Il ruolo dei PLC nel controllo industriale e in test e misurazione

I controller a logica programmabile (PLC) sono computer industriali che:

• Monitorano e controllano le applicazioni di automazione industriale
• Eseguono compiti relativi alle operazioni di test e misurazione
• Eseguono funzioni di tipo processuale (incluse quelle relative ai sistemi HVAC) che esulano dallo scopo di questo articolo.

I PLC ricevono dati da sensori e dispositivi di ingresso, li elaborano per prendere decisioni basate sulla logica e inviano le istruzioni di controllo a sistemi meccanici o elettrici. Sono un tipo di sistema incorporato che combina il processore e la memoria del computer con dispositivi di ingresso-uscita (IO) - molto simile alla logica cablata basata su relè e alla logica basata su PC con cui competono.

In termini di forma fisica, i PLC oggi possono essere molto disparati, da un computer molto semplice con una morfologia a chip integrato (CI) a una grande serie montata su rack di sottocomponenti del controller alloggiati in più telai. I PLC più semplici basati su microcontroller o quelli che prendono la forma di System-on-Chip (SoC) possono essere estremamente affidabili e funzionare con un ingresso di potenza molto modesto. Per contro, i PLC più complessi sfumano i confini tra ciò che è un PLC e i computer per uso generale per il controllo industriale in tempo reale... anche se l'affidabilità e le prestazioni in tempo reale restano prerogativa dei primi.

In origine, i PLC erano destinati a sostituire direttamente la logica di controllo cablata basata su relè e sequenziatori. Questi primi PLC dovevano solo eseguire operazioni di base trasformando gli ingressi in uscite. Tutti i compiti della macchina che necessitavano di un controllo proporzionale-integrale-derivativo (PID) erano affidati all'elettronica analogica collegata. Ora i controlli PID e le operazioni ancora più sofisticate sono una parte standard dei set di istruzioni PLC.

In effetti, le funzioni che ci si aspetta dai PLC hanno proliferato nel tempo - così che oggi, molti PLC sono abbastanza sofisticati e in grado di eseguire routine complicate e adattive. La potenza sempre maggiore e le dimensioni sempre più ridotte dei chip di semiconduttori (grazie alla legge di Moore) hanno permesso di integrare un'intelligenza senza precedenti nei controller più piccoli. Questa tendenza continua con il supporto integrato del controllo del movimento, dei sistemi di visione e dei protocolli di comunicazione. All'altra estremità dello spettro delle dimensioni del PLC, alcuni controller di automazione programmabili (PAC) integrano un PLC con un PC per sostituire i PLC e i sistemi di controllo proprietari (eseguiti con linguaggi di programmazione proprietari) per certe applicazioni. Sempre più PLC oggi sono integrati nelle interfacce uomo-macchina (HMI).

L'ambiente digitale industriale in cui operano i PLC

L'automazione industriale oggi si basa sulla retroazione della macchina e sui dati operativi insieme a complesse interconnessioni tra dispositivi digitali per:

• Controllare i dispositivi digitali.
• Eseguire capacità avanzate - come quelle relative alla connettività IIoT e alla riconfigurabilità della macchina.
• Consentire il processo decisionale umano su varie condizioni della macchina e operative.
• Migliorare la produttività complessiva e la qualità dei pezzi.

Tali installazioni automatizzate includono sistemi informativi disparati per immagazzinare, elaborare e fornire questi dati.

I sistemi di pianificazione dei requisiti dei materiali o delle risorse di produzione (MRP) forniscono la pianificazione, la programmazione, la gestione finanziaria e il controllo dell'inventario della produzione. Invece, i sistemi storici immagazzinano i dati di serie temporali da sensori e strumenti per il tracciamento grafico, per aiutare gli operatori e i sistemi di gestione a capire ed elaborare le tendenze dell'automazione. Il controllo statistico del processo (SPC) è un'applicazione storica.

Le interfacce uomo-macchina (HMI) sono pannelli di controllo delle macchine (o moduli che si collegano in wireless ai dispositivi mobili) che permettono agli operatori umani di visualizzare i dati e impartire comandi. Strettamente legati alle funzioni HMI sono i sistemi di controllo e acquisizione dati di supervisione (SCADA) che permettono il controllo e il monitoraggio in tempo reale delle interazioni tra le macchine automatizzate con i loro HMI e storici. Utilizzando SCADA, un HMI può controllare più macchine e visualizzare i dati relativi a più dispositivi.

