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Introduzione
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Questo è il primo episodio di una serie di 8 parti.
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Questa serie tratta di controllori logici programmabili, o PLC, come sono comunemente conosciuti.
Cos'è un PLC ti chiedi?
In breve, è un dispositivo di controllo industriale programmabile di uso generale.
Vengono utilizzati in tutta l'industria, nelle fabbriche, nelle utenze e ovunque siano necessari macchinari industriali da controllare.
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Sono un sistema completamente integrato di hardware, software e ambiente di sviluppo, progettato specificamente per l'attrezzatura industriale automatica.
Probabilmente è più semplice descriverli fornendo prima un po' di contesto storico su ciò che li ha preceduti.
04 I Primi Giorni dell'Automazione
Avete probabilmente sentito parlare del telaio Jacquard del XIX secolo e dell'uso delle schede forate ad esso associate, in quanto una delle tecnologie che alla fine hanno portato al calcolo.
Tuttavia, ai fini del nostro scopo qui, la sua importanza è che era una forma precoce di sistema di controllo dell'automazione industriale, poiché, dopo tutto, controllava una macchina in una fabbrica.
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Per altri tipi di macchine, un mezzo puramente meccanico comune per far muovere in modo coordinato le varie parti di una macchina complessa era l'uso di alberi e camme.
Una serie di camme situate su un albero o su un insieme di alberi collegati da ingranaggi, potevano muovere parti di una macchina, aprire o chiudere valvole e coordinare in generale le parti di una macchina.
Con la diffusione dell'uso dell'elettricità nelle fabbriche all'inizio del XX secolo, era ora possibile utilizzare la nuova tecnologia elettrica per svolgere funzioni di controllo e automazione.
06 Il Contesto della Logica dei Relè
Dovrò spiegare alcuni termini elettromeccanici qui, poiché è necessario comprendere questi termini e i concetti ad essi associati per capire i PLC, in quanto i PLC sono un'evoluzione dei loro predecessori e utilizzano gli stessi termini.
Ciò che ha preceduto i PLC è stato ciò che era comunemente noto come "logica relè".
Cosa è un relè
Un relè è un dispositivo elettromeccanico che risponde e controlla il flusso di corrente elettrica.
Un relè ha un "avvolgente" che, come il nome implica, è un avvolgimento di filo conduttivo.
Quando si energizza l'avvolgente, ovvero si applica corrente elettrica ad esso, si forma un elettromagnete.
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Questo elettromagnete attira un armatura.
L'armatura è una parte mobile di metallo che viene attratta dall'avvolgente quando quest'ultimo è energizzato.
L'attivazione del relè è chiamata chiusura.
La disattivazione è chiamata apertura.
Questi stati hanno anche nomi alternativi: "attrazione" e "ritiro", rispettivamente.
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L'armatura è collegata, a sua volta, a uno o più contatti.
Si può pensare a un contatto come a una spina.
Quando la spina viene girata in un modo, il percorso elettrico è chiuso e la corrente può scorrere.
Quando viene girata nell'altro modo, il percorso elettrico è interrotto e il flusso di corrente è interrotto.
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I contatti possono essere normalmente aperti, in cui caso il percorso è chiuso e la corrente può scorrere quando il relè si attiva.
In alternativa, possono essere chiusi normalmente, nel qual caso il percorso è chiuso e la corrente può scorrere quando il relè si spegne.
Un relè può, e tipicamente ha, più contatti, inclusi sia aperti normalmente che chiusi normalmente.
Ricorda questi termini: avvolgimento, contatto, aperto normalmente e chiuso normalmente.
Cosa è un relè di blocco
Esiste un tipo speciale di relè chiamato relè di blocco.
Questo era utilizzato occasionalmente nei circuiti di controllo dei relè, ma i concetti alla base diventeranno più importanti quando parleremo dei PLC reali.
Un relè di blocco ha due avvolgimenti.
Un avvolgimento è utilizzato per accendere o "impostare" il relè.
L'altra spira è utilizzata per spegnere o "reset" del relè.
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Il relè ha un meccanismo di bloccaggio meccanico o un magnete che viene utilizzato per mantenere il relè nella posizione impostata (o, in altre parole, chiusa) anche se la spira di impostazione è disattivata.
Devi attivare la spira di reset per reimpostare o "aprire" il relè.
Un relè di bloccaggio fornisce l'equivalente di un "bit" di memoria che conserva l'ultimo stato anche se l'alimentazione della macchina viene spenta.
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I relè di bloccaggio sono stati utilizzati in applicazioni in cui era importante che il circuito logico del relè ricordasse il suo ultimo stato.
