Speciale Produzione, controllo e gestione delle energie rinnovabili

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1 AO 348 Settembre 2011 Anno Speciale Produzione, controllo e gestione delle energie rinnovabili Poste Italiane Spa - Sped. in Abb. Post. D.L. 353/ (Conv. in L , N.46) Art. 1, Comma 1, LO /MI- In caso di mancato recapito inviare al CMP/CPO di Roserio- Milano per la restituzione al mittente previo pagamento resi - ISSN:0392/8829 Rassegna Sensori avanzati Inserto Soluzioni Software per l industria Organo ufficiale di Panorama Industria chimica e petrolchimica

2 AO COPERTINA Beckhoff automation COPERTINA Beckhoff autom Tecnologie convergenti in TwinCAT 3 Beckhoff ha unito le più potenti tecnologie di origine informatica adattandole alle esigenze delle applicazioni di automazione in una nuova generazione di software: TwinCAT 3. Il risultato: Microsoft Visual Studio 2010 può ora essere utilizzato anche per programmare sistemi di automazione funzionanti in tempo reale. Tutti i principali linguaggi di programmazione sono integrati in un unico ambiente di sviluppo TwinCAT 3 è il risultato del costante sviluppo tecnologico del noto software per l automazione Twin- CAT 2, da tempo molto utilizzato con successo in numerose applicazioni di automazione in tutto il mondo. Oltre alle estensioni orientate agli oggetti dei linguaggi di programmazione standard IEC , gli utenti di TwinCAT possono ora sfruttare appieno nello stesso ambiente di sviluppo anche i linguaggi C e C++, mentre l integrazione Matlab/Simulink apre le porte anche a utilizzi in campo scientifico. L innovativa soluzione architetturale realizzata da Beckhoff fa sì che i vari moduli scritti nei differenti linguaggi di programmazione possano essere eseguiti in un ambiente operativo comune, l extended Automation Runtime (XAR). L ambiente XAR è stato progettato per rispondere efficacemente a tutti i requisiti tipici delle elaborazioni critiche in tempo reale (hard real-time), sfruttando al meglio la disponibilità di risorse offerta della tecnologia multi-core e il supporto dei più recenti sistemi operativi a 64 bit. La progettazione dei moduli TwinCAT 3 e la configurazione del sistema di automazione nel suo complesso avviene all interno dell ambiente di sviluppo integrato extended Automation Engineering (XAE), basato su Microsoft Visual Studio. L ambiente di sviluppo extended Automation Engineering (XAE) L ambiente di sviluppo con il quale si progettano i sistemi di automazione basati su TwinCAT 3 è la più diffusa piattaforma di supporto alla programmazione dell industria informatica, ossia Microsoft Visual Studio Le due modalità di funzionamento previste per lo sviluppo di applicazioni TwinCAT 3, denominate rispettivamente TwinCAT 3 Standard e TwinCAT 3 Integrated, sfruttano entrambe la versione del software Visual Studio Shell disponibile tramite l iniziativa tecnologica di partnership promossa da Microsoft Visual Studio Industry Partner (VSIP). La precedente versione Visual Studio 2008 aveva già dimostrato che il modello di business promosso dall iniziativa VSIP rendeva possibile un facile utilizzo e personalizzazione dell ambiente di sviluppo Visual Studio in base alle esigenze specifiche di diversi settori applicativi. La versione base gratuita di Visual Studio Shell offre tutte le funzioni richieste da un ambiente di sviluppo moderno per supportare la realizzazione di software modulari: oltre alle interfacce per l inserimento di editor proprietari nell albero delle risorse che compongono un progetto o nei menu, possono essere utilizzati altri servizi, dal compilatore al sistema di aiuto. Con l espandibilità attraverso i plug-in, le cosiddette VS-Extensions, un sistema di sviluppo e gestione dei progetti basato su Visual Studio può crescere ed essere adattato e aggiornato rapidamente in modo modulare con tecnologie e know-how proprietari. TwinCAT 3 in modalità Standard e Integrated per accedere al mondo C/C++ Ci sono due possibilità per installare TwinCAT 3 su un sistema. Se non è già presente una versione di Visual Studio 2010, viene installata una versione base gratuita di VS Shell con le estensioni TwinCAT, modalità chiamata Isolated Mode. Sono già centinaia le aziende in tutto il mondo che partecipano all iniziativa VSIP e che possono caricare le proprie estensioni nella loro istanza di VS Shell, così molte applicazioni basate sulla modalità Isolated Mode possono essere avviate in pa- Iniziativa realizzata in collaborazione con la direzione marketing 2 SETTEMBRE 2011 Automazione Oggi 348

