Logiche programmabili e tool

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In termini generali, l’espressione “logica programmabile” si estende a numerose tipologie di dispositivi, anche ai più semplici PLD (Programmable Logic Device). Nati dall’evoluzione dei primi componenti programmabili, come PLA, PAL e GAL, questi dispositivi hanno progressivamente aumentato il loro livello di complessità, fino a meritare il nuovo nome di ‘logiche programmabili complesse’, o CPLD (Complex PLD).

Oggi, però, quando si parla di logiche programmabili, i progettisti di sistemi elettronici pensano soprattutto alle tipologie più diffuse, come quelle che utilizzano la tecnologia FPGA (Field Programmable Gate Array). Questi dispositivi si sono imposti sul mercato da vari decenni, fin dall’introduzione dei modelli proposti alla fine degli anni Settanta, come l’82S100 di Signetics.

Il grande successo di questi componenti è dovuto soprattutto alla possibilità di realizzare l’implementazione di funzioni logiche anche molto complesse e dalla loro elevata scalabilità. Essi vengono utilizzati attualmente in grandi quantità sia nella versione riprogrammabile, sia in OTP (One Time Programmable), le cui funzionalità sono fissate per sempre dopo la prima programmazione. Oggi il ruolo dei dispositivi FPGA è ancora molto rilevante non solo in elettronica industriale (nelle applicazioni consumer, automotive, telecomunicazioni e in molte altre), ma anche nel campo della ricerca scientifica.

In ogni caso, dato il grande interesse che le logiche programmabili rivestono anche nell’automazione industriale, questo articolo non si limiterà a presentare un aggiornamento sui dispositivi FPGA e i relativi tool, ma si soffermerà brevemente anche sui prodotti dedicati all’automazione industriale.

Fig. 1 – Stratix 10 è la prima famiglia di Fpga per uso industriale realizzata con processo da 14 nm

Intel, Altera e la Connected Revolution

Altera, uno dei principali produttori di dispositivi logici programmabili, ha dato nuovo vigore alla propria strategia di penetrazione di mercato dopo l’acquisizione da parte di Intel, a partire dall’accordo annunciato all’inizio di giugno 2015 e completato al termine dello stesso anno.

Grazie a questa nuova competenza, Intel ha annunciato nel novembre 2016 di avere consegnato ai propri clienti i primi campioni di Stratix 10, la prima famiglia industriale di FPGA a 14 nm. Questi dispositivi, che abbinano i vantaggi del processo tecnologico tri-gate di Intel alla rivoluzionaria architettura HyperFlex, sono stati concepiti per rispondere alle esigenze delle più avanzate applicazioni di elaborazione di fascia alta e/o con grandi volumi di dati, come quelle tipiche dei data center, delle infrastrutture di rete, del cloud computing, dei radar e dei sistemi di elaborazione di immagini.

I punti di forza della nuova famiglia di FPGA sono:

• un livello di prestazioni del core due volte superiore a quello delle generazioni precedenti, con una densità cinque volte superiore;
• una riduzione dei consumi energetici fino al 70% rispetto rispetto alla famiglia di FPGA Stratix V a parità di prestazioni;
• un livello prestazionale fino a 10 TFLOPS nelle operazioni DSP floating point in singola precisione;
• una larghezza di banda della memoria fino a 1 TBps con l’integrazione in-package di HBM2 (High-Bandwith Memory)
• un processore embedded ARMCortex-A53 quad-core a 64 bit.

Per i progettisti di sistemi che utilizzano FPGA, uno dei più importanti annunci di Altera nel 2016 è stato quello del nuovo software di progettazione Quartus Prime Pro, la cui architettura è stata concepita per il supporto delle famiglie di FPGA delle nuove generazioni di Intel, ad alta densità ed elevato livello di integrazione. La riduzione dei tempi di compilazione del nuovo software, in combinazione con metodi di design entry estremamente versatili e la semplificazione dell’integrazione dell’IP (Intellectual Property) si traducono in un tempo di sviluppo molto più rapido dei progetti che utilizzano FPGA di grandi dimensioni.

