automazione industriale 4- ingegneria del software · manutenzione) novembre 2010 4. ingegneria del...

Università degli Studidi Modena e Reggio Emilia

AutomationRobotics and

SystemCONTROL

Automazione Industriale4- Ingegneria del Software

Cesare Fantuzzi ([email protected])

Ingegneria MeccatronicaIngegneria della Gestione Industriale

AA 2010/2011

Strumenti per organizzare e strutturare un progetto

� Vari settore dell’ingegneria si basano sulla definizione di un modello del sistema da studiare e sviluppare.

� Metodi e processi sono stati sviluppati per questo:– Calcolo strutturale per edifici– Dimensionamento e disegno 3D di componenti

meccaniche

Novembre 2010

meccaniche– Modelli per lo sviluppo di sistemi software: Ingegneria del

Software.

24. Ingegneria del Software per l'Automazione

Ingegneria del Software

� Sviluppare un progetto attraverso la stesura di un modello dell’applicativo.

� Utilizzare il modello per individuare i punti critici dell’applicazione, per la discussione nel team di progetto e per la documentazione.

� Suddividere la complessita’ del progetto in sottomoduli

Novembre 2010

� Suddividere la complessita’ del progetto in sottomoduli


In definitiva:

Pensare prima di agire

Progettazione modulare� Per individuare i moduli in modo corretto occorre individuare le

entità che hanno un significato “per sé” nel sistema con cui il software interagisce.

� Occorre individuare quindi i componenti che hanno una precisa identità e una precisa responsabilità all’interno del sistema considerato.

� In altre parole occorre identificare le entità che possono

Novembre 2010 4

� In altre parole occorre identificare le entità che possono “sopravvivere” in autonomia una volta estratte dal sistema considerato.

� Nel corso dell’evoluzione dei metodi di progettazione software e dei linguaggi di programmazione, questo concetto ha portato alla definizione sul finire degli anni ’70 delle metodologie Object-Oriented (OO) per la progettazione del software,

� Nell’approccio OO, l’attenzione si sposta dalle “funzioni” agli “elementi” costitutivi del sistema da realizzare


Object – Oriented(orientamento agli oggetti)

� La programmazione orientata agli oggetti (OOP, Object Oriented Programming) è un paradigma di programmazione, che prevede di raggruppare in un'unica entità (la classe) sia – le strutture dati che – le procedure che operano su di esse, – le procedure che operano su di esse,

� creando per l'appunto un "oggetto" software dotato di proprietà (dati) e metodi (procedure) che operano sui dati dell'oggetto stesso.

Novembre 2010 4. Ingegneria del Software per l'Automazione

5

Object – Oriented(cont.)

� La programmazione orientata agli oggetti può essere vista come una modulazione di oggetti software sulla base degli oggetti del mondo reale.

� La modularizzazione di un programma viene realizzata progettando e realizzando il codice sotto forma di classi che interagiscono tra di loro. che interagiscono tra di loro.

� Un programma ideale, realizzato applicando i criteri dell'OOP, sarebbe completamente costituito da oggetti software (istanze di classi) che interagiscono gli uni con gli altri.

� Ref bibliografico sintetico:http://it.wikipedia.org/wiki/Programmazione_orientata_agli_

oggettiNovembre 2010 4. Ingegneria del Software per

l'Automazione6

I concetti chiave del “Object Oriented”

� Modularità.� Information Hiding.� Astrazione .� Identità e responsabilità .

Novembre 2010 7

� Riusabilità.


Software “Object Oriented”

Un metodo di progettazione Conduce alla

Novembre 2010 8

orientato agli oggetti programmazione modulare (di buona qualità)


Il Concetto di Oggetto

� Un oggetto è quindi un’entità a sè stante avente le caratteristiche di un “Centro di Servizi”, che incapsula informazioni e funzionalità disponibili a richiesta per gli altri oggetti.

� Il modo con cui le informazioni che l’oggetto contiene vengono elaborate è nascosto (privato)

� Le informazioni e le funzionalità sono accessibili dall’esterno solo attraverso una ben determinata interfaccia.

