SISTEMI PER L INDUSTRIA E PLC

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1 SISTEMI PER L INDUSTRIA E PLC SEZIONE 5 I livelli superiori di cella e di area Nota: le slide con (*) sono approfondimenti 1

2 Modello di riferimento Purdue (ISA95) LA CATENA GERARCHICA Livello 4 (MANAGEMENT/AREA) Business Logistic Systems - Sistemi ERP di gestione degli ordini e della produzione (big data, giorno) Livello 3 (AREA) Manufactoring Operating Systems - Sistemi MES ERP di gestione operativa del flusso di produzione e dei macchinari (big data, minuto/secondo) Livello 2 (CELLA) Control Systems - Sistemi PLC (automazione di fabbrica), DCS (controllo di processo), SCADA per supervisione, monitoraggio, controllo statistico, interfaccia operatore (ms) Livello 1 (CELLA/CAMPO) Intelligent Devices - Sensori, attuatori, periferia (0,1ms) Livello 0 (CAMPO) Physical Process - Macchinari (motori, trasformatori, generatori, sistemi idraulici, veicoli, (10ms) 2

3 PRODUZIONE: LIVELLO 4 Livello 4 (MANAGEMENT/AREA) Business Logistic Systems Enterprise Resource Planning (ERP). Un prodotto SW ERP spesso include tutto - Dai sistemi finanziari (business administration) fino alla pianificazione di ordini e impiego di macchinari. Grandi produttori (SAP, Oracle, Micorsoft, ) e soluzioni Open Source locali (Italia: Gazie, Gestionale Open, ) Customer Relationship Management (CRM) - Pacchetto clienti, relazioni con i clienti Human Resource Management (HRM) - Gestione del personale, uno dei principali costi indiretti Product Lifecycle Management (PLM) - Dall idea (conceive), al progetto (design), ai processi di lavorazione (realize) e alla manutenzione e smaltimento (service) Process Development Execution System (PDES) - Simile a PLM ma per settori produttivi che impiegano tecnologie speciali (microelettronica, nano sensori, dispositivi biomedicali, ) Supply Chain Management (SCM) - Gestione di flussi di materiale Supplier Relationship Management or Procurements (SRM) - Gestione fornitori, riduzione rischi e costi 3

4 PRODUZIONE: LIVELLO 3 Livello 3 (AREA/CELLA) Manufactoring Operating Systems (MOMs) Manufactoring Execution System (MES) - Pianificazione, tracciabilità, gestione (qualità) e documentazione del processo produttivo di trasformazione da materiale grezzo o semilavorato a semilavorato o prodotto finito - KPI Key Performance Indicator- - Fondamentale nei processi dove è richiesta certificazione (farmaceutici, food&beverage) Laboratory Information Management System (LIMS) - Tracciabilità del prodotto e dei test subiti. Struttura informatica di data analysis e data mining basata su diversi modelli (client-server, web-based) Warehouse Management System (WMS) - Gestione dei magazzini e delle movimentazioni, logistica Computerized maintenance management system (CMMS) - Gestione della manutenzione NOTA: a livello 4 e 3 sono solo prodotti SW che richiedono computer e reti di PC 4

5 COMPUTER INDUSTRIALI Vantaggi Ambiente HW e SW standard Massima integrazione - comunicazione standard (Ethernet/Internet) - ampie possibilità di organizzazione e gestione dei dati - portabilità delle applicazioni Presente da tempo a livello gestionale Svantaggi Problemi di industrializzazione/costi Scarsa adattabilità alle applicazioni in tempo reale Limitato supporto di ingressi/uscite Poco presente a livello di gestione diretta del campo (PLC, PMC, sistemi dedicati) 5

6 PC: LIVELLI DI APPLICABILITA Management Presente da tempo Sistemi CAD/CAM (da management verso il campo) Sistemi ERP/MES (da campo verso il management) Area Supervisione e gestione di processi Workstation industriale + Real-Time Operative Systems (RTOS) (Diffusi) Schede di interfaccia verso I/O e verso reti Cella Supervisione, interfaccia operatore, gestione di database (PC), abbastanza diffusi Controllo di processo (PC+RTOS), poco diffusi Campo Controllo di processi, coordinatore di sensori/attuatori (PC+RTOS), quasi assente Tablet, smartphone per diagnostica 6

