1

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

(efaldella@deis.unibo.it)(efaldella@deis.unibo.it)

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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.

4

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

5

…… 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..

8

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.

10

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

11

Architetture centralizzateArchitetture centralizzate

ccablaggi punto a puntoablaggi punto a puntoingombriinstallazionemanutenzione

controllo PLCcontrollo PLC--basedbasedconnettività

☺ semplicitàfunzionalità

soluzioni proprietariesoluzioni proprietariescalabilitàportabilità

12

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 ……

14

configurazione del processo produttivoconfigurazione del processo produttivoconduzione e manutenzione della macchinaconduzione e manutenzione della macchina

15

…… 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””

16

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

19

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

21

…… 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

23

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

24

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

25

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

26

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

27

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

28

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%

29

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

30

““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

31

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

32

““ComponentwareComponentware”” chiave dellchiave dell’’integrazioneintegrazione

Supervisione

Automazione

Comunicazione

Componenti base Tecnologia dell‘utente

Integrazione

ComunicazioneSistema Operativo

Hardware

Motion Control