Sebbene non siano utilizzati frequentemente nei circuiti di controllo dei relè a causa del loro costo e complessità più elevati, il concetto doveva essere utilizzato più estensivamente nei programmi PLC quando le istruzioni di impostazione e reset erano fornite, che eseguivano la funzione equivalente in software senza le stesse considerazioni di costo.
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Pertanto, impostazione e reset dovevano essere utilizzati molto più frequentemente nei programmi PLC rispetto a quando erano relè effettivi.
Aggiungi questi termini alla tua lista di cose da ricordare: bloccaggio, sbloccaggio, impostazione e reset.
Cosa è un Contattore
Ora menzionerò un altro termine nel caso dovesse emergere in seguito.
Questo è un "contattore".
Un contattore è essenzialmente solo un relè di grandi dimensioni.
Viene tipicamente utilizzato per controllare carichi elettrici elevati come motori e riscaldatori.
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I relè più piccoli sono solitamente chiamati semplicemente "relè" o a volte "relè di controllo".
Questi possono essere utilizzati per creare circuiti logici o per controllare carichi elettrici più piccoli come luci o valvole pneumatiche o idrauliche.
Questo potrebbe sembrare una grande quantità di gergo, ma abbiate fiducia, farò analogie con i computer quando appropriato.
17 Dispositivi di Input e Output
Se si desidera svolgere un lavoro utile, si avrà bisogno di alcuni I/O.
I dispositivi di input tipici includono i seguenti.
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Pulsanti.
Questi sono pulsanti che l'operatore preme per comandare la macchina a fare qualcosa.
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Interruttori selettori.
Questi sono interruttori che di solito sono ruotati per accendere o spegnere e mantenere la posizione.
Possono avere più posizioni, ciascuna delle quali può attivare un input separato.
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Luci di avvio. Queste luci sono utilizzate per fornire un feedback all'operatore.
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Interruttori di limite.
Questi sono interruttori meccanici che attivano parti della macchina, piuttosto che l'operatore che li attiva.
Questo può essere utilizzato per determinare la posizione di varie parti della macchina in qualsiasi momento.
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Sensori di prossimità.
Questi sono essenzialmente interruttori di stato solido che sono più affidabili degli interruttori meccanici poiché sono meno soggetti a usura e usura.
Spesso sono abbreviati colloquialmente come "prossimità".
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Valvole solenoidi.
Questi sono simili ai relè in quanto un avvolgimento elettromagnetico viene attivato.
Tuttavia, invece di attivare un altro contatto elettrico, attiva una valvola pneumatica o idraulica.
Questa valvola consente tipicamente all'aria o al fluido idraulico di muovere un pistone all'interno di un cilindro, che poi muove una parte meccanica della macchina.
Una macchina tipica ha molti sensori di prossimità e valvole solenoidi.
Logica dei relè 24
Tutte queste entrate e uscite richiedono un certo tipo di logica per coordinarle.
Ecco dove entrano in gioco i relè di controllo.
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Se avere l'uscita di un dispositivo elettrico in grado di controllare un altro dispositivo elettrico sembra un po' come un transistor, allora sì, i relè sono analoghi ai transistor elettronici.
Tuttavia, mentre i transistor sono un'invenzione del mezzo del XX secolo, i relè risalgono al mezzo del XIX secolo.
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Come per i transistor, è possibile codificare la logica in una rete di cavi che collegano i relè insieme, insieme agli ingressi da interruttori e altri dispositivi di ingresso.
Collegando sensori e relè nel modo giusto, è possibile creare sequenze di funzionamento ragionevolmente complesse per controllare una macchina in modo automatico.
27 Logica Booleana dei Relè
Collegare i contatti dei relè in serie crea condizioni "e".
Collegarli in parallelo crea condizioni "o".
Utilizzando contatti di relè normalmente chiusi crea condizioni "non".
Alimentando i contatti propri di un relè di nuovo nel circuito che conduce fino al suo avvolgimento, è possibile che un relè ricordi il proprio stato.
Ogni relay può quindi essere considerato come un bit di logica in un circuito logico booleano.
28 Timer e Contatori
Relè di temporizzazione speciali potrebbero essere utilizzati per creare un ritardo temporale tra l'attivazione o la disattivazione del relay e la chiusura o l'apertura dei contatti.
Un relay di temporizzazione che impone un ritardo dopo l'attivazione è un "timer di ritardo di accensione".
Un relay di temporizzazione che impone un ritardo dopo la disattivazione è un "timer di ritardo di spegnimento".
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I relay di temporizzazione erano spesso pneumatici.
