Progettazione di quadri PLC: la guida tecnica completa, dai requisiti all'accensione

Ogni macchina che si ferma inaspettatamente ha una causa principale in comune con la maggior parte delle altre. La pressa si ferma a metà ciclo, la linea di confezionamento si arresta alle 2 del mattino e, alla base di entrambi i guasti, c’è una decisione presa mesi prima a una scrivania, in uno schema o in una distinta base. È nella progettazione del pannello PLC che si decide effettivamente l’affidabilità della macchina, molto prima che venga tagliato il primo cavo.

Questa guida illustra l'intero processo di progettazione di un quadro di controllo PLC: dai requisiti da definire prima ancora di utilizzare il CAD, passando per la disposizione, la selezione dei componenti, il cablaggio e la messa a terra, fino ai test necessari per autorizzare l'accensione del quadro. Due argomenti che la maggior parte delle guide tralascia sono trattati in sezioni dedicate: la protezione contro le sovratensioni all'interno dell'armadio e la scelta tra produzione interna ed esternalizzazione che ogni OEM deve affrontare.

Innanzitutto, definire quali siano i compiti della commissione

Un quadro PLC costituisce la sede fisica del sistema di controllo: il PLC stesso, gli I/O digitali e analogici, un alimentatore a 24 V CC, gli interruttori automatici, i relè, le morsettiere, un’interfaccia uomo-macchina (HMI) e lo switch di rete che collega il tutto. La progettazione non parte da uno schema, ma da un elenco di domande a cui lo schema deve rispondere.

Saltare questo passaggio è l'errore più costoso nella progettazione dei pannelli. Ogni lacuna nell'elenco dei requisiti si traduce in una richiesta di modifica dopo che l'involucro è stato forato.

Il risultato finale di questa fase è un pacchetto di disegni: schema, distinta base, layout fisico e tabella degli I/O. È quel pacchetto, non l’involucro, a costituire il progetto. Tutto ciò che segue questa sezione riguarda la sua corretta realizzazione.

Disposizione dei pannelli: suddivisione in zone, spaziatura e lo spazio che nessuno prevede

All'interno di un pannello esistono solo tre logiche di raggruppamento: in base alla tensione, al calore e alla funzione. Qualsiasi posizionamento di un componente che non possa essere giustificato in base a una di queste regole rappresenta un potenziale problema da risolvere in futuro. Applica lo stesso criterio di valutazione a ogni decisione di layout riportata di seguito.

Suddivisione in zone del backplane: CA, CC e calore

Separare le sezioni CA e CC del backplane, e i relativi percorsi di messa a terra, su lati opposti. Il motivo non è di natura estetica. Questa soluzione riduce le interferenze elettromagnetiche tra i circuiti di alimentazione e quelli di segnale e determina chi può aprire la porta in sicurezza: un tecnico che lavora all’interno di un armadio sotto tensione a 480 V necessita di DPI contro gli archi elettrici, mentre una sezione alimentata esclusivamente a 24 V CC può essere sottoposta a manutenzione senza indossare indumenti protettivi. I costruttori di quadri elettrici su forum come PLCTalk raccomandano costantemente di suddividere le zone di tensione in armadi separati proprio per questo motivo: in questo modo, il personale addetto alla manutenzione dell’impianto può accedere al PLC senza bisogno di dispositivi di protezione contro gli archi elettrici.

Anche la disposizione termica segue la stessa logica. I componenti che generano più calore e lo tollerano meglio (alimentatori, convertitori di frequenza, resistenze di frenatura) vengono posizionati in alto o vicino al percorso di ventilazione, in modo che il calore da essi generato si allontani dai componenti elettronici progettati per temperature inferiori. Ecco perché alla vecchia discussione sul posizionamento dei convertitori di frequenza “in alto o in basso” c’è una risposta pratica: la temperatura ambiente di esercizio di un convertitore di frequenza è spesso di 40 °C, mentre i componenti elettronici circostanti tollerano temperature comprese tra 70 e 80 °C; di conseguenza, il convertitore di frequenza si protegge da solo riducendo la potenza erogata, mentre i componenti situati al di sopra di esso non lo fanno. Laddove la temperatura dell’armadio possa superare i 40 °C, il raffreddamento attivo non è più facoltativo. Inoltre, tra qualsiasi dispositivo e il canalina per cavi, mantenere una distanza minima di 25 mm. È proprio questo spazio che permette a chi viene dopo di identificare i cavi.

