Iec61499
0 likes126 views
Il documento discute la norma IEC 61499, un standard per sistemi di automazione distribuiti che offre un'architettura aperta e supporta la portabilità, interoperabilità e configurabilità dei software. Viene presentata una metodologia di progettazione che consente il riuso del codice e l'integrazione in vari ambienti hardware e software, ponendo l'accento sulla separazione tra eventi, dati e algoritmi. La norma si distingue dall'IEC 61131-3 per la sua enfasi su modelli event-driven e una maggiore flessibilità nella distribuzione delle applicazioni.
Iec61499
- 1. Salvatore Cavalieri Università di Catania, DIEEI La norma IEC 61499 Documenti di Riferimento: • Libro: "IEC 61499: Uno standard per sistemi distribuiti di automazione industriale", Luca Ferrarini e Carlo Veber, Pitagora Editrice, Bologna, 2004, ISBN 88-371-1493-1 • Dispensa sul sito: "Workbook for Designing Distributed Control Applications using Rockwell Automation’s HOLOBLOC Prototyping Software", John Fischer and Thomas O. Boucher
- 2. Il Software nell’Automazione Alcuni requisiti specifici per il software nell’automazione: – Utilizzo di modelli software indipendenti da SO e HW al fine di una drastica riduzione dei costi di progettazione – Definizione di interfacce standard per la comunicazione tra i componenti del sistema in ambiente distribuito – Integrazione di system tools (design tool, programming tool, configuration tool, HMI tool)
- 3. Architettura Aperta Come soddisfare i requisiti al crescere della complessità? Risposta: Definizione di standard basati su architetture aperte caratterizzate da: – portabilità: Ogni tool software può accettare e correttamente interpretare librerie prodotte da altri tool software – interoperabilità: tutti i dispositivi devono poter operare insieme al fine di eseguire correttamente tutte le funzioni dell’applicazione distribuita – configurabilità: tutti i dispositivi e i loro componenti software devono poter essere configurati da diversi tool software (produttori diversi)
- 4. Perché un nuovo standard ? IEC 61131-3 è troppo limitato a sistemi single- processor o poco distribuiti (variabili globali e FB di comunicazione poco efficaci) Utilizza strumenti di modellazione basati su FB troppo legati al concetto di program scan (time- triggered e non event-triggered) Di fatto nel tempo la realizzazione di architetture aperte basate su IEC 61131-3 non è stata realizzata (vedi portabilità e configurabilità)
- 5. IEC 61499: Concetti Generali Lo standard propone un’architettura completa per il progetto/modellazione e la realizzazione di sistemi di controllo distribuiti Lo standard definisce una metodologia di progettazione di sistemi distribuiti in un formato indipendente da linguaggi di programmazione, piattaforme hardware e tecnologie Lo standard favorisce il riuso di codice Lo standard favorisce la creazione di dati e modelli portabili e interscambiabili, sia attraverso un linguaggio proprio definito source code sia attraverso XML
- 6. IEC 61499: Concetti Generali Lo standard enfatizza i concetti e i metodi formali alla base di UML e degli approcci OO. E’ basato su un modello event triggered. – Si basa sulla netta separazione tra eventi, dati e algoritmi. – L’esecuzione di un algoritmo è iniziata all’arrivo di eventi e l’algoritmo usa i valori correnti dei dati in ingresso disponibili all’istante in cui accadono gli eventi. La programmazione è basata su Function Blocks, che è un formalismo già definito da IEC 61131-3, ma che viene esteso per una migliore integrazione. Vengono potenziati i modelli di comunicazione in ambiente distribuito (client/server, publisher/subscriber)
- 7. IEC 61499 vs. IEC 61131-3 Entrambi sono basati su Function Block Lo standard IEC 61131-3 non distingue tra eventi e dati. L’arrivo di un nuovo dato (ad esempio un sensore) è esso stesso considerato un evento. La scansione del PLC esegue continuamente l’algoritmo associato al function block. Lo standard IEC 61499 è event driven e non necessariamente esegue continuamente ogni function block, ma solo all’occorrenza di un evento. Lo standard IEC 61499 permette una più efficiente distribuzione di applicazioni su risorse distribuite.