7 LIVELLO AREA: GESTIONE DI PROCESSO Ingegnerizzazione per l ambiente industriale Problemi simili a quelli analizzati per i PC industriali - maggiore robustezza - maggiori costi Maggiori problemi di integrazione rispetto alle workstation office Requisiti funzionali Elevata capacità di memoria ad accesso veloce Gestione di tipi di dati complessi RTOS veloci e potenti (tipicamente derivati da Unix) Elevata diffusione grazie alla portabilità delle applicazioni NOTA: gli SCADA operano a livello di CELLA e a livello di AREA 7

8 LIVELLO CELLA: SUPERVISIONE E CONTROLLO DI PROCESSO Architettura: PC + RTOS (+ interfacce verso I/O e verso reti) Gestione di processi lenti Supervisione (elaborazione di dati, controllo di processi lenti, ) Diagnostica Interfaccia operatore Acquisizione, memorizzazione e condivisione dei dati di processo.. La soluzione PC-based si và affermando sempre più (SCADA) Gestione di processi veloci RTOS molto snelli (Real Time Kernel RTK-) Insufficienza degli I/O veloci.. La soluzione PC-based è agli albori (Soft-PLC) 8

9 SOFT-PLC Il PLC è uno strumento programmabile in accordo a IEC1131 utilizzato per la gestione in tempo reale di ingressi e uscite, con tempi di campionamento degli ingressi (tempo di ciclo di scansione) nell ordine della decina di ms perché non farlo con un PC con sistema operativo Real Time e ingressi e uscite decentrati su bus di campo? 9

10 SOFT-PLC: il problema degli I/O Il PC può gestire un interfaccia di comunicazione in tempo reale grazie ad un sistema operativo in tempo reale e/o ad hardware specifico (scheda con processore e memoria) Moduli concentratori (Ingressi/uscite remotati), vedi sezione 4 Dispositivi che acquisiscono il sensore con uscita analogica (0-5V, 4-20mA,..) proprio come un modulo locale di ingressi analogici, lo convertono in digitale, incapsulano l informazione in un protocollo di comunicazione il bus di campo- e inviano al PC che riceve e mette a disposizione le informazioni su IPI Moduli periferia (moduli intelligenti remotati) Il modulo di periferia agisce come un concentratore con in più intelligenza locale Un PLC compatto può essere utilizzato come periferia La periferia, al contrario del PLC compatto, non può avere vita autonoma 10

11 PERIFERIA O CONCENTRATORE O SMART SENSORS Grazie a questi sistemi, ad un bus di campo (o una real-time Ethernet) e a un PC si può realizzare un controllore (Soft-PLC) o un sistema di acquisizione dati Soft-PLC = controllore basato su PC con RTOS e su architetture distribuite di gestione dei segnali di ingresso-uscita (I/O) La soluzione PC-based è considerata meno affidabile rispetto al PLC, a causa della complessità del sistema operativo (aggiornamenti, obsolescenza precoce, ) Sistema di acquisizione dati = apparato capace di acquisire, memorizzare e, in molti casi, analizzare e proporre all operatore dati provenienti dal mondo reale Molto usato (SCADA) 11

12 SISTEMI DI ACQUISIZIONE: classificazioni Sistemi orientati all operatore memorizzazione, elaborazione, presentazione non ci sono criticità temporali (basta conoscere m(t)) Strumentazione tradizionale Strumentazione virtuale Sistemi per l industria Sistemi orientati alle macchine memorizzazione, elaborazione, interfaccia necessità di aderenza al tempo reale Il PLC può essere considerato come un sistema di acquisizione Sistemi per l industria 12

13 Sistemi centralizzati SISTEMI DI ACQUISIZIONE: classificazioni SENSORE SENSORE ACQUISIZIONE ACQUISIZIONE STRUMENTO rete SENSORE ACQUISIZIONE Sistemi distribuiti SENSORE SENSORE SENSORE ACQUISIZIONE ACQUISIZIONE ACQUISIZIONE rete STRUMENTO STRUMENTO 13

14 STRUMENTAZIONE TRADIZIONALE Multimetri, oscilloscopi, frequenzimetri, impedenzimetri, analizzatori di rete, analizzatori di spettro, data logger,... sono strumenti dedicati Spesso richiedono elettronica di condizionamento per acquisire da un sensore (costi) O lo strumento ha la funzione (Es. FFT) o devo trasferire i dati su un PC Sensore HW ad hoc di interfaccia Oscilloscopio G.P.I.B. LXI HW ad hoc di interfaccia NOTA: Frequenzimetro Generatore di funzioni 14

