Evoluzione verso tecnologie integrate

PLC, PAC e PC industriali
Seminario di aggiornamento per controllare macchine industriali
n Piero Della Chiara
Evoluzione verso
tecnologie integrate
Aggiungere misura, analisi e controllo avanzato
a un sistema di automazione basato su PLC adesso è
possibile. National Instruments ha voluto unire il mondo della
strumentazione virtuale a quello dei sistemi a PLC e renderli
entrambi fruibili: tutto ciò in un seminario dedicato.
N
ational Instruments ha
voluto con un seminario
chiamare a raccolta il
mondo della strumentazione
virtuale e quello
industriale legato al PLC in un forum
di aggiornamento atto a dimostrare che
queste realtà possono vivere in simbiosi
offrendo agli utenti strumenti tecnologici
in grado di soddisfare le esigenze che i
nuovi mercati impongono.
Per National Instruments l’integrazione
di questi due mondi ha un nome: PAC
- Programmable Automation Controller.
Si tratta di dispositivi che hanno la
robustezza e l’affidabilità di un PLC,
la capacità di gestione tramite software
tipica di un personal computer, una
elevata modularità con a bordo una
vasta gamma di I/O e sono ottimizzati
per garantire misure molto accurate. La
piattaforma hardware dei PAC garantisce
ampio range di misure e analisi integrate.
Sono possibili dei data logging locali
e addirittura esistono delle stazioni,
come ad esempio Compact FieldPoint,
che permettono all’utente di disporre
di un apparato per l’inserimento
di memorie flash da utilizzare a
discrezione: una sorta di disco locale
sul quale poter salvare i dati acquisiti
per poi analizzarli successivamente.
Sono integrati nei dispositivi dei web
server con ftp server che garantiscono
tramite rete il trasferimento delle
informazioni acquisite in tempo reale,
nonché l’acquisizione ed elaborazione
di immagini e la connettività con ogni
tipo di sensore. Elemento unico per
la gestione di questo concentrato di
tecnologie industriali è il software
LabVIEW con le sue 650 funzioni di
analisi e controllo. E’un sofisticato
e completo sistema di sviluppo che
consente agli utenti di comunicare
con tutti i sistemi industriali di
ultima generazione, mantenendo
l’intuitività di utilizzo dell’ambiente di
I PAC di National Instruments sono nati
combinando la flessibilità del PC con la
robustezza e l’affidabilità dei PCL.
CompactRIO, una piattaforma di controllo e
acquisizione ad elevatissime prestazioni potenziata
da una tecnologia riconfigurabile di Input/Output
(RIO) per applicazioni avanzate in cui le dimensioni
ridotte e l’affidabilità sono caratteristiche
fondamentali.
programmazione grafico. Con LabVIEW
Real Time poi, sono garantite l’affidabilità
ed il determinismo del sistema sul quale
è collocato. In pratica un unico software
per qualsiasi tipo di piattaforma utilizzata
dall’utente e strutturato per gestione di
qualsiasi I/O interfacciato: nello specifico
un software per tutte le applicazioni
industriali.
Come interfacciare i PAC al PLC
Nell’ultima versione di LabVIEW (8.0) è
stato introdotto il concetto di programmare
nell’ambito di un progetto. Per tutti gli
utenti abituati a programmare in ambienti
di sviluppo di tipo tradizione quali C++
o Visual Basic il concetto di progetto
è noto: per gli utenti LabVIEW è una
vera e propria novità che ha permesso
di realizzare vere e proprie applicazioni
distribuite. LabVIEW 8 è stato presentato
al mondo come intelligenza distribuita,
ovvero lo strumento ad hoc per
realizzare applicazioni che integrassero
sistemi molto complessi con autonomia
decisionale e dislocazione in nodi sparsi.
L’ambiente è strutturato per garantire
la trasportabilità tra i principali sistemi
operativi utilizzati nell’industria (RT,
Linux, Microsoft Windows ecc.) e
poi per piattaforme hardware speciali
come i PAC. Con LabVIEW la
personalizzazione dell’interfaccia utente
è facilmente realizzabile e permette il
completo controllo di tutto il processo
sul video del personal computer dal
quale si sta effettuando il monitoraggio
o l’acquisizione. Una volta definito lo
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li
Compact FieldPoint NI-1808 basato su interfaccia
Ethernet e seriale, che gli utenti possono
utilizzare per espandere gli I/O di ogni PC o PAC
(Programmable Automation Controller).
strumento con il quale si comunicherà
con il sistema vediamo come è possibile
interfacciare il mondo dei PLC con
quello della tecnologia National
Instruments. Al momento esistono
tre possibilità per connettersi tra i
due sistemi: la prima è di sfruttare
direttamente gli I/O dell’una e dell’altra
parte. In questo modo l’utente va
fisicamente a connettere gli ingressi e
le uscite del PLC con quella dei PAC
tramite quanto segue: le linee digitali,
quelle in tensione e quelle in corrente, nel
classico range 4-20 mA. In questo modo
abbiamo un collegamento immediato
tra i dispositivi e facilmente verificabile
sia manualmente che tramite software.