3 ation COPERTINA Beckhoff automation COPERTINA Beckhoff automation COPERT TwinCAT 3: convergenza di tecnologie rallelo senza interferenza reciproca. La modalità TwinCAT 3 Standard è pensata per tutti gli utenti che vogliono configurare e progettare il loro sistema di automazione sfruttando esclusivamente il linguaggio di programmazione IEC Per creare un ambiente familiare all utente per lo sviluppo e gestione del progetto è stato adottato lo stesso System Manager della versione precedente. L utilizzo del linguaggio Twin- CAT C o dei moduli Matlab/Simulink in run-time è possibile, ma non è disponibile l ambiente VS per l editing o il debug del codice C/C++. Se sul sistema destinato allo sviluppo è già installata una versione Professional, Premium o Ultimate di Visual Studio 2010, TwinCAT 3 può essere installato in parallelo a VS Shell nella modalità Isolated Mode ma, ed è fortemente consigliabile, può essere installato anche nella più potente e maggiormente integrata modalità TwinCAT Integrated. Anche il linguaggio di programmazione C/C++ diventa così disponibile per svolgere elaborazioni e gestire attività in tempo reale. L ambiente modulare di Visual Studio può anche essere esteso con componenti addizionali presenti nella Visual Studio Gallery. Attualmente sono disponibili per il download e l integrazione in VS Shell per la piattaforma Visual Studio 2010 più di estensioni che provengono da diversi fornitori. La varietà delle estensioni VS è virtualmente illimitata: dai componenti.net o Silverlight per la creazione di interfacce operative, a strumenti per generare programmi di installazione o per la modellazione di pacchetti software, fino agli strumenti di sviluppo per facilitare il lavoro di gruppo, quali SVN SubVersion come alternativa al già esistente sistema di gestione Team Foundation Server (TFS). Tutti i componenti presenti in Visual Studio Gallery permettono di facilitare le attività di ingegnerizzazione, programmazione e documentazione di uso quotidiano tra gli sviluppatori. Potenziato per le esigenze dell automazione Oltre ai linguaggi C/C++, Beckhoff ha integrato nell ambiente di sviluppo modulare Visual Studio anche le opzioni di pro- Visual Studio può essere eseguito in due modi differenti: TwinCAT Standard (a sinistra) e TwinCAT Integrated (a destra) SETTEMBRE 2011 Automazione Oggi 348 3

4 AO COPERTINA Beckhoff automation COPERTINA Beckhoff autom Oltre alla configurazione I/O e alla programmazione PLC, il codice C/C++ può essere creato anche nel progetto TwinCAT 3 grammazione IEC e TwinCAT System Manager, lo strumento di configurazione per sistemi, moduli, I/O e motion control. Così facendo, non è più necessario utilizzare durante lo sviluppo due strumenti diversi con ripetuti passaggi di importazione/esportazione. L integrazione di più strumenti complementari in un ambiente uniforme semplifica la gestione, elimina noiosi passaggi amministrativi, completa compiti di routine automaticamente in background, escludendo così possibili fonti d errore e, in definitiva, rende più fluida, produttiva e affidabile l ingegnerizzazione del progetto. È interessante osservare come le metodologie di programmazione di due mondi originariamente lontanissimi tra loro, quello dei PLC convenzionali e quello del linguaggi di alto livello di origine informatica come il C, si stiano progressivamente avvicinando l uno all altro. Grazie a TwinCAT 3, i programmatori di PLC possono sfruttare funzioni orientate agli oggetti addizionali, che in precedenza non erano disponibili: TwinCAT 3 offre già tutte le funzionalità del nuovo linguaggio di programmazione IEC rd Edition. Per quanto riguarda le strutture per la programmazione object-oriented, i vantaggi dell estensione e modernizzazione dello standard possono già essere utilizzati in tutti i linguaggi che rientrano nella IEC Le possibilità includono ereditarietà singola, oltre all utilizzo di interfacce, metodi e attributi. La realizzazione di parti del programma in codice C/C++ è vantaggiosa soprattutto per gli utilizzatori interessati all elaborazione delle immagini, alle tecnologie di misura e alle applicazioni robotiche, in quanto le trasformazioni cinematiche degli assi diventano più efficienti soprattutto con la disponibilità di una vasta base di sottoprogrammi e funzioni in linguaggio C che possono facilmente essere integrate nella potente struttura di TwinCAT 3. Solitamente nelle università non si studia il linguaggio SFC (Sequential Functional Chart) tipico dei PLC, ma