CONTROLLO DIGITALE SISTEMI DI CONTROLLO DISTRIBUITO (DCS) La tecnologia del controllo digitale è stata applicata al controllo dei processi sin dal 1959 (DDC: Direct Digital Control), ma la dipendenza totale dalla architettura centralizzata di un singolo calcolatore per tutte le funzioni di controllo e per l interfaccia con gli operatori portava a sistemi complessi e di dubbia affidabilità. L aggiunta eventuale di un secondo processore comportava un aumento di complessità e dei costi. Quasi sempre veniva realizzato un sistema di controllo analogico da tenere come riserva per proteggersi dai malfunzionamenti del sistema digitale. La soluzione a questi problemi si è avuta con l introduzione della tecnologia dei microprocessori. A metà degli anni 70 fu introdotta una architettura del controllo dei processi indicata come DCS (sistema di controllo distribuito); le soluzioni realizzative divennero quasi subito un successo commerciale. Un DCS consiste di un certo numero di nodi basati su microprocessori, nodi interconnessi da una rete locale di comunicazione (data highway). Le caratteristiche chiave di questa architettura sono le seguenti: 1. Le funzioni di controllo del processo e l interfaccia con l operatore (MMI: man machine interface, HMI: human-machine interface) sono separate (splitarchitecture). 2. Le funzioni di controllo possono essere distribuite funzionalmente o geograficamente. La distribuzione per funzioni permette di raggruppare funzioni di controllo correlate in un singolo nodo. La distribuzione geografica consente di collocare i nodi di controllo nei pressi dell apparato che si vuole controllare. Utilizzando quale rete di comunicazione la tecnologia delle reti locali(lan: local area network), i nodi interni al DCS possono essere separati anche di centinaia di metri. 3. Può essere aggiunta ridondanza, qualora richiesto. Tipicamente abbiamo le seguenti possibilità: Realizzare nodi multipli di interfaccia per ridurre l impatto di un guasto relativo a un nodo di interfaccia per l operatore. La rete di comunicazione digitale è normalmente ridondante in modo da avere almeno due percorsi indipendenti fra due arbitrari nodi del DCS. Essendo costituiti essenzialmente da processori e memoria i nodi sono altamente affidabili, con un tempo medio fra guasti di quasi 100 anni. Per applicazioni particolarmente critiche sono disponibili configurazioni ridondanti.
4. Essendo i dati interni a un DCS di natura digitale, l interfaccia con altri calcolatori a livelli diversi è tecnicamente agevole. Le difficoltà sorgono per la natura proprietaria delle reti di comunicazione, freno per la realizzazione di sistemi realmente aperti. I componenti tipici di un sistema DCS comprendono controllori PID per anelli singoli, controllori multivariabili, controllori a logica programmabile (PLC), schede di conversione A/D e D/A, multiplexer, dispositivi smart (sensori smart, attuatori smart), dispositivi di I/O (CRT, display, printer, tastiere), Data Highway (rete locale spesso realizzata con cavo coassiale, talvolta su fibra ottica o wireless), stazioni di controllo per gli operatori (dotati anche di stampanti per stampare rapporti, allarmi, grafica di processo), Host Computers (calcolatori capaci di gestire la rete di comunicazione fra i vari nodi, di assolvere compiti di calcolo onerosi quali identificazione,ottimizzazione e realizzazione di strategie avanzate di controllo in tempo reale), unità di controllo remoto, Programmer Consoles (terminali specializzati per i programmatori), dispositivi di memoria di massa (Hard Disk utilizzati per immagazzinare dati attivi, archivi storici, programmi non residenti in memoria, procedure di avvio o fermo degli impianti) utili anche per valutare nel tempo le prestazioni del sistema ad esempio con procedure di controllo statistico. Nel caso dei dispositivi smart, ad esempio nel caso di un trasduttore (di temperatura o altro) l aggiunta di capacità di elaborazione locale consente di condizionare il segnale (signal conditioning) e trasformarlo da segnale analogico in segnale digitale; nel caso di monitoraggio locale di uno o più segnali è possibile confrontare i dati con quelli ideali di funzionamento e quindi produrre indicazioni di corretto funzionamento o segnalazione di malfunzionamenti o guasti. Apparati più complessi che possono essere parte di un sistema più ampio sono ad esempio i centri di lavorazione numerica (CNC), i robot, gli AGV (veicoli a guida automatica), i sistemi di rilevazione basati su visione (telecamere, termocamere).
