Un approccio basato su una piattaforma unificata per la scalabilità delle macchine OEM e l'integrazione brownfield

Il sistema di controllo di una macchina è una componente importante della sua progettazione e della sua strategia di mercato. Molti team di progettazione adottano un approccio frammentato, utilizzando più famiglie di PLC per diversi livelli di costo delle macchine e affidandosi a gateway di terze parti per l'integrazione dei sistemi legacy. Ciò può aumentare i costi di progettazione, inventario e assistenza sul campo, che a loro volta possono ridurre l'agilità operativa. Un'alternativa è la standardizzazione su una singola piattaforma unificata in grado di scalare tra le applicazioni e di comunicare con i protocolli moderni e legacy.

L'utilizzo di strategie disparate può essere inefficiente. La gestione di più famiglie di PLC crea problemi logistici per la formazione e la gestione delle scorte, oltre ad aggiungere hardware non necessario, complessità e potenziali punti di guasto al sistema. Ma cosa succederebbe se una piattaforma unica potesse eliminare completamente questi compromessi? Questo articolo esplora tale approccio, utilizzando l'ecosistema SIMATIC S7-1200 di Siemens come case study per affrontare i requisiti di scalabilità e connettività.

La sfida della scalabilità per gli OEM

Le linee di prodotti OEM spesso adottano un approccio scalare alla qualità, in cui la complessità della macchina varia in base alle caratteristiche incluse. Sebbene sia ragionevole, la sfida consiste nello specificare un sistema di controllo che sia economicamente vantaggioso per i modelli di base e sufficientemente capace per le versioni di fascia alta. A questo scopo, alcune delle soluzioni comunemente utilizzate sono le seguenti.

1. Piattaforme di controllo multiple: l'utilizzo di PLC diversi per ogni livello di una macchina può sembrare conveniente nell'ottica del prezzo per unità, ma può generare costi a valle in termini di formazione, programmazione e scorte dei pezzi di ricambio. Questo approccio costringe i tecnici a diventare esperti in più ambienti di programmazione e richiede un magazzino ricambi più ampio e complesso sia per l'OEM sia per l'utente finale.
2. PLC sovradimensionati e a I/O fisso: la scelta di un unico PLC di grandi dimensioni semplifica la programmazione, ma può rendere i modelli entry-level non competitivi a causa del costo della distinta base per le funzionalità inutilizzate. Questo approccio offre inoltre una flessibilità limitata per le modifiche future. Se un cliente richiede un solo sensore aggiuntivo e tutti i punti di I/O fissi sono assegnati, potrebbe essere necessaria una riprogettazione, dispendiosa in termini di tempo e denaro.

Una soluzione pratica è una piattaforma di controllo modulare con un processore centrale che possa essere configurato con precisione con gli I/O necessari per ogni variante di una macchina.

Affrontare la sfida della connettività brownfield

Come può una macchina all'avanguardia comunicare efficacemente in uno stabilimento costruito con una tecnologia datata? Questo è il dilemma per l'integratore di sistema, dove le nuove macchine che utilizzano protocolli moderni, come PROFINET, spesso devono integrarsi con le apparecchiature esistenti che si basano su protocolli seriali, come Modbus RTU. Ciò richiede che i nuovi sistemi comunichino con VFD e altri dispositivi legacy attraverso la comunicazione seriale RS-485. Due soluzioni comunemente utilizzate per risolvere questi problemi sono:

1. Gateway di protocollo di terze parti: un gateway esterno può tradurre tra PROFINET e Modbus RTU, ma comporta costi hardware aggiuntivi, introduce un potenziale punto di guasto e richiede uno strumento software separato per la configurazione. La mappatura dei dati tra i due sistemi può essere complicata e la risoluzione dei problemi di comunicazione diventa uno sforzo immane, per diagnosticare due dispositivi separati, spesso di produttori diversi.
2. PC industriali (IPC) con codice personalizzato: un IPC con software di comunicazione personalizzato è una soluzione capace ma costosa e complessa, che introduce la manutenzione del sistema operativo del PC in fabbrica. Questa strategia richiede competenze IT e di sviluppo software specializzate, non sempre presenti in un team di automazione tradizionale, e può portare a soluzioni fragili e difficili da manutenere.

