SoC Fpga per l’Industry 4.0

Fin dall’inizio, la storia dei Plc è stata caratterizzata da un’evoluzione che li ha trasformati da semplici controllori input-output a veri e propri sistemi a processore, in grado di eseguire algoritmi di controllo di elevata complessità. Anche la loro forma è stata oggetto di notevoli cambiamenti: da Pc industriali e Pac (Programmable automation controllers) a modelli simil-Pc di dimensioni compatte e mini Plc. La stessa essenza della funzionalità tipica dei Plc si è trasformata, aggiungendo alle semplici funzioni di controllo altre funzionalità aggiuntive, quali interfaccia uomo-macchina, controllo movimento, Ethernet industriale real-time, e data communication gateway. Un processo di evoluzione sicuramente favorito dalla progressiva riduzione del costo dei componenti e dalla disponibilità di elaboratori con prestazioni sempre più alte. In generale, si può dire che l’incremento di funzionalità dei Plc ha seguito l’andamento delle curve di domanda relative a caratteristiche, prestazioni e riduzione di consumi che ha caratterizzato il settore dell’automazione industriale. Risulta quindi evidente che l’Industry 4.0 e l’IoT sono i motori che in grande misura determineranno le architetture future dei Plc.

Motion-Plc: la storia

Per comprendere gli effetti delle tendenze di mercato sulla architettura dei Plc, è utile considerare come i motion-Plc hanno pilotato le esigenze in termini di prestazioni e, quindi, l’architettura. Nel corso degli ultimi 10-15 anni le macchine per automazione industriale sono state caratterizzate da una progressiva e importante crescita del numero degli assi da controllare. La Fig. 1 rappresenta, in questo contesto, l’incremento del carico della Cpu. In un contesto di controllo centralizzato, in cui il controllore principale gestisce i loop di reazione, tutti gli assi (e tutti gli altri I/O discreti) si ripartiscono l’intera capacità elaborativa, limitando i livelli di performance e flessibilità. L’aumento del numero di assi richiede cicli di aggiornamento più rapidi e rende quindi necessario l’impiego di processori più veloci, più costosi e di maggior consumo.

Vincoli dimensionali ed energetici

Con la crescita dell’importanza di fattori come il risparmio energetico e di spazio, le schede dalle dimensioni più ingombranti e le architetture basate su multi-processori sono state abbandonate per tornare al controllo centralizzato. Tuttavia, nonostante il superamento dei problemi relativi allo spazio e ai costi, si rendevano necessarie nuove tecnologie in grado di aggirare il collo di bottiglia prestazionale dei singoli processori, che in un primo tempo aveva portato alla scelta della architettura distribuita.

Architettura Plc ibrida: processori ed Fpga

I costruttori tentarono quindi di affrontare il problema della performance con un nuovo approccio: combinando processori ed Fpga. Ai processori venivano affidate le funzioni standard di controllo (principalmente di gateway e di I/O discreti, ma anche di funzionalità Hmi), mentre gli Fpga erano dedicati alle rimanenti funzioni, principalmente al controllo del movimento. Se, da una parte, l’architettura ibrida processori ed Fpga risolveva il gap prestazionale, dall’altra era afflitta dal maggior consumo di energia dei processori più veloci: a ciò si aggiungeva l’alto costo di processori ad alte prestazioni ed Fpga. Anche la tipica durata di appena 5 anni della vita commerciale di un processore era un problema da superare, soprattutto in relazione alla maggiore aspettativa delle apparecchiature industriali, dai 7 ai 10 anni. Questa incompatibilità aveva ripercussioni anche sullo sviluppo di nuovi algoritmi: spesso i progettisti erano costretti a riprogettare apparecchiature già in uso a causa dell’obsolescenza del processore. Altra contropartita dell’approccio ibrido era la limitata protezione degli investimenti software del produttore. Circa l’80% dei produttori registravano ritardi nello sviluppo e solo il 30% dei progetti raggiungeva i livelli di produzione prefissati, in conseguenza dei tempi dilatati di messa sul mercato. In altre parole, la maggior parte dei produttori di Plc riscontrava problemi come cicli di progetto più lunghi, ritardi nel time-to-market, necessità di informazioni più deterministiche circa gli I/O, pressioni sui costi, domanda di applicazioni scalabili ad alte prestazioni e sviluppo software.

