CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 1 MINICORSO DI PRESENTAZIONE DELL’INGEGNERIA DELL’AUTOMAZIONE PRESENTAZIONE DELL’INGEGNERIA DELL’AUTOMAZIONE Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 2 CHE COSA SARÀ MAI L’AUTOMATICA? Alessandro De Carli INFORMATICA HARDWARE INFORMATICA SOTWARE AERONAUTICA ENERGETICA MECCANICA ELETTRONICA ELETTRICA CHIMICA L’ AUTOMATICA NASCE DALL’ESIGENZA DI RENDERE PIÙ EFFICIENTI LE LINEE DI PRODUZIONE E DI RENDERE PIÙ SEMPLICE ED PIÙ EFFICACE L’ATTIVITÀ DELL’UOMO NELL’ORGANIZZAZIONE DELLA PROPRIA ESISTENZA Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 3 L’Automazione è una disciplina che, a differenza di altre più facilmente recepibili, richiede un approccio complesso e multidisciplinare che coinvolge la padronanza di metodologie specifiche e l’applicazione di prodotti realizzati con svariate tecnologie. L’origine dell’Automazione è relativamente recente ed è stata determinata dalla necessità di rendere più efficienti le linee di produzione. Attualmente è molto diffusa nella realtà produttiva e si è espansa verso tutte quelle applicazioni che si prefiggono di rendere più semplice ed più efficace l’attività dell’uomo nell’organizzazione della propria esistenza. L’Automazione richiede la conoscenza di metodi e tecniche che afferiscono a molteplici discipline, alcune tipiche dell’Ingegneria, altre inquadrabili in altre branche del Sapere, quali ad esempio l’Aerospazio, la Medicina, la Biologia, l’Economia, l’Organizzazione Sociale e Aziendale. Nell’Automazione, i problemi da risolvere sono molteplici, ognuno caratterizzato da aspetti non strettamente tecnologici. Per la realizzazione dei sistemi automatizzati, occorre saper risolvere problemi connessi non solo alla realizzazione, ma anche alla organizzazione del loro corretto funzionamento, alla valutazione della efficienza e della redditività, nonché all’addestramento delle persone coinvolte nel loro valido impiego. Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 4 MINICORSO DI AUTOMAZIONE INDUSTRIALE • COSA È L’INGEGNERIA DELLA AUTOMAZIONE INDUSTRIALE • APPROCCIO SISTEMATICO ALLA PROGETTAZIONE • FONDAMENTI DI MODELLISTICA • ORGANIZZAZIONE DELLE MODALITÀ DI CONTROLLO • FONDAMENTI DELLE MODALITÀ DI CONTROLLO • STRUMENTAZIONE - DISPOSITIVI DI MISURA • STRUMENTAZIONE - ATTUATORI E RETI DI COMUNICAZIONE • INTERFACCIA UOMO MACCHINA Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 5 INGEGNERIA INDUSTRIALE PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE DI APPARECCHIATURE E IMPIANTI CON TECNOLOGIE FACILMENTE RICONOSCIBILI QUALI LA MECCANICA, L’ELETTRICA, L’ELETTRONICA, L’INFORMATICA, ……… INGEGNERIA DELL’ AUTOMAZIONE TECNOLOGIA NASCOSTA MA SEMPRE PRESENTE INDISPENSABILE PER RENDERE FUNZIONANTI LE REALIZZAZIONI OTTENUTE CON TECNOLOGIE FACILMENTE RICONOSCIBILI SENZA L’AUTOMAZIONE SAREBBERO COME PEZZI DA MUSEO ! LE METODOLOGIE TIPICHE DELL’ATUOMAZIONE SONO APPLICATE ANCHE AD ALTRI SETTORI QUALI LA MEDICINA; L’ORGANIZZAZIONE DEI SERVIZI, DEL COMMERCIO, ECC Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 6 SIGNIFICATO DI: AUTOMAZIONE (da Wikipedia) L’automazione identifica la tecnologia che usa sistemi di controllo, come circuiti logici, elaboratori, per gestire macchine e processi, riducendo la necessità dell’intervento umano. Viene realizzata per l’esecuzione di operazioni ripetitive o complesse, ma anche dove viene richiesta sicurezza o certezza dell’azione o semplicemente per maggiore comodità. TECNOLOGIA (da dizionario della Lingua Italiana) Studio dei procedimenti e delle attrezzature necessarie per la trasformazione di una data materia in prodotto industriale Una particolare tecnologia non costituisce un vantaggio competitivo. Il vantaggio sta nell’uso che si è capaci di farne, progettando le applicazioni e il modo di operare in funzione delle potenzialità che tale tecnologia rende disponibili Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 7 REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE AUTOMAZIONE MECCANICHE, ELETTRICHE, ELETTRONICHE, INFORMATICHE Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 8 Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 9 REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE MECCANICHE REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE ELETTRICHE REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE ELETTRONICHE REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE INFORMATICHE REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE DELL’AUTOMAZIONE METODOLOGIE COMPONENTI PROGETTAZIONE CRITERI EMPIRICI METODOLOGIE SISTEMATICHE PRESTAZIONI VENGONO ACCETTATE QUELLE CHE POSSONO ESSERE OTTENENUTE Alessandro De Carli DEVONO ESSERE RAGGIUNTE QUELLE PREFISSATE REALIZZAZIONE Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 10 L’Ingegnere dell’Automazione ha come obiettivo quello di individuare le modalità secondo cui intervenire su una macchina o su un impianto in modo da poter ottenere i risultati desiderati nella maniera che ritiene essere la più opportuna e la più conveniente. L’intervento può essere effettuato agendo direttamente sulla macchina o sull’impianto, tramite un operatore, oppure indirettamente facendo in modo che un dispositivo, opportunamente realizzato, sia in grado di effettuare quegli interventi che avrebbe fatto un operatore esperto che conoscere il comportamento della macchina o dell’impianto ed è in grado di intervenire correttamente per ottenere il risultato desiderato. La progettazione, la realizzazione e l’esercizio di tali dispositivi costituisce l’obiettivo dell’Ingegnere dell’Automazione. Per poter intervenire sul comportamento della macchina o dell’impianto, genericamente indicato come sistema da controllare, occorre disporre di opportuni dispositivi o apparecchiature, dette genericamente attuatori, e così pure per poter conoscere le condizioni operative del sistema da controllare nonché gli effetti delle azioni di intervento, sono necessari adeguati dispositivi di misura. Le azioni di intervento, predisposte dall’Ingegnere dell’Automazione, sono ottenute applicando appropriate metodologie e sono rese operative tramite un dispositivo di elaborazione di caratteristiche appropriate. Gli attuatori, i dispositivi e dispositivi di misura comunicano fra di loro tramite reti di comunicazione di tipo dedicato. Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 11 Gli attuatori, i dispositivi di misura, i dispositivi di elaborazione, le reti di comunicazione e le modalità di controllo costituiscono il sistema di controllo. SISTEMA DI CONTROLLO MODALITÀ DI CONTROLLO ATTUATORI DISPOSITIVI DI MISURA DISPOSITIVI DI ELABORAZIONE RETI DI COMUNICAZIONE Il sistema da controllare e il sistema da controllo costituiscono un insieme inscidibile indicato comunemente come sistema controllato. SISTEMA CONTROLLATO ATTUATORI DISPOSITIVI DI MISURA DISPOSITIVI DI ELABORAZIONE RETI DI COMUNICAZIONE SISTEMA DI SISTEMA DA MODALITÀ DI CONTROLLO CONTROLLARE CONTROLLO Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 12 COSTO DEL SISTEMA CONTROLLATO SISTEMA DA CONTROLLARE SISTEMA DI CONTROLLO PROGETTAZIONE DELL’ARCHITETTURA DEL SISTEMA DI CONTROLLO ACQUISIZIONE DEGLI ATTUATORI E DEI DISPOSITIVI DI MISURA ACQUISIZIONE DELLA RETE DI COMUNICAZIONE MESSA IN FUNZIONE DELLA STRUMENTAZIONE E DELLA RETE DI COMUNICAZIONE PROGETTAZIONE E MESSA IN FUNZIONE DELLE MODALITÀ DI CONTROLLO Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 13 COSTO-PRESTAZIONI DI UN SISTEMA CONTROLLATO REALIZZAZIONE DEI PROGRAMMI PER IL RAGGIUNGIMENTO DELLE FUNZIONALITÀ E DELLE PRESTAZIONI DESIDERATE REALIZZAZIONE DEI PROGRAMMI PER IL MIGLIORAMENTO DELLA QUALITÀ DELLE PRESTAZONI DEL SISTEMA CONTROLLATO Alessandro De Carli PRESTAZIONI ACQUISIZIONE DELLA STRUMENTAZIONE E DELLA RETE DI COMUNICAZIONE PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE DEL SISTEMA DA CONTROLLARE COSTO REALIZZAZIONE DEL SISTEMA DA CONTROLLARE SCELTA E ISTALLAZIONE DELLA STRUMENTAZIONE RISOLUZIONE DEI PROBLEMI DI SOFTWARE RELATIVI AL COLLEGATEMENTO FRA LA STRUMENTAZIONE E I DISPOSITIVI DI ELABORAZIONE PROGETTAZIONE DELLE MODALITÀ DI CONTROLLO LORO TRASFERIMENTO NEI DISPOSITIVI DI ELABORAZIONE Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 14 COMPETENZE PER LA PROGETTAZIONE, LA REALIZZAZIONE E LA GESTIONE DI UN SISTEMA CONTROLLATO PROGETTAZIONE REALIZAZZIONE • DEL SISTEMA DA CONTROLLARE • DELLA ARCHITETTURA DEL SISTEMA DI CONTROLLO • DELLA ARCHITETTURA DELLA RETE DI COMUNICAZIONE • DEL’INTERFACCIA UOMO-MACCHINA • DEI SERVIZI AUSILIARI • DEL SISTEMA DA CONTROLLARE • DEI SERVIZI AUSILIARI SCELTA • DELLA STRUMENTAZIONE DI MISURA E DEGLI ATTUATORI • SCELTA DEI COMPONENTI DELLA RETE DI COMUNICAZIONE • DELLE MODALITÀ DI CONDUZIONE E DI CONTROLLO DEI SINGOLI ELEMENTI • SCELTA DELLE MODALITÀ DI CONDUZIONE Alessandro De Carli ISTALLAZIONE • DELLA STRUMENTAZIONE • DELLA RETE DI COMUNICAZIONE • DEI PROGRAMMI PER IL CONTROLLO DEGLI ELEMENTI SINGOLI E PER IL LORO COORDINAMENTO • DEI PROGRAMMI PER L’INTERFACCIA UOMO MACCHINA GESTIONE • • • • • DEL SISTEMA CONTROLLATO DEI SINGOLI SOTTOSISTEMI DELLE CORTE DELLA MANUTENZINE ORDINAZIA DELLE EMERGENZE Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 15 ALCUNE FRA LE PROFESSIONALITÀ RICHIESTE • CONDUTTORE DEL SISTEMA CONROLLATI COMPLESSI • ADDETTO ALLA STRUMENTAZIONE • GESTORE DELLA RETE DI COMUNICAZIONE • RESPONSABILE DEL CONTROLLO DEI SINGOLI IMPIANTI • PROGETTISTA DI SISTEMI DI CONTROLLO • PROGETTISTA DI STRUMENTAZIONE EVOLUTA • PROGETTISTA DI SISTEMI DI AUTOMAZIONE Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 16 ALCUNE FRA LE PROFESSIONALITÀ EMERGENTI CONDUTTORE DI IMPIANTO OPERAIO SPECIALIZZATO CONOSCENZA DELLA FUNZIONALITÀ DEL SISTEMA DA CONTROLLARE E DEL SISTEMA DI CONTROLLO ADDETTO ALLA STRUMENTAZIONE OPERAIO SPECIALIZZATO TECNICO DIPLOMATO LAUREATO IN INGEGNERIA DELL’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE CONOSCENZA DEL FUNZIONAMENTO E DELLA MANUTENZIONE ORDINARIA CONOSCENZA DELLA STRUMENTAZIONE DA CAMPO DI TIPO CONVENZIONALE GESTORE DELLA RETE DI COMUNICAZIONE TECNICO DIPLOMATO LAUREATO IN INGEGNERIA DELL’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE INGEGNERE DI PROCESSO TECNICO DIPLOMATO ESPERTI NELLA GESTIONE DI IMPIANTI, DI AUTOMAZIONE INDUSTRIALE, LOGISTICA, MANUTENZIONE DEGLI IMPIANTI LAUREATO IN INGEGNERIA DELL’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE Alessandro De Carli CONOSCENZA DELL’HARDWARE UTILIZZATO DALLA RETE CONOSCENZA DEI PROTOCOLLI E DEL SOFTWARE DI COMUNICAZIONE CONOSCENZA APPROFONDITA DI: - STRUTTURA E FUNZIONAMENTO DI IMPIANTI INDUSTRIALI - STRUMENTAZIONE E FONDAMENTI DI AUTOMAZIONE INDUSTRIALE - LOGISTICA E MANUTENZIONE Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 17 PROGETTISTA DI SISTEMI CONTROLLATI COMPLESSI • TECNICO STRUMENTISTA • ESPERTO IN INFORMATICA INDUSTRIALE • DOTTORE IN INGEGNERIA DEI SISTEMI PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE DEL SISTEMA DI AUTOMAZIONE DI UN IMPIANTO