INNOVATION. Intelligent manufacturing nel settore siderurgico. Claudio Brocca

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1 Intelligent Manufacturing for Steel Production Plants This article describes how some families of devices, specifically designed to integrate control and automation options, can be used to provide profitable architectural solutions in complex industrial sectors such as steel production and to answer the needs of a market now fully aware of the key role played by automation in Intelligent Manufacturing and more generally in Business Intelligence. By taking advantage of new hardware platforms, fast communication links as well as PLC-like programming systems, it is possible to integrate, within a single hardware platform, functions which refer to different hierarchical levels such as machine control, safety and automation functions, product tracking for work in progress, etc. Electrical Drives Control and complex automation functions, such as the flying cut for shears, the management of cascade references for a rolling mill, loop or minimum tension control or speed drop dynamic compensation, become available on a common architecture, able to share field signals and control data in real time, limiting at the same time the need for physical transportation of the information. In the light of this, the article below describes an R&D project which, starting from re-engineering of the control boards for low voltage drives, led to the creation of a platform capable of integrating drive control for AC and DC motors with process control functions with the possibility of PLC programming in real time mode in line with standard IEC Using these types of device within an automation system allows independent control systems to be created which can simultaneously perform basic control functions, oversee the overall machine logic and carry out automation functions for control of the production process, while ensuring the necessary exchange of information with the other automation levels. The modularity of the system allows us to provide solutions ranging from stand-alone applications (for motor control or machine control) to complete plant management (distributed process control) with easy integration in the case of existing automation or revamping. Some application examples are presented below to illustrate the various issues involved. 1 INTELLIGENT DEVICES Introduction Recent developments in the field of Information Technology applied to industrial automation have focused on two fundamental aspects, related to the latest technological trends, which are highly influential in the development of new products: large computation capabilities of the new digital signal processors Communication potential in terms of transfer rate and amount of data exchanged on the network. Nowadays, these capabilities are easily available and offer the ability to design products and systems with innovative features, improving basic functionality and at the same time supporting the flow of information through which data obtained from the production area is sorted and made available to other business divisions. These fundamental changes are slowly moving the cutting edge of automation systems towards distributed control systems capable of interacting autonomously with the external environment: new generation processors and reconfigurable devices are key elements in the design of the latest powerful and compact platforms, which can be adapted to meet the specific needs of the production process. Using real-time fieldbus connections based on the Ethernet infrastructure it is possible to distribute in the plant low cost technological functions, minimizing cabling and at the same time reducing the complexity of the central control system hardware. Motivations of the SYSTEM Project In industrial process control the drives, which oversee the motion of electric motors, represent the "operational" part of the system and are usually seen as simple actuators with the goal of achieving desired speed and/or position (slave). By contrast the algorithms developed for drive control, especially for vector control of AC motors are, although very sophisticated, by now well known and require a significant calculation capability on the drive itself in order to support functions such as vector calculation, flow estimators, sensorless controllers and so on. Therefore it is evident that the design requirements for a new family of drives change radically if, instead of just the functional aspects of the product, we consider the role that nextgeneration architecture can have within an automation structure for the control of industrial processes. With this in mind, about 3 years ago, we started an R&D project called SYSTEM whose main requirements were to: 1. Redesign the availability of communication interfaces 2. Yield direct programmability of the drive using IEC compliant programming tools 3. Provide libraries of applications with custom/dedicated features Intelligent manufacturing nel settore siderurgico Questa memoria descrive come sia possibile utilizzare alcune famiglie di dispositivi, progettati esplicitamente per integrare funzioni di controllo e di automazione, allo scopo di fornire soluzioni architetturali vantaggiose in settori industriali complessi come quello siderurgico e rispondere alle esigenze di un mercato ormai pienamente consapevole del ruolo chiave che l automazione assume nei confronti della Intelligent Manufacturing e più in generale della Business Intelligence. Sfruttando nuove piattaforme hardware, linee di comunicazione veloci e sistemi di programmazione PLC-like è possibile integrare, all interno di un unico hardware di riferimento, funzionalità riferibili a differenti livelli gerarchici come possono essere il controllo di macchina, le funzioni di automazione e di sicurezza, il tracking del prodotto in lavorazione, ecc. Il controllo di motori elettrici e le funzioni complesse di automazione, quali ad esempio il taglio al volo per cesoie, la gestione dei riferimenti in cascata di un laminatoio, il controllo d ansa o di tiro minimo, la compensazione della caduta di velocità all imbocco e così via, vengono rese disponibili su una base architetturale comune, in grado di condividere