Introduzione al corso

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1 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Introduzione al corso Ing. Andrea Tilli DEIS Alma Mater Studiorum Università di Bologna atilli@deis.unibo.it Revisionato: 23/08/2007

2 Scopo e Indice Scopo dell introduzione: inquadrare il corso nell ambito delle discipline di automatica e automazione e definire gli obiettivi specifici del corso Indice: Obiettivi generali in forma intuitiva Dettagli implementativi del corso: Composizione della platea Orari Esercitazioni di laboratorio Materiale e testi Modalità di esame Preliminari: Automatica - Automazione e Piramide dell Automazione Obiettivi specifici Programma Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 2

3 Obiettivo Obiettivo del Corso (intuitivamente) Partendo dalla conoscenze di controlli automatici acquisite nei corsi precedenti Fornire le conoscenze di base sulle architetture tecnologiche per la realizzazione di sistemi automatici e di automazione Introduzione di alcune problematiche funzionali tipiche dei sistemi di automazione Controllo di sequenze Approfondimento di alcune tematiche progetti di massima Sapere Saper fare Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 3

4 Dettagli implementativi : Composizione della platea Corso d Laurea in Ing. dell Automazione:? Corso di Laurea in Ing. Informatica:? Corso di Laurea Specialistica in Ing. Elettronica:? Altri:? Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 4

5 Dettagli implementativi : Composizione della platea Conoscenze (di base) della platea utili per il corso: Sistemi Operativi, Multitasking, schedulazione? Ing. Automazione: NO Altri: SI Conversione A/D D/A? Ing. Automazione ed Elettronica: SI Ing. Informatica: idea di base Reti di comunicazione, livelli ISO-OSI, TCP/IP? Ing. Automazione: NO Altri: SI Sistemi di Controllo Digitale Ing. Automazione: SI Ing. Elettronica: NO SI Ing. informatica: NO Elettronica di Potenza: Ing. Automazione: NO SI Ing. Elettronica: SI Ing. Informatica: NO Motori Elettrici: Ing. Automazione: SI Altri: NO Corretto? Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 5

6 Dettagli implementativi : Composizione della platea Si tenterà di colmare le diverse lacune con opportune integrazioni Perfavore, fate domande al docente se alcune parti non sono chiare! Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 6

7 Dettagli implementativi : Orario Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 7

8 Dettagli implementativi : Esercitazioni di Laboratorio Sono state riservate ore nel laboratorio LAB 1 per lo svolgimento delle esercitazioni libere Libere = Non è prevista assistenza diretta in laboratorio Le esercitazioni riguarderanno un pacchetto di simualazione per il controllo di sequenze : IsaGraf Gli orari non sono ancora fissati definitivamente Possibilità di modificarli per ottimizzarli rispetto alle esigenze degli studenti Sito: Laboratori+didattici/Lab1/OrarioSalaPCEsami.htm Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 8

9 Lucidi del corso Dettagli implementativi : Materiale didattico disponibili su pagina web: Bonivento, Gentili, Paoli Sistemi di automazione industriale Architetture e controllo Mc Graw Hill (consigliato) Bonfatti, Monari, Sampieri IEC Programming Methodology CJ International, Le Saint Georges, France (per approfondimenti sulla programmazione di controllori di sequenze, contiene il CD di IsaGraf) Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 9

10 Dettagli implementativi : Ulteriore bibliografia Chiacchio, Basile Tecnologie informatiche per l automazione 2 a Edizione, McGraw-Hill Bonometti Convertitori di potenza e servomotori brushless Editoriale Delfino, Milano (relativo agli azionamenti elettrici) Fraser Process Measurement and Control Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J. (relativo alla parte di sensori e condizionamento del segnale) Johnson Process Control Instrumentation Technology Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J. (relativo alla parte di sensori e condizionamento del segnale) Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 10

11 Dettagli implementativi : Prove d esame Prova scritta: Due esercizi: Dimensionamento di massima di una catena di acquisizione Scelta (tipo e taglia) di azionamenti elettrici Domande sugli altri argomenti del corso Presentazione di un progetto (a gruppi): Controllo di sequenze sviluppato in ambiente IsaGraf per un particolare impianto (corredata di breve relazione scritta) Prova Orale (facoltativa): Domande sugli argomenti del corso Regole dettagliate sulla pagina web del corso Non sono previsti parziali durante lo svolgimento del corso Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 11

