Speciale Nuove piattaforme di controllo per il manifatturiero

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1 Poste Italiane SpA Spedizione in abbonamento postale D.L. 353/2003 (Convertito in legge 27/02/2004 n.46 - art.1, Comma 1, DCB Milano) - In caso di mancato recapito inviare al CMP/CPO di Roserio- Milano per la restituzione al mittente previo pagamento resi - ISSN:0392/ AO Organo ufficiale di 338 Settembre 2010 Anno Speciale Nuove piattaforme di controllo per il manifatturiero Rassegna HMI e Scada Inserto SOLUZIONI SOFTWARE PER L INDUSTRIA

2 COPERTINA TwinCAT. Cosa c è di nuovo? TwinCAT Kinematic Transformation integrazione del controllo robot in TwinCAT: una sincronizzazione ottimale tra robot, PLC e motion control. Nei prossimi mesi verrà rilasciata TwinCAT 3, la release del software di automazione che permetterà di creare più istanze di vari controllori per gestire una macchina eseguendole sullo stesso hardware di controllo centralizzato LÙ DEL FRATE Risulta difficile immaginarsi un industria priva di robot. Utilizzati in moltissime aree applicative grazie alla loro grande flessibilità i robot articolati sono spesso soppiantati da più semplici ed economici sistemi con cinematica parallela, come ad esempio i delta robot. Storicamente, tali robot sono sempre stati equipaggiati con loro controlli, di solito basati su PC. Ma Beckhoff, grazie alla Scientific Automation ha esteso l orizzonte applicativo della tecnologia di automazione basata su PC con nuovi componenti, come quelli orientati alla robotica. E grazie al software TwinCAT Kinematic Transformation è ora disponibile una soluzione dinamica che consente agli utilizzatori di integrare il controllo dei robot all interno del mondo Beckhoff. Fino a poco tempo fa, l utilizzo dei robot ha sempre richiesto l utilizzo di una speciale CPU: il controllore del robot spesso doveva essere collegato al controllore principale della macchina tramite uno speciale bus di campo e la programmazione del robot richiedeva un pacchetto software dedicato, il più delle volte legato a un linguaggio di programmazione particolare definito dal costruttore. L utilizzo di diversi controllori di robot con un bus di campo che li collegava tra loro, poi, non ne permetteva la sincronizzazione con i sistemi di controllo del movimento. Certo, la soluzione a questo problema è arrivata grazie al controllo robot via software che permette di eliminare il costo del controllore dedicato al robot, il cablaggio e la configurazione del bus di campo e, in particolare, il costo della programmazione del robot. La precisa sincronizzazione, poi, si può ottenere riducendo le comunicazioni tra il controllore standard e il robot a un puro accesso alla memoria. In tal modo, una sezione di un nastro trasportatore regolato da un comune sistema di controllo del movimento può essere asservita da un robot al volo. La cinematica, studio del moto di punti e corpi nello spazio, è descritta dalle variabili quali la traiettoria (variazione delle coordinate di posizione), la velocità, l accelerazione e non considera le cause che generano il moto. Nel contesto della robotica, il termine cinematica si riferisce alle differenti possibilità di movimento. Poiché la struttura e il numero di assi determina l area di lavoro del robot, tale area è dipendente da molti parametri come la lunghezza del braccio, l escursione angolare, il centro di gravità, il carico massimo e così via. E la disposizione dei bracci e dei giunti determina la struttura cinematica del robot, che può essere suddivisa in cinematica seriale e cinematica parallela. Nella prima versione la posizione di ogni asse dipende Iniziativa realizzata in collaborazione con la direzione marketing 20 SETTEMBRE 2010 AUTOMAZIONE OGGI 338

3 dalla posizione dell asse precedente; il punto centrale dell utensile, o TCP (Tool Center Point), è modificato da ogni asse sui piani x, y e z; esempi che possiamo ricordare sono i robot Scara e la cinematica delle gru. Nella seconda versione invece la posizione dell asse è influenzata dall asse precedente in una sola direzione: il TCP è modificato solo in un piano; e gli esempi che possiamo fare sono di cinematica delta e cinematica della cesoia. I sistemi di coordinate servono a descrivere le posizioni di un sistema. Le origini sono poste sui giunti dei vari bracci. Si possono usare diversi sistemi di coordinate come base per la programmazione: sistema di coordinate cartesiane destro o con direzione di rotazione sempre positiva (antioraria); sistema di coordinate del pezzo o PCS (Piece Coordinate System) indipendente dalla cinematica utilizzata e usato per definire orientamenti rispetto al pezzo; sistema di coordinate macchina o MCS (Machine