segnali dal campo ed informazioni di controllo in tempo reale, limitando al contempo la necessità di trasporto fisico delle informazioni. Alla luce di queste premesse viene illustrato un progetto di R&D che, a partire dalla reingegnerizzazione delle schede di controllo per azionamenti di bassa tensione, ha portato alla realizzazione di una piattaforma in grado di integrare il controllo di azionamenti per motori in C.A. e C.C. con funzioni di controllo di processo e con la possibilità di programmazione PLC in real-time mode su standard IEC L utilizzo di questa tipologia di dispositivi all interno di un sistema di automazione permette la realizzazione di sistemi di controllo indipendenti in grado di espletare contemporaneamente la funzione base di controllo, la gestione della logica complessiva di macchina e le funzioni di automazione per il controllo del processo produttivo cui la macchina è assegnata, garantendo al contempo il necessario scambio di informazioni con gli altri livelli di automazione. La modularità del sistema permette di fornire soluzioni che vanno dall applicazione stand-alone (per controllo motore o controllo macchina) fino alla gestione completa di un impianto (controllo di processo distribuito) consentendo inoltre un ottima integrabilità nei casi di interventi parziali e revamping. A supporto dei vari argomenti vengono presentati alcuni esempi applicativi. 4 5

2 4. Allow direct visibility of the drive inside the automation system. Starting from the creation of a new drive control board, specifically for the automation sector, the project gradually evolved into developing a new platform with marked "distributed process control" characteristics. The result of this design process is a new control platform that can not only be used in place of the existing families of low voltage drives for the control of electric motors (in the case of AC motors for input voltage from 380 Vac to 690 Vac and DC bus 930 Vdc and for power levels varying from a few kw up to around 6 MW), but can also be used for standalone applications (drive + PLC + machine logic), multi control (AFE + inverter,...) or driveless applications (PLC + control of flying shear,...). Hardware and software architecture The control board was produced by using a dualprocessor solution in order to keep the regulation side of the drive isolated from the communication and automation side. For the drive side control the chosen processor is a DSC device (Digital Signal Controller) which combines the typical performance of a DSP with the integration and easy programming capabilities of Microcontrollers, while for the part devoted to automation and communications a Microcontroller with PowerPC core (MCU) and a rich set of peripheral devices specifically devoted to communications was chosen. As shown in Figure 1, which illustrates the design choices, the new control board gives significantly better performance for the DSC part compared to the board used in the standard drive family (at least 6 times faster) while performance is much higher for the MCU Microcontroller part (76 times faster) due to the different (and more powerful) type chosen. Claudio Brocca FIG. 1 Figure 1 Comparison of performance (left in millions of instructions per second) and software execution time (right - in milliseconds) between the new platform and the previous control board used in the family of LV drives. The communications architecture has been developed based on the following considerations: 1. Opening the platform to the Ethernet network for centralized management of drives, independent of fieldbus connections 2. Increasing serial connections to allow contemporary use of resources by the terminal or operator panels 3. Adding to the slave fieldbus, needed as an interface for plant automation, a local fieldbus (to serve as Master) for the direct management of remote I/O 4. Availability of a wireless communication interface 5. Making possible multiple connections between several boards using a dedicated optical link 6. Using a memory board with USB interface FIG. 2 Figure 2 - Control board showing the available communication interfaces. The dual processor hardware solution obviously renders the software architecture more complex: data exchange between processors is performed simultaneously with a RAM dual-port mechanism (for variables, parameters and traces) and using a synchronous link (for diagnostics, commands, download/upload of firmware). Figure 3 shows the software architecture and refers to the MCU side (the DSC is not visible and connects to the area shown in the right of the figure as DPRAM). The use of a real-time pre-emptive multitasking operating system and the availability of a file system (implemented on flash memory) allows easy and quick access to the board via the Ethernet network for all configuration operations and diagnostics. The main task of the system relates to the DataServer (in the centre of the figure) which is responsible for managing access to drive data and the demands of the various communication tasks through message queuing. Process variables for the DSC are handled directly for each task using semaphoring techniques in order to prioritize the response time. The layered construction of the software (physical layer, protocol, message management etc.) has enabled, among other things, the communication channels to be made redirectional, allowing, for example, protocols using different physical layers to be re-directed to the Ethernet. FIG. 3 Figure 3 - MCU side software architecture and management of communication tasks. 2. EQUIPMENT DEVICES Libraries and automation functions In the SYSTEM project the software has been developed in order to make available a large number of functions included in user libraries, which can be called up by the user directly (using parameters) or from software (through call up of functions from PLC software). These functions are essentially divided into 3 types: - Standard Macro Functions: these can be called directly through an enabling parameter and a set of configuration parameters. These functions allow the drive to be customised straight away and are those typically available in standard drive controls. These include, for example, the digital potentiometer, ramps, flying restart, various controls on the torque limits, speed deviation, stall and many others. 