15 STRUMENTAZIONE VIRTUALE Labview, Labwindows, strumenti PC-based dedicati (Es. AST microscan per test di materiali ferromagnetici) Spesso richiedono elettronica di condizionamento Spesso hanno prestazioni inferiori rispetto alla strumentazione tradizionale (velocità, range del segnale,...) La strumentazione tradizionale sta volgendo verso l architettura PC-based Sensore HW ad hoc di interfaccia Schede d acquisizione da inserire all interno del PC NOTA: esistono anche moduli su USB o su Ethernet ( 15

16 BREVE INTRODUZIONE A LABVIEW Linguaggio di programmazione grafica a icone Pannello (front panel) = interfaccia utente Diagramma (block diagram) = ambiente di programmazione Strumenti virtuali = VI = programmi scritti in Labview Composti da - pannello (interfaccia utente) - diagramma (contiene il codice sorgente grafico del VI che ne definisce le funzionalità) - insieme di icone e matrici interfaccia, dove si ha: - icone (icon): rappresentazione grafica (in alto a dx) per rappresentare il VI - matrice interfaccia (connector pane) (identifica il VI in termini di connessioni) icona e matrice interfaccia vengono utilizzati per identificare il VI così che possa essere utilizzato in un altro VI (subvi subroutine) icona NOTA: matrice interfaccia 16

17 PANNELLI E DIAGRAMMI Pannello Pannello e diagramma L oggetto di un pannello corrisponde ad un terminale del diagramma Terminale Oltre che di terminali, il pannello è composto da fili e nodi (funzioni a libreria) 17

18 ESECUZIONE/COSTRUZIONE DEL PROGRAMMA La funzione di nodo viene eseguita quando sono disponibili gli ingressi relativi e genera l uscita alla fine dell esecuzione, quindi ciascun percorso ha la sua temporizzazione Palettes = strumenti per la costruzione di diagrammi e pannelli (Tools, Controls, Functions) Tools (Es. fili) Controls (pannelli) Functions (diagrammi) 18

19 INTERFACCIA VERSO IL CAMPO DAQ = dispositivi per la generazione e l acquisizione di segnali da esterno DAQ locale (scheda plug-in) o remoto (USB, Ethernet) I VI si interfacciano ai DAQ mediante un SW (NI-DAQ), che mette a disposizione delle DLL che rappresentano l interfaccia ad alto livello del DAQ 19

20 SOFT-PLC: I/O locali e I/O decentrati I/O locali mediante Schede (PCI, PC-104, ) I/O decentrati mediante moduli concentratori e periferia E il problema del tempo reale? 20

21 PC E SISTEMI OPERATIVI REAL-TIME Sistema Operativo Real Time = RTOS derivano da Unix Real time = predicibilità della risposta Hard real time = predicibilità e velocità Sistemi operativi hard-real-time (tempo di risposta predicibile e < 0.1ms) Definizioni e parametri di interesse tempo di latenza = tempo tra interrupt ed esecuzione del processo - dipende dal sistema operativo (architettura) e da cosa sta facendo Unix: modi di funzionamento - user (il processo può essere interrotto preemption-) - kernel (funzioni di sistema read,write,sleep,signal- con tempo?) kernel preemptive (MPPL fisso<1ms, RTK) o non preemptive (MPPL 1s) maximum process preemption latency MPPL- (tempo che impiega un processo kernel a tornare in user ed essere interrotto da un processo più prioritario) 21

22 SCHEDULATORI REAL-TIME Schedulatore = determina come vengono utilizzate le risorse del sistema (CPU's) dai processi che devono essere eseguiti cuore del sistema operativo Politiche di schedulazione dei processi time sharing (kernel non real-time) priorità fissa a eventi (kernel real time RTK-) Politiche di assegnamento delle priorità dei processi riassegnamento delle priorità tra i processi (kernel non real time) algoritmi a priorità fissa (Es. FIFO) (kernel real time) Politiche di interfacciamento al kernel POSIX (Portable Operating Interface for Computer Environments) Insieme di interfacce verso il sistema operativo (inizialmente UNIX) per facilitare il passaggio di un applicazione su sistemi diversi 22

23 POSIX (Portable Operating Interface for Computer Environments) POSIX (Comitato P1003, 1985, derivato da /usr/group poi Uniforum) Definizione delle interfacce di accesso al kernel (P1003.1) - chiamate di sistema - modalità di richiesta di servizi di base del OS da parte degli applicativi (C) Definizione dell interfaccia utente (P1003.2) - Shell e comandi Definizione delle metodologie di verifica della compatibilità POSIX (P1003.3) RTOS POSIX-compatibili - Applicazioni real-time multiprocesso: allocazione temporale dei percorsi critici - Inter Processing Communication (IPC) = strumenti per la com. tra i processi: 1) Semafori (programmazione concorrente) 2) memoria condivisa (da proteggere con semafori) 3) Canali di comunicazione (code di messaggi, sockets o pacchetti) - Schedulazione per blocchi (threads) (diverse priorità a blocchi di un processo) 23

