Collaudo virtuale di macchine automatiche

Il Collaudo Virtuale consente di risolvere prima i problemi di integrazione tra le diverse tecnologie cooperanti in una macchina automatica basandosi su un Prototipo Virtuale realizzato in un ambiente CAD 3D evoluto.

Autori: Alberto Vergnano, Università di Modena e Reggio Emilia - Luca Goldoni, Consorzio LIAM
Articolo pubblicato su Automazione Integrata, Maggio 2012

Processo di sviluppo di macchine automatiche

Le moderne macchine automatiche sono complessi sistemi meccatronici le cui prestazioni finali dipendono pesantemente dall’interazione sinergica tra i gruppi meccanici e le logiche di controllo che li governano e coordinano. Lo sviluppo di una macchina automatica coinvolge pertanto molti progettisti con diverse competenze tecniche, che devono però seguire processi sequenziali e separati, utilizzando strumenti di progettazione specializzati. Quindi l'integrazione tra comportamenti meccanici e logiche di controllo viene conseguita con la risoluzione dei problemi in fase di collaudo della macchina in officina. In questa fase possono emergere diversi problemi che portano a ritardi di consegna, maggiori costi e prestazioni non ottimizzate.

In particolare il software di controllo è determinante per le prestazioni finali di una macchina automatica, tuttavia la sua progettazione ed il suo debug avvengono prevalentemente sul prototipo fisico, quando eventuali problemi, necessità e opportunità di modifica comportano tempi e costi molto elevati.

I cicli di lavoro vengono spesso definiti dall'ingegneria meccanica, le cui soluzioni progettuali vengono per lo più sviluppate considerando il comportamento nominale dei singoli meccanismi della macchina. Scenari che includono variazioni delle condizioni operative, transitori o errori vengono valutati con molta difficoltà. Le stesse simulazioni meccaniche non comprendono il comportamento delle logiche di controllo, che possono modificare pesantemente il comportamento dei moduli e del sistema intero.

Le prestazioni della macchina, a partire dagli stessi tempi ciclo e dalla produttività, vengono stimate con una certa approssimazione, e poi verificate solo nelle fasi di collaudo. Questo modo di procedere lascia molte incertezze nel processo di progettazione, che può trovarsi di fronte ad ostacoli inaspettati per il successo dell'iniziativa aziendale.

L'obiettivo della ricerca è quello di integrare le diverse fasi di sviluppo attraverso un Collaudo Virtuale, che consiste nella verifica e nella messa a punto delle prestazioni della macchina tramite la predisposizione di un Prototipo Virtuale in cui sono integrate la meccanica ed il software di controllo. In questo modo le diverse aree dell'ingegneria potranno confrontarsi, sviluppare ed ottimizzare congiuntamente le diverse soluzioni tecniche prima di ricorrere ad un prototipo fisico.

Sviluppo di Prototipi Virtuali per il Collaudo Virtuale

Questa attività di ricerca intende realizzare una tecnologia abilitante di Collaudo Virtuale attraverso l’impiego di un Prototipo Virtuale. La prima fase della ricerca consiste nell’analisi dello stato dell’arte e sviluppo di un metodo di Collaudo Virtuale. Questa fase prevede l’approfondimento delle problematiche da affrontare in relazione agli specifici processi di sviluppo delle macchine automatiche per il packaging delle aziende del laboratorio LIAM.

Il Collaudo Virtuale è una nuova attività da integrare nei processi aziendali di progettazione. Per fornire un supporto efficace al processo di collaudo, il Prototipo Virtuale dev'essere realizzato in un ambiente avanzato CAD 3D, sia per interfacciarsi con gli strumenti di progettazione meccanica con l'integrazione di tecniche di modellazione multifisica dei comportamenti di apparati, attuatori e sensori, sia per riprodurre la necessaria interattività con la macchina durante lo sviluppo ed il debug del software di controllo IEC 61131.