Avevano una piccola camera di gomma che lasciava fuoriuscire lentamente l'aria attraverso un'apertura regolabile.
La camera impediva al relay di aprirsi o chiudersi, a seconda del tipo, fino a quando abbastanza aria non era fuoriuscita per farlo chiudere o aprire.
Per una maggiore precisione o per ritardi temporali più lunghi, possono essere utilizzati timer a motore.
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Relè contatori speciali possono essere utilizzati per richiedere un input per accendere o spegnere un numero specificato di volte prima di attivare le uscite del relè.
I contatori utilizzano tipicamente un meccanismo a rinculo per contare fino a un valore preimpostato prima di attivarsi.
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I relè per il tempismo e il conteggio successivi hanno utilizzato timer e contatori elettronici, ma questi sono arrivati relativamente tardi in un momento in cui la logica dei relè stava uscendo di scena.
32 Pannelli Elettrici
Un gran numero di relè sarebbe stato montato su pannelli in grandi contenitori elettrici, con i cavi che passano tra loro, e anche verso i limit switch, valvole e altri dispositivi montati sulla macchina.
33 Progettazione del Circuito Logico
La logica o il programma sarebbe stato codificato nella selezione dei dispositivi e nei cavi che passano tra loro.
Per progettare e documentare questa logica, il progettista creerebbe disegni elettrici.
Questi disegni seguirebbero uno dei due stili diversi.
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In uno stile, i due cavi di alimentazione, caldi e neutri nel caso di corrente alternata, o positivi e negativi nel caso di corrente continua, sono disegnati come linee verticali lungo ciascun lato della pagina del disegno.
Queste linee verticali sono conosciute come le "tracce".
I cavi sarebbero poi disegnati orizzontalmente attraverso la pagina da sinistra a destra, mostrando le connessioni tra pulsanti, interruttori e contatti dei relè fino ai avvolgimenti dei relè o luci pilota sulla destra.
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Le connessioni fisiche tra avvolgimenti dei relè e contatti dei relè non erano normalmente mostrate nei disegni, sebbene potrebbero esserlo nel caso di pulsanti o interruttori selettori con contatti multipli.
Invece, si farebbe affidamento sulle etichette o nomi per vedere quali contatti erano associati a quali avvolgimenti dei relè, interruttori limite o pulsanti.
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Esistono convenzioni di denominazione standard per i dispositivi che non verranno approfondite qui.
Tuttavia, ciò significa che i bobine del relè potrebbero essere su una pagina del set di disegni, e i contatti potrebbero trovarsi in qualsiasi altro punto del set di disegni.
Era consuetudine scrivere un riferimento incrociato accanto alla bobina del relè per elencare dove i suoi contatti sono utilizzati nel disegno.
37 Gradini di Scala
In termini pratici, ciò significava che il disegno logico tendeva a prendere la forma di molti insiemi orizzontali indipendenti di cablaggi e contatti che assomigliavano piuttosto ai gradini di una scala.
Pertanto, questi disegni vennero conosciuti come "diagrammi a scala" o "disegni a scala".
Gli elementi orizzontali erano conosciuti come "gradini".
38 Simboli Standard
Ogni tipo di dispositivo aveva un simbolo standard, in modo che potessi vedere a colpo d'occhio di cosa si trattasse.
Per esempio, un avvolgente di rilascio era un cerchio.
Un contatto di rilascio normalmente aperto era due linee verticali corte che separavano una interruzione nel circuito di filo.
Un contatto di rilascio normalmente chiuso era semplicemente un contatto normalmente aperto con una linea diagonale tracciata sopra.
39 Flusso Logico
Per convenzione, i disegni si leggevano da sopra in basso, da sinistra a destra.
Nella pratica effettiva, le operazioni potevano avvenire in parallelo e bisognava fare attenzione per evitare di introdurre ciò che veniva chiamato una "gara di rilèi", dove l'esito di un'operazione dipendeva da quale delle due operazioni parallele si fosse completata per prima.
Una gara di rilèi poteva produrre risultati imprevedibili a seconda di quale delle operazioni si fosse completata per prima e doveva quindi essere evitata.
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Gli ingegneri, i tecnici e gli elettricisti erano tenuti a diventare abili nel leggere e comprendere questi diagrammi a scala per progettare e risolvere problemi di attrezzature.
Per una persona con esperienza nel campo, leggere e comprendere questi diagrammi è diventato una seconda natura.
Disegni 41 DIN
Ho menzionato che ci sono due stili di disegni.