24 RTOS POSIX-COMPATIBILI Realizzazioni a doppio kernel (Linux, WinNT) L OS viene richiamato da un kernel patched come se fosse un applicativo a bassa priorità Neutrino Derivato da QNX, multitasking, interrupt, supporto COM VxWorks (WindRiver) kernel (schedulatore, networking, file system, I/O management) ulteriori moduli (Java, supporto memoria virtuale, ) multitasking, interrupt, trasparenza per il decentrato, supporto COM Caratteristiche di un RTOS POSIX-compatibile flessibile e versatile verso le diverse piattaforme HW elevato numero e tipologia di interfacce (Application Program Interfaces API-) scalabilità (rommabilità da poche decine di kbytes fino alle applicazioni più complesse) 24

25 PC + RTOS + Periferia = SOFT-PLC? La piattaforma PC, con un RTOS e un interfaccia bus di campo verso moduli concentratori e/o di periferia, più un applicativo IEC1131 realizza un SOFT-PLC Ma il Soft-PLC è davvero conveniente rispetto al PLC? Se include anche un sistema di HMI (Human-Machine Interface) e di supervisione, probabilmente si I sistemi di HMI e supervisione sono particolarmente adatti all ambiente PC Avere la stessa piattaforma per PLC e HMI+supervisione elimina i costi della connessione hardware Serve tuttavia un meccanismo di condivisione e scambio dei dati tra le diverse applicazioni (es. Soft-PLC, HMI, Supervisore) Quali tecnologie informatiche per l interfaccia e lo scambio dati tra le applicazioni? Si comincia ad affrontare il problema negli anni 90 (Windows 3.0, Windows NT) 25

26 TECNOLOGIE COM/DCOM COM (Component Object Mode) Livello di astrazione che permette la comunicazione tra diversi processi DCOM (Distributed Component Object Mode) DCOM = Com con processi su diversi computer ActiveX = COM su Internet COM è una tecnologia volta all utilizzo delle funzionalità OLE OLE (Object Linking and Embedding) Metodo Microsoft di interazione tra le applicazioni: permette di inserire in un documento, parte di un altro documento (un grafico, un'immagine, una tabella...) preparato con un altro programma: la parte inserita rimane modificabile attraverso il programma originario e le modifiche sono riportate automaticamente nel documento che la contiene. NOTA: l obsolescenza digitale ha bloccato l introduzione dell informatica nella Cella/Area (tempo di vita di una cella: 20 anni) 26

27 LIVELLI OLE & COM (*) OLE1 - Quando si fa doppio click sul documento inserito viene caricata l'applicazione ed il documento originari - Utilizza DDE (Dynamic Data Exchange, metodo, con uguali finalità, precedente a OLE ma meno affidabile) per comunicazioni tra applicazioni. OLE2 - Quando si fa doppio click sul documento inserito, si rimane all'interno della stessa applicazione, ma la barra dei menu e le barre degli strumenti vengono sostituite con quelle dell'applicazione originaria. - Abbandona DDE - Nuovo protocollo di comunicazione basato su componenti: COM COM - Sviluppo su componenti, linkabili, avviabili ed eseguibili su computer in rete - Possibilità di suddividere applicazioni in grandi parti e in linguaggi diversi - Uso di Visual Basic 4 e di controllori OLE - DCOM (Distributed Component Object Model): Uso di controllori ActiveX 27

28 COM&DCOM (*) COM: comunicazione tra processi - Proprietà (predisposizioni e settaggi) - Metodi (funzioni chiamate su un processo per effettuare un azione) - Eventi (messaggi che un processo crea per avvisare che è successo qualcosa) DCOM: ne il client ne il componente si rendono conto dell allocazione reciproca - Non mostra la locazione di un componente ovunque esso sia - Il modo in cui il client effettua la chiamata al componente non cambia - Non effettua modifiche al codice né ricompilazione, ma riconfigura solo il modo in cui i componenti sono connessi l uno con l altro COM/DCOM: indipendenza dal linguaggio - Componenti DCOM possono essere scritti in quasi tutti i linguaggi (praticamente tutti quelli di produzione Microsoft) - L oggetto COM viene visto come una scatola nera e in particolare tutta la manipolazione dell oggetto avviene tramite interfacce COM/DCOM: indipendenza dalla rete (TCP/IP, UDP, IPX/SPX,...) 28