PROGETTISTA DI STRUMENTAZIONE EVOLUTA • TECNICO DIPLOMATO SPECIALIZZATO IN AUTOMAZIONE INDUSTRIALE • ESPERTO IN INFORMATICA INDUSTRIALE • ESPERTO IN STRUMENTAZIONE INDUSTRIALE • DOTTORE IN INGEGNERIA DEI SISTEMI CONOSCENZA APPROFONDITA DELLA STRUMENTAZIONE CONVENZIONALE E INNOVATIVA PROGETTISTA DI SISTEMI DI CONTROLLO PER L’AUTOMAZIONE • ESPERTO IN INFORMATICA INDUSTRIALE • ESPERTO IN STRUMENTAZIONE INDUSTRIALE • DOTTORE IN INGEGNERIA DEI SISTEMI Alessandro De Carli PROGETTAZIONE DELLE MODALITÀ DI GE-STIONE E DI ESERCIZIO DI UN SISTEMA COMPLESSO, DI UN IMPIANTO E DEL CONTROLLO DEI SINGOLI APPARATI Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 18 INGEGNERE DI SISTEMA CONOSCE “TUTTO” DEL SISTEMA DA CONTROLLARE E DEL SISTEMA DI CONTROLLO INGEGNERE DI PROCESSO CONOSCE “COME FAR FUNZIONARE” IL SISTEMA DA CONTROLLARE E IL RELATIVO SISTEMA DI CONTROLLO INGEGNERE STRUMENTISTA SA COME SCEGLIERE LA STRUMENTAZIONE E COME RENDERLA OPERATIVA INGEGNERE DEL CONTROLLO CONOSCE COME PROGETTARE LE MODALITÀ DI CONTROLLO E SA SCEGLIERE QUELLE PIÙ INDICATE INGEGNERE DELLA CONOSCENZA CONOSCE COME “TRATTARE” I DATI E LE INFORMAZIONI PROVENIENTI DAL SISTEMA CONTROLLATO E RENDERLI UTILIZZABILI PER IL CONTROLLO Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 19 POSSIBILI SETTORI APPLICATIVI DI UN ESPERTO IN AUTOMAZIONE INDUSTRIALE • PROGETTAZIONE DELLA ARCHITETTURA DEL SISTEMA DI CONTROLLO DI UN SISTEMA COMPLESSO, DI UN IMPIANTO, DI UN APPARATO, DI UN COMPONENTE, DI UN ELEMENTO SINGOLO; • SCELTA DELLA STRUMENTAZIONE HARDWARE E SOFTWARE; • ISTALLAZIONE E MESSA IN FUNZIONE DELLA STRUMENTAZIONE HARDWARE; • REALIZZAZIONE DEI PROGRAMMI SOFTWARE DI CONNESSIONE DELLA STRUMENTAZIONE DI CONTROLLO AI DISPOSITIVI PER LA ELABORAZIONE DELLE MODALITÀ DI CONTROLLO; • PROGETTAZIONE DELLE MODALITÀ DI COORDINAMENTO DEI DISPOSITIVI PER IL CONTROLLO DEGLI ELEMENTI SINGOLI; • ASSISTENZA E AGGIORNAMENTO DI SISTEMI DI CONTROLLO ESISTENTI; • PROGETTAZIONE DELLE MODALITÀ DI GESTIONE OTTIMIZZATA E DI ESERCIZIO DI UN SISTEMA COMPLESSO; • PROGETTAZIONE DI STRUMENTAZIONE HARDWARE E SOFTWARE NON CONVENZIONALE. Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 20 Finalità dell’istruzione universitaria L’Ingegnere dell’Automazione può iscriversi all’albo per: INGEGNERE INDUSTRIALE INGEGNERE DELL’INFORMAZIONE All’Università occorre acquisire: 1. le conoscenze e le metodologie di base necessarie per rispondere alla domanda: COME SI RIESCE AD OTTENERE DAL SISTEMA DA CONTROLLARE IL COMPORTAMENTO DESIDERATO? 2. le competenze per rispondere alla domanda: COME PROGETTARE E REALIZZARE IL SISTEMA CONTROLLATO CON LE FINALITÀ PREFISSATE ? Commissario Universitario: verifica della acquisizione delle metodologie di base ES. Come è strutturato un sistema controllato? Commissario dell’Ordine: verifica che il candidato sappia proporre soluzioni pratiche alle richieste di un possibile committente. ES. Quali sono le finalità, le prestazioni e il costo del sistema controllato proposto ? DAMMI • QUELLO CHE TI CHIEDO • SUBITO • AL COSTO MINIMO VOGLIO Competenze necessarie per la Professione Alessandro De Carli • UNA SOLUZIONE INNOVATIVA • NON SPERIMENTALE • ESCLUSIVA • FACILE DA USARE • DI ELEVATA QUALITÀ VOGLIO ESSERE COMPLETAMENTE SODDISFATTO SUBITO VOGLIO GUADAGNARE TANTISSIMO L’INGEGNERE DELL’AUTOMAZIONE DEVE POTER RISPONDERE ALLE RICHIESTE DEL COMMITTENTE. Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 21 MINICORSO DI PRESENTAZIONE DELL’INGEGNERIA DELL’AUTOMAZIONE APPROCCIO SISTEMATICO ALLA PROGETTAZIONE Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 22 PROGETTAZIONE IMPEGNO TEMPORANEO INTRAPRESO ALLO SCOPO DI CREARE UNA NUOVA REALIZZAZIONE (UN IMPIANTO O UN PROGRAMMA SOFTWARE) • IMPEGNO TEMPORANEO, SIGNIFICA CHE HA UN INIZIO E UNA FINE • LA FINE DI UN PROGETTO VIENE RAGGIUNTA QUANDO VENGONO OTTENUTI GLI OBIETTIVI DESIDERATI OPPURE QUANDO È EVIDENTE CHE SARÀ IMPOSSIBILE RAGGIUNGERLI OVVERO QUANDO IL PROGETTO NON È PIÙ NECESSARIO O QUANDO VIENE CHIUSO • IMPEGNO TEMPORANEO NON SIGNIFICA DI BREVE DURATA • LA PROGETTAZIONE NON È UN’ATTIVITÀ RIPETITIVA E CICLICA • LO SCOPO DEL PROGETTO È IL RAGGIUNGIMENTO DELL’ OBIETTIVO PREFISSATO IL RISULTATO DI UN PROGETTO DEVE ESSERE UN PRODOTTO MISURABILE E VERIFICABILE. Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 23 APPROCCIO CONVENZIONALE AD UNA NUOVA REALIZZAZIONE COMMITTENTE FUNZIONALITÀ PRESTAZIONI PROGETTAZIONE REALIZZAZIONE DEL PROGETTO MESSA IN ESERCIZIO VALIDAZIONE DELLA FUNZIONALITÀ E DELLE PRESTAZIONI Alessandro De Carli COSTO ELEVATO MODIFICHE Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 24 COMMITTENTE UTENTE FINALE ESPERTI PER LA RELIZZAZIONE DEL SISTEMA CONTROLLATO ANALISI DEI REQUISITI FUNZIONALI REQUISITI FUNZIONALI STANDARDIZZAZIONE DOCUMENTAZIONE PROGETTAZIONE DELLE SPECIFICE FUNZIONALI Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 25 SVILUPPO DI UN PROGETTO SECONDO UN APPROCCIO INNOVATIVO 1) definizione dello scopo del progetto, delle motivazioni, delle finalità, delle caratteristiche dominanti, 2) formulazione delle proposte di possibili realizzazioni, di modalità di funzionamento e di utilizzazione 3) valutazione del raggiungimento delle finalità desiderate e del rapporto costo/benefici 4) individuazione delle caratteristiche dominanti e degli elementi di fondamentale rilevanza 5) definizione della struttura prescelta e delle specifiche globali e parziali 6) scelta degli elementi che compongono la nuova realizzazione 7) assemblaggio degli elementi prescelti 8) implementazione delle modalità di funzionamento e utilizzazione 9) realizzazione dell’interfaccia uomo/macchina 10) messa in esercizio della nuova realizzazione Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 26 PROGETTTAZIONE SISTEMATICA DI UN NUOVA REALIZZAZONE • DEFINIZIONE DELLE PRESTAZIONI RICHIESTE DALL’UTENTE FINALE • TRACCIABILITÀ E STORIA DEI CAMBIAMENTI • DEFINIZIONE DELLE RISORSE NECESSARIE ALLA REALIZZAZIONE DEL PROGETTO • ELENCO DELLE ATTIVITÀ CHE IL SISTEMA DEVE SVOLGERE • CONOSCENZE DI BASE PER LA PROGETTAZIONE E PER LA OTTIMIZZAZIONE DEL PROGETTO • APPROCCIO LOGICO ED ECONOMICO AI CAMBIAMENTI • SUDDIVISIONE DEL LAVORO DI PROGETTAZIONE IN GRUPPI • ORGANIZZAZIONE DELLE PROVE E DELLE METRICHE DI VALUTAZIONE PER IL RICONOSCIMENTO DEL LAVORO SVOLTO ANCHE DURANTE LO SVILUPPO DEL PROGETTO • DOCUMENTAZIONE DEGLI ASPETTI SALIENTI DEL SISTEMA IN TERMINI NON STRETTAMENTE TECNICI IN MODO CHE POSSA ESSERE UTILIZZATO DALLE PERSONE COINVOLTE • ORGANIZZAZIONE CONTRATTUALE EVIDENTE E CHIARA Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 27 GUIDA ALLA PROGETTAZIONE SISTEMATICA DI UNA NUOVA REALIZZAZIONE OBIETTIVI FINALITÀ, UTILIZZAZIONE CONDIZIONI OPERATIVE SPECIFICHE PRESTAZIONI, SPECIFICHE, COSTO PROGETTAZIONE STRUTTURA DELLA NUOVA REALIZZAZIONE PROVE DI ACCETTAZIONE PROVE DI FUNZIONALITÀ PROVE PARZIALI SUI COMPONENTI REALIZZAZIONE Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 28 APPROCCIO INNOVATIVO ALLE NUOVE REALIZZAZIONI FUNZIONALITÀ COMMITTENTE PRESTAZIONI PROGETTAZIONE REALIZZAZIONE DEL PROGETTO IN REALTÀ VIRTUALE COSTO BASSO VERIFICA DELLA FUNZIONALITÀ E DELLE PRESTAZIONI MODIFICHE ESSENZIALI REALIZZAZIONE DEL PROGETTO MODIFICATO COSTO LIMITATO MESSA IN ESERCIZIO VALIDAZIONE DELLA FUNZIONALITÀ E DELLE PRESTAZIONI Alessandro De Carli MODIFICHE MARGINALI Febbraio 2010 COSTO DEL SISTEMA CONTROLLATO DURANTE IL CICLO DI VITA CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 29 INVESTIMENTI SPESE PROGETTAZIONE CONCETTUALE PROGETTAZIONE PER LA REALIZZAZIONE REALIZZAZIONE E MESSA IN ESERCIZIO PRODUZIONE MODIFICHE AGGIORNAMENTI CICLO DI VITA DI UN SISTEMA CONTROLLATO Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 30 UNA DELLE PRINCIPALI CAUSE DI FALLIMENTO DI UN PROGETTO È LA SCARSA DEFINIZIONE E COMPRENSIONE DELLO SCOPO come lo spiega il committente come è documentato il progetto Alessandro De Carli come lo interpreta il capo progetto come è realizzato dall’installatore come lo progetta l’analista come è stato fatturato al cliente come lo progetta l’informatico come è stata effettata la manutenzione come lo progetta il fornitore ECCO COSA VOLEVA IL COMMITTENTE Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 31 STRUTTURA DI UN SISTEMA CONTROLLATO SISTEMA DA CONTROLLARE SISTEMA DINAMICO COMPLESSO A PIÙ VARIABILI DI INGRESS0 E PIÙ VARIABILI DI USCITA ATTUATORI STRUMENTAZIONE • • • • DISPOSITIVI DI MISURA RETE DI COMUNICAZIONE MODULI DI INPUT/OUTPUT SOFTAWARE DI CONNESSIONE DELLA STRUMENTAZIONE • SOFTWARE DI CONFIGURAZIONE DELLA RETE SISTEMI OPERATIVI IN TEMPO REALE MODALITÀ DI CONTROLLO DISPOSITIVI DI ELABORAZIONE ALGORITMI DI CONTROLLO INTERFACCIA UOMO-MACCHINA Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 32 SVILUPPO DELLE INNOVAZIONI RICHIESTE DEL MERCATO SVILUPPO DI NUOVI PRODOTTI INNOVAZIONI TECNOLOGICHE IMPIANTI DI PRODUZIONE PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI MODALITÀ DI PRODUZIONE CARATTERISTICHE DEL NUOVO PRODOTTO REALIZZAZIONE DI PROTOTIPI VERIFICHE DI VALIDITÀ DEL PRODOTTO PROGETTAZIONE DELLE MODALITÀ DI CONTROLLO REALIZZAZIONE DEL SISTEMA DI CONTROLLO INVESTIMENTI REALIZZAZIONE MESSA IN PRODUZIONE FORNITORI DELLA STRUMENTAZIONE Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 33 DEFINIZIONE DEI REQUISITI REQUISITI FUNZIONALI LEGAME FRA LE VARIABILI: • DI INGRESSO • INTERNE • DI USCITA REQUISITI NON FUNZIONALI PRESTAZIONI AFFIDABILITÀ ROBUSTEZZA ADATTATIVITÀ TOLLERANZA AI GUASTI SICUREZZA COSTO TESTABILITÀ MANUTENIBILITÀ RIUSABILITÀ DOCUMENTAZIONE Alessandro De Carli COMPORTAMENTO DURANTE IL FUNZIONAMENTO DURANTE LA PROGETTAZIONE Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 34 DEFINIZIONE DELLE FINALITÀ DEL SISTEMA CONTROLLATO DEFINIZIONE DELLE FUNZIONALITÀ E DELLE SPECIFICHE PROGETTAZIONE DEL SISTEMA DA CONTROLLARE PROGETTAZIONE DELLE MODALITÀ DI FUNZIONAMANTO ISTALLAZIONE DELLA STRUMANTAZIONE SCELTA DEI DISPOSITIVI DIMISURA, DEGLI ATTUATORI, DELLA RETE DI COMUNICAZIONE INTERFACCIA OPERATORE PROGETTAZIONE DELLE MODALITÀ DI INTERVENTO IMPLEMENTAZIONE SUI DISPOSITIVI DI ELABORAZIONE INTEGRAZIONE DEL SISTEMA DA CONTROLLARE CON LE MODALITÀ DI CONTROLLO PROGETTAZIONE DELL’INTERFACCIA UOMA-MACCHINA PROGETTAZIONE DELLE MODALITÀ DI CONDUZIONE PROGETTAZIONE DELLE MODALITÀ DI GESTIONE PROGETTAZIONE DELLE MODALITÀ DI MANUTENZIONE VERIFICHE DI VALIDITÀ DELLA SCELTE PROGETTUALI Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 35 MINICORSO DI PRESENTAZIONE DELL’INGEGNERIA DELL’AUTOMAZIONE FONDAMENTI DI MODELLISTICA Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 36 MODELLAZIONE PROCEDURA PER LA RAPPRESENTAZIONE DI UN FENOMENTO, DI UN EVENTO, DI UNA REALTÀ CONCRETA O ASTRATTA MEDIANTE UN MODELLO VERBALE STRUTTURALE COMPORTAMENTALE FORMALE FISICO FUNZIONALE • verbale concisa descrizione verbale degli aspetti salienti dell’elemento in esame • strutturale descrizione degli elementi che compongono l’elemento in esame • formale rappresentazione formale di conoscenze relative dell’elemento in esame finalizzata alla comprensione, interpretazione, previsione del suo comportamento • fisico rappresentazione di alcuni aspetti di interesse dell’elemento in esame tramite un oggetto fisico di complessità limitata • comportamentale descrizione del comportamento e degli interventi sull’elemento in esame • funzionale descrizione accurata delle attività e delle prestazioni Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 37 Nell’ambito della AUTOMAZIONE INDUSTRIALE di particolare rilevanza sono il modello strutturale, il modello funzionale e il modello comportamentale. MODELLO STRUTTURALE descrizione degli elementi come che compongono un sistema delle interazioni è statoe realizzato MODELLO FUNZIONALE cosa fadelle attività e descrizione puntuale delle prestazioni il sistema in esame MODELLO FISICO MODELLO CONCETTUALE MODELLO COMPORTAMENTALE descrizione come del comportamento e degliessere interventi sul sistema può riutilizzato Affinché un modello possa risultare valido è opportuno che sia: • affidabile • facilmente giustificabile • facilmente comprensibile • eseguibile con un programma di calcolo di limitata complessità. Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 38 Per progettare le modalità di intervento che consentono di agire sul sistema da controllare occorre utilizzare dispositivi in grado di imprimere al sistema da controllare le azioni di intervento che consentono di raggiungere le finalità desiderate. Occorre anche conoscere la struttura e il funzionamento del sistema da controllare. STRUTTURA INDIVIDUAZIONE DELLE POSSIBILITÀ DI INTERVENTO INDIVIDUAZIONE DELLE MODALITÀ DI VERIFICA DEL RAGGIUMGIMENTO DELLE FINALITÀ DESIDERATE CONNESSIONI CAUSA - EFFETTO MODELLO COMPORTAMENTALE STATICO FORMULAZIONE DEL MODELLO NEL DOMINIO DEL TEMPO DINAMICO NEL DOMINIO DELLA FREQUENZA Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 39 PROGETTAZIONE DI UNSISTEMA CONTROLLATO FINALITÀ - PRESTAZIONI - SPECIFICHE SISTEMA DA CONTROLLARE CONNESSIONE CAUSA-EFFETTO MODALITÀ DI CONTROLLO MODELLO DELLA MODALITÀ DI CONTROLLO MODELLO DEL SISTEMA DA CONTROLLARE MODELLO DEL SISTEMA CONTROLLATO VALIDAZIONE IN REALTÀ VIRTUALE REALIZZAZIONE DEL SISTEMA CONTROLLATO Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 40 Alessandro De Carli SISTEMA VARIABILI DI USCITA DISTURBI VARIABILI DI INGRESSO Tenuto conto delle attività che il sistema da controllare, semplice o complesso, dovrà svolgere e delle conseguenti condizioni operative, previste e/o prevedibili, occorre individuare: • le variabili in grado modificare il comportamento del sistema in esame, indicate come variabili di ingresso, • le variabili da collegate agli effetti, indicate come variabili di uscita. • le variabili che indicano il raggiungimento delle finalità desiderate, indicate come variabili controllate, • le variabili che fissano le condizioni operative, indicate come parametri operativi • le variabili che possono alterare le condizioni di funzionamento desiderate, indicate come disturbi. • le variabili che caratterizzano le condizioni operative all’interno del sistema da controllare, indicate come variabili di stato. VARIABILI DI STATO VARIABILI DI INTERVENTO Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 41 SISTEMA IN ESAME FINALITÀ DEL MODELLO MODALITÀ DI FUNZIONAMENTO DA PRENDERE IN CONSIDERAZIONE PER LA FORMULAZIONE DEL MODELLO UTILIZZAZIONE DEL MODELLO VARIABILI DI INTERESSE PER LA FORMULAZIONE DEL MODELLO AFFIDABILITÀ DEL MODELLO FORMULAZIONE DEL MODELLO Alessandro De Carli Febbraio 2010 Il modello ottenuto prendendo in considerazione solo il comportamento esterno senza conoscere la struttura del sistema sono detti modelli a scatola nera VARIABILI DI USCITA VARIABILI DI USCITA VARIABILI DI USCITA I modelli ricavati in base alla conoscenza della struttura del sistema, ed ottenuti applicando a ciascuno degli elementi che lo compongono il principio di causalità, sono detti modelli a scatola grigia. MODELLO COMPLETO VARIABILI VARIABILI DI INGRESSO DI INGRESSO Conoscendo oltre alla struttura del sistema, anche le caratteristiche dei singoli elementi che lo compongono, è possibile ricavare un modello completo che consente di calcolare non solo le variabili di uscita in funzione delle variabili di ingresso ma anche il comportamento di ognuno degli elementi. VARIABILI DI INGRESSO CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 42 Dal modello completo possono essere ricavati gli altri modelli ma non il viceversa. Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 43 Per la formulazione di un modello idoneo alla simulazione in realtà virtuale occorre rappresentare i valori delle grandezze che caratterizzano il sistema in esame in funzione del loro andamento che può essere : • di tipo continuo; • di tipo discontinuo; • periodico; • casuale; • caotico. È compito dell’analista del sistema in esame individuare correttamente il tipo di variabili di ingresso, di uscita e di disturbo, e soprattutto scegliere il modo più opportuno per rappresentarle e per modellare il sistema in esame in modo semplice ma accurato, al fine di poter ottenerne una corretta utilizzazione. andamento di una variabile di tipo continuo anche nella derivata prima andamento di una variabile di tipo continuo con discontinuità nella derivata prima andamento di una variabile di valore predefinito in ogni tratto tempo tempo tempo tempo andamento di una variabile campionata andamento di una variabile di tipo continuo a tratti andamento di una variabile di con andamento periodico andamento di una variabile di tipo casuale andamento di una variabile campionata T DT tempo DT passo di campionamento Alessandro De Carli andamento di una variabile di tipo caotico tempo tempo tempo Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 44 Quando gli elementi che compongono un sistema hanno un comportamento dinamico poco significativo oppure quando le variabili di ingresso e le variabili di uscita hanno un andamento analogo, è possibile descrivere il comportamento del sistema con un modello statico. Un modello statico fornisce valore delle variabili di uscita in funzione del valore delle variabili di ingresso quando all’interno del sistema si è esaurita ogni evoluzione. Un modello statico può essere formulato come tabelle di dati, oppure come un grafico e infine come una espressione analitica. I modelli statici formulati come tabelle di dati e come grafici sono indicati come modelli non parametrici mentre quelli espressi da espressioni analitiche sono detti modelli parametrici. TABELLA variabile variabile di ingresso di uscita u1 u2 •• • un y1 y2 •• • yn ESPRESSIONE ANALICA GRAFICO y y = f(u) u I modelli formulati in modo da descrivere il comportamento del sistema durante la sua evoluzione, sono indicati come modelli dinamici. Un modello dinamico consente di calcolare l’andamento delle variabili di uscita e/o delle variabili di stato in funzione del valore delle condizioni iniziali, dell’andamento delle variabili di ingresso e/o dei disturbi. Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 45 Anche i modelli dinamici possono essere di tipo parametrico e non parametrico. Nei modelli dinamici non parametrici il comportamento dinamico è caratterizzato dall’andamento delle variabili di uscita in funzione di andamenti predefiniti e facilmente riproducibili delle variabili di ingresso e/o dei disturbi. Gli andamenti delle variabili di ingresso più diffusamente utilizzati per ottenere modelli dinamici non parametrici sono del tipo a gradino o di tipo sinusoidale. Per gli andamenti di tipo a gradino, l’indagine sul comportamento dinamico di un sistema va effettuata variando l’ampiezza del gradino. L’andamento della variabile di uscita, corrispondente ad una variazione a gradino di una variabile di ingresso, viene indicata come risposta a gradino. Per gli andamenti di tipo sinusoidale, l’indagine sul comportamento dinamico di un sistema va effettuata variando sia l’ampiezza sia la pulsazione della sinusoide di ingresso. Al variare della pulsazione si rileva che il rapporto fra l’ampiezza della sinusoide di uscita e l’ampiezza della sinusoide di ingresso non rimane costante e così pure lo sfasamento reciproco fra la sinusoide di ingresso e quella di uscita. Per caratterizzare il comportamento dinamico di un sistema occorre determinare l’andamento sia del rapporto fra le ampiezze delle sinusoidi di ingresso e di uscita sia lo sfasamento reciproco. L’andamento del rapporto fra l’ampiezza della sinusoide di uscita e la sinusoide di ingresso e l’andamento dello sfasamento reciproco al variare della pulsazione vengono indicati come risposta armonica. Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 46 y(t) DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DELLA RISPOSTA A GRADINO L’andamento della variabile di uscita a seguito della applicazione di una variabile di ingresso di tipo a gradino può essere essenzialmente di tre tipi: • linearmente crescente: • esponenziale; • oscillatorio più o meno smorzato. Dall’andamento della variabile di uscita si ricava la durata del transitorio, che risulta essere un parametro molto significativo. 0 tempo y(t) tempo Y 0 Y 0 tempo tempo y(t) U SISTEMA DINAMICO SOTTO PROVA 0 y(t) u(t) Y Y 0 tempo RISPOSTA ARMONICA La risposta armonica può essere ricavata sperimentalmente applicando al sistema sotto prova una variabile di ingresso di tipo sinusoidale e registrando l’andamento della variabile di uscita, quando l’escursione della sinusoide di uscita rimane di valore costante. Il campo di escursione della pulsazione va esteso in modo da ottenere che l’escursione dell’ampiezza della sinusoide di uscita risulti significativa. Alessandro De Carli Febbraio 2010 u(t) DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DELLA RISPOSTA ARMONICA U Y(w1) 0 0 tempo -U u(t) SISTEMA DINAMICO SOTTO PROVA U 0 MdB (w1) = 20 log10 Y(wi) 0 tempo -U tempo -Y(w1) u(t) u(t) CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 47 tempo -Y(wi) Y(w1) U MdB (wi) = 20 log10 Y(wi) U A titolo di esempio, sono riportati gli andamenti del diagramma dei moduli e del diagramma delle fasi per un sistema caratterizzato da una risposta a gradino di tipo oscillatorio molto smorzato. fase (gradi) modulo (dB) DIAGRAMMA DEI MODULI 0 -10 -20 -30 0 -45 -90 -135 -180 .1 Alessandro De Carli DIAGRAMMA DELLE FASI 1 w (rad/sec) 10 Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 48 Per ottenere una caratterizzazione significativa del comportamento dinamico di un sistema occorre rilevare sia la risposta a gradino sia la risposta armonica. L’andamento della risposta a gradino è in grado di caratterizzare in modo significativo il comportamento del sistema quando i fenomeni transitori sono in via di esaurimento e fornisce informazioni utili per valutare l’andamento del transitorio dopo gli istanti iniziali. L’andamento della risposta armonica risulta particolarmente significativo per caratterizzare il comportamento del sistema negli istanti iniziali, ossia