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Alfredo Pironti » 1.Introduzione all'automazione industriale


Tecnologie dei sistemi di automazione

Introduzione all’automazione industriale

Sommario della lezione

  • Informazioni generali sul corso
  • Introduzione al corso
    • L’automazione industriale
    • Modello di un sistema automatizzato
    • Modello di un sistema di controllo industriale
    • Modello di un dispositivo di controllo
  • Requisiti dei dispositivi di controllo

Contatti

Docente
Prof. Alfredo Pironti
Dipartimento di Informatica e Sistemistica
Complesso di Via Claudio

Studio 2.14
Telefono 081768 3172
Email: pironti@unina.it
Webpage: http://www.docenti.unina.it/alfredo.pironti
Orario di ricevimento (per appuntamento da fissare attraverso e-mail)

Contatti

Tutor
Ing. Gianmaria De Tommasi
Dipartimento di Informatica e Sistemistica
Complesso di Via Claudio

Studio: 2.13
Telefono: 081 768 3853
Email: detommas@unina.it
Webpage: http://www.docenti.unina.it/gianmaria.detommasi
http://wpage.unina.it/detommas
Orario di ricevimento: Lunedì dalle 14:30 alle 17:30

Programma del corso

  1. Introduzione al corso (n. 1 lezione)
  2. Dispositivi di controllo (n. 2 lezioni)
  3. Regolatori PID industriali (n. 3 lezioni)
  4. Programmazione dei Controllori a Logica Programmabile – Standard IEC 61131-3 (n. 6 lezioni)
  5. Il tool UniSim (n. 3 lezioni)
  6. Sistemi di controllo distribuiti (n. 3 lezioni)
  7. Sistemi SCADA (n. 1 lezione)
  8. Ciclo di sviluppo dei sistemi di automazione (n. 1 lezione)

Libri di testo

Autori: P. Chiacchio e F. Basile
[1] Titolo: Tecnologie informatiche per l’automazione (2° edizione)
Casa editrice: McGraw-Hill

[2] Autori: G. A. Magnani, G. Ferretti e P. Rocco
Titolo: Tecnologie dei sistemi di controllo (2° edizione)
Casa editrice: McGraw-Hill

[3] Autore: H. Jack
Titolo: Automating Manufacturing Systems with PLCs (versione 5.0)

Matlab e Simulink

Matlab e Simulink rappresentano lo standard de facto per la progettazione in molti settori dell’ingegneria. L’utente ha a disposizione una ricchissima libreria di funzioni raccolte in diversi toolbox, ognuno dedicato ad un particolare campo applicativo (sistemi di controllo lineari e non lineari, statistica, signal processing, ecc.).

Matlab e Simulink verranno utilizzati per le esercitazioni relative ai regolatori PID industriali.

Sito Mathworks

Unisim

UniSim è:

  • un tool di sviluppo per sistemi di automazione basato sullo standard IEC 61131-3;
  • stato sviluppato interamente da studenti del corso di Tecnologie dei Sistemi di Automazione;
  • distribuito con licenza GPL.

UniSim verrà utilizzato per le esercitazioni relative alla programmazione dei controllori a logica programmabile.

L’automazione industriale

L’ automazione industriale è la disciplina che studia le metodologie e le tecnologie che permettono il controllo di flussi di energia, di materiali e di informazioni necessari alla realizzazione di processi produttivi senza l’intervento dell’uomo.

Benefici derivanti dall’automazione dei processi produttivi

  • Riduzione dei costi di produzione:
    • Razionalizzazione delle risorse
    • Riduzione dei tempi di produzione
    • Riduzione delle scorte di magazzino
    • Riduzione degli scarti di produzione
    • Riduzione dell’impatto ambientale
    • Risparmio energetico
  • Miglioramento della qualità dei prodotti
  • Possibilità di utilizzare lo stesso impianto produttivo per prodotti diversi (flessibilità della produzione)

Automazione e disoccupazione

“L’automazione industriale è la disciplina che studia… realizzazione di processi produttivi senza l’intervento dell’uomo.”