29 OPC (OLE FOR PROCESS CONTROL) OLE = Object Linking and Embedding Modalità di trasferimento e condivisione dei dati tra processi diversi. Esempio: edit di un foglio excel in un documento word. OLE Automation = Possibilità di accedere alle funzionalità di un software da un programma esterno (Es. programmazione automatica di una CNC) OLE = risposta alla pluralità di driver e interfacce Applicazione 1 Applicazione 2 Applicazione 1 Interfaccia OPC Applicazione 2 Interfaccia OPC Server 1 Server 2 Server 3 OPC Server 1 OPC Server 2 OPC Server 3 OPC 29

30 OPC (OLE FOR PROCESS CONTROL) OPC (1996 -> OPC Foundation -più di 200 aziende-) Basato sulle tecnologie Windows OLE, COM, DCOM, è un modello client-server Consente alle applicazione gestionali e di controllo di accedere in tempo reale alle informazioni provenienti dalla produzione Soluzione OPC = server OPC + applicazioni OPC client Si propone l interoperabilità e la connettività plug-and-play tra sistemi diversi: le applicazioni OPC client possono comunicare a server OPC connessi a oggetti diversi (sensori, PLC, SCADA, Fieldbus,..) di costruttori diversi E un interfaccia standard per lo scambio dei dati di produzione Server OPC: Application Programming Interfaces (API) per l uso di applicazioni scritte in: - C++ (Interfaccia OPC Custom) - Visual Basic (VB) o Delphi (Interfaccia OPC Automation) - Interfacce Custom (componenti) come filtri per Interfacce Automation Server Group Item OPC UA (2006): ci si svincola dalle tecnologie Windows (oltre ad altre migliorie) 30

31 SERVER OPC Server = regola l accesso ai dati per client multipli. Contiene OPC groups - accesso ai dati, agli allarmi e agli eventi OPC group = meccanismo di organizzazione dei dati (pubblico o privato) - Deadband (banda di tolleranza), Update rate (frequenza aggiornamento dato) Item = riferimento del dato = valore qualità device- timestamps OPC Server Applic. SW OPC Client/server Interfaccia COM OPC Group Update Rate Deadband Applic. SW OPC Client/server Interfaccia COM System events Alarms OPC Item Timestamp Value Quality OPC Item Timestamp Value Quality 31

32 SPECIFICHE DI INTERFACCIA OPC (COMITATI TECNICI) Data Access Descrive l interfaccia di accesso ai dati per OPC server ITEM = riferimento del dato = valore qualità device- timestamps Interfaccia Allarmi ed Eventi Descrive l interfaccia per la gestione di allarmi e eventi (gli eventi vengono utilizzati per la gestione di processi batch, quali la manutenzione programmata o la pianificazione della produzione) Accesso ai dati storici Consente alle applicazioni client OCP di leggere e scrivere dati verso server OPC che possono contenere i dati relativi all intera fabbrica OPC per Windwos CE (piattaforma real-time per applicazioni embedded che comunicano mediante OPC e Ethernet) OPC Server Toolkit (consentono di sviluppare server OPC con comunicazioni di ogni tipo. Es. Microsoft TAPI -Telephony Application Program Interface) 32

33 SISTEMI SCADA SCADA = Supervisory Control And Data Acquisition Sistema centralizzato di supervisione e controllo di sistemi distribuiti Si basa su un Host computer (PC o Workstation) e supporta linguaggi visuali Si collega (LAN) ai sistemi ERP (OPC server) e mediante bus di cella ai PLC Architettura SCADA = più stazioni client che utilizzano un unico server come gestore di database e funzioni centralizzate Trend e rapporti Gestione ricette Gestione allarmi Interfaccia operatore Controllo di processo Base dati di processo OPC Sistema esperto Supporto manutenzione 33

34 SISTEMI SCADA: SOTTOPARTI BASE DATI DI PROCESSO Nucleo del sistema SCADA Architettura del record relativo al dato: codice della variabile, descrizione, tipo, classe di evento, classe di allarme, tempo di aggiornamento, valore grezzo, valore convertito, stato di allarme,... MODULO DI COMUNICAZIONE (detto anche DRIVER) Si connette secondo OPC ai Remote Terminal Unit RTU- (PLC,...) Può essere utilizzato per connettere applicativi residenti sullo stesso computer INTERFACCIA OPERATORE (HUMAN MACHINE INTERFACE HMI-) Accesso al database Possibilità di impostare pannelli di comando e sinottici mediante linguaggi grafici (librerie a garanzia dell uniformità) 34

