Se stai imparando a programmare i PLC probabilmente vorrai anche imparare ad architettare e programmare i sistemi di monitoraggio e supervisione del processo. Che si tratti di pannelli operatori HMI o di sistemi più complessi come gli SCADA, programmare le apparecchiature e i computers con software specifici diventa il compito di ogni system integrator che si rispetti; in questa lezione ti presento questi sistemi di interfaccia, soffermandoci sulle loro caratteristiche comuni e sulle peculiarità di ciascuno.
Il sistema di monitoraggio o interfaccia uomo macchina è uno dei componenti fondamentali dell’architettura dell’automazione industriale, nella prossima immagine possiamo vedere che questi sistemi si trovano sul livello appena superiore a quello dove risiedono i plc (controllori logici programmabili).
Su questo livello (il terzo dal basso) troviamo tutto ciò che serve a visualizzare e monitorare i processi, ad acquisire dati del loro funzionamento e impartire comandi; con i sistemi HMI e SCADA l’impianto viene interfacciato con l’uomo. Del resto, se non avessimo modo do metterci in comunicazione con il plc, per vedere cosa accade ai nostri impianti e macchinari e per avviare le lavorazioni come potremmo avere una produzione ottimale? I sistemi di monitoraggio ci mettono a disposizione grafica, testo e molte utili funzioni adatte per lo scopo.
Un sistema d’automazione che comprenda il livello di monitoraggio e i due livelli sottostanti nella piramide (controllo e campo) si può già considerare un sistema d’automazione completo, mentre i restanti livelli superiori (MES e ERP) non sempre sono presenti o integrati con il resto delle aree della fabbrica.
HMI e SCADA, cos’hanno in comune e quali sono le differenze.
Con il termine HMI indichiamo genericamente apparecchi che hanno la funzione di interfacciare l’uomo con la macchina, per dare modo agli operatori di controllare il funzionamento dei processi e di impartire comandi manuali o automatici attraverso l’interazione con il programma del plc.
Un sistema hmi per piccoli macchinari può essere rappresentato da un singolo pannello operatore con un display a caratteri alfanumerici, oppure da un display in grado di mostrare grafica in bianco e nero o a colori. Alcuni pannelli operatori hanno dei pulsanti o presentano lo schermo touch; oggi ci sono apparecchi di tutto rispetto che possono mostrare sullo schermo molti oggetti e ricevere comandi semplicemente con il tocco.
Questo è il tipo di pannello operatore più semplice. Ha un displey monocromatico per visualizzare testi e una serie di pulsanti a membrana.
Questo è un pannello HMI più avanzato, con grafica a colori e widgets. Questo modello ha lo schermo di tipo touch.
Oggi troviamo dei piccoli sistemi HMI o SCADA anche su telefonino o terminale portatile.
I sistemi SCADA.
La differenza sostanziale tra un pannello operatore e un sistema scada risiede innanzi tutto nell’hardware su cui il software di supervisione viene eseguito. Mentre i pannelli operatore solitamente funzionano con sistemi operativi proprietari e hanno funzioni limitate, i sistemi scada vengono implementati su computers più performanti. Essi permettono quindi non solo di monitorare e controllare gli impianti, ma anche di acquisire dati, storicizzarli, e di svolgere tutta una serie di funzioni addizionali.
Normalmente si utilizzano interfacce HMI di tipo pannello operatore a bordo macchina, nei pressi delle linee di produzione, o ancora quando è necessario avere apparecchi portatili, per questo alcuni sistemi di questo tipo oggi funzionano anche su telefonino o terminali dedicati wireless.
I sistemi scada d’altro canto vengono installati soprattutto nelle sale di controllo, dove spesso si trovano diversi computers che controllano diverse unità produttive dello stesso o di diversi fornitori. Nella prossima immagine vediamo una di queste sale di controllo con ben quattro monitor.
Come si collegano le HMI e gli SCADA agli impianti.
Per interfacciarsi con i controllori di processo, sia le hmi che gli scada utilizzano driver di comunicazione di tipo open source oppure proprietari, a seconda dei macchinari impiegati nel sistema d’automazione. I driver permettono di raccogliere e scrivere dati su un bus oppure su una rete; la rete può essere cablata, wireless oppure mista, e l’accesso alle linee produttive può avvenire anche da remoto attraverso internet.
I software di comunicazione svolgono un ruolo fondamentale anche nei sistemi MES e di raccolta e storicizzazione dati.
Nella prossima immagine troviamo l’architettura di un sistema d’automazione composto di due plc, due pannelli operatore HMI e quattro sistemi SCADA.
La programmazione dei sistemi HMI e degli SCADA.
Sia i pannelli operatore che i sistemi scada sono programmabili per mezzo di software installati sui computers. Per quanto riguarda i pannelli, il programma viene trasferito a questi mediante un cavo seriale, usb, oppure attraverso una rete ethernet; i sistemi scada invece eseguono il software solitamente sullo stesso pc dove può avvenire anche lo sviluppo.
A questo proposito, distinguiamo tra ambiente di sviluppo e runtime, dove per sviluppo intendiamo il tool che utilizziamo per programmare sia l’hmi che lo scada, e per runtime il software che esegue il programma di monitoraggio costruito con lo sviluppo.
Sui sistemi scada possono coesistere sviluppo e runtime, mentre sui pannelli operatore troviamo generalmente solo il sistema runtime per l’esecuzione del programma; alcuni software di programmazione per pannelli hanno anche un sistema runtime che funziona sul pc e permette di visualizzare le pagine di monitoraggio sullo stesso, prima ancora di caricare il software sul pannello.
Il programma viene creato su un pc e caricato sull'apparecchiatura che lo esegue; il pannello contiene l'ambiente runtime.
Il programma viene programmato con il sistema di sviluppo ed eseguito nell'ambiente runtime; i due sistemi possono coesistere sullo stesso pc.
Funzioni principali dei sistemi HMI e degli SCADA.
Per assolvere il compito di permetterci di monitorare e controllare gli impianti automatizzati, i programmi dei sistemi hmi e scada permettono innanzi tutto di leggere e scrivere dati da e verso i plc; questo avviene attraverso la definizione di un database di variabili che puntano alla memoria dei plc stessi. Le variabili vengono aggiornate ciclicamente o su evento attraverso i driver di comunicazione.
Con le variabili valorizzate dal driver di comunicazione, è possibile rappresentare lo stato di funzionamento degli impianti per mezzo di testi e grafica 2D o 3D che può essere anche molto complessa. Di seguito un elenco di funzioni che la maggior parte dei sistemi di monitoraggio permette di gestire:
Pagine grafiche più o meno complesse con parti statiche e altre dinamiche.
Visualizzazioni di valori di testo e possibilità di immissione dati attraverso la tastiera o il touch screen.
Pulsanti di comando animati con o senza segnalazione dello stato del comando.
Visualizzazione di bar graph per rappresentare variabili numeriche in forma grafica.
Visualizzazione degli allarmi e degli eventi importanti che si verificano durante il funzionamento dei macchinari.
Visualizzazione di grafici in tempo reale e, nel caso dei sistemi scada anche storici.
Queste sono le funzioni comuni alla maggior parte dei sistemi di monitoraggio, siano essi semplici pannelli operatori o sistemi più complessi. Nei sistemi scada possiamo trovare molte altre funzioni, come quelle per la grafica e l’animazione avanzata, quelle di storicizzazione dei dati, di interfaccia con altri sistemi e la possibilità di creare degli scripts (piccoli programmi per elaborazioni di ogni tipo).
Nella prossima immagine troviamo il principio di funzionamento del runtime di un sistema di supervisione generico.
