La logica programmabile

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Il PLC ha rappresentato, insieme al controllo numerico, il vero momento di stacco tra vecchia e nuova automazione, e ancora oggi continua incessantemente a evolversi.

Automazione integrata di Tecniche Nuove compie 50 anni, e in questo lungo periodo ha continuato ad aggiornare il mondo dell’industria spesso anticipandone le esigenze, approfondendo tematiche che nel tempo hanno trasformato le risorse concettuali e materiali alla base dei processi produttivi. Festeggiamo i nostri primi 50 anni con una nuova serie di articoli sulle tecnologie che più di altre sono state fonte di cambiamento e innovazione. Il terzo articolo della serie è dedicato ai PLC

Una rivoluzione dell’automazione
L’avvento dei PLC, Programmable Logic Controller, ha rappresentato una vera rivoluzione dell’industria dell’automazione: nessun sisngolo dispositivo o sistema ha mai avuto un impatto così modificante nel mondo del manufacturing.

Un nuovo approccio progettuale
Prima dei PLC i sistemi di automazione e controllo potevano essere realizzati solo tramite relè, in quella che veniva definita “logica cablata”, con rigidità costruttive, tempi lunghi e costi per test, verifiche dei cablaggi, e soprattutto per modifiche a fronte di nuove esigenze impiantistiche: in una parola, assoluta mancanza di flessibilità. Poi, alla fine degli anni ’60 arriva un sistema che permette di realizzare funzioni logiche non più cablate ma programmabili, da software: un completo stravolgimento dell’approccio progettuale.

La nascita del PLC
L’ingresso del software nella progettazione elettronica inizia con i microprocessori, ma il primo di questi chip programmabili, l’Intel 4004, risale al 1970, e il primo primo microcomputer (con CPU 8080 Intel) è del 1973, mentre il primo PLC al mondo, il MODICON 084 (Modular Digital Controller) è realizzato nel 1968 dalla Bedford Associates, per soddisfare una commessa della General Motors.

Obiettivo: Automazione programmabile
Questo dettaglio sui tempi storici manifesta un punto essenziale: non sono stati i microprocessori a far nascere i PLC, ma un ben preciso obiettivo, quello della “programmabilità” nell’automazione industriale, per superare i limiti della logica cablata. Per ottenere questo risultato gli ideatori del MODICON 084 hanno utilizzato una tecnologia basata su particolari componenti denominati bit-slice, creando schede con caratteristiche funzionali sostanzialmente equivalent a quelle dei prossimi più compatti microprocessori.

Crescono i produttori di PLC
Si apre un nuovo filone di mercato: nel 1972 la nuova società Modicon (ex-Bedford Associates) propone il più evoluto modello 184, con CPU a base TTL, nel 1974 escono il PLC 700 ASEA, il 5TI-101 Texas Instruments, l’SD 77/64 Struthers-Dunn, mentre l’anno successivo è la volta di SMC 101 Reault e di Automate 32/31di Reliance Electric. Con la fine degli anni ’70 si esaurisce la prima generazione di PLC e la microelettronica viene completamente acquisita da una platea sempre più ampia di costruttori di sistemi di automazione e controllo.

In cosa un PLC è unico
Facciamo un passo indietro: cosa è un PLC? Come definizione di riferimento, probabilmente oggi non più valida stante un’evoluzione con cui ha saputo adattarsi a esigenze e ambientazioni applicative diverse, vale la seguente: un PLC è un elaboratore logico programmabile, destinato a eseguire, in ambiente industriale, un set o insieme di istruzioni orientate verso problemi di logica combinatoria e verso sistemi a evoluzione sequenziale. I punti centrali sono: ambientazione industriale e programmabilità.

Il PLC è application specific
Ma c’è dell’altro. Se si segue un approccio accademico, qualsiasi sistema con CPU microprocessore è un “microcomputer”, quindi anche un moderno PLC lo è. Ma in termini generali, per microcomputer si intendono calcolatori “general purpose”, non orientati alla soluzione di specifiche problematiche applicative, e questo è assolutamente vero per i PC, con la specificità della soluzione che non deriva dall’hardware, di fatto standard, ma dal software, dal programma concepito per determinati scopi. Invece i PLC sono microcomputer concepiti per la soluzione di problemi di controllo e automazione, e quindi con un rapporto con i dati e le informazioni omogeneo con la realtà dell’automazione industriale: sin dall’inizio un PLC doveva essere in grado di trattare i dati sotto forma di valori, di numeri, ma soprattutto doveva poterli elaborare in termini di segnali elettrici di I/O.

La programmazione dei PLC
Si è molto insistito sulla “programmabilità”, concetto che nei PLC si è sviluppato in modo molto diverso da quanto avvenuto nei PC.

Il programma come soluzione di un problema
I PLC nascono per lo “shop floor”, con problemi, competenze e cultura ben diversi dall’Office Automation, e per questo sin dall’inizio furono ideati strumenti di programmazione omogenei con il contesto. Un programma per PLC è la soluzione di un problema di automazione, realizzata usando sia istruzioni appartenenti a un dato insieme che un linguaggio con regole di scrittura e di stesura rigorosamente da rispettarsi affinchè sia compreso dalla macchina. Quindi un progettista deve descrivere il problema nel linguaggio disponibile, arrivando alla soluzione “programma” da caricarsi nel PLC; a questo punto è finita la fase creativa del software e si entra in tutta un’altra serie di attività progettuali e di verifica.

Un software adeguato al contesto
Un PLC è, come sin qui sottolineato, un computer specializzato a operare nell’automazione industriale, e tale particolarità ci si aspetta che si evidenzi nella struttura fisica, più o meno robusta, più o meno modulare o compatta, nelle protezioni elettriche dei moduli di I/O, e anche nella sua capacità di espressione funzionale, omogenea con le esigenze dell’automazione. Con un’espressione oramai in disuso, si diceva che i linguaggi utilizzabili con i PLC erano di tipo POL, Problem Oriented Language, quindi orientati al problema e adeguati al contesto.

Un’ampia scelta nello standard
Ma come si è tenuto conto della cultura e delle competenze dei progettisti che per primi si sono trovati di fronte a un PLC? Trattandosi in genere di quadristi, abituati quindi a lavorare con gli armadi a relè, un linguaggio di programmazione a contatti, o Ladder Diagram era stato individuato come “massima adeguatezza”. Poi, con l’arrivo di tecnici con formazione più informatica, l’aspetto software dei PLC si è evoluto e standardizzato, e oggi si ha il riferimento standard IEC 1131-3, che con i cinque linguaggi Instruction List, Structured Text, Ladder Diagram, Function Block Diagram e Sequential Funcuin Chart, consente una scelta che meglio si adatta alla cultura degli addetti e al problema da risolvere.

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