Automation Robotics and System CONTROL Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Automazione Industriale 4- Ingegneria del Software Cesare Fantuzzi (cesare.fantuzzi@unimore.it) Ingegneria Meccatronica Ingegneria della Gestione Industriale AA 2010/2011
Strumenti per organizzare e strutturare un progetto Vari settore dell ingegneria si basano sulla definizione di ס un modello del sistema da studiare e sviluppare. questo: Metodi e processi sono stati sviluppati per ס Calcolo strutturale per edifici Dimensionamento e disegno 3D di componenti meccaniche Modelli per lo sviluppo di sistemi software: Ingegneria del Software. 2
Ingegneria del Software Sviluppare un progetto attraverso la stesura di un ס modello dell applicativo. Utilizzare il modello per individuare i punti critici ס dell applicazione, per la discussione nel team di progetto e per la documentazione. Suddividere la complessita del progetto in ס sottomoduli In definitiva: Pensare prima di agire 3
Progettazione modulare Per individuare i moduli in modo corretto occorre individuare le ס entità che hanno un significato per sé nel sistema con cui il software interagisce. Occorre individuare quindi i componenti che hanno una precisa ס identità e una precisa responsabilità all interno del sistema considerato. In altre parole occorre identificare le entità che ס possono sopravvivere in autonomia una volta estratte dal sistema considerato. Nel corso dell evoluzione dei metodi di progettazione software e ס dei linguaggi di programmazione, questo concetto ha portato alla definizione sul finire degli anni 70 delle metodologie Object-Oriented (OO) per la progettazione del software, Nell approccio OO, l attenzione si sposta dalle funzioni agli ס elementi costitutivi del sistema da realizzare 4
Object Oriented (orientamento agli oggetti) (OOP, La programmazione orientata agli oggetti ס Object Oriented Programming) è un paradigma di programmazione, che prevede di raggruppare in un'unica entità (la classe) sia le strutture dati che le procedure che operano su di esse, creando per l'appunto un "oggetto" software dotato di ס proprietà (dati) e metodi (procedure) che operano sui dati dell'oggetto stesso. 5
Object Oriented (cont.) La programmazione orientata agli oggetti può essere ס vista come una modulazione di oggetti software sulla base degli oggetti del mondo reale. La modularizzazione di un programma viene realizzata ס progettando e realizzando il codice sotto forma di classi che interagiscono tra di loro. Un programma ideale, realizzato applicando i criteri ס dell'oop, sarebbe completamente costituito da oggetti software (istanze di classi) che interagiscono gli uni con gli altri. sintetico: Ref bibliografico ס http://it.wikipedia.org/wiki/programmazione_orientata_agli_ oggetti 6
I concetti chiave del Object Oriented Modularità. ס Hiding. Information ס Astrazione. ס responsabilità. Identità e ס Riusabilità. ס 7
Software Object Oriented Un metodo di progettazione orientato agli oggetti Conduce alla programmazione modulare (di buona qualità) 8
Il Concetto di Oggetto Un oggetto è quindi un entità a sè stante avente le caratteristiche di ס un Centro di Servizi, che incapsula informazioni e funzionalità disponibili a richiesta per gli altri oggetti. Il modo con cui le informazioni che l oggetto contiene vengono ס elaborate è nascosto (privato) Le informazioni e le funzionalità sono accessibili dall esterno solo ס attraverso una ben determinata interfaccia. Oggetto Funzioni di interfaccia Funzioni che agiscono sull oggetto Parte visibile Parte nascosta 9
Estensione dei linguaggi tradizionali in modo OO Una nota descrizione più sintetica di oggetto `e fornita da ס Grady Booch (uno dei padri dell OO Design ): stato, Un oggetto è un componente software che ha uno ס un comportamento e una identità In altre parole esso è costituito ס da una struttura dati (che memorizza lo stato), da delle operazioni (che determinano il comportamento) ed è unico nel programma 10
Applicazione alle macchine Oggetto Meccatronico Un Oggetto Meccatronico implementa una funzione ben ס precisa all interno della macchina (quindi è un oggetto ) e ne rende disponibile l uso a clienti esterni mediante interfaccie ben definite. Un oggetto meccatronico è costituito da una parte meccanica ס ed una parte elettronica di controllo da progettarsi in modo integrato. 11
Modularità In generale, una macchina ha una struttura ס intrinsecamente modulare. I processi produttivi o di trasformazioni eseguiti dalle ס macchine automatiche sono tipicamente scomponibili in funzionalità elementari (sotto-processi) I sotto-processi sono eseguiti da parti ben precise ס della macchina. La struttura modulare della macchina puo essere legata ס alla modularita del software. 12
Strutturazione modulare del software. MODULO: componente di un sistema caratterizzato da ס massima coesione interna e minimo accoppiamento esterno. che: In un contesto di software industriale possiamo dire ס Un modulo è una parte di software dedicata al controllo di una parte ben definita di una macchina automatica, che svolge un determinato sotto-processo produttivo, avente un numero minimo di collegamenti con altre parti. 13
