macchine utensili con strumenti Open Source

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1 TITOLO: Industria 4.0 e PMI: Monitoraggio remoto di macchine utensili con strumenti Open Source AUTORI: Vincenzo Caruso Guarino (Dottore Magistrale in Ingegneria Meccanica), Ernesto Lo Valvo (Professore Ordinario) Università degli Studi di Palermo ENTI ed AZIENDE coinvolti: Università degli Studi di Palermo, RIMAT SRL Palermo. Riassunto Questo lavoro riguarda l uso di strumenti Open Source e di un microcomputer a basso costo per lo scambio di informazioni tra macchine CNC e il loro monitoraggio remoto. L uso di un Raspberry Pi ha permesso sia il colloquio attraverso la rete locale tra un PC centrale e differenti controlli numerici, sia l uso dello standard MTConnect per monitorare lo stato di più dispositivi anche con comuni smartphone e tablet. Il sistema elaborato è inoltre in grado di segnalare, in tempo reale, condizioni o informazioni particolari a un addetto sia in prossimità delle attrezzature tramite braccialetto Bluetooth, sia praticamente ovunque tramite l applicazione di messaggistica istantanea Telegram. Long Abstract (8000 caratteri): Questo lavoro, svolto durante una tesi di laurea in Ingegneria Meccanica, riguarda l uso di strumenti Open Source e microcomputer a basso costo per lo scambio di informazioni tra macchine CNC e il loro monitoraggio remoto. Il sistema sviluppato parte dal problema riscontrato da una azienda (la RIMAT srl di Palermo) relativo al colloquio tra un PC centrale e i diversi controlli numerici attraverso la rete locale, semplice per i modelli con Ethernet ma più complesso per quelli con la sola porta RS232. L uso di un Raspberry Pi (microcomputer di bassissimo costo) se da un lato ha risolto il problema del colloquio tra un PC e i diversi CNC (sia attraverso la rete locale sia da remoto tramite VPN), consente anche di servirsi dello standard MTConnect per monitorare lo stato dei dispositivi, anche con comuni smartphone e tablet. Il sistema elaborato è inoltre in grado di segnalare, in tempo reale, condizioni o informazioni particolari a un addetto sia in prossimità delle attrezzature tramite braccialetto Bluetooth, che praticamente ovunque tramite l applicazione di messaggistica istantanea Telegram. Lo standard MTConnect è un protocollo di comunicazione privo di royalty, ideato per il settore manifatturiero e usato per consentire il collegamento fra vari dispositivi e, quindi, la comunicazione e il monitoraggio tramite internet.

2 Si tratta di un approccio che permette il monitoraggio, la connessione e la raccolta di dati dall'intero piano di produzione, dall'estremità più bassa della catena di processo, quella più vicina al pezzo in lavorazione, al più alto strumento di progettazione o di pianificazione, con l obiettivo di ottenere una filiera produttiva senza interruzioni. Lo standard rende possibile ciò in quanto è basato sulla tecnologia internet XML e HTTP per la condivisione dei dati in tempo reale. I suoi elementi costitutivi sono i seguenti: l applicazione svolge le funzioni di visualizzazione, archiviazione ed eleaborazione dei dati; la rete Ethernet o Wi-Fi funge da collegamento attraverso cui avviene il trasferimento dei dati; l Adapter stabilisce una connessione tra il dispositivo e l Agent, che riceve i dati grezzi e ne opera un opportuna traduzione prima di inviarli all applicazione; i dispositivi sono numerosissimi ( supported-devices). Il Raspberry, usato come server, gestisce e rende fruibili le informazioni provenienti dalle macchine CNC e, attraverso la configurazione di opportuni file, e consente ad un Agent di dialogare con gli Adapter dei vari dispositivi in rete. Per il monitoraggio del sistema basta un semplice browser per Internet, sia da PC o da smartphone, ovvero con software dedicati, capaci di fornire informazioni più dettagliate. I dati visualizzati possono essere, ad esempio, il nome del dispositivo, la velocità del mandrino, il part-program attuale, l utensile montato e le coordinate della posizione in tempo reale, ecc.