moderni linguaggi di alto livello. In ogni caso, i programmatori C/C++ devono abituarsi a procedure di tipo un po diverso. Mentre la maggior parte degli sviluppatori hanno finora creato per lo più applicazioni controllate da eventi, il programma C associato ad un sistema di automazione viene spesso eseguito ciclicamente in un contesto operativo in tempo reale. Se le attività che devono essere avviate da un programma scritto in C richiedono un tempo di elaborazione più lungo di quanto il tempo di ciclo permetta, allora queste attività devono essere scomposte in blocchi disaccoppiati. Beckhoff fornisce un Software Development Kit (SDK) per realizzare quest operazione allo scopo di avviare azioni dal processo deterministico in tempo reale e controllare lo stato del processo stesso: la lettura/scrittura di file, l avvio dei thread, l allocazione di memoria e la comunicazione con i database avviene tramite le funzioni contenute nell SDK, che corrispondono ai meccanismi presenti nelle librerie dei PLC alle quali i programmatori di PLC sono abituati. Il compilatore contenuto in Microsoft Visual Studio 2010 viene usato per la generazione del codice scritto in linguaggio C, in seguito il codice oggetto viene caricato nel sistema d esecuzione in tempo reale sotto forma di libreria caricabile dinamicamente (DLL), rendendo così l utilizzatore in grado di estendere il sistema TwinCAT con i moduli di programma desiderati. Beckhoff ha ampliato le funzionalità disponibili in Visual Studio creando opzioni diagnostiche ideali per l utilizzo dei linguaggi C/C++ in applicazioni di automazione. In particolare, è stato creato un canale di trasporto personalizzato sfruttando l interfaccia Custom Debugger Interface, dove i dati online sono disponibili in tempo reale, sia localmente sia tramite accesso remoto, nella finestra dedicata TwinCAT watch per il controllo e la modifica senza dover interrompere la sequenza in esecuzione sulla macchina con un break-point. L ambiente Visual Studio offre ai progettisti anche altri linguaggi di programmazione: Silverlight-Designer oppure i linguaggi basati su.net, come il C#, che possono essere sfruttati per la programmazione di porzioni di applicazioni non in tempo reale, come per esempio l interfaccia utente. In Visual Studio Shell, Microsoft fornisce una piattaforma con le necessarie interfacce per creare le estensioni. La combinazione della piattaforma Microsoft con le estensioni per l automazione sviluppate da Beckhoff ha permesso di creare una piattaforma potente e modulare chiamata extended Automation Engineering (XAE), tramite la quale tutti i componenti di un sistema di automazione, dalla configurazione degli I/O al programma per PLC e/o in linguaggio C, all interfaccia utente fino ai collegamenti con il database aziendale, possono essere gestiti all interno dello stesso progetto e coerentemente con un approccio di lavoro di gruppo. Beckhoff è rimasta ancora una volta fedele alla sua filosofia: soluzioni utili e di uso comune diffuse nel mondo informatico vengono accettate e potenziate per la tecnologia dell automazione. TwinCAT 3 è il software di nuova generazione di Beckhoff con il quale è possibile estendere praticamente qualunque sistema di elaborazione basato su PC in un ambiente di elaborazione in tempo reale in cui convivono moduli PLC, PLC di sicurezza, controlli numerici CNC, robotica e programmi scritti in C/C++. Il numero di moduli può essere eseguito contemporaneamente ed è limitato solamente dalle prestazioni dell hardware utilizzato. Grazie al supporto delle moderne CPU con 4 SETTEMBRE 2011 Automazione Oggi 348

5 ation COPERTINA Beckhoff automation COPERTINA Beckhoff automation COPERT tecnologia multi-core, l esecuzione dei singoli moduli può essere distribuita tra le varie CPU disponibili per sfruttare al meglio la potenza di elaborazione offerte dai microprocessori più moderni nelle applicazioni di automazione. Visual Studio Integration: dispositivi di automazione e programma di applicazione in un unico ambiente Integrazione di Matlab/Simulink nell ambiente di sviluppo TwinCAT 3 La metodologia di progetto di un sistema di automazione basata sulla simulazione in tempo reale del controllore, nota anche nel linguaggio dei controlli automatici come prototipazione rapida del controllo (Rapid Control Prototyping), prevede la strutturazione del lavoro in diversi passi: creazione di un modello del sistema da automatizzare, progetto del controllore, simulazione dell intero sistema, realizzazione del controllore nella