Phoenix Contact: semplice implementazione di funzioni complesse

Nonostante la digitalizzazione e Industria 4.0, le funzioni tecniche di un impianto di processo non si semplificano se scomposte nei loro minimi dettagli. L’implementazione di una regolazione rapida in cascata in un piccolo controllore si rivela ad esempio un compito complesso. Tuttavia, gli strumenti giusti possono aiutare a gestire l’elevato grado di difficoltà, come ad esempio la combinazione del collaudato software Matlab Simulink con la nuova generazione di controllori PLCnext di Phoenix Contact.

Vi sono numerose applicazioni la cui realizzazione si rende difficile: regolazioni in cascata, controlli rapidi della coppia o l’implementazione di una formula matematica complessa in un’applicazione di controllo. Di norma, tali applicazioni possono essere programmate in codice IEC 61131 per un PLC, compito non proprio pratico. Se poi il programmatore ha creato una formula difficile in testo strutturato secondo IEC 61131, questa spesso non è più riconoscibile, cosa che rende ardua anche l’ottimizzazione o la risoluzione dei problemi. Il passo successivo è quello di testare la funzione complessa: anche in questo caso si presentano degli ostacoli quando manca una chiara visione d’insieme. Dopotutto, il miglioramento di una regolazione richiede molto tempo già per compiti meno complicati.

Le sfide menzionate sono, per così dire, i problemi classici, a lungo fonte di preoccupazione per i programmatori. A queste si aggiungono, però, nuove aree tematiche. Nell’industria di processo, l’automazione si basa sempre più su approcci modulari, soprattutto da quando è stata introdotta nel settore l’MTP (Module Type Package), interfaccia software conforme a VDI/VDE/NAMUR 2658. Ora i singoli moduli dispongono di un proprio controllore che esegue le regolazioni sgravando il sistema di controllo centrale. Tuttavia, cambia l’ambiente di programmazione in cui l’utente realizza il sistema di controllo menzionato come esempio: dall’ambiente di un sistema di controllo centrale alla tecnologia di controllo generale.

Utilizzo di moduli funzionali predefiniti

Matlab Simulink è il software ideale per attuare in modo più semplice ed elegante compiti così complessi nella tecnica di controllo. Si tratta di uno strumento avanzato per sviluppare, testare e convertire in codice sia soluzioni matematiche sia soluzioni di controllo. L’idea di Matlab è nata negli Stati Uniti negli anni Settanta da Cleve Moler all’Università del Nuovo Messico. A metà degli anni ’80, il software è stato poi trasformato in prodotto commerciale, diffondendosi a partire dagli anni 2000 anche grazie all’inserimento nei piani di studio universitari.

Grazie alla successiva estensione di Matlab tramite il modulo Simulink, i programmi creati possono ora essere simulati ed i blocchi utilizzati per la modellazione di sistemi che possono essere, quindi, chiaramente visualizzati graficamente. Per il software sono disponibili numerosi “toolbox” che consentono l’utilizzo di moduli funzionali predefiniti, come “Signal Processing Toolbox” o “Fuzzy Logic Toolbox”. Come accennato, soluzioni simili sono disponibili ormai dagli anni ’80. La novità sta nel fatto che l’utente può facilmente combinare il sistema con un controllore industriale, essendo stato il PLC aggiunto come “target” del codice dove finora, come ambiente runtime, erano disponibili solo microcontrollori o dove era possibile generare unicamente codice C. Ora un regolatore complesso può essere progettato in Simulink, testato su tutta la gamma di frequenze sotto l’influenza delle variabili di disturbo, ottimizzato con i tool Simulink nonché infine esportato come programma per il controllore PLC.

Esportazione nel PLC di destinazione

Ciò apre all’utente un’ampia gamma di opzioni che di solito non sono fornite in un ambiente di progettazione per sistemi di controllo. In particolare, in processi molto lunghi quali i test ed il miglioramento dei regolatori, gli ingegneri sono grati per qualsiasi aiuto. Matlab Simulink include tutti i metodi classici della tecnica di controllo, come il diagramma di Bode, quello del luogo delle radici o della risposta in frequenza, semplificando lo sviluppo del codice. Un ulteriore vantaggio del software deriva dall’uso di blocchi grafici per la progettazione del regolatore. Per esempio, un potenziamento può essere aggiunto semplicemente mediante il drag-and-drop, e, a differenza di quanto avviene in un ambiente PLC, la progettazione avviene su un livello più adatto per la tecnica di controllo (Figura 1).

Quando il regolatore viene programmato in un ambiente PLC convenzionale, lo sviluppatore dovrà affrontare il problema del test. In un tale ambiente, la simulazione dei segnali di ingresso è possibile, ma alquanto difficile in tutta la gamma di frequenza. Grazie alle ampie possibilità offerte da Simulink, il processo di avvio sul campo può essere notevolmente ridotto se il programmatore è stato in grado di testare in anticipo il comportamento del regolatore. Dopo la modellazione finale ed il collaudo del regolatore, la nuova funzionalità del sistema: il regolatore progettato può essere esportato secondo le esigenze del relativo sistema PLC. I target – i cosiddetti codificatori PLC – sono disponibili per il portale TIA di Siemens, B&R, Codesys, Phoenix Contact ed alcuni altri produttori. La connessione a sistemi hard real-time con tutti i loro I/O e sistemi di bus di campo è ora più facile, e, tutto sommato, Matlab Simulink si è evoluto in uno strumento tangibile ed utile per la tecnologia dell’automazione (Figura 2).

Programma applicativo dal negozio online

Con la tecnologia PLCnext, Phoenix Contact fornisce una nuova generazione di controllori aperti basata sul sistema operativo Linux, che offre vari vantaggi. Con due processori indipendenti da 800 MHz, l’economico controllore PLCnext AXC F 2152 offre una buona piattaforma per l’esecuzione, ad esempio, di un modello Simulink su un core e l’esecuzione di compiti standard sull’altro core. Il codice generato in Simulink può essere facilmente integrato nel progetto come programma ed elaborato come task su uno dei due processori, con qualsiasi durata del task. Ciò consente all’utente di aprire i modelli creati nell’ambiente di progettazione e di osservarli online durante il runtime, ottenendo così la completa trasparenza. Per motivi di licenza, le eventuali modifiche al modello possono essere effettuate unicamente in Matlab Simulink (Figura 3).

La moderna tecnica di controllo offre possibilità ancora maggiori. Con PLCnext Store, l’utente è in grado di caricare tutto o parte di un programma applicativo sul controllore, proprio come lo fa con le app per il suo smartphone. A tal fine collega AXC F 2152 a PLCnext Store con il relativo ID utente, logga il controllore utilizzando il proprio UUID (Universally Unique Identifier) e seleziona nello store l’applicazione da installare sul controllore PLCnext: in questo modo, ottiene un programma applicativo completo senza l’utilizzo di un sistema di progettazione e senza la necessità di nozioni di programmazione secondo IEC 61131. PLCnext Store comprende anche librerie e componenti di programma. Un istituto sarebbe dunque in grado di progettare un regolatore complesso e renderlo facilmente disponibile tramite PLCnext Store, gratuitamente o a pagamento. Industry 4.0 ha fatto il suo ingresso anche nell’industria di processo (Figura 4).