23 dicembre 2012

La nuova norma IEC 61499, revisione 2.0

Modelli di architettura a blocchi funzionali per Sistemi distribuiti di misura e controllo per l'automazione nell'industria di processo (IPMCS)

La norma IEC 61499, giunge alla versione 2.0 (IEC 61499-1:2012) con una profonda revisione tecnica (si veda in calce per un sunto delle principali novità). La prima edizione, è stata pubblicata nelle sue 4 parti tra il 2002 e il 2006.
Il modello di architettura distribuito presentato nella norma IEC 61499

Parte 1

La prima parte della norma definisce un generico modello di architettura e presenta le linee guida per l'utilizzo dei "function blocks" o blocchi funzionali nella progettazione e sviluppo dei sistemi di misura e controllo per sistemi distribuiti nell'industria di processo (IPMCS: Industrial Process Measurement and Control System).
L'architettura indicata nella norma è presentata in termini di modelli di riferimento implementabili, sintassi testuale e rappresentazioni grafiche. Ovviamente, quanto presentato dalla norma ha una carattere generico e indipendente dal dominio dell'applicazione da implementare.
In estrema sintesi, i blocchi funzionali incapsulano algoritmi definiti liberamente allo scopo di svolgere determinati compiti (come la misura di una portata, di una pressione, di una temepratura, il controllo di attuatori o di nastri trasportatori). Tali algoritmi che processano le informazioni ed implementano le logiche di controllo volute, sono "avviati" da eventi. Un blocco funzionale, sempre secondo la norma, consiste principalmente di sue distinti livelli: quello degli eventi e quello dei dati. I vari tipi di blocchi funzionali descritti nella norma (di base, compositi, di interfacciamento, etc.) sono disposti in una rete a formare l'applicazione che può essere distribuita tra diversi dispositivi e risorse. Applicazioni interconnesse realizzano il sistema di misura e controllo di processo.

Parte 2

La seconda parte è dedicata all'enumerazione e definizione dei requisiti previsti per strumenti software di supporto alla progettazione e alle attività di engineering definite nella parte 1, e nello specifico:

  • Stesura delle specifiche dei tipi di blocchi funzionali
  • Definizione delle specifiche funzionali dei tipi di risorse e dei tipi di device
  • Stesura delle specifiche, dell'analisi e dei metodi di validazione dei sistemi IPMCS distribuiti
  • Configurazione, implementazione, impiego e manutenzione dei sistemi IPMCS distribuiti
  • Scambio di informazioni tra strumenti software differenti.

Parte 3

La norma era originariamente divisa in 4 parti, ma nella revisione la parte 3 è stata ritirata, in quanto conteneva materiale didattico e di tutorial ritenuto dalla commissione stessa non più utile, data l'ampia diffusione di materiale di terzi in merito. Non è però escluso che in futuro la Commissione decida di emettere una nuova edizione anche di questa parte.

Parte 4


I profili di conformità indicati nella norma IEC 61499-4
L'ultima parte definisce le regole per lo sviluppo di profili di conformità allo scopo di indicare le caratteristiche delle prime due parti che devono essere implementate nei sistemi conformi in modo da soddisfare i requisiti di:

  • Interoperabilità di dispositivi di vendor diversi
  • Portabilità del software tra ambienti di sviluppo di vendor differenti
  • Configurabilità dei dispositivi di vendor differenti da parte di strumenti di sviluppo di vendor differenti.


Principali novità (sintesi).

L'elenco completo delle revisioni è disponibile sul sito dell'IEC Webstore (nelle anteprima di ciascuna norma sono visibili tutte le differenze con l'edizione precedente).

Parte 1


  • Controllo dell'esecuzione
  • Variabili temporanee
  • Sequenze di servizio
  • Sintassi per la mappatura delle istanze dei function blocks
  • Sintassi per la definizione dei tipi di segmento
  • Tipi di blocchi funzione per l'interoperazione con controllori programmabili
  • Comandi di gestione READ/WRITE

Parte 2


  • I contenuti dell'annesso A sono stati aggiornati per conformità alle revisioni della parte prima
  • Le sezioni CDATA sono adesso consentite per i contenuti testuali degli algoritmi nelle tabelle A.4 (LibraryElement DTD) e A.5 (LibraryElement DTD elements).

