Cosa fanno i PLC: aree di applicazione e caratteristiche dei PLC

Se si sta aggiornando una linea di produzione, ristrutturando le apparecchiature o migrando da soluzioni basate su relè/MCU a un controllo industriale standardizzato, un PLC Quasi sempre finisce nella rosa dei candidati. Onestamente, non è sempre l'opzione più economica a priori, ma spesso è più facile da giustificare in termini di costo totale del ciclo di vita.

Perché i PLC sono presenti in così tanti settori?

Poiché i PLC racchiudono "immunità al rumore, I/O modulare, programmazione manutenibile e comunicazioni industriali" in un sistema che gli ingegneri già comprendono, i costi di riutilizzo e replicazione intersettoriale sono bassi.

I settori industriali più diffusi includono siderurgia, petrolio, chimica, energia, materiali da costruzione, produzione di macchinari, automotive, industria leggera e tessile, trasporti, protezione ambientale e persino cultura/turismo e controllo di scena. Il punto in comune non è il processo in sé, ma le condizioni del sito: polvere, vibrazioni, variazioni di temperatura, rumore elettromagnetico, lunghi cicli di lavoro e necessità di riparazioni rapide.

Per quali compiti di controllo vengono principalmente utilizzati i PLC?

La maggior parte dei progetti rientra in cinque categorie di attività: logica discreta, controllo di processo, controllo del movimento, elaborazione dati e comunicazioni/networking.

1) Perché i PLC sono comunemente utilizzati per il controllo logico discreto (on/off)?

I PLC sostituiscono la “logica cablata” con la “logica memorizzata”, trasformando un gran numero di contatti relè e complessi cablaggi in programmi e moduli I/O.

Scenari tipici:

• Macchine autonome: macchine per stampaggio a iniezione, macchine da stampa, cucitrici, rettificatrici, macchine per imballaggio
• Linee di controllo e produzione di gruppo: linee di confezionamento, linee di galvanica, linee di assemblaggio, controllo takt/tempo interbloccato multi-macchina

Sentirai chiaramente il cambiamento: cambiare una sequenza non significa più “smontare e rifare i cavi”, ma “modificare il programma + convalidare”.”

2) Il controllo dei processi industriali basato su PLC è affidabile?

Sì, a patto che si costruisca correttamente l'intera catena analogica (sensore → trasmettitore → campionamento → filtraggio → algoritmo di controllo → attuatore).

Le variabili di processo più comuni includono valori continui come temperatura, pressione, portata, livello e velocità. I PLC in genere funzionano con moduli (A/D) e (D/A) e implementano quindi il controllo a circuito chiuso tramite algoritmi di controllo; il più comune in ingegneria è ancora il PID (i dettagli di implementazione variano a seconda del fornitore).

Applicazioni comuni:

• Metallurgia, lavorazione chimica, trattamento termico
• Caldaie e sistemi di scambio termico
• Trattamento ambientale e acque/acque reflue

Per i fondamenti del PID (utili per l'integrazione e l'allineamento della terminologia), vedere: https://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller

3) Un PLC può eseguire il controllo del movimento? Quando è consigliabile utilizzarlo?

Sì. Soprattutto per il posizionamento monoasse/multiasse, la sincronizzazione, l'interpolazione, la camma elettronica, ecc., PLC + moduli di movimento/sistemi servo rappresentano una delle combinazioni più diffuse.

Obiettivi comuni:

• Motori passo-passo, servomotori
• Coordinamento periferico di robot, macchine utensili, sistemi di sollevamento e trasporto, ascensori, ecc.

In pratica, di solito la giudico così:

• “Coordinamento collegato al Takt + precisione di posizionamento media + forte accoppiamento alla logica di linea” → Il controllo del movimento PLC è una buona soluzione
• “Interpolazione ad altissima velocità / estrema precisione / traiettorie complesse” → potrebbe essere necessario un CNC o un motion controller più specializzato oltre al PLC

4) In che modo la capacità di elaborazione dati di un PLC può essere utile?

