Dipartimento di
Informatica e Sistemistica
INTRODUZIONE
AL CORSO DI
AUTOMAZIONE I
Dott. Ing. VINCENZO SURACI
ANNO ACCADEMICO 2012-2013
Corso di AUTOMAZIONE 1
1
PARTE 1
INTRODUZIONE
AL CORSO
Nuclei Tematici
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Introduzione
Piramide della Automazione
Livello di Campo
Livello di Coordinamento
Livello di Conduzione
Livello di Gestione
3
INTRODUZIONE
MODALITÀ DI ESAME
•
PROVA SCRITTA
–
•
Reverse Engineering di un sistema reale
PROVA ORALE
–
–
Revisione critica della tesina;
Domande sul programma dell’esame.
4
BIBLIOGRAFIA
5
BIBLIOGRAFIA
6
BIBLIOGRAFIA
7
AUTOMAZIONE 1
Slide #8
Facoltà di Ingegneria
PARTE 2
INTRODUZIONE
ALL’AUTOMAZIONE
AUTOMAZIONE 1
Slide #9
Facoltà di Ingegneria
FORMARE UN INGEGNERE
«Scientia quo magis speculativa eo magis practica»
Gottfried Wilhelm von Leibniz
• Formare un ingegnere significa rendere un
allievo capace di utilizzare i principi di base e i
metodi di lavoro tipici dell’ingegneria per
affrontare e risolvere razionalmente problemi
complessi realmente esistenti.
• L’ingegnere deve pervenire a soluzioni
tecnicamente competitive ed
economicamente convenienti.
AUTOMAZIONE 1
Slide #10
Facoltà di Ingegneria
PERCHÉ INVESTIRE NELL’AUTOMAZIONE ?
• l’Ingegneria Industriale è finalizzata alla progettazione e
realizzazione di apparecchiature e impianti con
tecnologie facilmente riconoscibili: chimica, meccanica,
elettrica, elettronica, informatica, aeronautica,
aerospaziale;
• L’Automazione è una tecnologia nascosta ma sempre
presente, indispensabile per rendere funzionanti le
realizzazioni ottenute con le altre tecnologie, al fine di
raggiungere le finalità, le prestazioni e le specifiche
desiderate.
AUTOMAZIONE 1
Slide #11
Facoltà di Ingegneria
L'OBIETTIVO DELL’INGEGNERE DELL’AUTOMAZIONE
• L’ Ingegnere dell’Automazione ha come
obiettivo quello di individuare, progettare,
rendere operative, secondo approcci
sistematici, le modalità in grado di imporre le
azioni di intervento sul sistema da controllare
(ad esempio una macchina, un impianto, ecc.),
utili per raggiungere le finalità, le prestazioni e
le specifiche desiderate.
AUTOMAZIONE 1
Slide #12
Facoltà di Ingegneria
IL RUOLO DELL’INGEGNERE DELL’AUTOMAZIONE
• Il ruolo dell’Ingegnere dell’Automazione è
quello di seguire il ciclo di vita del sistema da
controllare, ovvero quello di progettare,
scegliere, realizzare, installare, rendere
operativo e gestire il sistema controllato.
AUTOMAZIONE 1
Slide #13
Facoltà di Ingegneria
PRINCIPALI SETTORI DELL’INGEGNERIA
LA REALIZZAZIONE CONSENTE DI RAGGIUNGERE LA FUNZIONALITÀ
DESIDERATA A REGIME, TALVOLTA IL TRANSITORIO È TRASCURATO
OCCORRE INDIVIDUARE GLI INTERVENTI NECESSARI A RAGGIUNGERE LE
PRESTAZIONI E LE SPECIFICHE DESIDERATE A REGIME.
FORNISCE LE MODALITÀ SISTEMATICHE DI PROGETTAZIONE DELLE AZIONI
DI INTERVENTO DA APPLICARE ALLA REALIZZAZIONE IN ESAME.
AUTOMATICA
SVILUPPA NUOVE METODOLOGIE PER MIGLIORARE LE PRESTAZIONI
STATICHE E DINAMICHE E PER RENDERE PIÙ FLESSIBILI SIA LE SINGOLE
REALIZZAZIONI SIA I SISTEMI CONTROLLATI COMPLESSI.
