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AO
COPERTINA
automazioneoggi copertina
Specialisti
della PC-based
Automation
VALERIO ALESSANDRONI
Beckhoff è una società specializzata in soluzioni
di automazione basate su PC industriali con una
capacità innovativa che le ha permesso di creare
nuovi standard di mercato
eckhoff è specializzata nella realizzazione di sistemi di automazione aperti basati
su controlli PC compatibili. La gamma di
prodotti dell’azienda, comprendente PC
industriali, componenti per bus di campo,
sistemi Motion Control e software di automazione, copre i
principali settori dell’industria. Per tutti i settori, in particolare, sono disponibili linee di prodotti che possono essere
impiegati sia individualmente, sia per comporre un sistema
di controllo completo. I componenti e le soluzioni
Beckhoff vengono oggi impiegati in tutto il mondo nelle
applicazioni più svariate.
B
Il PC è il controllo
Per le funzioni assi PLC e Motion Control, Beckhoff utilizza la tecnologia di controllo PC-based, che si esprime
nella linea di prodotto TwinCAT. Dotato di un’interfaccia
di I/O indipendente dal bus di campo e di un software
PLC/CN/CNC integrato funzionante sotto Windows
NT/2000/XP/CE, TwinCAT mette a disposizione un sistema di automazione aperto ed universale. Questi sistemi di
automazione vengono attualmente impiegati sia come
PLC, calcolatori di processo o controlli CN combinati con
PC. Tradizionalmente, in questo tipo di applicazioni, i PC
non svolgono direttamente operazioni di controllo, poiché
queste vengono eseguite dai processori supplementari integrati nel sistema. Beckhoff ha tuttavia ribaltato questo paradigma, introducendo
una nuova soluzione basata esclusivamente sul
software. In essa, un PC elabora tutte le operazioni di automazione in modalità processore
singolo. Con TwinCAT, un sistema
PLC/NC/CNC, dove ciascun componente ha un
proprio processore, viene quindi rimpiazzato
dal processore del PC, che è in grado di elaborare tutte le operazioni PLC e CN/CNC sotto
forma di software. In tal modo, il sistema di
Il sistema software real-time TwinCAT di
Beckhoff trasforma un PC compatibile in
un controllo real-time con sistema
multi-PLC, controllo assi CN/CNC con
funzionalità motion control, ambiente di
programmazione e stazione operativa
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automazione risulta composto da quattro soli componenti:
il PC industriale, un sistema bus di campo per gli interfacciamenti di I/O, un sistema operativo standard (Windows
NT/2000/XP) per l’interfaccia utente e il software di controllo TwinCAT sul PC, nelle parti PLC (IEC 61131-3) e
CN/CNC.
TwinCAT NC PTP (punto a punto) è invece un software per
posizionamento degli assi con PLC integrato, interfaccia di
posizionamento-CN, programmi di comando per la messa
in funzione degli assi ed un interfacciamento I/O degli assi
tramite bus di campo. TwinCAT NC PTP supporta il
comando degli assi per motori passo-passo, sistemi ad anello aperto e con servomotori. TwinCAT NC I è il sistema CN
Maggiori prestazioni di sistema
Le soluzioni che utilizzano un singolo processore offrono
prestazioni eccellenti a livello di sistema. Inoltre, la potenza delle soluzioni PLC software è decisamente superiore a
quella delle soluzioni PLC hardware, e le prestazioni continuano a crescere con ogni nuovo processore PC. La
potenza e i tradizionali limiti del sistema non rappresentano più alcun vincolo in un sistema PC-based. I valori di
lunghezza del programma, memoria utente, entità dell’immagine di processo, ecc. permettono infatti di soddisfare
qualsiasi esigenza. D’altra parte, i limiti pratici della tecnologia basata su PC a 32 bit sono molto meno restrittivi di
quelli degli apparecchi tipo PLC finora in uso. E le possibilità sono in continua espansione. Si può quindi affermare
che ‘Il controllo partecipa alla crescita’, poiché, funzionando come software su un PC standard, sul controllo si riflette tale crescita di potenzialità nelle prestazioni del PC. Ma
in quale modo il PC svolge le operazioni di controllo? Un
‘classico’ PLC elabora i programmi in modo ciclico e gli
ingressi e le uscite cambiano mano a mano che il programma viene elaborato. L’esecuzione dei programmi in un
PLC software basato su PC avviene esattamente come in
un PLC/CN tradizionale, con cicli in tempo reale (deterministici), che vengono eseguiti in modo contemporaneo indipendentemente dalla lunghezza del programma.