- 8. IEC 61499 Part 1, Architecture – IEC Standard, January 2005 Part 2, Software Tool Requirements – IEC Standard, January 2005 Part 4, Rules for Compliance Profiles – IEC Standard, May 2005 Part 3, Tutorial Information – ritirato (obsolete), 2007
- 9. IEC 61499: Concetti Generali La metodologia di progettazione di un sistema distribuito si basa sulla definizione di diversi modelli: Modello del Sistema Modello del Dispositivo Modello della Risorsa Modello dell’Applicazione Modello del Blocco Funzionale
- 10. IEC 61499: Concetti Generali Un sistema di controllo e misura per un processo industriale è un insieme di dispositivi interconnessi tramite una o più reti di comunicazione I dispositivi possono essere: Dispositivi di controllo (es. PLC) Dispositivi di supporto (es. Sistemi di supervisione) Le reti possono essere: Reti di controllo: collegano i sistemi di controllo Reti di Informazione: permettono lo scambio dati tra sistemi informativi e acquisizione dati Dispositivo Dispositivo Dispositivo Processo Industriale (sensori, attuatori) Modello di Sistema Rete di Comunicazione Rete di Comunicazione
- 11. IEC 61499: Concetti Generali Interfaccia di comunicazione Interfaccia di processo Processo Industriale (sensori, attuatori) Applicazione 1 Applicazione 2 Risorsa A Risorsa B Risorsa C Modello di Dispositivo Un dispositivo è definito in termini di Risorse ed interfacce Le risorse forniscono dei servizi indispensabili per eseguire le applicazioni Le interfacce sono: di processo (tra il processo fisico e la risorsa) di comunicazione (tra la rete di comunicazione e la risorsa)
- 12. IEC 61499: Concetti Generali Interfaccia(e) di processo Interfaccia(e) di comunicazione Porzione Applicazione Funzioni di interfaccia Funzioni di interfaccia Funzioni di schedulazione Modello di Risorsa Una risorsa acquisisce dati dalle interfacce, elabora i dati e genera dati verso le interfacce Una risorsa è caratterizzata: – Una o più porzioni di un’applicazione – Funzioni per l’interfacciamento con il processo fisico – Funzioni per l’interfacciamento con la rete di comunicazione – Funzioni di schedulazione, che permette l’esecuzione di un’applicazione o di una sua porzione
- 13. Tipo Istanza Modello di Applicazione Tipo Istanza Tipo Istanza 10 Parametri Connessione eventi Connessione dati Function Block Un’applicazione viene definita in termini di: insieme di istanze di Blocchi Funzionali insieme di Parametri. Un Parametro è un’entità dotata di tipo e specifica un valore costante Insieme di connessioni: eventi e dati. Una connessione è caratterizzata da direzionalità Un’applicazione può essere distribuita su più risorse del sistema, anche su più dispositivi L’unità più piccola che può essere distribuita è il Blocco Funzionale di base e quello composto IEC 61499: Concetti Generali
- 14. Modello del Blocco Funzionale E’ un’unità software che riceve dati ed eventi da altri blocchi, esegue algoritmi e genera a sua volta dati e eventi E’ un’estensione di un blocco funzionale classico, quale IEC 61131 Basato su OO Interfaccia: Eventi e Dati Tipo INT Eventi In entrata Eventi in uscita Associazione dati / eventi Qualificatore WITH Dati in Ingresso Dati in Uscita Interfaccia Dati Interfaccia Eventi Istanza
- 15. Tipi di Blocchi Funzionali Esistono 4 tipi di blocchi funzionali, graficamente simili: Blocchi di base: comportamento definito da ECC e algoritmi. Blocchi composti: unione di più blocchi. Blocco Sottoapplicazione: di recente definizione Blocchi di interfaccia di servizio: realizzano interfacciamento con hardware/software della risorsa e con dispositivi di comunicazione. E’ incoraggiata la composizione fra blocchi. Da pochi blocchi base è possibile avere comportamenti complessi (la composizione favorisce il riutilizzo e l’eleganza).