Un controller moderno dovrebbe supportare la comunicazione legacy come funzionalità nativa per semplificare l'architettura e centralizzare la configurazione.

Una soluzione unificata: la piattaforma SIMATIC S7-1200

La serie SIMATIC S7-1200 di Siemens, configurata all'interno di Totally Integrated Automation (TIA) Portal, è progettata per affrontare queste sfide. È una piattaforma coesa con componenti che offrono una gamma di funzionalità e caratteristiche prestazionali. La Figura 1 illustra un esempio di controller per modulo PLC, evidenziandone i vari componenti.

Figura 1: Un controller per modulo PLC SIMATIC S7-1200 di Siemens composto da una CPU integrata, pin I/O su scheda, LED di stato e connettori. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Il cuore: una CPU capace, robusta e flessibile

Al centro di un sistema S7-1200 si trova una CPU compatta. La CPU 1214C, ad esempio, ha una velocità di esecuzione booleana di 0,08 µs/istruzione e 100/150 kB di memoria di lavoro per una rapida esecuzione dei programmi. A ciò si aggiungono 4 MB di memoria di carico per memorizzare l'intero progetto (compresi simboli e commenti) e 14 kB di memoria ritentiva per salvare in modo sicuro i dati critici della macchina durante un ciclo di accensione e spegnimento. La porta PROFINET integrata supporta fino a 16 connessioni Ethernet e funziona come controller I/O per realizzare una moderna rete di dispositivi di campo, come illustra la Figura 2.

Figura 2: Esempio di topologia di un controller PROFINET IO e di un dispositivo IO con CPU SIMATIC. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Oltre alla logica, la CPU integra sei contatori indipendenti ad alta velocità che possono elaborare treni di impulsi fino a 100 kHz, rendendola ideale per attività di misurazione e posizionamento precise con l'uso di encoder. Inoltre, la CPU 1214C è dotata di due ingressi analogici integrati (0-10 V), che consentono di eseguire il rilevamento analogico di base senza bisogno di moduli aggiuntivi. Il design fisico dell'unità è destinato alla realtà industriale, con un intervallo nominale della temperatura di funzionamento da -20 °C a +60 °C e la capacità di resistere alle vibrazioni fino a 2 g (montaggio a parete), garantendo un funzionamento affidabile in ambienti difficili.

La CPU è disponibile in più varianti per adattarsi a qualsiasi infrastruttura elettrica. 6ES7214-1AG40-0XB0 è un modello c.c./c.c. per sistemi standard a 24 V c.c., mentre 6ES7214-1BG40-0XB0 (relè c.a./c.c.) può essere alimentato da una fonte a 120/230 V c.a., risparmiando spazio e costi grazie all'eliminazione di un alimentatore separato. 6ES7214-1AG40-0XB0 dispone anche di quattro uscite a treno di impulsi per il controllo ad anello aperto della velocità e della posizione dei motori passo-passo, riducendo la necessità di controller di movimento specializzati nelle applicazioni più semplici.

Risolvere la scalabilità con un I/O granulare e ad alte prestazioni

Una caratteristica fondamentale di S7-1200 è la sua modularità. La CPU può essere ampliata con schede di segnale (SB) per piccole aggiunte e moduli di segnale (SM) per requisiti di I/O più ampi, consentendo di ottimizzare la distinta base per l'applicazione.

Modello base: i 14 ingressi digitali e le 10 uscite digitali della CPU 1214C sono spesso sufficienti per le macchine entry-level e sono un punto di partenza ottimizzato dal punto di vista dei costi.

Modello di fascia media: per aggiungere un segnale analogico da 0-10 V per il controllo di un azionamento a frequenza variabile, è possibile utilizzare la scheda di segnale SB 1232 - 6ES7232-4HA30-0XB0, illustrata nella Figura 3 Si fissa direttamente sulla CPU, fornendo una singola uscita analogica con una risoluzione di 12 bit e un tempo di conversione impressionante pari a 300 µs.