Obiettivi di progetto per il software di controllo Modularità: definizione di componenti software ס interagenti, ciascuno con proprie responsabilità di controllo Riusabilità: quella del modulo di controllo è ס strettamente legata a quella della parte di macchina controllata Un modulo di automazione è un componente costituito ס da: una parte sofware (controllo logico + controllo continuo) una parte elettrica (sensori/attuatori) una parte meccanica 14
Esempio: isola di foratura 15
Modularizzazione di un applicativo 16
Soluzione Meccatronica Controllore Supervisore Start Finish stop_rotate Rotate Modulo A Start Finish Modulo C Start Sistema fisico & Finish Modulo B Start Finish Modulo D Start Finish 17
Libreria di moduli meccatronici Blocco funzionale tastatore Blocco funzionale foratura Start Finish Start Finish Blocco funzionale evacuazione blocco funzionale controllo tavola Start Finish Start Finish 18
Aggiungiamo una nuova funzionalità 19
La qualità del software strutturato e modulare. Un software strutturato in moduli ha buone ס caratteristiche di qualità secondo i criteri visti. Infatti: Ciascun modulo opera su una porzione di macchina e vi sono poche interazioni fra diverse parti di programmi (facilità di verifica, incremento e manutenzione) Focalizzando un modulo è più facile capire il funzionamento della macchina (un pezzo per volta) e incapsulando i dettagli implementativi di ciascun modulo è più facile la manutenzione del programma di controllo. 20
Come progettare in modo modulare? chiedersi: Occorre ס Quali sono le parti della macchina che sono strettamente legate fra di loro (dal punto vista del controllo)? Posso isolare queste parti ed individuare delle funzioni software a loro dedicate che non interagiscono con le altre? Posso, di contro, isolare delle informazioni di interfaccia fra tali funzioni? 21
Approccio alla modularizzazione concettuale La chiave consiste nell isolare le azioni finite che la ס macchina esegue sul prodotto. Nel caso in cui la produzione sia sequenziale questa operazione è banale. Una volta isolate tali azioni, ci si chiede quali ס componenti fisici sono coinvolti nell esecuzione di tali azioni Se tali parti fisico funzionali sono separabili, ci si chiede ס quali funzioni di controllo occorre eseguire il sottoprocesso produttivo..... e quali debbono essere le interfacce con altre parti ס del progetto...... e se è possibile ridurre il numero di tali interazioni ס (valutare i confini del modulo). 22
Tipica architettura del sistema di controllo per l automazione 23
Architettura modulare 24
Un oggetto Meccatronico 25
Un oggetto meccatronico 26
Un oggetto ha... Stato: nella progettazione del controllo basata sullo stato, tale ס aspetto vieneenfatizzato, ponendo come principio base che lo stato del software di controllo sia consistente con quello di funzionamento dell impianto (di un modulo dell impianto Comportamento: il comportamento di un oggetto software è ס determinato dai suoi metodi, il comportamento di un modulo meccatronico è dato dalle azioni eseguite dalla parte fisica e controllate dalla parte software, richieste tramite i segnali dell interfaccia software del modulo (...) Identità ס Tipo: ogni modulo meccatronico della macchina può essere ס classificato secondo la necessaria astrazione, al fine di garantirne il riuso su diversi progetti o la istanziazione molteplice nello stesso progetto 27
Approccio ad oggetti per software industriale I concetti della progettazione orientata agli oggetti ס possono essere utilizzati per il progetto dell automazione, anche se i linguaggi di programmazione di PLC e simili non sono propriamente OO (v. norma IEC 61131-3.) Vantaggi: ס Modularità e scalabilità. Riusabilità. 28
Come definire un oggetto in ambito industriale? meccatronica: La ס Componenti elettromeccanici combinati a moduli di controllo (hardware e software). Librerie di moduli meccatronici riutilizzabili. Sincronismo tra moduli tramite segnali (software) di interfaccia. 29
Come implementare un oggetto in ambito industriale? abbia: Occorre un modulo software che ס Stato interno, memorizzato in variabili private Comportamento incapsulato in una parte di codice privata Interfaccia software con gli altri moduli di controllo isolata e ben definita Interfaccia hardware con la parte fisica privata del modulo meccatronico (parte pià critica dal punto di vista implementativo) 30
Programmazione controllori industriali: Normative internazionali: Due standard ס Standard IEC 61131-3, pubblicato nel 1993, ampiamente diuso e recepito dai costruttori di dispositivi per il controllo industriale. Standard IEC 61499, estende i concetti IEC 61131-3 ai sistemi distribuiti, è ancora in fase di sviluppo, non esistono attualmente prodotti commerciali maturi. 31
Function Blocks: strumenti per l implementazione degli oggetti Il Function Block (FB) è un concetto definito dalla IEC ס 61131-3 (e fonda mentale per la IEC 61499) per la realizzazione di moduli software che eseguano determinate funzionalità, nascondendone l implementazione. E caratterizzato ס da: Una interfaccia di parametri (segnali) di ingressouscita. Una struttura dati locale privata. Un algoritmo interno, scritto in uno dei linguaggi IEC (ma non solo). E definito come tipo e utilizzato come istanza ס (classe/oggetto). 32