1. INTELLIGENT DEVICES Introduzione Nell ambito della Information Technology applicata all automazione industriale sono evidenziabili 2 aspetti fondamentali che riconducono ai più recenti trend tecnologici e che hanno grande influenza nello sviluppo di un nuovo prodotto: le potenzialità di calcolo esprimibili a bordo delle schede di controllo le potenzialità di comunicazione in termini di velocità di trasferimento e quantità di dati scambiati sulle reti. Ora, a differenza che in passato, queste potenzialità di sviluppo risultano facilmente disponibili ed offrono la possibilità di progettare prodotti e sistemi con caratteristiche innovative, migliorandone le funzionalità di base ed al contempo permettendo quel flusso informativo attraverso il quale i dati ottenuti nella zona produttiva vengono variamente categorizzati e resi disponibili agli altri reparti aziendali. Questi cambiamenti fondamentali stanno spostando lentamente il confine dei sistemi di automazione verso sistemi di controllo distribuiti capaci di interagire in modo autonomo con l ambiente esterno: processori di nuova generazione e dispositivi riconfigurabili sono gli elementi chiave della progettazione di nuove piattaforme potenti e compatte capaci di adattarsi in modo flessibile alle specifiche esigenze del processo produttivo. Per mezzo di bus di campo real-time basati sulla infrastruttura Ethernet è possibile distribuire sull impianto funzioni tecnologiche a basso costo minimizzando i cablaggi e riducendo, al tempo stesso, la complessità dell hardware del sistema di controllo centrale. Motivazioni del progetto SYSTEM Nel controllo dei processi industriali gli azionamenti, che sovrintendono al movimento dei motori elettrici, rappresentano la parte operativa del sistema e vengono normalmente considerati come semplici attuatori per ottenere determinati profili di velocità e/o di posizione (servo). Per contro gli algoritmi sviluppati per il controllo degli azionamenti, in particolare per il controllo vettoriale dei motori in corrente alternata, sono, pur se molto sofisticati, ormai da tempo consolidati e richiedono, a bordo dell azionamento stesso, una notevole potenzialità di calcolo per soddisfare funzioni quali calcoli vettoriali, stimatori di flusso, controllori sensorless e così via. È chiaro quindi che i requisiti di progettazione per una nuova famiglia di azionamenti cambiano radicalmente se, anziché limitarsi agli aspetti funzionali del prodotto, si considera il ruolo che una architettura di nuova generazione può avere all interno di una struttura di automazione per il controllo di processi industriali. Alla luce di queste considerazioni prese l avvio, circa 3 anni fa, un progetto di R&D denominato SYSTEM i cui requisiti principali erano: 1. Riprogettare la disponibilità delle interfacce di comunicazione 2. Dare una programmabilità diretta dell azionamento per mezzo di tool di programmazione in accordo con IEC Fornire librerie di applicazioni con funzioni custom/dedicate 4. Permettere una diretta visibilità dell azionamento all interno del sistema di automazione 6 7

3 - Advanced Macro Functions: these functions are handled in the same way as the previous ones but usually refer to specific applications relating to internal control. Among them we can list the functions related to lifting, dropping, diameter calculation (with speed dancer, load cell), control of electrical axis, and so on. - Automation Functions: these are special functions which typically relate to the automation system. In some cases hardware extensions or plug-in modules are required. They include the tension regulator (indirect or with load cells), the loop regulator, the thickness control or the various types of cut-on-the fly control. To allow the system to perform functions that require specific additional hardware or need extremely high performance, the control board is accompanied by a set of optional plug-in modules. The extremely simple method of interfacing complex devices such as the FPGA (used for example for the realization of the "flying shear" function) or other microprocessors (such as for the implementation of the EtherCAT Master module) means that in theory virtually any real-time application can be implemented directly on the board. Embedded PLC Having a programmed tool directly on the board is essential for developing user applications in a distributed environment and allows customised functions to be produced for adaptation to the production environment such as start and stop logic (state machine), alarm management, user interface, etc. This feature has been realized by integrating PLC commercial software that can provide an IEC compliant programming tool that supports all 5 programming languages: the result is the ability to produce native and fast machine code for the MCU part of the board. This solution combines the easy handling of PLC programming systems with the necessary interoperability to ensure simple and direct use in the automation environment. The PLC program uses standard blocks to connect with the internal server, thereby providing the user with transparent data access. Process data, drive parameters and I/O configuration can be processed and made available through simple variable assignment or through library calls and functions. In addition to the macro tasks listed in the libraries above it is then possible to develop PLC functions tailored to specific applications with cycle times that can easily drop below 1 ms. The machine control: example of shear control The use of the SYSTEM platform within an automation system allows the creation of independent control systems capable of carrying 4 parallel activities: - The basic function of drive control - Management of the overall logic of the machine - The automation functions to control the production process which the machine is assigned to - The proper exchange of information with other levels of automation Complex functions such as control for Start/Stop shears, Clutch/Brake shears, diverters, lying heads or carriages require a proper interface with the sensors in the field (encoders, position sensors, photocells) and therefore require, when