Padroneggiare l'arte della selezione del PLC: una guida pratica per gli ingegneri dell'automazione

Parleremo di come selezionare i produttori, calcolare i punti I/O e prendere decisioni ottimali in base ai requisiti di comunicazione e alla capacità di memoria.

I. Selezione del produttore: la logica dietro il marchio

Determinazione del PLC Il produttore è il primo passo. Non si tratta solo di riconoscere il marchio; è più importante considerare le abitudini degli utenti, la competenza del team di progettazione e l'assistenza tecnica post-vendita.

Per quanto riguarda l'affidabilità, la qualità dell'hardware non rappresenta generalmente un problema per nessuno dei principali marchi internazionali. Tuttavia, esistono differenze significative nella filosofia di progettazione tra le diverse regioni.

A mio parere, se si controlla una macchina autonoma o un sistema relativamente semplice, i marchi PLC giapponesi (come Mitsubishi O Omron) offrono un vantaggio significativo in termini di rapporto costo-prestazioni. I loro set di istruzioni sono in genere intuitivi e facili da padroneggiare.

Al contrario, se il progetto è un sistema di controllo distribuito (DCS) su larga scala con requisiti estremamente elevati per la comunicazione di rete, PLC europei e americani (come Siemens o Automazione Rockwell) sono superiori. Le loro strutture logiche sono più adatte alla gestione di controlli di processo complessi e allo scambio di dati su larga scala.

Per darvi una prospettiva più chiara, ho creato la seguente tabella che confronta queste due categorie principali:

Inoltre, per settori specifici (come la metallurgia o il tabacco), si dovrebbe dare priorità ai sistemi PLC che hanno già casi applicativi maturi in quel settore. Ciò riduce significativamente il rischio di guasti dovuti a incompatibilità ambientale.

II. Stima precisa dei punti di input/output (I/O)

Il numero di I/O è il parametro più fondamentale di un PLC. Molti principianti commettono errori in questo senso, acquistandone troppo pochi e rimanendone senza, oppure acquistandone troppi e sprecando il budget.

La base per la determinazione dovrebbe essere la somma di tutti i punti di ingresso e uscita necessari per controllare l'apparecchiatura. Tuttavia, nella pratica professionale, non calcoliamo mai "quanto basta". È necessario lasciare un margine.

In base alla mia esperienza, la prassi standard è:

1. Contare tutti i punti I/O cablati.
2. Aggiungi un Da 10% a 20% margine di espansione sopra quella base.

III. Stima scientifica della capacità di memoria

La capacità di memoria si riferisce alla capacità di archiviazione fornita dall'hardware del PLC. Dobbiamo assicurarci che la capacità di memoria del PLC sia maggiore di quella attualmente necessaria, per consentire future modifiche o aggiunte al progetto.

Condividerò con voi una formula di stima comunemente utilizzata in ambito ingegneristico. Sebbene la letteratura sia varia, questo metodo è pratico e sicuro:

1. Moltiplicare il numero di punti I/O digitali per 10-15.
2. Moltiplicare il numero di punti I/O analogici per 100.
3. Sommare questi due risultati per ottenere il numero totale di parole richieste (ipotizzando parole a 16 bit).
4. Infine, aggiungi un margine di 25% a questo totale.

Ad esempio, alcuni modelli della serie Siemens S7-300 potrebbero offrire 64 KB o 128 KB di memoria di lavoro; è necessario abbinare la CPU appropriata in base alla stima sopra riportata.

IV. Funzioni di comunicazione: il fondamento dell'Internet industriale

I PLC moderni non sono più isole isolate. Le funzioni di comunicazione stanno diventando sempre più potenti e complesse. Durante la selezione, è necessario definire la posizione del PLC all'interno dell'architettura di rete complessiva.

Le topologie di rete comuni dei sistemi PLC includono:

• Modalità Master PC: Un computer funge da stazione SCADA/monitoraggio, gestendo diversi PLC.
• Rete multi-PLC: Un PLC funge da master, mentre gli altri da slave.
• Integrazione DCS: Il PLC funge da sottorete di livello inferiore connessa a un DCS su larga scala.
• Reti proprietarie: Reti a protocollo chiuso specifiche per i produttori.

Per evitare di sovraccaricare la CPU, consiglio vivamente di utilizzare processori di comunicazione (CP) indipendenti in base alle effettive esigenze. Ad esempio, se è richiesta una trasmissione dati Ethernet significativa, non lasciare che la CPU gestisca direttamente tutti i pacchetti di dati; l'installazione di un modulo di comunicazione dedicato può migliorare significativamente la stabilità del sistema.