Coordinate System) indipendente dalla cinematica utilizzata e usato per definire orientamenti rispetto alla macchina; sistema di coordinate degli assi o ACS (Axis Coordinate System) che dipende dalla cinematica utilizzata e usato per riferirsi alla posizione di partenza. I robot sono spesso programmati usando i sistemi di coordinate PCS (riferiti al pezzo) o MCS (riferiti alla macchina) in quanto i due sistemi sono molto chiari per la loro struttura cartesiana. Non è necessario preoccuparsi del tipo di cinematica usando tali sistemi poiché le corrette sequenze di movimento vengono calcolate mediante una trasformazione. Al contrario, quando si programma riferendosi al sistema di coordinate degli assi è fondamentale prendere in considerazione la struttura degli assi stessi, poiché i comandi di movimento per questo tipo di assi deve essere programmato direttamente. È per questo che tale programmazione viene utilizzata solo in casi eccezionali. SETTEMBRE 2010 AUTOMAZIONE OGGI

4 COPERTINA Trasformazioni La cinematica quindi descrive i possibili movimenti dei singoli bracci che compongono il robot, prendendo in considerazione le velocità e le accelerazioni che si verificano nel corso del movimento dei giunti, senza occuparsi delle forze che generano il movimento stesso o il tipo di giunto (attivo/passivo). Differenti disposizioni di giunti e bracci possono produrre un identico percorso di movimento del Tool Center Point (TCP). Dal momento che le trasformazioni descrivono, nel contesto della cinematica, i calcoli necessari per passare da un sistema di coordinate a un altro, nella cinematica dei robot dobbiamo considerare due problemi: il problema cinematico diretto o KP (Kinematic Problem), chiamato anche trasformazione diretta, riguarda il calcolo della posizione del TCP nelle coordinate spaziali fisse a partire dalle posizioni dei bracci del robot; il problema cinematico inverso, o IKP (Inverse Kinematic Problem), chiamato anche trasformazione inversa, riguarda il calcolo per risalire alle coordinate relative ai bracci del robot a partire dalla posizione del TCP. Il compito della trasformazione è quello di cambiare la posizione e l orientamento degli oggetti così che il TCP possa percorrere il cammino desiderato. Tracking Dal momento che nessun robot vive isolato dal resto del mondo ma deve cooperare con gli altri componenti che fanno parte della macchina, è fondamentale la sincronizzazione del movimento: un compito frequente ad esempio è quello di spostarsi in una posizione specifica su un nastro trasportatore e, naturalmente, di sincronizzare il movimento lungo lo scorrimento del nastro. Ad esempio, al robot può essere richiesto di raccogliere un pezzo da uno specifico nastro o di deporlo in una certa posizione. La sincronizzazione e il movimento del robot che accompagnano un pezzo in movimento, in un sistema di coordinate rotatorio o traslatorio, è identificato come tracking. Implementazione in TwinCAT TwinCAT Kinematic Transformation integra il controllo robot nella suite di automazione TwinCAT: una sincronizzazione ottimale quindi tra robot, PLC e motion control. Le funzioni legate alla robotica e al controllo del movimento possono essere sincronizzate utilizzando TwinCAT NC PTP (posizionamento assi puntopunto) oppure NC I (interpolazione assi in tre dimensioni), mentre tutte le caratteristiche dei PLC e dei controlli numerici possono essere combinate in una piattaforma hardware e software comune. TwinCAT Kinematic Transformation realizza le varie trasformazioni dei robot sul PC. Oltre che per la cinematica bidimensionale, può essere sfruttato per il calcolo della cinematica tridimensionale, delta e Scara. Gli assi sono controllati direttamente dal sistema di Motion Control di TwinCAT. L utilizzatore quindi programma i movimenti del robot direttamente nel sistema di coordinate cartesiane. La trasformazione nel sistema di coordinate del robot viene calcolata dal software durante ogni ciclo. Per minimizzare le oscillazioni e migliorare l accuratezza di posizionamento, è possibile attivare un ulteriore algoritmo di pre-controllo per molte cinematiche. Ciò è naturalmente possibile solo se il bus di campo è sufficientemente veloce e gli azionamenti che pilotano i motori rendono disponibile l interfaccia per un controllo aggiuntivo della corrente. EtherCAT e gli azionamenti AX5000 di Beckhoff soddisfano pienamente questi requisiti. Il robot viene configurato attraverso l interfaccia TwinCAT System Manager, strumento per la configurazione degli I/O e degli assi. La lunghezza di aste e braccia così come gli offset della cinematica sono parametrizzati in questo contesto. Le masse e i momenti d inerzia del robot possono anche essere opzionalmente specificati per il pre-controllo di corrente. 22 SETTEMBRE 2010 AUTOMAZIONE OGGI 338

