a lato della CPU vi è il modulo Alimentatore, ma non ha numerazione.