35 SISTEMI SCADA: SOTTOPARTI GESTIONE ALLARMI Classi di priorità/azioni protettive degli allarmi Allarmi a insorgenza (rientrano solo a seguito di reset generale) Allarmi a insorgenza e riconoscimento (rientrano a seguito del ripristino reset prevalente-) Allarmi a insorgenza, riconoscimento e rientro (rientrano a seguito del ripristino set prevalente-) GESTIONE RICETTE Ricette = sequenze di azioni pianificate (impostazione ciclo di lavorazione, manutenzione,...) Attivazione periodica, su evento o su comando dell operatore TREND E RAPPORTI analisi del processo in corso (trend) Archivio storico dei dati di processo 35

36 SISTEMI SCADA: SOTTOPARTI SUPPORTO ALLA MANUTENZIONE Procedure automatiche di: - manutenzione correttiva (a seguito di guasti e/o anomalie) - manutenzione preventiva (verifica pianificata e/o successiva a modifiche calibrazione di sensori, cambio attrezzi,...) SISTEMA ESPERTO Delegato alla decisione a seguito di eventi non programmati, come fosse un operatore umano Formulazione di più ipotesi invece di decisioni automatiche CONTROLLO STATISTICO DI PROCESSO (CSP) Caratterizzazione di un processo mediante distribuzione statistica riassunta nei parametri valore medio e dev. Standard verifica fluttuazione parametri = indice anomalie di processo 36

37 SISTEMI SCADA: TOPOLOGIE GPIB Serial/Ethernet Serial Instruments I/Os Distributed I/Os PLCs Plug-in boards Signal conditioning Ethernet / Internet Instruments I/Os Distributed I/Os PLCs Plug-in boards Signal conditioning 37

38 SISTEMI SCADA: CRITERI DI PROGETTO Interfaccia operatore semplice e funzionale Database con formato standard dei dati Qualità e non quantità dei dati Architetture HW, SW e d interfaccia standard e aperte PC Linux, Win2000 Ethernet/Internet Minimizzare dati su carta Massima sicurezza dell accesso Vari prodotti freeware (es. CSWorks controlsystemworks.com-) 38

39 SISTEMI SCADA: UN ESEMPIO LABVIEW, modulo DSC (datalogging and supervisory control system) Unisce la connettività OPC con l ambiente grafico di programmazione LabVIEW E un motore software che comprende: - Client OPC verso le schede di acquisizione (server) e i PLC - Interfaccia verso gli strumenti virtuali (Labview) - Interfaccia verso altre applicazioni (DLL) - Gestione di sinottici di impianto (interfaccia operatore) - Gestione ed elaborazione di database (supervisione di processo) OPC server- - Gestione allarmi ed eventi - Controllo di processi lenti - Accesso remoto al database e ai dispositivi (strumentazione e controllo distribuito) 39

40 LABVIEW DSC LabVIEW RTDB Tags DSC Engine OPC Client DLL Citadel DB Citadel Compression COM/DCOM OPC Server RTDB = Real Time DataBase Citadel = archivio storico Motore event-driven (attende eventi o cambiamenti nei dati) Scada Configuration Files (SCF): configura il server OPC 40

41 PLC vs. SOFT-PLC & HMI Il Soft-PLC è un programma che può coesistere sulla stessa scheda PC dove gira un semplice SCADA (es. database e HMI) Il Soft-PLC tipicamente è implementato in due contesti (uno in ambiente Windows per la programmazione e uno in ambiente HRTOS per l implementazione di PLC/CNC) Caratteristica PLC tradizionale SOFT-PLC & HMI CPU Proprietario PC I/O Centralizzato Distribuito su Fieldbus Sistema Operativo Proprietario HRTOS (UNIX-like) Es. POSIX, WinCE? Linguaggi Ladder, IL, C (PMC) IEC Protocolli verso LAN Proprietari, TCP-IP TCP-IP, OPC Protocolli verso sensori/motori Fieldbus Fieldbus->Ethernet, IP Nota: HRTOS = Hard Real Time Operative System (predicibilità della risposta + velocità della risposta) 41