L’automazione crea disoccupazione?

  • L’automazione consente di eliminare lavori pericolosi, usuranti e ripetitivi.
  • L’automazione crea lavori di profilo più alto: progettisti, sviluppatori, installatori e manutentori.

Sistemi di automazione industriale

Lo scopo di questo corso è quello di introdurre le tecnologie e le metodologie per la progettazione hardware e software di sistemi di controllo per l’automazione industriale, anche detti sistemi di automazione industriale

Che cos’è un sistema di automazione industriale?

  • E’ un insieme di dispositivi che, controllando i flussi di energia, di materiali ed informazioni, consente di realizzare i processi produttivi senza l’intervento dell’uomo

Modello di un sistema automatizzato

Sistema Automatizzato = Processo Fisico + Sistema di Controllo

Sistema automatizzato (schema)

Sistema automatizzato (schema)


Modello di un sistema automatizzato

  • Il Processo Fisico può essere visto come l’insieme di azioni che agiscono su entità del mondo fisico e ne cambiano alcune proprietà.
  • Il Processo Fisico, quindi, è l’insieme di lavorazioni meccaniche, razioni chimiche, movimentazioni, ecc.
  • Il Sistema di Controllo scambia informazioni con il Processo Fisico (attraverso sensori ed attuatori) e/o con un operatore umano e/o con altri sistemi automatici.
  • Il Sistema di Controllo realizza, in maniera automatica, gli algoritmi necessari affinché il comportamento del Processo Fisico sia quello desiderato.

Sensori e trasduttori

  • Sensore – trasforma la grandezza da misurare nella grandezza misurata
  • Trasduttore – trasforma una grandezza di natura fisica o chimica in una grandezza di un’altra natura (tipicamente elettrica)

Resistance Temperature Detector (RTD):

  • L’RTD trasforma variazioni di temperatura in variazioni di resistenza (è il trasduttore)
  • La grandezza effettivamente misurata è una variazione di tensione (il sensore è costituito da tutto il circuito)

L’RTD trasforma variazioni di temperatura in variazioni di resistenza (è il trasduttore). La grandezza effettivamente misurata è una variazione di tensione (il sensore è costituito da tutto il circuito.

Schema esplicativo

Schema esplicativo

Resistance Temperature Detector

Resistance Temperature Detector


Attuatori e pre-attuatori

  • Attuatore – dispositivo che consente di agire sulle grandezze del processo
  • Pre-attuatore – dispositivo che converte i segnali provenienti dal sistema di controllo in segnali di potenza

Esempi

  • Valvola (attuatore) + Motore e azionamento (pre-attuatore)
  • Motore (attuatore) + Amplificatore di potenza ed elettronica di pilotaggio (pre-attuatore)

Sistema di controllo

Il Sistema di Controllo è un dispositivo che:

  • elabora informazioni
  • realizza algoritmi

Il Sistema di Controllo, quindi, è costituito da uno o più sistemi per l’elaborazione dell’informazioni.

  • Rispetto ai normali Personal Computer, i dispositivi che vengono utilizzati per realizzare i sistemi di controllo hanno caratteristiche particolari.
  • E’ da notare che non è detto che il sistema di controllo debba essere realizzato attraverso tecnologie informatiche. Infatti sono ancora diffusi controllori in tecnologia idraulica o pneumatica.

Modello di un sistema di controllo industriale

Il modello prevede più dispositivi di controllo che comunicano tra loro attraverso delle reti di comunicazioni e con il processo fisico.

A e C sono applicazioni distribuite.

Modello di un sistema di controllo industriale

Modello di un sistema di controllo industriale


Modello di un dispositivo di controllo industriale

Il modello prevede che ogni dispositivo abbia almeno una risorsa, un’interfaccia verso il Processo Fisico ed un’interfaccia di comunicazione per il collegamento con altri dispositivi.

