L AUTOMAZIONE INDUSTRIALE PLUG&PLAY

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1 SOLUZIONI PLUG&PLAY PER AUTOMAZIONE INDUSTRIALE White Paper Rel. Maggio 1 L AUTOMAZIONE INDUSTRIALE PLUG&PLAY Ing. Stefano Linari, Chief Technical Officer ALLEANTIA S.R.L. Via Umberto Forti 24/ Pisa - Italia White Paper: Rev. Mag 1 Pag. 0/10

2 SOLUZIONI PLUG&PLAY PER AUTOMAZIONE INDUSTRIALE Sommario 1 Introduzione Il nuovo approccio PhObO Integrazione semplice e immediata Le difficoltà dell automazione industriale... 2 Eliminazione dei costi di integrazione Comparazione con applicazioni industriali tipiche Monitoraggio via web di un autoclave condominiale Monitoraggio via web di un sistema di distribuzione elettrica M.T. e B.T Impianto alimentare con gestione temperature Conclusioni... 8 White Paper: Rev. Mag 1 Pag. 0/10

3 SOLUZIONI PLUG&PLAY PER AUTOMAZIONE INDUSTRIALE 1 Introduzione Nell analisi proposta di seguito si mettono a confronto tre applicazioni industriali, ciascuna rappresentativa delle normali necessità di monitoraggio e controllo remoto di impianti di piccola e media dimensione. La soluzione IoT SCADA, in particolare nella sua versione appliance IoT SCADA SERVER (ISS), sistema preinstallato e pronto all uso su hardware industriale, viene messa a confronto con soluzioni basate su SCADA, display HMI, PLC ed RTU, confrontando il costo totale di realizzazione inclusivo del costo di acquisto dei componenti e del costo della programmazione per comunicare e gestire le informazione dai dispositivi in campo. In ognuno dei tre ambiti analizzati, ISS risulta sempre la soluzione più economica, in particolare rispetto ai tempi e costi di installazione e messa in servizio. I risparmi stimati vanno dal 7% fino a oltre il 60%. 2 Il nuovo approccio PhObO PhObO (Physical Object Oriented), è un nuovo modo di pensare l integrazione e la comunicazione e l interazione con gli oggetti elettronici. Oggi siamo abituati ad utilizzare i dispositivi elettronici attraverso l interfaccia utente che il fabbricante del dispositivo ha progettato: display, pulsanti e manopole, programmi di controllo o con App per dispositivi mobili, e interfacce di comunicazione esterne. L integrazione di dispositivi diversi, anche dello stesso fabbricante, è spesso molto complessa date tipologie di interfaccia non uniformi / non standardizzate. La difficoltà a far comunicare più dispositivi diversi cresce esponenzialmente quando si vogliono collegare dispositivi eterogenei. Alleantia ha sviluppato una nuova tecnologia, denominata PhObO, che permette di rendere immediatamente e facilmente integrabile ogni dispositivo elettronico, permettendo la creazione automatica di un interfaccia software per l interazione con il dispositivo stesso e la sua gestione diretta via web o attraverso applicazioni web pronte all uso. L oggetto software contiene in sé tutte le informazioni sull oggetto fisico, inclusive delle interfacce di comunicazione, della presentazione grafica, degli allarmi e delle misure fornite. Il cuore della soluzione è una libreria software di oggetti che raccoglie già centinaia tra i più diffusi dispositivi sul mercato europeo dell automazione industriale, della gestione energetica e domotica per gli edifici, in continua espansione, unita alle applicazioni di controllo pronte all uso e venute insieme alla libreria di oggetti. Selezionando uno degli oggetti presenti nella libreria, corrispondente ad uno degli oggetti elettronici da controllare dotato di connettività ethernet o WiFi o Seriale (in questo caso sarà necessario collegarlo con l opportuna linea all ISS), sarà sufficiente indicare la sua modalità di collegamento, il suo indirizzo o il suo nome per attivare la connessione e condivisione delle informazioni. Una volta connessi tutti gli oggetti elettronici al sistema ISS, l utente avrà a disposizione attraverso un qualsiasi apparato dotato di web browser, tutti i dati di funzionamento, gli allarmi e la possibilità di creare interazioni tra i propri oggetti avendo accesso ad algoritmi già perfezionati di interazione ed ottimizzazione, ad esempio riguardo l energia consumata o il tempo di funzionamento. Per realizzare tutto questo non è richiesta alcuna programmazione ed esperienza informatica o White Paper: Rev. Mag 1 Pag. 1/10