5 Automazione modulare con TwinCAT 3 TwinCAT 3 è la nuova generazione di software per automazione con controllo PC-based di Beckhoff. Le macchine moderne sono composte da singoli moduli o unità organizzate gerarchicamente. Per molti versi, queste unità possono essere sviluppate e collaudate in modo indipendente l una dall altra e possono interagire con altri moduli tramite interfacce standardizzate. Lo stesso concetto di modularità è necessario per il software di controllo, in modo tale che ciascuna unità disponga del proprio controllore, che a sua volta comunica con gli altri controllori mediante interfacce standardizzate. Grazie alla struttura modulare del suo runtime e alle interfacce già predefinite per molte applicazioni, la soluzione TwinCAT 3 offre la possibilità di creare più istanze di vari controllori che servono a gestire una macchina eseguendole sullo stesso hardware di controllo centralizzato. I vari moduli di controllo possono essere sviluppati in modo indipendente l uno dall altro anche sfruttando linguaggi di programmazione diversi. Una vasta gamma di moduli base già disponibili o sviluppati in proprio forma quindi un kit di automazione mediante il quale si possono realizzare rapidamente nuove applicazioni di automazione. Un po di storia L approccio seguito tradizionalmente per realizzare sistemi di automazione, che comprende l utilizzo di PLC e motion control implementati a livello software operanti su piattaforme hardware standard, ha costituito per molti anni l architettura di riferimento più avanzata ed è oggi promosso da molti fornitori. Sono molti i vantaggi che si ottengono, ma tra i più importanti vi è il fatto che il software è in linea di massima indipendente dall hardware, il che permette di adattare le prestazioni dell hardware alle esigenze dell applicazione da sviluppare. Inoltre, l applicazione beneficia immediatamente delle successive evoluzioni migliorative dell hardware. Ciò è particolarmente vero per l hardware con architettura PC, dove le prestazioni disponibili continuano ad aumentare rapidamente. La relativa indipendenza da un fornitore, che è anche il risultato della separazione tra hardware e software, è altrettanto importante per gli utilizzatori finali. Dal momento che, adottando questo approccio, PLC e motion control, oltre ad altri componenti di automazione, continuano a esistere come unità logiche indipendenti, avremo poche variazioni nell architettura dell applicazione rispetto alle tecnologie di automazione tradizionali. Il AO PLC determina la sequenza logica delle operazioni della macchina e assegna al controllore del movimento i compiti da svolgere in termini di funzioni che coinvolgono gli assi. Grazie al miglioramento delle prestazioni dei controllori e alla possibilità di utilizzare linguaggi di programmazione ad alto livello (IEC ), anche le macchine complesse possono essere automatizzate in tal modo. Modularità Per affrontare la complessità delle macchine moderne e ridurre allo stesso tempo i costi di ingegnerizzazione, molti costruttori hanno iniziato a rendere modulari le proprie macchine. Singole funzionalità, sottoinsiemi o unità operative sono quindi stati considerati moduli indipendenti e integrabili nel sistema complessivo tramite interfacce uniformi. Idealmente una macchina viene strutturata in modo gerarchico dove i moduli a più basso livello rappresentano gli elementi più semplici e continuamente riutilizzabili, che uniti assieme formano unità operative più complesse, fino ad arrivare al livello più alto, dove viene creata l intera macchina. Per rendere modulare una macchina dal punto di vista del controllo vengono seguiti diversi approcci, grossolanamente suddivisi in un approccio decentralizzato e uno centralizzato. Con l approccio decentralizzato ogni modulo della macchina ha un controllore dedicato che determina le funzioni del PLC e anche le funzioni di controllo del movimento del modulo. I singoli moduli possono essere installati e mantenuti separatamente e possono essere scalati in modo indipendente. Le interazioni necessarie tra i diversi controllori presenti vengono coordinate tramite reti di comunicazione (bus di campo o Ethernet) standardizzate mediante opportuni profili. L approccio centralizzato concentra le funzioni di controllo di tutti i moduli in un controllore unico e richiede poca intelligenza da parte dei dispositivi locali di I/O. Le interazioni si svolgono per lo più direttamente nel controllore centrale e i percorsi di comuni- SETTEMBRE 2010 AUTOMAZIONE OGGI