Questa velocità è fondamentale per le applicazioni che richiedono un controllo reattivo delle valvole proporzionali o di altri attuatori analogici. Il modulo può pilotare carichi con un'impedenza minima di 1000 Ω su un cavo schermato lungo fino a 100 m, aggiungendo funzionalità critiche senza aumentare l'ingombro del controller.

Figura 3: Scheda di segnale SB 1232 - 6ES7232-4HA30-0XB0 per I/O aggiuntivi per la CPU SIMATIC S7-1200. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Modello di fascia alta: per il controllo di un collettore di valvole a 16 punti, il modulo di segnale SM 1222 - 6ES7222-1BH32-0XB0 (Figura 4) fornisce 16 uscite digitali a transistor, ciascuna con una potenza nominale di 0,5 A. Un dettaglio fondamentale per gli ingegneri è la limitazione incorporata nel modulo della tensione di spegnimento induttivo a un valore tipico di (L+)-48 V, che aiuta a proteggere le uscite dalla forza controelettromotrice quando si commutano carichi induttivi, come i solenoidi.

Figura 4: Modulo di segnale SM 1222 - 6ES7222-1BH32-0XB0 con 16 uscite a transistor con limitazione della tensione di spegnimento induttivo. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Per il controllo analogico avanzato, il modulo di segnale SM 1232 - 6ES7232-4HD32-0XB0 (Figura 5) offre quattro canali di uscita analogici ad alta precisione. Ogni canale è configurabile per la tensione (±10 V con risoluzione a 14 bit) o la corrente (0-20 mA con risoluzione a 13 bit). È dotato di diagnostica integrata per i guasti elettrici, come la rottura dei fili e il cortocircuito, che consente al programma PLC di rilevare i guasti di cablaggio e i potenziali problemi di uscita, aumentando così il tempo di servizio e l'affidabilità della macchina.

Figura 5: Il modulo di segnale SM 1232 - 6ES7232-4HD32-0XB0 con controllo analogico e diagnostica integrata per guasti da rottura dei filo e cortocircuiti. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Risolvere la connettività con la comunicazione integrata

Per l'integrazione brownfield, la scheda di comunicazione CB 1241 RS485 6ES7241-1CH30-1XB0 si collega direttamente alla CPU. Fornisce una porta seriale RS-485 fisica senza aumentare le dimensioni del sistema, come illustra la Figura 6.

Figura 6: Configurazioni di terminazione e polarizzazione per la rete di comunicazione RS-485. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

La porta supporta velocità di comunicazione fino a 115,2 kbps su una distanza di 1000 metri. La vera integrazione è nel software. TIA Portal include istruzioni di libreria non solo per Modbus RTU (master e slave), ma anche per la comunicazione Freeport (ASCII), ideale per dispositivi semplici come gli scanner di codici a barre, e il protocollo USS per la comunicazione con gli azionamenti Siemens.

La configurazione viene gestita interamente all'interno del progetto TIA Portal, mappando i dati seriali direttamente in un blocco dati PLC. Ciò elimina la necessità di strumenti di configurazione esterni, semplificando l'architettura di rete. Per la manutenzione, la scheda include LED diagnostici per i segnali di trasmissione (TxD) e ricezione (RxD), fornendo uno stato immediato dell'attività di comunicazione che semplifica la risoluzione dei problemi in loco.

Conclusione

Le sfide principali per gli ingegneri dell'automazione sono la gestione della complessità e la progettazione per l'agilità. La standardizzazione su una piattaforma di controllo come SIMATIC S7-1200 di Siemens risolve questi problemi. Combinando un processore capace come la CPU 1214C con un ecosistema flessibile di I/O modulari - SB 1232, SM 1222, SM 1232 - gli OEM possono creare un'unica architettura di controllo scalabile adatta ai vari livelli di prezzo delle macchine.

Utilizzando opzioni di comunicazione integrate come CB 1241, gli integratori di sistema possono ridurre la complessità dei gateway esterni. Questo approccio unificato, configurato all'interno dell'ambiente TIA Portal, consente di ridurre i tempi di progettazione e le scorte e porta a soluzioni di automazione robuste e flessibili.