IL SOFTWARE PER IL CONTROLLO DIGITALE. Un sistema di controllo digitale implica lo sviluppo del software relativo. L innovazione più rilevante negli anni 60 fu l introduzione dei linguaggi di programmazione ad alto livello quali il BASIC e il FORTRAN. Molte società hanno sviluppato librerie di software specializzato (MATLAB TM della Mathworks, ASPEN, MATRIX-X). Ancora oggi lo sviluppo del software continua ad avere un costo elevato. Il linguaggio più usato è attualmente C e C++. L approccio più amichevole alla programmazione ha fatto sì che si siano sviluppate tecniche di programmazione per i PLC analoghe a quelle già utilizzate dagli addetti per la stesura degli schemi per apparati a relè (ladder diagram), o hanno portato allo sviluppo di linguaggi di tipo grafico (come in Simulink TM della Mathworks o in Labview TM della National Instrument) o come P-SPICE per la simulazione dei circuiti elettronici. La realizzazione dei sistemi di controllo digitale ovviamente richiede particolare attenzione ai sistemi operativi che devono soddisfare requisiti particolarmente stringenti. Ne segue che i sistemi operativi più comuni, quali Windows e Linux, non si prestano ad essere impiegati direttamente per la realizzazione di tali sistemi, ma occorre far ricorso a sistemi operativi specificamente progettati per gestire il tempo reale (ad esempio RTI-Linux). Ad esempio LabVIEW è un tipico software SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) da utilizzare sotto Windows NT. LabVIEW integra il monitoraggio del processo, l acquisizione dei dati, le uscite, i test, le misure, l analisi e la presentazione grafica. Il programma è compatibile con gran parte delle schede e dei moduli, e dei dispositivi che supportano il protocollo IEEE-GPIB-488. L interfaccia utente è progettata in modo da non richiedere programmazione, ma solo selezione grafica di icone e menu. Ne segue che non sono richieste competenze elevate per eseguire operazioni anche complesse. Sono incluse caratteristiche di tolleranza ai guasti, quali recupero di errori del sistema operativo o validazione fra più sensori, moduli per i regolatori standard PID, e possibilità di inserzione in rete locale o Ethernet. La grafica personalizzata a colori, inclusa la simbologia ISA (Associazione Internazionale per la Standardizzazione) fornisce le informazioni all operatore in tempo reale. L animazione può migliorare la reazione visiva (ad esempio mostrando un serbatoio che si riempe o una valvola che si apre o chiude). Sono disponibili varie forme di trattamento degli allarmi, che possono essere portati all attenzione dell operatore o possono attivare direttamente una azione desiderata. I data possono essere immagazzinati o stampati per la documentazione o il trattamento statistico. Qualora i requisiti temporali per il controllo siano molto stringenti occorrerà porre particolare attenzione alla scelta dell hardware, eventualmente aggiungendo coprocessori o DSP (Digital Signal Processor) per elaborazioni specializzate, e al software, eventualmente riscrivendo le routines non in un linguaggio ad alto livello ma in linguaggio macchina.
PLC. Il controllore a logica programmabile (PLC) è stata la prima realizzazione digitale capace di competere con successo con la tecnologia tradizionale nelle applicazioni del controllo industriale a partire dai primi anni 70. Le prime applicazioni furono sviluppate soprattutto per l industria manifatturiera (specialmente automobilistica). I PLC si mostrarono subito capaci di implementare la logica discreta in maniera molto soddisfacente. I primi PLC erano limitati a pochi elementi di I/O, alle funzioni logiche fondamentali, ai temporizzatori e contatori. Rapidamente con lo sviluppo della tecnologia dei personal computers nei PLC sono state introdotte funzioni matematiche, algoritmi PID, un incremento continuo delle porte digitali e analogiche di I/O. La programmazione dei primi PLC era realizzata con i ladder diagram ovvero con la logica a relé tipica degli elettrotecnici, che inizialmente ha rallentato la diffusione dell impiego dei PLC presso gli esperto di strumentazione edi controllo di processo. Ovviamente oggi esistono varie possibilità di programmare i PLC, anche con linguaggi ad alto livello (si veda Siemens ). Progettati specificamente per realizzare logica discreta e sequenziale i PLC restano ancora oggi la soluzione ideale in tale campo; per un PLC la velocità di scansione della logica discreta in 100 msec è considerata molto bassa. Poiché un DCS non sempre ha moduli discreti capaci di competere con i PLC, allora uno o più PLC vengono incorporati entro il DCS. I PLC inoltre hanno ottime capacità di gestire gli interblocchi e quindi il livello di sicurezza dell impianto, anche se spesso negli impianti (per tradizione) si preferisce implementare il livello di sicurezza direttamente a livello hardware.
