Tutorial: primo programma PLC con un IPC Beckhoff
Build and verify a first TwinCAT PLC project on a Beckhoff IPC. This checklist covers target selection, EtherCAT discovery, I/O mapping, safe activation, restart tests, and commissioning records.
Qualsiasi tutorial sugli IPC deve iniziare con alcune definizioni di base per chi non conosce questo concetto di PC industriali. Molti ingegneri del controllo hanno una formazione principalmente incentrata sui PLC, che da decenni rappresentano il cavallo di battaglia affidabile dell'industria manifatturiera. L'obiettivo della nuova evoluzione verso i sistemi di controllo basati su PC non è soppiantare una logica collaudata, ma offrire più funzionalità, diagnostica e una connessione immediata ai dati critici di processo.
In cosa differisce un IPC da un PLC?
Il PC industriale è un computer perfettamente funzionante con un sistema operativo, solitamente una versione di Windows o Linux, proprio come il tuo laptop. Gli IPC Beckhoff possono eseguire anche il sistema operativo TwinCAT/BSD, basato sullo standard FreeBSD. Gli IPC progettati per gli scenari di controllo includono anche un software con un runtime separato che esegue i comandi logici collegati agli I/O fisici, proprio come qualsiasi PLC tradizionale. È questo runtime a distinguerlo da un normale laptop. Consente di eseguire programmi o persino l'ambiente di sviluppo senza influire sul controllo PLC dei dispositivi di campo reali.
In genere, un PLC è installato in un quadro elettrico e un laptop con l'IDE di programmazione si trova nelle vicinanze o è collegato tramite un cavo di rete. Con un IPC, ciò è ancora possibile, ma in alternativa l'IPC può essere utilizzato con tastiera, mouse e monitor, eseguendo tutta la programmazione direttamente sull'IPC. Questa modalità è più comune negli scenari di formazione o con i kit di avviamento; gli utenti devono tenere conto dei requisiti di RAM per garantire velocità e prestazioni conformi alle aspettative.
Questo è il metodo di programmazione integrata che illustreremo in questo tutorial IPC Beckhoff.
Configurazione hardware del Beckhoff C6015
Per creare un esempio efficace di logica di controllo, abbiamo bisogno di alcuni dispositivi I/O reali.
La nostra configurazione hardware è il nuovo kit di avviamento del reparto formazione di Beckhoff USA, disponibile per l'acquisto negli Stati Uniti. Questo kit include l'IPC compatto C6015 con una serie di moduli I/O interfacciati con un accoppiatore EtherCAT EK1100. Nello specifico, i moduli sono costituiti da 2 ingressi digitali, 2 uscite digitali, 1 ingresso analogico e 1 uscita analogica. Il kit comprende 6 pulsanti, 6 LED (all'interno dei pulsanti illuminati), 1 potenziometro e 1 indicatore della tensione sul pannello.
Figura 1. Il nuovo kit di avviamento IPC di Beckhoff
Se non disponi del kit, nessun problema: questo tutorial può essere realizzato con qualsiasi combinazione di I/O digitali, poiché l’IPC è il principale elemento di controllo del progetto. Il nostro programma di esempio includerà semplici operazioni di lettura e scrittura di dispositivi digitali, preparando il terreno per gli I/O analogici e per funzioni più avanzate.
Passaggio 1: collegamento e alimentazione dell’IPC
Il primo passaggio consiste nel collegare i dispositivi di campo ai terminali I/O e fornire alimentazione al bus coupler. L’alimentazione è collegata anche all’IPC e un cavo di rete collega la porta LAN1 (X102) dell’IPC alla porta LAN1 IN (X1) del bus coupler.
Sebbene la CPU sia isolata dai moduli I/O fisici, possiamo immaginare questo cavo come il backplane di un tipico chassis PLC con I/O locali. La porta consente di eseguire la scansione e rilevare automaticamente tutti i moduli I/O collegati al bus coupler, come se fossero moduli inseriti in uno chassis insieme alla CPU. In questo modo possiamo raggiungere e rilevare più armadi I/O remoti con un’unica scansione; non è necessario rilevarli e aggiungerli singolarmente.
Collega la tastiera e il mouse alle porte USB e il monitor alla DisplayPort. Infine, accendi l’IPC e i moduli I/O.
Passaggio 2: accesso a TwinCAT XAE (IDE di engineering)
Al primo avvio, l’ambiente Windows guiderà l’utente attraverso la normale configurazione del PC, richiedendo un nome utente, una password e le credenziali di rete (se il Wi-Fi è abilitato o è installato un dongle USB).
Nella maggior parte delle forniture, il software richiesto è preinstallato sull’IPC. In caso contrario, il passaggio successivo consiste nel scaricare e installare TwinCAT Package Manager, quindi scaricare e installare correttamente TwinCAT XAE (l’ambiente di programmazione) e XAR (il runtime necessario al funzionamento del PLC). Esistono diverse build di TwinCAT 3; queste istruzioni si riferiscono alla build 4026. Per una build precedente, è consigliabile contattare Beckhoff per assistenza sul metodo di installazione corretto.
Figura 2. Accesso a TwinCAT XAE
Una volta installato, TwinCAT XAE Shell può essere aperto dal menu nell’angolo inferiore destro del desktop.
Passaggio 3: aggiunta dell’I/O a un nuovo progetto
Avvia un nuovo progetto nel modo consueto: File -> New -> Project oppure fai clic sull’icona nell’angolo superiore sinistro. Assegna un nome e un percorso del file conformi agli standard operativi adottati.