Parte 4

Le revisioni sono minori e rispecchiano le modifiche apportate alle prime due sezioni. La parte 4 diverrà effettiva a partire dall'11 gennario 2013, termine massimo delle votazioni del comitato per la sua approvazione.

Elenco dei software di engineering e gli ambienti runtime conformi alla norma


  • Function Block Development Kit (www.holobloc.com)
  • FBench (sourceforge.net/projects/oooneida-fbench/)
  • Development of IEC 61499 Function Blocks with separated Event- and Dataflow in form of Java classes
  • Programming of Algorithms in FBS, Ladder Logic, ST, Java
  • Assignment of Algorithms in the Execution Control Chart (ECC)
  • 4DIAC (www.fordiac.org)
  • Development of IEC 61499 Function Blocks with separated Event- and Dataflow in form of C++ and/or Java classes
  • Programming of Algorithms in ST, Java, C++
  • Corfu ESS / Archimedes (seg.ee.upatras.gr/corfu)
  • Development of IEC 61499 Function Blocks with separated Event- and Dataflow and Conversion into special Execution environments
  • UML-based Design and possible simulation of Event-flow
  • Archimedes Real-Time Execution Environments for different Systems (Java, Linux, aJile)
  • ISaGRAF (www.icstriplex.com)
  • nxtControl (www.nxtcontrol.com)

14 dicembre 2012

I2 BMS, oltre il Building Management System

Un sistema di Building Management si configura come sistema di pianificazione e controllo delle attività di gestione e manutenzione degli edifici, con particolare attenzione all'efficienza globale, al comfort, alla sicurezza ed al risparmio energetico, al fine di migliorare i servizi (sia quelli percepiti direttamente come, ad esempio, il comfort climatico che indirettamente come, ad esempio, l’affidabilità dei sistemi di sicurezza) offerti agli occupanti e di orientare gli investimenti da parte della proprietà al loro miglioramento sia qualitativo che economico.

Progettare un sistema di building management implica l'interazione con alcuni elementi fondamentali:

  • la realtà fisica dell’infrastruttura, da intendere come l’insieme di elementi strutturali, più vicini alla vera e propria costruzione, e di sistemi di impianti e di strumenti di monitoraggio e controllo,
  • gli operatori, che attraverso strumenti tecnico-gestionali dedicati sorvegliano e garantiscono le condizioni di sicurezza, di funzionamento e di servizio,
  • il management, che deve confrontarsi ogni giorno con problematiche gestionali la cui risoluzione obbliga a confrontare in modo sempre nuovo e diverso innumerevoli indicatori relativi a tempi, costi e risorse, ed infine
  • l’utenza che usufruisce delle strutture e degli impianti con modalità operative ed aspettative di servizio estremamente variabili.

In genere i sistemi infrastrutturali rappresentano un imponente investimento e sono essenziali al miglioramento del benessere sociale ed economico della realtà geo-politica ed economica nel cui contesto vengono realizzati, oltre che essere un importantissimo mezzo di visibilità per i soggetti finanziatori, che puntano ad un riconoscimento pubblico di modernità, potere economico e innovatività, oltre che di puro business.

A differenza di molti altri sistemi ingegneristici, le infrastrutture civili debbono fornire un servizio affidabile per periodi di tempo molto lunghi, che possono abbracciare anche diverse generazioni, durante le quali la società si farà promotrice di cambiamenti radicali in termini di evoluzione della domanda, di aspettative sociali, di impatto delle innovazioni tecnologiche e delle normative sulla sicurezza e sulla salute pubblica. In questa ottica solo una attenta gestione è in grado di preservare nel tempo il valore di tali realizzazioni, guidare gli investimenti al mantenimento della funzionalità e del livello di servizio, e ricercare il miglioramento e l’innovazione continua.

