Sistemi di controllo e visualizzazione in robotica e industrial automation

L’automazione industriale moderna fa sue le risultanze teoriche provenienti dal mondo della teoria dei controlli automatici con lo scopo di implementare tecnologie volte alla realizzazione di sistemi agenti in modo autonomo, ovvero senza intervento e supervisione umana.

Lo scopo è sostituire la presenza dell’Uomo in ambienti ad elevato rischio (e.g centrali nucleari, aree ad elevato inquinamento) oppure ad elevata presenza di azioni ripetitive come nelle catene automatizzate di costruzione di autoveicoli.

L’automazione industriale ebbe origine dalla fine del 1800, nella cosiddetta “seconda rivoluzione industriale”, quando nacque l’esigenza di miglioramento e perfezionamento dei processi produttivi.

Negli anni ‘70 del 1900, con lo sviluppo dell’elettronica applicata al controllo dei processi industriali di produzione, si ebbe un notevole impulso grazie alla introduzione di schede di controllo, di attuatori, sensori ecc.

La robotica come parte della automazione industriale si occupa del controllo intelligente di sistemi meccanici complessi e processi produttivi.
Le applicazioni della robotica sono molteplici e possono essere divise in due grandi categorie:

  • robotica industriale (tradizionalmente la prima forma implementata a partire dagli anni ’60 del ventesimo secolo).
  • robotica di servizio (ovvero di supporto a molteplici aspetti del vivere umano, anche a livello domestico).

Sotto la denominazione “automatismi industriali” rientrano tutti quei dispositivi, sistemi di controllo dei processi in grado di permettere il funzionamento automatico di impianti e macchine (ad esempio una linea di produzione che dalla materia prima, la cellulosa, arrivi ad ottenere vari prodotti finiti realizzati con la carta; le stesse linee di produzione di semiconduttori, che partendo dal Silicio, creano circuiti integrati completi di die alloggiato in appositi contenitori protettivi, package).

Tutti i moderni processi produttivi industriali, sono pervasi ormai da una massiva presenza di sistemi automatici e robotici dotati di “intelligenza autonoma”, che impiega controllori logici programmabili (Programmable Logic Controller), calcolatori e un sistema integrato di controllo e supervisione/acquisizione dati (SCADA ovvero “Supervisory Control And Data Acquisition “).

L’Uomo in questo ambito si interfaccia con il sistema di produzione automatico, per implementare una forma di controllo e supervisione, tramite personal computer di tipo rugged con una completa integrazione tra dispositivo di visualizzazione, elaborazione e acquisizione dati dal mondo esterno tramite sensori e interfacce di vario tipo.

I sistemi di elaborazione e acquisizione dati da sensori tramite interfacce seriali come la RS232, RS422, RS485, CAN, USB oppure tramite connessione Ethernet comunicano con l’operatore umano tramite interfaccia HMI (Human Machine Interface).

L’interazione visiva con l’Uomo avviene, ad esempio, tramite display touch di tipo capacitivo (easyTOUCH Data Modul).

Data Modul, fondata nel 1972 in Germania a Monaco e oggi con una presenza capillare in tutto il mondo, ha un ampio catalogo di soluzioni per la visualizzazione su display LCD TFT (Thin film Transistor), OLED (Organic LED con polimeri organici elettroluminescenti), LED, eInk (un sistema in grado di imitare l’aspetto dell’inchiostro su carta), oltre che una gamma completa di personal computer, sia in versione “stand alone” sia per montaggio in rack, con vari livelli di protezione IP (Ingress Protection Code o codice di protezione a due cifre specificato dallo standard IEC/EAN 60529), come il grado di protezione IP65, che specifica una completa protezione contro l’ingresso di polvere e una resistenza a getti d’acqua a bassa pressione.

Figura 1: Tabella gradi di protezione IP

I panel PC sono veri e propri calcolatori dotati di cpu, sia con ISA RISC ARM (unità grafica integrata NVIDIA) sia con ISA x86/x86_64, con gli Intel Atom serie E oppure Z (unità grafica integrata Intel HD). Il computer dispone poi di un completo insieme di interfacce di comunicazione oltre che visualizzazione con retroilluminazione.

