NI LabVIEW Datalogging and Supervisory Control Toolset per la didattica dei sistemi SCADA/HMI

Author(s):
F. Adamo - POLITECNICO DI BARI
F. Attivissimo - POLITECNICO DI BARI
N. Giaquinto - POLITECNICO DI BARI
G. Cavone - POLITECNICO DI BARI

Industry:
University/Education

Products:
LabVIEW, Datalogging and Supervisory Control

The Challenge:
Realizzare una simulazione quanto più realistica possibile di un tipico impianto industriale che potesse essere utilizzato dagli studenti di diversi corsi di livello universitario per realizzare applicazioni SCADA/HMI di base.

The Solution:
Uso di NI LabVIEW e dell’associato toolset Datalogging and Superviroy Control (DSC) per l’accurata simulazione del funzionamento dell’impianto consente agli studenti di realizzare diverse applicazioni SCADA/HMI per il controllo/supervisione di diverse grandezze fisiche. Nelle applicazioni più semplici sia l’applicazione SCADA/HMI sia l’algoritmo di controllo sono codificati utilizzando NI LabVIEW; in applicazioni più avanzate NI LabVIEW è utilizzato esclusivamente per la realizzazione dell’interfaccia utente (HMI) mentre il programma di controllo è codificato in ladder ed è eseguito da un PLC virtuale emulato via software.

In questo articolo si illustra la strategia utilizzata in diversi corsi afferenti al settore disciplinare Misure Elettriche ed Elettroniche del Dipartimento di Elettrotecnica ed Elettronica (DEE) del Politecnico di Bari per la verifica in laboratorio dei concetti connessi ai moderni sistemi di automazione industriale distribuita. La realizzazione di una sofisticata simulazione software basata sulla tecnologia VI Server proprietaria National Instruments ha consentito di simulare molto realisticamente un tipico impianto industriale con varie grandezze controllabili.
L’insegnamento dei complessi concetti connessi all’automazione industriale distribuita, soprattutto in corsi di livello universitario, non può, a parere degli autori, prescindere da una adeguata attività di verifica sperimentale di laboratorio; tuttavia il sempre più elevato affollamento dei corsi universitari e le sempre più scarse risorse economiche ad essi destinate, pongono dei seri problemi nell’allestimento di postazioni di lavoro adeguatamente attrezzate. L’elevato costo dell’hardware e del software specifico per l’automazione industriale e l’assenza di adeguate politiche commerciali da parte dei rispettivi produttori che favoriscano gli Enti di istruzione secondaria e universitaria nell’accesso a questi prodotti fa il resto; mediamente l’allestimento di una sola postazione di lavoro attrezzata con un PLC anche di caratteristiche non avanzate, un PC dotato di software per l’implementazione di applicazioni SCADA/HMI con le relative soluzioni di connettività all’hardware di campo non ha costi inferiori a diverse migliaia di euro.
Di fronte a simili problematiche il ricorso alla simulazione software sembra essere una delle poche soluzioni disponibili ma costituisce anche un’arma a doppio taglio; infatti se da un lato si possono abbattere i costi in maniera considerevole, dall’altro si corre il serio rischio di porre gli studenti in condizioni di lavoro talmente lontane dalla realtà applicativa da rendere il tutto assolutamente privo di qualsiasi utilità per la loro formazione.
Simili problematiche hanno spinto gli autori a intraprendere lo sviluppo di un simulatore software di caratteristiche avanzate, tali da far rimpiangere poco o niente l’assenza di un PLC e di un impianto reali; tale simulatore trae vantaggio dalle caratteristiche avanzate di NI LabVIEW e dalla disponibilità del toolset aggiuntivo Datalogging and Supervisory Control (DSC) che consente di estendere la ben nota flessibilità e semplicità di programmazione del primo anche alla realizzazione di sofisticate applicazioni SCADA/HMI.
Il simulatore realizzato, denominato Virtual Tank, è interamente sviluppato in NI LabVIEW ed implementato utilizzando la tecnologia software VI Server proprietaria National Instruments; esso simula fin nel più piccolo dettaglio il funzionamento di un tipico impianto industriale costituito da un serbatoio di caratteristiche geometriche e fisiche completamente configurabili; il serbatoio è inoltre dotato di:
• due condotte di adduzione/prelievo di liquido che consentono di riempirlo/svuotarlo a piacimento;
• una pompa a controllo on/off;
• due valvole a controllo proporzionale per la regolazione del flusso di liquido immesso/prelevato;
• due trasduttori di flusso ad uscita proporzionale disposte sulle due condotte;
• uno scambiatore di calore a controllo proporzionale per riscaldare/raffreddare il liquido;
• un trasduttore di livello ad uscita proporzionale.