using the SYSTEM Control, an optional hardware module. Figure 4 - Diagram of speed profile for a start/stop shear and view of drive and connections. All control functions are carried aboard the control board; the main control loop, including the updating of the counters, the generation of theoretical speed reference and auxiliary functions for the management of I/O run on interrupt at 400 microseconds, while the remaining functions (communications management, calibration updating) run on slower tasks. The main control function is generating the torque reference for the shear motor, which can be run directly by the drive. The essential inputs for correct operation are: - Bidirectional line encoder - Material presence sensor placed on the shear - blade sensor in cutting position FIG. 4 A partire dalla realizzazione di una nuova scheda di controllo drive, specifica per il settore automazione, il progetto si è via via evoluto nello sviluppo di una nuova piattaforma con spiccate caratteristiche di distributed process control. Il risultato di questa progettazione è una nuova piattaforma di controllo che, oltre a risultare applicabile in sostituzione delle esistenti famiglie di azionamenti in bassa tensione per il controllo di motori elettrici (nel caso di motori in C.A. per tensioni di ingresso da 380Vac a 690Vac e 930 Vdc in bus DC e per potenze da pochi KW fino a circa 6 MW), può essere utilizzata anche per applicazioni singole (drive+plc+logica di quadro), multi controllo (AFE+inverter, ) oppure in applicazioni driveless (PLC+controllo di taglio al volo, ). Architettura hardware e software La scheda di controllo è stata realizzata mediante una soluzione a doppio processore allo scopo di mantenere completamente isolata la parte di regolazione dell azionamento rispetto a quella messa a disposizione per le comunicazioni e l automazione. Per la gestione della regolazione drive la scelta del processore si è indirizzata verso un dispositivo DSC (Digital Signal Controller) in grado di combinare le prestazioni tipiche dei DSP con l integrazione e la facilità di programmazione dei Microcontrollori, mentre per la parte dedicata all automazione ed alle comunicazioni è stato scelto un Microcontrollore con core PowerPC (MCU) ed un ricco set di periferiche espressamente dedicate alle comunicazioni. Come illustrato nella figura 1, a conferma delle scelte progettuali, l incremento in termini di performance della scheda di controllo rispetto a quella utilizzata nella famiglia di azionamenti standard è molto significativo per la parte DSC (almeno 6 volte più veloce), motivato dalla scelta di un componente di ultima generazione, mentre risulta estremamente elevato per la parte Microcontrollore MCU (76 volte più veloce) a causa della diversa (e più potente) tipologia scelta. Figura 1 Comparazione delle performances (a sinistra - in milioni di istruzioni al secondo) e del tempo di esecuzione del software (a destra - in millisecondi) tra la nuova piattaforma e la precedente scheda di controllo utilizzata nella famiglia di azionamenti in B.T. L architettura delle comunicazioni è stata sviluppata sulla base delle seguenti considerazioni: 1. Apertura della piattaforma alla rete Ethernet per gestione centralizzata dei drives, indipendente dalle connessioni fieldbus 2. Incremento delle connessioni seriali per far fronte ad utilizzo contemporaneo delle risorse da parte di terminali o pannelli operatori 3. Affiancamento al fieldbus slave, necessario come interfaccia per l automazione di impianto, di un fieldbus locale (inteso come Master) per la gestione diretta di I/O remotato 4. Disponibilità di un interfaccia di comunicazione wireless 5. Possibilità di connessione multipla tra più schede mediante link ottico dedicato 6. Utilizzo di memory card con interfaccia USB Per completare la disponibilità on-board, in termini di apertura alle comunicazioni, al Microcontrollore è stato affiancato un dispositivo Profichip; questo ha permesso di disporre complessivamente delle seguenti interfacce di comunicazioni: 3 porte seriali asincrone RS232/485 (ANSI + Modbus RTU + diagnostica) 1 porta seriale dedicata per link wireless 1 CAN (CANopen o DeviceNet) 1 Profibus DP V2 Slave 1 Ethernet 10/100 Mbps 1 USB host controller 2 SPI (Serial Peripheral Interface) bus sincrono su fibra ottica 1 SCI (Serial Communications Interface) bus asincrono 1 interfaccia Anybus Figura 2 Scheda di controllo con indicazione delle interfacce di comunicazione disponibili Come conseguenza della soluzione hardware a doppio processore l architettura del software risulta evidentemente più complessa: lo scambio dati tra i processori avviene contemporaneamente con un meccanismo di RAM dual-port (per variabili, parametri e trace) e mediante un collegamento sincrono veloce (per diagnostica, comandi, download/upload del firmware). La figura 3 mostra l architettura software e si riferisce al lato MCU (la parte DSC non è visibile e si collega all area indicata a destra nella figura come DPRAM). L utilizzo di un sistema operativo real-time preemptive e multitasking e la disponibilità di un file system (realizzato su flash memory) permettono di accedere alla scheda in modo semplice e immediato tramite rete Ethernet per tutte le operazioni di configurazione e diagnostica. La task principale del sistema è il DataServer (al centro in Figura 2) che ha il compito di gestire l accesso ai dati del drive e le richieste delle varie task di comunicazione mediante code di messaggi. Le variabili di processo verso il DSC, allo scopo di privilegiare il tempo di risposta, vengono invece gestite direttamente dalle singole task mediante tecniche di semaforizzazione. La costruzione a strati del software (livello fisico, protocollo, gestione messaggi, ) ha consentito tra l altro la re-direzionalità dei canali di comunicazione consentendo, ad esempio, di dirottare su Ethernet protocolli che utilizzavano livelli fisici diversi. Figura 3 Architettura software lato MCU e gestione delle task di comunicazione. 8 9