Industry 4.0 e il suo impatto sui Plc

L’ambiente dell’automazione industriale di Industry 4.0 richiede Plc con alte prestazioni in grado di realizzare una sicura connettività ad ogni livello industriale e dotati di funzionalità Hmi. Oggi, molte imprese di ultima generazione si affidano a sistemi ciberfisici per implementare ipotesi di metodologie produttive più intelligenti, basate su sistemi connessi per interazione M2M e tra i vari livelli dell’ambiente industriale. La realizzazione di Plc in grado di soddisfare le esigenze dell’Industry 4.0 pone i progettisti davanti a una continua sfida, che rende indispensabile una revisione su nuove basi della struttura stessa dei Plc.

• Alte prestazioni di controllo - Gli ambienti di smart manufacturing richiedono Plc in grado di processare istruzioni e interruzioni di servizio, nonché di supportare Hmi integrate, a velocità prima impensabili. Necessità che ha obbligato il ricorso all’uso di processori più potenti, con numero più elevato di Mips e di core, ma di riflesso ha fatto incrementare costi e consumi energetici.
• Connettività - La connettività deterministica M2M tra diverse macchine richiede il supporto verso molteplici protocolli Ethernet Industriali (compresi gli Ethernet deterministici di ultima generazione basati su norme quali Ieee 802.1 Tsn) all’interno di un singolo sistema Plc. La connettività aziendale richiede inoltre l’applicazione di standard di interoperabilità del tipo Opc-UA.
• Comunicazioni sicure - I Plc connessi al di fuori dei network aziendali possono essere soggetti a cyber-attacchi, cosa che rende la sicurezza un argomento sempre più rilevante.
• Interoperabilità cross-platform - La scelta di processori o Assp non adatti può rivelarsi un errore molto costoso. L’interoperabilità funzionale tra i diversi sistemi richiede sistemi operativi standard che girano su processori non proprietari.
• A prova di futuro - Con le continue evoluzioni degli ambienti di connettività e interoperabilità, diventano sempre pù mutevoli le esigenze del mercato, rendendo necessari frequenti aggiornamenti di hardware e software.

Rimangono tuttavia ancora aperte alcune delle sfide che hanno caratterizzato il periodo pre-Industry 4.0 quali scalabilità, sicurezza funzionale, riduzione dei consumi, dimensioni più piccole e protezione dell’investimento software.

SoC Fpga: un approccio più intelligente

Gli Fpga System-on-Chip, che combinano un processore e un Fpga all’interno di un singolo chip, rappresentano un’alternativa vincente per superare le sfide nell’ambito della progettazione di Plc.

• Alte prestazioni di controllo - I SoC Fpga possono ridurre il carico del processore all’interno del Plc implementando via hardware algoritmi ad alte prestazioni e funzioni Hmi. A differenza dei processori sequenziali, gli Fpga funzionano essenzialmente in parallelo e possono accelerare in maniera rilevante l’esecuzione di algoritmi. Grazie alla presenza di blocchi Dsp embedded e on-chip memory, gli Fpga offrono una migliore accelerazione hardware a consumi e costi più contenuti rispetto ai processori convenzionali.
• Connettività - Gli Fpga possono implementare molteplici protocolli Ethernet industriali su un singolo dispositivo instanziando Intellectual Property core pronti all’uso. I progettisti possono quindi abilitare protocolli mediante il download dei rilevanti protocol stack da eseguire nel SoC Fpga Hps (Hard processor system) interno. L’Hps può anche implementare un server Opc, abilitando le comunicazioni su Opc-UA. È così possibile integrare nuovi standard come l’Ieee 802.1 Tsn semplicemente riprogrammando l’hardware dell’Fpga. Inoltre, le alte prestazioni degli Fpga soddisfano gli stringenti requisiti dell’Ieee 802.1 Tsn in termini di timing.
• Comunicazioni sicure - La crittografia aperta Ssl, implementata negli Fpga fornisce livelli di accelerazione ben quattro volte maggiori rispetto alle implementazioni a processori. Questa crittografia rende più rapidi e sicuri i canali di comunicazione aziendale.
• Interoperabilità cross-platform - Grazie al processore integrato, i SoC Fpga consentono un percorso scalabile usando un processore industriale standard.
• A prova di futuro - I progettisti possono riprogrammare il silicio degli Fpga per inserire gli aggiornamenti hardware, evitando così la riprogettazione dell’intero sistema.