AUTOMAZIONE I

1. AUTOMAZIONE I TECNOLOGIE INFORMATICHE IMPIEGATE NEI MES Redazione a cura dell'Ing. Letterio Zuccaro (zuccaro@dis.uniroma1.it)

2. STRUTTURA DEL NUCLEO TEMATICO ARCHITETTURA DI SISTEMA TECNOLOGIE INFORMATICHE • Metodi di acquisizione dei dati • Tecnologie dicomunicazione • Sistemi dimemorizzazione Richiami sui sistemi informativi aziendali I Manufacturing Execution Systems Funzioni primarie e di supporto dei MES Tecnologie informatiche impiegate nei MES Un esempio pratico: QCADOO MES

3. MESArchitettura di Sistema

4. Architettura del sistema L'architettura del sistema varia a seconda dello scenario applicativo nel quale il MES è impiegato. Rete di PC (LAN) Internet Singolo PC Architettura … … Impianti in stabilimenti diversi Un settore dell’impianto Tutto l’impianto Applicazione

5. Configurazioni del sistema Stampanti Stampanti Workstation Planning System MES Workstations … MES Macchine - Ordinidilavorazioneinseritida un operatoretramiteterminale - Setup macchine ad opera dipersonaleaddetto • Ordini di lavorazione gestiti da ERP/MRP • Setup macchine ad opera del MES mediante apposita interfaccia

6. MESTecnologie Informatiche

7. Requisiti • Logica “Plug and Play” • Capacità di supportare e integrare componenti hardware/software senza la necessità di riconfigurare o riprogrammare l’intero sistema • Scalabilità • Possibilità di scegliere le caratteristiche del sistema informatico secondo le esigenze: capacità di storage, dispositivisupportati (terminali, macchine, periferiche), capacità computazionali • Affidabilità • Sistema “fault-tolerant” in grado di rispondere a eventi inattesi • Capacità di Backup/Restore e Disaster Recovery

8. Raccoltadati Pochi sistemi informatici sono in grado di operare in modo molto efficace senza informazioni e i sistemi MES non sono da meno. Definizione: E’ la memorizzazionedielementiinformativiriguardantiuno o piùeventinelluogo in cui l’eventoavviene e contemporaneamente (o quasi) all’accadimentodell’evento Jonathan Cohen, 1994, ‘Automatic Identification and Data Collection Systems’ Fasi: Acquisizione Memorizzazione Comunicazione

9. Acquisizione Principio del Garbage In / Garbage Out Requisiti: Strumenti per la raccolta dati: I computer processano in modo acritico anche un insieme di dati in entrata palesemente insensati (Garbage In) producendo a loro volta un risultato insensato (Garbage Out) Disponibilità immediata (Rapidità) Accuratezza (Precisione) Qualità … Scanners dicodici a barre Trasmettitori in radio frequenza Programmable Logic Controllers

10. Lettoredicodici a barre Lo strumento più comune per raccogliere e collezionare dati • Economico • Rapido • Preciso • Pratico -Funzionamento Un dispositivo laser viene fatto passare di fronte alle barre del codice che, opportunamente illuminate, riflettono il segnale derivante dalla presenza di zone bianche e nere alternate. - Componenti Decoder Interfaccia PC Etichetta Lettore

11. Lettoredicodici a barre • Casi d’uso • identificazione di un pezzo o un articolo • invio di messaggi da una stazione di lavoro al sistema • Metodidiproduzionedelleetichette • Prestampate • Generate on-site

12. Riconoscimento vocale Uno strumento eccellente per raccogliere dati quando è richiesto l’interfacciamento umano consentendo al personale di compiere altre operazioni Componenti Terminali vocali - Caratteristiche Istruzioni con voce artificiale in risposta ad ogni richiesta Metodi sicuri per garantire l’accuratezza dei dati - Vantaggi Personale libero di svolgere altre funzioni Acquisizione dati immediata Accuratezza Cuffie e microfono wireless + base radio

13. Sistemi per il controllo dei dispositivi Sistemi che controllano le apparecchiature presenti nell’impianto, tipicamente costituiti da controllori logici programmabili (Programmable Logic Controller). PLC - Il PLC esegue un programma ed elabora i segnali digitali ed analogici provenienti da sensori e diretti agli attuatori presenti in un impianto industriale - Vantaggi: Garanzia di qualità dell’informazione Dati al tempo di esecuzione Informazioni dettagliate sullo stato delle apparecchiature • - Oggetto hardware componibile. • Caratteristica principale: robustezza • Posto in quadri elettrici in ambienti rumorosi, con molte interferenze elettriche, con temperature elevate o con grande umidità. • In funzione 24 ore su 24, per 365 giorni all'anno, su impianti che non possono fermarsi mai.