L'altro stile è noto come DIN, che sta per Deutsches Institut für Normung, o Istituto Tedesco di Normalizzazione in inglese.
Questo è essenzialmente solo un diagramma a scala invertito, con i binari che corrono orizzontalmente da sinistra a destra, e i gradini che corrono verticalmente da sopra sotto.
Ho menzionato i disegni DIN qui per completezza, ma anche quei paesi che utilizzano ancora disegni DIN per documentare il cablaggio usano scale verticali quando la logica a scala è diventata elettronica.
Confronto con le porte logiche elettroniche 42
Se sei familiare con le porte logiche elettroniche e, o, nand, e nor, alcuni dei concetti sopra dovrebbero risultarti familiari.
Alcuni dei concetti sono effettivamente analoghi.
Tuttavia, queste convenzioni elettromeccaniche precedono l'esistenza dello stato solido.
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I disegni seguono anche principi completamente diversi.
Mentre i disegni della logica a stato solido mostrano ingressi e uscite su un unico dispositivo raggruppati insieme in un unico blocco con complesse interconnessioni, i disegni a scala elettrica li separano, il che ha diverse conseguenze molto significative.
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In primo luogo, semplifica notevolmente il disegno delle interconnessioni.
In secondo luogo, consente di raggruppare ingressi e uscite in base alla funzione piuttosto che all'imballaggio fisico.
Terzo, consente di distribuire i disegni su molte schede più piccole di dimensioni standard, il che a sua volta permette di vedere una raccolta funzionale di runghe correlate con un solo sguardo.
Questi tre fattori sarebbero stati di grande importanza quando i relè fisici sono stati sostituiti dal software.
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Origini storiche e sviluppo
Origini
Nessuno sembra sapere quando o dove la logica relè industriale sia stata introdotta per la prima volta.
Le migliori ipotesi sembrano indicare qualche tempo dopo la diffusione dell'elettrificazione delle fabbriche all'inizio del XX secolo.
L'automazione nell'era della potenza a vapore sembrava affidarsi principalmente al profilo di camme meccaniche montate su alberi per sincronizzare le operazioni delle macchine.
La maggior parte delle fonti sembra piuttosto sicura che la logica relè fosse diffusa negli anni '40 o '50.
46 Stato solido
L'introduzione dei transistor non ha sostituito immediatamente i relè per scopi di controllo.
Le relè avevano la capacità di gestire quantità significative di potenza direttamente, consentendo loro di interfacciarsi con ingressi e uscite direttamente.
I transistor avrebbero comunque richiesto l'interposizione di relè, aumentando il numero di componenti e complicando il sistema senza un notevole beneficio.
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Sono stati sviluppati moduli logici a stato solido specificamente per sostituire i relè nella logica di controllo, ma questi non sono stati ampiamente utilizzati.
Questi moduli logici a stato solido richiedevano ancora connessioni cablate tra loro, limitando i loro vantaggi rispetto ai relè elettromeccanici.
Sono state sviluppate diverse famiglie di relè di controllo elettromeccanici da diverse aziende, e questi tendevano ad essere molto robusti e affidabili, anche se piuttosto costosi.
48 Conclusione
In questo episodio ho coperto quanto segue.
Cos'è un relè.
Dispositivi comuni di input e output.
Come i relè sono utilizzati per creare sistemi di logica booleana.
Progettazione di sistemi logici relè e dei disegni elettrici utilizzati per documentarli.
Breve storia dei sistemi logici relè.
49 termini da ricordare.
Ecco alcuni termini che potresti voler ricordare.
Controllore logico programmabile, noto anche come "PLC".
Relè di controllo.
Bobine
Contatti
Di solito aperto
Di solito chiuso
50
Serbatoio
Sblocca
Imposta
Ripristina
51
Su temporizzatori di ritardo
Su temporizzatori di ritardo disattivati
Contatori
Pulsanti di spinta
Luci pilota
Interruttori limite
Interruttori di prossimità, noti anche come "prox"
Diagrammi a scala mobile
Pali del scaletta
Gradini della scaletta
52 Prossimo Episodio
Nell'episodio successivo discuterò di quanto segue
Le origini dei PLC
Come si sono evoluti dalla logica dei relè
Come e perché i relè fisici e i cavi sono diventati relè virtuali nel software
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Pensavi che la programmazione visiva o grafica fosse qualcosa di nuovo?
Ascolta il prossimo episodio e scopri che le persone lo facevano nelle fabbriche mezzo secolo fa, quando tu stavi ancora cercando di far funzionare il tuo primo programma Fortran su un mainframe.
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Questo è stato il primo episodio di una serie di 8 parti.
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