I sistemi di esecuzione della produzione (MES) includono funzioni come la programmazione delle operazioni e la raccolta dati. In un certo senso, è una via di mezzo e una sovrapposizione con MRP e SCADA.

I sistemi di pianificazione delle risorse aziendali (ERP) integrano i sistemi di informazione MRP, MES, PLM (gestione del ciclo di vita dei prodotti) e CRM legati alla produzione. I sistemi ERP possono essere suite software monolitiche che gestiscono tutte queste funzioni o un sistema ERP di base che si interfaccia con applicazioni specializzate di più fornitori. Tipicamente, solo i dirigenti aziendali interagisce con l'ERP - e la maggior parte del personale in una data organizzazione interagisce con uno dei sistemi che lo alimentano.

I PLC operano tipicamente a un livello inferiore a questi sistemi informativi, inviando e ricevendo informazioni da e verso macchine, motori e sensori. Possono anche interagire con il livello di informazione superiore, inviando dati allo storico o SCADA oppure ricevendo input di controllo da SCADA o dall'HMI. I PLC più sofisticati possono anche svolgere funzioni SCADA e storiche... e anche funzioni HMI in un numero crescente di casi.

Figura 1: I PLC operano tipicamente a un livello inferiore ai sistemi informativi dell'automazione. (Immagine per gentile concessione di Jody Muelaner)

Si noti che i PLC non sono solo coinvolti nell'automazione, sono anche impiegati nel controllo dei banchi di prova (sviluppo del prodotto) e nelle attività di misurazione in laboratorio.

• Come descritto sopra, l'automazione enfatizza generalmente la diagnostica e richiede un funzionamento deterministico in tempo reale dal PLC per una reale efficacia.
• Per contro, i PLC impiegati in attività di misurazione pongono maggior enfasi sull'esecuzione rapida e precisa della raccolta delle misurazioni e di altre forme di acquisizione dei dati.

Per le attività di automazione delle macchine, i PLC si basano sull'elaborazione in tempo reale in cui il ritardo tra un ingresso e l'uscita di risposta si misura in millisecondi. Un sistema operativo in tempo reale (RTOS) è necessario per tutte le funzioni del PLC, tranne le più semplici. Mentre molti PLC usano ancora sistemi operativi proprietari, c'è un crescente interesse per i sistemi operativi standard di tipo open-source. Caso emblematico: VxWorks è un RTOS proprietario ampiamente concesso in licenza per l'uso nel controllo industriale. È utilizzato da diversi produttori leader in campo robotico, tra cui Kuka e ABB. Una variante open-source è FreeRTOS liberamente distribuita sotto una licenza open-source dal MIT. FreeRTOS include varie librerie per l'internet delle cose (IoT) per una vasta gamma di applicazioni automatizzate. Questa opzione è descritta nell'articolo di DigiKey Connettere velocemente e in modo sicuro i progetti al cloud con Amazon FreeRTOS.

Per le attività di test e misurazione, i PLC si affidano all'elaborazione in tempo reale in cui il ritardo tra le misurazioni dei dispositivi sul campo e la loro raccolta si misura in millisecondi. Sono finiti i giorni in cui gli ingegneri non avevano altra scelta che impiegare convertitori di interfaccia e sistemi di canali di trasferimento. Ora le periferiche intelligenti e i gruppi I/O offrono la raccolta di segnali avanzata e semplificata tramite ingressi digitali e analogici.

Gli ingegneri oggi hanno anche più opzioni basate su interfacce standardizzate e compatibilità tra produttori di componenti che possono servire come componenti interoperabili.

Basta considerare i componenti I/O con funzionalità PLC integrate. Questi sono compatibili con HMI configurabili che eseguono sistemi operativi Windows o Linux e hanno connettività Ethernet - ma mancano di opzioni di ricalibrazione facili o di I/O analogici per dispositivi sul campo che generano segnali analogici a bassa tensione. Tali componenti I/O funzionano anche con i PLC impostati per raccogliere dati da dispositivi I/O remoti... e direttamente dai sensori tramite i loro I/O su scheda.