La seconda possibilità è affidata al data
communication. In questa modalità la
connessione è demandata completamente
ai bus di campo. Inconveniente non di
poco conto è che ciascun bus esistente
nell’industria (e dobbiamo dire che
sono molti) comunica con una “lingua
propria”. Nello specifico esempio
presentato in occasione del seminario
l’interfacciamento è stato tra il protocollo
usato da National Instruments (Modbus
TCP) per il suo PAC e quello adottato
da Siemens per un suo PLC dotato di
protocollo Profibus. Terza ed ultima
possibilità, sicuramente non meno
importante delle precedenti, comunicare
sfruttando lo standard industriale OPC
fruibile grazie alla collaborazione della
maggior parte di costruttori di tecnologie
per l’automazione industriale.
Un’analisi accurata
Durante il seminario sono state
approfondite queste tre eventualità. Nel
primo caso è fondamentale sottolineare
che tutte le soluzioni proposte da
National Instruments nella sua linea PAC
integrano degli I/O digitali (24V e 5V
TTL). Tali dispositivi sono facilmente
Obiettivo aziendale
L’obiettivo di National Instruments non è quello di eliminare il PLC nell’automazione
industriale, bensì di fornire un’integrazione tecnologica ad un’automazione PLC
oriented in tutti quegli ambienti ove si renda necessaria un’integrazione di I/O: il
campo applicativo, per esempio, è l’ acquisizione di immagini, la movimentazione
assi oppure l’acquisizione dati ad alta velocità. I PAC possono quindi essere
facilmente integrabili con i PLC ed a vantaggio di una maggiore flessibilità nella
gestione del processo. Il gateway è di fatto il ponte per la comunicazione con
questi mondi: se poi si desidera gestire in modo autonomo tutta la produzione
risulta fondamentale l’introduzione di tecnologia CompactRIO. Questo passaggio,
infatti, permette una completa personalizzazione dell’hardware e una flessibile
riconfigurazione dello stesso per altre applicazioni, con una riduzione drastica dei
tempi di sviluppo e dei costi di gestione e con velocità di acquisizione e di gestione
impensabili con altri tipi di soluzioni. Naturalmente tutte queste operazioni sono
garantite dall’uso di un unico ambiente di sviluppo che è LabVIEW: questo permette
un controllo completo a 360° di tutto il processo. Uno strumento di sviluppo per
qualsiasi tipo di applicazione industriale così strutturato a questo punto diventa lo
strumento in grado di colmare il divario tra la tecnologia PLC ed il mondo National
Instruments in tutta la sua interezza…
integrabili con codice ladder logic o
codice PLC generico, poiché sia la
programmazione dei PAC sia quella
del PLC non sono particolarmente
difficoltose per l’utente finale, i tempi
di preparazione sono contenuti ed una
volta terminati è sufficiente mettere
in connessione i dispositivi con
connessioni fisiche dirette. La seconda
possibilità necessita di un supporto di
connessione tra bus industriali. LabVIEW
integra nativamente due modalità di
comunicazione, Modbus TCP e Seriale:
infatti dispone al suo interno di una
palette di funzioni integrate che consente
di gestire comunicazioni di questo tipo.
Quando però la comunicazione avviene
con protocolli di tipo diverso è necessario
interfacciare tra le due tecnologie un
dispositivo hardware definito “gateway”.
Questi dispositivi hardware non fanno
altro che commutare un certo tipo di
protocollo in un altro: sono una specie
di traduttore in tempo reale. I gateways
supportano una vasta serie di protocolli
di comunicazione tra i quali: Profibus,
Profinet, ControlNet, EthernetIP,
DeviceNet. La connessione tra un PAC
National Instruments e un qualunque
dispositivo PLC avviene semplicemente
utilizzando il protocollo Modbus TCP
che connesso al gateways commuta le
informazioni in modo bidirezionale.
