workshop ciri meccanica avanzata e materiali_faldella

LIAMLIAMLABORATORIO LABORATORIO INDUSTRIALE INDUSTRIALE AUTOMAZIONE AUTOMAZIONE MACCHINE PER MACCHINE PER IL PACKAGINGIL PACKAGING

Eugenio FaldellaDipartimento di Elettronica, Informatica e Sistemistica, Facoltà di Ingegneria

Centro Interdipartimentale di Ricerca Industriale su Meccanica Avanzata e MaterialiUnità Operativa Automazione, Robotica e Meccatronica

Alma Mater Studiorum - Università di Bologna

È indubbio che il “successo” di una macchina automatica,dal punto di vista sia funzionale che prestazionale,

discende primariamente dalle scelte operatein sede di progettazione della sua struttura meccanica.

Macchine automatiche

Tuttavia, dagli stessi punti di vista,senz’altro fondamentale è anche il ruolo svolto

2R2B, BolognaFiere, 8 Giugno 2011

senz’altro fondamentale è anche il ruolo svoltodal sistema di controllo della macchina,essendo sempre più ampio e rilevantelo spettro dei compiti ad esso affidati.

Il ruolo del sistema di controllo …

� automazione dei cicli di lavorazione� pieno sfruttamento delle potenzialità operative della macchina� massimizzazione dei ritmi produttivi� elevata qualità del prodotto finito� utilizzazione ottimale delle materie prime� eliminazione di interventi pericolosi o onerosi per l’operatore

C95:11.6 blister/s

H1000:1.6 stecche/s


� gestione in tempo reale di informazioni di diagnostica e dati di produzione� segnalazione puntuale e tempestiva (predittiva) di guasti e malfunzionamenti� minimizzazione dei tempi di arresto macchina� completo supporto alle attività di:

� conduzione e manutenzione della macchina� gestione delle materie prime e dei prodotti finiti� organizzazione e pianificazione della produzione

1.6 stecche/s

� emulazione di tradizionali organi meccanici (camme, riduttori, ecc.)� drastica semplificazione costruttiva della macchina� superiore affidabilità e disponibilità� immediata ripredisposizione della macchina a fronte di mutate

esigenze produttive (cambio formato)

… Il ruolo del sistema di controllo


oggiieri

Se, in generale, la progettazione del sistema di controllo dal punto di vistahardware (ha potuto e) tuttora può proficuamente avvalersi della reperibilitàsul mercato di risorse tecnologicamente avanzate, direttamente compatibili conil campo, scalabili ed interoperabili, …

La progettazione del sistema di controllo:“the HW perspective”

1990 20001980

buy,plug

& play


architetturecentralizzate

architetturedecentralizzate

architetturedistribuite

Powerful (yet proprietary) COTS infrastructures

La progettazione del sistema di controllo:“the SW perspective”

… più problematica risulta spesso la progettazione del sistema di controllo dalpunto di vista software.

� I sistemi da progettare sono semprepiù complessi.


I tempi, e conseguentemente i costi, di sviluppo, collaudoe manutenzione del software continuano a crescere inmaniera indesiderata (talora impredicibile).

� In uno stesso progetto sono coinvoltepiù persone (e/o società esterne)che spesso si avvalgono di approccimetodologici e strumenti differenti.

Limitazioni di natura tecnologica …

� La ridotta disponibilità di “componenti off-the-shelf”

Human Machine Interface

(the huge hole in the middle)Control Logic

(the huge hole in the middle)


Smart Distributed (fiedlbus-based) I/O Subsystems

Motion Control RegulationClosed Loop Regulation

DVI

IPC

.

..

.

DVI

IPC

.

..

.

… Limitazioni di natura tecnologica

� la limitata capacità espressiva dei (o quasi tutti i) linguaggi di programmazionedisponibili per PLC

� la sostanziale inapplicabilità di modelli computazionali evolutiessendo le piattaforme “PLC-based” tipicamente utilizzate per il controllo dimacchine automatiche nativamente non idonee a supportare la strutturazione diun’applicazione in termini di processi concorrenti e opportunamente cooperanti;


e la conseguente laboriosa, o quantomeno non sistematica, applicabilità diconsolidati principi e metodi propri dell’ingegneria del software;

if Neuwert <> altwert thenzeiger := (zeiger mod

max_werte) + 1;messwerte [zeiger] :=

INT_TO_REAL(Messung);end_if;

() ()()() ()

l’opera distandardizzazione

Limitazioni di natura contestuale …

� il ruolo ancillare attribuito all’attività svolta dai progettisti softwarespesso finalizzata alla realizzazione di “prototipi rapidamente operativi” chepossano fungere da veicolo sperimentale per una verifica della validità e dellaefficacia delle scelte operate a livello di progettazione meccanica ed elettricadi una macchina;