I normali BMS, nei migliori dei casi, affrontano gli aspetti legati alla gestione tecnica di impianti e sistemi, oppure quelli legati all’ottimizzazione energetica o ambientale, in maniera verticale, distaccata, ed estremamente specialistica, spesso fornendo una moltitudine di informazioni e funzionalità inutilizzate (in media l’inutilizzo di dati e funzioni di prodotti standard o semi-standard si stima attorno al 60%), senza invece sfruttare le sinergie informative e le interoperabilità tecnologiche che la specifica installazione potrebbe mettere a disposizione.

Cosa contraddistingue, dunque un I2BMS di seconda generazione da un classico BMS? Sicuramente un'uso consapevole e attento degli strumenti ingengeristici di progettazione e delle tecniche realizzative (che è possibile applicare con sforzi variabili anche su normalissime piattaforme SCADA commerciali) finalizzate al raggiungimento delle funzioni che descriviamo di seguito:

  • Modellazione (engineering domain): si tratta di strumenti che consentono a personale tecnico di alto livello di definire profili di analisi, regole e logiche di interrelazione tra dispositivi, algoritmi di calcolo degli indicatori tecnici, priorità di intervento su impianti critici, eventuali parametri da associare alle logiche di controllo e relativi campi di variabilità che possano essere settati da personale non tecnico senza causare disservizi o criticità negli impianti.
  • Determinazione di policies in ambito decisionale: si tratta di strumenti che consentono di valutare e confrontare, storicamente e/o in proiezione futura, a più livelli di dettaglio, sia gli indicatori tecnici che gli indicatori di livello di servizio; in base alle esigenze contingenti, il manager può variare i pesi relativi di singoli indicatori e la composizione degli indicatori di livello superiore, in modo da consentire al sistema di ridistribuire autonomamente le priorità di intervento agli impianti non critici e di adottare logiche volte alla massimizzazione degli indicatori.
  • Monitoraggio e controllo in ambito tecnico/operativo: sono i tipici strumenti del piano tecnico (tipici dei sistemi SCADA che consentono l’operatività tecnica e manutentiva sui singoli impianti) e per il piano operativo (Supervisioni integrate, che comprendono informazioni di sintesi che consentono l’operatività normale e di emergenza sul complesso di tutti gli impianti monitorati).
  • Calcolo statistico e indicatori (analytics): sono gli strumenti “invisibili” agli utenti del sistema, ma che ne elaborano le preferenze, distribuiscono pesi e priorità agli eventi che si verificano, calcolano gli indicatori e forniscono gli strumenti statistici ai tecnici manutentori, agli ingegneri e ai manager.


Per quanto a prima vista profondamente diversi, questi ambiti hanno numerosi punti di contatto e di reciproca interazione durante tutto il processo di management, tali da determinare una complessa rete di relazioni tra attività e servizi, sintetizzata nel diagramma precedente.

Lo studio e la conoscenza di questa rete di relazioni consente di progettare una soluzione orientata la mantenimento e all’evoluzione dell’intero Facility Management Workflow, allo scopo di massimizzarne la resa in termini di abbattimento dei costi di gestione e di migliorarne le tematiche sensibili ai fini della customer satisfaction.

Dal punto di vista della riduzione dei costi legati alla gestione delle facilities, l’aspettativa di performance che ci attendiamo in seguito all’introduzione di un sistema di gestione integrato e intelligente, è indicata nel grafico qualitativo seguente, risultante da un nostro studio, che si concretizza in un range che va attorno al 10% dopo soli 5 anni di esercizio, per aumentare significativamente con il passare del tempo.



Benché qualitativo, il grafico indica proporzionalmente l’andamento medio delle spese di manutenzione, di esercizio e il consumo di energia. Con un approccio tradizionale la spesa energetica tende ad un leggero aumento nel corso del tempo, in quanto gli impianti tendono a perdere efficienza, mentre con un approccio integrato, all’interno di un life-cycle dinamico, la spesa di energia tende ad una lieve diminuzione grazie alle ottimizzazioni che è possibile apprendere dall'esercizio. Contestualmente tale processo porta ad una importante riduzione delle spese di manutenzione, in quanto gli impianti subiscono carichi più correttamente equilibrati allungando di conseguenza i loro tempi vita e gli intervalli di manutenzione. La minore esigenza relativa alle manutenzioni abbatte ulteriormente il costo totale incidendo in maniera minore sui costi di esercizio (ad esempio si potrebbe impiegare un reparto di manutenzione “leggero” specializzato solo per quelle apparecchiature che risultano più critiche, o per le piccole manutenzioni ordinarie che possiamo definire sistemiche). Nel grafico non è considerato l’andamento storico del costo dell’energia o della manodopera.

