Controllo Distribuito di Sistemi Produttivi

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1 Politecnico di Bari DIPARTIMENTO DI ELETTROTECNICA ED ELETTRONICA Controllo Distribuito di Sistemi Produttivi David Naso Dipartimento di Elettrotecnica Politecnico di Bari, Italy Introduzione al Corso 1 Controllo Distribuito di Sistemi Produttivi Informazioni generali Primo Anno Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica Curr. Sistemi Intelligenti/Curr. Sistemi Informativi e Reti (a scelta) CFU = 3 Ore di lezione circa 30: 15 moduli da due ore. 2 Moduli a settimana per sette settimane. Esame finale: due prove di esonero oppure prova orale. Prova Facoltativa: relazione di approfondimento su uno degli argomenti del corso a scelta dello studente (concordata col docente) Introduzione al Corso 2 1

2 Materiale Materiale fornito dal docente. Inoltre, per consultazione, si consigliano: P. Chiacchio, F. Basile Tecnologie informatiche per l automazione, McGrawHill. G. Magnani Tecnologie dei sistemi di controllo, McGrawHill. Sito web Mailing list Introduzione al Corso 3 Programma generale del corso Introduzione al corso. Sistemi di automazione e controllo. Controllo di Processo ed Automazione industriale. Sistemi di produzione continua e discreta. Modello funzionale Computer Integrated Manufacturing (CIM). Livello di campo. Hardware per il controllo distribuito. Reti per l'automazione. Reti di campo. Distributed Control Systems (DCS). Sistemi di supervisione ed acquisizione dati (SCADA). Livelli di controllo e decisione. Pianificazione e controllo dell'attività produttiva. Controllo operativo e sistemi ad eventi discreti (cenni). Pianificazione ed ottimizzazione delle attività produttive. Scheduling, rescheduling, sequencing, dispatching. Cenni agli algoritmi di ottimizzazione combinatoria. Software per la simulazione di ambienti produttivi. Introduzione al Corso 4 2

3 Programma generale 2 Layout di sistemi produttivi e di flussi di materiale: flow shop, job shop, sistemi flessibili. Architetture dei sistemi di controllo: Architettura centralizzata, gerarchica, decentralizzata e distribuita. Il controllo eterarchico. Sistemi multi-agente. Agenti: definizioni e proprietà. Ruoli, funzionalità ed obiettivi. Modelli dinamici di agenti per il controllo di ambienti produttivi distribuiti. Multi-agent systems. Panoramica sui principali protocolli di interazione tra agenti. Strategie di cooperazione, coordinamento ed adattamento delle strategie di decisione. Panoramica sulle applicazioni industriali. Introduzione al Corso 5 Classificazione dei Sistemi Produttivi Sistemi di produzione continua: in cui la trasformazione della materia prima in prodotto finito avviene grazie a trasformazioni chimico-fisiche di tipo continuo (come, ad esempio, l estrazione di benzina dal petrolio grezzo). Sistemi di produzione discreta: impianti dedicati alla realizzazione di prodotti ad elevato valore aggiunto tramite sequenze discrete e finite di operazioni di lavorazione e/o di trasformazione, che rientrano nel settore dell industria secondaria. Introduzione al Corso 6 3