MechanicalEngineering


Mechatronics

Engineering

esigenza diapprocci innovativi

… Limitazioni di natura contestuale

� l’esigenza di rispettare stringenti scadenze temporali

� l’instabilità strutturale dei sistemi progettatiessendo le loro fondamenta, già spesso precarie all’origine, raramente oggettodi consolidamento ed ineludibilmente esposte a subire nel tempo continue“perturbazioni”, derivanti dalla necessità di procedere, a fronte di specificheesigenze degli utenti delle macchine, alla personalizzazione di funzionalitànative e/o all’integrazione di nuove funzionalità;


� l’esigenza di rispettare stringenti scadenze temporaliche spesso inducono ad intraprendere approcci mirati al soddisfacimento diobiettivi realizzativi specifici, piuttosto che all’identificazione di soluzioniorganiche e flessibili, ampiamente riutilizzabili in scenari affini;

portabilità riusabilità��

platform-independent machine-independent

Limitazioni di natura tecnica

� la carenza di modelli di riferimento e di “design patterns” specificinon essendo ancora emerse (sia in ambito accademico che industriale)proposte significative che possano rivestire il ruolo di “standard de facto”, oquantomeno di linee guida, per la realizzazione delle molteplici funzionalità dicontrollo di macchine automatiche aventi una valenza “trasversale”;

La maggior parte degli errorisi verifica nelle fasi di


Il costo per la rimozione di tali erroricresce nel tempo in modo esponenziale

si verifica nelle fasi dianalisi del problema e progettazione

fonte:SIEMENS

L’evoluzione dei costi HW/SW

100

150

200

250

Software

Incidenzarelativa (%)dei costiHW/SW


0

50

100

1985 1995 2005

Hardware

Obiettivo

fonte:SIEMENS

Stime “attendibili” dicono che in complessi sistemi di automazionesi possa conseguire, utilizzando “strumenti” innovativi,

un risparmio sui costi di progetto e sviluppo del software fino al 70%.

Necessità di strumenti innovativi

� Analisi del problema e stesura delle specifiche � Progettazione

per tutte le fasi del progetto


� Progettazione� Implementazione� Collaudo e messa in servizio� Manutenzione

Migliorare l’efficienza e ridurre i costi

Necessità di metodologie innovative

L’approccio “Model-Driven Architecture” (MDA)

Problema(funzionalità di controllodi valenza trasversale)


Comportamenti anche fortemente differenziatitramite semplice configurazione parametrica del modello,piuttosto che attraverso lo sviluppo di codice ad hoc.

“base di conoscenza” “motore inferenziale”

Modello

“Design patterns”:descrivere, non programmare !!!

Ambiente di configurazione“machine-dependent”

Ambiente di esecuzione“machine-independent”modello

GenericDevice.lib


Dati di ingresso/uscita

Modalità operative

GenericDevice.lib

SignallingsControl.libQualityControl.lib

…

GenericMotor.libGenericAxis.lib

Progettista softwareimplementa nuove funzionalità e crea componenti di uso generale(know-how informatico)

libreria

Tools per lagenerazioneautomaticadel codice

FUNCTION_BLOCKNAME : DIV_RFAMILY : Regler

VAR_INPUT

Il processo di sviluppo del software

Progettista applicativo


Installatore-Collaudatoregestisce la macchinaavvalendosi di schemigrafici e informazionifacilmente comprensibili(know-how impiantistico)

VAR_INPUTX { COMMENT:='Eingangsgroesse' } REAL := 0;TV { COMMENT := 'Vorhaltezeit in ms' } WORD := 1;EN { COMMENT := 'Freigabe' } BOOL := 0;END_VAR

VAR_OUTPUTY1 { COMMENT := 'Ausgangsgroesse' } REAL := 0;END_VAR

BEGIN{

ÍNCLUDES := math.h, arithm.hCODELIBS := regler.lib

}

if($EN == 0) /* Keine Freigabe */

$Y1 = 0;else /* Freigabe */

$Y1 = Diff_Calc($TV, $X)/* Stellsignal

berechnen */

END_FUNCTION_BLOCK

Progettista applicativoseleziona,configura,personalizza e collegacomponenti predefiniti(know-how sistemistico)

Supervisione

Automazione

Comunicazione

Componenti base Tecnologia dell‘utente

“Componentware”: elemento chiaveper l’integrazione e la riusabilità del SW


Integrazione

ComunicazioneSistema Operativo

Hardware

Motion Control

RTOS

Networking middlewareNetworking middleware

(Soft-)PLC

Virtualized I/O

20%

30%

40%

50%

Risultati sperimentali


≅ 45% del codice sviluppato nell’ambito della macchina C24è riutilizzabile per l’automazione di altre macchine !!!

0%

10%

20%

Library Shell Control HMIMacchina C24

(Tea, Coffee & Beverage Division)

Grazie per l’attenzione

Domande ?


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