6 cazione diventano decisamente più brevi, i tempi morti vengono eliminati e l utilizzo di un hardware comune ne abbassa il costo complessivo. L approccio centralizzato ha lo svantaggio che la struttura modulare del software di controllo non viene automaticamente specificata. Allo stesso tempo, la possibilità di accedere alle informazioni da altre parti del programma nel controllore centralizzato ostacola la suddivisione in moduli e il riutilizzo di questo software di controllo in altre applicazioni. Poiché non esiste alcun canale di comunicazione tra le unità di controllo, spesso la definizione di profili e la standardizzazione delle unità di controllo finisce per essere messa da parte. Il meglio dei due mondi Il controllore ideale per le macchine modulari prende in prestito alcune tecniche sia dall architettura di controllo centralizzata, sia da quella decentralizzata. Una piattaforma di elaborazione potente e la più generica possibile è naturalmente utilizzata come hardware di controllo. I vantaggi di una tecnologia di controllo centralizzata si basano essenzialmente su un minor costo complessivo e sulla possibilità di accedere a tutte le informazioni del sistema senza COPERTINA Sviluppo confortevole Nuovi moduli di controllo possono essere sviluppati e collaudati in modo indipendente dalla specifica soluzione completa. Lo sviluppatore può pertanto utilizzare una vasta gamma di moduli esistenti e combinarli in un moderno ambiente di sviluppo basato su Microsoft Visual Studio per creare nuovi moduli o interi programmi di controllo. Possono essere utilizzati affiancati l uno all altro tutti i linguaggi di automazione definiti in IEC e i linguaggi C e C++. Altri strumenti di sviluppo come Matlab/Simulink possono anch essi essere utilizzati per generare moduli TwinCAT. Controllore potente Grazie all interazione dei moduli TwinCAT 3 su una piattaforma di controllo e alla definizione di interfacce per lo scambio di dati e proprietà, è possibile sfruttare interamente le prestazioni offerte dai PC integrati o industriali senza alcuna penalità dovuta a comunicazioni o sincronizzazioni. TwinCAT 3 può sfruttare tutti i nuclei di elaborazione (core) integrati nelle moderne CPU e può essere anche usato nei sistemi a 64 bit. Soluzione completa economicamente conveniente L utilizzo di moduli di controllo già sviluppati e collaudati riduce significativamente i costi per l ingegnerizzazione di nuove macchine e impianti. Le applicazioni di controllo possono essere per la maggiore parte assemblate partendo dai moduli esistenti, che vengono adattati ai compiti richiesti solamente mediante la parametrizzazione e il collegamento con altri moduli. Le istanze dei moduli di controllo vengono eseguite da un controllore centrale di tipo generico che può essere realizzato utilizzando hardware poco costoso. L hardware di controllo decentralizzato a basso livello può quindi essere eliminato. perdite dovute alle comunicazioni. I vantaggi dell approccio decentralizzato riassunti in precedenza possono essere sfruttati in pratica nel controllore centrale attraverso un opportuna forma modulare del software di controllo. Invece di realizzare un grande e complesso programma per PLC e un controllo numerico che deve gestire molti assi, piccoli controllori possono coesistere sullo stesso hardware in modo indipendente in un comune runtime. I singoli moduli di controllo sono virtualmente incapsulati e offrono le loro funzioni all esterno mediante interfacce standardizzate o utilizzano le funzioni messe a disposizione dagli altri moduli o dal sistema runtime. Definendo queste interfacce e standardizzando gli opportuni parametri e dati del processo si creano dei profili significativi. Dal momento che i singoli moduli sono realizzati all interno di un sistema runtime, è anche possibile eseguire chiamate dirette da un modulo all altro utilizzando le appropriate interfacce standardizzate. La ripartizione in moduli può quindi essere ottenuta definendo dei confini significativi, senza dover per questo rischiare di affrontare perdite o problemi dovuti alle comunicazioni. Durante lo sviluppo o la messa in servizio dei singoli moduli che compongono la macchina, i moduli di controllo possono essere creati e collaudati su qualunque hardware di controllo con l opportuno runtime. In questa fase i collegamenti agli altri moduli possono essere emulati. Sulla macchina completa vengono poi installati insieme nel runtime centrale, che deve essere dimensionato solo per soddisfare tutte le risorse richieste dei vari moduli (memoria, task e capacità di elaborazione). Moduli TwinCAT 3 Un modulo TwinCAT è composto da una serie di proprietà definite in modo formale, alcune obbligatorie e altre facoltative in modo da consentire una fruizione generalizzata. Ciascun modulo comprende un file di descrizione (in formato XML) per la configurazione dei moduli e della relazione tra gli uni e gli altri. Quando un modulo è istanziato nel runtime TwinCAT, l istanza viene 24 SETTEMBRE 2010 AUTOMAZIONE OGGI 338