L’abbattimento dei costi, oltre agli evidenti benefici legati al risparmio, consente di disporre di maggiori capacità di investimento rispetto al modello tradizionale. Tale accresciuta capacità, grazie soprattutto ad un sistema di gestione integrato in grado di fornire le informazioni necessarie affinché il risultato del “decision making” sia consapevole ed equilibrato, potrà essere utilizzata con investimenti mirati su quegli aspetti, non solamente tecnici, il cui impatto sugli indicatori sia il più opportuno in un determinato momento.

Esempi:

Un sistema che ha un grande impatto nella valutazione del livello di sicurezza è senz’altro l’impianto antincendio. Una volta verificato che in tale sistema un particolare componente, come ad esempio un rilevatore di fumo, di un produttore A presenta una difettosità superiore rispetto ad uno del produttore B, si potrà valutare l’impatto della sua sostituzione sugli indicatori associati alla sicurezza e ai costi e valutarne la sostituzione a fronte delle proiezioni costo/beneficio.

Con lo stesso principio, può essere valutata la sostituzione di un dispositivo che manifesta un consumo eccessivo di energia elettrica con uno che invece risulta più efficiente, a fronte di una valutazione del tempo necessario ad ammortizzare tale investimento basandosi sul risparmio introdotto dal nuovo componente.

Le possibilità di impiego di sistemi integrati di supervisione e gestione del ciclo-vita di edifici devono essere flessibili e riconfigurabili dal beneficiario finale senza necessariamente dover acquisire competenze tecniche di ambiti estranei al proprio. In un tale scenario ciò che un sistema I2BMS propone non è quindi un set di strumenti pre-configurati, che ben presto risulterebbero incompleti, o comunque, non conformi alle (imprevedibili) esigenze, bensì un ambiente di analisi intuitivo e immediato in grado di fornire risposte utili nel momento in cui le esigenze, spesso inespresse in fase di analisi, divengono attuali.

Sempre da un punto di vista concettuale, senza scendere nei dettagli tecnici delle modalità realizzative, riportiamo un esempio di modello di knowledge-flow relativo alla Building Management alla base della visione proposta in questo articolo.

In pratica lo sforzo iniziale, per la realizzazione di una siffatta architettura, consiste nel raccogliere quante più informazioni possibili dal maggior numero possibile di fonti. Le informazioni provenienti dai sistemi di Building Automation sono solo una frazione di tutte le informazioni necessarie, e mettono a disposizione, istante per istante, solamente il loro stato, che ha un significato puramente tecnico. Ciò che è interessante ai nostri scopi sono invece le misurazioni dei processi che nel “building”, a differenza del mondo industriale, sono ancora pesantemente basati sulle scelte degli operatori (di vario ordine e grado) che si trovano ad affrontare situazioni impreviste e imprevedibili: il risultato del processo generale di “produzione” non è deterministico come nel caso di uno stabilimento di produzione, dove un prodotto può essere conforme alla specifica oppure scartato, o ancora rilavorato, in quanto si configura come “erogazione di un servizio” la cui conformità non può prescindere dall’interazione continuativa e diretta tra il processo e il cliente finale. Tale enorme differenza impone di valutare in maniera diversa tutti gli elementi del workflow, aggiungendo ad ogni dato “atomico” un ulteriore carico di meta-informazioni per tenere conto e valutare, con opportune regole, le interazioni tra il “building” e il cliente finale. Queste informazioni, così ricavate, sono di essenziale utilità per un gestore che potrà decidere, ad esempio, di regolare i parametri di un processo che restituisce servizi di scarsa qualità, o quelli di un altro processo che, a parità della qualità del servizio erogato, comportano spese o consumi superiori, mettendo in pratica un “dynamic building lifecycle management” pienamente ottimizzato.