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Gianmaria De Tommasi » 1.Introduzione al corso

Indice della lezione

Informazioni generali sul corso
L’automazione industriale
Sistema automatizzato
Dispositivi di controllo industriale

Informazioni generali - Programma

Introduzione al corso
Dispositivi di controllo: architetture e requisiti
Sensori e Attuatori
Condizionamento e conversione dei segnali
Regolatori PID industriali
Programmazione dei Controllori a Logica Programmabile – Standard IEC 61131-3
Sistemi di supervisione controllo e acquisizione dati SCADA
Ciclo di sviluppo dei sistemi di automazione

Informazioni generali - 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, ognuna dedicata 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.

Breve introduzione a Matlab

Cenni alla s imulazione di sistemi LTI con Matlab

Esempio di simulazione di sistemi nonlineari con Matlab

Introduzione a Stateflow

Implementazione di automi ibridi con Stateflow (Automi ibridi)

Logo Matlab

Informazioni generali - Sistemi di sviluppo per PLC

SIMATIC Step 7 è lo strumento commerciale che verrà utilizzato in laboratorio per programmare il PLC Siemens S7 (Introduzione a SIMATIC Step 7)

UniSim

un tool di sviluppo e simulazione per sistemi di automazione basato sullo standard IEC 61131-3
sviluppato interamente da studenti della Federico II
distribuito con licenza GPL

Schermata di SIMATIC Step 7

UniSim

Informazioni generali – Attività di laboratorio

Per gli studenti che seguono, il corso include lo sviluppo di un semplice sistema di automazione per il prototipo di magazzino automatico presente nel Laboratorio di Automazione, Supervisione e Controllo del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione (DIETI).

Tipicamente le esercitazioni di laboratorio si tengono nel mese di maggio.

Immagine CAD del prototipo di magazzino industriale presente nei laboratori del DIETI

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 (produzione flessibile)

Automazione == 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 e controllo

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

Che cos’è un sistema di controllo e 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 – Il sistema di controllo

Sistema di controllo = sensori + dispositivi di controllo + attuatori

Sistema di controllo

Modello di un sistema automatizzato – Il sistema automatizzato

Sistema Automatizzato = Processo Fisico + Sistema di Controllo
Sistema di Controllo = Dispositivi di Controllo + HMI + reti di comunicazione

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 (necessità di sistemi di comunicazione e di interfacce uomo/macchina)

Il Sistema di Controllo esegue gli algoritmi necessari affinché il comportamento del Processo Fisico sia quello desiderato.

Sensori e trasduttori

il sensore è il componente che trasforma la grandezza da misurare nella grandezza misurata
il trasduttore è il componente che trasforma una grandezza di natura fisica o chimica in una grandezza di altra natura (tipicamente elettrica)

ESEMPIO - Resistance Temperature Detector (RTD)

$RTD=R_0(1+\alpha\Delta T+\beta\Delta T^2)$
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)

Circuito per la misura della temperatura basato sull'utilizzo di un RTD.

Attuatori e pre-attuatori

l’attuatore è il dispositivo che consente di agire su una o più grandezze del processo
il pre-attuatore è il 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
esegue algoritmi

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

Rispetto ai normali personal computer, i dispositivi che vengono utilizzati per realizzare i sistemi di controllo hanno caratteristiche particolari

Il Sistema di Controllo non deve essere necessariamente realizzato attraverso tecnologie elettroniche ed informatiche. In particolare sistemi di controllo realizzati con tecnologia idraulica o pneumatica sono utilizzati in specifici ambiti applicativi.

Modello di un sistema di controllo industriale

Il modello di riferimento per un sistema di controllo industriale è quello di un sistema distribuito in cui più dispositivi di controllo

comunicano tra loro utilizzando delle reti di comunicazioni
si interfacciano con il processo fisico
eseguono applicazioni per ottenere il comportamento desiderato per il sistema automatizzato

Nella figura A e C rappresentano applicazioni distribuite

Modello architetturale di riferimento per un sistema di controllo industriale.

Modello di un dispositivo di controllo industriale

Il modello di riferimento che verrà adottato in questo corso per un dispositivo di controllo prevede che ogni dispositivo abbia almeno una risorsa (capace di eseguire algoritmi), un’interfaccia verso il processo fisico ed un’interfaccia di comunicazione per il collegamento con altri dispositivi.

Modello di riferimento per un dispositivo di controllo.

Dispositivi di controllo industriale

Un dispositivo di controllo industriale è quindi 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:

Controllori per applicazioni generiche (microcontrollori, controllori con architetture a bus, ecc.), con prestazioni differenti in funzione dei campi applicativi
Controllori a Logica Programmabile (PLC): dispositivi con sistemi operativi real-time, costruttivamente robusti, specializzati per il controllo logico/sequenziale
Personal Computer: tipicamente utilizzati per la realizzazione delle interfacce con operatore (Human Machine Innterface, HMI)
Sistemi per il controllo dedicati al controllo di macchine complesse (ad esempio il controllo assi di un robot)