4 Paradigma Computer Integrated Manufacturing A questo scopo è stato proposto un modello di riferimento funzionale per la realizzazione di impianti industriali automatizzati sulla base del rilevamento, coordinamento e la trasmissione di informazioni tra i vari sottosistemi mediante l utilizzo di reti informatiche. OBIETTIVI migliore utilizzo delle risorse, attraverso una accurata gestione, eventualmente ottimizzata in tempo reale, dei processi produttivi la massima flessibilità di produzione, potendo il sistema essere adeguato in tempi brevi a nuove lavorazioni. Riduzione dei tempi di produzione. Miglioramento della progettazione dei prodotti. Riutilizzabilità delle informazioni sui prodotti. Miglioramento dei controlli della produzione, della qualità degli stessi controlli (controllo tutto, non a campione). Riduzione delle scorte di materie prime e dei magazzini. Introduzione al Corso 7 Funzioni: se l azienda è composta da + Stabilimenti. PIRAMIDE CIM Funzioni: Coordinamento delle celle, interazione con supervisori umani o automatizzati Hardware: PC+, reti Funzioni: Controllo e sicurezza controllori dei robot controlli numerici: Hardware: PID, PLC, macchine CN 6. Gest. Azienda 5. Gestione Stabilimento 4. Supervisione Integrata 3. Supervisione di Cella 2. Sistemi di Controllo Funzioni: scheduling, logistica, gestione scorte Hardware PC++, reti Funzioni : Configurazione dei controllori, sequenza di operazioni ottimizzazione delle attività Hardware: PC, PLC+, reti local Automazione di alto livello 1. Piano Officina (CAMPO) Automazione di basso livello Funzioni: Misura e comando modifica stati Introduzione al Corso 8 Hardware: sensori, attuatori 4

5 HUB/MAU BNC 4Mb/s J A R K E B I L F C M7 N8 O9 % UTILIZATION T 2 U3 V0 Ẉ X Y Z TAB NIC PRINT HELP ALPHA SHIFT ENTER RUN HUB/MAU BNC 4Mb/s J A RE K B I L F C M7 N8 O9 T 2 U 3 V 0 W. X % UTILIZATION Y Z TAB PRINT HELP ALPHA SHIFT NIC HUB/MAU BNC 4Mb/s ENTER RUN A B C D E F G H % UTILIZATION TAB NIC RE I F J A K B L C ENTER RUN M7 N8 O9 PRINT HELP T 2 U3 ALPHA V0 Ẉ X Y Z SHIFT SELECTED ON-LINE HUB/MAU BNC 4Mb/s % UTILIZATION TAB NIC RE I F J A K B L C ENTER RUN M7 N8 O9 PRINT HELP T 2 U3 ALPHA V0 Ẉ X Y Z SHIFT Sistemi di controllo a livello di campo Architettura a singolo anello Introduzione al Corso 9 Sistemi di controllo a livello di campo Architettura a rete con controllori e supervisore Introduzione al Corso 10 5

6 CL KMODE RATE TEST OFF ON 1234 LINE MODE SD C T R I LI OKNG TEST A CT A LM PWR LINE ALM AC/DC AC PWR ON 2.0A 2.0A DC OFF 3Com 3Com CLKMODE RATE TEST OFF ON LINE MODE SD C T R I LI OKNG TEST A CT A LM PWR LINE ALM AC/DC AC PWR ON 2.0A 2.0A DC OFF CLKMODE RATE TEST OFF ON 1234 LINE MODE SD CTRILIOKNGTEST ACT ALM PWR LINE ALM AC/DC AC PWR ON 2.0A 2.0A DC OFF CLKMODE RATE TEST OFF ON 1234 LINE MODE SD CTRILIOKNGTEST A CT A LM PWR LINE ALM AC/DC AC PWR ON 2.0A 2.0A DC OFF 3Com CLKMODE RATE TEST OFF ON 1234 LINE MODE SD C T R I LIOKNG TEST ACT ALM PWR LI NE ALM CLKMODE RATE AC/DC AC PWR ON TEST 2.0A 2.0A DC OFF OFF ON 1234 LINE MODE SD C T R I LIOKNG TEST ACT ALM PWR LI NE ALM AC/DC AC PWR ON 2.0A 2.0A DC OFF CLKMODE RATE TEST OFF ON 1234 LINE MODE SD C T R I LI OKNG TEST A CT A LM PWR LINE ALM AC/DC AC PWR ON 2.0A 2.0A DC OFF Supervisory Control and Data Acquisition Un sistema SCADA è un sistema composto da un certo numero di remote terminal units (RTU) collegate ad una master station attraverso un sistema di comunicazione. Le RTU svolgono prevalentemente una funzione di raccolta dati di campo (field data) La master station ha il compito di display dei dati acquisiti e consente all operatore di effettuare interventi di controllo in remoto (remote control) Il termine remoto, che peraltro non compare nell acronimo è il fattore caratterizzante dei sistemi SCADA. Quanto deve essere distante una RTU dalla MS per parlare di SCADA? In genere, quando la distanza tra il centro di controllo e il punto in cui si effettua il monitoraggio ed il controllo è tale da non consentire o rendere economicamente svantaggioso un collegamento diretto con un cavo (o un condotto) di segnale. In altri termini è essenziale l esigenza di usare un sistema di comunicazione per scambiare l informazione tra controllore/supervisore e RTU. Introduzione al Corso 11 SCADA Introduzione al Corso 12 6