Uscita 25–50%: spazio libero e accesso ai servizi

I progettisti esperti considerano lo spazio libero come una scelta lungimirante, non come un ripensamento: 20–25% di area libera per i quadri specifici delle macchine e fino a 40–50% sui quadri dell’impianto destinati a durare 30 anni. La resistenza da parte dei responsabili di progetto è prevedibile; la risposta è una questione di aritmetica. I componenti di ricambio sono raramente più piccoli di quelli che sostituiscono, i canaline per cavi trasportano abitualmente il doppio del numero originale di cavi e ogni espansione richiede nuovi terminali.

La regola pratica derivata dall'esperienza sul campo: se non sei sicuro che l'armadio sia abbastanza grande, significa che non lo è. E la regola per l'accessibilità: i componenti che richiedono interventi di manutenzione frequenti (interruttori, relè di interfaccia, collegamenti HMI) vanno posizionati in modo che un tecnico possa raggiungerli senza dover rimuovere nient'altro.

Selezione dei componenti: la distinta base è il contratto di progettazione

Ogni riga della distinta base rappresenta una promessa: chi ha prodotto quel componente, quale certificazione lo attesta e chi se ne assume la responsabilità in caso di guasto. Prima di selezionare qualsiasi componente, ponetevi tre domande su ogni componente candidato: la certificazione esiste e il lotto di produzione corrisponde effettivamente al campione certificato? Se quel componente si guasta un venerdì sera, è possibile avere un ricambio in loco entro pochi giorni? Una distinta base che non è in grado di rispondere a queste domande è solo una bozza, non un progetto.

Percorso di alimentazione: scollegamento, interruttori automatici e margine di alimentazione 25–30%

Di norma, l'interruttore generale e l'interruttore di ingresso vengono posizionati in alto a destra del quadro, da cui parte la distribuzione. Per dimensionare l'alimentatore a 24 V CC, sommare tutti i carichi e aggiungere un margine di 25–30%. Un sistema con un assorbimento di 3 A richiede un alimentatore da almeno 4 A (Eabel, 2025). Il margine garantisce certezza: un’alimentazione sovraccarica non si interrompe in modo netto, ma subisce un calo di tensione, e un calo di tensione provoca il riavvio casuale dei PLC e la generazione di segnali di disturbo.

Proteggere singolarmente ogni derivazione di uscita e tenere presente che la capacità di sopportare la corrente di cortocircuito (SCCR) dell’intero quadro è una caratteristica del sistema. La combinazione di interruttori deve essere in grado di sopportare la corrente di guasto disponibile ai terminali di ingresso, che è esattamente l’elemento verificato durante le ispezioni secondo la norma UL 508A (AutomationDirect tramite la rivista Processing, 2022). Un altro requisito imprescindibile: l'arresto di emergenza è collegato direttamente al circuito elettrico per interrompere l'alimentazione dei circuiti di uscita. Non dipende mai dalla logica del PLC.

PLC, I/O e relè: cosa c'è tra il campo e la logica

Scegliete il PLC in base a tre fattori: numero di I/O, carico di elaborazione e protocolli di comunicazione effettivamente utilizzati dall'impianto. Progettate quindi il livello di interfaccia pensando alla manutenzione, non solo alla funzionalità. Preferite le schede di uscita digitali collegate a relè di interfaccia compatti rispetto alle schede di uscita a relè: quando un relè si usura – e i relè si usurano sempre – la riparazione consiste nella sostituzione di un singolo modulo, non dell’intera scheda di uscita più il download del programma.

Per gli ingressi digitali, le morsettiere a tre livelli raccolgono in un unico punto il cavo del sensore, il +24 V e lo 0 V. Gli installatori ne apprezzano silenziosamente i vantaggi per anni dopo la realizzazione dell’impianto: è presente un terminale di alimentazione protetto da fusibile proprio dove serve al sensore, invece di un unico terminale +24 V condiviso che dovrebbe ricevere sedici cavi di campo. Assicuratevi che la convenzione PNP/NPN (sourcing/sinking) tra gli ingressi del PLC e i sensori sia la stessa e tenete presente anche in questo caso la regola della schermatura: i cavi di segnale schermati devono essere messi a terra solo sul lato del PLC, mai su entrambi.

Protezione contro le sovratensioni: il componente che la maggior parte dei pannelli trascura

L'alimentazione in ingresso di un quadro PLC costituisce una via diretta attraverso cui le sovratensioni transitorie, causate da fulmini e da operazioni di commutazione sulla stessa rete, raggiungono l'alimentatore e gli I/O del PLC. Un dispositivo di protezione contro le sovratensioni (SPD) è uno dei pochi componenti presenti nell’armadio progettato per sacrificarsi: limita la sovratensione, ne assorbe l’energia e si guasta per proteggere il PLC.

