Nuove frontiere tecnologiche e funzionali di PLC, PC industriali e PAC

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aperturaLa normale evoluzione dei sistemi di controllo programmabili deve oggi tener conto di nuove condizioni al contorno imposte dall’affermarsi della digitalizzazione dei processi e anche dalla crescita di specifici comparti, come quello del Motion.

L’argomento di questo articolo è senz’altro molto ricco di spunti, anche se si corre il rischio di dibattere tematiche sostanzialmente consolidate, per esempio, la continua evoluzione dei PLC come hardware, comunicazione e software a dispetto di chi li dà per finiti, la differenza tra controllo PLC e PC-based e relative conflittualità, oppure la caratterizzazione di PAC come piattaforma con performance multi-controller programmabile con linguaggi evoluti. Ma nel titolo si parla di frontiere tecnologiche e funzionali. Il termine “frontiera” non vuole qui essere sinonimo di linea di confine ufficialmente delimitata ed eventualmente provvista di opportuni dispositivi difensivi, ma piuttosto come linea di separazione tra situazioni o concezioni differenti, e che in quanto tale può essere spostata e modificata, meglio se in senso progressivo. Questo, comunque con in sottofondo il concetto di evoluzione che per qualsiasi componente o sistema di automazione ha sempre avuto due driver separati ma interagenti: da un lato le cosiddette “esigenze” del mercato per risolvere meglio applicazioni complesse o per risolvere in modo più efficace quelle più tradizionali, dall’altro l’attività proattiva dei produttori che individuano esigenze future e si attrezzano di conseguenza utilizzando nuove risorse tecnologiche per mantenere e/o ampliare la propria collocazione di mercato. Le esigenze di cui si parla sono normalmente da vedersi come una linea continua, un proiettarsi in avanti partendo da una situazione nota, e anche per questo vi è una certa prevedibilità che ne consente un’anticipazione con proposte innovative. Ma a volte si manifesta una rottura dello schema, con l’intervento prepotente di qualcosa di considerevolmente nuovo e diverso, che definisce un confine non proprio inaspettato ma di difficile definizione nei suoi dettagli. E questo confine va superato per entrare in una nuova era tecnologica. Ovviamente si stà parlando della digitalizzazione dei processi, quindi dell’Industrial Internet of Thing, quindi di Industry 4.0: non si tratta certo di sinonimi, anche se per alcuni ancora lo sono. Secondo logica, la digitalizzazione dei processi è alla base di Industry 4.0, e l’IIoT è la tecnologia o strumento o approccio che dir si voglia, che permette di alimentare questa digitalizzazione mettendo a disposizione i dati necessari. Improvvisamente, ecco che arrivano sul mercato dispositivi e sistemi IIoT-ready, concepiti per questa ambientazione.  In realtà non è necessaria la disponibilità fisica, per esempio, di un PLC IIoT-ready, ma piuttosto serve un nuovo approccio all’utilizzo di questi sistemi.

 

