Progettazione e realizzazione di un ambiente di sviluppo per sistemi di controllo distribuiti basato sulla pubblicazione Iec 1499

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normative attualmente in fase di sviluppo, sono denominate IEC 1499 e IEC 
1804. 
1.1 Obiettivi del lavoro 
I principali obiettivi del presente lavoro sono l’analisi della futura normativa 
IEC 1499 in corso di definizione, la progettazione e la realizzazione di un 
ambiente di sviluppo per sistemi di controllo distribuiti basato su tale normativa 
e la progettazione e l’implementazione, tramite l’ambiente realizzato, del 
software di controllo di  un robot industriale. 
La normativa IEC 1499 è stata sviluppata con l’obiettivo di fornire un 
formalismo di riferimento per la descrizione, implementazione e manutenzione 
di un IPCMS (Industrial Process Control and Measurement System - Sistema di 
controllo e misurazione di un processo industriale). Questa normativa introduce 
un formalismo guidato dagli eventi, basato sull’entità function block (blocco 
funzionale); un function block è un elemento software che a fronte di eventi 
esterni, può eseguire uno o più algoritmi. Graficamente un function block viene 
rappresentato tramite un blocco con ingressi e uscite tramite i quali può 
acquisire e generare dati ed eventi. Un’applicazione per il sistema di controllo 
viene quindi realizzata tramite un diagramma di function block interconnessi. 
Tramite tale formalismo grafico vengono definiti gli elementi architetturali e 
software di un sistema di controllo. In particolare sono state analizzate le 
potenzialità del formalismo grafico introdotto, nella prospettiva di un suo 
utilizzo da parte di ambienti di sviluppo CACSD, confrontandolo con i 
formalismi grafici precedentemente sviluppati e adottati dagli ambienti esistenti. 
Nel corso di questo lavoro è stato progettato un prototipo di ambiente CACSD 
denominato FBCad (Function Block Computer Aided Design). FBCad nasce con 
l’obiettivo di fornire al progettista un ambiente grafico di sviluppo basato sul 
formalismo dei function block, tramite il quale definire il software di controllo 
per sistemi ibridi e simulare il funzionamento del software.  Per eseguire una 
simulazione del sistema sotto controllo risulta necessario disporre oltre che del 
software del sistema di controllo, anche di un modello dinamico del processo 
fisico. Con questo obiettivo è stato esteso il formalismo della normativa per 
poter definire un semplice modello per sistemi non complessi. 
1.2 Descrizione delle attività svolte 
Il lavoro è stato svolto nel Laboratorio di Automatica presso il Dipartimento di 
Elettronica  e Informazione del Politecnico di Milano. Le attività svolte possono 
essere riassunte in tre fasi. La prima fase è consistita nell’analisi della normativa 
IEC 1499 con lo scopo di  evidenziare le possibili ambiguità indotte dal 
formalismo utilizzato. Inoltre sono stati analizzati i principali formalismi di 
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specifica del software attualmente esistenti e gli ambienti di sviluppo e 
simulazione precedentemente realizzati. 
Nella seconda fase sono state valutate le possibili alternative delle principali 
scelte implementative per la realizzazione di FBCad. La piattaforma 
hardware/software prescelta è stata un Personal Computer con sistema operativo 
Windows NT 4.0 disponibile presso il Laboratorio di Automatica, in quanto 
rappresenta una soluzione economica e diffusa. La scelta di Windows NT 
permette inoltre di disporre di un sistema operativo affidabile che consente di 
sfruttare appieno le potenzialità del sistema di elaborazione su cui è installato. 
Lo sviluppo del software è stato affidato ad un ambiente di programmazione 
C++ RAD (Rapid Application Development), denominato Power++, e a Visio 
Technical, un CAD grafico bidimensionale programmabile. FBCad sfrutta 
l’ambiente grafico di Visio Technical per la rappresentazione grafica delle entità 
definite e assiste il progettista nella definizione e configurazione del sistema di 
controllo, tramite un’interfaccia grafica intuitiva. Una caratteristica molto 
importante di FBCad è la scelta di C++, come linguaggio con cui descrivere gli 
algoritmi associati ai function blocks. Sfruttando questa scelta progettuale, 
FBCad può produrre automaticamente il codice eseguibile per il sistema di 
controllo, o comunque genera il codice sorgente completo per un qualunque 
dispositivo che possa disporre di un compilatore C++(o di un cross-compilatore 
C++ su un’altra macchina).  
Infine nella terza fase è stato validato l’ambiente FBCad tramite un’applicazione 
reale di controllo e supervisione del sistema robotico COMAU, in dotazione al 
Laboratorio di Automatica. Il sistema di controllo del robot industriale è 
composto dal robot Smart3-S a sei gradi di libertà, il controllore industriale 
C3G-9000 e un personal computer. Per mezzo di FBCad è stato realizzato un 
modello operativo del controllore ed è stato specificato il software di 
supervisione per il personal computer. Il funzionamento del software e della 
strategia di controllo è stato validato per mezzo della simulazione effettuata 
sempre in ambiente FBCad; infine è stato generato automaticamente il codice di 
implementazione in C++, per il personal computer e verificato con successo, la 
coerenza di funzionamento del software sul sistema reale. 