Prima di scrivere il programma, dobbiamo innanzitutto definire l’hardware. Apri il menu I/O nell’albero del progetto nella barra laterale sinistra, fai clic con il pulsante destro del mouse su «Devices» ed esegui la scansione.
Figura 3. Scansione del sistema I/O alla ricerca dei moduli
La finestra di dialogo richiederà di selezionare la porta di rete a cui sono collegati gli I/O; puoi semplicemente lasciare selezionate entrambe le opzioni.
Al termine della scansione, tutti i moduli I/O compariranno sotto "Device 1" -> "Term 1". Il mio adattatore di rete è l’EK1100 ed è indicato con questo nome.
Figura 4. Visualizzazione della configurazione del modulo I/O
A questo punto possiamo scegliere di testare i collegamenti I/O per assicurarci che funzionino correttamente. Se la CPU è in modalità Config (l’icona blu nell’angolo inferiore destro), possiamo attivare l’esecuzione libera con l’interruttore nella barra degli strumenti.
Figura 5. Attivazione/disattivazione dell’esecuzione libera per testare gli I/O
L’esecuzione libera consente di accedere a ciascun canale e visualizzare o scrivere il valore di un punto I/O.
Passaggio 4: progettazione di un programma PLC
Ora possiamo creare un nuovo programma PLC dalla barra laterale sinistra: PLC -> Add New Item.
All’interno di questo nuovo elemento PLC, fai doppio clic sull’attività MAIN nella cartella Program Org Units (POU). Questo nuovo programma (PRG) è, per impostazione predefinita, un programma in testo strutturato, quindi dovremo seguire una sintassi precisa per definire le variabili.
Dichiarazione e collegamento delle variabili
Nella finestra principale di programmazione, il pannello è diviso in due parti. La parte inferiore conterrà il programma PLC effettivo. Nella parte superiore, tra VAR ed END_VAR, dobbiamo aggiungere le variabili per gli ingressi e le uscite con i seguenti comandi.
Figura 6. Il nostro elenco iniziale di variabili, con una per ciascun elemento: I/O digitali e I/O analogici
Ingressi booleani (pulsanti, sensori, ecc.):
Your_DigInput_Name AT %I* BOOL
Uscite booleane (valvole, contattori, ecc.):
Your_DigOutput_Name AT %Q* BOOL
Ingressi analogici (sensori, potenziometri, ecc.):
Your_AnlgInput_Name AT %I* INT
Uscite analogiche (controllo della velocità, misuratore sul pannello, ecc.):
Your_AnlgOutput_Name AT %Q* INT
Una volta dichiarate le variabili, dobbiamo eseguire "Build Solution" dal menu Build in alto (in questa finestra di dialogo, lascia selezionata l’opzione Autostart PLC Boot Project). Questa operazione crea le variabili nella barra laterale sinistra. Ora queste variabili possono essere "Linked" ai moduli I/O effettivi.
Fai clic con il pulsante destro del mouse sul canale "Input" o "Value" di ciascun terminale, quindi su "Change Link" e seleziona la variabile corretta dall’elenco (assicurati di scegliere l’I/O e il tipo di dati corretti). Quando il collegamento è stabilito, comparirà una piccola icona a forma di freccia.
Figura 7. Creazione del collegamento tra i terminali I/O e la variabile del programma
Dopo aver completato tutti i collegamenti, seleziona "Activate Configuration" dalla barra degli strumenti. Nella finestra di dialogo della configurazione, seleziona "Autostart PLC Boot project" per eseguire il progetto PLC.
Figura 8. Attivazione della configurazione dopo il collegamento di tutte le variabili
Scrivere il programma PLC
Per un progetto introduttivo di base, sarà sufficiente verificare che un'azione sull'ingresso produca un risultato sull'uscita, quindi manterremo le cose semplici. In questo programma, la pressione di un pulsante farà accendere una spia; i due dispositivi sono collegati a moduli separati. Se il programma viene eseguito come previsto, potremo imparare comandi più avanzati.
In questo ambiente di testo strutturato, dobbiamo indicare al terminale di uscita che deve essere uguale allo stato dell'ingresso; se l'ingresso è ON, anche la spia deve essere ON.
Your_DigOutput_Name := Your_DigInput_Name;
Figura 9. Il semplice programma "hello world" per attivare un'uscita digitale
Se le variabili e i collegamenti non vengono modificati e sono stati aggiornati solo i programmi, premi l'icona verde con la freccia "Login" e, quando richiesto, seleziona "Login with Online Change", che aggiornerà il codice in esecuzione affinché rifletta quello presente in TwinCAT. Se il PLC non è ancora in esecuzione (come mostrato nella Figura 8), lo stato di esecuzione può essere modificato portando la freccia verde o il quadrato rosso su Run o Stop per avviare o arrestare l'esecuzione della logica.
Figura 10. Finestra di dialogo di accesso per scaricare le modifiche al nuovo programma e monitorare le variabili
Durante l'accesso, vengono mostrati i valori delle variabili e ogni riga di codice può essere visualizzata con uno stato in tempo reale per facilitare la risoluzione dei problemi. Se devi tornare al codice e continuare a modificarlo, premi il pulsante con la freccia rossa "Logout".
Figura 11. Vista live: il pulsante non è premuto (falso) in alto, il pulsante è premuto (vero) in basso
Passaggio 5: passaggio ai segnali analogici
Congratulazioni per il tuo primissimo programma Beckhoff IPC! Consulta il nostro articolo di approfondimento sulla realizzazione in testo strutturato di dispositivi I/O analogici e funzioni avanzate. La serie continua con timer, contatori e altri comandi comuni dei PLC.
Tutte le immagini utilizzate sono per gentile concessione dell'autore