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I segnali elettrici a 24V cc sono da decenni lo standard per i circuiti di controllo industriali comprendenti PLC, sensori, contatti ed attuatori. Lo specifico valore di 24Vdc è emerso come standard de facto a partire dagli anni 50, a scapito di altri livelli di tensione come 115Vac e 24Vac, per una somma di diverse motivazioni tecniche che andiamo ad elencare, ed anche per l’uso di tale tensione su apparecchiature e mezzi aero-navali militari.

Motivazioni Tecniche

Immunità ai disturbi: i segnali a 24 V dc sono relativamente immuni ai disturbi elettrici e alle interferenze che si verificano comunemente negli ambienti industriali dove sono presenti motori elettrici e commutazione di carichi elettrici che generano interferenze elettriche . Ciò rende i segnali più stabili e affidabili, ad esempio rispetto ai segnali 5V, migliorando l’affidabilità del sistema di controllo.

Sicurezza: 24 VDC è un livello di tensione sicuro. Fornisce una tensione sufficiente per alimentare sensori, attuatori e altri dispositivi senza comportare rischi elettrici per l’uomo. Tensioni più elevate potrebbero essere pericolose in caso di contatto accidentale.

Economicità: I componenti (BJT all’inizio) necessari per ingressi ed uscite digitali a 24V dc erano più convenienti rispetto a quelli necessari per altri livelli di tensione.

Bassa “impronta” energetica: Il funzionamento a 24V c.c. permette di eccitare un relè di potenza con bobina a 24V con pochi mA. Ciò permette di usare cavi di segnale di diametro ridotto e di poter piazzare il relè a distanza dal controllore, Risparmiando così sul costo del cavo ed avendo poche perdite di tensione e potenza sui circuiti di comando.

In sintesi l’uso della tensione 24V CC per i circuiti di controllo industriali offriva ed offre il miglior compromesso tra sicurezza elettrica, immunità ai disturbi, costo, compatibilità ed è diventata lo standard de facto per i circuiti di controllo industriali comprendenti PLC, sensori, contatti ed attuatori.

Da standard di fatto (market-driven standard) a norma

Per avere dei riferimenti più stabili e precisi la maggiore organizzazione mondiale nel campo elettrotecnico/elettronico ha normato molti ambiti delle applicazioni PLC e controllori industriali con la norma IEC 61131 del 1993. In particolare la seconda parte di questa norma, la IEC 61131-2, specifica requisiti fisici sugli ingressi ed uscite dei controllori programmabili; vengono definiti i livelli e le soglie per gli ingressi e le uscite digitali, si veda ad esempio le uscite del controllore OEM BB536.

La trasmissione dei segnali analogici per il controllo di processo ha uno standard de-facto nel 4..20mA Current Loop. Questo tipo di segnale risale agli anni 50 ed è ancora molto usato nonostante la moltitudine di fieldbus digitali alternativi per i suoi vantaggi intrinseci ed il basso costo:

1) La lunghezza del cablaggio non conta

L’opportunità di avere un segnale trasmesso in corrente invece che in tensione in tutti i casi in cui non sia nota a priori la lunghezza del cablaggio è nota. La corrente in una maglia unica è la stessa in tutti i punti del circuito qualunque sia la lunghezza del cablaggio, ciò non è più vero per le tensioni.Ogni conduttore reale presenta una resistenza per unità di lunghezza. Più lungo è il cavo, maggiore è la resistenza. Corrente*Resistenza=caduta di tensione (perdita) sul cablaggio.Così, se una sorgente di segnale può essere 10V o 20mA ad esempio, le perdite sul cablaggio comporteranno una tensione inferiore misurata all’ingresso del ricevitore mentre la corrente rimarrà invariata al 100%, quindi 20mA.Una configurazione molto comune è quella di avere la sorgente di controllo della corrente (0-100% segnale diventa 4-20mA), che si chiude su una resistenza da 250ohm al ricevitore, il risultato interno all’elettronica del ricevitore è un comodo ed affidabile segnale da 1-5V su cui operare.

2) Con un cablaggio a due fili posso trasmettere sia l’alimentazione che i dati del sensore.

3) Una linea di segnale analogica in corrente è maggiormente immune di un segnale in tensione.

Un sensore ha anche una bassa potenza, il suo segnale analogico 0..10V di uscita “port” poca corrente, quindi richiede una resistenza di ingresso del ricevitore piuttosto elevata (ordine anche dei Mega Ohm). Rumori e disturbi EMI inducono correnti non volute. Se queste correnti indotte, per quanto basse, finiscono su una resistenza elevata il disturbo risultante sarà molto più elevato dell’effetto in un circuito con segnale in corrente dove le tensioni sono tipicamente delle centinaia di Ohm.

4) Il segnale fuori norma può essere interpretato come allarme.

Se il ricevitore rileva 0mA significa che il cablaggio con il sensore è interrotto.È anche possibile programmare il sensore in modo da regolare la corrente d’anello su livelli fuori intervallo in caso di guasto. Ad esempio 3,5 e 23 mA. In questo modo, il current loop può notificare al sistema l’errore del sensore.

Ci sono diverse possibili configurazioni circuitali per il current loop, quella che riunisce tutti i vantaggi descritti e che è la più usata è illustrata nella figura seguente:

Il blocco a destra nelle figura è tradizionalmente incluso nel modulo di ingresso analogico di un PLC. Con i moderni sistemi di automazione lo stesso blocco può essere accessibile da remoto via Internet. Si veda ad esempio il Web-IO Analogico 57761.