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LARERLARER
Sottoprogetto 1Sottoprogetto 1
Sistemi di elaborazioneSistemi di elaborazioneper la supervisione ed il controllo per la supervisione ed il controllo
di macchine automatichedi macchine automatiche
Prof.Prof. Eugenio FaldellaEugenio FaldellaDEIS, FacoltDEIS, Facoltàà di Ingegneria, Universitdi Ingegneria, Universitàà di Bolognadi Bologna
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Sottoprogetto 1: partecipantiSottoprogetto 1: partecipanti
DEIS, UniversitDEIS, Universitàà di Bolognadi Bologna
DII, UniversitDII, Universitàà di Modena e Reggio Emilia (sede di MO)di Modena e Reggio Emilia (sede di MO)
DISMI, UniversitDISMI, Universitàà di Modena e Reggio Emilia (sede di RE)di Modena e Reggio Emilia (sede di RE)
DII, UniversitDII, Universitàà di Parmadi Parma
ARCA Tecnologie s.r.l.ARCA Tecnologie s.r.l.
IMA IMA -- Industrie Macchine Automatiche, BolognaIndustrie Macchine Automatiche, Bologna
SACMI, ImolaSACMI, Imola
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Sottoprogetto 1: rilevanza ed attualitSottoprogetto 1: rilevanza ed attualitàà
ÈÈ indubbio che indubbio che il il ““successosuccesso”” di una macchina automaticadi una macchina automatica, , dal punto di vista sia funzionale che prestazionale,dal punto di vista sia funzionale che prestazionale,
discende primariamente dalle scelte operatediscende primariamente dalle scelte operatein sede di progettazione della sua in sede di progettazione della sua struttura meccanicastruttura meccanica..
Tuttavia, dagli stessi punti di vista,Tuttavia, dagli stessi punti di vista,senzsenz’’altro fondamentale altro fondamentale èè anche il ruolo svolto dalanche il ruolo svolto dalsistema di supervisione e controllosistema di supervisione e controllo della macchina,della macchina,
essendo sempre piessendo sempre piùù ampio e rilevanteampio e rilevantelo lo spettro dei compitispettro dei compiti ad esso affidati.ad esso affidati.
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Il ruolo del sistema di supervisione eIl ruolo del sistema di supervisione econtrollo di macchine automatiche controllo di macchine automatiche ……
automazione dei cicli di lavorazioneautomazione dei cicli di lavorazionepieno sfruttamento delle potenzialitpieno sfruttamento delle potenzialitàà operative della macchinaoperative della macchina
massimizzazione dei ritmi produttivimassimizzazione dei ritmi produttivi
utilizzazione ottimale delle materie primeutilizzazione ottimale delle materie prime
elevata qualitelevata qualitàà del prodotto finitodel prodotto finito
eliminazione di interventi pericolosi o onerosieliminazione di interventi pericolosi o onerosi per lper l’’operatoreoperatore
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…… Il ruolo del sistema di supervisione eIl ruolo del sistema di supervisione econtrollo di macchine automatiche controllo di macchine automatiche ……emulazione del comportamento di tradizionali organiemulazione del comportamento di tradizionali organimeccanici (camme, riduttori, ecc.)meccanici (camme, riduttori, ecc.)
drastica semplificazione costruttiva della macchinadrastica semplificazione costruttiva della macchinasuperiore affidabilitsuperiore affidabilitàà e disponibilite disponibilitààimmediata ripredisposizione della macchina a fronte di mutateimmediata ripredisposizione della macchina a fronte di mutateesigenze produttive (cambio formato)esigenze produttive (cambio formato)
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…… Il ruolo del sistema di supervisione eIl ruolo del sistema di supervisione econtrollo di macchine automatichecontrollo di macchine automatiche
gestione in tempo reale di informazioni di diagnostica e gestione in tempo reale di informazioni di diagnostica e dati di produzionedati di produzione
segnalazione puntuale e tempestiva di guasti e malfunzionamentisegnalazione puntuale e tempestiva di guasti e malfunzionamenti
minimizzazione dei tempi di arresto macchinaminimizzazione dei tempi di arresto macchina
completo supporto alle attivitcompleto supporto alle attivitàà di:di:
conduzione e manutenzione della macchinaconduzione e manutenzione della macchina
gestione delle materie prime e dei prodotti finitigestione delle materie prime e dei prodotti finiti
organizzazione e pianificazione della produzioneorganizzazione e pianificazione della produzione
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Sottoprogetto 1: obiettiviSottoprogetto 1: obiettivi
Sviluppo di architetture HW/SW integrate ed aperteSviluppo di architetture HW/SW integrate ed aperteper la supervisione ed il controllo in tempo realeper la supervisione ed il controllo in tempo reale
di macchine automatiche,di macchine automatiche,
e e verifica sperimentaleverifica sperimentale,,previa valutazione delle prestazioni conseguibiliprevia valutazione delle prestazioni conseguibili
in termini di efficienza, in termini di efficienza, connettivitconnettivitàà ed ed interoperabilitinteroperabilitàà,,della loro efficacia ai fini di una generale applicabilitdella loro efficacia ai fini di una generale applicabilitàà..
