Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo. Tipologie di Elaboratori Digitali Real Time per il Controllo (Controllori Real Time) Obiettivo

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1 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Tipologie di Elaboratori Digitali Real Time per il Controllo (Controllori Real Time) Ing. Andrea Tilli DEIS Alma Mater Studiorum Università di Bologna atilli@deis.unibo.it Revisionato: 07/10/2008 Obiettivo Dopo aver descritto: Tipologie di soluzioni/componenti HW Caratteristiche dell elaborazione Real Time Tipologie di sistemi di elaborazione per il controllo (sempre al livello dei controlli nella piramide dell automazione) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 2 Tipologie di Elaboratori Digitali Real Time per il Controllo (detti Controllori Real Time) Controllori Embedded Controllori Industriali o General Purpose Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 3

2 Controllori embedded Sistemi di controllo dedicati ad una particolare applicazione (o ad una classe ristretta) λ Progettati o commissionati da realizzatore di sistemi di controllo sono parte integrante del sistema, posizionato direttamente sul plant HW generalemente custom a livello di costruttore di sistema di controllo : schede a μp, μc, DSP S.O. real-time custom fortemente orientato all applicazione specifica λ Time driven, event driven o ibridi 9 Attenzione alla predicibilità Attività hard real-time prevalgono: λ controllo digitale: regolatori standard () e non Industria aerospaziale, automobilistica, robotica, azionamenti elettrici, alimentatori di Power Electronics speciali Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 4 Controllori industriali Realizzati per coprire una vasta gamma di applicazioni di controllo (General purpose) λ Progettati da costruttore di controllori general purpose Es: Controllori Logici Programmabili (PLC), soft-plc, Distributed Control Systems DCS λ In altra parte del corso approfondiremo i PLC λ Attenzione: confusione sul termine DCS 9 Architettura implementativa al livello dei controlli della Piramide dell Automazione con più elaboratori è Distribuita (ovvero è un Distributed Control System) 9 Con DCS si indica anche: particolare tipo di unità di elaborazione per il controllo Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 5 Sistemi Real Time e i Sistemi di Controllo Controllori industriali HW: general purpose (PC-based) o custom a livello di costruttore di controllori λ Tipicamente con architettura modulare a bus (detta a Rack) λ Tipicamente le CPU utilizzate sono μp particolari e DSP λ Rari i μc: periferiche per il controllo sui moduli Rack, backplane and bus Power supply CPU and memory Digital I/O Analog I/O Fieldbus Network Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 6

3 Controllori industriali HW: general purpose (PC-based) o custom a livello di costruttore di controllori λ Tipicamente con architettura modulare a bus (detta a Rack) λ Configurabilità e modularità 9 adattare l i/o dell unità di controllo general purpose alla particolare applicazione (interfacciamento sensori e comunicazione) 9 NB: i PC hanno una architettura a bus Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 7 Controllori industriali HW: general purpose (PC-based) o custom a livello di costruttore di controllori λ Tipicamente con architettura modulare a bus (detta a Rack) λ Varie tipologie di bus: Bus proprietari: Definiti dal costruttore del controllore industriale Bus standard: Dal mondo PC: ISA, EISA, PCI, PCI+ Dal mondo PC Industriale: PC104, PC104+ Tipicamente industriale: VME λ Elevate prestazioni 9 Anche interconnessione di diverse CPU della stessa unità di elaborazione (sistema multiprocessore) 9 Sincronizzazione con OS Real time delle funzioni (es Schede A/D..) λ Attenzione BUS INTERNO ALL ELABORATORE! 9 Non confondere con i bus esterni come i bus di campo! (reti di com.) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 8 Controllori industriali S.O. Real-Time: Definito dal Costruttore del Controllore Tipicamente TIME DRIVEN (soprattutto nei PLC) Rende trasparente il bus Virtualizza le periferiche e la gestione del tempo (ovviamente ) Spesso commerciale/standard: VxWorks, RTAI Linux, FemLab, InTime, WinRTX λ Attenzione sincronizzazione con periferiche Applicazioni: definite da progettista del sistema di controllo finale λ Interfaccia di programmazione fornita dal costruttore del controllore 9 spesso maschera la mappatura implementativa (modello di esecuzione) 9 sarà piu chiaro i seguito quando si vedrà la programmazione del controllo di sequenze per PLC Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 9

4 Controllori industriali DUE GRANDI FAMIGLIE PLC: λ Soprattutto Controllo di sequenze λ Soft Real time λ Utilizzo: 9 Industria manifatturiera ( + ) 9 Industria di processo ( - ) DCS: λ Soprattutto Controllo digitale STANDARD () λ Hard Real time 9 Tsample = 1-10ms λ Utilizzo: 9 Industria di processo ( + ) 9 Industria manifatturiera ( - ) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 10 Digressione Industria Manifatturiera vs Industria di Processo Continuous Input Discrete Input Production Process Production Process Continuous output Discrete output Process Industry Continuous Batch Input Discrete Batch Input Production Process Production Process Continuous Batch output Discrete Batch output Manufacturing Industry Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 11 Digressione Industria Manifatturiera vs Industria di Processo Industria Manifatturiera: Produzione pezzi meccanici Produzione veicoli Produzione schede/componenti elettronici Produzione elettrodomestici Produzione alimenti confezionati λ Cibo solido λ Bevande λ Dolciumi λ Produzione farmaci per il consumatore.. Industria di processo: Produzione/distribuzione energia elettrica Distribuzione gas/acqua Industria chimica Industria petrolifera Produzione della carta Produzione alimenti sfusi. Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 12