- 16. Blocco Funzionale di Base Il blocco funzionale di base è caratterizzato da: variabili interne, equiparate ad attributi dell’OO algoritmi, Possono essere formalizzati in un qualunque linguaggio anche se lo standard suggerisce IEC 61131-3 Elaborano i dati in ingresso e le variabili interne e producono nuovi valori per i dati in uscita un modello che descrive l’esecuzione del blocco Viene scritto nella forma di un Execution Control Chart (ECC)
- 17. Blocco Funzionale di Base
- 18. Execution Control Chart ECC: modello fatto da stati, azioni, transizioni Ad uno stato è possibile associare azioni Un’azione è costituita da un algoritmo e da eventi in uscita Gli eventi condizionano la transizione tra stati. Un evento è booleano e può essere costante o un’espressione START RESPONDING E_OUT E_IN 1 ALGO() Stato inizialeEvento in entrata Evento In uscita Stato di computazione Algoritmo Transizione istantanea
- 19. Esempio di ECC: elemento rendez-vous Il componente aspetta E_IN1 e E_IN2 prima di far partire E_OUT. E_IN1 E_OUT Rendez -vous E_IN2 START WAIT_2 E_OUT E_IN1 E_IN2 FIRE WAIT_1 E_IN2 E_IN1 1
- 20. Algoritmi: Linguaggi di Programmazione
- 21. Interazione tra Blocco Funzionale e Risorsa T1: i dati sono disponibili e stabili T2: occorrenza evento legato ai dati (WITH) T3: ECF richiede alla funzione di schedulazione della risorsa di eseguire l’algoritmo associato allo stato attuale dell’ECC T4: la funzione di schedulazione rende disponibile la risorsa e l'algoritmo viene eseguito T5: algoritmo calcola i dati in uscita T6: il blocco funzionale comunica alla funzione di schedulazione che ha terminato l'algoritmo e che rilascia la risorsa T7: la funzione di schedulazione comunica all’ECF che l’esecuzione è finita T8: ECF genera gli eventi in uscita Alcuni Parametri Prestazionali: – Tsetup: T2-T1, Tstart: T4-T2 – Talg: T6-T4, Tfinish:T8-T6 Ogni istanza di FB possiede una porzione dedicata al controllo dell'esecuzione dell'ECC: La Funzione di Controllo di Esecuzione (ECF) utilizza l’ECC e controlla l’esecuzione degli algoritmi
- 22. Mapping con XML
- 23. Blocco Funzionale di Base Esistono numerosi FB di base di libreria La maggior parte presentano degli eventi comuni: REQ (EI). Causa attivazione algoritmo INIT (EI). Serve per inizializzare il FB CNF (EO). Si associa alla conclusione dell’algoritmo a seguito di una REQ. INITO (EO). Server per far propagare il segnale di inizializzazione IND (EO). Evento in uscita prodotto dal FB, legato in genere ad un cambiamento occorso internamente nel FB Se sono presenti dei particolari dati booleani in ingresso QI e in uscita QO, essi influenzano il significato degli eventi in ingresso/uscita Ad esempio si avrà INIT+ e INIT- a seconda se QI=1 o QI=0, e i due eventi avranno diversi effetti Ad esempio si avrà CNF+ e CNF- a seconda se QO=1 o QO=0, e i due eventi avranno diversi significati
- 24. Blocco Funzionale di Base derivato da IEC 61131 Funzioni e Function Blocks IEC 61131-3 possono essere convertite in Function Blocks IEC 61499, secondo le seguenti regole: Il nome del FB IEC 61499 è composto da FB_Nome, dove Nome è il nome della Funzione o Function Block IEC61131 (ad esempio FB_ADD_INT). Le Variabili di Ingresso/Uscita e i corrispondenti Data Type sono gli stessi Gli eventi INIT, INITO vengono usati solo per i FB IEC 61499 derivati da FB IEC 61131, ma non esistono nei FB IEC 61499 derivati da semplici funzioni IEC 61131. Si usano gli eventi (quasi sempre REQ e CNF) Esempi: FB_AND, FB_OR, FB_NOT
- 25. Blocco Funzionale di Base: Esempio FB_AND Algoritmo AND
- 26. Blocco Funzionale di Base: Esempio E_SR , E_RS (Event)