12 Si introducono alcune considerazioni preliminari per: - definire una nomenclatura comune - inquadrare meglio le tematiche del corso Funzione vs Struttura/Implementazione fisica o tecnologica per un sistema Preliminari Ambito di riferimento: controllo senza intervento umano Automatica e Automazione Cosa sono e in che relazione stanno Piramide dell Automazione Introduzione al concetto di Controllo di sequenze Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 12

13 Preliminari FUNZIONE DEL SISTEMA vs IMPLEMENTAZIONE/STRUTTURA FISICA o TECNOLOGIGA DEL SISTEMA Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 13

14 Preliminari Funzione vs Implementazione/Struttura Funzione: di un sistema, di un dispositivo, etc. definisce COSA FA Esempi: Elaborazione di dati: Algoritmo/Automa Controllore: R(s), R(z) Impianti: Modello semplificato per il controllo Motore c.c. Modello a parametri concentrati 1 sl + R k 1 sj + b 1 s k Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 14

15 Preliminari Funzione vs Implementazione/Struttura Implementazione/Struttura fisica-tecnologica: di un sistema, di un dispositivo, etc. definisce COME REALIZZA FISICAMENTE la funzione Esempi: Elaborazione dati Tipo di calcolatore, Tipo di S.O., Linguaggio e procedura SW Controllori HW di elaborazione, etc. Impianti: modello strutturale Motore c.c. Equazioni di Maxwell FEM Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 15

16 Preliminari Funzione vs Implementazione/Struttura Ingegneria = progettazione e realizzazione di sistemi Ciclo di progetto di un sistema o di parte di esso: Prima progettare la funzione che deve svolgere Poi la sua implementazione/struttura fisica o tecnologica Vincoli sul progetto della funzione: Tecnologie a disposizione per la realizzazione, costi Es: Controlli digitali: ritardo di calcolo, altri esempi? Può essere necessario ciclare tra i due passi Vincoli non noti a priori Comunque partire sempre col primo Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 16

17 Preliminari Funzione vs Implementazione/Struttura Vantaggi: dimensionamento ottimo della realizzazione del sistema, anche se ci sono parti già vincolate.. Rimappatura su diversa tecnologia Documentazione / riutilizzabilità Etc. Sembra ovvio? Spesso nel mondo industriale non si fa! Soprattutto nell automazione! Es: Dimensionamento azionamenti elettrici Es: Sistema di controllo Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 17

18 Preliminari AMBITO DI RIFERIMENTO Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 18

19 Preliminari Ambito di riferimento Sistema ingressi attuatori sensori uscite informazioni Sistema di Controllo informazioni informazioni Obiettivo: controllo nel senso più ampio Imporre al sistema il comportamento voluto in modo automatico (i.e. senza intervento umano) Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 19

20 Preliminari AUTOMATICA e AUTOMAZIONE Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 20

21 AUTOMATICA Preliminari Disciplina ingegneristica (con forte connotazione matematica) dove si trattano: Modellazione matematica e identificazione di sistemi fisici Studio delle proprietà strutturali dei modelli matematici Simulazione dei modelli matematici Progetto e verifica di sistemi di controllo Effettuati basandosi principalmente su modelli matematici Non dimenticando il significato fisico Diagnosi dei guasti e riconfigurazione del controllo Effettuati basandosi principalmente su modelli matematici Non dimenticando il significato fisico Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 21

22 Preliminari AUTOMATICA (cont.) Modellazione matematica e identificazione di sistemi fisici Tempo-continui/discreti, ad eventi discreti, ibridi Equazioni differenziali, alle differenze, automi Modellistica: leggi fisiche Identificazione strutturale e parametrica Spesso: modellistica + ident. parametrica Modelli per il controllo Complessità ridotta, Semplificazioni secondo certi criteri Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 22

23 Preliminari AUTOMATICA (cont.) Studio delle proprietà strutturali dei modelli matematici Teoria dei sistemi Ragg., Contr., Oss., Ric., Stabilità, Grado relativo, Dinamica Zero Ricavare informazioni sul sistema fisico Guida per la scelta della struttura del modello Es: identificazione strutturale Ausilio per il dimensionamento dei sistemi fisici rispetto al compito da svolgere Non molto comune Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 23