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Indagini sperimentali: lIndagini sperimentali: l’’imbarazzo della scelta !imbarazzo della scelta !
INDUSTRIAMACCHINEAUTOMATICHE
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Sottoprogetto 1: principali attivitSottoprogetto 1: principali attivitàà1.1. Sviluppo di infrastrutture per una efficiente e flessibile Sviluppo di infrastrutture per una efficiente e flessibile
interazione uomointerazione uomo--macchina anche da postazioni remote macchina anche da postazioni remote via WEB.via WEB.
2.2. Studio e sperimentazione di sistemi di I/O distribuito Studio e sperimentazione di sistemi di I/O distribuito basati su bus di campo e protocolli di comunicazione basati su bus di campo e protocolli di comunicazione conformi al nuovo paradigma produttoreconformi al nuovo paradigma produttore--consumatore.consumatore.
3.3. Analisi delle funzionalitAnalisi delle funzionalitàà e valutazione delle prestazioni e valutazione delle prestazioni di sistemi operativi realdi sistemi operativi real--time di pubblico dominio (RTAI, time di pubblico dominio (RTAI, RTRT--LinuxLinux, Windows CE, Ecos, , Windows CE, Ecos, ……) e progetto del relativo ) e progetto del relativo supporto a tempo di esecuzione per la metaschedulazione supporto a tempo di esecuzione per la metaschedulazione di processi hard realdi processi hard real--time.time.
4.4. Applicazione di metodologie, modelli, design Applicazione di metodologie, modelli, design patternspatterns e e strumenti innovativi, orientati ad una efficace soluzione strumenti innovativi, orientati ad una efficace soluzione delle problematiche ricorrenti in sede di progettazione delle problematiche ricorrenti in sede di progettazione del software per il controllo di macchine automatiche.del software per il controllo di macchine automatiche.
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Sottoprogetto 1:Sottoprogetto 1:inquadramento delle attivitinquadramento delle attivitàà
alla luce della recente evoluzione tecnologicaalla luce della recente evoluzione tecnologicae delle attuali tendenze di sviluppoe delle attuali tendenze di sviluppo
architetturecentralizzate
1980
architetturedecentralizzate1990
piattaformemultifunzionalie architetturedistribuite
2000
PLC
PLC PLC
HMI
PCPLC
PC
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Architetture centralizzateArchitetture centralizzate
ccablaggi punto a puntoablaggi punto a puntoingombriinstallazionemanutenzione
controllo PLCcontrollo PLC--basedbasedconnettività
☺ semplicitàfunzionalità
soluzioni proprietariesoluzioni proprietariescalabilitàportabilità
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Architetture decentralizzateArchitetture decentralizzate
☺☺ interfaccia uomointerfaccia uomo--macchina evolutamacchina evoluta
Livellosupervisione
(SCADA)
Livello automazione
(PLC)
Livello del campo
☺☺ I/O ad elevata modularitI/O ad elevata modularitààingombri, cablaggi, sicurezza su segnali deboli (analogicingombri, cablaggi, sicurezza su segnali deboli (analogici)i)configurazione, installazione, manutenzione e ricerca guasti configurazione, installazione, manutenzione e ricerca guasti
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PowerfulPowerful & & useruser--friendlyfriendly HMIHMI
dal completo supporto alla dal completo supporto alla ……
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configurazione del processo produttivoconfigurazione del processo produttivoconduzione e manutenzione della macchinaconduzione e manutenzione della macchina
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…… alla interoperabilitalla interoperabilitàà via reti Intranet/Internetvia reti Intranet/Internet
con il sistema di supervisionedi intere linee di produzione,AttivitAttivitàà 11
con l’ufficio tecnico ed il centroinformativo aziendale
dell’utente delle macchinecon il centro di assistenza tecnica
del costruttore delle macchine
““movingmoving data data notnot paperpaper, , nornor peoplepeople””
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Dal cablaggio tradizionale Dal cablaggio tradizionale ……
17
…… aiai bus di campobus di campo
Human Machine Interface
digital I/O encoder
Field Buslocal I/O
PLC
Term
Term
digital andanalog I/O
AttivitAttivitàà 22
18
Il Il mercatomercato deglidegli apparatiapparati““fieldbusfieldbus compatibilicompatibili””
% totale apparati venduti
60
50
40
30
20
10
01993 1995 1997 1999 2001 2003
Fonte:Government Chemist Lab, UK
∼120 milioni di CAN-Controller Chips venduti nel 2000prodotti in ∼70 diverse versioni da 17 distinti fornitori
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La La ““giunglagiungla”” degli standarddegli standard
RETE
Mezzo trasmissivo
Topologia
......