4 There is also an interface with a PLC/PC that can provide the necessary parameters to operate the shear, but it is not involved in calculating measurements and the execution of real time cuts. The process is controlled by a series of parameters set by the PLC/PC such as: - cutting values - blade circumference - synchronism width angle - Angle of repose - Angle of acceleration, deceleration - Constant adapter for encoder signal - Overspeed - Maximum line speed The line encoder on the machine defines the speed of the incoming material; 2 further encoder inputs are provided since, where shears are in the cooling bed input, use is made, in sequence, of the encoder for the finishing stand and the pinch-roll for the shears. The line encoder provides dual information on the speed (frequency) and covered distance (No. of pulses). It is possible to enable line simulation and collect the information on speed and covered distance not from the encoder but from an internally generated frequency. The pulses are counted in real time inside the board in order to build two tracking counters in the case of a simultaneous presence of two bars. Blades start to move with enough time to accelerate, synchronize with the speed of the cutting material and to cut it at the desired point, after that they stop in the rest position. 3. PROCESS AND PRODUCTION CONTROL Plant automation An abstract model of the production process that considers the associations between the automation system control (algorithm) and the machine control (physical) has been created in order to facilitate the configuration and use of the system in the metal sector. By applying the concept of "parental relationship" it is possible to identify (for each device) the relation with a pilot block using "father-son-brother" logic which allows the physical changes of the plant to be managed simply by redefining the relationship without any intervention on the software. There are 3 pieces of essential data: - Information on the cascade configuration - Information relating to the controlled device - Definition of the I/O required for regulation functions The control algorithm is "hardware independent" and its interface is just a memory from which the system finds the data that it needs and on which it posts the results of its calculations. The model defines the algorithm steps for calculating the cascade references, the devices associated with the steps, the regulators within each device, the communication channels and the machines connected to the devices (by machine we mean drive + motor). Depending on the distribution level required for the architecture, there are different options: in the classical case of centralized management of both the cascade and of the devices the board will work only on machine control; in the case of centralized management of the cascade, each board will manage autonomously the device and the regulators associated with it; finally in the case of fully distributed management, individual steps will be controlled by the control board for solutions (such as in drawing machine control) where the concept of main PLC does not exist. Obviously mixed solutions are possible in which only a part of the automation is distributed on the plant. Using a rolling mill for long products as an example, the plant configuration is derived from the implemented model through a set of descriptors, each of which is associated in turn with a device (e.g., "stand") and a machine (e.g. "Motor + AC drive). The definition of the device requires a special software management module (stand management) within which the required regulators (loop or tension control) can be called up. The calculation result is then made available for the next step and simultaneously applied locally. The local regulation functions are associated with the different controlled devices (stands, pinch-rolls, barbraking devices, coilers, and finishing blocks) and can be activated by configuration. In the "stand" device, for example, the functions available are: - load condition - bar head control - cobble control 2. EQUIPMENT DEVICES Librerie e Funzioni di Automazione Il software di sistema è stato sviluppato, all interno del progetto System, in modo da mettere a disposizione una numerosa serie di funzioni inserite in librerie richiamabili dall utente in modo diretto (mediante parametri) oppure da software (mediante chiamate a funzioni da software PLC). Tali funzioni sono essenzialmente di 3 tipi: - Funzioni Macro Standard: sono quelle che è possibile richiamare direttamente tramite un parametro di abilitazione ed un set di parametri di configurazione. Tali funzioni consentono di personalizzare il drive in modo immediato e sono quelle tipicamente realizzate a completamento del controllo drive standard. Tra esse, a titolo esemplificativo, possiamo elencare il Potenziometro digitale, le Rampe, la Ripresa al volo, i vari controlli sui limiti di coppia, la speed deviation e lo stallo e molti altri ancora. - Funzioni Macro Avanzate: queste funzioni vengono gestite come le precedenti ma si riferiscono normalmente a specifiche applicazioni i cui effetti coinvolgono anche il controllo interno. Tra di esse possiamo elencare le funzioni relative al sollevamento, la cedevolezza, il calcolo diametro (con ballerino, cella di carico,..) il calcolo spessore, il controllo di asse elettrico e così via. - Funzioni di Automazione: si tratta di funzioni speciali tipicamente riferibili al sistema di automazione. In alcuni casi sono necessarie estensioni hardware o plug-in dedicati. Tra di esse possiamo elencare il Regolatore tiro indiretto/ con celle di carico, il Regolatore Ansa, il Controllo di spessore o le varie tipologie di Controllo di taglio. Per permettere al sistema di svolgere funzioni che richiedono uno specifico hardware addizionale o che necessitano di performance estremamente elevate la scheda di controllo è corredata da un set di moduli plug-in opzionali. Il modo estremamente semplice di interfacciare dispositivi complessi come FPGA (utilizzate ad esempio per la realizzazione della funzione Cesoia volante ) o altri microprocessori (come nel caso della realizzazione del modulo EtherCAT Master) permette teoricamente di sviluppare qualsiasi applicazione real-time direttamente a bordo della scheda. PLC embedded La caratteristica di poter disporre di uno strumento di programmazione direttamente a bordo scheda è fondamentale per lo sviluppo delle applicazioni utente in ambiente distribuito e permette la realizzazione di