SISTEMI
DINAMICI
ELETTRICA
ELETTRONICA
MECCANICA
ENERGETICA
AERONAUTICA
CHIMICA
LA REALIZZAZIONE RAGGIUNGE LE FINALITÀ DESIDERATE SENZA
NECESSITÀ DI ULTERIORI INTERVENTI
SISTEMI
STATICI
CIVILE / EDILE
AUTOMAZIONE 1
Slide #14
Facoltà di Ingegneria
REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE
AUTOMAZIONE
MECCANICHE, ELETTRICHE,
ELETTRONICHE, INFORMATICHE
AUTOMAZIONE 1
Slide #15
Facoltà di Ingegneria
REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE MECCANICHE
REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE ELETTRICHE
REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE ELETTRONICHE
REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE INFORMATICHE
REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE DELL’AUTOMAZIONE
METODOLOGIE
ELEMENTI SINGOLI
PROGETTAZIONE
CRITERI EMPIRICI
METODOLOGIE SISTEMATICHE
PRESTAZIONI
VENGONO ACCETTATE
QUELLE CHE POSSONO
ESSERE OTTENENUTE
DEVONO ESSERE
RAGGIUNTE QUELLE
PREFISSATE
SISTEMA
AUTOMAZIONE 1
Slide #16
Facoltà di Ingegneria
SISTEMA DA CONTROLLARE E SISTEMA DI CONTROLLO
• La macchina o l’impianto sui cui intervenire è
indicato come sistema da controllare;
• 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
AUTOMAZIONE 1
Slide #17
Facoltà di Ingegneria
SISTEMA CONTROLLATO
Il sistema da controllare e il sistema di 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
AUTOMAZIONE 1
Slide #18
Facoltà di Ingegneria
STRUTTURA DI UN SISTEMA COMPLESSO
SISTEMA COMPLESSO
IMPIANTO 1
IMPIANTO 2
IMPIANTI
IMPIANTO n
APPARATO 2
COMPONENTE
APPARATO 3
APPARATO 4
APPARATO 5
APPARATO 1
COMPONENTE
COMPONENTE
SISTEMA COMPLESSO
COMPONENTE
APPARATI
COMPONENTE
APPARATO i+1
COMPONENTI
APPARATO 1
COMPONENTE
COMPONENTE
COMPONENTE
APPARATO k
APPARATO n
STRUTTURA DI UN SISTEMA COMPLESSO
MODELLO DELLA STRUTTURA
DI UN SISTEMA COMPLESSO
AUTOMAZIONE 1
Slide #19
Facoltà di Ingegneria
STRUTTURA DI UN SISTEMA CONTROLLATO COMPLESSO
GESTIONE
SISTEMA COMPLESSO
CONDUZIONE
IMPIANTI
SCELTA DELLE CONDIZIONI OPERATIVE
DEGLI IMPIANTI IN FUNZIONE DELLE FINALITÀ
RICHIESTE ALLA PRODUZIONE AZIENDALE
OTTIMIZZAZIONE DELLA GESTIONE DEL SISTEMA
VERIFICA ON-LINE DEL RAGGIUMENTO DELLE CONDIZIONI
OPERATIVE, IMPOSIZIONE DELLE CONDIZIONI OPERATIVE
DESIDERATE E SEGNALAZIONE DI EVENTUALI ANOMALIE
OTTIMIZZAZIONE DELLA CONDUZIONE DEGLI IMPIANTI
COORDINAMENTO
APPARATI
SISTEMA
CONTROLLATO
CAMPO
COMPLESSO
ELEMENTI
SINGOLI
COORDINAMENTO DEGLI ELEMENTI SINGOLI DI OGNI
APPARATO E SEQUENZIALIZZAZIONE DEGLI INTERVENTI
OTTIMIZZAZIONE DELLE PRESTAZIONI DEGLI APPARATI
INTERVENTI SPECIFICI FINALIZZATI ALLA
OTTIMIZZAZIONE DELLA PRONTEZZA E DELLA
FEDELTÀ DI RISPOSTA DEGLI ELEMENTI SINGOLI
AUTOMAZIONE 1
Slide #20
Facoltà di Ingegneria
ORGANIZZAZIONE DEI CORSI
GESTIONE
SISTEMA
COMPLESSO
AUTOMAZIONE
CONDUZIONE
IMPIANTI
COORDINAMENTO
APPARATI
CAMPO
ELEMENTI SINGOLI
FONDAMENTI
DI AUTOMATICA
AUTOMAZIONE 1
Slide #21
Facoltà di Ingegneria
PROGETTAZIONE DELLE AZIONI DI INTERVENTO A LIVELLO DI CAMPO
APPROCCIO EMPIRICO
APPROCCIO SISTEMATICO
Permette di INDIVIDUARE le azioni di intervento
sugli elementi singoli in modo da portare il
sistema complesso in condizioni operative di
funzionamento senza possibilità di imporre
alcun vincolo sulla precisione statica e senza
possibilità di poter intervenire sull’intervallo di
tempo necessario a raggiungere le condizioni
operative desiderate.