Velocità
Estensione
Numero di stazioni
Metodo di accesso
20
DalDal paradigmaparadigma di di comunicazionecomunicazionesorgente/destinazionesorgente/destinazione ……
src dst data crc
ALLEN-BRADLEY
7 8 9
4 5 6
1 2 3
. 0 -
<-----------------'<--
F1
F6
F2
F7
F3
F8
F4
F9
F5
F10
PanelView 550
< >^
v
One or more masters, multiple slavesOne or more masters, multiple slavesSlaves exchange data with their own master onlySlaves exchange data with their own master onlyInherently oneInherently one--toto--one, limited multicast (if any)one, limited multicast (if any)Polling data exchange method with implicit messaging most often Polling data exchange method with implicit messaging most often usedusedMultiple messages required to deliver the same data to multiple Multiple messages required to deliver the same data to multiple slavesslavesData arrives at different times to different destinations Data arrives at different times to different destinations Pressure on network bandwidthPressure on network bandwidth
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…… al al paradigmaparadigma produttore/consumatoreproduttore/consumatore
identifier data crc
ALLEN-BRADLEY
7 8 9
4 5 6
1 2 3
. 0 -
<-----------------'<--
F1
F6
F2
F7
F3
F8
F4
F9
F5
F10
PanelView 550
< >^
v
Peer-to-peer nodes, with data simultaneously sent to all nodes Nodes can either ignore or consume the received data as requiredEasy synchronization and efficient bandwidth usageOne-to-one, multicast or broadcast connection relationshipsCyclic and change-of-state (COS) data exchange methods with explicit messaging most often usedUsed for alarm/fault signaling and for control purposes when data is common to many/all nodes (e.g., new speed set-point for multiple drives, system reset command)
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Producer/ConsumerProducer/Consumer vs. vs. Source/DestinationSource/Destination
Controller 1
Drive1Sensor
Drive3Drive2
#1#2
Controller 2 ALLEN-BRADLEY
7 8 9
4 5 6
1 2 3
. 0 -
<-----------------'<--
F1
F6
F2
F7
F3
F8
F4
F9
F5
F10
PanelView 550
< >^
v
HMI
Un Un esempioesempio::la la posizioneposizione del del sensoresensore devedeve essere essere segnalatasegnalata a: a: controlloricontrollori 1 & 2, 1 & 2, HMIHMIun setun set--point point devedeve essere essere inviatoinviato dal dal controllorecontrollore 1 a: drives 1 & 2 & 1 a: drives 1 & 2 & 3, HMI3, HMI7 7 messaggimessaggi con il con il paradigmaparadigma sorgente/destinazionesorgente/destinazione2 2 messaggimessaggi con il con il paradigmaparadigma produttore/consumatoreproduttore/consumatore
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Piattaforme multifunzionali integratePiattaforme multifunzionali integrateSistema
PC-embedded
Sistema PLC-based
Struttura modularmente componibile con I/O centralizzato-decentrato Modesta connettività ed interoperabilitàCapacità di operare nel rispetto di vincoli real-time (non eccessivamente) stringenti Elevata affidabilità e disponibilità anche in ambienti ostili
Sistema PC-based
Struttura compatta con I/O decentratoElevata connettività ed interoperabilitàCapacità di elaborazione, archiviazione e visualizzazionedi notevoli quantità di datiAttitudine ad operare in condizioni di esercizio non criticheSistema aperto all’integrazione di nuove tecnologie
Livellosupervisione
Livello controllo
Livello del campo
corredato daun ambiente diprogrammazione
Soft-PLC
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IlIl collegamento tra due mondicollegamento tra due mondi
Funzionalità
Costo
PC Industriale
PLC
Windows NT-XP
Piattaforma Multifunzionale
real-time OS
FlessibilitàApertura
DeterminismoVelocitàRobustezza
SO proprietari
non, genericamente, efficienza o velocitnon, genericamente, efficienza o velocitàà (?),(?),ma predicibilitma predicibilitàà delle prestazionidelle prestazioni
e garanzia del rispetto dei vincoli temporali !e garanzia del rispetto dei vincoli temporali !AttivitAttivitàà 33
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Sviluppo del software per il controllo diSviluppo del software per il controllo dimacchine automatiche: attuale scenariomacchine automatiche: attuale scenario
I progetti di automazione sono sempre più complessi
In uno stesso progetto sono coinvolte più persone o società che spesso utilizzano strumenti differenti
I costi di sviluppo del software continuano a crescere
CostiSoftware
