All'interno di un quadro di controllo PLC: Scomposizione dei componenti per funzione
Un quadro di controllo Programmable Logic Controller (PLC) è un contenitore industriale che ospita l'hardware di calcolo, I/O, alimentazione e comunicazione che automatizza una macchina o un processo. La selezione dei componenti segue gli standard IEC 61131 / UL 508A / NEC. Ecco la tassonomia funzionale.
1. Calcolo e controllo di base (Il "Cervello")
- Modulo CPU del PLC: Esegue logica a scalini / ST / FBD. Contiene microprocessore, RAM (programma + dati), memoria non volatile (FRAM/EEPROM/SSD per variabili retain), orologio in tempo reale, timer di watchdog. Specifiche chiave: Tempo di scansione (ms/K istruzione), Memoria (KB/MB), Capacità I/O (locale/remota).
- Porta di programmazione / USB: Per connessione laptop (RS-232, USB, Ethernet). Spesso accessibile sul pannello frontale.
- Slot scheda memoria (SD/CF): Aggiornamenti firmware, memorizzazione ricette, logging dati, backup programma.
2. Alimentazione e Distribuzione
- Unità Alimentazione (PSU): Converte 120/240V AC (o 24V DC impianto) → 24V DC (Potenza di sistema) + 5V/3.3V (Logica dorsale). Ridondante (N+1) su sistemi critici. Tempo di mantenimento > 20ms (ride-through).
- Interruttori automatici / Fusibili: Protezione di ramo per ingresso PSU, distribuzione 24V a dispositivi di campo (raggruppati per funzione: sensori, attuatori, sicurezza).
- Dispositivi di protezione da sovratensione (SPD): Tipo 2 (Quadro) su ingresso AC. Tipo 3 (Punto d'uso) su cablaggio 24V di campo ingresso (specialmente corse lunghe esterne).
- UPS / Batteria di backup: Per mantenimento CPU (RAM) + I/O critici (sicurezza, posizione valvola) durante cali di tensione. I moduli a Supercondensatore sostituiscono sempre più le batterie per backup CPU.
3. Sistema I/O (I "Nervi")
Modulare (a telaio) o Mattoncino (fisso). Combinare e abbinare:
| Tipo Modulo | Segnali Tipici | Specifiche Chiave |
|---|---|---|
| Input Digitale (DI) | 24V DC PNP/NPN (Sensori prossimità, Fine corsa, Pulsanti, Fotoocchi) | 8/16/32 punti. Isolamento (Opto). Tempo filtro (0.1–20ms). Tipo 1/2/3 IEC 61131-2. |
| Output Digitale (DO) | 24V DC Sorgente (PNP) / Assorbe (NPN) → Elettrovalvole, Relè, Indicatori, Avviamento VFD | 0.5A/2A per punto. Protezione cortocircuito. Diagnostica (rottura filo, sovraccarico). |
| Output Relè (RO) | Tensione AC/DC (Avviatori motore, Riscaldatori, Allarmi, Relè di interposizione) | Contatti NO/NC/SC. 2A–10A. Isolamento. Usura (vita meccanica). Snubber per carichi induttivi. |
| Input Analogico (AI) | 4–20mA (Trasmettitori 2 fili/4 fili), 0–10V, TC (J/K/T), RTD (Pt100/1000) | 12/16/24-bit. Isolamento (Ch-Ch, Ch-Bus). Compensazione giunzione fredda per TC. Linearizzazione. Pass-through modem HART. |
| Output Analogico (AO) | 4–20mA (Posizionatori valvole, Riferimento velocità VFD), 0–10V | 12/16-bit. Impedenza carico (mA: <500Ω; V: >1kΩ). Protezione cortocircuito. |
| Specialità | Contatore alta velocità (HSC), Encoder (ABZ, SSI), PWM, Pesatura, Seriale (RS232/485), Movimento (PTO), Sicurezza (FSoE, CIP Safety) | Scarica CPU. Tempistica deterministica. |
4. Comunicazione e Networking
- Ethernet Industriale (Dorsale): Profinet (RT/IRT), EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus TCP, CC-Link IE, Powerlink. Switch gestiti (VLAN, QoS, IGMP Snooping, ring MRP/RSTP ridondanti) dentro il quadro.
- Fieldbus (Livello dispositivo legacy): Profibus DP, DeviceNet, CANopen, AS-i, Master IO-Link, Modbus RTU (RS-485). Gateway verso Ethernet.
- I/O Remoto: Blocchi I/O distribuiti (IP67 su macchina, IP20 in scatole di giunzione) collegati via Fieldbus/Ethernet. Riduce cablaggio a ritorno.
- Gateway IIoT / Edge: Publisher MQTT / OPC UA / Kafka per storico/MES/Cloud. Runtime Docker/K8s su CPU di fascia alta (es. Siemens SIMATIC S7-1500 TM, Rockwell 5069, B&R X20).
5. Infrastruttura fisica e Sicurezza
- Recinto: NEMA 12/4/4X (IP54/66). RAL 7035. Interruttore porta (disattivabile). Montaggio: Parete, Pavimento, Su macchina.
- Dorsale / Guida DIN: Bus di sistema (PCIe/Proprietario) per PLC modulari. Guida DIN (TS35) per morsetti, interruttori, relè, PSU.
- Morsetti: Push-in / Gabbia a molla preferiti (a prova di vibrazione). Codice colore: Grigio (Fase), Blu (Neutro/Comune), Giallo/Verde (PE), Arancione (Schermo/Strumentazione). Blocchi di distribuzione potenziale per bus 24V/0V.
- Canalina portacavi (Panduit): Scanalata. Riempimento ≤ 50%. Etichettare ogni cavo (ferrule + termorestringente/manicotto) ad entrambe le estremità. Preparazione cavo: Ferrule + Crimpatura (UL 486F).
- EMC / Messa a terra: Busbar PE a stella all'ingresso. Schermi cavi collegati 360° ai pressacavi (pressacavi EMC) o morsetti schermo. Nessun codolo. Equipotenziale a carpenteria impianto.
- Gestione termica: Ventole filtrate (IP54) + Scarico. Riscaldatore (anti-condensa). Raffreddamento attivo (AC/Scambiatore calore) per >35°C ambiente o dissipazione elevata (>200W). Simulazione termica consigliata.
- Illuminazione / Presa: Striscia LED interna (interruttore porta). Presa GFCI 120/230V (caricatore laptop).
- Sicurezza: Funghino Arresto di Emergenza (cablato a PLC di sicurezza / Relè di sicurezza / Contattore disinnesto a filo). Etichetta Arco Elettrico (NFPA 70E). Punti di lockout su interruttore principale.
6. Documentazione dentro il quadro (Obbligatoria)
- Schema cablaggio as-built (Schematico + Layout).
- Mappa indirizzi I/O PLC (Tag → Slot.Ch → Morsetto).
- Elenco dispositivi (Numeri parte, Revisioni firmware).
- Topologia di rete (Indirizzi IP, Subnet, VLAN, Nomi dispositivi).
- Elenco funzioni di sicurezza (Valutazione SIL/PL, Tempo di risposta).
Principio di progettazione: Separazione. Separare: Potenza (480V/120V) → Controllo (24V DC) → Segnale (4-20mA, Comms) → Sicurezza. Barriere fisiche, canaline separate, codice colore. Questo previene accoppiamento di rumore e propagazione di guasti.