14. Touch screens Di grande ausilio quando il MES deve comunicare direttamente con il personale impiegato nell’impianto I terminali touch screen offrono un enorme vantaggio attraverso la loro capacità di inserire dati di input senza l’utilizzo di tastiera o scanner. Utilizzati per l’identificazione di oggetti Costituiti da telecamere che registrano fotogrammi Grazie alla elevata capacità di cattura (500 fps) permettono di rilevare e segnalare componenti difettose Sistemi visivi

15. Comunicazione Tipicamente, i MES si servono di retilocali (LAN) per connettere i dispositivi (macchine, PLC, dispositivi di acquisizione...) che sono collocati in un’area geografica limitata. Collegando uffici, sistemi informativi, impianti viene garantita la comunicazione in tutta l’azienda consentendo la trasmissione di dati ad ogni nodo della rete. Tipologie di trasmissione nelle reti Multicast Uno a molti Unicast uno a uno Broadcast Uno a tutti

16. Topologia delle reti LAN La topologia di una rete definisce la disposizione nello spazio e il conseguente funzionamento dei suoi diversi dispositivi. Rete a stella Ogni nodo è collegato ad un punto centrale (centrostella) Rete a bus Ogni nodo è collegato in modo lineare attraverso un cavo + difficile intercettare comunicazione + guasto nodo non compromette comunicazione - guasto centrostella sì - traffico elevato al centrostella • + guasto non compromette comunicazione • - ogni nodo può intercettare comunicazione • traffico elevato sul canale Rete ad anello Ogni nodo è collegato ad altri due formando un cerchio Rete mesh Non esiste infrastruttura, ogni nodo che fa parte della rete deve anche provvedere ad instradare i dati che non sono diretti a lui • + copre distanze maggiori • - guasto nodo compromette comunicazione • - ogni nodo può intercettare comunicazione • traffico elevato sulla rete + semplice da realizzare, estendibile - mezzo condiviso riduce la banda

17. Mezzitrasmissivi Wired vs Wireless Ingombro: • Wired: predisposizione tracce e canalette per la posa dei cavi e punti rete • Wireless: nessuna predisposizione o tracce Costi: • Wired: costosa predisposizione del cablaggio, costo contenuto dei dispositivi di rete. • Wireless: costo nullo del cablaggio, costi contenuti dei dispositivi di rete Efficienza: • Wired: velocità elevate, poco soggette a disturbi elettrici. • Wireless: velocità contenute, soggette a interferenze elettromagnetiche. Sicurezza: • Wired: sicurezza maggiore data dalla necessità di possedere accesso fisico alla struttura. • Wireless: livello di sicurezza inferiore (i dati vengono trasmessi in radiofrequenza). Il livello di accesso alla rete può però essere autenticato e crittografato.

18. Tecnologie implementative Standards IEEE 802 Ethernet 802.3 Protocollo più diffuso per reti LAN (90%) Architettura a bus Velocità di trasmissione 10/100/1000Mbps Protocollo CSMA/CD per rilevare collisioni Reti wired (cablate) • WiFi 802.11 Protocollo più diffuso per reti WLAN Opera su radio frequenze di 2.4/5Ghz Velocità di trasmissione 11/54/300Mbps Protocollo CSMA/CA per evitare collisioni Reti wireless

19. Gestione delle collisioni Una collisione si verifica nel momento in cui due o più dispositivi tentano di utilizzare contemporaneamete il canale (wired o wireless) Protocollo per l’accesso multiplo al canale CSMA Carrier Sense Multiple Access: Se il canale è libero, trasmetti l‘intero pacchetto. Se il canale sta già trasmettendo, aspetta. CD (Collision Detection) Se rilevi una collisione, ferma la trasmissione CA (Collision Avoidance) Usa procedura di backoff casuale per risolvere la contesa con altre stazioni che vogliono trasmettere allo scopo di evitare le collisioni “ascolta prima di trasmettere” Wired Wireless

20. Ethernet 802.3 Componenti • Cavo Formato dei dati I dati viaggiano organizzati in frame (trama) • Scheda di rete Indirizzo MAC (Media Access Control) Numero di 48 bit (6 byte) che identifica univocamente la scheda hardware Es. AB:CD:DE:EF:AA:BB Doppino telefonico Connettore RJ-45 Trasmissione - HalfDuplex - FullDuplex

21. LAN Ethernet Molto spesso una rete locale Ethernet si realizza avvalendosi di particolari dispositivi (hub o switch) da cui si dipartono i diversi collegamenti ai nodi. Uno switch si differenzia da un hub per le funzioni logiche che implementa, grazie alle quali è in grado di ottimizzare la banda disponibile e rendere più sicuri i collegamenti BUS Una LAN con hub o switch centrale ha topologia fisica a stella, ma topologia logica bus. Infatti è il dispositivo centrale (hub o switch) che funziona da bus cui sono collegate tutte le ramificazioni della rete.