Novembre 2010 9

attraverso una ben determinata interfaccia.

Oggetto

Funzioni che agisconosull’oggetto

Funzioni di interfaccia

Parte nascostaParte visibile


Estensione dei linguaggi tradizionali in modo OO

� Una nota descrizione più sintetica di oggetto `e fornita da Grady Booch (uno dei padri dell’“OO Design”):

� “Un oggetto è un componente software che ha uno stato, un comportamento e una identità”

� In altre parole esso è costituito da

Novembre 2010 10

� In altre parole esso è costituito da – una struttura dati (che memorizza lo stato), – da delle operazioni (che determinano il comportamento) – ed è unico nel programma


Applicazione alle macchine“Oggetto Meccatronico”

� Un “Oggetto Meccatronico” implementa una funzione benprecisa all’interno della macchina (quindi è un “oggetto”) e ne rende disponibile l’uso a clienti esterni mediante interfaccie bendefinite.

� Un oggetto meccatronico è costituito da una parte meccanicaed una parte elettronica di controllo da progettarsi in modointegrato.integrato.


Novembre 2010 11

Modularità

� In generale, una macchina ha una struttura intrinsecamente modulare.

� I processi produttivi o di trasformazioni eseguiti dalle macchine automatiche sono tipicamente scomponibili in funzionalità elementari (sotto-processi)

� I sotto-processi sono eseguiti da parti ben precise della � I sotto-processi sono eseguiti da parti ben precise della macchina.

� La struttura modulare della macchina puo’ essere legata alla modularita’ del software.


12

Strutturazione modulare del software.

� MODULO: componente di un sistema caratterizzato da massima coesione interna e minimo accoppiamento esterno.

� In un contesto di software industriale possiamo dire che:


13

Un modulo è una parte di software dedicataal controllo di una parte ben definita di una

macchina automatica, che svolge un determinatosotto-processo produttivo, avente un numero

minimo di collegamenti con altre parti.

Obiettivi di progetto per il software di controllo

� Modularità : definizione di componenti software “interagenti”, ciascuno con proprie responsabilità di controllo

� Riusabilità : quella del modulo di controllo è strettamente legata a quella della parte di macchina controllata


14

controllata� Un modulo di automazione è un componente costituito

da:– una parte sofware (controllo logico + controllo

continuo)– una parte elettrica (sensori/attuatori)– una parte meccanica

Esempio: isola di foratura


15

Modularizzazione di un applicativo


16

Soluzione “Meccatronica”

Sistema fisico

Modulo ASupervisore

&

stop_rotate

FinishStart

Rotate

Start

Modulo CStart

Finish

Finish

Controllore


17

&

Modulo BStart

Modulo D

Finish

Finish

FinishStart

Libreria di moduli meccatronici

Start

Finish Finish

Start

Blocco funzionale tastatore Blocco funzionale foratura


18

Blocco funzionale evacuazione

Finish

StartStart

Finish

blocco funzionale controllo tavola

Aggiungiamo una nuova funzionalità


19

La qualità del software strutturato e modulare.

� Un software strutturato in moduli ha buone caratteristiche di qualità secondo i criteri visti. Infatti:– Ciascun modulo opera su una porzione di macchina e

vi sono poche interazioni fra diverse parti di programmi (facilità di verifica, incremento e manutenzione)


20

manutenzione)– Focalizzando un modulo è più facile capire il

funzionamento della macchina (un “pezzo” per volta) e “incapsulando” i dettagli implementativi di ciascun modulo è più facile la manutenzione del programma di controllo.

Come progettare in modo modulare?

� Occorre chiedersi:– Quali sono le parti della macchina che sono strettamente

legate fra di loro (dal punto vista del controllo)?– Posso isolare queste parti ed individuare delle funzioni

software a loro dedicate che non interagiscono con le


21

software a loro dedicate che non interagiscono con le altre?

– Posso, di contro, isolare delle “informazioni” di interfaccia fra tali funzioni?