Il caso Industrial Internet of Things

Un PLC è uno speciale elaboratore di tipo industriale che risolve problemi di controllo e automazione. Oggi si nota la prevalenza di un controllo distribuito, in cui piccoli PLC sono posti vicino alle macchine che devono controllare, e questo trend lascia prevedere una migrazione di caratteristiche e funzionalità prima tipiche di PLC di medio-alto livello verso PLC compatti, capaci di accettare input multipli da sensori e di prendere decisioni sulla base di questi input, materializzando, almeno in parte, i contenuti concettuali di Industry 4.0. Ma questi PLC dovranno essere diversi dal punto di vista progettuale, dovendo impaccare più I/O e funzionalità, garantendo oltre alla compattezza anche minori consumi. Già iniziano a presentarsi sul mercato proposte di PLC progettati per comunicare in ambientazioni IIoT, e qui ne proponiamo come esempio uno di cui abbiamo avuto recente notizia; si tratta del nanoPLC em4 di Crouzet Automation, che consentirebbe ai progettisti di connettere dispositivi via internet on demand, senza moduli addizionali. Altri esempi sono il sistema denominato Controllino, open source Programmable Logic Controller basato sui microcontrollori ATmega328 e ATmega2560 di Atmel, dedicato alla realizzazione di progetti IoT sia di tipo industriale che di tipo home, e il PLC dell’azienda Divelbiss, per  interfacciamento e comunicazione tramite vari protocolli, in grado di aggiungere una IoT capability a sistemi esistenti.  A sensazione, questi IoT-PLC più che PLC appaiono essere dei device che, pur ben contestualizzati, hanno solo alcune funzionalità PLC, ma non per questo sono meno importanti come esemplificazione di un trend. Il fatto è che i PLC e l’IIoT iniziano a essere visti sempre più come tecnologie complementari, da cui, come si diceva prima, la necessità se non proprio l’opportunità di un nuovo approccio progettuale. Come noto, in un impianto manifatturiero un PLC è responsabile di molteplici operazioni, con monitoraggio dello stato dei device di input e attivazione di comandi sulla base di un programma definito per il controllo dello stato di dispositivi di output. Combinando le funzioni svolte dal PLC con la tecnologia IIoT, e aggiungendovi delle “mobile apps”, si viene a creare un nuovo efficace e più agile approccio alla gestione dei processi. Di fatto si ha una sorta di “mobilizing” dei PLC: i dispositivi IIoT presenti in impianto raccolgono dati, i PLC li ricevono per lo svolgimento della attività previste ma anche li filtrano per successivo accesso da parte di apps mobili che interpretano le informazioni a scopo di verifica dell’andamento della produzione o manutenzione, da ovunque e in qualunque momento. Certo, è una della tante possibilità ma significativa dell’interazione possible tra IIoT e PLC.

 

Sicurezza per IIoT

Parlando di software per eleborazione e filtraggio dati si richiamano ovviamente i PAC, il cui punto di forza è individuato appunto nel software, che permette un’astrazione dal livello dell’hardware, con gestione di funzionalità multiple, di protocolli di comunicazione diversi e data management, solo aggiungendo i moduli software necessari, e questo porterebbe a dire che per il precedente approccio applicativo un sistema PAC è ideale, ma l’inserimento di questa categoria di sistemi nell’ambientazione IIoT può essere visto anche privilegiando un’altra ottica, quella della sicurezza. Sempre più spesso nelle argomentazioni dedicate a Industry 4.0 e all’Industrial Internet of Things si evidenzia la problematica della salvaguardia dei dispositivi connessi e delle reti coinvolte, sottolineando che non può esistere nessun ragionamento o progetto in area IIoT che non prenda in considerazione la sicurezza. L’IoT, ma anche l’equivalente industriale fatti i debiti distinguo, prevede oggetti ed entità in grado di trasferire autonomamente dati via reti wired o wireless, e la sicurezza di queste comunicazioni non è ancora stata attentamente considerata nella sua complessità e nelle possibili conseguenze, potenzialmente nefaste, nell’ambientazione industriale. Ma sul fronte dei sistemi di controllo iniziano a presentarsi delle soluzioni definibili come “Cyber Security-ready”, e un esempio emblematico è il sistema aPAC di Schneider Electric, che prevede una Cyber Security embedded, con certificazione Achille Level II, e anche per questo il produttore definisce questo sistema come il primo PAC realizzato per l’IIoT, affermazione motivata dal fatto che la Cyber Security rappresenta le fondamenta su cui costruire un’industria connessa, e se si vuole sfruttare appieno il potenziale delle tecnologie IIoT, del Cloud, della interconnessione fra processi, impianti e sistemi, si deve fare di tutto per garantire integrità e protezione

 