24 Preliminari AUTOMATICA (cont.) Simulazione dei modelli Algoritmi di integrazione (sviluppati in matematica applicata ) Diverse rappresentazioni del modello matematico influenzano la simulazione Condizionamento numerico Interconnessione per la simulazione di modelli complessi Spesso strumentale all identificazione e al controllo Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 24

25 Preliminari AUTOMATICA (cont.) Progetto e verifica di sistemi di controllo In retroazione, in catena aperta Tempo continui/discreti, ad eventi discreti, ibridi Varie Tecniche Diverse specifiche Prestazioni, robustezza Diverse soluzioni Esempio: tecniche Lineari (classico, ottimo, H ), Non Lineari, Adattative Tecniche di filtraggio e osservazione per la ricostruzione di variabili (stati) non direttamente misurabili Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 25

26 Preliminari AUTOMATICA (cont.) Diagnosi dei guasti e riconfigurazione del controllo Relativamente nuova Diagnosi: tramite Osservatori dello stato o identificazione on-line rilevare mutamenti nel sistema da controllare Riconfigurazione: modifica on-line del controllore al fine di garantire (se possibile) il minimo degrado nel funzionamento. sicurezza attiva Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 26

27 Preliminari Nota bene: AUTOMATICA (cont.) Il nome automatica è legato all obiettivo principale di realizzare sistemi di controllo in cui l intervento umano è minimizzato Detta anche sistemistica e automatica Mettere in risalto i temi di analisi dei sistemi Modellistica, identificazione, teoria dei sistemi, simulazione Nell automatica si affronta il problema suddetto principalmente in modo matematico Il problema reale viene rimappato in un ambito matematico sufficientemente rappresentativo Diversi livelli di approssimazione Es: divisione in fenomeni primari e del secondo ordine Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 27

28 Preliminari AUTOMAZIONE Definizione canonica (Chiacchio-Basile): Automazione Industriale: Disciplina che studia le metodologie e le tecnologie che permettono il controllo dei flussi di energia, materiali e informazioni per la realizzazione di processi produttivi, senza l intervento dell uomo (o con intervento parziale) Generalizzabile: AUTOMAZIONE in generale Disciplina che studia le metodologie e le tecnologie che permettono il controllo dei flussi di energia e/o materiali e/o informazioni e/o altre grandezze per la realizzazione di processi, senza l intervento dell uomo (o con intervento parziale) Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 28

29 Preliminari AUTOMAZIONE (cont.) Disciplina ingegneristica che si occupa dell effettiva realizzazione di sistemi di controllo automatico, Sistema automatico: sistema dove l intervento umano è assente o minimizzato E l insieme di diverse discipline ingegneristiche: Basi teoriche/metodologiche: Automatica definisce le funzioni Elaborazione/comunicazione: Elettronica Digitale / Informatica / Telecomunicazioni Acquisizione misure da sensori: Elettronica di segnale Attuazione: Elettronica di Potenza / Elettrotecnica / Meccanica SINERGIA. Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 29

30 AUTOMAZIONE (cont.) Preliminari Interazione con altre discipline che realizzano i sistemi da automatizzare: Gli impianti da automatizzare possono essere di vario tipo e dimensioni: Robots Macchine automatiche e utensili Industria di processo Industria manifatturiera Industria chimica Alimentatori per acceleratori di particelle Azionamenti elettrici. Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 30

31 AUTOMAZIONE (cont.) Spesso per automazione si intende l automazione industriale (in questo corso accadrà questo) Ambito diventa: Preliminari Processo Fisico Materiali attuatori sensori Materiali Energia Energia informazioni Sistema di Controllo informazioni informazioni Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 31

32 AUTOMAZIONE (cont.) Attenzione: l automazione industriale non copre solo i processi produttivi (vedi def. Chiacchi-Basile), ma anche i prodotti industriali che devono avere dei comportamenti automatici Preliminari Le problematiche sono le stesse fino a certi livelli (vedi avanti: piramide dell automazione) Il processo fisico può essere: Macchina o impianto di stabilimento o Intero stabilimento Ascensore, Lavatrice, Automobile, Aeroplano... Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 32