L’elaborazione dell’interfaccia utente viene eseguita durante la pausa del ciclo, per cui può esistere una riserva di
capacità di calcolo. L’elaborazione delle funzioni PLC, CN
e interfaccia utente avviene contemporaneamente grazie
all’esecuzione multitask delle operazioni PLC, CN e del
sistema operativo sul sistema PC. Ogni compito (‘Server’)
di un’operazione determinata è caratterizzato da un proprio
tempo ciclo e una propria priorità. TwinCAT permette il
funzionamento di Windows NT/2000/XP insieme ai propri
programmi tramite un’estensione in tempo reale per il
sistema operativo.
Il controllo Windows e
l’Automation Technology
TwinCAT PLC è un Multi-PLC efficiente con 4 sistemi a
tempo di scansione PLC (ognuno con ulteriori 4 task PLC)
per PC. L’ambiente di programmazione offre tutte i linguaggi della norma IEC 61131-3, mentre l’interfacciamento del livello I/O e bus di campo avviene tramite il Sistem
Manager. Vengono supportati tutti i bus di campo in uso.
Una gamma completa di PC industriali per ogni esigenza, sia per
montaggio ad incasso che in armadio
per movimenti del percorso interpolato lineare o circolare a
gruppi di tre assi interpolanti e cinque ausiliari. E’ possibile un massimo di 31 di questi gruppi. TwinCAT NC I offre
un’interpolazione 2D e 3D (interprete, generazione del
valore nominale, regolatore di posizione), un PLC integrato con interfaccia NC I ed un interfacciamento I/O per assi
tramite bus di campo. Infine, TwinCAT CNC offre funzionalità CNC complete come pura soluzione software basata
su PC. TwinCAT CNC copre l’intero campo del classico
controllo di contornitura CNC fino al sistema high end per
complesse esigenze di movimentazione e di cinematica con
la possibilità di realizzare le più complesse trasformazioni
di coordinate. A tale scopo l’efficiente piattaforma PC e la
base real-time di TwinCAT offrono le condizioni ideali.
PC Control per tutte le
applicazioni
Il software non è tutto: la piattaforma di un controllo PCbased è infatti un PC industriale. Per questo motivo,
Beckhoff offre una gamma di PC industriali in varie forme
costruttive e con diverse dotazioni. I PC Beckhoff con
design industriale sono costruiti con componenti del massimo livello prestazionale sulla base di standard aperti.
Inoltre, i pannelli operatore personalizzati assicurano l’a-
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dattamento ottimale alle esigenze dei clienti. I PC industriali Beckhoff dimostrano un’elevata affidabilità e robustezza per il loro impiego nella tecnologia di automazione.
L’azienda possiede un’esperienza pluriennale nella scelta,
integrazione e nello sviluppo autonomo di componenti per
PC idonei per applicazioni industriali. E solo l’accurata selezione dalla grande varietà di componenti disponibili nel mercato dei PC standard, attraverso metodi di test elaborati, può garantire la rispondenza ai requisiti posti da queste applicazioni.
Nello sviluppo di schede madri per PC industriali
‘All-in-One’, schede d’interfaccia, alimentatori a
PC testati per ambienti industriali, li approva ed esegue
l’integrazione nel PC industriale. Gli standard internazionali e le esperienze nell’impiego di sistemi PC nelle difficili condizioni industriali sono alla base dell’integrazione
di tutti i sistemi Beckhoff. Non tutte le schede madri, display a cristalli liquidi,
schede plug-in e dischi
rigidi sono adatti per
l’uso in ambiente industriale. Sono infatti necessari test approfonditi per
identificare i componenti
in grado di superare i
severi requisiti di resistenza alle vibrazioni e
alla temperatura e di
compatibilità elettromagnetica. Ma vediamo
qualche esempio della
produzione Beckhoff.