4 conoscenza appofondita degli oggetti connessi. La complessità è tutta risolta nell oggetto della libreria Alleantia. 3 Integrazione semplice e immediata La potenzialità della soluzione Alleantia può essere apprezzata dai professionisti che realizzano ed usano sistemi industriali di controllo per gestire la produzione piuttosto che la manutenzione. La facilità di installazione e la semplice interfaccia web di gestione permettono il controllo e monitoraggio remoto degli impianti produttivi anche in mobilità ed in assoluta sicurezza, attraverso il proprio smartphone o tablet, senza necessità di installare sistemi di controllo client-server come fanno oggi i software industriali SCADA. 4 Le difficoltà dell automazione industriale L effettiva disponibilità delle informazioni provenienti dagli impianti produttivi e dai singoli macchinari è limitata dalla difficoltà e dal costo di una loro integrazione all interno di display, PLC, SCADA, MES o DCS. La realizzazione di ognuna di queste soluzioni richiede personale esperto, solitamente esterno all azienda, che integri le nuove misure in sinottici grafici, data base per la storicizzazione, trend per l analisi di processo e gli allarmi. La maggior parte delle soluzioni è ancora basata su paradigma client-server. Questo significa che, una volta realizzata l applicazione server, questa deve essere distribuita a tutti i client incorrendo spesso in complesse considerazioni sul conteggio di bit, byte e tags che alla fine portano ad ulteriori costi di potenziamento delle licenze dei software stessi. Eliminazione dei costi di integrazione Alleantia rende il collegamento di un nuovo dispositivo al sistema di controllo web semplice come il collegamento di una nuova stampante al PC. Non sono più necessarie figure professionali esperte e costosi software con canoni annuali di aggiornamento. Lo stesso installatore elettrico o idraulico, utilizzando il proprio smartphone o tablet, è in grado di completare la connessione dei singoli oggetti al sistema di supervisione Alleantia selezionando semplicemente il dispositivo dalla vasta libreria di componenti industriali disponibili già pronti all uso. Automaticamente verrà creata l interfaccia grafica, gli allarmi con le soglie già predefinite ed eventualmente personalizzabili, attivata la registrazione storica sul data base e la notifica degli allarmi ai gruppi di utenti predefiniti. Volendo è possibile arricchire l interfaccia con sinottici grafici: in pochi istanti si possono caricare immagini e schemi oppure foto scattate al momento, su cui potranno essere posizionati a piacimento spie e display per mostrare i dati acquisiti da ciascun dispositivo. 6 Comparazione con applicazioni industriali tipiche Test eseguiti da integratori di sistemi industriali con esperienza nella realizzazione di impianti industriali hanno fornito i seguenti risultati nella valutazione di differenti scenari che rappresentano una panoramica sui possibili problemi che si possono riscontrare durante le normali attività di integrazione. Per ogni caso White Paper: Dic 13 Pag. 2/10

5 preso in esame sono stati messi a confronto almeno tre possibili alternative tra quelle più convenienti disponibili, sul mercato europeo, dai principali fornitori. 6.1 Monitoraggio via web di un autoclave condominiale Si vuole permettere all installatore/manutentore di monitorare via web, anche da dispositivo mobile, una stazione di pompaggio condominiale per rilevare: tempo di effettivo funzionamento e l insorgere di condizioni di allarme come blackout, guasti all inverter e cicli di pompaggio troppo lunghi indicativi o di perdite idrauliche o di guasti delle pompe. Costo messa in servizio ( ) CONFIG. ALLARMI COMM. INVERTER CABLAGGIO RTU PLC MB IA Il costo totale della soluzione risulta quindi: 127 per la soluzione basata su RTU 100 per la soluzione basata su PLC 980 per la soluzione basata su ISS In conclusione i costi totali per l acquisto e la configurazione del sistema di acquisizione dei dati dall inverter attraverso il più semplice e diffuso protocollo di comunicazione seriale (Modbus RTU) sono di gran lunga inferiori per la soluzione con ISS appliance di almeno 7% rispetto ad una soluzione con PLC e 30% per una RTU dotata di web server. Figura 1: autoclave condominiale con inverter Le alternative valutate insieme al ISS sono state un mini PLC ed una RTU dotati di web server. Costo componenti ( ) COMPONENTI RTU PLC MB IA Dalla stima precedente dei costi non sono stati presi in considerazione i costi diretti ed indiretti che scaturiscono dalla necessità di far giungere sul cantiere una seconda persona esperta di automazione industriale, oltre al tecnico che esegue il cablaggio delle apparecchiature. A tal proposito si consideri che spesso tale personale aggiuntivo non appartiene all organico delle tipiche aziende di installazione elettrica ed idraulica e deve essere ricercato attraverso aziende specializzate con ulteriori costi di trasferta, gestione ed organizzazione che spesso comportano anche un aumento dei tempi necessari a completare l intervento. White Paper: Dic 13 Pag. 3/10