42 STRATEGIE DI PROGETTAZIONE: PROBLEMATICHE (*) Problematiche: Elettriche, Elettroniche e Impiantistiche Sicurezza Software Comunicazioni Problematiche Elettriche, Elettroniche e Impiantistiche Parte di potenza dimensionamento utenze generali (motori c.a. a velocità fissa e variabile, motori c.c., brushless, ausiliari,..) e coordinamento comandi e protezioni (Es. motore c.a. -> teleruttore, magnetotermico di protezione, cavi) PLC dimensionamento PLC (tipo di CPU, tipo e numero moduli di I/O,..) Cablaggi Dimensionamento cavi all interno e esterno del quadro elettrico (portata, max. caduta di tensione -> sezione, colore, identificazione, tipo di isolante, canaline o guide -> layout -> compatibilità elettromagnetica) 42

43 STRATEGIE DI PROGETTAZIONE: PROBLEMATICHE (*) Problematiche relative alla sicurezza Normative europee su impianti e macchinari (campo di applicazione, requisiti essenziali, proc. di certificazione/marcatura, si basano sulle Norme Armonizzate) - LVD (Direttive sui materiali in bassa tensione (<1000V)) - EMC (Direttive sulla compatibilità elettromagnetica) - MD (Direttive macchine) Norme armonizzate (interpretazione tecnica dei requisiti essenziali per la sicurezza; si suddividono in 3 tipologie: A, B, C) - tipo A (concetti generali e principi di progettazione ) Es. EN292 per la progettazione di macchine elettriche - tipo B (aspetti specifici per la sicurezza) Es. EN418 (Dispositivi di arresto e emergenza) - tipo C (norme di sicurezza per uno specifico prodotto) Es. EN775 (Robot industriali) EN60204 (Norma fondamentale per l equipaggiamento elettrico delle macchine e impianti industriali, compresi i PLC) 43

44 STRATEGIE DI PROGETTAZIONE: PROBLEMATICHE (*) Problematiche relative al software Gestione ciclo manuale-automatico (allarmi, ripartenze a caldo e a freddo, sincronizzazioni) Tracking dati di processo Controllo e regolazione di processo Gestione posizionamenti automatici (gestione assi, posizionamento pezzi/attrezzi, pallettizzazione) Metodologia di codifica e strutture dati (strutture FIFO, sinergia con SCADA) Problematiche relative alle comunicazioni Comunicazioni e cablaggi a sicurezza intrinseca Dimensionamento reti (ripetitori, bridge, ) Garanzia dell integrazione e della sincronizzazione tra i sottosistemi 44

45 METODOLOGIE DI PROGETTAZIONE (*) Ciclo di vita della progettazione di un impianto di automazione Studio di fattibilità Specifica dei requisiti Progetto Implementazione Test Messa in servizio Manutenzione La specifica dei requisiti dell automazione viene eseguita dopo la specifica dei requisiti della parte meccanica dell impianto La progettazione dell automazione viene eseguita dopo la progettazione meccanica e funzionale dell impianto Approccio a più fasi 45

46 METODOLOGIE DI PROGETTAZIONE: fasi 1 e 2 (*) 1) Specifica dei requisiti (produzione di documenti) Layout dell impianto Lista delle motorizzazioni lista sensori/attuatori (I/O) Schemi pneumatici e oleodinamici,.. lista moduli funzionali Definizione delle condizioni ambientali (grado IP, T, Rh, rischi,..) 2) Progetto Stesura topologico dell impianto (def. di sottoparti funzionalmente omogenee) Per ogni sottoparte vanno definiti: - Le funzionalità - gli I/O scorte, margini dimensionamento PLC - i moduli funzionali Layout dell impianto -> Layout elettrico (fondamentale per i cablaggi) Definizione dei PLC e della relativa configurazione (CPU, I/O, moduli, ) 46

47 METODOLOGIE DI PROGETTAZIONE: fasi 3 e 4 (*) 3) Progetto Stesura dello schema elettrico - Progettazione della parte di potenza (avviamento motori, azionamenti,..) - Progettazione ausiliari (non passano dal PLC funghi di emergenza -) - Progettazione della parte di comando (PLC, tabella I/O) Lo schema elettrico, supportato da software specifici, consta di - rappresentazione grafica-funzionale dei dispositivi e dei collegamenti - numerazione e identificazione di dispositivi e collegamenti - gestione riferimenti incrociati ad altri schemi - distinta dei materiali - descrizioni in diverse lingue 4) Progetto Codifica ciclo PLC - Lista delle attribuzioni o tabella I/O -> tabella dei simboli - Progetto del programma 47