3 Il sistema di monitoraggio è stato dapprima messo a punto in laboratorio con l ausilio di software Open Source per la simulazione e il controllo di CNC, e quindi successivamente implementato presso l azienda RIMAT di Palermo, dotata di un parco macchine composto da 7 torni e 2 fresatrici con controlli numerici Fanuc. Le macchine più datate dispongono solo dell interfaccia di collegamento RS232, mentre quelle più moderne possiedono quella Ethernet. La presenza della sola porta seriale comportava operazioni laboriose per il trasferimento di file mentre il software Open Communication for FANUC si è dimostrato di grande utilità, anche in relazione ai controlli numerici meno recenti. Esso consente di scambiare dati, come i partprogram, tra PC e CNC connessi alla stessa rete; poichè è possibile trasmettere, immagazzinare ed elaborare facilmente i file del CNC dal PC e viceversa in modo estremamente semplice. Per le macchine che dispongono solo della porta seriale il colloquio da un PC remoto, è avvenuto sfruttando il Raspberry e il software VirtualHere, che consente l utilizzo di dispositivi USB senza che siano fisicamente collegati al PC. Connettendo via Wi-Fi i due computer alla rete aziendale e, tramite un adattatore USB/seriale, il Raspberry alla macchina utensile (come in figura), è come se questa fosse collegata direttamente al PC e risultano dunque immediatamente utilizzabili tutte le sue funzionalità.

4 Per quanto riguarda il monitoraggio remoto, il software Open Source MTConnect Fanuc Agent Configurator permette di avviare dal PC i vari Adapter compatibili con i modelli di controlli numerici Fanuc. Per questo motivo sono stati opportunamente modificati gli Adapter presenti in rete così da monitorare tutte le altre macchine. Inoltre, monitorando le lavorazioni alle macchine utensili con MTConnect, si ha accesso a una grande quantità di informazioni grezze provenienti dall Adapter sotto forma di flusso di dati. Quindi si è operato sviluppando opportuni programmi in linguaggio Python che eseguono in modo mirato specifiche operazioni in funzione dei messaggi contenuti nel flusso di dati. Ad esempio è possibile, leggendo le informazioni provenienti dall Adapter, individuare le righe del part-program e visualizzarle via via in una finestra del PC quando vengono eseguite. Questo permette anche di sfruttare il sistema Bluetooth del Raspberry e tramite un braccialetto elettronico che viene fatto vibrare in occasione di particolari eventi selezionabili da parte dell utente. Tale funzionalità può consentire quindi, di riconoscere l insorgere, ad esempio, di un fermo macchina; in tal caso viene mostrato un messaggio nella finestra del PC e viene fatto vibrare il braccialetto notificando l evento nelle immediate vicinanze della macchina.

5 L interazione fra l Agent e il Python è stata ulteriormente estesa sviluppando un altro programma che invia notifiche a smartphone con l applicazione di messaggistica istantanea Telegram comunicando gli eventi selezionati, quali ad esempio l avvio, i cambi utensile, il valore della velocità del mandrino, gli arresti improvvisi e il fine lavorazione relativi a una specifica macchina. Queste attività potrebbero essere anche richiamate a richiesta dell utente, sfruttando la funzione di riconoscimento vocale presente su tutti gli smartphone. In questo caso lo smartphone, interpretando il comando vocale invia al Raspberry un messaggio contenente le richieste dell utente e il Raspberry, una volta analizzate le informazioni provenienti dall Adapter è in grado di notificare tramite Telegram i risultati dell elaborazione. Infine, grazie al software OpenVPN è stato possibile creare facilmente una rete privata virtuale, con la quale si può accedere alle informazioni condivise nella rete locale alla quale sono connesse le macchine. In questo modo le operazioni descritte precedentemente risultano eseguibili da un qualsiasi PC remoto in un qualsiasi luogo geografico, purché connesso alla rete internet. Concludendo, l uso di un semplice Raspberry ha permesso di disporre di un microcomputer, dalla notevole potenza di calcolo e dal basso costo, che si è dimostrato in grado di consentire, facilmente ed economicamente, numerose attività riguardanti lo scambio di dati tra più dispositivi all interno di un ambiente industriale di una piccola azienda. Di grande utilità si sono rivelati i software Open Source e le informazioni disponibili liberamente on-line. Gli scenari futuri vanno dalla possibilità di sviluppare procedure che, monitorando in tempo reale lo stato delle lavorazioni in corso, siano in grado di attivare opportuni interventi che possano risultare utili alle attività in corso nonché interagire con altre procedure utilizzate ad esempio in ambito.

6 gestionale o logistico. In conclusione, attraverso questo studio si è dimostrato come anche un azienda di piccole dimensioni, a fronte di costi molto contenuti, possa servirsi di strumenti in grado di rendere più efficiente la gestione della propria produzione e adeguarsi alle nuove tecnologie proprie dell Industria 4.0. Contatti: ing. Vincenzo Caruso Guarino, neo Dottore Magistrale in Ingegneria Meccanica, vincy.car@alice.it prof. Ernesto Lo Valvo, Professore Ordinario presso la Scuola Politecnica dell Università degli Studi di Palermo, docente dei corsi di CIM e Digital Manufacturing per le lauree Magistrali In Ingegneria Meccanica ed Ingegneria Gestionale e docente dei corsi di Digital Manufacturing per i corsi di laurea triennale in Ingegneria Cibernetica e Disegno Industriale. ernesto.lovalvo@unipa.it