quando i fenomeni transitori sono più significativi. RISPOSTA A GRADINO modulo (dB) y(t) Y 1 .5 0 RISPOSTA ARMONICA 0 -10 -20 -30 0 5 Alessandro De Carli 10 15 20 25 tempo (sec) .1 1 w (rad/sec) 10 Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 49 In numerosi sistemi complessi realizzati dall’uomo, le finalità desiderate sono ottenute attivando secondo un ordine prestabilito i vari sottosistemi in modo da poter raggiungere le finalità e la prestazioni desiderate. L’attivazione dei singoli sottosistemi è effettuata in relazione al comportamento che devono avere dopo che sono esauriti gli inevitabili transitori collegati all’avviamento e alla fermata. Ai fini del raggiungimento delle finalità desiderate l’interesse dominante è pertanto quello collegato al funzionamento a regime permanente. L’attivazione in sequenza dei vari sottosistemi determina una evoluzione del sistema complesso che interessa poter modellare non solo per studiarne il comportamento ma anche per progettare le modalità di intervento finalizzate al raggiungimento della funzionalità desiderata. L’attivazione dei singoli sottosistemi è ottenuta agendo sulle interazioni ed è determinata da una decisione. Nella modellazione del comportamento di tali sistemi complessi, interessa indicare i sottosistemi che realizzano il sistema complesso e la sequenza delle decisioni che determinano l’attivazione di ogni sottosistema. ATTIVAZIONE INIZIALE DECISIONE n-1 SOTTOSISTEMA n DECISIONE n SOTTOSISTEMA n+1 DECISIONE n+1 SOTTOSISTEMA n+1 Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 50 MINICORSO DI PRESENTAZIONE DELL’INGEGNERIA DELL’AUTOMAZIONE ORGANIZZAZIONE DELLE MODALITÀ DI CONTROLLO Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 51 Nella progettazione dei sistemi di controllo ricorrono frequentemente alcuni termini il cui significato conviene che sia illustrato in modo dettagliato. Tali termini sono: • FINALITÀ • FUNZIONALITÀ • PRESTAZIONI • SPECIFICHE • ASPETTO QUALITATIVO • ASPETTO QUANTITATIVO • CONDIZIONI OPERATIVE FINALITÀ raggiungimento degli obiettivi richiesti dal committente da parte del sistema da controllare, quando è sottoposto ad opportune azioni di intervento, ossia è sottoposto all’azione di controllo. FUNZIONALITÀ attività richieste dal committente affinché il sistema da controllare, per effetto delle azioni di intervento, possa raggiungere le finalità per le quali è stato progettato e realizzato. PRESTAZIONI attività che il sistema da controllare è in grado di svolgere quando è sottoposto alle azioni di controllo SPECIFICHE richieste del committente per la realizzazione di un sistema controllato. Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 52 FINALITÀ FUNZIONALITÀ ATTIVITÀ PRESTAZIONI RISULTATI SPECIFICHE ELENCO DETTAGLIATO SCHEMATICO QUALITATIVO DEI RISULTATI Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 53 Le finalità di un sistema da controllare, la funzionalità del sistema controllato, le prestazioni, le specifiche fornite, possono essere descritte tramite il linguaggio naturale in modo qualitativo, e specificate in modo quantitativo, tramite il valore di opportune entità misurabili. MODALITÀ DI FUNZIONAMENTO DI TIPO CONTINUO RAFFINERIA, DISTILLAZIONE, CEMENTIFICIO, RETI DI DISTRIBUZIONE AD EVENTI PROGRAMMATI LAMINATOI, MACCHINE DA IMBALLAGGIO,… AD EVENTI SINGOLI MOVIMENTAZIONE DI PARTI MECCANICHE, DI CARRI PONTE,... CONDIZIONI OPERATIVE FUNZIONAMENTO IN CONDIZIONI NOMINALI AVVIAMENTO FERMATA MALFUNZIONAMENTO PARZIALE EMERGENZA Prima di procedere all’individuazione delle modalità di intervento, da rendere operative tramite il sistema di controllo, è necessario svolgere una fase di analisi sugli elementi che costituiscono il sistema da controllare, conoscerne approfonditamente le modalità di funzionamento al fine di individuare le possibilità di applicare le azioni di intervento e verificarne il loro effetto. Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 54 IL RUOLO DELL’OPERATORE PER RENDERE OPERATIVO IL CONTROLLO DI UN SISTEMA SISTEMA DI CONTROLLO EVENTI ATTIVAZIONE DECISIONE AZIONE DI CONTROLLO SENSORI DISTURBI VARIABILI INTERNE VARIABILI CONTROLLATE VARIABILI DI COMANDO DEGLI ATTUATORI SISTEMA DA CONTROLLARE ATTUATORI RETE DI COMUNICAZIONE Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 55 SCHEMA FUNZIONALE DI UN SISTEMA CONTROLLATO AZIONI DI INTERVENTO SISTEMA DA CONTROLLARE SISTEMA DA SOTTOPORRE ALL’AZIONE DI CONTROLLO SISTEMA DI CONTROLLO STRUMENTAZIONE RETE DI COMUNICAZIONE MODALITÀ DI VALUTAZIONE DEGLI CONTROLLO EFFETTI DELLE AZIONI DI INTERVENTO AZIONI DI CONOSCENZA SISTEMA CONTROLLATO Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 56 STRUTTURA DI UN SISTEMA CONTROLLATO DISTURBI VARIABILI DI FORZAMENTO VARIABILI DI COMANDO FINALITÀ DESIDERATE VALUTAZIONE DEL RISULTATO MODALITÀ DI INTERVENTO VARIABILI CONTROLLATE SISTEMA DA CONTROLLARE VERIFICA DEL RAGGIUNGIMENTO DELLE FINALITÀ E DELLE PRESTAZIONI DESIDERATE SCELTO DAL COMMITTENTE Alessandro De Carli SCELTO DAL PROGETTISTA ASSEGNATO Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 57 DAL CONTROLLO A CATENA APERTA AL CONTROLLO A CATENA CHIUSA VARIABILE DI COMANDO DELL’ATTUATORE CONTROLLO A CATENA APERTA PRESTAZIONI DESIDERATE DISPOSITIVO DI ELABORAZIONE DISTURBI ATTUATORE E SISTEMA DA CONTROLLARE VARIABILE CONTROLLATA DISPOSITIVO DI MISURA CONTROLLO A CATENA CHIUSA ANDAMENTO DESIDERATO DELLA VARIABILE CONTROLLATA DISPOSITIVO DI ELABORAZIONE MODALITÀ DI CONTROLLO VARIABILE DI COMANDO DELL’ATTUATORE DISTURBI VARIABILE CONTROLLATA ATTUATORE E SISTEMA DA CONTROLLARE DISPOSITIVO DI MISURA Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 58 CARATTERIZZAZIONE DELLE MODALITÀ DI CONTROLLO MODALITÀ DI CONTROLLO CONSOLIDATE Conoscenza superficiale del comportamento del sistema da controllare. La modalità di controllo emula le modalità di intervento di un operatore esperto. Alessandro De Carli APPROCCIO EMPIRICO APPROCCIO SISTEMISTICO EMERGENTI Conoscenza più accurata del comportamento del sistema da controllare. Vengono raggiunte le prestazioni che con una modalità di controllo di tipo consolidato non potrebbero essere mai ottenute. INNOVATIVE Conoscenza approfondita del comportamento del sistema da controllare. La modalità di controllo emula l’esperienza e l’intelligenza degli operatori esperti Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 59 STRUTTURA DI UN SISTEMA CONTROLLATO DISTURBI VARIABILI DI FORZAMENTO VARIABILI DI COMANDO FINALITÀ DESIDERATE VALUTAZIONE DEL RISULTATO MODALITÀ DI INTERVENTO VARIABILI CONTROLLATE SISTEMA DA CONTROLLARE VERIFICA DEL RAGGIUNGIMENTO DELLE FINALITÀ E DELLE PRESTAZIONI DESIDERATE SCELTO DAL COMMITTENTE Alessandro De Carli SCELTO DAL PROGETTISTA ASSEGNATO Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 60 APPROCCI ALLA PROGETTAZIONE, ALLA RELIZZAZIONE E ALLA CONDUZIONE DI UN SISTEMA CONTROLLATO COMPLESSO APPROCCIO EMPIRICO BASATO SOSTANZIALMENTE SULLA INTUIZIONE E SULLA PRATICA APPROCCIO SISTEMISTICO MODALITÀ DI CONTROLLO AUTOMAZIONE DA DILETTANTE QUELLE CHE SI RIESCONO AD OTTENERE Alessandro De Carli BASATO SU PROCEDURE BEN DEFINITE E SULLA ESPERIENZA AUTOMAZIONE DA PROFESSIONISTA PRESTAZIONI QUELLE CHE SI DESIDERA AD OTTENERE Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 61 APPROCCIO EMPIRICO MODALITÀ DI CONTROLLO APPROCCIO SISTEMISTICO - VIENE SCELTA UNA STRUTTURA CONVENZIONALE; - VENGONO FISSATE LE PRESTAZIONI; - VIENE SCELTA LA STRUTTURA; - VIENE ISTALLATA LA STRUMENTAZIONE CONVENZIONALE - VENGONO SCELTE LE MODALITÀ DI CONTROLLO; - VIENE INDIVIDUATO IL MODELLO STATICO E DEL MODELLO DINAMICO IN GRADO DESCRIVERE IL COMPORTAMENTO DEL SISTEMA DA CONTROLLARE IN RELAZIONE ALLE MODALITÀ DI CONTROLLO PRESCELTE; - VENGONO PROGETTATE LE LEGGI DI CONTROLLO - VIENE SCELTA E ISTALLATA LA STRUMENTAZIONE - VENE EFFETTUATA LA PREDISPOSIZIONE DEI DISPOSITIVI PER IL CONTROLLO DEGLI ELEMENTI DEL SISTE-MA CONTROLLATO COMPLESSO E PER IL LORO COORDINAMENTO DURANTE IL FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA CONTROLLATO UNA VOLTA SOTTOPOSTO ALLE AZIONI DI CONTROLLO VENGONO ACCETTATE PASSIVAMENTE LE PRESTAZIONI CHE POSSONO ESSERE OTTENENUTE PURCHÉ IL SISTEMA CONTROLLATO SIA IN GRADO DI FUNZIONARE CON LA FUNZIONALITÀ DESIDERATA Alessandro De Carli PRESTAZIONI VIENE VERIFICATO CHE SIANO STATE RAGGIUNTE LE PRESTAZIONI DESIDERATE ALTRIMENTI VIENE RIPETUTA LA PROCEDURA CON GLI AGGIUSTAMENTI DEL CASO Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 62 AUTOMAZIONE INDUSTRIALE SISTEMA DA COTROLLARE STRUMENTAZIONE RETI DI COMUNICAZIONE STRUTTURA DEL SISTEMA DI CONTROLLO MODALITÀ DI INTERVENTO EMPIRICHE RICOPIANO LA CAPACITÀ DI INTERVENTO DI UN OPERATORE ESPERTO BASSE PRESTAZIONI Alessandro De Carli EVOLUTE CONSENTONO DI SUPERARE LA QUALITÀ DELLE PRESTAZIONI OTTENIBILI APPLICANDO MODALITÀ EMPIRICHE ELEVATE PRESTAZIONI Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 63 MINICORSO DI PRESENTAZIONE DELL’INGEGNERIA DELL’AUTOMAZIONE MODALITÀ FONDAMENTALI DI CONTROLLO Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 64 PROFESSIONALITÀ NECESSARIE PER LA PROGETTAZIONE DI UN SISTEMA CONTROLLATO STRUTTURA DEL SISTEMA DA CONTROLLARE PRODUTTIVITÀ PROGETTISTI DEL SISTEMA DI CONTROLLO CONTROLLISTA PROCESSISTA IMPIANTISTA SISTEMA DA CONTROLLARE PROGETTISTI DEL SISTEMA DA CONTROLLARE STRUMENTAZIONE FINALITÀ DESIDERATA FUNZIONALITÀ MODALITÀ DI CONTROLLO PRESTAZIONI PROFITTO Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 65 RAPPRESENTAZIONE AD ALBERO DELLA STRUTTURA DI UN SISTEMA COMPLESSO SISTEMA CONTROLLATO COMPLESSO UNITÀ PRODUTTIVA UNITÀ PRODUTTIVA UNITÀ PRODUTTIVA IMPIANTO IMPIANTO IMPIANTO APPARATO APPARATO APPARATO DISPOSITIVO DISPOSITIVO DISPOSITIVO ELEMENTO SINGOLO Alessandro De Carli ELEMENTO SINGOLO ELEMENTO SINGOLO Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 66 STRUTTURA GERARCHICA DI UN SISTEMA CONTROLLATO FINALITÀ DEL CONTROLLO REALIZZAZIONE DEL SISTEMA CONTROLLATO INSIEME DEGLI IMPIANTI CHE REALIZZANO UNA UNITÀ PRODUTTIVA INSIEMI DI APPARATI CHE REALIZZANO UN IMPIANTO INSIEMI DEGLI ELEMENTI SINGOLI CHE REALIZZANO UN APPARATO DISPOSITIVI SINGOLI CONTROLLATI SINGOLARMENTE SENSORI E DISPOSITIVI DI ELABORAZIONE Alessandro De Carli GESTIONE OTTIMIZZAZIONE DELLA PRODUZIONE CONDUZIONE OTTIMIZZAZIONE DELLA CONDUZIONE COORDINAMENTO OTTIMIZZAZIONE DELLA FUNZIONALITÀ CONTROLLO DEGLI ELEMENTI SINGOLI OTTIMIZZAZIONE DELLA FEDELTÀ DI RISPOSTA INIZIALIZZAZIONE VERIFICA DI APPLICABILITÀ DELLE AZIONI DI CONTROLLO Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 67 In un impianto di produzione si individuano oltre al sistema controllato complesso • i servizi ausiliari; • le reti di comunicazione; • le apparecchiature e le procedure per la diagnosi dei guasti; • le interfaccia uomo macchina. I servizi ausiliari riguardano tutte quelle risorse e apparecchiature che risultano indispensabili per poter rendere operativo il sistema complesso da controllare. Ad esempio sono indispensabili la presenza delle maestranze con le competenze necessarie, i collegamenti stradali o marittimi per il rifornimento delle materie prime e la spedizione dei prodotti lavorati, l’alimentazione della energia elettrica, dell’acqua, del gas, ecc. In corrispondenza di ogni livello della struttura gerarchica, con cui è stato rappresentato il sistema controllato complesso, è necessario istallare e rendere operative: • le reti di comunicazioni per poter trasmettere e riceve informazioni e dati; • le apparecchiature e le procedure per la diagnosi di guasti che possono alterare la qualità dei prodotti oppure l’efficienza del sistema di produzione o infine la sicurezza delle maestranze e dell’ambiente; • le apparecchiature e le procedure che consentono di realizzare l’interfaccia uomo-macchina visualizzando le condizioni operative degli elementi singoli, degli apparati, degli impianti e dell’intero sistema controllato complesso e rendendo possibili gli interventi sulle variabili di gestione, di conduzione, di comando e di controllo nonché quelli indispensabili per mettere in sicurezza il sistema controllato complesso. Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 68 STRUTTURA DI UN IMPIANTO DI PRODUZIONE GESTIONE CONDUZIONE COORDINAMENTO CONTROLLO DEGLI ELEMENTI SINGOLI AT T I VA Z I O N E Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 69 STRUTTURA DI UN IMPIANTO DI PRODUZIONE GESTIONE CONDUZIONE COORDINAMENTO CONTROLLO DEGLI ELEMENTI SINGOLI INIZIALIZZAZIONE Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 70 OBIETTIVI DELLE MODALITÀ DI CONTROLLO GESTIONE DEL SISTEMA DI PRODUZIONE CONDUZIONE DEGLI IMPIANTI COORDINAMENTO CONTROLLO LOCALE INIZIALIZZAZIONE Alessandro De Carli • DETERMINAZIONE DELLA ATTIVAZIONE E DISATTIVAZIONE DEGLI IMPIANTI • DETERMINAZIONE DEL VALORE DA ASSEGNARE ALLE VARIABILI DI CONDUZIONE • VALUTAZIONE DELLA FUNZIONALITÀ E DELLA EFFICIENZA DEL SISTEMA CONTROLLATO COMPLESSO • VERIFICA DEL CORRETTO FUNZIONAMENTO DEI SISTEMI CONTROLLATI A LIVELLO DI CAMPO • GESTIONE DELLE CONDIZIONI DI FUNZIONAMENTO IN EMERGENZA • ASSEGNAZIONE DEL VALORE ALLE VARIABILI DI CONTROLLO • ASSEGNAZIONE DEL VALORE AI PARAMETRI DEGLI ALGORITMI DI CONTROLLO • TEMPORIZZAZIONE, SEQUENZIALIZZAZIONE E SCELTA DELLE STRATEGIE DI INTERVENTO • ASSEGNAZIONE DELL’ANDAMENTO DESIDERATO DELLA VARIABILE DI COMANDO • ASSEGNAZIONE DELL’ANDAMENTO DESIDERATO DELLA VARIABILE DI INTERVENTO • MISURA DELLE VARIABILI CONTROLLATE, DELLE VARIABILI INTERNE E DELLE VARIABILI ESTERNE • VERIFICA CHE SUSSISTANO LE CONDIZIONI PER IL CORRETTO FUNZIONAMENTO DEI SISTEMI CONTROLLATI A LIVELLO DI CAMPO Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 71 GESTIONE GESTIONE DEL SISTEMA CONTROLLATO COMPLESSO VARIABILI SISTEMA DI CONTROLLO DI GESTIONE VERIFICA DI APPLICABILITÀ DELLE AZIONI DI CONTROLLO IMPIANTI CONDUZIONE DEGLI IMPIANTI CONDUZIONE APPARATI COORDINAMENTO VARIABILI DI VARIABILI DI COMANDO ELEMENTI SINGOLI SISTEMA AZIONI CONTROLLATO DI CONTROLLO SUI COMPLESSO SINGOLI ELEMENTI VARIABILI DI CONTROLLO VARIABILI CONTROLLATE Alessandro De Carli STRUMENTAZIONE RETI DI COMUNICAZIONE MODALITÀ DI CONDUZIONE, GESTIONE ED ESERCIZIO MODALITÀ DI CONTROLLO PRESTAZIONI Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 72 MODALITÀ DI CONTROLLO DEGLI ELEMENTI SINGOLI La finalità delle modalità di controllo degli elementi singolo è quella di ottenere che il comportamento dell’elemento controllato sia tale che possano essere raggiunte la funzionalità e le prestazioni desiderate in relazione ai requisiti che devono caratterizzare il comportamento del sistema complesso, una volta che tutti gli elementi sono sottoposti ad adeguate modalità di controllo. ALIMENTAZIONE PRIMARIA GESTIONE MODALITÀ DI CONTROLLO CONDUZIONE COORDINAMENTO ATTUATORE ELEMENTO SINGOLO CAMPO STRUTTURA DEL SISTEMA DI CONTROLLO DI UN ELEMENTO SINGOLO VARIABILE DI COMANDO Alessandro De Carli PARAMETRI OPERATIVI VARIABILI DI INGRESSO ELEMENTO SINGOLO VARIABILE VARIABILI INTERNE CONTROLLATA Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 73 Per effettuare la scelta della modalità di controllo più DISTURBI PREVEDIBILI opportuna, occorre che siano definite: DISTURBI CASUALI • la variabile di comando; DISTURBI STRUTTURALI • la variabile controllata; • l’origine e l’entità dei disturbi prevedibili, di quelli casuali e di quelli strutturali; • la caratteristica statica relativa al comportamento ELEMENTO ingresso-uscita e disturbo-uscita; VARIABILE • il modello dinamico in grado di descrivere il VARIABILE DI SINGOLO CONTROLLATA comportamento dell’elemento in esame per gli COMANDO aspetti che interessano la corretta applicazione della modalità di controllo. Per verificare la funzionalità e le prestazioni al livello di elemento singolo vengono prescelti per la variabile di comando andamenti di tipo: • a gradino di ampiezza costante e definita; • a rampa lineare di pendenza costante e definita; • a rampa parabolica. Alessandro De Carli tempo tempo VARIABILE DI COMANDO ELEMENTO SINGOLO CONTROLLATO VARIABILE CONTROLLATA tempo Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 74 VALUTAZIONE DELLE PRESTAZIONI STATICHE DELL’ELEMENTO CONTROLLATO La valutazione delle prestazioni statiche dell’elemento controllato viene rilevata in base allo scostamento fra il valore della variabile di comando e il valore della variabile controllata nel funzionamento a regime permanente andamento a gradino della variabile di comando L’entità dello scostamento, ossia dell’errore, può essere: • finito • nullo tempo andamento a rampa lineare della variabile di comando. L’entità dello scostamento, ossia dell’errore, può essere: • infinito • finito • nullo tempo Per valutare le prestazioni dell’elemento controllato converrà fare riferimento ad un disturbo di tipo a gradino applicato direttamente sulla variabile controllata. DISTURBO tempo valore nominale VARIABILE DI COMANDO ELEMENTO CONTROLLATO Alessandro De Carli ANDAMENTO A REGIME DELLA VARIABILE CONTROLLATA VARIABILE CONTROLLATA Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 75 CONTROLLO A CATENA APERTA DA OPERATORE O DA DISPOSITIVO VARIABILE DI INGRESSO DELL’ATTUATORE FINALITÀ DESIDERATE RAGGIUNGIMENTO DELLE FINALITÀ DESIDERATE OPERATORE DISPOSITIVO DI CONTROLLO ATTUATORE SISTEMA COMPLESSO oppure ELEMENTO SINGOLO SISTEMA A CONTROREAZIONE CON AZIONI DI INTERVENTO DA OPERATORE VARIABILE DI INGRESSO DELL’ATTUATORE FINALITÀ DESIDERARE RAGGIUNGIMENTO DELLE FINALITÀ DESIDERATE ATTUATORE ELEMENTO SINGOLO OPERATORE MISURA DELLE CONDIZIONI OPERATIVE AZIONI DI INTERVENTO A CATENA APERTA MODALITÀ DI INTERVENTO DELL’OPERATORE A CONTROREAZIONE Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 76 CONTROLLO A CONTROREAZIONE DA DISPOSITIVO ANDAMENTO DESIDERATO DELLA VARIABILE CONTROLLATA y*(t) VARIABILE DI ERRORE e(t) + VARIABILE CONTROLLATA VARIABILE DI INGRESSO DELL’ATTUATORE MODALITÀ DI INTERVENTO DA DISPOSITIVO mt) u(t) ATTUATORE ELEMENTO SINGOLO y*t) MISURA DELLA VARIABILE COMPROLLATA VARIABILE DI ERRORE MODALITÀ DI INTERVENTO ON - OFF ON - OFF ON - OFF ON - OFF DI TIPO CONTINUO ON - OFF ON - OFF DI TIPO CONTINUO CON OSCILLAZIONE SOVRAPPOSTA DI TIPO CONTINUO DI TIPO CONTINUO DI TIPO CONTINUO DI TIPO CONTINUO SENZA OSCILLAZIONE SOVRAPPOSTA Alessandro De Carli ATTUATORE ANDAMENTO DELLA VARIABILE CONTROLLATA Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 77 APPLICAZIONE DELLE MODALITÀ DI CONTROLLO GESTIONE DEL SISTEMA DI PRODUZIONE MODALITÀ DI CONTROLLO DI TIPO A CATENA APERTA PER UN SISTEMA COMPLESSO CON AZIONI DI INTERVENTO DA OPERATORE E VERIFICA DEGLI EFFETTI OTTENUTI CON APPROCCIO DI TIPO A CONTROREAZIONE CONDUZIONE DEGLI IMPIANTI MODALITÀ DÌ CONTROLLO DI TIPO A CONTROREAZIONE PER UN SISTEMA COMPLESSO CON AZIONI DI INTERVENTO DA OPERATORE E VERIFICA DEGLI EFFETTI OTTENUTI CON APPROCCIO DI TIPO A CONTROREAZIONE COORDINAMENTO MODALITÀ DI CONTROLLO DI TIPO A CATENA APERTA PER UN SISTEMA COMPLESSO CON AZIONI DI INTERVENTO DA DISPOSITIVO PROGRAMMATO SENZA VERIFICA DEGLI EFFETTI MODALITÀ DI CONTROLLO DI ELEMENTI SINGOLI CONTROLLO LOCALE INIZIALIZZAZIONE Alessandro De Carli DI TIPO A CATENA APERTA CON AZIONI DI INTERVENTO DA DISPOSITIVO PROGRAMMATO oppure DA OPERATORE DI TIPO A CONTROREAZIONE CON AZIONI DI INTERVENTO DA DISPOSITIVO PROGRAMMATO MODALITÀ DI CONTROLLO DI TIPO A CONTROREAZIONE DI UN SISTEMA COMPLESSO CON AZIONI DI INTERVENTO DA DISPOSITIVO PROGRAMMATO Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 78 ATTUATORE ON/OFF CONDIZIONE DI FUNZIONAMENTO VARIABILE CONTROLLATA MINORE DEL VALORE DESIDERATO VARIABILE CONTROLLATA MAGGIORE DEL VALORE DESIDERATO VARIABILE CONTROLLATA LONTANA DAL VALORE DESIDERATO DI TIPO CONTINUO VARIABILE CONTROLLATA PROSSIMA AL VALORE DESIDERATO PARZIALE MIGLIORAMENTO DEL COMPORTAMENTO TRANSITORIO Alessandro De Carli AZIONE DI CONTROLLO ATTUATORE IN ON ATTUATORE IN OFF AZIONE DI CONTROLLO PROPORZIONALE ALLA DIFFERENZA FRA IL VALORE DESIDERATO E IL VALORE ISTANTANEO DELLA VARIABILE CONTROLLATA AZIONE DI CONTROLLO PROPORZIONALE ALL’INTEGRALE DELLA DIFFERENZA FRA IL VALORE DESIDERATO E IL VALORE ISTANTANEO DELLA VARIABILE CONTROLLATA AZIONE DI CONTROLLO PROPORZIONALE ALLA DERIVATA DELLA DIFFERENZA FRA IL VALORE DESIDERATO E IL VALORE ISTANTANEO DELLA VARIABILE CONTROLLATA Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 79 DALL’OPERATORE E DAI SENSORI DISPOSITIVI PER LA ELABORAZIONE DELLE PROCEDURE DI INIZIALIZZAZIONE DALL’OPERATORE VARIABILE DI GESTIONE DAGLI OPERATORI VARIABILI DI CODUZIONE DAGLI OPERATORI VARIABILI DI COMANDO DAI DISPOSITIVI PER LA ELABORAZIONE DELLE MODALITÀ DI COORDINAMENTO ANDAMENTO DESIDERATO DELLA VARIABILE CONTROLLATA DAI DISPOSITIVI DI ELABORAZIONE DELLE MODALITÀ DI INTERVENTO VARIABILI DI INGRESSO AGLI ATTUATORI COLLEGATI AGLI ELEMENTI SINGOLI Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 80 MINICORSO DI PRESENTAZIONE DELL’INGEGNERIA DELL’AUTOMAZIONE STRUMENTAZIONE - DISPOSITIVI DI MISURA Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 81 STRUMENTAZIONE DISPOSITIVI DI MISURA ATTUATORI RETI DI COMUNICAZIONE - DI CAMPO CON USCITA - ATTUATORI - SUPPORTO FISICO - ON/OFF - ON/OFF - ARIA IN PRESSIONE - ANALOGICA - MOTO CONTINUO - TENSIONE CONTINUA - DIGITALIZZATA - MOTO INCREMENTALE - TENSIONE MODULATA - DIGITALE - SMART CON USCITE DIGITALI - INTELLIGENTI CON USCITE DIGITALI Alessandro De Carli - AZIONAMENTI - ELETTRICI - IDRAULICI - PNEUMATICI - CORRENTE CONTINUA - INFORMAZIONI - VALORE ON/OFF - VALORE ANALOGICO - VALORE DIGITALIZZATO - PROTOCOLLI Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 82 DISPOSITIVI DI MISURA STRUMENTAZIONE INDUSTRIALE DI MISURA INDUSTRIA DI PROCESSO RETI DI DISTRIBUZIONE STRUMENTAZIONE PER L’INDUSTRIA MANIFATTURIERA STRUMENTAZIONE CINETICA SENSORI ON-OFF TRASDUTTORI CORRENTE - TENSIONE - POTENZA LETTORI CODICI A BARRE SISTEMI DI VISIONE STRUMENTAZIONE DI ANALISI GAS E LIQUIDI MISURA PARAMETRI CHIMICI E FISICI ANALISI COMPOSIZIONE CHIMICA STRUMENTAZIONE DA QUADRO E DA PANNELLO Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 83 STRUTTURA DI UN