48 METODOLOGIE DI PROGETTAZIONE: progetto del programma * 5) Implementazione Segmentazione del programma in più parti (stazioni) Stazione = sottoparte omogenea e ben identificabile dell impianto che risulta il più possibile funzionalmente disaccoppiata dal resto Per ogni stazione vengono definite: - le procedure di inizializzazione - il programma, ripartendo tra sequenze in manuale e in automatico (l insieme dei comandi manuali è più vasto di quelli automatici) Cronologicamente si affrontano: - le sequenze in manuale (da pulpito o da pannello di comando via SCADA, in logica di sicurezza) - le sequenze in automatico (ridondanza e timeout sui sensori che determinano la transizione) - strutture dati per la tracciabilità dei materiali - strutture dati condivise con SCADA 48

49 SISTEMI CENTRALIZZATI E DISTRIBUITI Sistemi centralizzati Presenza di un elaboratore centrale o di una struttura rigidamente gerarchica Tutte le informazioni devono essere trasmesse all elaboratore centrale (elevati costi di cablaggio, rigidità del layout) Togliere/aggiungere/modificare una parte implica agire sull elaboratore centrale (deve essere ritestato tutto) Sistemi decentrati o distribuiti Più sistemi semplici al posto di un unico sistema complesso (riduzione del cablaggio, migliore flessibilità e scalabilità) Necessità di un efficiente sistema di comunicazione (affidabile, veloce, capace) 49

50 SISTEMI DI COMUNICAZIONE 4 livelli gerarchici Azienda (connesione tra differenti fabbriche in località diverse) Fabbrica (connessione tra i reparti acquisti, progettazione,..-) Reparto (connessione tra i singoli computer di uno stesso reparto) Isola (area controllata da un sistema computerizzato) Livello 4 Livello 3 Controllo azienda/fabbrica Controllo societario/finanziario Intranet (rete aziendale) - Sicurezza - Compatibilità - Espandibilità - Capacità Livello 2 Rete locale Controllo di cella Direzione di settore Direzione di settore Bus di campo Controllo di cella LAN (local area network) - Compatibilità - Espandibilità - Affidabilità - Capacità/Prestazioni Livello 1 50

51 REPARTO DI PRODUZIONE: PIRAMIDE CIM 4 livelli gerarchici sensori-motori Dispositivi con esigenze di comunicazione in tempo reale a pacchetti semplici PLC (livello cella) Controllo e coordinamento di sensori e attuatori SCADA (livello area) Supervisione tramite rete locale dei PLC Sistemi ERP/MES Elaborazione dei dati di produzione ERP Prestazioni SCADA Quantità di dati PLC SENSORI-MOTORI 51

52 LAN: MODELLI ISO/OSI E TCP/IP ISO/OSI Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Collegamento dati Fisico TCP-IP Applicazione Trasporto IP (Internet) Host-rete (Ethernet, SLIP, ) 52

53 MAP (Manufactoring Automation Protocol) nato da General Electric FullMAP 3.0 (1987), MiniMap (1988), Enhanced Performance Arch. (1988) Broadband = comunicazione tra più utenti sullo stesso cavo utilizzando differenti frequenze Cavi spessi (1inch) Carrierband: Livello fisico più economico (cavi sottili) Fino a 10Mbit/s per canale LAN IEEE token-passing bus Più protocolli a livello applicazione: - FTAM (File Transfer Access Method) per il trasferimento di file - MMS (Manufacturing Message System) per la gestione di messaggi (modelli di dispositivi e sistemi orientati all accessibilità) - ACSE (Association Control for Service Elements) per la comunicazione tra i programmi Soppiantato dai protocolli Internet su supporto Ethernet 53

54 RETE DI COMUNICAZIONE: CELLA, AREA (OLD) 54

55 RETE DI COMUNICAZIONE: CELLA, AREA (OGGI) Una stessa infrastruttura Ethernet (e WiFi) Real-Time Ethernet al posto dei bus di campo per le reti tra sensori, attuatori, periferia e controllori (PLC) durante la lavorazione (TCP/IP per la fase di configurazione) Traffico (protetto da firewall) UDP/IP e TCP/IP tra i controllori e gli SCADA Le sfide di Industria 4.0 e dell Industrial Internet of Things (IIoT) Traffico internet aperto tra tutti i nodi (Cyber Security) Identificazione globale delle informazioni (IIoT) e interazione tra i nodi a tutti i livelli (es. aggiungo un sensore e il pezzo di programma che usa quell informazione insieme alle altre di sensori già presenti senza modificare una riga del codice già scritto) Trattamento in tempo reale di grandi quantitativi di dati per ottimizzazione e adattabilità dei processi (Big Data) 55