tutte quelle funzioni che necessitano di una personalizzazione legata alla realtà produttiva cui vanno ad adattarsi, come ad esempio la logica di marcia ed arresto (macchina a stati), la gestione degli allarmi, l interfaccia utente, ecc. Nel caso specifico tale funzionalità è stata realizzata integrando un software PLC commerciale in grado di mettere a disposizione un ambiente di programmazione IEC che supporta tutti e 5 i linguaggi di programmazione della normativa: il risultato è la possibilità di produrre un codice macchina nativo e veloce per la parte MCU della scheda. Questa soluzione combina la facile maneggevolezza dei sistemi di programmazione PLC con la interoperabilità necessaria per garantire un utilizzo semplice e diretto nell ambiente dell automazione. Il programma PLC fa uso di blocchi standard per connettersi con il Server interno, con il risultato di fornire un accesso ai dati trasparente per l utente finale. Dati di processo, parametri dell azionamento e I/O configurabile possono essere processati e resi disponibili tra le varie task tramite una semplice assegnazione di variabili o mediante chiamate e funzioni di libreria. In aggiunta alle funzioni macro elencate nelle librerie descritte precedentemente è quindi possibile sviluppare funzioni PLC ritagliate su applicazioni specifiche con tempi di ciclo che possono scendere facilmente sotto al ms. Il controllo Macchina: esempio del controllo Cesoia L utilizzo della piattaforma System all interno di un sistema di automazione permette la realizzazione di sistemi di controllo indipendenti in grado di espletare essenzialmente 4 attività parallele: - la funzione base del controllo di azionamento - la gestione della logica complessiva di macchina - le funzioni di automazione necessarie per il controllo del processo produttivo cui la macchina è assegnata - il corretto scambio di informazioni con gli altri livelli di automazione. Funzioni complesse come il controllo per Cesoie tipo Start/Stop, Freno/Frizione, Deviatori, Testa Forma Spire, Troncatrici necessitano di una adeguata interfaccia con i sensori in campo (encoder, sensori di posizione, fotocellule di presenza materiale, ) e richiedono pertanto, nel caso di utilizzo del controllo System, di un modulo hardware opzionale. Figura 4 Diagramma della velocità di taglio per cesoia start/stop e particolare del controllo completo in quadro. Tutte le funzioni di regolazione vengono realizzate a bordo della scheda di controllo; il loop principale di regolazione (comprendente l aggiornamento dei contatori, la generazione del riferimento di velocità teorica e le funzioni ausiliarie per la gestione dell I/O) viene eseguito su interrupt a 400 μs, mentre le rimanenti funzioni (gestione delle comunicazioni, aggiornamento delle calibrazioni, ) girano su task più lente

5 - loop ejector - partial loop recovery - reference calculation of loop height - loop regulator (temporary and permanent) - regulation of the minimum tension - overspeed management - superimposed speed regulator (for analogue drives) Production Control Production control systems operate according to different criteria from those usually used for process control. The production cells are usually defined as the set of elements capable of pursuing the production process without loss of information (compared to the chosen level of detail). The flow of information relating to the production process, as shown in Figure 5, must necessarily follow 2 different paths: 1 data related to the manufactured product, obtained by analyzing the movement of the material between the different cells according to the concept of tracking. 2 data on the production cell, obtained by analysis of the cell operations. Figure 5 - Information Flow of a production cell. FIG. 5 In the first case the local function, obtained by the control board, allows tracking of production through a series of time information (events) on the advancement of the material through material processing (tracking message). These messages allow a material identifier ID to be associated with certain input/output events from the cell with a logic model such as the one shown in Figure 6. It is possible to link to these events/messages internal cell information such as the time taken for processing, the output current, temperature, etc. Figure 6 - Model tracking for a production cell. FIG. 6 This function has also been implemented and made available through the automation libraries of the SYS- TEM control board and makes it possible to activate and customize the function from the PLC side very simply through an initial parameterization relating to: Definition of inputs and outputs n and m (I/O) Definition of internal positions j Association of j for each n and m Licensing and regulating the internal step p Defining the use of rules INSERT or APPEND for internal positions The production control system is thus able, by receiving the information from various cells, to obtain all the necessary data for the calculation of the process activities for each single produced part with a customizable degree of detail through the use of an internal PLC. In the case of operational data relating to the cell production, assuming that the control board cannot manage temporal concepts such as the scheduled time for production or the operating time, the only thing to do is to make available the necessary information obtained from the field, in a way similar to that adopted for the main PLCs in the plant. This is done using a "field setting" which associates the field variables (pointers to the data within the system) with the refresh rate (the rate at which data is available for reading). Conclusions Communication systems play a vital role in distributed systems because they allow a continuous exchange of information between automation components while maintaining the required physical separation between different devices. La funzione principale del controllo consiste nella generazione di un riferimento di coppia del motore cesoia, adatto ad essere gestito direttamente dall azionamento. Gli ingressi essenziali per il corretto funzionamento sono: - encoder bidirezionale di linea - sensore di presenza materiale posto a monte della cesoia - sensore di lame in posizione di taglio È