Permette di PROGETTARE le azioni di intervento
sugli elementi singoli in modo da portare il
sistema complesso in condizioni operative di
funzionamento imponendo opportuni vincoli sia
sulla precisione statica sia sul tempo massimo
entro cui devono essere raggiunte le condizioni
operative.
Non è necessario disporre di un modello
matematico che descriva la dinamica dei singoli
elementi.
È sufficiente conoscere le caratteristiche statiche
dei singoli elementi.
È necessario disporre di un modello matematico
che descriva gli aspetti dinamici significativi dei
singoli elementi.
Prima di rendere operative le azioni di intervento
è necessario validarle su un modello matematico
più accurato.
AUTOMAZIONE 1
Slide #22
Facoltà di Ingegneria
RAPPORTO COSTO/PRESTAZIONI DI UN SISTEMA CONTROLLATO
realizzazione dei
programmi per il
raggiungimento delle
finalità e funzionalità
desiderate del sistema
controllato
realizzazione dei
programmi per il
miglioramento della qualità
delle prestazoni del sistema
controllato
PRESTAZIONI
acquisizione della
strumentazione e della rete
di comunicazione
progettazione del sistema da controllare
COSTO
realizzazione del
sistema da
controllare
scelta e istallazione
della strumentazione
progettazione delle modalità di
intervento
progettazione delle modalità di
controllo e loro trasferimento nei
dispositivi di elaborazione
AUTOMAZIONE 1
Slide #23
Facoltà di Ingegneria
COMMITTENTE E FORNITORE
• Tutto ha inizio con la richiesta del
committente ad un fornitore.
• Il committente fornisce gli obiettivi che
devono essere raggiunti dal sistema da
controllare, nonché i vincoli di progetto.
• Il fornitore è responsabile della
progettazione, della realizzazione e della
messa in funzione del sistema controllato.
AUTOMAZIONE 1
Slide #24
Facoltà di Ingegneria
OBIETTIVI
• Le finalità indicano cosa deve fare il sistema controllato
quando è in condizioni nominali di funzionamento.
• La funzionalità rappresenta l’insieme delle attività che
devono essere svolte dal sistema controllato per poter
soddisfare le finalità desiderate.
• Le prestazioni rappresentano le modalità secondo cui
devono essere svolte le attività previste per ottenere la
funzionalità desiderata.
• Le specifiche indicano come le prestazioni devono essere
raggiunte. In particolare rappresentano i valori che devono
assumere
le
grandezze
che
caratterizzano
il
raggiungimento delle prestazioni.
AUTOMAZIONE 1
Slide #25
Facoltà di Ingegneria
VINCOLI
• vincoli strutturali che impone il sistema da
controllare (ad es. sovradimensionamento);
• vincoli operativi del sistema controllato (ad es.
ambientali, energetici, spaziali, temporali);
• vincoli di costo intesi come la somma di costi
di progettazione, di realizzazione, di istallazione,
di configurazione, di messa in funzione e di
gestione.
AUTOMAZIONE 1
Slide #26
Facoltà di Ingegneria
FASI DELLA PROGETTAZIONE
• individuazione del sistema da controllare,
definizione degli obiettivi e dei vincoli di progetto;
• definizione del modello astratto;
• individuazione delle azioni di intervento;
• scelta delle modalità di controllo;
• progettazione della legge di controllo;
AUTOMAZIONE 1
Slide #27
Facoltà di Ingegneria
PARTE 3
RICHIAMI DI
TEORIA DEI SISTEMI
AUTOMAZIONE 1
Slide #28
Facoltà di Ingegneria
ELEMENTI DI UN SISTEMA
• Un elemento fa parte di un sistema da controllare se e solo se esso
è in grado di accumulare almeno una delle forme di energia che
partecipano attivamente all’evoluzione del sistema in esame ed in
maniera determinante al fine del raggiungimento degli obiettivi;
• Pertanto un elemento che non è in grado di accumulare energia o
che accumula una forma di energia non determinante per la
dinamica del sistema utile a verificare il raggiungimento degli
obiettivi desiderati, non deve essere preso in considerazione.
• Individuati gli elementi, devono essere prese in considerazione tutte
e sole le interazioni energetiche che essi hanno tra di loro e con
elementi esterni al sistema da controllare.