Un’altra frontiera dei sistemi di controllo

Nel dinamico mondo dell’automazione industriale vi sono altre possibili frontiere e una tra queste è quella del Motion. In effetti, più che di linea di separazione da superare si può parlare di frontiera da definire. Motion Controller, PLC e PC industriali, sono inizialmente stati sistemi separati, con funzioni abbastanza ben definite in un controllo industriale, ma poi sono arrivati i PAC, con la loro capacità di gestione via software di  logica PLC, Motion e robotica. I Motion Controller sono sempre più difficili da distinguere dai PLC, e con i PC i progettisti possono oggi costruire applicazioni su misura per creare schemi di controllo decentralizzato per comandare sottosistemi per controllo moto, visione e quantaltro. La tendenza al merge di componenti di controllo separati può creare una certa “confusione” a livello di scelta, quando si deve progettare una nuova macchina. In sintesi, l’architettura di un sistema Motion Control prevede: un Motion Controller che genera i set point, quindi il profilo del moto, chiudendo un loop di posizione o velocità; un drive o amplificatore che trasforma i segnali dal Motion Controller nei valori di corrente o tensione adeguati all’attuatore, un attuatore, per esempio un motore elettrico; sensori di feedback, per esempio encoder o resolver per il ritorno di posizione e velocità dell’attuatore al Motion Controller; componenti meccanici per la trasformazione del moto dell’attuatore nei movimenti desiderati. La realtà del mercato propone Motion Controller molto diversificati, risultato del merge prima accennato, per esempio sistemi software-based con funzioni di PLC e anche di robot controller, sincronizzando più assi; altri possono operare stand alone o interfacciarsi a PLC via Ethernet, e altri ancora si distinguono per le potenzialità di programmazione, da IEC 61131-3 a Visual Studio.NET e Embedded Visual C++, giusto per citarne alcuni., Un’altra chiave di lettura propone una suddivisione dei componenti base di un Motion Controller in tre categorie: Supervisory Control, per la sequenza e coordinamento dei comandi; Trajectory Generator, per la generazione dei profili di moto; Control Loop, per il controllo in posizione o velocità del corretto mantenimento della traiettoria stabilita. Servono quindi comunque delle funzioni “obbligate”, che possono essere svolte da sistemi definiti allo scopo, oppure da sistemi general purpose opportunamente specializzati via software o con l’aggiunta di hardware. L’impiego di un PLC per Motion Control è da molti considerato poco ideale, se non laddove prevalga bassa complessità ed esigenze di bassi costi: la maggior limitazione dei PLC, si afferma, è che sono stati progettati per sostituire relè, timer e I/O, da cui una funzionalità limitata quando entrano nel campo del motion.  Ma i vendor di PLC hanno aggiunto capacità motion ai loro sistemi, per esempio tramite moduli opzionali, anche se, dall’altra parte, i vendor di Motion Controller hanno provveduto ad ampliare i loro sistemi aggiungendo capacità logiche, I/O e interfacce sensori. Uno dei vantaggi di un Motion Control PLC-based è la disponibilità di linguaggi di programmazione standard ben noti ai progettisti, il che garantisce longevità dell’applicazione, a differenza ddei Motion Controller dove spesso i linguaggi sono proprietari. Nel caso dei PC industriali il plus è il software e la disponibilità di linguaggi di programmazione per sviluppare applicazioni custom, per esempio Visual Basic, C#, C++, etc, di cui però occorre avere competenza. Da aggiungere la flessibilità di comunicazione con qualsiasi device usando i driver disponibili o delle API pre-built, e device smart possono essere dei Motion Controller stand alone, i cui costruttori mettono appunto a disposizione le API necessarie. Per quanto riguarda i PAC, questi sistemi sono il merge di PLC, PC e Motion Controller, per cui raramente necessitano di uno stand-alone motion controller; e questa architettura permette anche la programmazione dell’intero sistema con IEC 61131-3. A questo punto, quali le linee di separazione? La risposta più logica, anche se purtoppo banale, è che sono dettate dall’applicazione, sulla base di una conoscenza delle differenze tra le diverse opzioni possibili, evitando di cadere nella solita trappola: adottare il sistema con cui si ha maggiore familiarità, atteggiamento che libera dalla fatica di analisi e studi approfonditi ma che impedisce di avere una visione reale della nuove opportunità offerte dall’evoluzione tecnologica in un contesto indubbiamente complesso come è quello del Motion Control.

 

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