La strumentazione intelligente

L'insieme dei componenti necessari al controllo dei singoli apparati, al coordinamento delle loro azioni di controllo, alla gestione delle modalità di intervento dei vari sottosistemi, è definito col generico termine di strumentazione.

Gli elementi che caratterizzano fondamentalmente la strumentazione sono:

• gli attuatori;

• i sensori (e trasduttori);

• le reti di comunicazione;

• i dispositivi di elaborazione dedicati all'impianto.

Quando il sistema di produzione diviene molto complesso, in base alle specifiche desiderate di alta qualità di prestazioni, si vuole acquisire, trattare e controllare un gran numero di variabili facendo uso di strumenti capaci di svolgere queste funzioni nonché quelle di sorveglianza e di supervisione. Sono strumenti dotati di una intelligenza propria con la quale sono anche in grado di determinare la presenza di malfunzionamenti e di correggerli (ciò viene indicato col termine inglese fault diagnosis o fault detection), e sono in grado soprattutto di scambiare informazioni con altri dispositivi anch'essi dotati di intelligenza locale.

Si parla allora di strumentazione intelligente, con la quale si ha una decentralizzazione dell'intelligenza, e quindi del controllo. Parlando di strumentazione intelligente ci si riferisce generalmente agli strumenti di campo che sono i sensori e gli attuatori.

Le strategie industriali attuali mirano a

• migliorare la qualità;

• accrescere la sicurezza di funzionamento;

• aumentare la velocità di produzione.

Per soddisfare a questa triplice esigenza tutte le azioni sul processo sono eseguite in base ad una presa di decisione, conseguenza di una analisi basata su una raccolta di dati che influiscono sulle condizioni di gestione del sistema di produzione.

Si esegue così il ciclo di attività: MISURARE-DECIDERE-AGIRE.

A queste attività va aggiunta l'attività COMUNICARE con la quale i vari strumenti, e a maggior ragione gli strumenti intelligenti, si scambiano le informazioni.

La strumentazione intelligente è uno dei frutti dell'innovamento tecnologico nel campo dell'elettronica e dell'informatica, che ha portato la diffusione di dispositivi di elaborazione quali microcontroller, microcomputer, DSP (Digital Signal Processing), molto potenti e a basso costo. In questo innovamento è molto importante lo sviluppo della tecnologia digitale grazie alla quale è possibile dotare uno strumento, che diventa uno strumento digitale, delle seguenti caratteristiche:

• una certa memoria in cui vengono immagazzinati dati di variabili significative;

• uno speciale organo di calcolo (CPU) che elabora questi ed altri eventuali dati provenienti direttamente dall'esterno;

• delle interfacce di ingresso e di uscita con cui lo strumento può comunicare con gli altri componenti del sistema.

Lo strumento intelligente ha capacità di trasmettere e anche di ricevere i messaggi utili, ossia esso è dotato di una capacità di comunicazione bidirezionale. Un tale strumento è intelligente perchè è capace di decidere come agire, o non agire, in base ad informazioni che riceve dall'esterno. È allora importante dotarlo di un software che realizzi la sua intelligenza, tenendo conto della particolare installazione su cui è applicato e delle particolari funzionalità che è chiamato a svolgere.

All'interno di un sistema automatico di produzione ad intelligenza distribuita esistono molti strumenti intelligenti che comunicano fra loro ed interagiscono per raggiungere gli obiettivi prestabiliti.

Ciò significa che deve esserci l'interoperabilità fra gli strumenti.

A tal fine è necessario munire il sistema di una rete di comunicazione normalizzata (i fieldbus, quali PROFIBUS, MODBUS, …; le reti HDLC, ...) rispetto alle diverse case costruttrici, cioè di una rete detta rete aperta (la rete non standardizzata è detta rete proprietaria, o rete chiusa).

Una rete aperta permette la comunicazione e l'interoperabilità fra strumenti di diversa origine grazie all'esistenza di un protocollo di comunicazione comune, non necessario nel caso di strumenti classici non dotati della possibilità di comunicazione bidirezionale.

Ma la standardizzazione delle reti di comunicazione è ancora in fase di sviluppo e questo è il maggior freno alla diffusione della strumentazione di tipo intelligente.

L'ottenimento dell'interoperabilità è intimamente legato all'esistenza di reti aperte.

Si devono precisare i servizi attesi da uno strumento intelligente e definire la semantica e la sintassi di un linguaggio di interoperabilità.

Da qui si può allora ottenere anche l'intercambiabilità, per cui uno strumento può essere sostituito da uno dello stesso tipo ma di costruttori diversi.

È importante anche che ci sia la compatibilità, secondo cui uno strumento della generazione n può essere sostituito da uno della generazione n +1 (ma non viceversa).

Lo strumento intelligente è connesso con un gran numero di sorgenti di informazione.

L'insieme di variabili misurate, che vengono opportunamente memorizzate, costituiscono una base di dati locale che può essere usata sia per generare l'opportuno comando, sia per generare gli algoritmi di controllo, di stima, di generazione di informazione sintetica, facendo uso della intelligenza locale.

Il poter generare delle informazioni più sintetiche, grazie alla maggiore potenza di trattamento dei dati di cui è dotato lo strumento intelligente, riduce il traffico di dati in rete.

