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 automazioneintegrata • 72 • ottobre 2006 [email protected] 72 25-09-2006 16:58:18 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 automazioneintegrata • 73 • ottobre 2006 [email protected] 73 25-09-2006 16:58:19 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 automazioneintegrata • 74 • ottobre 2006 [email protected] 74 25-09-2006 16:58:23