piattaforma target, collaudo della realizzazione accoppiando la piattaforma target con il modello del sistema (software in the loop SIL), collaudo del sistema reale con il controllore reale. L ingegnerizzazione di un impianto complesso in molti casi richiede numerosi cicli di iterazione del progetto, il che significa che i diversi passi vanno percorsi diverse volte. Per configurare in modo universale il processo di progettazione, è necessario che esistano delle interfacce tra gli strumenti di simulazione e gli strumenti di ingegnerizzazione onde poter rielaborare nei passi successivi i dati creati nei passi precedenti. Grazie a tali interfacce, il codice generato da uno strumento di simulazione può essere integrato automaticamente in un sistema di controllo in tempo reale, permettendo di abbreviare notevolmente la singola iterazione del ciclo di sviluppo e di ottenere un codice di controllo di qualità notevolmente più elevata. Il sistema di simulazione Matlab/Simulink Il prodotto Matlab/Simulink di The MathWorks si è affermato sul mercato come lo strumento standard nelle attività di ricerca e sviluppo per la simulazione digitale di sistemi tecnologici. È possibile riprodurre e simulare il comportamento di sistemi dinamici complessi anche con gli elementi di base che appartengono alla libreria di funzioni Simulink. Grazie a numerosi strumenti addizionali disponibili, le difficoltà di modellazione per molti casi applicativi vengono agevolmente superate. La potenza della soluzione Matlab/Simulink può essere usata nel settore dell automazione in particolare per progettare e ottimizzare sistemi di controllo lineari e non. Inoltre, la modellazione dei sistemi dinamici per il collaudo simulato del programma di controllo associato facilita anche il processo di sviluppo di una macchina automatica. Real-Time Workshop, estensione di Simulink proposta da The MathWorks, ha reso possibile l abbattimento delle barriere che separavano artificialmente il mondo della simulazione e quello della realizzazione pratica. La possibilità di integrare i moduli scritti in C++ in un sistema di automazione rappresenta una soluzione molto flessibile per l utilizzo del codice generato con Real- Time Workshop. Oltre al codice che traduce le funzionalità definite nel modello Simulink, Real-Time Workshop genera automaticamente una serie di strutture che costituiscono l interfaccia con il sistema TwinCAT 3 quando si utilizza TwinCAT Target. Un modello Simulink viene pertanto trasformato in un modulo Simulink per TwinCAT collegato con I/O o con altri moduli, anche nidificati l un l altro, nell ambiente di sviluppo TwinCAT 3. Generazione del modulo da Simulink A differenza di altre realizzazioni di sistemi di controllo basate su Simulink, non è necessario definire blocchi speciali in Simulink, per esempio blocchi di ingresso o di uscita, per generare un modulo TwinCAT 3 se si utilizza TwinCAT Target. Gli ingressi e le uscite vengono definite come normali blocchi Simulink. I prerequisiti per generare un modulo TwinCAT a partire dal modello Simulink sono il prodotto Real-Time Workshop di The MathWorks e l utilizzo di TwinCAT Target. Quando sono entrambi installati nel sistema, vi è un opzione per selezionare TwinCAT come sistema target di Real-Time Workshop nella finestra di impostazioni di un modello Simulink. Avendo selezionato il sistema target, all utente vengono proposte opzioni di configurazione supplementari, ad esempio l attivazione o disattivazione della modalità External Mode. In linea di massima, le impostazioni standard sono sufficienti per avviare la generazione del modulo TwinCAT. Per gli utenti esperti è prevista l ulteriore possibilità di limitare il processo di generazione alla sola generazione del codice. In tal modo, è possibile apportare al codice generato alcune personalizzazioni particolari prima che venga compilato. Integrazione con TwinCAT 3 Quando si integra un modulo all interno dell ambiente di sviluppo TwinCAT 3, l utilizzatore ha a disposizione diverse SETTEMBRE 2011 Automazione Oggi 348 5