Esempio di un pannello
di controllo realizzato
secondo le specifiche del
cliente, con
personalizzazioni anche
nella pulsanteria
elettromeccanica
PC industriale
modulare
La serie di apparecchi
CX1000 Beckhoff accomuna il meglio di due
mondi - quelli dei PC
industriali e dei PLC hardware - ed è adatta per operazioni di controllo di medie prestazioni. Si tratta di un
sistema di controllo modulare montabile su barre DIN, i cui
I Control Panel industriali con alloggiamento in
elementi vengono accoppiati a seconda della funzione
alluminio monolitico sono disponibili con molteplici
richiesta e montati nel quadro elettrico o nella cassetta a
layout e video da 6,5” fino a 20”
bordo macchina. Il sistema CX1000 copre l’intera gamma
della tecnologia di controllo Beckhoff in termini sia di
bassa tensione, controlli tastiera, controlli per gruppi di prezzo che di prestazioni: La nuova gamma è stata concecontinuità ed altri moduli elettronici, Beckhoff soddisfa i pita per operazioni che richiedono le caratteristiche e caparequisiti più severi richiesti dai componenti per PC indu- cità di calcolo dei PC industriali, senza tuttavia raggiungestriali, al fine di assicurare un funzionamento sicuro ed a re i livelli di prezzo dei PC industriali veri e propri.
lungo termine nelle condizioni più pesanti. Il reparto di svi- Vengono infatti integrati nel sistema soltanto quei compoluppo sistemi di Beckhoff utilizza quindi componenti per nenti che sono effettivamente necessari. Per esempio, un
CX1000 può essere fatto funzionare senza
display e tastiera. In questo caso, non è
richiesta la relativa interfaccia HMI, con
una conseguente riduzione dei costi.
Benché il sistema di controllo risultante
non abbia alcuna visualizzazione, esso
Presso la sede principale di Beckhoff a Verl (Germania), vi sono i reparti centrali di
possiede la capacità di comunicare attraamministrazione, vendita, marketing, sviluppo, produzione, supporto ed assistenza di
verso le interfacce Ethernet e RS-232
Beckhoff. Sul territorio tedesco, l’azienda possiede nove filiali, mentre la presenza sul
incorporate. Qualora si desideri avere una
mercato internazionale viene garantita da filiali in Svizzera, Austria, Finlandia, Svezia,
visualizzazione locale, la si può ottenere
Italia, Polonia, Cina, Canada e negli Stati Uniti. Grazie ai partner di cooperazione a livelattraverso una DVI (Digital Video
Presenza mondiale in tutti i continenti
lo mondiale, Beckhoff è oggi rappresentata in oltre 35 Paesi.
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go di un’intera serie di apparecchi con funzioni simili. Da
questa elaborata acquisizione del segnale risultano spese
elevate di materiali, installazione, progettazione e documentazione, nonché costi elevati in caso di modifiche o
PC industriale compatto modulare
montabile su barra DIN
Interface - interfaccia video digitale), alla quale possono
essere collegati tutti i Control Panel Beckhoff, nonché tutti
i monitor con ingresso DVI disponibili sul mercato. Il
segnale del touch screen viene letto attraverso una delle due
interfacce USB disponibili.
Sistema bus di campo modulare
Beckhoff fornisce anche una gamma completa di componenti per bus di campo compatibili con tutti i moduli I/O e
sistemi bus di campo oggi in uso. Essa
comprende Bus Terminal, Fieldbus
Box, Lightbus, schede bus di campo per
PC e moduli bus di campo. In particolare, con i Bus Terminal con grado di protezione IP 20 e i moduli Fieldbus Box
con protezione IP 67, è disponibile una
gamma completa per tutti i tipi di segnale e i sistemi bus di campo più importanti. Il Lightbus Beckhoff è invece un
sistema bus di campo veloce e sicuro,
concepito appositamente per soddisfare
le esigenze della tecnologia di automazione. Le schede bus di campo per PC
sono state sviluppate appositamente per
operazioni di controllo rapide e per operazioni in tempo reale, coprendo quindi
vasti campi di applicazione. L’offerta di
moduli I/O viene completata dai rispettivi set di cavi e da
strumenti di programmazione e di configurazione. Grazie
alla grande scelta di componenti I/O, è possibile selezionare il sistema bus più adatto alla propria applicazione.