6 Anche nel caso in cui il monitoraggio di questi impianti diventi ripetitivo, e quindi i costi di sviluppo dell applicazione diventino inferiori, non potranno mai essere annullati a causa della necessità, in ogni caso, di dover utilizzare programmi specifici per il trasferimento del programma nei controllori del PLC e della RTU. ISS invece permette di salvare su una comune chiavetta USB la propria configurazione via web ed altrettanto semplicemente permette di ricaricarla su un dispositivo nuovo. 6.2 Monitoraggio via web di un sistema di distribuzione elettrica M.T. e B.T. Ogni edificio di medie dimensioni come un albergo, un supermercato, un officina o un qualsiasi impianto produttivo riceve l alimentazione elettrica in media tensione, ovvero V trifase, e deve provvedere in proprio alla trasformazione in bassa tensione 400 V trifase e 230 V monofase per renderla utilizzabile dalle utenze. A queste sostanziali differenze deve poi essere aggiunta anche la più ricca disponibilità di funzionalità che ISS mette a disposizione dell utente senza alcun costo aggiuntivo, e che non necessitano alcun intervento di programmazione da parte dell installatore. MB IA PLC RTU Storico SI NO SI allarmi Storico SI NO SI misure Notifiche SI SI SI e.mail Notifiche SI SI SI SMS Web mobile SI NO SI Esportazione SI NO NO dai Grafica SI NO NO automatica Config. WiFi SI NO NO Config. SI NO NO Mobile Guida alla SI NO NO connessione dispositivi Allarmi SI NO NO precaricati Versione free SI NO NO Tabella 1: Funzionalità aggiuntive ISS Figura 2: Trasformatore M.T. / B.T. La potenza in bassa tensione proveniente dal trasformatore M.T./B.T. raggiunge centinaia o migliaia di kw e viene sezionata e distribuita ad ogni singolo piano, apparato ed utenza attraverso una sofistica ramificazione elettrica che prevede, per ogni ramo, un interruttore di protezione e spesso anche un contatore energetico. La conoscenza dello stato di ogni interruttore ed il relativo consumo sono indispensabile per una tempestiva gestione dei guasti ed ottimizzazione dei consumi energetici. White Paper: Dic 13 Pag. 4/10

7 I costi complessivi sono stati suddivisi tra comunicazione e scambio delle informazioni, creazione di un interfaccia grafica semplice per la visualizzazione di tutte le variabili fornite dagli apparecchi, e configurazione degli allarmi e degli storici. Costo configurazione comunicazione ( ) Figura 3: quadro di distribuzione B.T. industriale La configurazione presa a riferimento è composta dai dispositivi mostrati in Error! Reference source not found.. Dispositivo Analizzatore di rete trifase BT Modbus RTU Interruttore intelligente BT Modbus RTU Protezione MT Modbus TCP/IP Moduli di ingressi remoti Modbus TCP/IP Quantità 4 Tabella 2: Dispositivi presenti nel sistema di distribuzione elettrica MT/BT Sono stati prese in considerazione tre possibilità per realizzare questa applicazione: ISS, un sistema SCADA ed un display industriale con web server integrato. Tutti i segnali elettrici sullo stato degli interruttori possono venire acquisiti, per ogni soluzione, con moduli di ingressi remoti via seriale od ethernet PROTEZIONE MT INGRESSI REMOTI INTERRUTTORE ANALIZZATORE DI RETE Una volta definite tutte le variabili che ciascun dispositivo deve mettere a disposizione si procede a testare l effettiva qualità della comunicazione per eliminare eventuali errori avvenuti nella digitazione o nell interpretazione dei manuali. Costo componenti e licenze ( ) COMPONENTI White Paper: Dic 13 Pag. /10

8 Costo design interfaccia ( ) Costo allarmi e storici ( ) PROTEZIONE MT PROTEZIONE MT INGRESSI REMOTI INGRESSI REMOTI INTERRUTTORE INTERRUTTORE 0 0 ANALIZZATORE DI RETE ANALIZZATORE DI RETE Si ipotizza un interfaccia grafica realizzata utilizzando sfondi già pronti oppure di tipo tabellare per la visualizzazione dei dati in tempo reale. La configurazione degli allarmi prevede la creazione di opportuni testi per ciascuna condizione di allarme. Si devono notificare anche gli eventi come il riavvio del sistema e la perdita di comunicazione dei dispositivi. Sia gli allarmi che i dati acquisiti devono essere registrati e resi consultabili attraverso la creazione di grafici. E da tenere presente che la notifica degli allarmi a mezzo ed SMS non sempre è un opzione inclusa nella licenza base degli SCADA e, nel caso dei display industriali spesso la notifica è presente solo nei dispositivi di fascia alta mentre quella via SMS non è quasi mai disponibile. In tutti i casi analizzati, tranne con ISS, è necessaria l installazione su un PC Windows di un software di configurazione, quasi sempre disponibile solo a pagamento, ed una certa esperienza specifica sia sulle reti di comunicazione dati che per la programmazione specifica dei singoli dispositivi. Il costo totale della soluzione risulta quindi: 17 per la soluzione basata su Display 610 per la soluzione basata su SCADA 219 per la soluzione basata su ISS In definitiva il sistema realizzato con i prodotti Alleantia, anche per una realizzazione di media complessità come questa, rimane la soluzione più semplice, flessibile ed economica. White Paper: Dic 13 Pag. 6/10