7 Reti di dispositivi Le reti digitali di comunicazione, in forte sviluppo insieme al software e alla componentistica hardware dei personal computer, stanno portando notevoli innovazioni nelle architetture dei sistemi di controllo industriali. Un'innovazione potenzialmente rivoluzionaria è rappresentata dalle "reti di dispositivo", cioè reti digitali concepite per collegare tra loro, ed eventualmente a un PLC, o a un'altra rete aziendale di livello più alto, i dispositivi di campo e i regolatori, eliminando i collegamenti analogici (4 20 ma). Introduzione al Corso 13 Distributed Control System (DCS) Un DCS è un complesso di elaboratori interconnessi il cui scopo principale è quello di controllare un impianto o un processo il più delle volte di notevoli dimensioni. Rispetto agli SCADA, nei DCS l intervento umano svolge un ruolo secondario rispetto al controllo automatico, anche se, al momento attuale, i confini tra le due tipologie di sistemi si stanno progressivamente indebolendo. In generale, un DCS è costituito da 1. unità a microprocessore, che eseguono le funzioni di ingresso/uscita solitamente localizzate in modo opportuno nell'impianto e di controllo, 2. unità di interfaccia uomo-macchina, disposte nelle sale controllo 3. infrastrutture di comunicazione, costituite da una o più reti digitali di diverse caratteristiche e velocità. Introduzione al Corso 14 7

8 HUB/MAU BNC 4Mb/s J A RE K B I L F C M7 N8 O9 G D % UTILIZATION T 2 U 3 V0 Ẉ X Y Z TAB NIC PRINT HELP ALPHA SHIFT ENTER RUN 3Com HUB/MAU BNC 4Mb/s J A RE K B M7 N 8 O9 G D T V 0 W. X % UTILIZATION 2 NIC TAB I F L C ENTER RUN PRINT HELP U 3 ALPHA Y Z SHIFT 3Com HUB/MAU BNC 4Mb/s NIC % U TIL IZATION TAB RE I F J A K B L C ENTER RUN M7 N8 O9 PRINT HEL P T 2 U3 ALPHA V 0 W. X Y Z SHIFT Sistema DCS Introduzione al Corso 15 Controllo e supervisione nell automazione industriale 6. Gest. Azienda 5. Gestione Stabilimento 4. Supervisione Integrata 3. Supervisione di Cella Automazione di alto livello Automazione di basso livello 2. Sistemi di Controllo 1. Piano Officina (CAMPO) Introduzione al Corso 16 8

9 Controllo e supervisione delle operazioni (Operational Control) Il livello di controllo è dedicato alle decisioni relative al processo produttivo che devono essere effettuate su un orizzonte che va dal tempo reale al breve termine. la scelta della parte meccanica da lavorare tra quelle in attesa nel buffer Introduzione al Corso 17 Controllo e supervisione delle operazioni (Operational Control) Il livello di controllo è dedicato alle decisioni relative al processo produttivo che devono essere effettuate su un orizzonte che va dal tempo reale al breve termine. scelta di un veicolo per la movimentazione tra quelli disponibili per effettuare il trasporto di un semilavorato Introduzione al Corso 18 9

