Comando motori PLC industriali

Controller a logica programmabile

Un Controller a logica programmabile (PLC) è un tipo di computer industriale progettato per controllare le apparecchiature e i processi industriali, come i motori, le linee di assemblaggio e i macchinari di lavorazione e movimentazione. Progettati per essere robusti e resistere a condizioni difficili, i PLC sono ideali per le applicazioni di controllo in ambienti che presentano alti livelli di polvere o umidità, vibrazioni, urti e temperature estreme.

Nelle applicazioni industriali si fa un vasto uso di motori e i PLC sono una soluzione ideale per controllarli. Consentono di implementare facilmente regole complesse: ad esempio, quando viene premuto un pulsante di avvio, il motore deve avviarsi solo se i sensori mostrano che le protezioni di sicurezza sono presenti e non ci sono condizioni di errore.

Cosa sono gli PLC?

Un PLC è un controllore industriale basato su un microprocessore. Ha una memoria programmabile utilizzata per memorizzare le istruzioni del programma e varie funzioni. Un PLC raccoglie i dati dai sensori o da altri dispositivi di ingresso, li elabora in base ai parametri impostati e poi genera le uscite appropriate.

Queste uscite possono essere comandi per avviare o arrestare una macchina o attivare allarmi per avvertire che un processo si è discostato dai suoi valori limite.

Un PLC è composto da cinque componenti principali:

• Unità processore - interpreta gli ingressi, esegue il programma di controllo memorizzato e invia i segnali di uscita.
• Unità di alimentazione - converte la corrente alternata in corrente continua.
• Unità di memoria - memorizza i dati ricevuti dagli ingressi e il programma eseguito dal processore.
• Interfaccia di ingresso e di uscita - utilizzata dal controller per ricevere e inviare dati da e verso i dispositivi esterni
• Interfaccia di comunicazione - riceve e trasmette dati su reti di comunicazione da e verso PLC remoti.

I PLC sono facili da programmare, anche da persone con poca esperienza di linguaggi di programmazione. Il metodo più comune è un linguaggio di programmazione grafico chiamato diagramma ladder. I PLC offrono anche un'elevata affidabilità e una facile diagnosi dei guasti nei processi.

Hanno sostituito i sistemi di controllo basati su relè cablati, che richiedevano molto tempo e presentavano difficoltà di programmazione e risoluzione dei problemi. Nonostante l'avvento di sistemi di controllo più sofisticati basati su hardware informatico standard, i PLC rimangono popolari per la loro robustezza e facilità d'uso.

In che modo un PLC controlla un motore?

I PLC non controllano direttamente i motori. Piuttosto, forniscono un segnale di uscita a un dispositivo intermedio, come un relè o un azionamento a frequenza variabile (VFD), il quale comanda l'accensione del motore.

I PLC sono in effetti computer industriali altamente flessibili in grado di utilizzare un'ampia varietà di segnali di ingresso e di uscita. Questi possono assumere due forme: segnali discreti o analogici. I segnali discreti possono cogliere solo un valore di accensione o spegnimento da dispositivi come i finecorsa, i sensori e gli encoder.

I segnali analogici possono utilizzare una tensione o una corrente proporzionale alla variabile da monitorare e cogliere qualsiasi valore all'interno della loro scala. I parametri di ingresso che utilizzano un segnale analogico includono pressione, portata e peso.

I segnali discreti sono i più adatti per il semplice controllo dei motori. Nella maggior parte dei casi, gli operatori avranno bisogno solo di un comando di accensione o spegnimento da emettere, oppure di leggere lo stato di un sensore che determina se il motore può funzionare in modo sicuro.

Applicazione tipica di controllo motore con PLC

In una applicazioni di comando dei motori, il motore sarà collegato a un alimentatore che in genere gli fornisce un'alimentazione trifase a 415 V. La programmazione con diagrammi ladder consente di programmare il PLC affinché risponda agli input provenienti da interruttori e sensori. Il PLC fornirà quindi il segnale di accensione del motore solo se si verificano determinate condizioni.

Un PLC avrà diversi ingressi, tra cui un pulsante di avviamento, un pulsante di arresto e diversi ingressi di interblocco: ad esempio, vibrazioni del motore elevate, sovraccarico, temperatura del motore elevata e sensori sulle barriere di protezione. Avrà anche un ingresso per indicare se il motore è sotto controllo locale dal pannello o remoto dal PLC.