9 6.3 Impianto alimentare con gestione temperature Il caso preso in esame è quello di un sistema di supervisione in ambito alimentare dove si vogliono aggergare e controllare le informazioni sulle temperature provenienti da frigoriferi, sistemi di cottura e serbatoi di stoccaggio. In questo caso, come spesso accade in questi casi, ogni dispositivo ha un termoregolatore autonomo su cui localmente l operatore imposta i set-point e verifica il reale valore raggiunto. La maggioranza dei termoregolatori è in grado di comunicare attraverso una porta seriale RS48 utilizzando il protocollo Modbus RTU. In questo caso il sistema ipotizzato ho dimensioni estese su tre locali, ciascuno adibito a funzioni specifiche e per ciascuno di essi è richiesta la possibilità di creare un punto di visualizzazione delle informazioni complessive dell impianto per ridurre gli spostamenti degli operatori. Gradita anche la possibilità di consultazione via web da dispositivo mobile. Dispositivo Termoregolatore Modbus RTU Chiller con PLC Modbus TCP/IP Analizzatore di rete trifase Modbus TCP/IP Moduli di ingressi remoti Modbus TCP/IP Quantità 30 Tabella 3: dispositivi in impianto alimentare In questo caso si sono scelti come possibili alternative l installazione di tre dispositivi ISS 4 6 collegati tra loro per condividere le informazioni e tre tablet; una soluzione basata su SCADA con un server e due client su PC industriali; tre display industriali, uno per ogni locale. COMPONENTI Costo componenti e licenze ( ) In un applicazione con un elevato numero di dispositivi identici (termoregolatori), i vantaggi sulla soluzione SCADA rimangono evidenti, mentre emergono le difficoltà della soluzione con i display in cui non ci sono possibilità di creare strutture dati riutilizzabili. ANALIZZATORE TERMOREGOLATORE Costo configurazione comunicazione ( ) MODULI I/O CHILLER DISPLAY SCADA ISS Le stesse limitazioni dei display nella configurazione della comunicazione si ripetono anche nella creazione dell interfaccia grafica, White Paper: Dic 13 Pag. 7/10

10 sempre in stile estremamente semplificato, come quello tabellare. Costo design interfaccia ( ) MODULI I/O ANALIZZATORE CHILLER TERMOREGOLATORE Per gli storici, avendo la necessità, a termini di legge, di mantenere uno storico pluriennale dei dati, si evince che il display è una soluzione poco indicata a causa della ridotta memoria di archiviazione disponibile che deve essere necessariamente espansa con compact flash o altri sistemi esterni, solitamente meno affidabili di un disco fisso e con difficoltà di eseguire backup di sicurezza. TERMOREGOLATORE ISS a tale scopo mette a disposizione dell utente la funzione di backup giornaliero automatico sia su server FTP che sul proprio account Dropbox. Il costo totale della soluzione risulta quindi: Costo allarmi e storici( ) MODULI I/O ANALIZZATORE CHILLER DISPLAY SCADA ISS 100 per la soluzione basata su Display 1362 per la soluzione basata su SCADA 833 per la soluzione basata su ISS 7 Conclusioni Comparando i costi totali dei tre impianti oggetto del confronto appare evidente che la soluzione Alleantia basata sull appliance ISS risulta la soluzione più rapida e conveniente in ognuna delle applicazioni passate in rassegna. White Paper: Dic 13 Pag. 8/10

11 Costo totale ( ) 110 ALIMENTARE DISTRIBUZIONE ELETTRICA AUTOCLAVE DISPLAY/RTU SCADA/PLC ISS Oltre al mero aspetto economico deve essere tenuto in considerazione che le guide all installazione passo-passo e la semplicità di configurazione fatta con wizard via web, permettono a qualunque installatore di completare il proprio lavoro anche con un sistema di monitoraggio avanzato senza ricorrere ad esperti esterni con aggrazio di costi e dilatazione dei tempi di consegna. White Paper: Dic 13 Pag. 9/10

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