inoltre previsto l'interfacciamento con un PLC/PC in grado di fornire i parametri necessari al funzionamento della cesoia ma che non partecipa comunque al conteggio delle misure ed all'esecuzione dei tagli in tempo reale. Il processo è controllato mediante una serie di parametri impostabili dal PLC/PC ed in particolare: - quote di taglio - circonferenza lame - ampiezza angolo di sincronismo - angolo di riposo - angoli di accelerazione, decelerazione - costanti adattatrici per segnali encoder - sovravelocità - massima velocità di linea L'encoder di linea montato sulla macchina definisce la velocità del materiale in arrivo alla cesoia. Sono previsti 2 ulteriori ingressi encoder in quanto, nel caso di cesoie poste in ingresso placca, vengono utilizzati in successione l'encoder della gabbia finitrice e quello del trascinatore associato alla cesoia. L'encoder di linea fornisce la doppia informazione di velocità (frequenza) e di spazio percorso (n impulsi). È possibile attivare la simulazione di linea e prelevare l informazione di velocità e di spazio percorso non più dagli encoder ma da una frequenza generata internamente. Gli impulsi sono contati in tempo reale all'interno della scheda, per costruire due contatori di tracking di testa nel caso ci fosse la contemporanea presenza di due barre. Le lame iniziano a muoversi con sufficiente anticipo per accelerare, sincronizzarsi con la velocità del materiale da tagliare ed eseguire il taglio nel punto desiderato; successivamente provvedono ad arrestarsi nella posizione di riposo. 3. CONTROLLO DI PROCESSO E DI PRODUZIONE Automazione di impianto Per agevolare la configurazione e l uso del sistema in ambiente siderurgico è stato creato ed applicato un modello astratto del processo produttivo che tiene conto, mediante vari livelli di interconnessione, delle associazioni tra il controllo (algoritmico) del sistema di automazione ed il controllo (fisico) delle macchine coinvolte nel processo. Applicando il concetto di parental relationship è possibile individuare, per ogni dispositivo in gioco, la relazione rispetto ad un blocco pilota secondo una logica di padre-figlio-fratello che consente, tra l altro, di gestire facilmente le modifiche fisiche all impianto semplicemente ridefinendo le relazioni di parentela senza alcun intervento sul software. I dati necessari al sistema sono essenzialmente di 3 tipi: - dati relativi alla configurazione della cascata - informazioni relative al dispositivo controllato - definizione degli I/O necessari per le funzioni di regolazione L'algoritmo di controllo è reso "hardware independent" e quindi la sua interfaccia risulta semplicemente un'area di memoria su cui il sistema trova i dati che gli necessitano e su cui deposita il risultato dei propri calcoli. Il modello dell impianto prevede quindi di definire i passi algoritmici per il calcolo dei riferimenti in cascata, i dispositivi associati ai passi, i regolatori all'interno di ogni dispositivo, i canali di comunicazione utilizzati e le macchine collegate con i dispositivi, dove per macchina si intende l'insieme azionamento + motore. A seconda del livello di distribuzione dell architettura che si vuole applicare è possibile scegliere tra varie possibilità: nel caso classico di gestione centralizzata sia della cascata che dei dispositivi la scheda opererà solo il controllo di macchina; nel caso di gestione centralizzata della sola cascata ogni scheda gestirà in modo autonomo anche il proprio dispositivo ed i regolatori ad esso associati; infine nel caso di gestione completamente distribuita anche il controllo del singolo passo verrà svolto a livello della scheda di controllo per soluzioni (come ad esempio nel controllo di trafila) dove il concetto di PLC principale non esiste. Ovviamente sono possibili anche soluzioni miste in cui solo una parte dell automazione viene distribuita sull impianto. Portando ad esempio il caso di un laminatoio per prodotti lunghi la configurazione di impianto si ricava dal modello implementato mediante un insieme di descrittori, ognuno dei quali associa al proprio passo un dispositivo (ad esempio di tipo "gabbia") ed una macchina (ad esempio di tipo "motore + azionamento C.A."). La definizione del dispositivo impone un certo modulo di gestione software (gestione gabbia) ed all'interno di questo modulo vengono chiamati i regolatori abilitati tra tutti quelli associati al dispositivo stesso (controllo ansa, tiro, ). Il risultato dei calcoli viene infine messo a disposizione per il passo successivo e contemporaneamente applicato localmente. Le funzioni locali di regolazione sono associate ai vari dispositivi controllati (Gabbie, Trascinatori, Frenabarre, Avvolgitori, Monoblocchi, ) ed attivabili mediante configurazione. Nel caso del dispositivo di tipo Gabbia, ad esempio, le funzioni disponibili sono le seguenti: - presa di carico - spazio testa barra - controllo incaglio 12 13

6 The control proposed in this article integrates different types of communication channels in the same unit and therefore has the ability to handle various communication interfaces simultaneously. Master interfaces (for remote I/O remote control) as well as Slave interfaces (for connecting the plant controllers) can be simultaneously present, allowing the complexity and cost of wiring to be reduced and ensuring the necessary openness for the system to work on pre-existing communications architectures, as in the case of partial revamping of the plant. In addition, the distributed control approach reduces the computational load of the central control system, allowing cheaper and less complex solutions. Assuming that the process data can be shared in real time mode through a fast communication network (such as ProfiNet IRT or EtherCAT) it is possible to create a distributed control for an entire production line with cycle times of a few ms. Functions that require fast execution time or signal processing can be implemented locally, using standard library functions or by creating custom versions during the design phase. One of the most important features of the platform is its ability to be integrated into the architecture of automation systems thereby increasing the solutions available for controlling the production process: these solutions are scalable