Un successo Sistema di controllo PLC la progettazione inizia con obiettivi di automazione chiaramente definiti e allineati agli obiettivi produttivi. Un'analisi del settore mostra che il 62% dei guasti nell'automazione deriva da obiettivi scarsamente documentati. Per evitarlo, i team dovrebbero:
Questi obiettivi misurabili garantiscono che il sistema di controllo supporti l'efficienza operativa e la scalabilità a lungo termine.
Una corretta mappatura I/O richiede di distinguere tra segnali digitali (on/off) e analogici (variabili). I dispositivi di campo più comuni includono:
La selezione del tipo corretto di I/O garantisce un'interpretazione accurata del segnale e una risposta affidabile degli attuatori in condizioni operative dinamiche.
I sistemi PLC dipendono generalmente da tre componenti principali che lavorano insieme. Al centro di tutto si trova l'Unità Centrale di Elaborazione, o CPU per brevità. Questo componente esegue i programmi di controllo e gestisce tutti i compiti di rete all'interno del sistema. Poi ci sono i moduli di Input/Output. Questi piccoli operatori ricevono segnali da sensori di temperatura, manometri e altri dispositivi di campo, trasformandoli in dati comprensibili al computer. Svolgono anche il compito inverso, inviando impulsi elettrici per avviare motori, aprire valvole o attivare allarmi in base a quanto ordinato dalla CPU. Ultimo ma non meno importante è l'alimentatore. La maggior parte degli impianti industriali richiede una tensione continua stabile di 24 volt per mantenere tutto in funzione regolarmente. Le unità di buona qualità sono dotate di circuiti di backup, così da non interrompersi in caso di cali di tensione improvvisi, comuni nelle fabbriche dove macchinari di grandi dimensioni vengono accesi e spenti continuamente in prossimità.
| Configurazione | Migliore per | Vantaggio chiave |
|---|---|---|
| PLC fissi | Processi semplici e statici | Preconfigurato, economico |
| PLC modulari | Operazioni Scalabili | I/O personalizzabili tramite schede aggiuntive |
| PLC montati su rack | Automazione su larga scala | Architettura di controllo centralizzata |
La scelta della configurazione corretta dipende dalla complessità del processo, dai piani di espansione e dai vincoli fisici.
Per quanto riguarda i PLC modulari, questi dispositivi possono gestire fino a 64 espansioni di I/O nelle configurazioni top di gamma, rendendoli praticamente perfetti per sistemi che crescono nel tempo. Al contrario, i PLC fissi riducono i costi iniziali del 30% e persino fino al 45% per installazioni più piccole, ma una volta installati non offrono possibilità di espansione quando questa diventa necessaria. Anche lo spazio ha la sua importanza. I sistemi rack montati occupano all'incirca il doppio dello spazio richiesto dalle soluzioni compatte nei quadri di controllo, secondo la maggior parte degli installatori con cui abbiamo parlato. Ma ecco il punto: anche se richiedono più spazio, le unità rack montate semplificano notevolmente la manutenzione poiché tutto è facilmente accessibile insieme, e i tecnici possono raggiungere i componenti senza dover smontare pareti o armadi solo per riparare una piccola cosa.
Un importante produttore di componenti automobilistici ha iniziato lo scorso anno a utilizzare sistemi PLC modulari sulle proprie linee di produzione di batterie per veicoli elettrici. Questa configurazione ha permesso di introdurre gradualmente, nell'arco di circa tre anni, robot per saldatura laser e sensori intelligenti per il controllo qualità, mantenendo nel contempo il normale funzionamento della fabbrica. Invece di rimuovere interi sistemi obsoleti, questo approccio ha ridotto le spese di riattrezzaggio di quasi la metà, secondo rapporti interni. Da solo, questo risparmio rappresenta un argomento solido a favore dell'importanza crescente delle soluzioni hardware flessibili negli attuali ambienti manifatturieri ad alta tecnologia.