Osserviamo più da vicino i Bus Terminal.
Oggi, il cablaggio dei segnali di ingresso/uscita avviene in
modo decentralizzato sulle apparecchiature per bus di
campo ed in modo centralizzato sui controllori programmabili. Gli apparecchi per bus di campo specifici del produttore, con una configurazione di ingresso/uscita e una
forma costruttiva fisse, rendono spesso necessario l’impie-
Il Bus Terminal Beckhoff è un concetto di periferia aperto
ed indipendente dal bus di campo, composto da terminali
elettronici
Con i Fieldbus Box,
Beckhoff ha portato
nell’automazione i
concetti dei Bus
Terminal ma con
grado di
protezione IP67
espansioni successive. Inoltre, la logistica e il personale
addetto all’assistenza tecnica vengono
sovraccaricati inutilmente. Il Bus Terminal Beckhoff è un concetto di periferica aperto ed indipendente dal bus di campo, composto da
terminali elettronici. La testina del terminale elettronico è
l’accoppiatore bus con interfaccia per il bus di campo specifico. Un accoppiatore bus può alimentare fino a 64 terminali elettronici per qualunque forma di segnale. Possono
essere creati vari gruppi di potenziale per sostituire completamente i terminali elettronici. In questo modo, è possibile strutturare il livello ingresso/uscita uniformemente
sulla base dei terminali elettronici, mantenendolo indipendente dal bus di campo.
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Motion Control
Il Motion Control Beckhoff completa la gamma di prodotti composta da PC industriali, componenti per bus di campo
e software PLC/CN/CNC e ne fa un sistema di automazione completo. I PC industriali di Beckhoff e il software
PLC/CN/CNC TwinCAT sono ottimali per operazioni di
posizionamento ad uno o più assi con esigenze altamente
dinamiche. I PC industriali con processori estremamente
veloci ed i moduli funzionali facenti parte del TwinCAT
NC sono in grado di svolgere pressoché qualsiasi operazioni di Motion Control. In particolar modo, la semplice programmazione dei componenti di movimentazione tramite
TwinCAT NC PTP (punto a punto), e l’interazione di PC
industriale e hardware di azionamento si sono affermati in
numerose applicazioni. La soluzione completa di Beckhoff
nel Motion Control è composta da servoamplificatori digitali compatti, servomotori sincroni, servomotori lineari ed
un’ampia gamma di accessori. I servomotori ed i servoamplificatori di Beckhoff formano sistemi di azionamento
efficienti ed altamente dinamici. Grazie alla grande quantiI Drive Beckhoff
consentono di
completare con
una gamma di
azionamenti,
motori
brushless e
motori lineari le
soluzioni
motion control
tà di interfacce bus di campo disponibili, dal Lightbus al
Profibus, dall’interfaccia CANopen al Sercos, gli azionamenti possono essere integrati anche in sistemi complessi.
Ethernet industriale
Sono state molteplici le considerazioni che anni fa hanno
portato all’introduzione dei sistemi di bus di campo: in
primo luogo l’obiettivo era quello di ridurre i costi di
cablaggio. Successivamente si è aggiunta la diagnostica di
sistema, semplificata grazie agli apparecchi di campo intelligenti, in grado di trasmettere messaggi di errore rapidamente ed in modo dettagliato. Infine, gli apparecchi di
campo con funzionalità di controllo sono stati predisposti
per l’elaborazione decentralizzata preventiva dei dati e per
operazioni di regolazione semplici, e sono stati impiegati
anche bus di campo per la comunicazione. Più di recente, è
stato proposto l’impiego della tecnologia Ethernet in alternativa ai tradizionali bus di campo. In occasione della fiera
industriale di Hannover di quest’anno, Beckhoff ha introdotto una soluzione Ethernet in tempo reale, denominata
EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology).