Il funzionamento di base consiste nell'avviare il motore quando si preme il pulsante di avvio. Se uno degli ingressi di interblocco viene attivato, il programma PLC lo leggerà come un guasto e impedirà l'avvio del motore. Il PLC deve anche fermare il motore quando si preme il pulsante di arresto o quando gli ingressi degli interblocchi diventano alti, indicando una condizione di guasto o un problema di sicurezza.

I PLC possono utilizzare anche altri ingressi per controllare il motore durante il funzionamento. Si possono utilizzare segnali analogici come la velocità, la corrente e la temperatura del motore per garantire un'esecuzione ottimale del compito, mentre i segnali come i fine corsa garantiranno che il carico spostato dal motore rimanga all'interno di un'area fisica definita.

Controllo per motori PLC CC

I motori CC sono principalmente comandati darelè. Un relè elettromeccanico (EMR) è essenzialmente un interruttore azionato da un elettromagnete. Il relè accende o spegne un circuito di carico eccitando l'elettromagnete, che a sua volta apre o chiude i contatti collegati in serie con un carico. Di solito i relè vengono utilizzati per controllare piccoli carichi di 15 A al massimo.

Un relè ha due circuiti: l'ingresso della bobina (noto anche come circuito di controllo) e l'uscita del contatto (il circuito di carico). Nei circuiti motore, gli EMR sono spesso utilizzati per controllare le bobine dei contattori e degli starter.

Un relè ha di solito una sola bobina, ma può avere molti contatti diversi. I relè elettromagnetici hanno sia contatti fissi che contatti mobili, con i contatti mobili attaccati all'armatura. I contatti sono indicati come normalmente aperti (NO) e normalmente chiusi (NC). Quando la bobina viene alimentata, si crea un campo elettromagnetico che fa muovere l'indotto, chiudendo i contatti NA e aprendo i contatti NC.

Le bobine sono solitamente contrassegnate da una lettera: M per gli avviatori, CR per i relè di controllo. I contatti dei relè di controllo sono piccoli perché devono gestire solo le piccole correnti utilizzate nei circuiti di controllo, consentendo loro di contenere numerosi contatti isolati.

Un dispositivo simile a un EMR è il contattore, la cui differenza principale consiste nelle dimensioni e nel numero di contatti. I contattori sono destinati al collegamento diretto con dispositivi di carico ad alta corrente. I dispositivi che commutano più di 15 A o in circuiti di potenza superiore a qualche kilowatt sono generalmente descritti come contattori.

Come fa un PLC a controllare la velocità del motore?

I PLC possono essere utilizzati per controllare la velocità dei motori CA tramite un variatore di velocità (VSD), noto anche come variatore di frequenza (VFD). Nel controllo dei motori VFD, la frequenza dell'alimentazione CA del motore viene variata. Poiché la velocità di un motore a induzione dipende dalla frequenza di alimentazione, si possono utilizzare i VFD per variarne la velocità. Possono essere utilizzati anche con i motori sincroni.

Un VFD è essenzialmente un convertitore di potenza che utilizza l'elettronica per convertire una frequenza fissa e una tensione fissa in una frequenza variabile e una tensione variabile. Di solito sono dotati di un'interfaccia utente programmabile che consente di monitorare facilmente la velocità del motore elettrico.

I convertitori di frequenza riducono la potenza di un'applicazione, ad esempio una pompa o una ventola, controllando la velocità del motore; in questo modo è possibile ridurre il consumo energetico del 50% e, in casi estremi, anche del 90%.

Mentre il VFD controlla la velocità del motore, il VFD stesso può essere controllato a distanza tramite un PLC. A tal fine, il PLC deve fornire al VFD un set point per la velocità del motore. Questo può provenire automaticamente dal PLC o essere impostato dall'operatore tramite l'interfaccia uomo-macchina (HMI). In questo modo, il PLC controlla la velocità del convertitore di frequenza attraverso il set point e il VFD controlla la velocità del motore regolando la frequenza per raggiungerlo.

Una tipica applicazione VFD per il controllo della velocità del motore può sfruttare le funzioni di controllo PID offerte da alcuni PLC. Come suggerisce il nome, un controller PID è costituito da tre coefficienti principali: proporzionale, integrale e derivato. Essendo parte di un sistema di controllo ad anello chiuso, il PLC utilizzerà la funzione PID per valutare la velocità del motore e generare un'uscita appropriata. Questa verrà inviata al VFD in modo che possa comandare al motore di rallentare o accelerare per raggiungere il set point richiesto.

