Perchè utilizzare i PLC in applicazioni di automazione industriale

I sistemi di controllo programmabili (PLC), contrariamente a quelli custom (ovvero sistemi di controllo integrati progettati ad hoc per gestire un particolare processo in base alle specifiche richieste), non sono progettati per il controllo di un particolare sistema, ma hanno caratteristiche generali che consentono di adattarli alle diverse problematiche di controllo che si possono presentare in campo industriale. La modularità dei PLC consente di adattare il controllore alle specifiche richieste dal processo e di modificarlo a piacere se tali specifiche dovessero cambiare. Il progettista si deve quindi limitare a scegliere ed assemblare i componenti che meglio soddisfano le necessità del caso, mentre l’unico sforzo progettuale si riduce alla scrittura del software di controllo. Proprio per questi motivi e per la facilità con la quale è possibile programmarlo, il PLC è diventato uno dei componenti fondamentali nell’automazione industriale. Allo stato attuale la quasi totalità degli impianti automatizzati di dimensioni medio-grandi sfrutta i controllori programmabili per la gestione dei processi, mentre per quelli di taglia più piccola si preferisce spesso sfruttare ancora controllori elettromeccanici.

A seconda delle dimensioni del processo, esistono varie possibilità di configurazione del PLC. Nei processi di piccole dimensioni, dove tutti i dispositivi da controllare sono nelle vicinanze della CPU, l’intero controllore viene messo all’interno di un quadro elettrico principale dal quale partono e arrivano tutte le linee che lo collegano ad attuatori e sensori. In questo caso vengono utilizzati sia PLC monoblocco che PLC modulari di piccole dimensioni. Nei processi di dimensioni medio-grandi, dove i dispositivi controllati dal PLC possono essere anche molto lontani dalla CPU, si rende necessaria la realizzazione di sistemi di controllo distribuiti (DCS) nei quali i vari moduli che compongono il controllore sono connessi tra loro tramite reti di comunicazione.

Sistemi di controllo distribuiti

I sistemi di controllo distribuiti (Distribuited Control System, DCS) sono i sistemi di controllo più diffusi in ambito industriale e sono utilizzati per gestire processi che hanno la caratteristica di essere distribuiti geograficamente (es. un impianto di raffinazione petrolchimico). Un DCS è quindi caratterizzato dalla possibilità di distribuire in diversi punti dell’impianto i moduli per l’acquisizione, l’elaborazione ed il controllo dei dati e di connetterli in rete. I controllori programmabili realizzati in questo modo hanno il vantaggio di non avere nessun vincolo geografico sulla disposizione dei moduli nel senso che il programmatore si deve curare soltanto di quali moduli sono utilizzati nel controllore e non di come questi sono disposti.

A seconda della dimensione del processo da controllare il sistema di controllo può avere più livelli di reti di comunicazione.

1. Reti informatiche: sono reti che collegano i sistemi di alto livello per la supervisione del processo con altri sistemi informativi aziendali. Su queste reti vengono scambiate, per esempio, informazioni relative alla produzione dell’impianto, alle scorte di magazzino La trasmissione di questo tipo di dati non richiede specifiche di real time quindi possono essere utilizzati protocolli di comunicazione standard come TCP/IP, DECNET ecc.
2. Reti per il controllo: sono utilizzate per la comunicazione tra i dispositivi dedicati al controllo e alla supervisione delle varie parti dell’impianto (PLC, controllori di tipo custom, PC). Queste reti devono garantire la sincronizzazione delle operazioni tra sottoparti del processo controllato e richiedono quindi una comunicazione real time. Le reti per il controllo sono generalmente di tipo proprietario, cioè sviluppato dallo stesso produttore dei PLC di controllo. La rete può quindi essere composta solamente da PLC o controllori custom del costruttore in questione e da PC che siano dotati di schede e programmi appositi per l’interfacciamento.
3. Reti di campo (fieldbus): sono le reti che rendono possibile la comunicazione tra i sistemi di controllo (ad PLC) e i sensori ed attuatori dotati di un apposita interfaccia. In questo caso vengono forniti moduli di ingresso/uscita dotati di microprocessore interno in modo da poter comunicare in rete rispettando il protocollo vigente. Con l’utilizzo di un controllore basato su bus di campo si hanno numerosi benefici: riduzione del cablaggio, possibilità di configurare sensori ed attuatori direttamente sul campo, maggior robustezza delle trasmissioni, possibilità di espandere e riconfigurare facilmente il controllore.

Gestione delle emergenze

Mentre un guasto nei sistemi di controllo elettromeccanici porta generalmente ad una interruzione del funzionamento dell’impianto, nelle apparecchiature a logica programmata un guasto può portare a funzionamenti incontrollati e a situazioni pericolose per l’utente. Per questo motivo esistono normative in ambito di sicurezza dei macchinari, ed in particolare la Norma EN 60204-1, che prescrivono come si devono gestire situazioni di emergenza negli impianti automatizzati. Tale norma prevede che tutti i comandi di arresto e di emergenza devono essere realizzati esclusivamente con dispositivi elettromeccanici cablati e mediante contatti di interruzione. I PLC non possono dunque essere utilizzati per gestire queste situazioni, ma possono essere impiegati soltanto per rilevare ed elaborare dati relativi all’arresto. Quando il circuito manda in stato di emergenza il sistema, il PLC provvede comunque ad arrestare tutti gli attuatori interessati, segnala all’operatore il dispositivo che ha causato l’arresto e da il consenso a riavviare l’automatismo quando l’emergenza rientra. Tipicamente per gestire queste situazioni si utilizzano degli appositi moduli di emergenza completamente svincolati dal PLC.