Tutto sui PLC: moduli di ingresso/uscita

Tra tutti i componenti dei sottosistemi che costituiscono un PLC, e in generale nel mondo dei computer, i moduli I/O sono solitamente quelli accolti più rapidamente dagli ingegneri che apprezzano il mondo fisico dei dispositivi e dei cablaggi.

Questo non significa che siano semplici o facili; anzi, possono essere una delle parti più confuse di un PLC, ma i moduli I/O rappresentano l’interfaccia di collegamento tra il calcolo digitale e i dispositivi di ingresso e uscita del mondo reale.

 

Figura 1. Ampia varietà di moduli I/O in un’unica unità. Immagine utilizzata per gentile concessione dell’autore

 

A cosa posso collegare un modulo I/O di un PLC?

Tra poco esamineremo i numerosi tipi di moduli, ma prima è importante capire quali tipi di dispositivi si possono collegare a un PLC in questo modo. Non si può certo collegare qualsiasi cosa a un PLC aspettandosi che funzioni, giusto?

Innanzitutto, la categoria degli ingressi è piuttosto ampia. Se un interruttore o un pulsante ha contatti meccanici, allora sì, è possibile collegarne praticamente qualsiasi tipo a un PLC, a condizione di riuscire in qualche modo a collegare un filo a ciascun lato del contatto. In teoria, si potrebbe collegare qualsiasi cosa, da un enorme sezionatore fino a un piccolo interruttore tattile per circuiti stampati a montaggio superficiale. Tuttavia, i pulsanti e gli interruttori che incontriamo più spesso appartengono alla categoria da 22 mm, progettata per essere utilizzata facilmente nei quadri industriali.

I sensori hanno spesso una struttura a stato solido, quindi possono fornire un solo tipo di tensione in uscita. Se il sensore è progettato per 10-30 VCC o 120 VCA, è perfetto per un PLC. Alcuni sensori funzionano a 5 volt. Per utilizzarli, è necessario un ingresso speciale a bassa tensione oppure un modo per amplificare l’uscita fino a 12-24 volt.

Anche i tipi di uscite, o carichi, sono piuttosto numerosi. Se qualcosa può essere attivato e disattivato, è probabilmente utilizzabile anche con un PLC. Gli elementi più comuni sono luci, relè, interruttori a solenoide e valvole. La tensione nominale del dispositivo non è particolarmente importante, poiché i moduli di uscita possono gestire praticamente qualsiasi tensione. Se il dispositivo funziona con un’uscita a impulsi, come un azionamento per motori, o anche con un segnale variabile, ad esempio volume o velocità, probabilmente è possibile trovare un’uscita PLC adatta.

 

Tipi di moduli di ingresso PLC

Di seguito è riportata una breve selezione dei tipi più comuni di moduli di ingresso PLC. Alcune aziende possono produrre moduli specializzati non presenti in questo elenco.

 

CC

I moduli di ingresso CC rispondono a un intervallo limitato di tensione, solitamente 12-24 o solo 24 volt. Possono essere di tipo source o sink (maggiori informazioni sull’argomento) e il numero di terminali su un singolo modulo può variare da 4 fino a 32 in alcuni modelli ad alta densità. Sono ampiamente utilizzati per interruttori e sensori.

 

Figura 2. Collegamenti ad alta densità di un modulo con 32 ingressi. Immagine utilizzata per gentile concessione dell’autore

 

Analogici

Gli ingressi analogici possono essere di tensione (solitamente 0-10 volt), di corrente (solitamente 4-20 mA) oppure configurabili per funzionare in entrambi i modi. Possono fornire ingressi isolati o fare riferimento a una massa comune, quindi è importante rivolgersi a esperti di integrità del segnale per sapere esattamente quale variante sia la migliore. Il numero di terminali di ingresso varia generalmente da 2 a 8, non oltre.

 

Figura 3. Ingressi analogici affiancati a ingressi CC. Immagine utilizzata per gentile concessione dell’autore

 

CA

Molti interruttori e sensori gestiscono la tensione CA, proprio come gli interruttori della luce di casa. Sarebbe costoso convertire ogni segnale in un’uscita CC a 24 volt, quindi la soluzione consiste in un modulo di ingresso per segnali a 120 VCA. Questi moduli richiedono un unico collegamento neutro comune e non adottano mai la configurazione source dell’ingresso, che porterebbe 120 volt sotto tensione su ciascun terminale. Talvolta sono disponibili modelli per 24 o 240 VCA, ma il più comune è quello da 120 VCA. Questo tipo dispone solitamente di un numero di terminali compreso tra 8 e 16.