SISTEMA CONTROLLATO INQUADRAMENTO DEI PROBLEMI EMERGENTI SOFTWARE PER IL CONTROLLO SOFTWARE PER LA STRUMENTAZIONE MODALITÀ DI CONTROLLO OBIETTIVI DEL CONTROLLO HARDWARE STRUMENTAZIONE AZIONI DI DECISIONI INTERVENTO ATTUATORI SISTEMA DA CONTROLLARE ESPERIENZA MISURA DELLE CONDIZIONI AMBIENTALI Alessandro De Carli FLUSSO DI INFORMAZIONI DISPOSITIVI DI MISURA FLUSSO DI ENERGIA Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 84 La strumentazione ha un ruolo di fondamentale importanza nella realizzazione del sistema di controllo che, collegato al sistema da controllare, rende operativa l’Automazione. La strumentazione comprende componenti hardware e programmi software come evidenziato nella seguente figura STRUMENTAZIONE HARDWARE DISPOSITIVI DI MISURA CONTROLLORI LOCALI ATTUATORI RETE DI COMUNICAZIONE INTERFACCIA OPERATORE INTERFACCIA UOMOMACCHINA Alessandro De Carli SOFTWARE COLLEGAMENTO DEI VARI DISPOSITIVI TRAMITE LA RETE DI COMUNICAZIONE REALIZZAZIONE DEL QUADRO DI CONTROLLO SOFTWARE DI SUPERVISIONE COLLEGAMENTO ALLE PROCEDURE DI ESERCIZIO E DI PIANIFICAZIONE Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 85 DISPOSITIVI DI MISURA TRASDUTTORE dispositivo fisico progettato per trasformare grandezze appartenenti ad un sistema energetico in grandezze equivalenti appartenenti ad un diverso sistema energetico ATTUATORE trasforma un segnale in energia SENSORE trasforma energia in un segnale SCHEMA DI PRINCIPIO DI UN CONTROLLO A CATENA CHIUSA ANDAMENTO DESIDERATO DELLA VARIABILE CONTROLLATA DISTURBI VARIABILE DI COMANDO MODALITÀ DI INTERVENTO INTERFACCIA COMUNICAZIONE HARDWARE INFORMATICO SOFTWARE PER IL CONTROLLO Alessandro De Carli VARIABILE DI FORZAMENTO ATTUATORE ATTUATORE DISPOSITIVO DI MISURA VARIABILE CONTROLLATA SISTEMA DA CONTROLLARE INTERFACCIA CONTROLLO ELEMENTI HARDWARE Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 86 CARATTERIZZAZIONE DI UN DISPOSITIVO DI MISURA GRANDEZZA DA MISURARE PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL SENSORE TECNOLOGIE UTILIZZATE PER LA REALIZZAZIONE SEGNALE RICAVATO DAL SENSORE INTERFACCIA VERSO L’ELEMENTO A CUI È APPLICATO CAMPO DI APPLICAZIONE PROPRIETÀ PRESTAZIONI CLASSE DELLA QUALITÀ COSTO CRITERI PER LA VALUTAZIONE DELLA QUALITÀ DI UN DISPOSITIVO DI MISURA COMPORTAMENTO STATICO COMPORTAMENTO DINAMICO CLASSE DI QUALITÀ CAMPO DI MISURA CAPACITÀ DI SOVRACCARICO COMPATIBILITÀ CON LA RETE DI COMUNICAZIONE COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA COMPATIBILITÀ CON GLI ALTRI COMPONENTI DISPONIBILITÀ Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 87 WORKSTATIONS SOFTWARE SPECIALISTICI PER LA CONDUZIONE E PER LA GESTIONE - ANALIZZATORI DI MATERIA - MISURATORI DI MATERIA - MISURATORI DI GRANDEZZE FISICHE - LETTORI CODICI - SENSORI DI PROSSIMITÀ - SENSORI DI FINE CORSA - ANALIZZATORI DELLA VISIONE ATTUATORI DISPOSITIVI DI MISURA - ELETTRICI DISPOSITIVI DI INTERFACCIA ELABORAZIONE OPERATORE - IDRAULICI - PNEUMATICI -PLC -DCS Alessandro De Carli - SENSORI ON/OFF - TRASDUTTORI Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 88 INQUADRAMENTO DELLA STRUMENTAZIONE DISPOSITIVI DI MISURA UTILIZZATI PER IL CONTROLLO DEGLI ELEMENTI SINGOLI GRANDEZZA MISURATA DISPONIBILE IN FORMA • • • • • ON/OFF ANALOGICA DIGITALE DIGITALIZZATA SMART CON USCITE DIGITALIZZATE • INTELLIGENTI CON USCITE DIGITALI Alessandro De Carli ATTUATORI ATTUATORI VARIABILE DI USCITA DI TIPO • ON/OFF • MOTO CONTINUO • MOTO INCREMENTALE AZIONAMENTI DI TIPO • ELETTRICO • IDRAULICO • PNEUMATICO RETI DI COMUNICAZIONE SUPPORTO FISICO • • • • ARIA IN PRESSIONE TENSIONE CONTINUA TENSIONE MODULATA CORRENTE CONTINUA INFORMAZIONI • • • • VALORE ON/OFF VALORE ANALOGICO VALORE DIGITALIZZATO PROTOCOLLI Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 89 FORMATI UTILIZZATI PER LA TRASMISSIONE DELLA GRANDEZZA MISURATA ANALOGICA CORRENTE CONTINUA CON ESCURSIONE COMPRESA FRA 4 e 20 m A DIGITALIZZATO SEQUENZA DI BIT ORGANIZZATI SECONDO UNO DEI PROTOCOLLI STANDARD DI TRASMISSIONE LOCALE PROTOCOLLO HART CORRENTE CONTINUA CON ESCURSIONE COMPRESA FRA 4 e 20 m A CON SOVRAPPOSTA UNA CORRENTE SINUSOIDALE DI FREQUENZA PREFISSATA E DI DI AMPIEZZA PICCO-PICCO DI 1 mA REMOTE TERMINAL UNIT COMUNICAZIONE DIGITALE CON STANDARD DI COMUNICAZIONE SECONDO PROTOLLI RS O IEEE. PROTOCOLLO STANDARD (PROFIBUS, FIELDBUS FUNDATION) COMUNICAZIONE DIGITALE BIDIREZIONALE FRA UN DISPOSITIVO PER IL CONTROLLODI UN ELEMENTO SINGOLO E UN DISPOSITIVO DI ELABORAZIONE PER IL COORDINAMENTO DELLE AZIONI DI INTERVENTO Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 90 SCHEMA FUNZIONALE DI UN DISPOSITIVO DI MISURA GRANDEZZA DA MISURARE SENSORE PRIMARIO DISPOSITIVO DI AMPLIFICAZIONE ED ELABORAZIONE MECCANICO O ELETTRONICO GRANDEZZA DA MISURARE TRASDUTTORE FILTRO PASSA-BASSO CONVERTITORE A/D INERFACCIA PER L’ADATTAMENTO ALLA RETE DI COMUNICAZIONE RETE DI COMUNICAZIONE SENSORE AMPLIFICATORE CAMPIONAMENTO E TENUTA MICRO CALCOLATORE RETE DI COMUNICAZIONE Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 91 CARATTERIZZAZIONE DI UN DISPOSITIVO DI MISURA SENSIBILITÀ: rapporto fra la variazione rilevata dal sensore e la variazione della grandezza da misurare RISOLUZIONE: la più piccola variazione della grandezza misurata che viene rilevata dal sensore PRECISIONE: differenza fra il valore fornito dal sensore e il valore reale misurato RISOLUZIONE DEL CONVERTITORE: la più piccola variazione della grandezza misurata che viene rilevata dal convertitore analogico/digitale STRUMENTAZIONE SMART Gli strumenti smart forniscono, oltre alla misura della variabile controllata, anche la misura di altre variabili significative per conoscere le condizioni operative dell’apparto su cui sono montati. Tali misure sono di ausilio per la conduzione dell’apparato e consentono di gestire in anticipo situazioni anomale e di fornire informazioni da utilizzare per la manutenzione preventiva GRANDEZZA CHE CARATTERIZZA LA VARIABILE CONTROLLATA GRANDEZZE CHE INFLUENZANO IL VALORE DELLA VARIABILE CONTROLLATA SENSORE PRIMARIO SENSORI SECONDARI Alessandro De Carli AMPLIFICATORE E CONVERTITORE A/D MICROPROCESSORE ELABORAZIONE DIGITALE INERFACCIA PER L’ADATTAMENTO ALLA RETE DI COMUNICAZIONE RETE DI COMUNICAZIONE DIGITALE Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 92 DISPOSITIVI E SOFTWARE DI CONTROLLO P A S PROCESS AUTOMATION SYSTEMS P L C PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER PID REGOLATORI D C S DISTRIBUTED CONTROL SYSTEMS CONTROLLO PER L’INDUSTRIA MANIFATTURIERA P L C PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER C N C CONTROLLO NUMERICO COMPUTERIZZATO SOFTWARE DI SUPERVISIONE R T U REAL TERMINAL UNIT S C A D A SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION STRUMENTAZIONE DI LABORATORIO APPARECCHIATURE DI PROVA IN LINEA E FUORI LINEA Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 93 MINICORSO DI PRESENTAZIONE DELL’INGEGNERIA DELL’AUTOMAZIONE STRUMENTAZIONE- ATTUATORI E RETI DI COMUNICAZIONE Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 94 SCHEMA FUNZIONALE DI UN ATTUATORE ALIMENTAZIONE PRIMARIA ENTITÀ DELLA AZIONE DI INTERVENTO DALL’ENTITÀ DELL’AZIONE DI INTERVENTO ALLA QUANTÀ DELLE’ENERGIA PREVEVATA DISPOSITIVO PER IL PRELIEVO DELLA ENERGIA PRIMRIA TRASFORMAZIONE DELL’ENERGIA PRELEVATA NELL’ENERGIA UTILE PER L’EVOLUZIONE DELL’ELEMENTO DA CONTROLLARE ELEMTENTO DA CONTROLLARE In un attuatore si distinguono tre parti: • la prima in grado di stabilire l’entità dell’energia prelevata sulla base del valore del valore ottenuto dalla elaborazione dell’entità della azione di intervento; • la seconda in grado di intervenire sulla energia prelevata dalla sorgente primaria; • la terza in grado di trasformare l’energia prelevata nell’energia necessaria per ottenere l’evoluzione desiderata dal sistema da controllare. A seconda della realizzazione del sistema da controllare la sorgente di alimentazione primaria può essere costituita da un fluido, da un liquido, da una tensione continua o dalla rete di alimentazione in alternata. L’energia fornita al sistema da controllare può essere di tipo fluidico, termico, elettrico, meccanico. Le prestazioni dell’attuatore condizionano sia le prestazioni ottenibili dall’elemento controllato sia il costo di realizzazione del sistema di controllo in quanto la sua incidenza è in genere dominate rispetto a quelle collegata ai dispositivi di misura, ai dispositivi di elaborazione e di quelli che realizzano la rete di comunicazione locale. Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 95 PANORAMICA SUGLI ATTUATORI IDRAULICI PNEUMATICI ESPLOSIONE ELETTROLISI ESPANSIONE DEFORMAZIONE ATTUATORI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA A SEMI RELÈ CONDUTTORI MOTORI ENERGIA CHIMICA ENERGIA TERMICA ENERGIA FLUIDICA ENERGIA ELETTRICA Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 96 ATTUATORE – DISPOSITIVO UTILIZZATO PER LA TRASFORMAZIONE DI UNA VARIABILE DI COMANDO IN UNA AZIONE DI INTERVENTO SULL’ELEMENTO DA CONTROLLARE • • • FUNZIONE COMPLEMENTARE A QUELLA DEL SENSORE GRANDEZZA IN INGRESSO – SEGNALE NEL DOMINIO FISICO DEL DISPOSITIVO DI ELABORAZIONE DEL VALORE DELLA VARIABILE DI INTERVENTO GRANDEZZA IN USCITA – ENERGIA NEL DOMINIO FISICO DELL’ELEMENTO DA CONTROLLARE PANORAMICA SUI VARI TIPI DI ATTUATORE ATTUATORI ELETTROMECCANICI ATTUATORI AD ENERGIA FLUIDICA MOTO ROTATORIO MOTO LINEARE MOTO LINEARE MOTO ROTATORIO TELERUTTORI ELETTROMAGNETI MOTORI A FLUSSO IMPRESSO MOTORI A FLUSSO INDOTTO MOTORI A RILUTTANZA MOTORI A PASSO Alessandro De Carli ATTUATORI IDRAULICI MOTORI IDRAULICI ATTUATORI PNEUMATICI MOTORI PNEUMATICI ATTUATORI NON CONVENZIONALI ATTUATORI DI FORZA PIEZOELETTRICI MAGNETOSTRITTIVI ELETTROCHIMICI BIMETALLICI METALLI A MEMORIA DI FORMA Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 97 INFORMAZIONI NECESSARIE PER LA CARATTERIZZAZIONE DI UN ATTUATORE • • • • • • • • • • • PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO CARATTERISTICHE DELLA VARIABILE DI USCITA ESCURSIONE DELLA VARIABILE DI USCITA PRECISIONE ASSOLUTA E RELATIVA INTERFACCIA VERSO IL DISPOSITIVO DI CONTROLLO INTERFACCIA VERSO IL SISTEMA DA CONTROLLARE PASSO DI CAMPIONAMENTO DELLA VARIABILE DI COMANDO CAMPO DI APPLICAZIONE BANDA PASSANTE NATURA DEI GUASTI E RELATIVA AFFIDABILITÀ COSTO Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 98 SCHEMA STRUTTURALE DI UN AZIONAMENTO ALIMENTAZIONE PRIMARIA RETE MONOFASE O TRIFASE DISPOSITIVO DI COMANDO DEL L’AZIONAMENTO AZIONAMENTO CONVERTITORE AC/DC DISPOSITIVO DI COMANDO DEL MOTORE FILTRO DI LIVELLAMENTO DELLA TENSIONE IN CONTINUA DISSIPATORE DELLA ENERGIA DI RECUPERO CONVERTITORE DC/AC oppure DC/DC MOTORE DISPOSITIVO DI ALIMENTAZIONE DEL MOTORE SEGNALI DI COMANDO DELL’AZIONAMENTO Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 99 SCHEMA STRUTTURALE DI UN ATTUATORE IDRAULICO O PNEUMATICO ALIMENTAZIONE PRIMARIA RETE RETE DIMOTORE ALIMENTAZIONE MOTORE ATTUATORI POMPA TRIFASE ASINCRONO A COMBUSTIONE INTERNA DI ARIA COMPRESSA SERBATOIO ALIMENTAZIONE ELETTRICA DISPOSITIVO