Costi Hardware
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Incidenza relativa dei costi HW e SWIncidenza relativa dei costi HW e SW
1985 1995 20050
50
100
150
200
250
1985 1995 2005
Costi in %
HardwareHardware
SoftwareSoftware
Obiettivo
fonte:SIEMENS
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Gli errori nel ciclo di vita del softwareGli errori nel ciclo di vita del software
La maggior parte degli erroriLa maggior parte degli errorisi verifica nelle fasi disi verifica nelle fasi dianalisi del problemaanalisi del problema
e progettazionee progettazione
60% 40%
Analisi Progettazione Programmazione Test MIS Esercizio
Il costo per la rimozioneIl costo per la rimozionedi tali errori cresce nel tempodi tali errori cresce nel tempo
in modo esponenzialein modo esponenziale
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NecessitNecessitàà di strumenti integratidi strumenti integrati
per tutte le fasi del progetto
analisi del problema e stesura delle specifiche analisi del problema e stesura delle specifiche progettazioneprogettazioneimplementazioneimplementazionecodificacodificacollaudo e messa in serviziocollaudo e messa in serviziomanutenzionemanutenzione
migliorare l’efficienza e ridurre i costi
Stime attendibili Stime attendibili dicono chedicono chein complessi sistemi di automazione si possa conseguire,in complessi sistemi di automazione si possa conseguire,
utilizzando utilizzando metodimetodi e e strumentistrumenti adeguati,adeguati,un un risparmiorisparmio sui costi di sviluppo del software sui costi di sviluppo del software fino al 70%fino al 70%
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LL’’opera di standardizzazioneopera di standardizzazione
IEC 61131: standard internazionale per PLCParte 1: informazioni generaliParte 2: caratteristiche delle apparecchiatureParte 3: linguaggi di programmazioneParte 4: linee guida per l‘utenteParte 5: comunicazione Ladder Diagram (LD)
Function Block Diagram (FBD)Instruction List (IL)Structured Text (ST)Sequential Function Chart (SFC)
Portabilitàdel software
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““Descrivere, non programmareDescrivere, non programmare””
definizione delle esatte modalitdefinizione delle esatte modalitàà(interfacce e protocolli) secondo cui le (interfacce e protocolli) secondo cui le varie unitvarie unitàà cooperano ed interagisconocooperano ed interagiscono
decomposizione gerarchica del sistema decomposizione gerarchica del sistema in unitin unitàà funzionali, ciascuna funzionali, ciascuna contraddistinta da ben precisi compiticontraddistinta da ben precisi compiti
descrizione descrizione formaleformale del del comportamento di ogni comportamento di ogni unitunitàà
realizzazione (programmazione) di ciascuna unitrealizzazione (programmazione) di ciascuna unitàà
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Il processo di realizzazione di soluzioniIl processo di realizzazione di soluzionidi generale applicabilitdi generale applicabilitàà
InstallatoreInstallatorericeve informazioni riceve informazioni facilmente facilmente comprensibilicomprensibiliin forma graficain forma grafica
Progettista applicativoProgettista applicativoseleziona, configura e collega seleziona, configura e collega componenti predefiniti componenti predefiniti (know(know--how applicativo)how applicativo)
Progettista softwareProgettista softwareimplementa nuove funzionalitimplementa nuove funzionalitààe crea componentie crea componenti(know(know--how informatico)how informatico)
librerialibreria
AttivitAttivitàà 44
FUNCTION_BLOCKNAME : DIV_RFAMILY : ReglerVAR_INPUTX { COMMENT:='Eingangsgroesse' } REAL := 0;TV { COMMENT := 'Vorhaltezeit in ms' } WORD := 1;EN { COMMENT := 'Freigabe' } BOOL := 0;END_VARVAR_OUTPUTY1 { COMMENT := 'Ausgangsgroesse' } REAL := 0;END_VARBEGIN{
ÍNCLUDES := math.h, arithm.hCODELIBS := regler.lib
}if($EN == 0) /* Keine Freigabe */
$Y1 = 0;else
/* Freigabe */
$Y1 = Diff_Calc($TV, $X)/* Stellsignal
berechnen */END_FUNCTION_BLOCK
ToolsTools per laper lagenerazionegenerazioneautomaticaautomaticadel codicedel codice
Riusabilitàdel software
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““ComponentwareComponentware”” chiave dellchiave dell’’integrazioneintegrazione
Supervisione
Automazione
Comunicazione
Componenti base Tecnologia dell‘utente
Integrazione
ComunicazioneSistema Operativo
Hardware
Motion Control