La distribuzione dell'intelligenza all'interno di un sistema impone varie strutture locali di acquisizione di informazione, il che dà problemi di coerenza fra le variabili a cui si presta attenzione. Si ha incoerenza quando:

• una stessa variabile, nello stesso momento, è presentata dai suoi diversi produttori con diversi valori;

• uno stesso dato disponibile e utilizzato in diverse parti del sistema, risulta di un valore diverso in qualcuna di queste.

A causa di questo problema l'intelligenza dello strumento deve essere dotata di algoritmi di sorveglianza e di validazione che sappiano rendere plausibile il valore di una variabile misurata. Esiste così una base di dati grezzi contenente l'insieme di informazioni direttamente uscenti dall'interfaccia d'ingresso dello strumento. Su questa base di dati l'algoritmo di sorveglianza opera rilevando e correggendo eventuali errori, così da convalidare i dati ricevuti.

Una volta convalidati, i dati vengono immagazzinati nella base di dati validata che costituisce l'insieme di dati effettivamente utilizzabili.

Come detto, lo sviluppo della strumentazione intelligente è dovuto a quello dell'elettronica e dell'informatica che ha reso possibile lo sviluppo della tecnica digitale anche a livello degli strumenti di campo, quali sono i sensori e gli attuatori. Solo grazie a questa tecnica esistono i mezzi per memorizzare dati, trattarli opportunamente e comunicarli ad altri sistemi.

In tecnica digitale gli effetti dannosi delle perturbazioni del segnale sono molto ridotti, per cui si ha una maggiore precisione. In un segnale numerico la rilevazione e correzione di errori è facile usando opportuni codici.

Se si vuole una trasmissione sequenziale di più segnali, è molto facile effettuare su di essi una operazione di "multiplexaggio", e far viaggiare su uno stesso mezzo più messaggi simultaneamente.

Con strumenti analogici questo non è possibile o è molto difficile.

Inoltre nel mondo analogico si ha la degradazione del segnale tanto più quanto più il sistema diventa complesso, cosa che non si verifica nel numerico, in cui però si può avere eventuale perdita di informazione dovuta alla frequenza di campionamento (se non si rispetta il teorema del campionamento). In tecnica digitale è molto facile immagazzinare informazioni, e si ha un consumo di energia molto inferiore rispetto all'analogico.

Usando a livello di campo strumenti convenzionali è necessario, a livello più alto nella gerarchia del sistema automatizzato di produzione, un calcolatore centralizzato che svolga tutte le funzioni di coordinamento e di conduzione dei dispositivi a livello inferiore. Questi ultimi non si scambiano informazioni in maniera diretta, ma sempre tramite il calcolatore centrale in cui risiede l'intelligenza capace di decidere le funzioni da far compiere agli strumenti di campo. Dunque a livello 0, quello dei sensori e degli attuatori, sono possibili solo le funzioni di percezione e di azione rispettivamente. A livello 1, quello degli automatismi, c'è un dispositivo di elaborazione che riceve le informazioni dai sensori, le tratta opportunamente, e decide le azioni da compiere sul processo tramite gli attuatori.

Se invece si usano gli strumenti intelligenti, molte funzioni assolte dal calcolatore centrale, soprattutto quelle relative alla decisione, possono essere distribuite fra di essi, i quali comunicano in modo diretto, godendo della proprietà di interoperabilità.

Ora a livello di campo sono possibili le funzioni di percezione, di azione, di trattamento, e di decisione, ed è necessaria una interfaccia Uomo/Macchina per poter configurare i sensori e gli attuatori.

A causa della decentralizzazione dei trattamenti e delle decisioni, non si ha un segnale di temporizzazione unico, né una memoria unica come in un sistema centralizzato, per cui occorrono delle funzioni che risolvano i problemi di incoerenza dei dati acquisiti.

L'intelligenza di una entità si manifesta nella capacità di raggiungere un certo obiettivo in un ambiente dato, e di saper decidere come meglio adattarsi alle variazioni delle condizioni ambientali in vista dello stesso obbiettivo.

Uno strumento intelligente deve avere la capacità di poter acquisire informazioni, validarle, trattarle, decidere le informazioni da comunicare ad altri dispositivi, riflettere sugli eventi passati per poter decidere gli eventi futuri. Esso deve essere capace di conoscere l'ambiente, in base al quale deve saper prendere delle decisioni e quindi controllare le sue azioni.

Essenziale per l'intelligenza è la comunicazione, con cui viene modificata e aggiornata la conoscenza dell'ambiente.

Per far avvenire la comunicazione è necessario che i messaggi siano opportunamente codificati secondo un linguaggio comprensibile da tutti gli interlocutori; allora l'informazione deve essere codificata, spedita, ricevuta, decodificata e compresa. Il sistema deve essere dotato di risorse che gli permettano di ricevere, interpretare e comprendere i messaggi, e di risorse necessarie per spedirli.

Un sistema automatizzato di produzione deve sempre tenere presente gli obiettivi da raggiungere che sono:

• alta qualità di prestazioni;

• alta produttività;

• basso costo.

Inoltre deve garantire condizioni di sicurezza all'impianto in generale e agli operatori, e una certa velocità di rilevamento e riparazione dei guasti. La strumentazione intelligente è un ottimo mezzo per raggiungere questi scopi, ma per usarla è necessaria una rete di comunicazione di tipo aperto