V. Scelta del fattore di forma: compatto o modulare?

Questa è la scelta fisica più visibile durante la selezione.

• PLC compatto (monolitico):
  • Punti I/O fissi, ingombro ridotto, basso costo. Tipicamente utilizzato per piccoli sistemi di controllo.
  • Rappresentanti tipici: Siemens S7-200 SMART, Mitsubishi serie FX, Omron serie CP.
• PLC modulare:
  • Come i componenti base, i moduli di alimentazione, CPU e I/O possono essere selezionati indipendentemente e inseriti in un backplane/rack. Configurazione estremamente flessibile, adatta a sistemi di medie e grandi dimensioni.
  • Rappresentanti tipici: Siemens S7-300/400/1500, Mitsubishi serie Q.

VI. Suggerimenti per la selezione dei moduli I/O

Una volta selezionati CPU e rack, il passo successivo riguarda i moduli I/O specifici. Questo aspetto presenta notevoli sfumature tecniche.

1. Moduli di uscita digitale

Per i moduli di output, in genere si hanno tre scelte, ciascuna con pro e contro distinti:

• Uscita relè:
  • Pro: Economico, ampio intervallo di tensione (compatibile con AC/DC).
  • Contro: Durata breve, tempo di risposta lento, non adatto per commutazioni frequenti.
• Uscita transistor:
  • Pro: Risposta estremamente rapida, lunga durata, adatto per servo controllo degli impulsi.
  • Contro: Scarsa capacità di sovraccarico, in genere supporta solo CC.
• Uscita Triac (tiristore):
  • Pro: Risposta rapida, adatta per commutazioni frequenti di carichi induttivi.
  • Contro: Costoso.

Il mio consiglio: Per il controllo di carichi che commutano raramente, come le elettrovalvole, l'uscita a relè è la più economica. Per il controllo di motori passo-passo o per la commutazione ad alta frequenza, è necessario selezionare l'uscita a transistor.

2. Moduli di ingresso/uscita analogici

Per l'analogico, concentrarsi sul tipo di segnale.

• Tipi di input: I segnali più comuni includono corrente (4-20 mA) e tensione (0-10 V). Esistono anche moduli di temperatura specializzati per il collegamento diretto a termocoppie o RTD.
• Tipi di output: Anche divisi in Tensione e Corrente, utilizzati per il controllo Frequenza VFD o regolazione della posizione della valvola.

Nella scelta, prestare attenzione alla corrispondenza dei canali. Le configurazioni più comuni sono moduli a 2, 4 o 8 canali.

VII. Non dimenticare i moduli funzionali

Per le attività di base potrebbe essere sufficiente un controllo logico standard, ma se l'apparecchiatura richiede un posizionamento preciso o un controllo della temperatura, i moduli funzionali specializzati sono indispensabili.

• Moduli di posizionamento: Per il controllo Servo/Passo-Passo.
• Moduli contatore ad alta velocità: Per il collegamento degli encoder.
• Moduli di controllo PID: Per il controllo di processo a circuito chiuso.

Nella scelta, non considerare solo la compatibilità hardware, ma anche la praticità della programmazione software. Ad esempio, la serie Mitsubishi FX consente la lettura/scrittura di dati di moduli speciali tramite semplici DA E A istruzioni, a dimostrazione della praticità del software.

VIII. Tre principi generali di selezione

Infine, una volta determinati provvisoriamente i modelli e le specifiche specifiche, rivedi la distinta base (BOM) in base a questi tre principi:

1. Convenienza Semplificare la progettazione dei circuiti. Ad esempio, dare priorità ai moduli di uscita in grado di pilotare direttamente i carichi. Questo elimina la necessità di numerosi relè di interposizione, risparmiando denaro e riducendo i potenziali punti di guasto.
2. Universalità (Standardizzazione) All'interno di uno stabilimento o di un singolo progetto, è opportuno ridurre al minimo la varietà di tipologie di moduli. Ad esempio, se possibile, utilizzare esclusivamente moduli con ingresso CC a 24 V anziché combinare ingressi CA a 220 V. Questo facilita l'approvvigionamento dei pezzi di ricambio e semplifica la memorizzazione del sistema da parte del personale addetto alla manutenzione.
3. Compatibilità Per evitare inspiegabili errori di comunicazione, è consigliabile selezionare prodotti dello stesso produttore per i componenti principali del sistema PLC. Sebbene i protocolli moderni siano aperti, la compatibilità tra dispositivi della stessa marca è sempre la soluzione più affidabile.