6 AO COPERTINA Beckhoff automation COPERTINA Beckhoff autom opzioni. Un istanza del modulo compilato può essere inserita all interno dell ambiente di sviluppo tramite una finestra di dialogo e appare poi nell albero delle risorse di progetto, che riflette la struttura del sistema di controllo. Il modulo può essere aperto nell albero per visualizzare i suoi ingressi e le sue uscite. Il trasferimento di dati tra le immagini dei processi dei singoli moduli viene configurato nell ambiente di sviluppo Integrazione in TwinCAT 3 generato su Simulink TwinCAT attraverso I/O digitali e analogici di qualunque modulo (PLC, Simulink, C++, etc.) collegati tra loro. Per garantire l elaborazione ciclica del modulo inserito, il modulo viene collegato a un attività (task) ciclica in tempo reale. Tale collegamento viene creato automaticamente quando si inserisce il modulo con un tempo di ciclo impostato. In alternativa a una chiamata ciclica da parte di un attività, l istanza del modulo può essere richiamata dall interno di un altra: in questo caso i dati di ingresso e uscita dal modulo chiamato sono accessibili all interno del modulo chiamante. Se un utente desidera effettuare degli aggiustamenti al codice generato, può integrare automaticamente in modo simile il codice generato nella struttura ad albero di un progetto Visual Studio. Il file di progetto generato contiene tutti i sorgenti e le impostazioni per compilatore e linker necessari alla corretta compilazione del modulo. Dopo la compilazione, un istanza del modulo generato viene automaticamente inserita nella struttura dell albero delle risorse di progetto e a quel punto (naturalmente ammesso che il codice sorgente non sia stato modificato) avrà le stesse caratteristiche di un istanza di un modulo compilato che sia stata inserita nell albero. Parametrizzazione di un modulo in TwinCAT I valori, che possono essere ottimizzati durante la fase di simulazione, sono assegnati ai parametri del blocco Simulink utilizzato sin dalle prime fasi dello sviluppo e sono utilizzati nel modulo come impostazioni predefinite nella generazione del codice e l utente ha la possibilità di conformare questi parametri all ambiente di sviluppo TwinCAT. Le impostazioni predefinite dei parametri possono essere recuperate in ogni momento e i parametri possono essere modificati tramite l interfaccia grafica dell ambiente di sviluppo TwinCAT. L interfaccia grafica contiene i blocchi dei modello Simulink con illimitati livello di nidificazione in una struttura ad albero, mediante la quale l utilizzatore può navigare tra le strutture del modello per modificarne i parametri di interesse. Modalità External È possibile creare un collegamento al modulo generato da Simulink utilizzando la modalità External Mode. A differenza della modalità Normal Mode, mediante la quale il modello realizzato viene calcolato direttamente in Simulink, la modalità esterna permette di usare Simulink solo come front end grafico. Il collegamento in modalità esterna può raggiungere qualunque controllore appartenente alla stessa rete. L utilizzatore ha ora la possibilità, durante l esecuzione, di regolare le impostazioni eseguite in tempo reale, modificando i parametri dei blocchi all interno dell ambiente Simulink. Inoltre, i valori correnti dei parametri del modulo in esecuzione possono essere visualizzati in tempo reale tramite blocchi come l oscilloscopio di Simulink, che serve a mostrare l evoluzione dei vari stati del processo. Infine TwinCAT Target facilita l integrazione dei moduli realizzati con TwinCAT 3: architettura dell ambiente di sviluppo 6 SETTEMBRE 2011 Automazione Oggi 348

7 ation COPERTINA Beckhoff automation COPERTINA Beckhoff automation COPERT l ambiente di simulazione Matlab/Simulink di The MathWorks e integrati nel sistema di controllo TwinCAT 3. A differenza di altri sistemi di collegamento tra ambiente di simulazione e sistema di controllo, non sono necessari blocchi supplementari per la modellazione di ingressi e uscite. Il tipo di integrazione scelto permette quindi la cosiddetta referenza gerarchica dei modelli di simulazione in Simulink (Model Referencing). Nell ambito della prototipazione rapida del controllo, i singoli sottosistemi possono pertanto essere trasferiti al sistema target senza dover apportare modifiche al modello di simulazione. In seguito all integrazione dell appropriato modulo in Twin- CAT 3, i valori delle variabili o dei parametri usati in Simulink per la simulazione sono visualizzati nell interfaccia grafica di System Manager, così che possano essere modificati anche in quel contesto. Questi parametri sono accessibili in modo simile anche da altri moduli e applicazioni nell ambiente di esecuzione. Il collegamento di Matlab/Simulink all ambiente di sviluppo software TwinCAT 3 è realizzato in un modo che spicca per la sua originalità e la maggior flessibilità e potenzialità rispetto a soluzioni solo apparentemente simili. di Lù del Frate SETTEMBRE 2011 Automazione Oggi 348 7