AO COPERTINA automazioneoggi copertina Specialisti della PC-based Automation VALERIO ALESSANDRONI Beckhoff è una società specializzata in soluzioni di automazione basate su PC industriali con una capacità innovativa che le ha permesso di creare nuovi standard di mercato eckhoff è specializzata nella realizzazione di sistemi di automazione aperti basati su controlli PC compatibili. La gamma di prodotti dell’azienda, comprendente PC industriali, componenti per bus di campo, sistemi Motion Control e software di automazione, copre i principali settori dell’industria. Per tutti i settori, in particolare, sono disponibili linee di prodotti che possono essere impiegati sia individualmente, sia per comporre un sistema di controllo completo. I componenti e le soluzioni Beckhoff vengono oggi impiegati in tutto il mondo nelle applicazioni più svariate. B Il PC è il controllo Per le funzioni assi PLC e Motion Control, Beckhoff utilizza la tecnologia di controllo PC-based, che si esprime nella linea di prodotto TwinCAT. Dotato di un’interfaccia di I/O indipendente dal bus di campo e di un software PLC/CN/CNC integrato funzionante sotto Windows NT/2000/XP/CE, TwinCAT mette a disposizione un sistema di automazione aperto ed universale. Questi sistemi di automazione vengono attualmente impiegati sia come PLC, calcolatori di processo o controlli CN combinati con PC. Tradizionalmente, in questo tipo di applicazioni, i PC non svolgono direttamente operazioni di controllo, poiché queste vengono eseguite dai processori supplementari integrati nel sistema. Beckhoff ha tuttavia ribaltato questo paradigma, introducendo una nuova soluzione basata esclusivamente sul software. In essa, un PC elabora tutte le operazioni di automazione in modalità processore singolo. Con TwinCAT, un sistema PLC/NC/CNC, dove ciascun componente ha un proprio processore, viene quindi rimpiazzato dal processore del PC, che è in grado di elaborare tutte le operazioni PLC e CN/CNC sotto forma di software. In tal modo, il sistema di Il sistema software real-time TwinCAT di Beckhoff trasforma un PC compatibile in un controllo real-time con sistema multi-PLC, controllo assi CN/CNC con funzionalità motion control, ambiente di programmazione e stazione operativa 20 SETTEMBRE 2003 • AUTOMAZIONE OGGI 261 AO automazioneoggi copertina automazione risulta composto da quattro soli componenti: il PC industriale, un sistema bus di campo per gli interfacciamenti di I/O, un sistema operativo standard (Windows NT/2000/XP) per l’interfaccia utente e il software di controllo TwinCAT sul PC, nelle parti PLC (IEC 61131-3) e CN/CNC. TwinCAT NC PTP (punto a punto) è invece un software per posizionamento degli assi con PLC integrato, interfaccia di posizionamento-CN, programmi di comando per la messa in funzione degli assi ed un interfacciamento I/O degli assi tramite bus di campo. TwinCAT NC PTP supporta il comando degli assi per motori passo-passo, sistemi ad anello aperto e con servomotori. TwinCAT NC I è il sistema CN Maggiori prestazioni di sistema Le soluzioni che utilizzano un singolo processore offrono prestazioni eccellenti a livello di sistema. Inoltre, la potenza delle soluzioni PLC software è decisamente superiore a quella delle soluzioni PLC hardware, e le prestazioni continuano a crescere con ogni nuovo processore PC. La potenza e i tradizionali limiti del sistema non rappresentano più alcun vincolo in un sistema PC-based. I valori di lunghezza del programma, memoria utente, entità dell’immagine di processo, ecc. permettono infatti di soddisfare qualsiasi esigenza. D’altra parte, i limiti pratici della tecnologia basata su PC a 32 bit sono molto meno restrittivi di quelli degli apparecchi tipo PLC finora in uso. E le possibilità sono in continua espansione. Si può quindi affermare che ‘Il controllo partecipa alla crescita’, poiché, funzionando come software su un PC standard, sul controllo si riflette tale crescita di potenzialità