Acquisizione dati, calcoli, conversioni, ordinamento, ricerca in tabella, operazioni sui bit, gestione delle ricette e pre-elaborazione dei report: i PLC possono fare tutto questo e spesso è già sufficiente.

Sistemi comuni:

• Grandi sistemi di controllo nei settori della carta, alimentare, metallurgico, ecc.
• Situazioni che richiedono decisioni locali rapide e protezione di interblocco (non dipendenti dal comportamento in tempo reale del computer di livello superiore)

5) La comunicazione e la rete PLC sono ormai una “dotazione standard”?

Fondamentalmente sì. Come minimo, i PLC forniscono diverse interfacce industriali e capacità di rete per supportare le comunicazioni tra PLC e tra PLC e HMI (Interfaccia uomo-macchina)/VFD/strumenti/SCADA o sistemi di livello superiore.

Quali sono le caratteristiche dei PLC che li rendono davvero piacevoli da usare?

Affidabilità, modularità, manutenibilità e facilità di retrofit: questi quattro fattori spesso determinano se un sistema può davvero sopravvivere a lungo termine in loco.

1) Perché i PLC sono affidabili e immuni ai disturbi?

Progettazione hardware di livello industriale + specifiche di produzione e collaudo + strategia EMC + autodiagnostica.

Rispetto a un sistema relè-contattore di dimensioni simili, i PLC in genere riducono significativamente il cablaggio esterno e il numero di contatti fisici. Un minor numero di contatti significa minori probabilità di contatti difettosi e usura meccanica. Molti PLC offrono anche meccanismi hardware di autotest e allarme; a livello software è possibile implementare anche una logica di autotest del dispositivo, rendendo il sistema nel suo complesso più controllabile.

2) Perché diciamo che i PLC hanno un "ecosistema completo e una forte applicabilità"?

Un PLC non è solo un singolo componente, ma un'intera famiglia di prodotti: CPU, DI/DO, AI/AO, controllo della temperatura, pesatura, movimento, comunicazioni, I/O remoto, ecc. È possibile "costruire con blocchi" in base alla scala del progetto.

Questo è importante nella fornitura di servizi ingegneristici reali: quando i requisiti cambiano, non è necessario riprogettare da zero; spesso si tratta di "aggiungere moduli + modificare il programma + ripetere il test".“

3) Perché gli ingegneri possono iniziare subito a usare i PLC?

Linguaggi come il Ladder Diagram (LD) sono strettamente correlati al pensiero basato sui circuiti a relè, pertanto la barriera di apprendimento è bassa, pur continuando a supportare le esigenze di programmazione strutturata e gestione ingegneristica.

Anche i membri del team che non sono esperti di informatica di basso livello riescono comunque a esprimere in modo chiaro il controllo delle sequenze, gli interblocchi e gli allarmi utilizzando una logica familiare.

4) Perché i PLC semplificano la progettazione e la manutenzione?

Trasformano i “cavi” in “programmi” e le “modifiche radicali” in “modifiche soft”.”

Vantaggi tipici:

• Ciclo di progettazione più breve (meno cablaggio esterno)
• Risoluzione dei problemi più rapida (monitoraggio online di I/O e stati)
• Più adatto per produzioni ad alto mix/basso volume (modifiche più flessibili alle ricette e ai processi)

In cosa falliscono più spesso le applicazioni PLC sul campo?

Ambiente non conforme alle specifiche, cablaggio non stratificato, messa a terra disordinata e interferenze VFD/ad alta potenza non attenuate: questi sono i quattro più comuni.

Di seguito scriverò "assegni che puoi utilizzare direttamente sul posto".“

Quali sono i requisiti ambientali per i PLC?

Temperatura, umidità, vibrazioni, corrosività dell'aria e qualità dell'energia: se uno qualsiasi di questi fattori supera i limiti, può causare guasti intermittenti, che sono i più difficili da risolvere.