RETI DI CAMPO E COMUNICAZIONI FRA CALCOLATORI. Quando un gruppo di calcolatori viene collegato per costituire un DCS allora è necessario stabilire le comunicazioni fra essi. Fino al 1980 i fornitori di sistemi utilizzavano dei protocolli proprietari per realizzare le reti. Più recentemente sono stati introdotti protocolli standardizzati per le reti locali, con la conseguente diminuzione dei costi per gli utenti. Molti protocolli per le reti per DCS sono basati su ISO-OSI (International Standards Organization-Open System Interconnection). Lo sforzo più significativo per la standardizzazione dei protocolli per l automazione fu prodotto dalla General Motors agli inizi del 1980, realizzando MAP (Manufacturing Automation Protocol). La ISA (Instrument Society of America) nel 1985 istituì il comitato SP50 per sviluppare uno standard per un bus di campo digitale: questo standard definisce una comunicazione digitale bidirezionale fra i dispositivi intelligenti distribuiti sul campo e i sistemi di automazione.
Un sistema moderno per l acquisizione e il controllo dei dati.
Topologia a stella. Bus semplice
Bus Circolare Token Ring
Struttura a più livelli
Sistema DNC
Rete basata su sistema operativo DOS.
Un sistema DNC per una piccola industria. Sono previste semplici collegamenti per la comunicazione fra CAM e sette Macchine a controllo numerico con appropriata memoria interna. L interfaccia è realizzata con una semplice interfaccia RS-232. Diagramma schematico di un sistema primitivo di controllo a supervisione.
Diagramma schematico di una versione iniziale di DCS.
MANUFACTURING MESSAGE SPECIFICATION: MMS Ralph Mackiewicz MMS costituisce un sistema standardizzato a livello internazionale per lo scambio di dati in tempo reale e di informazioni di controllo e supervisione fra dispositivi connessi in rete e applicazioni informatiche in una maniera indipendente dalle funzioni da eseguire o dai dispositivi o applicazioni. MMS è uno standard internazionale (ISO 9506) sviluppata e mantenuta dal Comitato Tecnico n.184 (TCI184, Industrial Automation of the International Organization for Standardization (ISO)). Il servizio di scambi di messaggi fornito da MMS è generale abbastanza da poter essere applicato a una larga varietà di dispositivi, applicazioni, industrie. Per esempio consente a una applicazione o dispositivo di leggere una variabile da un altra applicazione o dispositivo. Che il dispositivo sia un PLC o un robot, il servizio MMS è lo stesso; le applicazioni possono riguardare trattamento di materiali, trattamento dell energia,distribuzione dell energia, rilievo guasti, industrie aerospaziali, chimiche, del gas, manifatturiere. La storia di MMS. Agli inizi del 1980 un gruppo di venditori di controllori numerici, costruttori di machine, e utilizzatori, lavorando sotto gli auspice del comitato IE31 dell Associazione delle Industrie Elettroniche (EIA), svilupparono una redazione preliminare di uno standard n.1393, intitolato User Level Format and Protocol for Bi-directional Transfer of Digitally Encoded Information in a Manufacturing Environment.. Quando la General Electric Corporation iniziò lo sviluppo del suo Manufacturing Automation Protocol (MAP) nel 1980, si basarono sullo standard EIA-1393 per sviluppare un protocollo più generale per la trasmissione dei messaggi da usare per controllori numerici, PLC, robot e altri dispositivi intelligenti comunemente utilizzati nelle imprese manifatturiere. Il risultatto è stato Manufacturing Message Format Standard (MMFS; talvolta pronunciato come Memphis). MMFS fu usato nella Versione 2 di MAP pubblicata nel 1984. Durante il periodo iniziale di impiego di MMFS apparve chiaro che era necessario uno standard più rigoroso per l invio dei messaggi. Lo standard MMS Dello standard MMS (ISO 9506) si occupano congiuntamente il comitato tecnico per l Automazione Industriale TC184 della ISO e la Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) Lo standard consiste di due o più parti; copie dello standard sono ottenibili da ISO (www.iso.com) o dagli enti normativi nazionali.