1. LIAM
LABORATORIO
INDUSTRIALE
AUTOMAZIONE
MACCHINE PER
IL PACKAGING
Eugenio Faldella
Dipartimento di Elettronica, Informatica e Sistemistica, Facoltà di Ingegneria
Centro Interdipartimentale di Ricerca Industriale su Meccanica Avanzata e Materiali
Unità Operativa Automazione, Robotica e Meccatronica
Alma Mater Studiorum - Università di Bologna

2. Macchine automatiche
È indubbio che il “successo” di una macchina automatica,
dal punto di vista sia funzionale che prestazionale,
discende primariamente dalle scelte operate
in sede di progettazione della sua struttura meccanica.
Tuttavia, dagli stessi punti di vista,
senz’altro fondamentale è anche il ruolo svolto
dal sistema di controllo della macchina,
essendo sempre più ampio e rilevante
lo spettro dei compiti ad esso affidati.
R2B, BolognaFiere, 8 Giugno 2011 2

3. Il ruolo del sistema di controllo …
automazione dei cicli di lavorazione
pieno sfruttamento delle potenzialità operative della macchina
massimizzazione dei ritmi produttivi C95:
11.6 blister/s
elevata qualità del prodotto finito
utilizzazione ottimale delle materie prime
eliminazione di interventi pericolosi o onerosi per l’operatore
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
R2B, BolognaFiere, 8 Giugno 2011 3

4. … Il ruolo del sistema di controllo
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)
ieri oggi
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5. La progettazione del sistema di controllo:
“the HW perspective”
Se, in generale, la progettazione del sistema di controllo dal punto di vista
hardware (ha potuto e) tuttora può proficuamente avvalersi della reperibilità
sul mercato di risorse tecnologicamente avanzate, direttamente compatibili con
il campo, scalabili ed interoperabili, …
buy,
plug
1980 1990 2000 & play
architetture architetture architetture
centralizzate decentralizzate distribuite
Powerful (yet proprietary) COTS infrastructures
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6. La progettazione del sistema di controllo:
“the SW perspective”
… più problematica risulta spesso la progettazione del sistema di controllo dal
punto di vista software.
I sistemi da progettare sono sempre
più complessi.
In uno stesso progetto sono coinvolte
più persone (e/o società esterne)
che spesso si avvalgono di approcci
metodologici e strumenti differenti.
I tempi, e conseguentemente i costi, di sviluppo, collaudo
e manutenzione del software continuano a crescere in
maniera indesiderata (talora impredicibile).
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7. Limitazioni di natura tecnologica …
La ridotta disponibilità di “componenti off-the-shelf”
Human Machine Interface
Control Logic
(the huge hole in the middle)
Closed Loop
Motion Control
Regulation
Smart Distributed (fiedlbus-based) I/O Subsystems
IPC
IPC
.
..
. DVI
.
..
. DVI
R2B, BolognaFiere, 8 Giugno 2011 7

8. … Limitazioni di natura tecnologica
la sostanziale inapplicabilità di modelli computazionali evoluti
essendo le piattaforme “PLC-based” tipicamente utilizzate per il controllo di
macchine automatiche nativamente non idonee a supportare la strutturazione di
un’applicazione in termini di processi concorrenti e opportunamente cooperanti;
la limitata capacità espressiva dei (o quasi tutti i) linguaggi di programmazione
disponibili per PLC
if Neuwert <> altwert then
() () zeiger := (zeiger mod
max_werte) + 1;
messwerte [zeiger] :=
() INT_TO_REAL(Messung);
end_if;
() ()
e la conseguente laboriosa, o quantomeno non sistematica, applicabilità di
consolidati principi e metodi propri dell’ingegneria del software;
l’opera di
standardizzazione
R2B, BolognaFiere, 8 Giugno 2011 8

9. Limitazioni di natura contestuale …
il ruolo ancillare attribuito all’attività svolta dai progettisti software
spesso finalizzata alla realizzazione di “prototipi rapidamente operativi” che
possano fungere da veicolo sperimentale per una verifica della validità e della
efficacia delle scelte operate a livello di progettazione meccanica ed elettrica
di una macchina;
Mechanical
Engineering
esigenza di
approcci innovativi Mecha
tronics
R2B, BolognaFiere, 8 Giugno 2011 9