nelle prestazioni del PC. Ma in quale modo il PC svolge le operazioni di controllo? Un ‘classico’ PLC elabora i programmi in modo ciclico e gli ingressi e le uscite cambiano mano a mano che il programma viene elaborato. L’esecuzione dei programmi in un PLC software basato su PC avviene esattamente come in un PLC/CN tradizionale, con cicli in tempo reale (deterministici), che vengono eseguiti in modo contemporaneo indipendentemente dalla lunghezza del programma. L’elaborazione dell’interfaccia utente viene eseguita durante la pausa del ciclo, per cui può esistere una riserva di capacità di calcolo. L’elaborazione delle funzioni PLC, CN e interfaccia utente avviene contemporaneamente grazie all’esecuzione multitask delle operazioni PLC, CN e del sistema operativo sul sistema PC. Ogni compito (‘Server’) di un’operazione determinata è caratterizzato da un proprio tempo ciclo e una propria priorità. TwinCAT permette il funzionamento di Windows NT/2000/XP insieme ai propri programmi tramite un’estensione in tempo reale per il sistema operativo. Il controllo Windows e l’Automation Technology TwinCAT PLC è un Multi-PLC efficiente con 4 sistemi a tempo di scansione PLC (ognuno con ulteriori 4 task PLC) per PC. L’ambiente di programmazione offre tutte i linguaggi della norma IEC 61131-3, mentre l’interfacciamento del livello I/O e bus di campo avviene tramite il Sistem Manager. Vengono supportati tutti i bus di campo in uso. Una gamma completa di PC industriali per ogni esigenza, sia per montaggio ad incasso che in armadio per movimenti del percorso interpolato lineare o circolare a gruppi di tre assi interpolanti e cinque ausiliari. E’ possibile un massimo di 31 di questi gruppi. TwinCAT NC I offre un’interpolazione 2D e 3D (interprete, generazione del valore nominale, regolatore di posizione), un PLC integrato con interfaccia NC I ed un interfacciamento I/O per assi tramite bus di campo. Infine, TwinCAT CNC offre funzionalità CNC complete come pura soluzione software basata su PC. TwinCAT CNC copre l’intero campo del classico controllo di contornitura CNC fino al sistema high end per complesse esigenze di movimentazione e di cinematica con la possibilità di realizzare le più complesse trasformazioni di coordinate. A tale scopo l’efficiente piattaforma PC e la base real-time di TwinCAT offrono le condizioni ideali. PC Control per tutte le applicazioni Il software non è tutto: la piattaforma di un controllo PCbased è infatti un PC industriale. Per questo motivo, Beckhoff offre una gamma di PC industriali in varie forme costruttive e con diverse dotazioni. I PC Beckhoff con design industriale sono costruiti con componenti del massimo livello prestazionale sulla base di standard aperti. Inoltre, i pannelli operatore personalizzati assicurano l’a- SETTEMBRE 2003 • AUTOMAZIONE OGGI 261 21 AO COPERTINA automazioneoggi copertina dattamento ottimale alle esigenze dei clienti. I PC industriali Beckhoff dimostrano un’elevata affidabilità e robustezza per il loro impiego nella tecnologia di automazione. L’azienda possiede un’esperienza pluriennale nella scelta, integrazione e nello sviluppo autonomo di componenti per PC idonei per applicazioni industriali. E solo l’accurata selezione dalla grande varietà di componenti disponibili nel mercato dei PC standard, attraverso metodi di test elaborati, può garantire la rispondenza ai requisiti posti da queste applicazioni. Nello sviluppo di schede madri per PC industriali ‘All-in-One’, schede d’interfaccia, alimentatori a PC testati per ambienti industriali, li approva ed esegue l’integrazione nel PC industriale. Gli standard internazionali e le esperienze nell’impiego di sistemi PC nelle difficili condizioni industriali sono alla base dell’integrazione di tutti i sistemi Beckhoff. Non tutte le schede madri, display a cristalli liquidi, schede plug-in e dischi rigidi sono adatti per l’uso in ambiente industriale. Sono infatti necessari test approfonditi