7 registrata nel registro centrale delle istanze dal gestore dei moduli (module manager). Ciò rende il modulo raggiungibile e parametrizzabile per gli alti moduli e anche per gli strumenti di programmazione. I moduli possono essere compilati indipendentemente l uno dall altro e quando sviluppati, collaudati e mantenuti in modo indipendente l uno dall altro. Possono avere una struttura molto semplice e contenere, ad esempio, una piccola funzione come un filtro passa-basso, ma possono anche essere internamente molto complessi e articolati come ad esempio un controllore di un unità operativa. Le applicazioni per i moduli sono molte e diverse: tutte le attività di un sistema di automazione possono essere raggruppate in moduli e di conseguenza non si fanno distinzioni tra moduli che rappresentano le funzioni basilari di un sistema di automazione, come un attività da svolgere in tempo reale, il pilotaggio di un bus di campo o un runtime di un PLC, oppure ancora un algoritmo specifico di un applicazione per il controllo o la regolazione personalizzata di una macchina. Moduli di sistema Il runtime TwinCAT mette a disposizione anche i cosiddetti moduli di sistema che offrono agli altri moduli i servizi fondamentali del runtime. Questi moduli di sistema posseggono un ID dell oggetto fisso e costante, pertanto possono essere raggiunti da tutti gli altri moduli. Un esempio di modulo di sistema è quello real-time che rende disponibili i servizi fondamentali mediante la sua interfaccia ITcRTime. Anche il router ADS è realizzato sotto forma di modulo di sistema attraverso il quale gli altri moduli possono registrare la propria porta ADS. AO Creazione di moduli I moduli possono essere creati sia in C++, sia in IEC Per far ciò vengono sfruttate le estensioni orientate agli oggetti del PLC integrato in TwinCAT 3. I moduli da entrambi i mondi possono interagire tramite le interfacce esattamente allo stesso modo come i moduli scritti in puro C++. Grazie alle estensioni orientate agli oggetti del PLC si usano le stesse interfacce come in C++. Anche i moduli PLC si registrano nel gestore moduli e quindi diventano raggiungibili grazie a quest ultimo. La complessità dei moduli varia anche per i moduli PLC; non fa alcuna differenza che nel modulo vi sia un semplice filtro o un intero programma per PLC. Infatti, grazie agli automatismi, ciascun programma PLC è un modulo nel senso dei moduli TwinCAT 3. Ciascun programma PLC classico viene automaticamente inserito in un modulo e si registra nel gestore moduli con uno o più moduli per le attività. L accesso ai dati di processo da parte di un modulo PLC (ad esempio il collegamento a un driver per bus di campo) si svolge analogamente tramite aree dati definite. Questo comportamento rimane invisibile al programmatore PLC fintantoché decide di definire esplicitamente parti del programma PLC come moduli TwinCAT per usarli con l appropriata flessibilità. Il runtime TwinCAT 3 Il runtime TwinCAT offre un ambiente software nel quale i moduli TwinCAT sono caricati, eseguiti e gestiti. Esso offre inoltre alcune funzionalità di base che permettono di usare le risorse di sistema (memoria, task, bus di campo, accesso all hardware e così via). I singoli moduli non devono necessariamente essere creati usando lo stesso compilatore e possono quindi essere indipendenti l uno dall altro e realizzati da fornitori diversi. Una serie di moduli di sistema viene caricata automaticamente all avvio del runtime, così che le loro proprietà vengono rese disponibili a tutti gli altri moduli. Comunque, l accesso alle proprietà dei moduli di sistema avviene come nei moduli normali; è quindi irrilevante se una proprietà è resa disponibile da un modulo di sistema o da un modulo normale. Espandibilità Lo stesso TwinCAT 3 è stato interamente sviluppato sotto forma di moduli. Proprietà come il pilotaggio di bus di campo o funzioni di controllo del moto sono state create seguendo le stesse regole e convenzioni che si applicano anche agli altri moduli più orientati alle applicazioni. Nuove funzioni, algoritmi e il supporto di nuovi protocolli di comunicazione possono pertanto essere facilmente aggiunte e sostituire i relative moduli base esistenti nelle realizzazioni standard. Il supporto di hardware personalizzato (schede fieldbus, frame grabber ecc.) può essere facilitato dalla disponibilità o dall aggiunta di un opportuno modulo che si somma alla biblioteca di driver già esistenti in TwinCAT 3. Beckhoff Automation SETTEMBRE 2010 AUTOMAZIONE OGGI