10. … Limitazioni di natura contestuale
l’instabilità strutturale dei sistemi progettati
essendo le loro fondamenta, già spesso precarie all’origine, raramente oggetto
di consolidamento ed ineludibilmente esposte a subire nel tempo continue
“perturbazioni”, derivanti dalla necessità di procedere, a fronte di specifiche
esigenze degli utenti delle macchine, alla personalizzazione di funzionalità
native e/o all’integrazione di nuove funzionalità;
l’esigenza di rispettare stringenti scadenze temporali
che spesso inducono ad intraprendere approcci mirati al soddisfacimento di
obiettivi realizzativi specifici, piuttosto che all’identificazione di soluzioni
organiche e flessibili, ampiamente riutilizzabili in scenari affini;
portabilità riusabilità
platform-independent machine-independent
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11. Limitazioni di natura tecnica
la carenza di modelli di riferimento e di “design patterns” specifici
non essendo ancora emerse (sia in ambito accademico che industriale)
proposte significative che possano rivestire il ruolo di “standard de facto”, o
quantomeno di linee guida, per la realizzazione delle molteplici funzionalità di
controllo di macchine automatiche aventi una valenza “trasversale”;
La maggior parte degli errori
si verifica nelle fasi di
analisi del problema e progettazione
fonte:
SIEMENS
Il costo per la rimozione di tali errori
cresce nel tempo in modo esponenziale
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12. L’evoluzione dei costi HW/SW
Incidenza 250
relativa (%)
dei costi
HW/SW 200
Software
150
100
50
Hardware
fonte:
SIEMENS 0
1985 1995 2005 Obiettivo
Stime “attendibili” dicono che in complessi sistemi di automazione
si possa conseguire, utilizzando “strumenti” innovativi,
un risparmio sui costi di progetto e sviluppo del software fino al 70%.
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13. Necessità di strumenti innovativi
per tutte le fasi del progetto
Analisi del problema e stesura delle specifiche
Progettazione
Implementazione
Collaudo e messa in servizio
Manutenzione
Migliorare l’efficienza e ridurre i costi
R2B, BolognaFiere, 8 Giugno 2011 13

14. Necessità di metodologie innovative
L’approccio “Model-Driven Architecture” (MDA)
Problema
(funzionalità di controllo
di valenza trasversale)
Modello
“base di conoscenza” “motore inferenziale”
Comportamenti anche fortemente differenziati
tramite semplice configurazione parametrica del modello,
piuttosto che attraverso lo sviluppo di codice ad hoc.
R2B, BolognaFiere, 8 Giugno 2011 14

15. “Design patterns”:
descrivere, non programmare !!!
Ambiente di configurazione Ambiente di esecuzione
“machine-dependent” “machine-independent”
modello
GenericDevice.lib
Dati di ingresso/uscita
GenericMotor.lib
GenericAxis.lib
Modalità operative SignallingsControl.lib
QualityControl.lib
…
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16. Il processo di sviluppo del software
Progettista software
Tools per la implementa nuove funzionalità e
generazione crea componenti di uso generale
automatica (know-how informatico)
del codice
libreria
FUNCTION_BLOCK
NAME : DIV_R
FAMILY : Regler
VAR_INPUT Progettista applicativo
X { COMMENT:='Eingangsgroesse' }
REAL := 0; seleziona,configura,
TV { COMMENT := 'Vorhaltezeit in
ms' } WORD := 1;
EN { COMMENT := 'Freigabe' }
personalizza e collega
BOOL := 0;
END_VAR
componenti predefiniti
VAR_OUTPUT (know-how sistemistico)
Y1 { COMMENT :=
'Ausgangsgroesse' } REAL := 0;
END_VAR
BEGIN
{
ÍNCLUDES := math.h, arithm.h
CODELIBS := regler.lib
}
Installatore-Collaudatore
if($EN == 0) /*
Keine Freigabe */
$Y1 = 0;
gestisce la macchina
else
Freigabe */
/* avvalendosi di schemi
$Y1 = Diff_Calc($TV, $X)
/* Stellsignal
grafici e informazioni
berechnen */
END_FUNCTION_BLOCK
facilmente comprensibili
(know-how impiantistico)
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17. “Componentware”: elemento chiave
per l’integrazione e la riusabilità del SW
Componenti base Tecnologia dell‘utente
Comunicazione
Supervisione
Automazione
Motion Control
Virtualized
Integrazione I/O
Networking middleware
RTOS
Comunicazione
Sistema Operativo
(Soft-)PLC
Hardware
R2B, BolognaFiere, 8 Giugno 2011 17

18. Risultati sperimentali
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Library Shell Control HMI
Macchina C24
(Tea, Coffee & Beverage Division)
≅ 45% del codice sviluppato nell’ambito della macchina C24
è riutilizzabile per l’automazione di altre macchine !!!
R2B, BolognaFiere, 8 Giugno 2011 18

19. Grazie per l’attenzione
Domande ?
R2B, BolognaFiere, 8 Giugno 2011 19