Vi sono diversi possibili approcci all’integrazione del sistema di controllo con il modello comportamentale della macchina. Per quanto riguarda le macchine automatiche non sembra al momento conveniente prescindere dagli strumenti proprietari di configurazione e sviluppo del software, nonchè dal reale funzionamento dell’hardware dei sistemi di controllo. La simulazione interattiva viene pertanto realizzata con un approccio Hardware in the Loop, in cui la reale CPU di controllo viene collegata tramite un cablaggio virtuale con il modello della simulazione.

Si stanno sviluppando sistemi di simulazione sia Hard Real Time che Virtual Time. Nel primo caso, spesso preferibile, possono risultare critici il cycle time della comunicazione e le dimensioni del modello. Il secondo

caso è adatto per quei sistemi PC based che consentono di rallentare il controllore reale. In entrambi i casi sono state sviluppate interfacce di comunicazione e protocolli di sincronizzazione ad hoc.

A differenza di una simulazione meccanica tradizionale, un prototipo virtuale viene eseguito a ciclo continuo, a partire dall’avviamento meccanico ed elettrico e per tutti gli scenari operativi nominali e non. Di fondamentale importanza sono le modalità di transizione tra i diversi scenari. Un prototipo virtuale inoltre deve disporre di tutto quanto necessario all’interazione con il software di controllo reale. In particolare i diversi controlli di consistenza rendono spesso necessaria la modellazione dell’intera macchina, portando a modelli di notevoli dimensioni il cui peso computazionale deve essere ottimizzato.

Una seconda fase prevede lo sviluppo e poi l’aggiornamento di librerie di componenti e moduli per prototipi virtuali riutilizzabili, al fine di rendere il Collaudo Virtuale un'attività compatibile con le tempistiche aziendali. In particolare diventa importante il concetto di scalabilità del modello per cui, a seconda della fase di avanzamento del progetto e a seconda del modulo considerato, si definiscono diversi livelli di approfondimento, a partire da un comportamento nominale fino a considerare errori e fenomeni sempre più approfonditi.

Nella creazione dei moduli si integrano talvolta altri strumenti di modellazione multifisica e progettazione integrata più specializzati, per riutilizzare diversi ambiti di conoscienza verticali, come nel caso del motion control, e quindi ottenere un maggiore livello di dettaglio ove necessario.

Infine nella terza fase si costruirà un prototipo di una macchina automatica governato dalle reali logiche di controllo. Il metodo e le tecniche sviluppate saranno quindi sperimentate su una macchina del settore farmaceutico, scelta come caso studio, ed i risultati saranno a disposizione dei partecipanti al LIAM per una valutazione approfondita.

Grazie al Collaudo Virtuale i modelli creati dai progettisti meccanici possono essere arricchiti da complesse logiche di funzionamento e non è necessario aspettare l’implementazione del software di controllo sulla macchina reale per verificare anche solo i cicli e i tempi ciclo. Su un prototipo virtuale si possono verificare interattivamente e razionalizzare le scelte progettuali per conseguire migliori prestazioni ed incrementate doti di flessibilità e robustezza operativa.

I modelli virtuali abilitano anche una migliore formalizzazione dei principi di funzionamento e delle specifiche di progetto, fondamentali per l’implementazione delle logiche di controllo. I progettisti software possono anticipare le fasi di sviluppo e debug, affrontandole a diversi livelli di dettaglio. A seconda della fase di avanzamento del dettaglio del prototipo è, infatti, possibile testare le logiche di controllo, i movimenti e i sincronismi, fino alle dinamiche elettriche e meccaniche, agli scenari non nominali e alle funzioni ausiliarie di homing, emergenza e ripristino.

Grazie al collaudo virtuale è possibile sviluppare procedure per l’ottimizzazione della produttività finale, anche in condizioni degradate e di produzione flessibile, e delle strategie di sensorizzazione ed attuazione. Si disporrà quindi in conclusione di una piattaforma tecnologica su cui validare le logiche di controllo IEC 61131 ed ottimizzare le prestazioni finali della macchina automatica simulandone il comportamento prima dell’effettiva costruzione, favorendo una progettazione integrata di soluzioni tecnologiche innovative.