Figura 2: Panel PC Data Modul EP070W ARM69-PCAP

Parametri importanti per il sistema di visualizzazione con sistema di interazione PCAP capacitivo sono:

  • la luminosità in candele per metro quadrato
  • la risoluzione in pixel (800×480, 1280×800, WXGA Wide Extended Graphics Array 1280×768, full-HD 1920×1280, Ultra HD con risoluzione di 3840×2160 pixel, con rapporto d’aspetto 16:10)
  • la vita utile del sistema di retroilluminazione (per il modello rappresentato in figura 2 raggiunge le 50000 ore).

Altri parametri che indicano la bontà del display sono il tempo di risposta (valutato in millisecondi) e la misura della diagonale in pollici.

La tecnologia di rilevazione del tocco PCAP (Projected capacitive) ha molte peculiarità tra le quali una lunga durata, elevata trasmissività ottica, possibilità di attuazione del tocco anche indossando guanti.

Tuttavia esistono problematiche dovute al basso valore di capacità da rilevare (nell’ordine del femtoFarad), che impongono una attenta progettazione del sistema elettronico di controllo allo scopo di ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI).

I monitor del tipo “open frame” (costruiti per essere integrati in chassis metallici) o per impieghi “stand alone” dispongono di un completo insieme di interfacce video quali uscita a componenti RGB, DVI (Digital Visual Interface), DP (Display Port standard video digitale), HDMI (High Definition Multimedia Interface).

Monitor e display rugged per ambienti industriali

Nell’ambito della produzione industriale, settore militare e aerospaziale vi è l’esigenza di avere sistemi di visualizzazione e controllo ad elevata resilienza, resistenza agli shock meccanici e agli ambienti ostili, polvere, contaminanti, presenza di campi elettromagnetici (rugged ovvero robusto).

In tali applicazioni i monitor e display impiegati come interfaccia Uomo-macchina (HMI) devono garantire il rispetto di norme specifiche, come quelle elaborate dall’esercito statunitense (U.S. Department of Defense), nello specifico la MIL-STD-810G, emanata nell’Aprile 2014 e poi aggiornata nel 2019 con la MIL-STD-810H.

Tale normativa specifica a quali test di laboratorio debbano essere sottoposti i monitor, display per rispondere ad impieghi in ambienti ad elevata aggressività sia da parte di contaminanti sia in riferimento alle temperature e accelerazioni (misurate in multipli di g, pari a 9.80665 m/s^2 accelerazione, media di gravità terrestre al livello del mare e ad una latitudine di 45.5 °).

Le norme MIL-STD-167 si occupano di definire i requisiti a cui devono rispondere i sistemi di visualizzazione in ambito navale nei riguardi delle vibrazioni, sia prodotte dall’ambiente esterno sia generate internamente alla nave (per uso civile o militare).

Per le specifiche sulle interferenze elettromagnetiche esistono poi le norme MIL-STD-461, sempre elaborate dal dipartimento della difesa statunitense.

Data Modul (Conrac) dispone di un vasto portafoglio di soluzioni dedicate alla visualizzazione tramite monitor a cristalli liquidi (LCD), display ad ampia diagonale in pollici per navigazione in tempo reale (ECDIS Electronic Chart Display and Information System ) e visualizzazione da sistemi RADAR (Radio Detection And Ranging).

Figura 3: CONRAC modello 6019 SD in montaggio a rack 10U

Sopra il CONRAC 6019 SD per impieghi in ambito navale con intervallo di temperature di funzionamento esteso, operativo compreso tra -15 °C e +55 °C; shock impulsivo (11 msecondi) di 10 g.

Conclusioni

I sistemi industriali di controllo nei processi produttivi moderni, sia per uso civile che per ambiti militari ed aerospaziali, sono pervasi dalla presenza di visualizzazione dati tramite display e monitor di tipo rugged, specifici per essere impiegati in ambienti con temperature elevate, presenza di contaminanti, polvere e campi elettromagnetici.

L’automazione del controllo e la pervasiva presenza di robotica richiedono altresì un’interazione tra l’operatore umano e i sistemi di acquisizione ed elaborazione dati con interfacce grafiche HMI sempre più complesse e sofisticate.

Da qui la necessità di avere monitor in grado di operare sia con estesi intervalli di temperature sia di accelerazioni.

Marco Franceschini