Le prestazioni eccellenti, il semplice cablaggio e la compatibilità con altri protocolli contraddistinguono EtherCAT.
Dove i comuni bus di campo trovano i loro limiti,
l’EtherCAT crea nuovi standard: 1000 I/O in 30 µs, a scelta con coppia intrecciata (twisted pair) o conduttore ottico,
assicurando nello stesso tempo un’ottima integrazione verticale grazie alle tecnologie Ethernet e Internet. Il sistema
EtherCAT apre nuove dimensioni nella comunicazione
industriale. Grazie ad essa, la complessa topologia a stella
di Ethernet può essere sostituita con una semplice struttura
lineare, facendo decadere la necessità di costosi compo-
Le tappe fondamentali
Beckhoff Industrie Elektronik, fondata nel 1980 dal 26enne fisico Hans Beckhoff, appartiene al gruppo Elektro Beckhoff GmbH. Il successo dell’azienda si basa sul continuo sviluppo di nuovi prodotti, con costanti investimenti in ricerca e sviluppo. Nel 1986 viene fornito il primo PC realtime. Beckhoff è uno dei pionieri di un nuovo modo di automazione che diventerà uno standard a livello mondiale. Nel 1987 viene introdotto il software S100 SPS/NC su PC, un sistema di azionamento DOS basato su software programmabile e con comandi real-time S1000. E’ del 1989 il
sistema Lightbus, uno dei primi sistemi fieldbus sul mercato. Veloce e sicuro, offre vantaggi come le alte velocità di trasmissione anche su grandi distanze. Il Lightbus è ancora utilizzato in molte applicazioni. Nel 1991 Beckhoff inizia a fornire PC industriali modulari in diverse forme costruttive e dotazioni. Nel 1993 avviene l’ulteriore sviluppo del software di automazione S1000, ora anche con funzionalità CNC: è il software S2000
PLC/NC/CNC su PC. Siamo al 1995, quando nasce Busklemmen, il sistema di I/O modulare. I moduli periferici Beckhoff rappresentano un sistema di I/O aperto e flessibile per tutti i fieldbus, sensori e attuatoriori. Con questa soluzione innovativa, Beckhoff diventa il precursore della tecnica di I/O. Il vasto assortimento di moduli elettronici copre tutti i canali di I/O richiesti nell’automazione - dal mondo digitale e analogico fino alle
interfacce seriali. Nel 1996, in aggiunta a quanto disponibile nel software S2000, segue un ulteriore sviluppo dei sistemi di azionamento e viene
introdotto il TwinCAT. TwinCAT trasforma qualsiasi PC in un sistema real-time con PLC IEC 61131-3, regolazione assi - CN e ambiente di programmazione. Nel 1998, Beckhoff reagisce al rapido sviluppo nel mercato dei PC, con nuovi PC industriali. Con la tecnologia di un unico CP-Link
è possibile installare a una distanza massima di 100 m un PC industriale e un pannello di controllo. Il mercato dei sistemi di I/O viene arricchito
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Continuità fino al Terminale
Ethernet
EtherCAT rappresenta la base per i nuovi sistemi di
automazione ultra-high-speed con una rete di
campo praticamente senza limiti di lunghezza
nenti di infrastruttura. A scelta l’EtherCAT può tuttavia
essere anche cablato nel modo ‘classico’, con switch, al
fine di integrare ulteriori utenti Ethernet. Dove altri sistemi
Ethernet in tempo reale richiedono particolari connessioni
nel controllo, per l’EtherCAT sono sufficienti economiche
schede Ethernet standard. Con la tecnologia EtherCAT,
Beckhoff supera le limitazioni di principio di altre soluzioni Ethernet: il pacchetto Ethernet non deve essere ricevuto,
interpretato e quindi copiato sotto forma di dati di processo in ogni connessione. La nuova Fmmu (Fieldbus
Memory Management Unit) in ogni terminale I/O legge
infatti i dati che le sono destinati, mentre il telegramma
passa attraverso il dispositivo. Anche i dati di ingresso vengono inseriti nel telegramma in fase di passaggio. Grazie a
questa soluzione, i telegrammi vengono ritardati di pochi
nanosecondi.