Per l'alimentazione di un quadro elettrico, ciò significa un dispositivo di protezione contro le sovratensioni (SPD) di tipo 2, testato con la forma d'onda 8/20 μs, installato direttamente a valle dell'interruttore generale. Più è vicino ai terminali di ingresso, meglio è. Ai sensi della norma IEC/EN 61643-11 (IEC, 2025), i valori di nominali che gli ingegneri di qualificazione specificano di norma sono: 20 kA di corrente nominale e 40 kA di corrente massima di scarica (Imax), a 275 V per le reti standard IEC; I dispositivi di Tipo 1, testati con la forma d’onda molto più severa da 10/350 μs, devono essere installati all’ingresso di servizio dell’edificio, non all’interno di ogni quadro elettrico.

Due criteri fondamentali distinguono un SPD che protegge da uno che provoca un incendio. Innanzitutto, il cuore del dispositivo, il varistore a ossido metallico (MOV), deve mantenere i propri parametri in presenza di impulsi ripetuti da 8/20 μs. I MOV economici subiscono una deriva già dopo poche sollecitazioni: la tensione residua aumenta e la corrente di dispersione cresce fino a quando il dispositivo, in modo impercettibile, si trasforma in un carico. I dati di prova che si desiderano ottenere mostrano lo stesso comportamento dopo la decima sovratensione e dopo la prima. In secondo luogo, quando un SPD raggiunge la fine della sua vita utile, il suo sezionatore deve separare in modo netto ed estinguere l’arco. Un sezionatore che lascia un filamento fuso di stagno a colmare lo spazio non effettua la disconnessione. Continua a condurre, si surriscalda e trasforma il dispositivo di protezione in una fonte di accensione all’interno dell’armadio. Questa è la differenza tra “l’SPD si è sacrificato e il pannello è sopravvissuto” e “l’intero armadio è andato a fuoco”.”

Mantenere corti i cavi SPD, utilizzare la protezione di derivazione raccomandata dal produttore e ricordare che il percorso di scarica del dispositivo termina nel sistema di messa a terra descritto di seguito.

Cablaggio e messa a terra che durano più a lungo della costruzione stessa

La qualità del cablaggio non determina se il quadro funzioni oggi, ma se qualcuno sarà in grado di ripararlo alle 2 del mattino tra cinque anni. Il criterio di verifica per ogni cavo è: è possibile identificarlo, individuarlo e sostituirlo senza doverlo seguire lungo tutto il percorso all’interno dell’armadio?

Posa dei cavi: canaline, angolari e distanze di separazione

Posare i cavi solo in orizzontale e in verticale. Le posature diagonali fanno la differenza tra tracciare un circuito in pochi minuti o in ore. Tenere separati i cavi di alimentazione e quelli di segnale e, quando devono incrociarsi, farli incrociarsi a 90 gradi; i circuiti CAN bus, Profinet e analogici sono quelli che presentano malfunzionamenti quando questa regola viene ignorata (Simcona, 2023). Scegliete condotti di dimensioni adeguate: l’esperienza sul campo suggerisce di non utilizzare condotti inferiori a 2″×2″, poiché nel corso della vita utile del quadro i condotti trasportano all’incirca il doppio del numero iniziale di cavi.

Etichettare ogni cavo all’estremità in base al terminale a cui è collegato; i cavi I/O del PLC ricevono la sintassi dell’indirizzo dal programma. Utilizzare cavi a treccia con puntali a crimpare su ogni collegamento terminale: i puntali impediscono l’ossidazione dei fili e i guasti dovuti alle vibrazioni. Lasciare un po’ di gioco nei punti di ingresso e di uscita, nascondendolo all’interno del condotto, senza avvolgerlo davanti ai dispositivi.

Messa a terra: un punto, una barra collettrice, zero anelli

Installare una barra collettrice dedicata alla messa a terra e collegarvi tutti i conduttori di terra, seguendo il percorso più breve possibile. I circuiti di terra (percorsi multipli dal dispositivo alla terra) sono la causa nascosta più comune delle variazioni delle letture analogiche, poiché le correnti di loop alterano i riferimenti del segnale. La messa a terra in un unico punto pone fine alla maggior parte di queste indagini prima ancora che abbiano inizio.