10 Controllo e supervisione delle operazioni (Operational Control) Il livello di controllo è dedicato alle decisioni relative al processo produttivo che devono essere effettuate su un orizzonte che va dal tempo reale al breve termine. scelta del prelievo o deposito di materiale stoccato Introduzione al Corso 19 Controllo operativo e sistemi ad eventi Modelli ad equazioni differenziali consentono di calcolare con estrema precisione la traiettoria di un braccio meccanico o la propagazione della temperatura in un reattore chimico, ma non sono altrettanto efficaci nell analisi delle reti di comunicazione per computer, del traffico aereo o dei sistemi di produzione discreta. Infatti, l evoluzione nel tempo di questi ultimi sistemi è scandita da una sequenza di eventi discreti, come ad esempio l accesso alla rete di comunicazione da parte di un nuovo utente, il decollo di un aeromobile o la conclusione di una lavorazione ad una stazione, che interagiscono tra loro in modo molto complesso. Per evento solitamente si intende un fenomeno che determina una transizione di stato di durata molto breve rispetto ai periodi in cui lo stato resta immutato, e che pertanto può essere considerata istantanea. Introduzione al Corso 20 10

11 Modelli analitici e strumenti di simulazione per sistemi ad eventi Rapida panoramica sui principali modelli analitici (Automi, Reti di Petri, reti di code, ecc.) Introduzione alla simulazione dei sistemi ad eventi. La simulazione permette di creare modelli estremamente fedeli del sistema di produzione, senza imporre alcun vincolo sul massimo livello di dettaglio raggiungibile e senza imporre assunzioni semplificative che in molti casi compromettono l utilità pratica di un modello. Introduzione al Corso 21 Problemi di pianificazione 6. Gest. Azienda 5. Gestione Stabilimento 4. Supervisione Integrata 3. Supervisione di Cella Automazione di alto livello Automazione di basso livello 2. Sistemi di Controllo 1. Piano Officina (CAMPO) Introduzione al Corso 22 11

12 Gestione stabilimento In genere le problematiche di gestione sono distribuite su su orizzonti temporali di lunghezza diversa, operando una scomposizione gerarchica della pianificazione nei tre livelli di pianificazione strategica, tattica ed operativa (ai confini con il controllo operativo già discusso). le decisioni del livello strategico sono di carattere interdisciplinare (tecnico, economico e manageriale) e riguardano orizzonti temporali lunghi (in media non meno di un anno). Nella fase strategica si definiscono gli obiettivi della produzione, le risorse generali, le relative politiche di gestione necessarie al raggiungimento dei traguardi prefissati. Introduzione al Corso 23 Pianificazione Strategica e Tattica. Nella pianificazione tattica questa fase si organizza la produzione in maniera tale da consentire la realizzazione del piano stabilito in fase di pianificazione strategica, considerando fattori come vincoli tecnologici e date di consegna della materia prima e del prodotto finito per una pianificazione che consenta il massimo sfruttamento delle risorse. Introduzione al Corso 24 12

13 Architetture dei sistemi di controllo L'architettura di un sistema di controllo definisce come sono distribuite ed organizzate le diverse responsabilità decisionali fra i vari componenti del sistema controllo. Quando il sistema di controllo è concentrato in una singola unità, esso ingloba evidentemente tutte le responsabilità decisionali e l'architettura è detta centralizzata. Esiste un unico centro nevralgico di controllo cui fanno capo tutte le decisioni e di conseguenza tutte le informazioni necessarie ad assumere tali decisioni. In ogni istante il controllore, ed esso solo, ha una visione globale dello stato del sistema e decide in piena autonomia. Localizzati sulle singole macchine, semplici controllori non-intelligenti si limitano a eseguire i comandi ricevuti dal calcolatore centrale. Questo riceve le informazioni di monitoraggio del sistema da opportuni sensori e dai controllori di macchina e le usa per formulare la decisione globale. Introduzione al Corso 25 Architetture dei sistemi di decisione e controllo Controllo centralizzato Controllo gerarchico Controllo eterarchico Controllo gerarchico modificato Introduzione al Corso 26 13