1.3 Principali risultati ottenuti 
Il presente lavoro rappresenta un ulteriore contributo nell’ambito dello sviluppo 
di ambienti di progettazione per sistemi di controllo. In particolare, per nostra 
conoscenza, attualmente FBCad rappresenta l’unico ambiente di sviluppo basato 
sul formalismo introdotto dalla normativa IEC 1499 in via di preparazione. 
L’intero ambiente è stato sviluppato per sistemi PC, per favorirne l’utilizzo su 
sistemi di calcolo relativamente diffusi e comuni, adottando l’interfaccia grafica 
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standard di Microsoft Windows per rendere l’uso di FBCad intuitivo e di facile 
comprensione.  
L’analisi della normativa ha inoltre evidenziato che il formalismo adottato ben 
si presta sia ad una rappresentazione funzionale, sia ad una rappresentazione 
object-oriented delle singole entità del sistema di controllo. Per 
rappresentazione funzionale si intende la scomposizione di un entità nelle sue 
funzioni principali, mentre per rappresentazione object-oriented si rappresenta 
un entità tramite un insieme di attributi e azioni che questa può compiere. Infatti 
è stato possibile definire una procedura di progettazione tramite la quale 
sfruttare le tecniche di modellazione orientate agli oggetti nella definizione dei 
function block, in particolare modo in riferimento alle metodologie descritte in 
[SHLAER/MELLOR] e [CDM_REPORT]. 
Attraverso lo sviluppo dell’applicazione robotica è stato inoltre possibile creare 
un insieme minimo di function block (espandibile in futuro) tramite i quali 
programmare ad alto livello in forma grafica un’applicazione per il sistema 
robotico COMAU. La scelta progettuale di sfruttare il C++ come linguaggio per 
la definizione degli algoritmi interni dei FB e per la generazione dell’intero 
codice sorgente ha consentito il riutilizzo del software di controllo 
precedentemente sviluppato dal costruttore per il sistema robotico. Questa 
osservazione e il fatto che numerosi sistemi di controllo dispongono del 
software di controllo in linguaggio C [AUT_INTEGRATA], suggerisce che 
FBCad possa trovare ulteriori applicazioni come ambiente di programmazione 
per sistemi di controllo, in quanto favorisce l’incapsulamento e il riuso non solo 
dei componenti da esso creati, ma anche del codice di controllo 
precedentemente sviluppato.  
Tramite l’approccio proposto da FBCad per la realizzazione del sistema di 
controllo, si tende a unire la fase di progettazione del controllo con la fase di 
realizzazione. Questa osservazione è importante alla luce del fatto che spesso la 
progettazione del sistema di controllo avviene tramite particolari ambienti di 
sviluppo che non tengono poi conto degli effettivi problemi di implementazione.  
Se da un lato tale approccio consente di separare (e validare) le due fasi di 
progettazione, dall’altro può portare a differenze tra lo studio teorico e 
l’implementazione pratica. 
1.4 Organizzazione del documento 
Il documento è stato suddiviso in otto capitoli. Nel seguito diamo una breve 
descrizione dei capitoli che compongono il documento. 
Nel capitolo 2 viene descritta la normativa IEC 1499 nei suoi vari aspetti 
peculiari e gli scopi per cui è stata introdotta, definendo le entità utilizzate. 
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Nel capitolo 3 viene analizzata la normativa, ponendo particolare enfasi sugli 
aspetti di temporizzazione, sincronizzazione e comunicazione. Viene poi 
introdotto un modello equivalente dei FB basato sul formalismo delle reti di 
Petri per confrontare i due formalismi e per mettere in luce le problematiche 
descritte precedentemente. Viene inoltre fornita un’analisi del modello di 
distribuzione delle applicazioni progettate. 
Nel capitolo 4 viene effettuata una classificazione dei principali formalismi di 
specifica del software, presenti in letteratura, analizzando vantaggi e svantaggi. 
Nel capitolo 5 viene descritto l’ambiente di sviluppo FBCad, attraverso una 
descrizione generale dei componenti software realizzati, e del ciclo di sviluppo 
di un progetto. Vengono inoltre descritte le estensioni introdotte al modello 
della normativa, le interfacce grafiche utilizzate, e le caratteristiche peculiari 
dell’ambiente di progettazione.   
Nel capitolo 6 vengono descritte le tecniche utilizzate per la generazione 
automatica del codice per l’esecuzione sul sistema reale e per la simulazione. 
Nel capitolo 7 viene riportato lo sviluppo teorico e pratico di un’applicazione 
completa, utilizzata per la validazione dell’ambiente FBCad. Questa 
applicazione consiste nel controllo di posizione e supervisione del robot 
industriale Comau Smart 3-S. L’applicazione è stata definita tramite FBCad, 
validata attraverso la simulazione ed infine eseguita sul sistema reale. 
Infine nel capitolo conclusivo, sono stati riassunti i risultati ottenuti durante tutta 
la durata del lavoro, proponendo alcuni possibili sviluppi futuri. 
Nell’appendice A viene presentato un Tutorial dell’ambiente FBCad per l’utente 
finale guidandolo nella creazione di un progetto completo. 
Nell’appendice B vengono descritti i formati dei principali files prodotti da 
FBCad per eventuali estensioni future. 
Nell’appendice C vengono descritti i function block componenti l’attuale 
libreria di FBCad. 
Nell’appendice D infine, sono riportate le descrizioni delle principali classi 
utilizzate per l’implementazione dell’ambiente di sviluppo.