nel 1999 con moduli estremamente compatti e robusti. Stabili
e impenetrabili all’acqua e alla polvere, i Feldbus Box offrono
una protezione IP 67. Analogamente al sistema dei moduli
periferici, è possibile collegare i moduli Feldbus Box a tutti i
fieldbus e sensori/attuatori. Nel 2000, con un apposito
accoppiatore diventa possibile anche la trasmissione di dati
mediante Ethernet TCP/IP. Nel 2001 viene introdotta la serie
di apparecchi CX1000, PC industriali per guide profilate che
uniscono il meglio di due mondi (PC industriali e hardware
PLC). La serie è adatta per compiti di automazione di potenza intermedia. Il sistema modulare può essere introdotto dopo
l’impostazione del problema con gli elementi necessari. Nel
2002 viene fondata Beckhoff Automation che inizia nel
2003 le attività sul territorio italiano, sostituendo il precedente distributore. Infine, nel 2003 nasce EtherCAT (Ethernet per
tecnologia di controllo automatico), la rete Ethernet real-time
di Beckhoff: velocità ultraelevata fino ai Bus Terminal.
Dal punto di vista hardware, i nuovi terminali Ethernet del
tipo ELxxxx sono alloggiati nell’affidabile contenitore
modulare dei Bus Terminal. A differenza dei Bus Terminal,
decade in questo caso il Sub-Bus interno; il protocollo
Ethernet rimane invariato perfino nel singolo terminale
Ethernet. Solo la trasmissione viene commutata senza ritardi da twisted pair o conduttore ottico all’E-Bus nell’accoppiatore, per soddisfare le esigenze della morsettiera elettronica. La tecnologia Fmmu viene integrata nel controllo dal
driver per schede di rete TwinCAT. Questo si collega in
modo trasparente nel sistema e funge da driver di rete compatibile con il sistema operativo ed inoltre da scheda bus di
campo TwinCAT. Una prioritizzazione interna e dei buffer
assicurano che i frame Ethernet dal sistema in tempo reale
trovino una linea di trasmissione libera ogni qualvolta è il
loro turno. I frame Ethernet del sistema operativo vengono
trasmessi solo in un secondo momento, negli ‘intervalli’, se
c’è abbastanza tempo a disposizione. Dal punto di vista
della ricezione, tutti i frame Ethernet ricevuti vengono controllati dal sistema I/O TwinCAT e contemporaneamente
filtrati in tempo reale. Tutti gli altri frame vengono trasmessi al sistema operativo dopo il controllo e fuori dal
contesto di tempo reale.
Nuove dimensioni nella
comunicazione industriale
Dato che la funzionalità Ethernet del sistema operativo
rimane completamente intatta, tutti i protocolli conformi
con il sistema operativo possono essere gestiti in parallelo
sulla stessa rete fisica. Ciò vale sia per protocolli IT standard come TCP/IP, Http, FTP o Soap, sia praticamente per
tutti i protocolli Industrial Ethernet come Modbus TCP,
ProfiNet o EthernetIP. Il protocollo EtherCAT viene trasportato direttamente nel frame Ethernet. Può essere composto da più sottotelegrammi, ognuno dei quali serve un’area di memoria dell’immagine di processo logico, con una
grandezza massima di 4 Gbyte. In tal caso la sequenza dei
dati è indipendente dalla sequenza fisica dei Terminali
Ethernet nella rete; l’indirizzamento può avvenire a scelta.
Sono possibili il broadcast, il multicast e la comunicazione
trasversale tra slave. Con l’EtherCAT vengono raggiunte
nuove dimensioni per quanto concerne le prestazioni della
rete. Grazie alla Fmmu nel terminale ed all’accesso DMA
alla scheda di rete nel master, l’intera elaborazione dei protocolli avviene nel hardware ed è quindi completamente
indipendente dal tempo di esecuzione di stack di protocollo, dalle prestazioni della CPU o dall’implementazione
software. Il tempo di aggiornamento per 1000 I/O digitali
distribuiti su un numero qualsiasi di stazioni è di soli 30 µs
- incluso il tempo di esecuzione nei terminali.
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