and provide the maximum flexibility in terms of distribution functions, allowing the logic of distributed control to be activated only when appropriate. Assuming that the process data can be shared in real time mode through a fast communication network (such as ProfiNet IRT or EtherCAT) it is possible to create a distributed control for an entire production line with cycle times of a few ms. Functions that require fast execution time or signal processing can be implemented locally, using standard libraries functions or creating custom versions during the design phase. One of the most important features of the described platform is the ability to be integrated into the architecture of automation systems by increasing the available solutions to control the production process: such solutions are scalable and provide the maximum flexibility in terms of distribution functions, allowing to activate the logic of distributed control only if the latter is more appropriate. - abilitazione espulsore ansa - abilitazione recupero parziale ansa - calcolo riferimento altezza ansa - regolatore ansa (temporaneo e permanente) - regolazione di tiro minimo - gestione sovravelocità - anello di velocità sovrapposto (per azionamenti analogici) Controllo della Produzione I sistemi di controllo della Produzione operano secondo criteri che tengono conto di un dettaglio diverso rispetto a quanto avviene solitamente per il controllo di Processo. Una volta definito l insieme delle celle di produzione come quell insieme di elementi in grado di inseguire il processo produttivo nel tempo senza perdita di informazioni (rispetto al grado di dettaglio prescelto) il flusso delle informazioni legate al processo produttivo, come si evince dalla figura 5, deve necessariamente seguire 2 strade diverse: 1 - da una parte i dati relativi al prodotto in lavorazione, ottenibili mediante l analisi del movimento del materiale tra le varie celle secondo il concetto di inseguimento o tracking. 2 - dall altra parte i dati relativi alla cella di produzione, ottenibili mediante l analisi nel tempo dell operatività della cella stessa. Figura 5 Flusso informativo di una cella di produzione Nel primo caso la funzione locale, realizzata a livello di scheda di controllo, opera l inseguimento della produzione attraverso una serie di informazioni temporali (eventi) di avanzamento del materiale in lavorazione (messaggi di tracking). Tali messaggi permettono di associare ad un certo identificativo del materiale gli eventi di ingresso ed uscita dalla cella secondo una logica come quella riportata nel modello di figura 6. A questi eventi/messaggi è possibile associare informazioni interne della cella quali ad esempio il tempo impiegato per la lavorazione, la corrente erogata, la temperatura ecc. Figura 6 Modello di tracking per una cella di produzione Anche in questo caso la funzione è stata realizzata e resa disponibile tramite le librerie di automazione della scheda System e permette di attivare e personalizzare la funzione da PLC in modo molto semplice mediante una parametrizzazione iniziale relativa a: Definizione degli ingressi e delle uscite n ed m (I/O totali) Definizione delle posizioni interne j Associazione di j per ogni n ed m Abilitazione e regolazione del passo interno p Definizione dell uso delle regole di INSERT o APPEND per le posizioni interne Il sistema di Controllo della Produzione è quindi in grado, ricevendo le informazioni dalle varie celle, di ricavare tutti i dati necessari a consuntivare l attività di lavorazione per singolo pezzo prodotto, con un grado di dettaglio personalizzabile mediante l uso del PLC interno. Nel caso invece dei dati di operatività relativi alla cella di produzione, non essendo noti alla scheda di controllo concetti temporali quali il tempo pianificato per la produzione o il tempo operativo, l unica operazione possibile è quella di mettere a disposizione, in modo analogo a quanto viene fatto solitamente a livello di PLC di impianto, le informazioni necessarie ricavandole direttamente dal campo. Questa operazione avviene mediante un field setting che permette di associare alle variabili del campo (ovvero i puntatori ai dati all interno del sistema) la frequenza di aggiornamento (ovvero la frequenza con cui i dati vengono messi a disposizione per la lettura). Conclusioni I Sistemi di comunicazione giocano un ruolo essenziale nei Sistemi distribuiti perché consentono uno scambio continuo di informazioni tra i componenti di automazione, mantenendo la necessaria separazione fisica tra i vari dispositivi. Il controllo proposto integra differenti tipologie di canali di comunicazione nella stessa unità ed ha quindi la possibilità di gestire varie interfacce di comunicazione contemporaneamente. Possono essere presenti interfacce sia Master (per controllo di I/O remoto) che Slave (per le connessioni con i controllori di impianto), permettendo di ridurre la complessità ed il costo dei cablaggi e garantendo la necessaria apertura per poter lavorare su architetture di comunicazione pre-esistenti, come ad esempio nel caso di revamping parziali di impianto. In aggiunta, l approccio del controllo distribuito riduce il carico computazionale del sistema di controllo centrale, permettendo soluzioni più economiche e meno complesse. Assumendo che i dati di processo possano essere scambiati in tempo reale mediante una rete di comunicazione veloce (come ad esempio ProfiNet IRT o EtherCAT) è possibile realizzare un controllo distribuito per una intera linea di produzione con tempi di ciclo dell ordine di qualche ms. Funzioni che richiedono tempi di esecuzione veloci o signal processing possono essere realizzate localmente, usando funzioni di libreria standard oppure realizzando versioni personalizzate durante fase di progettazione di impianto. Una delle più importanti caratteristiche della piattaforma realizzata è la possibilità di integrarsi all interno dell architettura dei sistemi di automazione aumentando le soluzioni disponibili per il controllo del processo produttivo: tali soluzioni sono scalabili sull applicazione e consentono la massima flessibilità in termini di distribuzione delle funzioni, permettendo di attivare la logica del controllo distribuito solo qualora questo risulti più opportuno