22. WiFi 802.11 Componenti • Access Point Formato dei dati I dati viaggiano organizzati in frame Apposito servizio (integration) si occupa di convertite frame 802.11 in altri formati (ad es. Ethernet 802.3) • Schede wireless Indirizzo MAC 48 bit PCI USB Coordina l’accesso e lo scambio dei dati sul canale wireless

23. LAN WiFi (WLAN) Tipologie • Infrastuttura I terminali senza fili client si connettono ad un punto di accesso che coordina la comunicazione sul canale Topologia di rete: stella • Ad-Hoc I terminali senza fili client si connettono gli uni agli altri per costituire una rete peer to peer (P2P), nella quale ogni terminale ha allo stesso tempo il ruolo di client e di punto di accesso. Topologia di rete: mesh

24. Wireless in MES In ambito MES, si possono distinguere due tipologie di applicazioni chesfruttanotrasmissioni in radio frequenza Identificazione e tracking di oggetti e macchine tramite microchip Scambio di dati tra diverse postazioni dello stabilimento senza la necessità di cablare l’intero impianto

25. RFID Radio Frequency Identification = Identificazione in radio frequenza Tecnologia per l’identificazioneautomatica e la tracciabilita’ di prodotti, confezioni, scatole, container, ecc Il principio di funzionamento e’ quello di leggere tramite un segnale in radiofrequenza delle informazioni digitali memorizzate su un chip attaccato ai prodotti Funzioni di anticollisione (possibilità di leggere da più chip contemporaneamente) e autenticazione La lettura/scrittura avviene a distanza anche attraverso altri materiali Lavorano su frequenze di comunicazione diverse comprese fra i 125 KHz ed i 2,4GHz Il compito principale di un sistema RFID è di trasferire i dati nei chip e di recuperare i dati nei tempi e nei modi opportuni in modo da soddisfare particolari esigenze applicative

26. RFID Componenti: Tag: dispositivo elettronico che contiene le informazioni per l'identificazione. Il tag è costituito da un chip elettronico che contiene le informazioni e da una piccola antenna. Reader: apparato elettronico usato per interrogare il tag e ricevere le informazioni in risposta Antenna: collegata al reader, permette di trasmettere e ricevere le onde radio per la comunicazione tra il reader e il tag

27. RFID Tag I tag o transponder sono dei piccoli circuiti elettronici radiotrasmettitori: Tipologie: • Contengono un codice identificativo univoco impostato in fabbrica (EPC: Electronic Product Code) • Garantiscono funzioni di anticollisione • Disponibili in vari formati e supporti (ad es. smart label) Tag attivo Alimentato da una batteria interna Tempo medio di durata di una batteria 6/7 anni. Tag passivo Alimentazione fornita dal reader mediante accoppiamento induttivo I Tag passivi non hanno alcun bisogno di manutenzione e virtualmente hanno una durata illimitata. RO – sola lettura la tecnologia RFID è utilizzata come sostituto diretto della tecnologia del codice a barre. RW – lettura/scrittura la tecnologia RFID può essere utilizzata come una memoria di dati elettronica dinamica

28. RFID Collisioni Se più tag RFID sono nel campo d’azione del Reader è necessario che si accordino sul momento in cui trasmettere per evitare collisioni Procedure anticollisione TDMA-based (accesso multiplo a divisione di tempo) - Tree algorithm Discriminazione effettuata in maniera casuale Reader suddivide tags in sottoinsiemi Oggi sottoinsieme trasmette in slots temporali diversi Procedura ricorsiva, termina quando un solo tag trasmette - Query Tree Protocol Discriminazione mediante ID del tag Reader invia prefisso binario Tag risponde se l’ID presenta quel prefisso Procedua ricorsiva, termina quando un solo tag trasmette - ALOHA “Quando hai dati datrasmettere, trasmetti” Tags trasmettono in maniera indipendente Probabilità di successo = 18% Varianti: Slotted ALOHA Tags trasmettono all’inizio di un time-slot Probabità di successo raddoppia Tag-oriented Reader-oriented