Modello di un sistema di controllo industriale

Modello di un sistema di controllo industriale


Dispositivi di controllo industriale

  • Un dispositivo di controllo industriale, quindi, è un dispositivo per l’elaborazione dell’informazione.
  • Tipicamente un dispositivo di controllo è un sistema a microprocessore.
  • Diversi sistemi a microprocessore concorrono alla realizzazione delle funzionalità di un sistema di controllo industriale:
    • Personal Computer: tipicamente utilizzati per la realizzazione dell’interfaccia operatore (HMI)
    • Sistemi per il controllo dedicati al controllo di macchine complesse (ad esempio il controllo assi di un robot)

Requisito fondamentale per un dipositivo di controllo

I due requisiti essenziali che caratterizzano i dispositivi di controllo sono:

  • la capacità di rispondere a stimoli provenienti dall’esterno (dal Processo Fisico);
  • la capacità di interagire con l’ambiente esterno modificando il comportamento del Processo Fisico.

Un dispositivo di controllo è un particolare sistema per l’elaborazione dell’informazione, destinato al controllo dei processi fisici.
Un dispositivo di controllo deve interfacciarsi con l’ambiente esterno.

Nel modello proposto in precedenza i sensori e gli attuatori fanno parte del Processo Fisico, quindi i dispositivi di controllo devono possedere opportuni moduli di interfaccia con sensori ed attuatori (moduli di I/O).

Funzionalità di un dispositivo di controllo

  • Controllo a ciclo chiuso classico (regolazione, asservimento)
  • Calcolo dei valori di riferimento (set-point)
  • Gestione di allarmi e anomalie
  • Realizzazione dell’interfaccia operatore (HMI)
  • Realizzazione dell’interfaccia di comunicazione con altri dispositivi

In generale un dispositivo di controllo non deve necessariamente realizzare tutte le funzionalità elencate.

Modalità di esecuzione dei compiti

Un’applicazione può essere suddivisa in più compiti (task) da gestire i maniera differente a seconda dei casi.
Un dispositivo di controllo può prevedere le seguenti modalità di esecuzione dei compiti:

  • periodico (es. controllo in retroazione classico)
  • ciclico (es. sequenzializzazione di movimentazioni)
  • ad eventi (es. gestione di una condizione di anomalia)

Anche in questo caso non tutti i dispositivi di controllo devono necessariamente prevedere tutte le modalità di esecuzione elencate.

Requisiti di un tempo reale

  • Interfacciandosi con il Processo Fisico, i dispositivi di controllo hanno la necessità di operare in tempo reale.
  • Un sistema a tempo reale (real-time) deve rispondere in modo certo ed entro tempi fissati ad eventi esterni asincroni (non prevedibili).
  • In un sistema a tempo reale, quindi, un ritardo nell’esecuzione è considerato un malfunzionamento del sistema stesso. Nel caso di sistemi soft real-time un ritardo di esecuzione comporta un degrado delle prestazioni.

Scalabilità di un dispositivo di controllo

  • La scalabilità è la capacità di un sistema di crescere o decrescere (aumentare o diminuire di scala) in funzione delle funzionalità richieste.
  • Un dispositivo di controllo scalabile, quindi, consente di inserire o meno delle funzionalità solo se necessarie.

Solidità di un dispositivo di controllo

Tipicamente i dispositivi di controllo devono operare in ambiente ostili.

Per questo motivo la solidità è un requisito importante. In particolare un dispositivo di controllo deve essere fisicamente robusto nei confronti di:

  • urti
  • vibrazioni
  • interferenze elettromagnetiche
  • variazioni di temperatura
  • presenza di polveri
  • etc.

Prossima lezione

Architetture dei dispositivi di controllo e Controllori specializzati

  • Architetture dei dispositivi di controllo
  • I Controllori specializzati

Indice letture

  • Materiali di studio
    • Introduzione e Capitolo 6
  • Approfondimenti
    • Sensori
    • Introduzione e par. 3.1 e 3.2
  • Fonti in rete
    • Testo di H. Jack
    • Sito Mathworks
    • Breve introduzione a Matlab
    • Sito ufficiale di UniSim

I materiali di supporto della lezione

Breve introduzione a Matlab

Scarica Unisim

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