Approccio alla modularizzazioneconcettuale

� La chiave consiste nell’isolare le azioni “finite” che la macchina esegue sul prodotto.– Nel caso in cui la produzione sia “sequenziale”

questa operazione è banale.� Una volta isolate tali azioni, ci si chiede quali

componenti fisici sono coinvolti nell’esecuzione di tali azioni


22

azioni� Se tali parti fisico–funzionali sono separabili, ci si chiede

quali funzioni di controllo occorre eseguire il sotto-processo produttivo..

� ... e quali debbono essere le interfacce con altre parti del progetto ...

� ... e se è possibile ridurre il numero di tali interazioni (valutare i “confini” del modulo).

Tipica architettura del sistema di controllo per l’automazione


23

Architettura modulare


24

Un oggetto Meccatronico


25

Un oggetto meccatronico


26

Un “oggetto” ha ...

� Stato : nella progettazione del controllo basata sullo stato, tale aspetto vieneenfatizzato, ponendo come principio base che lo stato del software di controllo sia consistente con quello di funzionamento dell’impianto (di un modulo dell’impianto

� Comportamento : il comportamento di un “oggetto software” è determinato dai suoi metodi, il comportamento di un modulo meccatronico è dato dalle azioni eseguite dalla parte fisica e controllate dalla parte software, richieste tramite i segnali


27

controllate dalla parte software, richieste tramite i segnali dell’interfaccia software del modulo

� Identità (...)� Tipo : ogni modulo meccatronico della macchina può essere

classificato secondo la necessaria astrazione, al fine di garantirne il riuso su diversi progetti o la “istanziazione” molteplice nello stesso progetto

Approccio ad “oggetti” per software industriale

� I concetti della progettazione orientata agli oggetti possono essere utilizzati per il progetto dell’automazione, anche se i linguaggi di programmazione di PLC e simili non sono propriamente OO (v. norma IEC 61131-3.)


28

OO (v. norma IEC 61131-3.)� Vantaggi:

– Modularità e scalabilità.– Riusabilità.

Come definire un “oggetto” in ambito industriale?

� La meccatronica:– Componenti elettromeccanici combinati a moduli di

controllo (hardware e software).– “Librerie” di moduli meccatronici riutilizzabili.– Sincronismo tra moduli tramite “segnali” (software) di


29

– Sincronismo tra moduli tramite “segnali” (software) di interfaccia.

Come implementare un “oggetto” in ambito industriale?

� Occorre un modulo software che abbia:– Stato interno, memorizzato in variabili private– Comportamento incapsulato in una parte di codice privata– Interfaccia “software” con gli altri moduli di controllo isolata

e ben definita


30

e ben definita– Interfaccia “hardware” con la parte fisica privata del

modulo meccatronico (parte pià critica dal punto di vista implementativo)

Programmazione controllori industriali: Normative

� Due standard internazionali:– Standard IEC 61131-3, pubblicato nel 1993, ampiamente

diuso e recepito dai costruttori di dispositivi per il controllo industriale.

– Standard IEC 61499, estende i concetti IEC 61131-3 ai


31

– Standard IEC 61499, estende i concetti IEC 61131-3 ai sistemi distribuiti, è ancora in fase di sviluppo, non esistono attualmente prodotti commerciali “maturi”.

Function Blocks: strumenti per l’implementazione

degli oggetti� • Il “Function Block” (FB) è un concetto definito dalla IEC

61131-3 (e fonda mentale per la IEC 61499) per la realizzazione di moduli software che eseguano determinate funzionalità, nascondendone l’implementazione.

� E’ caratterizzato da:


32

� E’ caratterizzato da:– Una interfaccia di parametri (segnali) di ingresso-

uscita.– Una struttura dati locale privata.– Un algoritmo interno, scritto in uno dei linguaggi IEC

(ma non solo).� E’ definito come tipo e utilizzato come istanza

(classe/oggetto).

automazione industriale 4- ingegneria del software · manutenzione) novembre 2010 4. ingegneria del...

Documents