• Temperatura: in genere richiesta (0\sim55^\circ\text{C}); non montare direttamente sopra componenti che generano calore; lasciare spazio sufficiente per la ventilazione
• Umidità: umidità relativa tipicamente < (85\%) (senza condensa)
• Vibrazioni: tenere lontano da forti fonti di vibrazioni; vibrazioni frequenti/continue nell'intervallo (10\sim55\text{ Hz}) richiedono l'isolamento dalle vibrazioni
• Aria: evitare gas corrosivi/infiammabili come acido cloridrico e acido solfidrico; in caso di polvere pesante, utilizzare un armadio di controllo sigillato
• Alimentazione: se il rumore di alimentazione è grave, utilizzare un trasformatore di isolamento schermato; per esterni (24 VDC), utilizzare un alimentatore regolato: i semplici alimentatori raddrizzatori + filtri potrebbero presentare ondulazioni che possono innescare falsi segnali

Da dove provengono le interferenze PLC? Cosa significano "modo comune" e "modo differenziale"?

L'interferenza si verifica principalmente quando la corrente/tensione subisce brusche variazioni e penetra nel sistema PLC tramite radiazione, accoppiamento o conduzione. In ingegneria si usa spesso il termine "modo comune/modo differenziale" per descrivere il modo in cui i segnali vengono disturbati.

• Interferenza di modo comune: interferenza nella stessa direzione introdotta da una differenza di potenziale tra segnale e terra, possibilmente dovuta all'accoppiamento di rete, a differenze di potenziale di terra o a induzione irradiata
• Interferenza in modo differenziale: tensione di interferenza applicata tra le due estremità di un segnale, spesso derivante dall'accoppiamento spaziale o dalla conversione in modo comune

Non è necessario memorizzare le definizioni: ricorda una regola: molti "salti misteriosi" in loco alla fine sono riconducibili a pratiche di messa a terra e cablaggio.

Quali sono i percorsi di interferenza più comuni in un sistema PLC?

Conduzione di rete, accoppiamento del cabinet, induzione della linea del segnale, loop di terra, radiazione interna e armoniche/radiazioni VFD: questi sono i soliti sospetti.

• Interferenze ad alta potenza: sovratensioni da interruttori a coltello, avvio/arresto di grandi apparecchiature, armoniche, impatti transitori da cortocircuito condotti attraverso la rete elettrica nell'ingresso di alimentazione
• Interferenze del cabinet: parti ad alta tensione, carichi induttivi e routing caotico che causano accoppiamento
• Rilevamento della linea di segnale: diafonia di alimentazione e induzione irradiata (spesso trascurata ma può essere fatale)
• Scarsa messa a terra: differenze di potenziale di terra e correnti di loop di terra che causano errori logici e deriva della misurazione analogica
• Interferenza VFD: conduzione armonica lato ingresso + radiazione elettromagnetica lato uscita

Come possiamo implementare correttamente l'anti-interferenza? Quali sono le pratiche ingegneristiche praticabili?

Isolamento e filtraggio dell'alimentazione, cablaggio e separazione a strati, cablaggio I/O corretto, strategia di messa a terra a punto singolo e mitigazione lato ingresso/uscita VFD.

1) Cosa si intende per gestione “affidabile” dal punto di vista della potenza?

• Se il rumore di alimentazione è intenso: utilizzare un trasformatore di isolamento schermato (1:1) per ridurre l'accoppiamento tra l'apparecchiatura e la terra
• All'ingresso di potenza: aggiungere il filtraggio (LC) per sopprimere il rumore condotto
• Per carichi critici: prendere in considerazione alimentazioni elettriche indipendenti e UPS (a seconda del costo dei tempi di inattività del processo)

2) Quali sono le “regole rigide” per l’installazione e il cablaggio?

• Instradare separatamente i cavi di alimentazione, i cavi di controllo, i cavi di alimentazione PLC e i cavi I/O; se è possibile utilizzare canaline separate, non condividere una canalina
• Tenere il PLC lontano da saldatrici, raddrizzatori ad alta potenza e apparecchiature di grandi dimensioni; la distanza consigliata dai cavi di alimentazione è > (200 mm)
• Per carichi induttivi (bobine di contattori/relè), aggiungere smorzatori paralleli (RC)
• Utilizzare un cavo schermato per i segnali analogici; scegliere una messa a terra con schermatura a estremità singola o doppia in base alla valutazione del sito; mantenere la resistenza di messa a terra il più bassa possibile (il testo suggerisce che dovrebbe essere inferiore a (1/10) della resistenza della schermatura)
• Separare il più possibile le uscite CA e CC in cavi diversi; evitare di far funzionare in parallelo le linee ad alta tensione

3) A cosa bisogna fare attenzione nel cablaggio dei terminali I/O?