La programmazione del PLC (Programmable Logic Controller) trasforma fondamentalmente le operazioni necessarie per le macchine in istruzioni effettive che esse possono seguire. Il sistema acquisisce informazioni in tempo reale dai sensori, ad esempio quanto caldo sta diventando un componente o se un determinato interruttore è stato azionato, e quindi prende decisioni sulle azioni da intraprendere successivamente. Si pensi ai motori che si accendono quando necessario o alle valvole che si chiudono nel momento preciso. Gli ingegneri utilizzano pacchetti software specifici per creare questi sistemi di controllo in base alle esigenze della fabbrica. Alcune configurazioni sono orientate a garantire che i prodotti attraversino le linee di imballaggio alla massima velocità possibile, mentre altre richiedono un'estrema precisione per operazioni come il montaggio di componenti automobilistici, dove anche errori minimi hanno grande rilevanza.
La scelta del linguaggio di programmazione influisce sulla velocità di sviluppo, flessibilità e facilità di manutenzione:
La scelta del linguaggio deve corrispondere all'esperienza del team e alla complessità dell'applicazione.
Tutti i PLC operano attraverso un ciclo di scansione continuo:
L'ottimizzazione del tempo di scansione—spesso ridotto a millisecondi nei sistemi ad alta velocità—garantisce un controllo reattivo e deterministico, minimizzando i ritardi negli ambienti produttivi ad alto ritmo.
Ottenere una buona integrazione I/O dipende molto da come è stato predisposto il cablaggio fin dall'inizio. I moduli analogici gestiscono quei segnali variabili provenienti da dispositivi come le termocoppie, mentre quelli digitali si collegano a svariati sensori on/off, inclusi i finecorsa che vediamo ovunque. Per combattere le interferenze elettromagnetiche, i cavi schermati a coppia intrecciata danno il meglio se abbinati a un qualche tipo di isolamento galvanico. Secondo un rapporto di analisi industriale dello scorso anno, circa il 17 percento di tutti i problemi di segnale nelle fabbriche è in realtà attribuibile a interferenze elettromagnetiche. Non dimenticate nemmeno i parafulmini: sono essenziali per proteggere i preziosi componenti del PLC da picchi di tensione imprevisti e da fastidiosi cortocircuiti che potrebbero bloccare l'intera operatività.
Diversi dispositivi di campo come sensori fotoelettrici, valvole solenoidi e quegli apparecchi VFD si collegano al PLC attraverso moduli I/O. Recenti studi indicano che circa il 74 percento dei problemi nei sistemi di automazione deriva da incompatibilità tra sensori e attuatori, il che significa che verificare la compatibilità dei componenti è particolarmente importante. Prendiamo ad esempio i trasduttori di pressione: di norma devono essere collegati a un modulo di ingresso analogico configurato per loop di corrente quando si lavora con segnali da 4 a 20 mA. Al contrario, la maggior parte dei sensori di prossimità induttivi si collega semplicemente a ingressi digitali standard a 24 V DC. Eseguire correttamente questi collegamenti fa tutta la differenza per l'affidabilità del sistema.
Quando i segnali iniziano a comportarsi in modo anomalo, un collegamento a massa difettoso è spesso tra le prime cause da verificare. Il metodo del punto stella funziona egregiamente in questo caso, poiché tutti i cavi schermati vengono collegati a un unico punto sul telaio, invece di passare attraverso più punti come avviene nei collegamenti a catena. Secondo l'Industrial Automation Journal dell'anno scorso, questo approccio riduce i problemi dei loop di massa di circa due terzi! Nei luoghi dove circola molto rumore elettrico, passare a connessioni in fibra ottica tra le unità di ingresso/uscita distanti e l'unità principale di elaborazione aiuta molto a mantenere il segnale pulito. E non dimenticate di aggiungere quegli anelli magnetici chiamati nuclei in ferrite ai cavi Ethernet. Inoltre, separare i cavi di alimentazione dai cavi di controllo in canaline diverse fa una grande differenza quando si cerca di mantenere comunicazioni affidabili all'interno di sistemi complessi.