per identificare i componenti in grado di superare i severi requisiti di resistenza alle vibrazioni e alla temperatura e di compatibilità elettromagnetica. Ma vediamo qualche esempio della produzione Beckhoff. Esempio di un pannello di controllo realizzato secondo le specifiche del cliente, con personalizzazioni anche nella pulsanteria elettromeccanica PC industriale modulare La serie di apparecchi CX1000 Beckhoff accomuna il meglio di due mondi - quelli dei PC industriali e dei PLC hardware - ed è adatta per operazioni di controllo di medie prestazioni. Si tratta di un sistema di controllo modulare montabile su barre DIN, i cui I Control Panel industriali con alloggiamento in elementi vengono accoppiati a seconda della funzione alluminio monolitico sono disponibili con molteplici richiesta e montati nel quadro elettrico o nella cassetta a layout e video da 6,5” fino a 20” bordo macchina. Il sistema CX1000 copre l’intera gamma della tecnologia di controllo Beckhoff in termini sia di bassa tensione, controlli tastiera, controlli per gruppi di prezzo che di prestazioni: La nuova gamma è stata concecontinuità ed altri moduli elettronici, Beckhoff soddisfa i pita per operazioni che richiedono le caratteristiche e caparequisiti più severi richiesti dai componenti per PC indu- cità di calcolo dei PC industriali, senza tuttavia raggiungestriali, al fine di assicurare un funzionamento sicuro ed a re i livelli di prezzo dei PC industriali veri e propri. lungo termine nelle condizioni più pesanti. Il reparto di svi- Vengono infatti integrati nel sistema soltanto quei compoluppo sistemi di Beckhoff utilizza quindi componenti per nenti che sono effettivamente necessari. Per esempio, un CX1000 può essere fatto funzionare senza display e tastiera. In questo caso, non è richiesta la relativa interfaccia HMI, con una conseguente riduzione dei costi. Benché il sistema di controllo risultante non abbia alcuna visualizzazione, esso Presso la sede principale di Beckhoff a Verl (Germania), vi sono i reparti centrali di possiede la capacità di comunicare attraamministrazione, vendita, marketing, sviluppo, produzione, supporto ed assistenza di verso le interfacce Ethernet e RS-232 Beckhoff. Sul territorio tedesco, l’azienda possiede nove filiali, mentre la presenza sul incorporate. Qualora si desideri avere una mercato internazionale viene garantita da filiali in Svizzera, Austria, Finlandia, Svezia, visualizzazione locale, la si può ottenere Italia, Polonia, Cina, Canada e negli Stati Uniti. Grazie ai partner di cooperazione a livelattraverso una DVI (Digital Video Presenza mondiale in tutti i continenti lo mondiale, Beckhoff è oggi rappresentata in oltre 35 Paesi. 22 SETTEMBRE 2003 • AUTOMAZIONE OGGI 261 AO automazioneoggi copertina go di un’intera serie di apparecchi con funzioni simili. Da questa elaborata acquisizione del segnale risultano spese elevate di materiali, installazione, progettazione e documentazione, nonché costi elevati in caso di modifiche o PC industriale compatto modulare montabile su barra DIN Interface - interfaccia video digitale), alla quale possono essere collegati tutti i Control Panel Beckhoff, nonché tutti i monitor con ingresso DVI disponibili sul mercato. Il segnale del touch screen viene letto attraverso una delle due interfacce USB disponibili. Sistema bus di campo modulare Beckhoff fornisce anche una gamma completa di componenti per bus di campo compatibili con tutti i moduli I/O e sistemi bus di campo oggi in uso. Essa comprende Bus Terminal, Fieldbus Box, Lightbus, schede bus di campo per PC e moduli bus di campo. In particolare, con i Bus Terminal con grado di protezione IP 20 e i moduli Fieldbus Box con protezione IP 67, è disponibile una gamma completa per tutti i tipi di segnale e i sistemi bus di campo più importanti. Il Lightbus Beckhoff è invece un sistema bus di campo veloce e sicuro, concepito appositamente per soddisfare le esigenze della tecnologia