Vantaggi dei PLC nelle applicazioni di azionamento del motore

I PLC offrono diversi vantaggi alle applicazioni di azionamento dei motori. Poiché i motori in ambito industriale si trovano spesso in atmosfere polverose o umide o in presenza di un elevato grado di vibrazioni meccaniche, le apparecchiature di controllo devono essere robuste e resistenti, proprio come i PLC.

I PLC industriali di buona qualità non sono generalmente influenzati dal rumore elettrico comune alla maggior parte degli ambienti industriali. Poiché hanno pochissime parti mobili, anche le possibilità di difetti e danni sono molto ridotte. Sono inoltre compatti e facili da collocare in molti luoghi in cui potrebbe essere necessario il controllo dei motori.

Anche la loro programmazione è semplice, in quanto si tratta di programmi in logica ladder a relè o in altri linguaggi facili da imparare. Grazie a un linguaggio di programmazione integrato nella memoria e ai terminali per i dispositivi di ingresso e uscita dal campo e alle porte di comunicazione, si possono facilmente modificare i programmi esistenti in qualsiasi momento. Questo rende molto più facile per gli ingegneri con poca esperienza di programmazione scrivere o adattare i programmi per gestire le applicazioni dei motori.

Nonostante la loro semplicità, i PLC si basano sulla tecnologia dei microprocessori allo stato solido e come tali rappresentano un grande progresso rispetto alle forme puramente elettromeccaniche di controllo dei motori, come i relè. I relè hanno l'inconveniente principale di dover essere cablati per eseguire una funzione specifica. Ciò significa che quando i requisiti del sistema motore cambiano, anche il cablaggio del relè deve essere cambiato o modificato. Grazie alle loro funzioni di programmabilità, i PLC hanno eliminato gran parte del cablaggio necessario per i circuiti di controllo motore tradizionali basati su relè.

Una volta scritto e testato un programma, è facile scaricarlo su altri PLC che operano con applicazioni motore simili. Poiché tutta la logica è contenuta nella memoria del PLC, si elimina la possibilità di errori di cablaggio logico.

Quando si verificano errori, è facile risolverli nelle applicazioni basate su PLC, grazie alle funzioni di diagnostica e di override integrate nel PLC stesso, che consentono agli utenti di rintracciare e correggere facilmente i problemi sia nel software che nell'hardware. Ad esempio, gli utenti possono visualizzare il programma di controllo su un monitor e osservarne l'esecuzione in tempo reale. Anche la risoluzione dei problemi è semplificata dagli indicatori di guasto e dalla messaggistica visualizzata sullo schermo del programmatore.

Grazie alla loro programmabilità, i PLC offrono anche una maggiore flessibilità. Con un PLC, le relazioni tra gli ingressi e le uscite sono regolate dal programma dell'utente piuttosto che dal modo in cui sono interconnessi. I produttori di apparecchiature originali possono aggiornare il sistema inviando un nuovo programma, mentre gli utenti finali possono modificare il programma sul campo. Gli utenti possono anche aggiungere moduli funzionali e sensori supplementari per migliorare la flessibilità e le prestazioni di un sistema di controllo motore basato su PLC. Ad esempio, un sensore di temperatura può indicare che un processo deve essere raffreddato o riscaldato e il PLC può accendere il motore per azionare una ventola di raffreddamento o trasferire calore per convezione da una fonte di calore.

I PLC hanno anche sofisticate capacità di comunicazione e possono comunicare con altri controller o apparecchiature informatiche. Ciò consente loro di svolgere funzioni quali il controllo di supervisione, la raccolta di dati, il monitoraggio dei dispositivi e dei parametri di processo, il download e il caricamento di programmi. I PLC possono inoltre utilizzare una serie di protocolli di comunicazione standard.

Con tutti questi vantaggi, i PLC sono il modo ideale per controllare le applicazioni dei motori. Robusti, resistenti e facili da programmare, in grado di offrire elevata affidabilità e flessibilità, i PLC portano il controllo avanzato dei motori industriali nelle strutture, senza la necessità di adottare un sistema di automazione completo. Offrendo capacità autonome ma con la flessibilità di comunicare con altre unità, nonché la capacità di ricevere dati da un'ampia gamma di sensori, i PLC possono essere adatti a un'ampia gamma di applicazioni di controllo del motore.