Figura 2: I dispositivi multifunzione di acquisizione dati (DAQ) T7 includono connettività Ethernet, USB, Wi-Fi e Modbus per funzionare con un'ampia gamma di dispositivi sul campo e con HMI e PLC industriali. La connettività Modbus/TCP, in particolare, impartisce la controllabilità attraverso varie opzioni software e hardware di terze parti per la massima flessibilità - che a sua volta dà agli architetti di sistemi industriali così come agli ingegneri di ricerca e sviluppo (R&D) scelte indipendenti dal fornitore per le loro applicazioni di raccolta dati e automazione. (Immagine per gentile concessione di LabJack)

Naturalmente, i PLC non sono l'unica opzione per l'automazione delle macchine o per i test e le misurazioni. Poiché tutti i controlli industriali sono ora più complessi, alcuni fornitori sono arrivati a differenziare certi hardware come controller di automazione programmabili (PAC) per indicare capacità avanzate e in molti casi, più processori su un singolo elemento hardware. In realtà, anche i PLC hanno continuato a perfezionarsi - quindi non c'è una regola fissa su quando un hardware che esegue funzioni PLC costituisce un PAC. La maggior parte dei PAC integra aspetti di PLC e PC per servire come sistemi di automazione complessi con applicazioni multiple basate su PC, nonché un HMI e uno storico. Una chiara differenziazione è che i PAC sono più facili da impiegare per gli sviluppatori, poiché hanno un'architettura più aperta dei controlli tradizionali.

Un'altra opzione oggi sono i PLC modulari. Questi consistono in moduli che svolgono diverse funzioni. Tutti i PLC devono includere un modulo CPU che comprende il processore e la memoria per il sistema operativo e il programma. Possono avere un modulo di alimentazione separato e ulteriori moduli di ingresso/uscita (I/O). Un PLC può includere moduli I/O digitali e analogici. Un altro modulo può essere richiesto per le comunicazioni di rete.

Il PLC può essere integrato - con tutti i moduli in un unico involucro - o modulare. I PLC integrati sono più compatti, ma i PLC modulari sono più versatili, in genere permettono di collegare facilmente più moduli tra loro sia direttamente l'uno all'altro, sia utilizzando un rack comune come bus. I moduli sono indirizzati secondo la loro posizione sul bus. Anche se l'aspetto del supporto fisico del rack può essere conforme a uno standard come DIN, il bus dati è tipicamente proprietario del produttore del PLC.

Il ruolo dei PLC nell'IoT

Con la crescita dell'interesse per Impresa 4.0 (anche IIoT), gli utenti industriali si aspettano sempre di più di avere la possibilità di collegare i loro controller industriali alle reti aziendali utilizzando i protocolli Internet. Si tratta di una comunicazione che utilizza il protocollo TCP (Transmission Control Protocol) e il protocollo IP (Internet Protocol) o semplicemente TCP/IP. Tuttavia, la tendenza IIoT non riguarda solo l'uso di protocolli Internet, riguarda anche l'apprendimento automatico e i big data. Via via che i PLC si fanno più potenti (e i controlli più avanzati fanno delle funzioni PLC una caratteristica), ospitano anche funzioni come i sistemi di visione. La connettività Internet permette anche agli ingegneri (tramite i PLC di sistema) di sfruttare gli algoritmi basati sul cloud per l'elaborazione di serie di dati estremamente grandi - i cosiddetti big data - per l'apprendimento automatico.

Nelle applicazioni pratiche, Ethernet for Control Automation Technology (EtherCAT) eccelle per queste funzionalità PLC IIoT. Si tratta di un protocollo di comunicazione basato su Ethernet adatto ad applicazioni di controllo in tempo reale con tempi di ciclo inferiori a 0,1 msec - la tecnologia Industrial Ethernet più veloce con la capacità di sincronizzarsi con una precisione al nanosecondo. Un altro importante vantaggio è la flessibilità della topologia di rete EtherCAT, che funziona senza hub e switch di rete. I dispositivi possono semplicemente concatenarsi in una configurazione ad anello, linea, stella o albero. PROFINET è uno standard concorrente che offre capacità simili.

Conclusione

L'attuale tendenza verso la raccolta di dati e il controllo industriale sempre più sofisticati continuerà. Questo significa che i PLC per l'automazione industriale e per i test e le misurazioni assomiglieranno sempre più ai PAC e si integreranno con SCADA e storici. Anche i protocolli Internet e gli standard aperti come EtherCAT stanno sperimentando un'adozione sempre più diffusa per le comunicazioni PLC. Tale connettività stimolerà a sua volta un maggiore uso delle tecnologie per Impresa 4.0, come l'analisi di big data e l'apprendimento automatico, in parte facilitato dalla capacità di distribuire la potenza di elaborazione e la memoria necessarie a:

• Cloud computing
• Dispositivi periferici in grado di elaborare dati

Oltre a queste tendenze, rimarrà la necessità di PLC più tradizionali per eseguire test e misurazioni relativamente semplici e funzioni di controllo con la massima affidabilità ed efficienza energetica.