14 Architettura Gerarchica Allo scopo di semplificare i problemi dell'architettura centralizzata, in molti sistemi si è implementata una forma gerarchica di controllo basata sull'idea di ripartire l'insieme delle responsabilità decisionali in livelli di importanza e di associare ciascun livello ad un determinato piano nella gerarchia del sistema. Ciascun livello ha un proprio scopo ed una propria funzione. Tutte le attività dei livelli subordinati (slave) sono dettati dall'immediato livello supervisore (master). Al vertice della piramide gerarchica c'è un unico computer ad alto livello, responsabile dell'individuazione degli obiettivi globali e delle strategie a lungo termine, che obbliga tutti gli altri livelli a prendere le decisioni di loro pertinenza in coerenza con quanto da esso stabilito. L'implementazione dei vari livelli di controllo comporta l'uso di potenze hardware differenti che vanno da mainframe al più alto livello, ai minicomputer dei livelli intermedi fino ai microcomputer dei livelli più bassi. Introduzione al Corso 27 Architetture dei sistemi di decisione e controllo Controllo centralizzato Controllo gerarchico Controllo eterarchico Controllo gerarchico modificato Introduzione al Corso 28 14

15 Architettura eterarchica La parola eterarchia indica la distribuzione delle responsabilità decisionali fra una pluralità di controllori allo stesso livello nel senso che, a differenza del caso gerarchico, non si può stabilire una priorità nell'insieme delle decisioni: ogni controllore ha pieni poteri nell'ambito della sua capacità decisionale. Il sistema è articolato in un insieme di entità quasi indipendenti con interazioni ben definite. Ciò permette un alto livello di autonomia locale e di tolleranza ai guasti e rende semplice ad una entità la rilevazione di guasti presso un'altra entità. Tra le entità non esistono relazioni di tipo master-slave e ciò assicura piena autonomia locale. Per rendere il sistema modulare, estensibile e auto-configurabile, la configurazione fisica del sistema deve essere trasparente alle entità, nel senso che ciascuna non ha bisogno di sapere dove si trovino le altre. Introduzione al Corso 29 Agenti e sistemi multi-agente Uno dei concetti classici dell'intelligenza artificiale più vicino al paradigma eterarchico è quello di agente. un agente è definibile come un processo computazionale operante in un certo ambiente, capace di intraprendere autonomamente delle azioni al fine di raggiungere i propri obiettivi di progetto. Un agente autonomo agisce senza l'intervento diretto di personale umano o di altri agenti ed ha pieno controllo delle sue azioni e del suo stato interno. Se nell'ambiente in considerazione opera contemporaneamente una pluralità di agenti si parla di sistema multiagente (Multi-Agent System, MAS). Introduzione al Corso 30 15

16 Protocolli di interazione tra agenti In un MAS, gli agenti hanno bisogno di interagire fra loro sia per raggiungere i propri obiettivi e sia per gestire le dipendenze che seguono dal fatto di essere situati in un ambiente comune. Queste interazioni possono variare dal semplice scambio di informazioni fino alla richiesta dell'esecuzione di particolari azioni. Il meccanismo ritenuto più potente per gestire l'interazione in tempo reale è la negoziazione, processo mediante il quale un gruppo di agenti raggiunge un accordo su attività in cui sono congiuntamente coinvolti. Introduzione al Corso 31 Negoziazione nei MAS Gli elementi fondamentali del processo di negoziazione: Protocolli di negoziazione: l'insieme delle regole che governa l'interazione. Queste stabiliscono i tipi di partecipanti accettabili, gli stati della negoziazione, gli eventi che causano i suoi cambiamenti di stato e le possibili azioni dei partecipanti in particolari stati. Oggetti di negoziazione: l'oggetto della negoziazione può essere unico o più di uno e normalmente ha la natura di un compito da eseguire (task). Modelli decisionali degli agenti: il sistema decisionale usato dagli agenti per effettuare la negoziazione allo scopo di raggiungere i propri obiettivi. Introduzione al Corso 32 16