Tramite un intuitivo programma di
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PLC, PAC e PC industriali
Seminario di aggiornamento per controllare macchine industriali
Una nuova funzionalità fondamentale di LabVIEW 8 è LabVIEW Project che mette a disposizione un nuovo
ambiente orientato ai progetti per gestire applicazioni di grandi dimensioni e team di sviluppo numerosi.
configurazione fornito con il gateways
è configurato il sistema definendo la
componente master e quella slave ed i
vari dispositivi connessi eliminando ogni
eventuale conflitto di indirizzamento.
Ultima possibilità analizzata è stata
quella di fruire dell’OPC. Cerchiamo
di capire meglio quali sono i vantaggi
tratti dall’introduzione di OPC in
un’applicazione industriale: OPC
(OLE for Process Control), creato
dalla omonima fondazione che riunisce
più di 390 membri attivi nel campo
dell’automazione industriale tra i quali
National Instruments è uno standard
inteso a facilitare l’integrazione di
soluzioni industriali di diverso tipo.
OPC usa un modello di tipo client/
server basato sulla tecnologia OLE
e COM/DCOM di Microsoft per
fornire interfacce standard a fornitori
di hardware e software. Lo standard
OPC permette quindi di poter scegliere
tra i migliori hardware con la certezza
che possano comunicare facilmente tra
loro. Inoltre i costi e tempi di sviluppo
e manutenzione sono ridotti poiché gli
sviluppatori devono essere edotti su un
unico protocollo di comunicazione.
CompactRIO è indipendenza
Le soluzioni attuali per il controllo
delle macchine industriali prevedono
tre componenti fondamentali: un PLC,
dell’hardware custom e generalmente
un computer di tipo industriale PC/104.
Se andiamo ad analizzare i vantaggi e
gli svantaggi nell’utilizzo di queste parti
potremo dire che il PLC è sicuramente
un prodotto dai costi contenuti, molto
affidabile ma dotato di una bassa
velocità di elaborazione ed è dotato di
un processore single-treaded; il PC/104
invece è dotato di tecnologia embedded
con ridotte dimensioni ed una grande
velocità nella gestione degli I/O.E’
un sistema chiuso con componenti in
obsolescenza, ha una forte dissipazione
di calore e consumi, è sottoposto a
certificazione e con tempi di sviluppo
software molto elevati. Infine l’hardware
custom garantisce la soluzione alle
specifiche richieste dell’applicazione
e per le grosse quantità i costi di
realizzazione sono un beneficio tangibile.
Di contro si evidenziano ingenti costi
di ingegnerizzazione, tempo e rischi,
spesso problemi meccanici , EMC, e
problematiche legate al rumore, tempi di
sviluppo software lunghi e aggiornamenti
degli stessi difficili e costosi. E’ facile,
una volta definiti gli strumenti, capire
quando effettivamente si necessita di
hardware personalizzato. Possiamo qui
definire una serie specifica di situazioni:
controlli ad elevata velocità, affidabilità
e parallelismo a livello hardware, una
decodifica hardware dei segnali acquisiti
dai sensori, ogni qual volta si necessiti di
sviluppare protocolli custom o contatori
e generatori di impulsi e nel caso che
l’utente desideri “alleggerire” il carico
della CPU. La soluzione proposta da
National Instruments è la tecnologia
CompactRIO (Reconfigurable I/O) che
permette di sostituire l’hardware custom
con la logica FPGA e quindi utilizzare
l’ambiente di sviluppo LabVIEW per
programmare il proprio hardware. I
vantaggi sono evidenti: si utilizza un
controllo ad elevata velocità (1 MHz
digitale / counter-timer, 200 kHz
motion control / analog PID), la logica
dedicata a bordo chip garantisce elevata
affidabilità e un’efficace analisi del
segnale. In CompactRIO sono intrinseci
i vantaggi derivati dall’uso del PLC e
del PC/104 e soprattutto l’integrazione
delle tecnologie e la programmazione
avviene con un solo ambiente di sviluppo
e con un’architettura dai costi molto
contenuti. La programmazione FPGA
(Field Programmable Gate Array)
garantisce la riconfigurabilità del sistema,
funzionalità per esecuzione parallela, e
l’affidabilità del sistema hardware. La
programmazione del chip è fatta via
software: il programma è compilato e
scaricato direttamente sull’hardware. Il
sistema è stabile grazie al processore Real
Time che garantisce il determinismo,
sia per operazioni stand-alone sia
per analisi avanzate; i moduli di I/O
industriali assicurano tramite il loro
condizionamento del segnale integrato
un contatto diretto verso il campo. La
riduzione del time to market è garantita
anche grazie alla facile programmazione
tramite i tools integrati di LabVIEW
quali: PID, Fuzzy Logic, MFA,
e On/Off. n
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