di automazione. Le schede bus di campo per PC sono state sviluppate appositamente per operazioni di controllo rapide e per operazioni in tempo reale, coprendo quindi vasti campi di applicazione. L’offerta di moduli I/O viene completata dai rispettivi set di cavi e da strumenti di programmazione e di configurazione. Grazie alla grande scelta di componenti I/O, è possibile selezionare il sistema bus più adatto alla propria applicazione. Osserviamo più da vicino i Bus Terminal. Oggi, il cablaggio dei segnali di ingresso/uscita avviene in modo decentralizzato sulle apparecchiature per bus di campo ed in modo centralizzato sui controllori programmabili. Gli apparecchi per bus di campo specifici del produttore, con una configurazione di ingresso/uscita e una forma costruttiva fisse, rendono spesso necessario l’impie- Il Bus Terminal Beckhoff è un concetto di periferia aperto ed indipendente dal bus di campo, composto da terminali elettronici Con i Fieldbus Box, Beckhoff ha portato nell’automazione i concetti dei Bus Terminal ma con grado di protezione IP67 espansioni successive. Inoltre, la logistica e il personale addetto all’assistenza tecnica vengono sovraccaricati inutilmente. Il Bus Terminal Beckhoff è un concetto di periferica aperto ed indipendente dal bus di campo, composto da terminali elettronici. La testina del terminale elettronico è l’accoppiatore bus con interfaccia per il bus di campo specifico. Un accoppiatore bus può alimentare fino a 64 terminali elettronici per qualunque forma di segnale. Possono essere creati vari gruppi di potenziale per sostituire completamente i terminali elettronici. In questo modo, è possibile strutturare il livello ingresso/uscita uniformemente sulla base dei terminali elettronici, mantenendolo indipendente dal bus di campo. SETTEMBRE 2003 • AUTOMAZIONE OGGI 261 23 AO COPERTINA automazioneoggi copertina Motion Control Il Motion Control Beckhoff completa la gamma di prodotti composta da PC industriali, componenti per bus di campo e software PLC/CN/CNC e ne fa un sistema di automazione completo. I PC industriali di Beckhoff e il software PLC/CN/CNC TwinCAT sono ottimali per operazioni di posizionamento ad uno o più assi con esigenze altamente dinamiche. I PC industriali con processori estremamente veloci ed i moduli funzionali facenti parte del TwinCAT NC sono in grado di svolgere pressoché qualsiasi operazioni di Motion Control. In particolar modo, la semplice programmazione dei componenti di movimentazione tramite TwinCAT NC PTP (punto a punto), e l’interazione di PC industriale e hardware di azionamento si sono affermati in numerose applicazioni. La soluzione completa di Beckhoff nel Motion Control è composta da servoamplificatori digitali compatti, servomotori sincroni, servomotori lineari ed un’ampia gamma di accessori. I servomotori ed i servoamplificatori di Beckhoff formano sistemi di azionamento efficienti ed altamente dinamici. Grazie alla grande quantiI Drive Beckhoff consentono di completare con una gamma di azionamenti, motori brushless e motori lineari le soluzioni motion control tà di interfacce bus di campo disponibili, dal Lightbus al Profibus, dall’interfaccia CANopen al Sercos, gli azionamenti possono essere integrati anche in sistemi complessi. Ethernet industriale Sono state molteplici le considerazioni che anni fa hanno portato all’introduzione dei sistemi di bus di campo: in primo luogo l’obiettivo era quello di ridurre i costi di cablaggio. Successivamente si è aggiunta la diagnostica di sistema, semplificata grazie agli apparecchi di campo intelligenti, in grado di trasmettere messaggi di errore rapidamente ed in modo dettagliato. Infine, gli apparecchi di campo con funzionalità di controllo sono stati predisposti per l’elaborazione decentralizzata preventiva dei dati e per operazioni di regolazione semplici, e sono stati impiegati anche bus di campo per la comunicazione. Più di recente, è stato proposto