33 AUTOMAZIONE (cont.) Relazione con la robotica e ambito automotive e dei veicoli in genere: Preliminari Automazione Industriale Automazione Automotive e veicoli in genere Robotica Industriale Robotica Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 33

34 Preliminari NOTA BENE Le definizioni date non sono matematiche, ma filosofiche Confini non ben definiti Correnti di pensiero che possono non concordare a pieno Automotive, aerospace sotto Automazione industriale... Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 34

35 Preliminari PIRAMIDE DELL AUTOMAZIONE (e Controllo di Sequenze) Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 35

36 Preliminari PIRAMIDE DELL AUTOMAZIONE Obiettivo: definire come in genere viene organizzato il sistema di controllo per l automazione di sistemi complessi Filosofia seguita: Piramide dell automazione Struttura gerarchica e modulare Legata a idea di scomposizione e soluzione isolata dei sottoproblemi e riaggregazione Non è l unica soluzione possibile Diffusa: gestione intuitiva della complessità Nelle implementazioni reali ci possono essere deroghe Soluzione ad hoc di problemi particolari Attenzione: confusione! Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 36

37 Preliminari PIRAMIDE DELL AUTOMAZIONE: esempio motivante Carico Stazione di etichettatura Scarico Giostre per etichettatura di bottiglie a camme elettriche : alcune funzioni di ctrl Ctrl del moto del caricatore Ctrl del moto dell espulsore Ctrl del moto della giostra Ctrl del moto dei piattelli Ctrl della testa di etichettatura Giostra Ctrl di tiro del film di etichettatura Ctrl di taglio (Ctrl temperatura colla) Coordinamento dei moti di giostra/caricatore/espulsore/piatt elli Orientamento bottiglie con testa di etichettatura (fotocellula) Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 37

38 Preliminari PIRAMIDE DELL AUTOMAZIONE: esempio motivante Giostre per etichettatura di bottiglie a camme elettr. : possibili soluzioni di controllo Tutto in un unico blocco Controllo multivariabile o simili Complesso Non riutilizzabile se cambia anche una sola componente Meglio suddividere in sottoparti (quando possibile)! Organizzazione delle sottoparti: Tutti allo stesso livello Coordinamento moto diviso nei singoli controlli di moto Ancora scarsa riutilizzabilità, poca indipendenza e chiarezza Organizzazione gerarchica: Funzione di coordinamento separata dai ctrl di moto e gerarchicamente superiore: politica di coordinamento ben individuabile Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 38

39 Preliminari PIRAMIDE DELL AUTOMAZIONE: esempio motivante Giostre per etichettatura di bottiglie a camme elettr. : possibili soluzioni di controllo Organizzazione Modulare e Piramidale Dove si è già incontrata una organizzazione simile nei corsi di controlli? Inoltre: tutti i moduli di controllo/coordinamento sono facilmente rappresentabili con una R(s) o R(z)? CONTROLLO DI SEQUENZE Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 39

40 PIRAMIDE DELL AUTOMAZIONE Preliminari Organizzazione modulare e gerarchica del sistema di controllo Controllore di Azienda Controllori di Stabilimenti Controllori di Macchine/Impianti Controllori di Gruppi Campo (sensori/attuatori) In ogni livello: diversi moduli /controllori che si occupano dei diversi sistemi presenti di una data tipologia. I controllori dei livelli superiori vedono come processo fisico il sistema fisico reale più i controllori dei livelli inferiori Il modello processo-sistema di controllo si ripresenta ai diversi livelli (incapsulamento, es: controllo in cascata) L architettura modulare e gerarchica spesso si mappa nell architettura HW Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 40

41 Preliminari PIRAMIDE DELL AUTOMAZIONE comandi elaborazioni Controllore di Azienda Controllori di Stabilimenti Controllori di Macchine/Impianti Controllori di Gruppi Campo (sensori/attuatori) Misure/dati Flusso dell informazione: Tipicamente verticale (poco orizzontale) e spesso i livelli superiori non misurano/attuano sul sistema fisico vero, ma sui controllori inferiori Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 41

42 Preliminari PIRAMIDE DELL AUTOMAZIONE Gestione (non / poco automatica) Azienda Stabilimento Macchine/Impianti Supervisione (mista) Nomencaltura gruppi campo Controllo (automatico) Controllo di sequenze (eventi discreti) Controllo diretto di variabili temporali (classico) nel corso si trattano: - Tecnologie per il controllo - sensori e attuatori Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 42