Tutte le caratteristiche dei sensori e degli attuatori sono liberamente configurabili dal docente: dimensioni e caratteristiche termiche del serbatoio, capacità termica del liquido in esso contenuto, portata della pompa, fondo scala e tipo di uscita/ingresso dei sensori/attuatori.
La disponibilità di tanti elementi di sensing/attuazione consente di proporre agli studenti numerose esercitazioni di controllo supervisione di una o più delle variabili di processo disponibili (livello, temperatura, portata, ecc.). Virtual Tank è un server di dati opportunamente registrato sui PC di laboratorio a disposizione degli studenti e la sua esecuzione è ad essi completamente trasparente; nessuna operazione deve essere eseguita da questi ultimi per la realizzazione delle esercitazioni. Il pannello frontale di Virtual Tank (riprodotto in Figura 1) è visualizzabile a run time ma ciò è utile solo a fini di debug delle applicazioni SCADA/HMI realizzate dagli studenti. I valori correnti delle variabili di campo sono accessibili in lettura (sensori) o scrittura (attuatori) mediante altrettante tag appositamente definite utilizzando il Tag Configuration Editor, una delle utility disponibili in NI LabVIEW dopo l’installazione del DSC.
In funzione del grado di complessità delle esercitazioni che si vogliono proporre agli studenti, è possibile utilizzare Virtual Tank e NI LabVIEW in diversi modi; nelle esercitazioni più semplici NI LabVIEW è utilizzato sia per la codifica della pura porzione SCADA/HMI (raccolta dati e interfaccia operatore) sia per la codifica dell’algoritmo di controllo delle variabili di processo scelte. In questo caso gli studenti lavorano esclusivamente allo sviluppo di un VI NI LabVIEW utilizzando un VI Template già disponibile che ha il solo scopo di avviare e terminare correttamente il Tag Engine del DSC. Nelle esercitazioni più complesse, invece, NI LabVIEW è utilizzato esclusivamente per la codifica della porzione SCADA/HMI dell’applicazione di supervisione e controllo; l’algoritmo di controllo è invece implementato in linguaggio LADDER, utilizzando i tool software RSLogix della Rockwell Automation per i PLC Allen-Bradley della famiglia SLC500. In particolare le operazioni di sviluppo e debugging dei programmi LADDER sono realizzate utilizzando l’ambiente di editing RSLogix 500 e l’esecuzione è invece garantita dall’emulatore software RSLogix Emulate 500; le comunicazioni tra quest’ultimo, Virtual Tank ed il VI NI LabVIEW sono gestite da un lato dal Tag Engine del DSC e dall’altro dall’ulteriore software RSLinx in versione OEM (quest’ultimo è il gestore delle comunicazioni tra il PC ed i PLC Allen-Bradley, e funziona egregiamente anche per i PLC emulati via software da RSLogix Emulate).
Tra i numerosi PLC disponibili sul mercato gli autori hanno optato per gli SLC500 della Allen-Bradley date le superiori caratteristiche del software di sviluppo ad essi associato e la notevole chiarezza e semplicità d’uso del relativo linguaggio LADDER; tuttavia con poche semplici operazioni di riconfigurazione è comunque possibile sostituire questi tool con altri anche di diverso produttore, purché dotati di adeguate capacità di connettività.
La Figura 2 riproduce il pannello frontale di una applicazione SCADA/HMI avanzata realizzata con NI LabVIEW e RSLogix 500; essa implementa il controllo contemporaneo di livello del liquido del serbatoio (algoritmo on-off) e della sua temperatura (algoritmo proporzionale). Le due manopole poste in basso a sinistra del pannello frontale, agendo su apposite tag, consentono di perturbare lo stato del sistema prelevando o immettendo nel serbatoio del liquido per testare l’effettivo funzionamento dell’algoritmo di controllo. Nel caso di Figura 2 il block diagram del VI NI LabVIEW si riduce ad una lettura ciclica dei valori delle tag corrispondenti ai sensori di livello e di flusso; i controlli di livello e temperatura sono invece realizzati mediante un apposito programma codificato in LADDER.
Virtual Tank è stato sviluppato diversi anni fa e progressivamente affinato per migliorarne il comportamento; esso è stato utilizzato con successo per le esercitazioni di laboratorio in svariati corsi tenuti dagli autori presso il Dipartimento di Elettrotecnica ed Elettronica del Politecnico di Bari in diversi anni accademici. L’idea che sta alla sua base può essere senz’altro riutilizzata per la codifica di VI Server di simulazione di altre tipologie di impianti.

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F. Adamo
POLITECNICO DI BARI
Tel: 080596/3318-3214
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