l’impiego della tecnologia Ethernet in alternativa ai tradizionali bus di campo. In occasione della fiera industriale di Hannover di quest’anno, Beckhoff ha introdotto una soluzione Ethernet in tempo reale, denominata EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology). Le prestazioni eccellenti, il semplice cablaggio e la compatibilità con altri protocolli contraddistinguono EtherCAT. Dove i comuni bus di campo trovano i loro limiti, l’EtherCAT crea nuovi standard: 1000 I/O in 30 µs, a scelta con coppia intrecciata (twisted pair) o conduttore ottico, assicurando nello stesso tempo un’ottima integrazione verticale grazie alle tecnologie Ethernet e Internet. Il sistema EtherCAT apre nuove dimensioni nella comunicazione industriale. Grazie ad essa, la complessa topologia a stella di Ethernet può essere sostituita con una semplice struttura lineare, facendo decadere la necessità di costosi compo- Le tappe fondamentali Beckhoff Industrie Elektronik, fondata nel 1980 dal 26enne fisico Hans Beckhoff, appartiene al gruppo Elektro Beckhoff GmbH. Il successo dell’azienda si basa sul continuo sviluppo di nuovi prodotti, con costanti investimenti in ricerca e sviluppo. Nel 1986 viene fornito il primo PC realtime. Beckhoff è uno dei pionieri di un nuovo modo di automazione che diventerà uno standard a livello mondiale. Nel 1987 viene introdotto il software S100 SPS/NC su PC, un sistema di azionamento DOS basato su software programmabile e con comandi real-time S1000. E’ del 1989 il sistema Lightbus, uno dei primi sistemi fieldbus sul mercato. Veloce e sicuro, offre vantaggi come le alte velocità di trasmissione anche su grandi distanze. Il Lightbus è ancora utilizzato in molte applicazioni. Nel 1991 Beckhoff inizia a fornire PC industriali modulari in diverse forme costruttive e dotazioni. Nel 1993 avviene l’ulteriore sviluppo del software di automazione S1000, ora anche con funzionalità CNC: è il software S2000 PLC/NC/CNC su PC. Siamo al 1995, quando nasce Busklemmen, il sistema di I/O modulare. I moduli periferici Beckhoff rappresentano un sistema di I/O aperto e flessibile per tutti i fieldbus, sensori e attuatoriori. Con questa soluzione innovativa, Beckhoff diventa il precursore della tecnica di I/O. Il vasto assortimento di moduli elettronici copre tutti i canali di I/O richiesti nell’automazione - dal mondo digitale e analogico fino alle interfacce seriali. Nel 1996, in aggiunta a quanto disponibile nel software S2000, segue un ulteriore sviluppo dei sistemi di azionamento e viene introdotto il TwinCAT. TwinCAT trasforma qualsiasi PC in un sistema real-time con PLC IEC 61131-3, regolazione assi - CN e ambiente di programmazione. Nel 1998, Beckhoff reagisce al rapido sviluppo nel mercato dei PC, con nuovi PC industriali. Con la tecnologia di un unico CP-Link è possibile installare a una distanza massima di 100 m un PC industriale e un pannello di controllo. Il mercato dei sistemi di I/O viene arricchito 24 SETTEMBRE 2003 • AUTOMAZIONE OGGI 261 AO automazioneoggi copertina Continuità fino al Terminale Ethernet EtherCAT rappresenta la base per i nuovi sistemi di automazione ultra-high-speed con una rete di campo praticamente senza limiti di lunghezza nenti di infrastruttura. A scelta l’EtherCAT può tuttavia essere anche cablato nel modo ‘classico’, con switch, al fine di integrare ulteriori utenti Ethernet. Dove altri sistemi Ethernet in tempo reale richiedono particolari connessioni nel controllo, per l’EtherCAT sono sufficienti economiche schede Ethernet standard. Con la tecnologia EtherCAT, Beckhoff supera le limitazioni di principio di altre soluzioni Ethernet: il pacchetto Ethernet non deve essere ricevuto, interpretato e quindi copiato sotto forma di dati di processo in ogni connessione. La nuova Fmmu (Fieldbus Memory Management Unit) in ogni terminale I/O legge infatti i dati che le sono destinati, mentre il telegramma passa attraverso il dispositivo. Anche i dati di