La progettazione di sistemi di controllo per impianti automatizzati è oggi guidata principalmente da un approccio centralizzato in base al quale un controllore, tipicamente a logica programmabile (plc), gestisce i segnali di un insieme di dispositivi hardware che compongono una porzione più o meno grande di un impianto. La maggior parte dei produttori si basa quindi su quanto dettato dalla normativa Iec61131 che definisce uno standard per l’hardware e per la programmazione di logiche di controllo per plc. Pubblicata per la prima volta nel 1993 e oggi alla sua seconda edizione, la normativa Iec61131 definisce l’utilizzo, la gestione e la programmazione dei sistemi a logica programmabile, e ha stabilito per anni la metodologia base per la progettazione e il controllo della maggior parte degli impianti automatici che sono tutt’oggi in esercizio. Negli ultimi anni, l’espansione dei mercati internazionali e l’aumento dei mix produttivi ha portato allo sviluppo di impianti di produzione, soprattutto nel campo manifatturiero, sempre più complessi e flessibili, in modo da avere a disposizione soluzioni modulari facilmente modificabili e riconfigurabili. Un’architettura modulare e un’organizzazione flessibile per questi nuovi sistemi di produzione non possono che entrare in contrasto con il paradigma utilizzato fino ad ora per lo sviluppo di controllori centralizzati, e proposto nella normativa Iec61131. Il controllista si trova a dover gestire autonomamente e senza adeguati supporti concettuali e pratici l’onere di inserire nelle logiche e nelle architetture di controllo quel grado di flessibilità che permette di raggiungere la modularità e la riconfigurabilità richieste per i moderni sistemi di produzione.
L’integrazione che manca
Un’evoluzione dello standard Iec61131 è stata pubblicata nel 2004 con la normativa Iec61499 che introduce molti dei concetti chiave dei linguaggi di programmazione orientati agli oggetti nella progettazione dei sistemi di controllo. In particolare, è introdotto il concetto di blocco funzionale (Fb, Function Block) come entità base per l’implementazione delle funzioni di controllo. Ciascun blocco ha una propria interfaccia e un proprio corpo interno costituito essenzialmente da un automa (Ecc, Execution Control Chart) che evolve secondo eventi notificati in ingresso. A ciascuno stato dell’automa può essere quindi associato un insieme di algoritmi che, elaborando i dati in ingresso al blocco, definiscono i valori delle sue variabili di uscita. Questa evoluzione permette di esprimere meglio e più facilmente il grado di flessibilità richiesto oggi per i sistemi di produzione automatici. Resta tuttavia da risolvere il problema dell’integrazione di numerosi sistemi eterogenei che spesso sono utilizzati insieme per ottenere nuove funzionalità sfruttando le peculiarità di diversi fornitori e produttori. Occorre quindi trovare un modo rapido e possibilmente standardizzato per lo sviluppo di software di controllo per diverse piattaforme e tecnologie. Inoltre, c’è l’esigenza del riutilizzo delle soluzioni di controllo sviluppate con tecnologie hardware diverse. Una possibile soluzione è quella di utilizzare un approccio per la progettazione basato sui modelli (model-driven engineering) che preveda cioè la definizione di modelli del controllo e del sistema da controllare come primo passo e da questi, con l’aiuto di traduttori e generatori automatici di codice per ciascuna particolare piattaforma, permetta di ottenere le implementazioni dei diversi blocchi di controllo. In effetti, la programmazione e la progettazione ad oggetti nascono come desiderio di riutilizzo di codice, ma il reale vantaggio in automazione nasce dal riutilizzo dei modelli. Infatti, i modelli permettono non solo di riusare gli algoritmi incapsulati negli oggetti, ma anche le relazioni e i vincoli tra gli oggetti stessi, il che tipicamente rimane sostanzialmente immutato in vari progetti. In questo modo, si estende quasi automaticamente anche il riutilizzo al di fuori di un singolo progetto di automazione, all’interno di famiglie di interi progetti. Il riutilizzo nasce dunque dall’adozione di modelli. Ciò aumenta anche il livello di manutenibilità del sistema e la sua evoluzione nel tempo.
Il progetto Medeia
L’approccio basato su modelli è il cuore di Medeia (Model-Driven Embedded Systems Design Environment for the Industrial Automation Sector), progetto triennale cofinanziato all’interno del settimo programma quadro (FP7) della Comunità Europea e avviato il 1° gennaio 2008. L’obiettivo principale del progetto è quello di definire un framework e una metodologia integrati per il progetto di sistemi di automazione che prevedono l’integrazione di diversi dispositivi eterogenei pur mantenendo un elevato grado di flessibilità del sistema controllato finale. L’idea è quella di ottenere un modello centralizzato del sistema da controllare composto da diversi componenti, definiti Automation Component (Ac), ciascuno dei quali è rappresentato da un insieme di modelli che definiscono diagnostica, simulazione e controllo del singolo elemento considerato. L’intero sistema controllato è quindi ottenuto come aggregazione di più componenti a diversi livelli gerarchici.
L’approccio modellistico diventa quindi il cuore della progettazione del sistema automatico e identifica il vero know-how del controllista e del produttore del sistema stesso. In particolare, la definizione del sistema come aggregato di tanti sotto-sistemi permette la creazione di librerie di componenti riusabili per la progettazione di impianti anche diversi tra loro, velocizzando così sia la fase di progetto sia quella successiva di messa in opera.
Il progetto Medeia vede coinvolte importanti realtà industriali che
operano nel campo dell’automazione di sistemi discreti e continui: Mcm
di Vigolzone (Piacenza), produttore di centri di lavorazione
automatizzati, Schunk GmbH & Co KG, produttore di robot industriali
specializzato nei sistemi di serraggio pezzi, Edf (Électricité de
France), primo gestore e produttore per l’energia elettrica francese,
LogiCals, società austriaca di informatica e consulenza sviluppatrice
di applicativi per l’automazione industriale. Completano il team di
lavoro università tecniche e centri di ricerca: la società di ricerca
austriaca, leader del progetto, Profactor GmbH, la Technical University
of Vienna, la Scuola Universitaria Professionale della Svizzera
Italiana (Supsi) di Lugano e il Politecnico di Milano tramite il
Dipartimento di Elettronica e Informazione.
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Se vuoi approfondire gli step e i contenuti del progetto Medeia, puoi anche leggere l'articolo di Luca Ferrarini e Alessio Dedè, del Politecnico di Milano, sul numero di aprile di Automazione Industriale (pp. 32-34).
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