 

Alta velocità

Si tratta di una variante degli ingressi CC, ottimizzata esclusivamente per accettare impulsi di ingresso rapidi. I due tipi di dispositivi più comuni per questo modulo sono gli encoder ad alta velocità e i controller esterni che forniscono un segnale di uscita a modulazione della larghezza d’impulso (PWM) o a treno di impulsi che deve essere misurato con precisione. Nella maggior parte dei casi, un ingresso ad alta velocità può accettare senza problemi anche ingressi CC standard. Questi moduli contengono generalmente meno ingressi, in genere da 2 a 4 per modulo.

 

TTL

Questo acronimo significa logica transistor-transistor, ma in termini semplici indica dispositivi da 3,3 a 5 volt, solitamente riservati al calcolo embedded e alle applicazioni con microcontrollori. Il motivo più comune per cui è necessario un modulo di questo tipo è l’interfacciamento con gli I/O digitali di un computer embedded presente in una periferica. Nella maggior parte delle tecnologie moderne, questa funzione è stata sostituita da un protocollo di comunicazione o da un adattatore di livello, quindi l’ingresso TTL è un tipo di modulo piuttosto raro nei PLC moderni. Possono avere circa 8-16 terminali.

 

Tipi di moduli di uscita PLC

I segnali di uscita sono molto simili a quelli di ingresso, con la differenza che è il PLC a emettere il segnale. Tuttavia, non tutto è identico.

 

Uscita CC

La descrizione è quasi identica a quella degli ingressi CC. Questo modulo alimenta generalmente dispositivi a 24 volt e può essere disponibile sia in versione source sia sink, con un numero di terminali compreso tra 4 e 32.

 

Figura 4. Uscite a relè nella stessa unità degli ingressi digitali: è possibile combinarle liberamente! Immagine utilizzata per gentile concessione dell’autore

 

Uscita a relè

I relè sono molto flessibili, poiché possono gestire varie tensioni, sia CC sia CA. Rispondono più lentamente delle uscite CC e hanno una durata inferiore, ma possono gestire una corrente molto maggiore. Alcuni moduli forniscono solo l’uscita N.A. (forma A), mentre altri consentono di accedere sia all’uscita N.A. sia a quella N.C. (forma C). Un’uscita a relè dispone in genere di un numero di terminali compreso tra 4 e 16.

 

Figura 5. Numerosi I/O: 8 uscite a relè (forma A), 6 ingressi CC e 4 ingressi ad alta velocità, che possono anche essere utilizzati come ingressi standard, tutto in un unico PLC. Immagine utilizzata per gentile concessione dell’autore

 

Uscita analogica

Come per gli ingressi, le uscite analogiche possono fornire segnali di tensione o di corrente. Poiché la maggior parte dei segnali tra dispositivi viene trasmessa tramite un protocollo di comunicazione, le uscite analogiche non sono comuni quanto gli ingressi. Questi moduli dispongono di un numero di terminali compreso tra 2 e 8.

 

Uscita CA (TRIAC)

Sebbene i moduli a relè possano gestire alcuni carichi CA, per le commutazioni che richiedono alta velocità e una lunga durata operativa è comunque necessario un interruttore a stato solido. Il TRIAC è il dispositivo di commutazione all’interno dell’uscita CA e questi moduli sono solitamente limitati a carichi da 120 VCA. (La ricerca dei guasti può essere complessa: spiegazione qui). In genere dispongono di un numero di terminali di uscita compreso tra 8 e 16.

 

Moduli I/O personalizzati

Le descrizioni precedenti comprendono la grande maggioranza di tutti i moduli utilizzati oggi nei sistemi in funzione. È bene tenere presente che quasi chiunque può creare un modulo personalizzato, quindi si possono incontrare modelli con lievi variazioni o un tipo di modulo completamente nuovo. È sufficiente prestare attenzione ai dettagli tecnici, seguire gli schemi di cablaggio e imparare il più possibile dagli ingegneri attualmente in servizio, nel caso in cui un giorno ci si ritrovi a essere responsabili di uno di questi sistemi!

L’ultimo tipo di componente PLC che discuteremo è rappresentato dai componenti di rete, poiché offrono la possibilità di collegare terminali remoti di raccolta dati, HMI, dispositivi di movimento e persino sistemi informatici di livello superiore. Sono molto capaci, ma anche molto complessi.