- 27. Blocco Funzionale di Base: Esempio E_Restart (Event)
- 28. Blocco Funzionale di Base: Esempio IN_BOOL (HMI) Selezione box. Lo considereremo sempre 0 (non selezionato) In OUT viene prodotto il dato inserito dall’utente Lo considereremo sempre 1
- 29. Blocco Funzionale di Base: Esempio OUT_BOOL (HMI) •INIT+ (QI=1), setta la Label e lo Stato (i colori ON/OFF) •IN viene letto per ogni REQ+ (Q=1)
- 30. Device e Risorse in Ambiente Holobloc Le applicazioni possono essere mappate su: Device type FRAME_DEVICE. Crea una finestra di una certa ampiezza sullo schermo. Resource PANEL_RESOURCE. Crea un pannello rettangolare entro la finestra; entro questo pannello vengono: visualizzati tutti gli output su schermo prodotti da eventuali function blocks HMI (ad esempio OUT_BOOL). immessi gli ingressi da FB HMI (ad esempio IN_BOOL)
- 31. Uso di Ladder e ST per la definizione di algoritmi Nel caso di Ladder si usa la Notazione Polacca Inversa. Esempi: IN1 IN2 & (IN1 AND IN2) IN1 ! IN2 | (Not IN1 OR IN2) Nel caso di Ladder, i rung servono solo per tradurre: Uscita := espressione Linguaggi IEC 61131-3 in Ambiente Holobloc
- 32. Esercizi in Holobloc su Blocco Funzionale di Base Esercizio 1: Realizzazione di una Applicazione usando FB di Base standard: Xor (!A && B || A && !B) Esercizio 2: Realizzazione di un FB di Base ex-novo: Xor + Applicazione che lo utilizza
- 33. Esercizio 3: Realizzazione di un FB MarciaArrestoMotore + Applicazione MotoreMarcia Motore Arresto Termica MotoreMarcia ManualeAutomatico Esercizi in Holobloc su Blocco Funzionale di Base
- 34. Esercizio 4: Realizzazione di un FB TrapanoAutomatico + Applicazione Esercizi in Holobloc su Blocco Funzionale di Base START Enable PAUSE
- 35. Esercizi in Holobloc su Blocco Funzionale di Base Esercizio 4: Realizzazione di un FB TrapanoAutomatico + Applicazione START System START System STOP Enable PAUSE
- 36. Il Blocco Funzionale Composto Sono blocchi in cui il funzionamento è espresso in termini di una sotto-rete di blocchi funzionali Sono caratterizzati da: Interfaccia esterna con Variabili di Eventi e Dati (EI, DI, EO, DO) Funzionamento interno non dipende da un ECC, ma dall’interazione dei blocchi che lo compongono Non è possibile definire variabili interne, ma tutto il funzionamento deve basarsi unicamente sul comportamento di ciascun blocco. Variabile di evento Variabile di dato
- 37. Il Blocco Funzionale Composto Esecuzione di un blocco composto: Se un evento in ingresso è connesso direttamente ad un evento in uscita, l’occorrenza evento determina l’evento in uscita Se un evento in ingresso è connesso ad un blocco interno, si attiva tale evento Se l’evento di uscita di un blocco interno è connesso con un evento di ingresso di un altro blocco interno, allora tale evento viene considerato nel funzionamento di quest’ultimo blocco interno Se l’evento di uscita di un blocco interno è connesso con un evento di uscita del blocco composto, allora l’evento di uscita viene attivato
- 38. Esercizi su Blocco Funzionale Composto Esercizio 5: Realizzazione di un Blocco Funzionale Composto + Applicazione che lo utilizza
- 39. Il Blocco Funzionale Sottoapplicazione E’ stato introdotto recentemente Differenze con blocco composto: Non esistono Variabili di Eventi e Dati in I/O Una sottoapplicazione può essere distribuita su più risorse Nell’interfaccia non compare la clausola WITH All’interno è necessario utilizzare particolari blocchi (SPLIT e MERGE) per realizzare diramazioni e congiungimenti di eventi Blocco composto Blocco sottoapplicazione