DI COMANDO VALVOLA LINEARE ATTUATORE LINEARE CARICO ELETTROVALVOLA AMPLIFICATORE SEGNALE DI COMANDO DELLA VALVOLA Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 100 STRUTTURA DI UNA VALVOLA IDRAULICA ALLA CAMERA 1 DELL’ATTUATORE ALLA CAMERA 2 DELL’ATTUATORE MISURA DELLA POSIZIONE DELLO STELO SPOSTAMENTO DELLO STELO V1 AL SERBATOIO DALLA POMPA V2 DISPOSITIVO DI COMANDO DELLA VALVOLA OTTURATORE Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 101 ORIZZONTE TEMPORALE ORE MINUTI SECONDI MILLI SECONDI PIANIFICAZIONE GESTIONE SUPERVISIONE CONDUZIONE COORDINAMENTO STRUMENTAZIONE VELOCITA’ DI ELABORAZIONE GIORNI COMPLESSITA’ DEL CONTROLLO MESI DISPOSITIVI DI ELABORAZIONE VOLUME DATI WORKSTATION MEGABYTE PERSONAL COMPUTERS KILOBYTE DCS BYTE DCS BIT APPARATI SINGOLI Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 102 MITTENTE SEGNALI INFORMAZIONI CODIFICA RETE DI COMUNICAZIONE DECODIFICA UTILIZZAZIONE TECNOLOGIA DELLA RETE DI COMUNICAZIONE DESTINATARIO STRUTTURA DI UNA COMUNICAZIONE PER MEZZO DELLA RETE TECNOLOGIA DOMINANTE BUS DI CAMPO PNEUMATICA 1950 ANALOGICA DIGITALE 1975 2000 tempo TIPOLOGIE DEI SISTEMI DI COMUNICAZIONE - PNEUMATICA PRESSIONE VARIABILE FRA 3 E 15 psi - ANALOGICA CORRENTE CONTINUA VARIABILE FRA 4 E 20 mA - SMART ANALOGICA IN CORRENTE CONTINUA CON SOVRAPPOSTA TRASMISSIONE DIGITALE SECONDO MODALITÀ DI TIPO PROPRIETARIO ( HART, INTERSOR, DXR 275) - DIGITALE TRASMISSIONE DIGITALE SECONDO BUS DI CAMPO E PROTOCOLLI PREFISSATI ( PROPRIETARI OPPURE FISSATI DA NORME INTERNAZIONALI) Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 103 PROBLEMI EMERGENTI NELLA COMUNICAZIONE Attualmente le comunicazioni sono di tipo digitale. La comunicazione digitale si basa su tre ingredienti fondamentali: 1) il software e le procedure che costituiscono il processo di comunicazione; 2) gli elaboratori (host): sistemi digitali che operano lo scambio di informazioni 3) la rete che rappresenta il mezzo di trasmissione su cui viaggia l'informazione sotto forma digitale. I segnali rilevati da dispositivi di misura e da sensori vanno trasformati da analogici in digitali. Anche le informazioni vanno espresse in forma digitale. I segnali e le informazioni vanno quindi trasformati in dati. Per il trattamento del segnale occorrono circuiti elettronici con le seguenti funzionalità • Front-end circuito analogico di condizionamento • Multiplex per la commutazione di più canali • Amplificatore di strumentazione per l’adeguamento del livello di segnale • Sample & hold per il campionamento e il mantenimento del valore campionato durante la conversione da analogico a digitale. Il circuito di front-end ha come scopo quello di ottenere • elevata impedenza di ingresso • escursione adeguata alle successive elaborazioni • filtraggio dal rumore • isolamento verso massa • isolamento verso altri canali • soppressione dei disturbi di modo comune Il segnale di uscita deve avere: • impedenza di uscita adeguata • basso rapporto segnale/rumore • disaccoppiamento da altri canali Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 104 COLLEGAMENTI PUNTO-PUNTO COLLEGAMENTI BASATI SU BUS DI CAMPO CONSISTENZA DEI DATI DAGLI ELEMENTI SINGOLI CONVERSIONE ANALOGICA DIGITALE 8 - 12 BIT RICOSTRUZIONE DELL’ANDAMENTO E FILTRAGGIO ELABORAZIONE SU PC O DCS ALGORITMO DI CONTROLLO 16 BIT 32 BIT CONVERSIONE DIGITALE ANALOGICA AGLI A TTUATORI Alessandro De Carli CAMPO DI ESCURSIONE DELLA VARIABILE DI COMANDO 4 - 20 mA ± 10 V Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 105 GESTIONE DELL’SISTEMA DI PRODUZIONE LIVELLO AZIENDA TEMPO CICLO < 1000 ms ELABORATORE FINALIZZATO ALLA GESTIONE LIVELLO IMPIANTO TEMPO CICLO < 100 ms DISTRIBUTED COMPUTER SYSTEM WORKSTATION VISORI PROTOCOLLO RETE A LIVELLO DI IMPIANTI DISPOSITIVI DI MISURA LIVELLO ELEMENTI SINGOLI TEMPO CICLO < 10 ms COLLEGAMENTO AD INTERNET PROTOCOLLO TCP/IP WORKSTATION VISORI PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER PROTOCOLLO RETE A LIVELLO DI ELEMENTI SINGOLI SENSORI Alessandro De Carli DISPOSITIVI DI MISURA M M ATTUATORI ATTUATORI DISPOSITIVI DI MISURA Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 106 MINICORSO DI PRESENTAZIONE DELL’INGEGNERIA DELL’AUTOMAZIONE PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM INTERFACCIA UOMO - MACCHINA Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 107 APPLICAZIONE DI RETI LOGICHE E DEI CONTROLLORI A LOGICA PROGRAMMABILE ( PLC) Prima della applicazione delle azioni di intervento al sistema da controllare deve essere verificato che sussistano tutte le condizioni che assicurino il corretto funzionamento e il corretto impiego del sistema controllato. Tale verifica viene effettuata rendendo operativo un programma in grado di elaborare dati e informazioni fornite da una opportuna strumentazione istallata nel sistema da controllare e nell’ambiente in cui opera il sistema controllato. Sulla base delle informazioni ricevute, il programma di attivazione deve fornire come risultato la decisione di attivare le azioni di intervento. Tutte le informazioni fornite dalla strumentazioni devono essere formulate in logica binaria e le elaborazioni collegate alle decisioni espresse in logica binaria. COMANDI VARIABILI DI ATTIVAZIONE ELABORAZIONE DEL PROGRAMMA DI ATTIVAZIONE RETE LOGICA oppure PLC Alessandro De Carli ELABORAZIONE E APPLICAZIONE DELLE AZIONI DI INTERVENTO STRUMENTAZIONE NECESSARIA PER L’ELABORAZIONE DEL PROGRAMMA DI ATTIVAZIONE SISTEMA DA CONTROLLARE AMBENTE IN CUI OPERA IL SISTEMA CONTROLLATO Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 108 In molte applicazioni per la elaborazione, per la ricezione delle informazioni provenienti dalla strumentazione e per la trasmissione dei risultati della elaborazione agli attuatori vengono utilizzati o reti logiche rigidamente programmate oppure un controllore a logica programmabile, indicato come PLC, in grado di rendere operativo un programma dedicato. La differenza sostanziale fra rete logica e controllori a logica programmabile sta nella rapidità di elaborazione e nella flessibilità di programmazione. Le reti logiche sono circuiti di elaborazione di tipo digitale realizzati circuiti elettronici in grado di svolgere funzioni di porte logiche (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR) e caratterizzati dal fatto che in ogni istante i valori delle variabili di uscita dipendono dai valori delle variabili di ingresso e/o di alcune variabili intermedie entrambe codificate in forma binaria. Le reti logiche sono classificate in: • reti combinatorie, quando ad ogni istante le variabili di uscita sono funzioni solo delle variabili di ingresso presenti nello stesso istante; • reti sequenziali, quando le variabili di uscita ad un certo istante dipendono sia dalle variabili di ingresso allo stesso istante sia dalle variabili di ingresso in istanti precedenti; • reti asincrone: quando l'elaborazione avviene a flusso continuo; • reti sincrone: quando l'elaborazione avviene ad istanti discreti e prestabiliti. La contemporaneità fra l’applicazione delle variabili di ingresso e la disponibilità delle variabili di uscita è solo teorica in quanto tutte le elaborazioni richiedono un intervallo di tempo finito per l’esecuzione e tutti i circuiti presentato un transitorio. Per tutte le variabili coinvolte nella elaborazioni, i valori da prendere in sono quelli che vengono raggiunti dopo che si è esaurito il transitorio. Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 109 Il controllore logico programmabile o programmable logic controller (PLC) è un computer industriale specializzato nella gestione dei processi industriali. Il PLC esegue un programma in cui elabora i segnali digitali ed analogici provenienti da sensori e da dispositivi di misura e fornisce come risultato il valore delle variabili attivazione oppure delle variabili di comando degli attuatori a seconda delle finalità collegato al loro impiego. Con la progressiva miniaturizzazione della componentistica elettronica e la diminuzione dei costi si è molto esteso il campo di applicazione dei PLC che è utilizzato in numerose apparecchiature di impiego corrente. Un PLC può essere un oggetto hardware componibile oppure un dispositivo autocontenuto e dedicato ad una particolare applicazione. La caratteristica principale è la sua robustezza estrema. Infatti normalmente il PLC è posto in quadri elettrici situati in ambienti con interferenze elettriche di entità non trascurabile, con temperature e con grado di umidità elevati. In impianti che non possono essere fermati, viene utilizzato 24 ore su 24, per 365 giorni all'anno. La struttura del PLC viene adattata in base alle esigenze del sistema da controllare. Nel caso dei PLC componibili, durante la progettazione del sistema di controllo, viene scelta la configurazione più idonea e vengono adatte le grandezze elettriche che provengono dalla strumentazione e che devo essere inviate agli attuatori come variabili di comando. Il programma che deve essere elaborato dal PLC viene progettato, validato e trasferito in opportune memorie non volativi. Le varie schede vengono quindi inserite nel rack e collegate con il bus ivi residente. Nel caso di un PLC di tipo dedicato viene progettato oltre al programma anche la realizzazione circuitale. Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 110 SCHEMA A BLOCCHI DI UN PLC BATTERIA TAMPONE ALIMENTATORE VAC / VDC SISTEMA DI CONNESSIONE MECCANICA (GUIDA DIN PANNELLO, RACK, FRONTE QUADRO, PIASTRA …) RTC (REAL TIME CLOCK) CPU UNITÀ DI MEMORIA MODULI I/O E DEDICATI INTERFACCE DI COMUNICAZIONE (SERIALI, ETHERNET, BUS DI CAMPO, REMOTE, DI SERVIZIO, INTERNE) STRUTTURA DI UN PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER Alessandro De Carli CONNESSIONE INTERFACCIA RETE OPERATORE MODULI INOUT/OUTPUT CPU ESPANSIONE DI MEMORIA MODULI INOUT/OUTPUT INDICATORI LED MODULI INOUT/OUTPUT Un PLC è composto da un alimentatore, dalla CPU che in certi casi può avere interna o esterna una memoria RAM o FLASH o EPROM, da un certo numero di schede di ingressi digitali e uscite digitali, e nel caso in cui sia necessario gestire grandezze analogiche, il PLC può ospitare delle schede di ingresso o di uscita sia analogiche che digitali. Se il PLC opera in rete con altri PLC, sono necessarie delle schede di comunicazione adatte al protocollo di rete già implementato sugli altri PLC. Nel caso di operazioni di movimentazione, come nel campo della robotica, il PLC ospita delle schede di controllo assi, cioè delle schede molto veloci e sofisticate che permettono di gestire spostamenti e posizionamento. BATTERIA TAMPONE Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 111 Un PLC esegue secondo una modalità ciclica un programma utente scritto in uno dei linguaggi definiti dalle norme IEC. La sequenza delle operazioni è la seguente: • lettura degli ingressi e scrittura del loro contenuto in una particolare locazione di memoria. Le variabili di ingressi possono provenire da sensori di varia natura, (on/off, analogici, digitali) o da altri PLC; • esecuzione del programma. Le istruzioni vengono eseguite una dopo l’altra, procedendo dall’alto verso il basso, con operandi prelevati dalla memoria e risultati conservati in locazioni di memoria riservate; • scrittura delle uscite. I risultati delle elaborazioni vengono inviati a locazioni di memoria particolari. I dati in uscita possono essere segnali di comando di un attuatore o oppure dati da scambiare con altri PLC. Il comando di inizio e di termine dell’esecuzione di un programma deve essere inviato dall’esterno. I linguaggi di programmazione grafica proposti dalle norme IEC possono essere suddivisi in due classi: linguaggi grafici e linguaggi testuali. I linguaggi grafici sono: il LADDER, il FUNCTION BLOCH DIAGRAM e il SEQUENTIAL FUNCTION CHART mentre quelli testuali sono l’INSTRUCTION LIST e lo STRUCTURATED TEXT. È anche molto diffuso il GRAFCET, che è alquanto simile al SEQUENTIAL FUNCTION CHART. La scelta di quello più opportuno dipende dalle conoscenze informatiche del programmatore. Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 112 DCS (SISTEMI A CONTROLLO DISTRIBUITO) I sistemi a controllo distribuiti (distibuited control system, DCS), sono utilizzati quando il sistema da controllore è di medie-grandi dimensioni. Un DCS è in grado di agire su una parte di un impianto o di un sistema di produzione La struttura hardware e software di base di un DCS è studiata in modo da poter realizzare un sistema di controllo con caratteristiche distribuite. Un DCS risolve i problemi di coordinamento e di conduzione dei sistemi da controllare, attraverso vari strumenti hardware e software interconnessi tra loro. Per realizzare il controllo mediante un d c s è necessario disporre oltre che dei moduli hardware anche dle software di configurazione In particolare i moduli sono posizionati nel sistema da controllare in corrispondenza dei punti in cui la loro azione è necessaria per rendere operativa l’azione di controllo. Gli elementi che caratterizzano un DCS sono: ● i moduli per l'acquisizione dati, l'elaborazione e il controllo distribuiti in diversi punti del sistema da controllare ● la rete di comunicazione che collega fra di loro i vari sottosistemi La topologia della rete può essere modificata, aggiungendo o togliendo moduli, anche quando il sistema da controllare è in funzione Il software associato ad ogni DCS è costituito dai seguenti programmi: • la gestione della rete locale • la gestione della rete di automazione • la gestione della strumentazione di campo • la realizzazione dei controllori locali • il coordinamento e la sequenzializzazione delle azioni di intervento • la realizzazione dell’interfaccia uomo-macchina Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 113 Dal punto di vista hardware, gli elementi costitutivi di un DCS si possono classificare in: Stazioni di supervisione e configurazione: sono tipicamente delle "workstation" o dei PC dotati di software specifici per effettuare: • L’interfaccia uomo-macchina (human-machine interface o HMI), con pannelli di visualizzazione (quadri sinottici) dello stato dell'intero processo, • La raccolta ed elaborazione statistica dei dati di processo (scada), • Il controllo dell'avanzamento delle varie macrofasi del processo produttivo (batch manager), • Programmazione delle unità di controllo e misura remote (remote terminal unit, RTU); le remote terminal unit, che possono essere: • regolatori analogici che realizzano il controllo in retroazione di uno specifico microprocesso (ad esempio il livello di un serbatoio), • controllori logici per il controllo della sequenza produttiva di una parte localizzata del processo, • moduli di i/o non "intelligenti", eventualmente progettati in modo specifico per ambienti pericolosi; I controllori usati in un DCS possono essere quelli tipici dei PLC "tradizionali", ma più spesso sono controllori "ibridi", che integrano all'elaborazione numerica di tipo floating-point a quelle di tipo logico. I sistemi di comunicazione: conversione dei segnali analogici provenienti dai sensori in forma digitale secondo il protocollo della rete digitale, che permette una totale integrazione dei componenti del DCS. In genere tutti i componenti di un DCS sono in grado di supportare le esigenze di ridondanza, vale a dire la contemporanea presenza di più dispositivi (processori, reti di comunicazione) che eseguono lo stesso compito, in modo che se uno di questi dovesse guastarsi, un altro subentrerebbe senza problemi di sicurezza. Dal punto di vista software, la programmazione dei DCS è studiata appositamente per poter intervenire sul sistema da controllare con caratteristiche distribuite. Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 114 REMOTE TERMINAL UNIT La REMOTE TERMINAL UNIT, RTU, è un terminale locale che consente di visualizzare le condizioni operative di alcuni elementi controllati singolarmente o dei dispositivi di elaborazione locale, dei PLC e dei DCS. Tramite la RTU può essere modificato il valore dei parametri di alcuni dispositivi locali di elaborazione. Le sono azionate da operatori locali GESTIONE DEL SISTEMA DI PRODUZIONE CONDUZIONE DEGLI IMPIANTI RTU RTU RTU RTU RTU COORDINAMENTO RTU CONTROLLO LOCALE RTU INIZIALIZZAZIONE RTU Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 115 STRUTTURA DEL SISTEMA INFORMATIVO PER IL CONTROLLO DI UN SISTEMA COMPLESSO BASE DELLA CONOSCENZA INFRASTRUTTURA PER LA COMUNICAZIONE CON SISTEMI ESTERNI ESPERIENZA INTELLIGENZA ELABORAZIONE COMANDI OPERATORE ELABORAZIONE DATI ELABORAZIONE ALLARMI/EVENTI ELABORAZIONE CONTROLLI AUTOMATICI DATA LOGGING BASE DI DATI DEL COMPORTAMENTO DEL SISTEMA CONTROLLATO TRATTAMENTO DATI INTERFACCIA DI COMUNICAZIONE CON GLI ATTUATORI E I DISPOSITI VI DISURA VARIABILIDI COMANDO Alessandro De Carli INTERFACCIA UOMO-MACCHINA VARIABILI MISURATE Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 116 INTERFACCIA UOMO-MACCHINA • aiuto all’operatore per la corretta conduzione del sistema complesso • raccolta dei dati, memorizzazione dei dati • tracciamento e memorizzazione di variabili che hanno un significato particolarmente importante per caratterizzare le condizioni operative del sistema controllato PAGINE GRAFICHE GESTIONE DEL SISTEMA DI PRODUZIONE CONDUZIONE DEGLI IMPIANTI ELABORAZIONI • • • COORDINAMENTO • CONTROLLO LOCALE • INIZIALIZZAZIONE Alessandro De Carli DAI DATI ALLE INFORMAZIONI analisi statistiche sull’andamento delle variabili di gestione e di conduzione aggiornamento continuo del valore delle variabili critiche per il funzionamento degli impianti andamento delle variabili più significative segnalazione e classificazione di anomalie nel funzionamento degli impianti guida agli interventi degli operatori preposti alla gestione e alla conduzione Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 117 Le pagine grafiche sono realizzate tenendo conto delle esigenze degli operatori per la gestione del sistema di produzione e per la gestione dei singoli impianti nonché della esperienza acquista dagli operatori stessi prima della realizzazione dell’interfaccia uomo-macchina. La realizzazione delle pagine grafiche può essere effettuata con l’ausilio di software specialistici indicati come SCADA (Supervisory Control And Data Acquisiion) oppure con software appositamente progettati. Le pagine grafiche sono organizzate in modo da presentare: • gli elementi essenziali del sistema complesso in esame con le interconnessione relative al flusso di energia, di materia, di informazione e del valore attuale delle variabili di primario interesse • gli elementi che hanno un ruolo determinante nella realizzazione e nel funzionamento di un impianto, con indicazione del valore attuale ed eventualmente delle anomalie • l’andamento in tempo reale delle variabili strategiche e del loro effetto per la conduzione di un impianto o di un elemento singolo • le informazioni statistiche in tempo reale sulle condizioni operative relative alle variabili strategiche AREA DI SELEZIONE E ALLARMI • la sequenza degli allarmi e della loro ubicazione e rilevanza Le pagine grafiche sono strutturate in modo da consentire la visualizzazione di varie informazioni. AREA OPERATIVA GRAFICA Nell’area operativa grafica è visualizzata l’informazione INFORMAZIONI DI SERVIZIO dominante, mentre nelle altre aree informazioni secondarie utili per la conoscenza delle condizioni operative. Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 118 ELABORAZIONI DA EFFETTUARE PER REALIZZARE UN INTERFACCIA UOMO MACCHINA • FUNZIONI PREVALENTI – ACQUISIZIONE DATI (NUMEROSI CANALI) – ALGORITMI DI CONTROLLO • TIPOLOGIA DELLE GRANDEZZE ELABORATE – VARIABILI IN LOGICA BINARIA – VARIABILI DI TIPO CONTINUO – VARIABILI DIGITALIZZATE • • CARICO COMPUTAZIONALE ELEVATO FUNZIONI AUSILIARIE DI SUPERVISIONE – INTERFACCIA OPERATORE – DIAGNOSTICA E MONITORAGGIO • SISTEMI ESPERTI – IMPIEGO DELLA STORICIZZAZIONE DEI DATI PER ADATTARE I PARAMETRI DI CONTROLLO – CAPACITÀ DI ADATTARE IL SISTEMA PER SUPPLIRE A SITUAZIONI DI FUNZIONAMENTO DEGRADATO • IMPLEMENTAZIONE MEDIANTE PACCHETTI SOFTWARE SU ARCHITETTURE DISTRIBUITE SU SCALA LOCALE BASATE SU HARDWARE DI TIPO GENERICO O DEDICATO Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 119 RACCOLTA DEI DATI •MISURA DI TUTTE LE VARIABILI DI INTERESSE PER IL SISTEMA CONTROLLATO •COSTRUZIONE IN MEMORIA DI UN’IMMAGINE DELLE GRANDEZZE FISICHE •LA VALIDITÀ DELL’IMMAGINE È LIMITATA TEMPORALMENTE •LA DURATA DELL’INTERVALLO DI VALIDITÀ DIPENDE DALLA DINAMICA DELLA GRANDEZZA CONDIZIONAMENTO DEI SEGNALI •ELABORAZIONI SU DATI GREZZI PER RENDERLI UTILIZZABILI •LINEARIZZAZIONE E MESSA IN SCALA •FILTRAGGIO •ANALISI DI COERENZA E VALIDITÀ •OPERAZIONI DI SOFT COMPUTING •ALCUNE FUNZIONI DI SIGNAL CONDITIONING SONO SVOLTE A LIVELLO HARDWARE MONITORAGGIO DEGLI ALLARMI •ANALISI DELLE INFORMAZIONI DAL CAMPO CHE POSSONO RICHIEDERE L’INTERVENTO AUTOMATICO DEL CONTROLLO E/O DELL’OPERATORE •A SEGUITO DI UN MALFUNZIONAMENTO MOLTE GRANDEZZE POSSONO DEVIARE DAL LORO ANDAMENTO FISIOLOGICO E GENERARE DEGLI ALLARMI •RILEVAZIONE E VISUALIZZAZIONE DEGLI ALLARMI (TECNICHE DI INFERENZA SOFT) •IDENTIFICAZIONE DELL’EVENTO PRIMARIO CHE HA SCATENATO L’ALLARME •LOG TEMPORALE DEGLI EVENTI •SISTEMI ESPERTI PER AIUTARE L’OPERATORE NELL’ANALISI DEL GUASTO Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 120 ESEMPIO DI REALIZZAZIONE DI UN INTERFACCIA UOMO MACCHINA Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 121 ESEMPIO UNA PAGINA GRAFICA PER LA VISIONE DI UNA PARTE DELL’IMPIANTO Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 122 ESEMPIO UNA PAGINA GRAFICA PER LA VISIONE DELLA STRUTTURA FUNZIONALI DI UN IMPIANTO Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 123 ESEMPIO DI UNA PAGINA GRAFICA CON l?ANDAMENTO IN TEMPO REALE DI ALCUNE VARIABILI Alessandro De Carli Febbraio 2010 CORSO BREVE DI AUTOMAZIONE 1 124 ESEMPIO DI UNA PAGINA GRAFICA CON L’ELENCO IN TEMPO REALE DEGLI ALLARMI Alessandro De Carli Febbraio 2010