29. RFID Scenari applicativi Identificazione ed inventario di materiali pesanti Bobine di carta, plastica, tubi, cordame ecc. che normalmente sono confezionati in bobine, possono essere identificati con un Tag. Vantaggi: identificazione senza bisogno di spostare i rotoli; possibilità di aggiornare le informazioni del contenuto man mano che parte di esso viene prelevato. Inventario e prelievo a magazzino Identificare ogni contenitore o ogni scaffale di magazzino con Tag riduce gli errori nei prelievi e migliora l’identificazione in ambienti polverosi. In questo caso i carrelli di prelievo montano a bordo un lettore con un’antenna che legge i codici autorizzando il prelievo ed aggiornando le quantità. Controllo sulle linee di produzione I Tag cheaccompagnanoun prodotto in corso di lavorazione su una linea di montaggio rappresentano veri e propri database ambulanti che possono essere letti e scritti L’aggiornamento dei dati mediante terminali portatili avviene in tempo reale e segue le fasi di lavorazione.

30. Barcode vs RFID

31. Memorizzazione Tipicamente tutta la mole di informazioni gestite dai MES (dati del processo produttivo, stato delle macchine, disponibilità di materiali, log di produzione....) è immagazzinata in basi di dati relazionali. Base di Dati Una base di dati è un insieme di dati correlati, organizzati in modo che possano essere manipolati e che possano evolvere nel tempo. Modello relazionale La struttura fondamentale e' appunto la relazione, cioe' una tabella bidimensionale costituita da righe (tuple) e colonne (attributi) Tale modello è il più diffuso dal momento che costituisce uno strumento efficace per rappresentare insiemi di dati fortemente legati tra di loro, (ad es. ai fornitori sono collegate le merci, al personale le stazioni di lavoro, ecc.)

32. DBMS (DataBase Management System) Il software che gestisce l’intero database, la struttura delle informazioni, le loro interazioni e gli strumenti di gestione, interrogazione, aggiornamento e visualizzazione dei dati. Servizi Persistent storage: come un file system, un DBMS permette la memorizzazione di grandi quantità di dati, ma garantisce una flessibilità molto più elevata Programming interface: permette agli utenti di accedere e modificare i dati attraverso un potente linguaggio di interrogazione (SQL) Transaction management: supporta l'accesso concorrente ai dati evitando conseguenze indesiderate dovute a crash del sistema o dell'applicazione DBMS comuni : MySQL, PostgreSQL, Oracle, MS Access

33. DBMS: Programming interface SQL - StructuredQueryLanguage Linguaggio standard per leggere, modificare e gestire dati memorizzati in un sistema di gestione di basi di dati relazionali Queries più comuni: Creazione DB CREATE DATABASE <NomeDB> Creazione Tabella CREATE TABLE <NomeTabella> (<NomeCampo1> <Tipo1> [NOT NULL], … <NomeCampoN> <TipoN> [NOT NULL]); Recupero informazioni SELECT <Campo1>, ... <CampoN> FROM <NomeTabella> [WHERE <Condizione>]; Inserimento entry INSERT INTO <NomeTabella> [(<Campo1>, … <CampoN>)] VALUES (<Valore1>, … <ValoreN>); Modifica entry UPDATE <NomeTabella> SET <Campo1> = <Valore1>, … , <CampoN> = <ValoreN> [WHERE <Condizione>]; Eliminazione entry DELETE FROM <NomeTabella> [WHERE <Condizione>];

34. DBMS: Transaction management Transazioni Unità elementari di lavoro sulla base di dati di cui si vogliono garantire proprietà di correttezza, robustezza e isolamento I DBMS prevedono meccanismi per gestire la definizione e l’esecuzione di transazioni Proprietà (ACID) Atomicità: ciascuna transazione è un’unità indivisibile di esecuzione Consistenza: l’esecuzione di una transazione non deve violare l’integrità della base di dati Isolamento: il risultato dell’esecuzione di una transazione deve essere indipendente dall’esecuzione di altre transazioni Persistenza (Durability): gli effetti dell’esecuzione di una transazione andata in commit non devono essere persi begin transaction X := X - 10; Y := Y + 10; commit work; end transaction Sintatticamente una transazione è inclusa tra i comandi begin transaction e end transaction; all’interno possono comparire i comandi di commit worke rollback work. committrasferisce gli effetti della transazione sulla base di dati rollback(abort) annulla gli effetti della transazione e lascia inalterata la base di dati Trasferimento di dieciunità da X a Y (es. Conti correnti)