- 40. Il Blocco di Interfaccia di Servizio I blocchi di interfaccia di servizio (SIFB) servono per utilizzare servizi offerti da una risorsa o da un dispositivo. Vantaggi: Fornire un’interfaccia standard per l’utilizzo di funzioni private del sistema (calcolo o comunicazione) Nascondere all’utente particolari di secondario interesse
- 41. Il Blocco di Interfaccia di Servizio Requester Responder
- 42. Il Blocco di Interfaccia di Servizio Due tipi di blocchi di interfaccia di servizio: Blocco di Gestione Blocco di Comunicazione
- 43. Il Blocco di Gestione Blocco di Gestione • Permettono di gestire ad alto livello le risorse e dispositivi • Risorsa: » Agiscono su: tipi di dati, tipi di blocchi funzionali, istanze di blocchi funzionali, connessioni tra istanze di blocchi funzionali » Permettono di: creare, inizializzare, iniziare, fermare, distruggere, chiedere l’esistenza e gli attributi, notificare il cambio di disponibilità e di stato • Dispositivo: » Agiscono su: risorse » Permettono di: creare, inizializzare, iniziare, fermare, distruggere, chiedere l’esistenza e gli attributi, notificare il cambio di disponibilità e di stato
- 44. Il Blocco di Comunicazione Blocco di Comunicazione, Communication Function Block (COMFB) Offrono un’interfaccia STANDARD alle applicazioni per l’accesso alle risorse rappresentate da reti di comunicazione che connettono risorse e dispositivi del sistema di controllo La normativa sfrutta due modalità di comunicazione: broadcast (unidirezionale) e client-server (bidirezionale)
- 45. Il Blocco di Comunicazione Blocco di Comunicazione Unidirezionale Publish/Subscribe (non confermato) Publish Subscribe
- 46. Il Blocco di Comunicazione Blocco di Comunicazione Unidirezionale Publish/Subscribe Holobloc IEC 61499 L’ingresso PARAMS può essere anche indicato con ID PARAMS fornisce i parametri necessari ad identificare il tipo di protocollo di comunicazione e i parametri necessari alla creazione della connessione
- 47. Il Blocco di Comunicazione Blocco di Comunicazione Bidirezionale Client/Server Client Server
- 48. Il Blocco di Comunicazione Blocco di Comunicazione Bidirezionale Client/Server Holobloc IEC 61499 L’ingresso PARAMS può essere anche indicato con ID PARAMS fornisce i parametri necessari ad identificare il tipo di protocollo di comunicazione e i parametri necessari alla creazione della connessione
- 49. Il Blocco di Comunicazione in Holobloc I Function Block PUBLISH_n/SUBSCRIBE_n incapsulano UDP multicast services ID (PARAMS) coincide con IP address: port number Il range degli indirizzi IP ammessi è limitato a quello degli indirizzi IP multicast, da 224.0.0.1 a 239.255.255.255, mentre il numero di porta è limitato al range {1..65535}. Esempio PUBLISH che desidera pubblicare dati su UDP con ID 225.0.0.1:0001 ID del Publish verrà settato a "225.0.0.1:0001". ID del Subscribe deve essere identico. I Function Block CLIENT_x_y/SERVER_y_x incapsulano TCP/IP client/server socket services ID (PARAMS) coincide con IP address: port number o localhost:port number o 127.0.0.1: port number Esempio Client e Server risiedono nello stesso device, l’ID verrà settato a: "localhost:0001"
- 50. Esercizi su Blocco di Comunicazione Esercizio 6-7: Utilizzo di un FB Basic START Enable PAUSE
- 51. Esercizi su Blocco di Comunicazione Esercizio 6: Realizzazione Applicazione Publish-Subscribe Publisher Subscriber START STOP 225.0.0.1:0001 START Enable PAUSE 225.0.0.1:0001
- 52. Esercizi su Blocco di Comunicazione Esercizio 7: Realizzazione Applicazione Client-Server Client START STOP localhost:0001 START Server Enable PAUSE localhost:0001