I cavi di segnale schermati devono essere collegati a terra solo a un'estremità, sul lato del PLC. Inoltre, l'involucro stesso deve essere collegato a terra: l'involucro metallico dell'armadio funge da barriera di sicurezza e, cosa altrettanto importante, da percorso di scarica a bassa impedenza per eventuali sovratensioni deviate dall'SPD. Un SPD di tipo 2 privo di una messa a terra solida tramite pannello è come una valvola con l'uscita saldata e chiusa.

Gli standard a cui il vostro comitato deve attenersi

Le norme non rappresentano una minaccia; sono piuttosto una guida su ciò che gli ispettori verificheranno. È importante sapere quale norma disciplina il proprio mercato prima ancora di realizzare il primo disegno, poiché da essa deriva il livello di dettaglio richiesto per la progettazione.

Lo stesso armadio destinato agli Stati Uniti e all’Europa deve soddisfare due diversi percorsi burocratici: da un lato l’ispezione UL 508A, dall’altro la documentazione CE e EMC. È proprio nel pacchetto di disegni che entrambi i requisiti vengono soddisfatti, ed è per questo che conviene progettare fin dall’inizio in base alle norme del mercato più rigoroso.

Verificare prima di accendere l'apparecchio

L'accensione è l'ultimo passaggio, non il primo. L'ora dedicata alla lista di controllo riportata di seguito consente di evitare sistematicamente una settimana di ricerca dei guasti in seguito.

Registrare ogni risultato, insieme alla versione del programma PLC e alle impostazioni di rete. Quel file costituisce il punto di partenza per ogni futura riparazione. Per i progetti dei clienti, questa fase si conclude con il collaudo di accettazione in fabbrica (FAT), durante il quale il quadro dimostra la propria conformità all’elenco dei requisiti riportato nella prima sezione.

Sviluppare internamente o affidarsi a terzi: la decisione di cui nessuno parla

Cercate “progettazione di quadri PLC” e troverete una dozzina di guide sul layout e sul cablaggio. Non ne troverete però nessuna che tratti la questione se la vostra azienda debba o meno occuparsi della realizzazione del quadro. Eppure, per gli OEM e gli integratori, questa decisione viene presa prima ancora di considerare qualsiasi altro aspetto sopra menzionato.

Il punto non è se si è in grado di costruirlo; un elettricista sa cablare un quadro elettrico. Il punto è la ripetibilità, il controllo qualità e chi si fa carico delle rilavorazioni. Per la realizzazione di macchine in esemplare unico, l’assemblaggio interno garantisce controllo e rapidità di iterazione. Per la produzione in serie ripetibile, l’uniformità del cablaggio e la produttività di un’officina specializzata nella realizzazione di quadri elettrici di solito prevalgono, a costo che la qualità della vostra documentazione diventi la loro qualità di costruzione.

Due elementi di controllo garantiscono la sicurezza dell’esternalizzazione. Innanzitutto, il pacchetto di disegni che si consegna deve essere completo fino al livello dei cavi e dei terminali: ogni cavo deve essere numerato, ogni componente posizionato. Un’azienda specializzata nella realizzazione di quadri elettrici costruisce esattamente ciò che indicano i disegni; qualsiasi vaghezza viene interpretata nel modo più economico possibile. In secondo luogo, specificate nel contratto marche e modelli precisi per i componenti critici (dispositivi di protezione, PLC, alimentatori), oppure forniteli voi stessi. La modalità di guasto è ben documentata in questo settore: campioni di certificazione che non corrispondono ai lotti di produzione, perché l’azienda ha trovato un sostituto più economico. La clausola non costa nulla ed elimina l’unica sostituzione che può far bruciare un armadio un anno dopo.

Cosa significa davvero il design dei pannelli per chi li fornisce

L’affidabilità di una distinta base (BOM) bloccata dipende interamente dalla catena di approvvigionamento che sta dietro a ciascuna voce. Il pannello viene consegnato una sola volta; poi, per i successivi trent’anni, ogni interruzione di corrente, ogni stagione dei fulmini e ogni pezzo di ricambio mettono alla prova la promessa fatta da ciascun numero di modello presente in quella BOM. Questo è il secondo livello di progettazione, e deriva direttamente dalle linee rosse sopra indicate.