AUTOMAZIONE 1
Slide #29
Facoltà di Ingegneria
EVOLUZIONE DI UN SISTEMA
• Un evento è un qualsiasi intervento effettuato sul sistema da
controllare che ne determina un evoluzione.
• Per avere una evoluzione è necessaria una variazione dell’energia
in termini di immissione, sottrazione, dissipazione o trasformazione.
• Per avere una variazione di energia è necessario che essa sia
immessa o sottratta dal sistema e/o che essa sia già accumulata nel
sistema.
• Un sistema che non presenta una evoluzione è in equilibrio.
AUTOMAZIONE 1
Slide #30
Facoltà di Ingegneria
VARIABILI DI UN SISTEMA
• Qualsiasi grandezza che varia in maniera significativa nel periodo di
osservazione del sistema è detta variabile, altrimenti è detta
parametro.
• Solo quelle variabili che risultano determinanti per caratterizzare il
comportamento dinamico del sistema devono essere prese in
considerazione.
• Vengono indicate come variabili di ingresso tutte e sole quelle
grandezze che sono in grado di imporre un’evoluzione. Il loro valore
istantaneo è significativo della quantità di energia immessa o
prelevata al sistema e coinvolta nella sua evoluzione.
AUTOMAZIONE 1
Slide #31
Facoltà di Ingegneria
VARIABILI DI UN SISTEMA
• Vengono indicati come disturbi, quelle variabili di ingresso sul cui
valore istantaneo non si può agire in maniera diretta. Essendo
variabili di ingresso sono in grado di immettere o sottrarre energia al
sistema provocando una evoluzione (indesiderata) che altera il
raggiungimento delle finalità desiderate. Di un disturbo si possono in
genere misurare o stimare i suoi effetti e solo in casi particolari
anche l’intensità. La misura o la stima del valore istantaneo del
disturbo è indice della quantità dell’energia immessa o sottratta al
sistema. Non si può agire sul valore istantaneo di un disturbo, ma si
può agire sugli effetti che esso provoca nell’evoluzione del sistema
da controllare. Ovvero si può solo attenuare l’effetto indesiderato dei
disturbi.
AUTOMAZIONE 1
Slide #32
Facoltà di Ingegneria
VARIABILI DI UN SISTEMA
• Sono indicate come variabili di uscita, ovvero come variabili
controllate, quelle grandezze che risultano significative per valutare
gli effetti delle variabili di forzamento e dei disturbi ed il cui valore
viene utilizzato per verificare il corretto soddisfacimento delle finalità
desiderate. Le variabili di uscita sono significative dell’evoluzione del
sistema. La misura del loro valore istantaneo non è pertanto indice
di una quantità di energia ma solo degli effetti che ha avuto l’energia
utilizzata per ottenere l’evoluzione.
• Sono indicate come variabili di stato quelle grandezze il cui valore
istantaneo è significativo della quantità di energia accumulata dal
sistema. Si devono considerare tutte e sole quelle variabili di stato
associate a forme di energia accumulabile nel sistema e che
partecipano in maniera determinante alla sua evoluzione e al
raggiungimento delle finalità desiderate.
AUTOMAZIONE 1
Slide #33
Facoltà di Ingegneria
SCELTA E RUOLO DELLE VARIABILI
• Per una corretta scelta delle variabili di ingresso, di uscita, di
disturbo e di stato occorre conoscere:
– la struttura del sistema da controllare;
– le modalità di funzionamento del sistema da controllare
– le finalità del sistema da controllare.
• Per uno stesso sistema da controllare la scelta e il ruolo delle
variabili può essere differente in quanto sono differenti le finalità.