Fig. 2 – SDAccel è un ambiente di sviluppo integrato che consente di compilare, profilare, provare e utilizzare l’accelerazione basata su FPGA

Xilinx e l’Embedded Vision Developer Zone

Naturalmente, Xilinx non sta alla finestra. Entrando nel sito si può avere immediatamente la sensazione del grande rilievo dato al supporto di sviluppo per i progettisti di sistemi basati sui componenti programmabili. In particolare, l’area Software Intelligence della Developer Zone descrive gli ambienti di sviluppo software SDAccel e SDSoC, che offrono la possibilità di realizzare facilmente applicazioni embedded con un approccio GPU-like.

SDAccel è un ambiente di sviluppo integrato (IDE, Integrated Development Environment) che consente di compilare, profilare, provare e utilizzare l’accelerazione basata su FPGA. SuperVessel è il primo di una serie di servizi cloud ad accesso aperto che opera come motore virtuale per chi sviluppa applicazioni o progetta sistemi, come pure per i ricercatori dei centri universitari, in vista della creazione e verifica di nuove soluzioni applicative quali analizzatori sofisticati, machine learning e IoT.

La combinazione di SuperVessel e dell’architettura IBM POWER con SDAccel e le schede di accelerazione FPGA di Xilinx offre ai progettisti delle nuove applicazioni una piattaforma cloud-based con elevato throughput e alta disponibilità per lo sviluppo e la realizzazione di applicazioni ad alto livello di elaborazione.

Fig. 3 – Il PLC per il motion control S7-1500 T-CPU

Logiche programmabili in automazione industriale

Siemens, uno dei principali attori di questo settore, propone la V14 del TIA Portal, che soddisfa le richieste dell’era della digitalizzazione e dello smart manufacturing. TIA Portal si basa sul principio “one for all” e combina in unica interfaccia tutti i tool di programmazione e configurazione del sistema di automazione, dal PLC alla visualizzazione e ai drive, permettendo di gestire in maniera centralizzata ambiti come la sicurezza, la protezione contro gli attacchi informatici e la comunicazione. Con TIA Portal e le possibilità offerte dalla nuova V14, i costruttori di macchine, i system integrator e gli operatori degli impianti possono trarre benefici dalla riduzione del time-to-market e dall’incremento di produttività.

I tool che concorrono alla riduzione del time-to-market sono non solo quelli che consentono a diversi reparti di lavorare in contemporanea sulla stessa commessa sia in fase di progettazione sia di messa in servizio, ma anche quelli che consentono di simulare il sistema finale in tutte le fasi del progetto. TIA Portal Teamcenter Gateway consente di gestire i progetti e le librerie della parte d’automazione all’interno del PLM di Siemens. Un altro importante strumento è il TIA Portal Multiuser, che consente a più utenti di lavorare in contemporanea sullo stesso progetto. In questo modo si riducono i tempi di configurazione e progettazione. Il progetto comune risiede su un server e ogni utente lavora su una sua copia. Quando si apre un oggetto HMI o PLC, il sistema impedisce ogni modifica da parte degli altri progettisti. Una volta conclusa la modifica è possibile renderla pubblica a tutti gli altri. Chi vuole gestire in maniera centralizzata il software di sviluppo ha ora a disposizione TIA Cloud Connector, il tool che consente a un PC qualsiasi di collegarsi in remoto tramite rete aziendale a una sessione TIA Portal presente su un server. Non è più quindi necessario aggiornare i PC di ogni utente, perché quest’operazione può essere fatta in maniera centrale sul server.

Per la creazione di standard aziendali è nato SiVarc uno strumento che genera, a partire da un progetto PLC, i contenuti delle pagine HMI. Chi realizza normalmente la parte di visualizzazione deve inserire in TIA Portal le regole per la generazione degli oggetti che possono essere: pagine, liste di testo, power tag, pulsanti, campi d’I/O, campi d’I/O grafici, selettori.

Il virtual commissioning è uno degli strumenti più efficaci che la digitalizzazione ci mette a disposizione, poiché consente di testare le macchine senza doverle costruire, di mostrarle al cliente finale prima ancora di averle messe in produzione e di istruire gli utilizzatori in modo sicuro. In questo caso la soluzione, che si chiama PLCSim Avanced, consente di creare un modello digitale del sistema d’automazione e di integrarlo nella simulazione della macchina senza aver ancora comprato l’hardware. Il tool SIMATIC Target S7-1500S è un’opzione per l’ambiente Simulink di MathWorks, uno dei software più diffusi al mondo per la modellazione, simulazione e analisi dei sistemi dinamici. È possibile integrare i modelli creati in simulink direttamente nel programma delle CPU S7-1500 che supportano la programmazione in C/C++ (tramite ODK).