Ogni regola di progettazione riportata in questo articolo è valida solo a due condizioni: che le certificazioni dei componenti siano autentiche, ovvero che il lotto di produzione corrisponda al campione certificato, e che la clausola di sostituzione di cui all’ultima sezione non sia stata silenziosamente aggirata. Inoltre, i dispositivi di protezione devono effettivamente mantenere la promessa di sacrificarsi: il MOV dell’SPD non subisce derive dopo dieci picchi di tensione, il suo sezionatore si disinnesta in modo netto e la relativa garanzia ha una durata superiore a quella della macchina. Entrambe le condizioni riguardano la catena di fornitura, non le caratteristiche del progetto.

Da questo punto di vista, il settore dei quadri elettrici è un mix di lavori su progetto e ordini ricorrenti: le aziende produttrici di quadri e gli OEM di macchinari realizzano da decine a centinaia di quadri per ogni progetto, acquistando i componenti in lotti di media dimensione sulla base di una distinta base approvata. Gli acquirenti sono gli ingegneri che selezionano i componenti e i team di acquisto che li ordinano; l’ostacolo che devono superare è l’approvazione dei disegni e la certificazione, UL 508A in Nord America e CE in Europa. E quando un componente si guasta sul campo, il costo ricade sull’ingegnere che lo ha specificato e sul responsabile del progetto che ne ha approvato l’utilizzo. Ecco perché ogni fornitore serio di componenti in questo settore compete innanzitutto sulla tracciabilità e solo in secondo luogo sul prezzo.

Per i fornitori, ciò si traduce in obblighi concreti. Presentate preventivi basati sulla distinta base (BOM) con schede tecniche e file di certificazione, non solo prezzi. Offrite certificati secondari nell’ambito delle vostre certificazioni principali, in modo da accelerare l’approvazione dei pannelli da parte dell’OEM. Mantenete scorte di componenti fondamentali sufficienti a garantire che la consegna entro 10–15 giorni sia una promessa che potete mantenere. Garantite i prodotti con una garanzia di cinque anni e una risposta in giornata, in modo che la questione “chi paga quando il prodotto smette di funzionare” venga eliminata dal registro dei rischi del progetto. E accettate ordini di campioni senza quantità minime, perché la prototipazione è il punto di partenza di ogni progetto di pannelli.

Questo è il profilo che vale la pena cercare e che vale la pena verificare in dieci minuti. I produttori con certificazione completa TÜV, CB e CE, certificato secondo la norma IEC/EN 61643-11, e la possibilità di rilasciare certificati secondari che accelerano l’approvazione dei quadri elettrici da parte dei clienti. LSP, un produttore di dispositivi di protezione contro le sovratensioni che rifornisce i costruttori di quadri elettrici e gli OEM di macchinari dal 2010, pubblica i propri file di certificazione e la propria gamma di Dispositivi di protezione contro le sovratensioni CA per le alimentazioni dei quadri elettrici online, il che trasforma la verifica di cui sopra da una conversazione via e-mail della durata di due settimane in una lettura da un pomeriggio.

Bibliografia

1. IEC. “IEC 61643-11:2025 — Dispositivi di protezione contro le sovratensioni collegati a reti elettriche a bassa tensione in corrente alternata.” 2025. https://webstore.iec.ch/en/publication/65314
2. UL Solutions. “UL 508A, terza edizione: sintesi dei requisiti — Norma per i quadri di comando industriali”.” https://www.ul.com/resources/ul-508a-third-edition-summary-requirements
3. NFPA. “NFPA 79 — Norma elettrica per i macchinari industriali”. 2024. https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-79-standard-development/79
4. Eabel. “Progettazione di quadri PLC: sicurezza, disposizione e migliori pratiche.” 2025. https://www.eabel.com/plc-panel-design-safety-layout-best-practices/
5. Simcona. “9 consigli per la progettazione del layout dei quadri di comando: sicurezza e prestazioni.” 2023. https://simcona.com/blog/control-panel-layout-design
6. AutomationDirect (tramite Processing Magazine). “Nozioni di base sulla progettazione dei pannelli di controllo di processo”. 2022. https://www.processingmagazine.com/process-control-automation/control-panels-enclosures/article/21272400/process-control-panel-design-basics
7. Professionisti di PLCTalk.net. “Standard per i quadri PLC” (2021) e “Realizzazione di quadri di controllo” (2019). https://www.plctalk.net/forums/threads/plc-panel-standards.128284/ ; https://www.plctalk.net/forums/threads/control-panel-building.119684/
8. LSP. “Certificati.” https://lsp.global/certificates/
9. LSP. “Dispositivi di protezione contro le sovratensioni CA”.” https://lsp.global/ac-surge-protector/
10. LSP. “Home — Protezione da fulmini e sovratensioni.” https://lsp.global/