Lato di ingresso:

• Mantenere i cavi corti (se l'interferenza è bassa e la caduta di tensione è controllabile, è possibile allentare questa regola)
• Instradare le linee I/O separatamente
• Preferire contatti normalmente aperti; la logica è più intuitiva e la risoluzione dei problemi è più rapida

Lato di uscita:

• Le uscite nello stesso gruppo richiedono in genere lo stesso tipo di carico e la stessa classe di tensione di alimentazione
• Evitare cortocircuiti (potrebbe bruciare direttamente la scheda di uscita)
• Per le uscite relè, osservare l'impatto del carico induttivo sulla durata dei contatti; aggiungere relè di interposizione quando necessario
• Per i carichi CC aggiungere diodi flyback; per i carichi CA aggiungere snubber RC; per le uscite transistor/tiristori, aggiungere bypass/protezione secondo le raccomandazioni del fornitore

4) Come mettere a terra il sistema senza calpestare le mine antiuomo?

Separare chiaramente “terra di protezione, terra di sistema e terra del segnale/schermo”, attenersi a un punto di riferimento singolo ed evitare loop di terra.

• Messa a terra di protezione: terminale di terra dell'alimentazione e messa a terra dell'armadio, per prevenire scosse elettriche
• Messa a terra del sistema: mantenere equipotenziale il sistema di controllo; il testo suggerisce una resistenza di messa a terra ≤ (4\Omega)
• Messa a terra del segnale/schermo: evitare di collegare a terra in modo casuale entrambe le estremità degli schermi e di creare differenze di potenziale di terra; garantire la continuità dello schermo nei giunti e isolare correttamente; pianificare la schermatura multi-drop con uno schema di messa a terra unificato a punto singolo

5) Come si eliminano le interferenze VFD?

• Trasformatore di isolamento: blocca principalmente le interferenze condotte sul lato di ingresso
• Filtro di linea elettrica: sopprime il rumore condotto e riduce i picchi
• Reattore di uscita: riduce la propagazione delle radiazioni e delle interferenze tra VFD e motore

PLC vs Controllo relè vs PC industriale: come scegliere?

Se hai bisogno di "stabilità, facilità di manutenzione e facilità d'uso sul campo", scegli un PLC. Se hai bisogno di "basso costo + logica semplice", i relè hanno ancora una loro utilità. Se hai bisogno di "potenza di calcolo + un ecosistema software aperto", prendi in considerazione un PC industriale (IPC), ma il tuo sistema di affidabilità e manutenzione sul campo deve tenere il passo.

Punti chiave

• I PLC si adattano a scenari di automazione industriale in cui logica, processo, movimento, gestione dei dati e comunicazioni sono integrati, con una forte riutilizzabilità ingegneristica.
• Quando il sito è instabile, il più delle volte il problema non è che "il PLC è rotto", ma che l'alimentazione, il cablaggio, la messa a terra e la mitigazione delle interferenze VFD non sono stati eseguiti in modo adeguato.
• Valori di riferimento ambientali: temperatura (0°C), umidità < (85°TP6T) (senza condensa), frequenza di vibrazione (10°Hz) richiede isolamento.
• Anti-interferenza: concentrarsi su cinque elementi: isolamento/filtraggio, cablaggio a strati, protezione I/O, messa a terra a punto singolo e mitigazione lato ingresso/uscita VFD.
• Logica di selezione: scegliere PLC per stabilità ed efficienza di manutenzione; scegliere IPC per potenza di calcolo ed ecosistema aperto; scegliere relè soluzioni per cambiamenti semplici e a bassa frequenza.