Il fermo impianto è uno dei peggiori incubi per chi si occupa dell’esercizio delle linee di produzione e uno degli aspetti più macchinosi da realizzare per chi costruisce le macchine industriali. Per questi motivi nella V14 è stato implementato ProDiag, un tool molto potente per la creazione della diagnostica di processo. Per ogni variabile è disponibile una finestra di inserimento e configurazione dei messaggi di allarme. ProDiag è in grado di rilevare errori nel processo dell’utente e può fornire informazioni sul tipo, il luogo e la causa di alcuni di questi attraverso un dispositivo di visualizzazione in grado di presentare dati che spiegano come correggere l’errore.

La Simatic Energy Suite facilita la definizione e la configurazione della raccolta delle misure energetiche. Questo tool incrementa la trasparenza dei flussi di energia e facilita il risparmio in accordo con la normativa ISO 50001. I dati energetici sono facilmente acquisiti e integrati all’interno della soluzione di automazione. WinCC/WebUX consente di monitorare i processi dell’impianto e, se necessario, di controllare questi attraverso Internet o Intranet tramite apparecchi mobili HMI come tablet e smartphone.

Ma Siemens non si è limitata a introdurre nuove funzionalità, ma ha cercato di migliorare ulteriormente quelle già presenti. Ad esempio, è ora disponibile Global Search, una finestra di ricerca degli oggetti (ad esempio variabili) simile a quella già presente in STEP7 Classic ma, in questo caso, di tipo globale, in grado di trovare gli oggetti in tutto il progetto e non solo nel PLC. Nella parte Safety è ora possibile realizzare lo shared device e si possono proteggere i blocchi Safety dello S7-1500 mediante password.

La più importante novità hardware disponibile sulla V14 di TIA Portal è l’S7-1500 T-CPU, il PLC per il motion control. Con questa soluzione è possibile realizzare complessi sistemi di motion control che richiedono il gearing assoluto e il profilo di camma. Il Sinamics V90 con interfaccia PROFINET è l’azionamento ideale di questa CPU e lo è ancor di più grazie alle finestre di configurazione molto semplici integrate nel TIA Portal.

Con l’occasione, il firmware delle CPU S7-1500 viene aggiornato alla versione 2.0. È ora possibile implementare le funzionalità di camma digitale (quella che nell’S7-300 era eseguita dalla FM352) di movimento su riscontro fisso e d’ingresso di misura con tutte le CPU S7-1500. A livello di comunicazione, le novità sono l’introduzione del protocollo OPC UA, lo standard per il collegamento ai sistemi MES e il mondo IoT e la possibilità di utilizzare la seconda porta PROFINET, quando presente, per il collegamento della periferia e dei drive. Infine si completa la gamma delle CPU IP65/67 con la nuova CPU 1516pro (F)-2 PN, la soluzione ET200PRO basata su S7-1516 che può essere installata fuori quadro elettrico.

Programmazione di sistemi I/O decentralizzati

Un altro produttore particolarmente attivo nel campo dei sistemi programmabili per Automazione è Pilz, che propone un’ampia gamma di prodotti software utilizzabili in modo semplice e intuitivo, con cui si ha una perfetta panoramica dell’applicazione.

Il sistema di automazione PSS 4000 contiene la piattaforma software PAS4000, uno strumento ottimizzato per la programmazione e la configurazione dei sistemi di controllo PSSuniversal PLC e PSSuniversal multi. I PSSu tool offrono un supporto alla configurazione dei sistemi I/O decentralizzati PSSuniversal.

In fase di programmazione e realizzazione dei sistemi di controllo PSS 3000 il software di sistema PSS WIN-PRO rappresenta un valido aiuto grazie all’ampia scelta di moduli funzionali software.

Per selezionare i moduli e configurare il sistema I/O decentralizzato PSSuniversal, Pilz propone il PSSuniversal Assistant, mentre il PSSuniversal Startup Tool consente di eseguire rapidamente la messa in servizio del sistema.

Andrea Cattania

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