43 Controllo nella Piramide dell Automazione Preliminari Si tratta di sistemi di controllo per i livelli più bassi della piramide In molte applicazioni i livelli superiori non ci sono Es: controllo di prodotti industriali (lavatrice ) Due tipologie: Controllo diretto di variabili temporali (sistemi guidati dal tempo) Vedi Controlli Automatici LA/LB, Sistemi di Controllo Digitale Classico Controllo di sequenze Ctrl di e con sistemi modellabili funzionalmente con automi guidati da eventi Similitudine col formalismo delle reti logiche Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 43

44 Preliminari Controllo di sequenze Detto anche supervisione o gestione delle sequenze operative o controllo logico Affine alle problematiche di gestione e supervisione dei livelli più alti.. però l uso dello stesso nome è fuorviante Esempi: Controllo della sequenza di operazioni che deve compiere un ascensore per passare da un piano ad un altro Controllo delle fasi di lavaggio di una lavatrice Sequenza di lavoro di una macchina automatica: Avvio funzionamento normale arresto Essenzialmente: realizzato con operazioni di logica comb/seq anche complesse Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 44

45 Preliminari Controllo di sequenze Lo studio e la formalizzazione di questa tipologia di controllo è recente e ancora allo stato embrionale Sviluppato sia in ambito informatico sia in ambito automatico E ancora molto legato alla pratica dell automazione Apparentemente intuitivo Complessità può esplodere anche in funzione del tipo di rappresentazione Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 45

46 OBIETTIVI SPECIFICI DEL CORSO E PROGRAMMA Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 46

47 SAPERE Obiettivi specifici del corso Fornire conoscenze: di tecnologie per la realizzazione di controlli classici e di sequenze Architetture HW, tecnologie e componenti principali Elaboratori, comunicazione, sensori, trasduttori di unità di elaborazione tipicamente digitali programmabili di sensori Cenni a problemi di elaborazione real-time Sistemi di comunicazione alcuni tra più usati criteri di valutazione e scelta Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 47

48 Fornire conoscenze: SAPERE Obiettivi specifici del corso di elettronica analogica/digitale per l acquisizione delle misure da sensori di attuatori: un particolare tipo Azionamenti elettrici Tra i più usati di metodologie di rappresentazione, di progetto funzionale e di implementazione dei controlli di sequenze Implementazione tipicamente SW Metodologia di rappresentazione e progetto funzionale, però, è generale Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 48

49 Obiettivi specifici SAPER FARE Eseguire progetti di massima di catene di acquisizione di misure da sensori Eseguire scelte e dimensionamento di azionamenti elettrici per applicazioni date Progettare Controlli di sequenze di complessità media con l ausilio di un opportuno CAD Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 49

50 Generalità sulla struttura tecnologica dei sistemi di controllo Architetture Tecnologie usate per le varie parti: caratteristiche e problematiche Unità di elaborazione digitali General purpose, custom Elaborazione Real-Time per l automazione Architetture di controllo tipiche nell automazione industriale Problematiche di comunicazione nell automazione (FieldBus) PLC Controllo di sequenze SW per l automazione (impropriamente detto) programmazione Standard IEC , IsaGraf o CODESYS Tool di progetto avanzato Programma Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 50

51 Generalità su sensori e attuatori Alcuni sensori molto diffusi per l automazione Cenni sull elettronica d interfacciamento per sistemi di controllo Attuatori per i sistemi di controllo Programma azionamenti elettrici (Motion Control) => tipologie/dimensionamento Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 51

52 Possibili varianti Altri argomenti storicamente trattati in ITSC Messa in scala dei segnali e degli algoritmi di controllo Rappresentazione delle grandezze nei processori Implementazione di algoritmi: Problemi di approssimazione Problematiche di filtraggio analogico e digitale dei segnali Approfondimento elettronica di interfacciamento Isolamento digitale e analogico Problematiche di compatibilità elettromagnetica Sorgenti di disturbo Vie di accoppiamento Rimedi Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 52

53 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Introduzione al corso FINE Ing. Andrea Tilli DEIS Alma Mater Studiorum Università di Bologna atilli@deis.unibo.it