AUTOMAZIONE 1
Slide #34
Facoltà di Ingegneria
FINALITÀ : mantenere costante il livello del liquido nel serbatoio al variare della
quantità del liquido prelevata
VARIABILE CONTROLLATA: livello del
liquido nel serbatoio
VARIABILE DI INTERVENTO: quantità di
liquido immessa
DISTURBI: quantità di liquido attinta dal
serbatoio in maniera casuale
ENERGIA
ACCUMULATA
ENERGIA
IMMESSA
VARIABILE DI
INTERVENTO
VARIABILE
CONTROLLATA
ENERGIA
PRELEVATA
DISTURBO
d(t)
u(t)
MODELLO DEL
COMPORTAMENTO
DINAMICO DEL
SERBATOIO
y(t)
AUTOMAZIONE 1
Slide #35
Facoltà di Ingegneria
FINALITÀ : istante per istante prelevare dal serbatoio la quantità di liquido
desiderata
DISTURBO
VARIABILE CONTROLLATA: quantità di
liquido prelevata
VARIABILE DI INTERVENTO: posizione
della valvola di intercettazione
DISTURBI: quantità di liquido immessa
nel serbatoio in maniera casuale
ENERGIA IMMESSA
ENERGIA
ACCUMULATA
ENERGIA
IMMESSA
q(t)
VARIABILE DI
INTERVENTO
ENERGIA
PRELEVATA
d(t)
VARIABILE
CONTROLLATA
u(t)
MODELLO DEL
COMPORTAMENTO
DINAMICO DEL
SERBATOIO
y(t)
AUTOMAZIONE 1
Slide #36
Facoltà di Ingegneria
CONDIZIONI OPERATIVE TIPICHE DI UN SISTEMA DINAMICO
ENERGIA IMMESSA
ENERGIA
ACCUMULATA
ENERGIA
PRELEVATA
ENERGIA
IMMESSA
CASO 1 – STATO DI QUIETE
ENERGIA IMMESSA
tempo
ENERGIA ACCUMULATA
tempo
ENERGIA PRELEVATA
tempo
NESSUNA EVOLUZIONE
CONDIZIONE DI FUNZIONAMENTO: SISTEMA DINAMICO IN STATO DI QUIETE
AUTOMAZIONE 1
Slide #37
Facoltà di Ingegneria
CONDIZIONI OPERATIVE TIPICHE DI UN SISTEMA DINAMICO
ENERGIA IMMESSA
ENERGIA
ACCUMULATA
ENERGIA
IMMESSA
ENERGIA
PRELEVATA
CASO 2 – REGIME PERMANENTE
ENERGIA IMMESSA
tempo
ENERGIA ACCUMULATA
tempo
ENERGIA PRELEVATA
tempo
NESSUNA EVOLUZIONE
CONDIZIONE DI FUNZIONAMENTO: SISTEMA DINAMICO FUNZIONANTE
IN REGIME PERMANENTE O FUNZIONAMENTO A RÈGIME
AUTOMAZIONE 1
Slide #38
Facoltà di Ingegneria
CONDIZIONI OPERATIVE TIPICHE DI UN SISTEMA DINAMICO
ENERGIA
ACCUMULATA
ENERGIA
IMMESSA
CASO 3 – EVOLUZIONE LIBERA
ENERGIA IMMESSA
tempo
ENERGIA ACCUMULATA
ENERGIA
PRELEVATA
ENERGIA PRELEVATA
tempo
ATTIVAZIONE DELLA
VARIABILE DI INTERVENTO
EVOLUZIONE DINAMICA A SPESE DELL’ENERGIA ACCUMULATA
CONDIZIONE DI FUNZIONAMENTO: SISTEMA DINAMICO
FUNZIONANTE IN EVOLUZIONE LIBERA
tempo
AUTOMAZIONE 1
Slide #39
Facoltà di Ingegneria
CONDIZIONI OPERATIVE TIPICHE DI UN SISTEMA DINAMICO
CASO 4
EVOLUZIONE FORZATA
ed EVOLUZIONE LIBERA
ENERGIA IMMESSA
tempo
ENERGIA ACCUMULATA
tempo
ENERGIA PRELEVATA
tempo
ATTIVAZIONE DELLA
VARIABILE DI INTERVENTO
EVOLUZIONE DINAMICA A SPESE DELL’ENERGIA IMMESSA E DELL’ENERGIA
ACCUMULATA
CONDIZIONE DI FUNZIONAMENTO: SISTEMA DINAMICO FUNZIONANTE IN
EVOLUZIONE FORZATA E IN EVOLUZIONE LIBERA
AUTOMAZIONE 1
Slide #40
Facoltà di Ingegneria
SISTEMA DA CONTROLLARE
SOVRADIMENSIONATO
variabile controllata
valore nominale
variabile controllata
campo di escursione della variabile
controllata previsto dalle specifiche
effetto del
disturbo prevedibile
tempo di
assestamento
tempo
SISTEMA DA CONTROLLARE
DIMENSIONATO CORRETAMENTE
valore nominale
variabile controllata
Dimensionamento di un sistema
rispetto alle specifiche e all’effetto
di disturbi prevedibili.
variabile controllata
campo di escursione della variabile
controllata previsto dalle specifiche
effetto del
disturbo prevedibile
tempo
tempo di
assestamento