Secondo Automation World dell'anno scorso, un test accurato riduce i problemi di implementazione negli ambienti industriali di circa due terzi. Per quanto riguarda l'effettiva implementazione, le simulazioni hardware mediante loop sono molto efficaci nel verificare il comportamento dei sistemi di controllo in condizioni reali. Nel frattempo, diversi metodi diagnostici come forzare gli stati di ingresso/uscita o impostare punti di interruzione possono identificare quei fastidiosi problemi di temporizzazione spesso trascurati. Prendiamo ad esempio le linee di produzione automobilistica: molte case automobilistiche testano effettivamente centinaia di diverse situazioni di guasto prima ancora di prendere in considerazione l'attivazione delle stazioni di saldatura robotizzate in modalità di produzione completa. Questo approccio consente di individuare quasi tutti i possibili malfunzionamenti in anticipo.
Le strutture operative in aree ad alto rischio, come gli impianti di lavorazione chimica, devono soddisfare gli standard SIL 3 per l'integrità della sicurezza. Ciò comporta tipicamente l'installazione di sistemi con processori di backup insieme a configurazioni di ingressi/uscite a doppio canale. Si consideri un impianto per la produzione di acciaio in cui si è verificato un grave problema di blocco di un sistema di trasporto. Il sistema di arresto di emergenza è intervenuto quasi istantaneamente, fermando tutte le parti in movimento entro soli 12 millisecondi. Questa rapida risposta ha evitato danni all'equipaggiamento per un valore di circa 2,1 milioni di dollari. Per quanto riguarda i protocolli di sicurezza, è essenziale seguire le linee guida ISO 13849 e IEC 62061. Più importante di tutto, le procedure critiche di arresto devono essere sufficientemente rapide da poter reagire a situazioni pericolose in non oltre 100 millisecondi.
| Protocollo | Velocità | Topologia | Casi d'Uso Industriali |
|---|---|---|---|
| Modbus RTU | 19,2 kbps | Master-Slave | HVAC, reti di sensori obsoleti |
| PROFIBUS DP | 12 Mbps | Lineare | Controllo motori, valvole di processo |
| EtherNet/IP | 100 Mbps | Stella | Sistemi di visione, integrazione con MES |
Ogni protocollo presenta compromessi in termini di velocità, topologia e compatibilità, influenzando l'idoneità per applicazioni specifiche.
Quando le tecnologie operative vengono connesse ai sistemi IT, si aprono nuove possibilità per la manutenzione predittiva grazie al flusso continuo di dati PLC verso piattaforme analitiche basate sul cloud. Un'analisi recente delle operazioni in fabbrica ha mostrato un risultato piuttosto impressionante: gli impianti dotati di reti integrate hanno rilevato difetti il 98 percento più velocemente applicando l'intelligenza artificiale ai loro processi diagnostici in tempo reale, secondo una ricerca dell'anno scorso. Configurare correttamente questo sistema non è semplice. La sicurezza rimane una preoccupazione importante, quindi la maggior parte delle implementazioni richiede tunnel crittografati di rete privata virtuale, controlli di accesso basati sui ruoli utente e quei gateway OPC UA che consentono agli ingegneri di monitorare le operazioni da remoto senza compromettere la stabilità dell'intera rete. Queste misure di sicurezza possono sembrare un lavoro aggiuntivo, ma sono essenziali per proteggere i dati industriali sensibili.
I componenti principali di un sistema di controllo PLC sono l'Unità Centrale di Elaborazione (CPU), i moduli Input/Output (I/O) e un'unità di alimentazione.
Esistono tre tipi principali di PLC: PLC fissi, PLC modulari e PLC montati su rack, ognuno adatto a diverse scale e complessità operative.
La logica a contatti è comunemente utilizzata perché assomiglia ai circuiti a relè tradizionali, risultando quindi intuitiva per elettricisti e tecnici manutentori.
Il ciclo di scansione del PLC comprende tre fasi: scansione degli ingressi, esecuzione della logica e aggiornamento delle uscite, tutte essenziali per garantire un'elaborazione e un controllo efficienti.
La protezione contro le interferenze elettromagnetiche (EMI) è fondamentale nell'integrazione di ingressi/uscite poiché previene disturbi che potrebbero causare problemi significativi nei segnali dei sistemi di automazione.
Copyright © 2024 by Shenzhen QIDA electronic CO.,ltd
EN