ingresso vengono inseriti nel telegramma in fase di passaggio. Grazie a questa soluzione, i telegrammi vengono ritardati di pochi nanosecondi. nel 1999 con moduli estremamente compatti e robusti. Stabili e impenetrabili all’acqua e alla polvere, i Feldbus Box offrono una protezione IP 67. Analogamente al sistema dei moduli periferici, è possibile collegare i moduli Feldbus Box a tutti i fieldbus e sensori/attuatori. Nel 2000, con un apposito accoppiatore diventa possibile anche la trasmissione di dati mediante Ethernet TCP/IP. Nel 2001 viene introdotta la serie di apparecchi CX1000, PC industriali per guide profilate che uniscono il meglio di due mondi (PC industriali e hardware PLC). La serie è adatta per compiti di automazione di potenza intermedia. Il sistema modulare può essere introdotto dopo l’impostazione del problema con gli elementi necessari. Nel 2002 viene fondata Beckhoff Automation che inizia nel 2003 le attività sul territorio italiano, sostituendo il precedente distributore. Infine, nel 2003 nasce EtherCAT (Ethernet per tecnologia di controllo automatico), la rete Ethernet real-time di Beckhoff: velocità ultraelevata fino ai Bus Terminal. Dal punto di vista hardware, i nuovi terminali Ethernet del tipo ELxxxx sono alloggiati nell’affidabile contenitore modulare dei Bus Terminal. A differenza dei Bus Terminal, decade in questo caso il Sub-Bus interno; il protocollo Ethernet rimane invariato perfino nel singolo terminale Ethernet. Solo la trasmissione viene commutata senza ritardi da twisted pair o conduttore ottico all’E-Bus nell’accoppiatore, per soddisfare le esigenze della morsettiera elettronica. La tecnologia Fmmu viene integrata nel controllo dal driver per schede di rete TwinCAT. Questo si collega in modo trasparente nel sistema e funge da driver di rete compatibile con il sistema operativo ed inoltre da scheda bus di campo TwinCAT. Una prioritizzazione interna e dei buffer assicurano che i frame Ethernet dal sistema in tempo reale trovino una linea di trasmissione libera ogni qualvolta è il loro turno. I frame Ethernet del sistema operativo vengono trasmessi solo in un secondo momento, negli ‘intervalli’, se c’è abbastanza tempo a disposizione. Dal punto di vista della ricezione, tutti i frame Ethernet ricevuti vengono controllati dal sistema I/O TwinCAT e contemporaneamente filtrati in tempo reale. Tutti gli altri frame vengono trasmessi al sistema operativo dopo il controllo e fuori dal contesto di tempo reale. Nuove dimensioni nella comunicazione industriale Dato che la funzionalità Ethernet del sistema operativo rimane completamente intatta, tutti i protocolli conformi con il sistema operativo possono essere gestiti in parallelo sulla stessa rete fisica. Ciò vale sia per protocolli IT standard come TCP/IP, Http, FTP o Soap, sia praticamente per tutti i protocolli Industrial Ethernet come Modbus TCP, ProfiNet o EthernetIP. Il protocollo EtherCAT viene trasportato direttamente nel frame Ethernet. Può essere composto da più sottotelegrammi, ognuno dei quali serve un’area di memoria dell’immagine di processo logico, con una grandezza massima di 4 Gbyte. In tal caso la sequenza dei dati è indipendente dalla sequenza fisica dei Terminali Ethernet nella rete; l’indirizzamento può avvenire a scelta. Sono possibili il broadcast, il multicast e la comunicazione trasversale tra slave. Con l’EtherCAT vengono raggiunte nuove dimensioni per quanto concerne le prestazioni della rete. Grazie alla Fmmu nel terminale ed all’accesso DMA alla scheda di rete nel master, l’intera elaborazione dei protocolli avviene nel hardware ed è quindi completamente indipendente dal tempo di esecuzione di stack di protocollo, dalle prestazioni della CPU o dall’implementazione software. Il tempo di aggiornamento per 1000 I/O digitali distribuiti su un numero qualsiasi di stazioni è di soli 30 µs - incluso il tempo di esecuzione nei terminali. ■ SETTEMBRE 2003 • AUTOMAZIONE OGGI 261 25