5 Prima Considerazione: Tipicamente: Controllori embedded: sono dentro ai prodotti finali (che necessitano di controllo) λ Automobile, Aereo, Azionamento elettrici Controllori industriali servono per controllare i sistemi di produzione λ Produzione automobili, aerei, cioccolatini Ci sono delle eccezioni: λ In prodotti grandi (es: aeroplani) si possono anche usare controllori industriali λ Porzioni particolari di un sistema di produzione: controllo embedded 9 Es: sistema di taglio al laser Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 13 Seconda Considerazione: Tipicamente: Controllori embedded: realizzati da costruttori/realizzatori di sistemi di controllo : HW, SO, Ambiente di sviluppo e SW applicativo sviluppato/gestito dalla stessa azienda λ Automotive, Azionamenti elettrici Controllori industriali realizzati da costruttori di controllori : HW, S.O. e ambiente di sviluppo fatto dal costruttore di controllori SW applicativo fatto da realizzatore di sistemi di controllo λ Macchine automatiche/utensili λ Industria di processo Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 14 Seconda Considerazione (cont.): Attenzione: Ci possono essere situazioni che stimolano approcci diversi: controllori industriali realizzati da costruttori di sistemi di controllo λ Riduzione costi λ λ λ 9 Solo per elevato numero di pezzi Maggiore protezione del proprio know how Indipendenza dal costruttore di controlli 9 Monofornitore Attenzione: difficile ottenere le stesse prestazioni 9 Team di progetto articolato: HW/SW/Controlli 9 Casistica per la verifica 9 Aggiornamenti (product care) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 15

6 Alcune architetture tecnologiche basate su Controllori Industriali Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 16 Introduzione: Modello generale per architettura tecnologica ( livello dei controlli nella P.A.) Si analizzano alcune architetture tecnologiche specifiche molto usate: - per industria di processo DCS - per industria manifatturiera PLC e Motion Control Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 17 Industria di processo Modello funzionale tipico: Unità di riferimento: impianto (o parte di esso) Controllo di diretto di variabili temporali prevale ( domina) λ Controllo Digitale (ancora qualche soluzione analogica o meccanica ) 9 Controllo di portata, di pressione, livello, reazione chimica, ampiezza e frequenza della tensione elettrica prodotta Controllo di sequenze modesto: λ Avvio funzionamento di regime Arresto + Emergenze 9 Poche sequenze nel funzionamento di regime λ Rare azioni dirette sul campo λ Spesso gestito manualmente da operatore Monitoraggio dell operatore molto approfondito e continuo Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 18

7 Industria di processo Modello funzionale tipico: Supervisore (operatore assistito da elettronica) Supervisione Ctrl seq. (semplice) Controlli A S A S A S Impianto Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 19 Industria di processo Architettura tecnologica tipica: Supervisore (operatore) Ethernet/TCP-IP A S Ctrl seq. (semplice) A S A S Elaboratore (PC) con HMI/SCADA Supervisione Fieldbus es: Modbus, Foundation, Vbus.. Controlli DCS-FCS Impianto Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 20 Industria manifatturiera Modello funzionale tipico: Unità di riferimento: Macchina (o parte di essa) Insieme di meccanismi che devono produrre moto coordinato λ In passato: vincoli meccanici λ Oggigiorno: sempre più con controllo elettronico azionamenti elettrici 9 Camme Elettriche o Elettroniche 9 Es: macchina etichettatrice (introduzione al corso) M m ac m ac M M M M M M M c M M M M M M M c M M M M M M M h T T T T T T T h T T T T T T T i i n M M M M M M M n M M M M M M M a O O O O O O O a O O O O O O O Asse meccanico Asse elettrico Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 21

8 Industria manifatturiera Modello funzionale tipico: Controllo di sequenze rilevante: λ Quasi esclusivamente automatico λ Sequenze di lavorazione/movimentazione: Innescano: - diverse traiettorie di moto - diverse interdipendenze tra gli organi λ Rilevanti azioni dirette sul campo Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 22 Industria manifatturiera Modello funzionale tipico (continuazione): Controllo di diretto di variabili temporali λ Quasi esclusivamente confinato all interno degli azionamenti elettrici 9 Visti spesso come attuatori 9 Controllo Embedded λ Altre rare occorrenze 9 Controllo temperatura colla per etichettatura 9 Controllo di tiro di nastri Monitoraggio/intervento dell operatore saltuario λ Solo per cambio rilevante nel funzionamento 9 Es: Cambio Formato Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 23 Industria manifatturiera Modello funzionale tipico: Supervisore Supervisione Ctrl sequenze Generatore traiettorie Controlli CtrlMotore CtrlMotore CtrlMotore A S A S A S A S Impianto Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 24

9 Architetture basate su Controllori Industriali Architettura tecnologica industria manifatturiera Field-bus PLC Scheda assi Azionamenti assi Inverters I O M AC M M M M M M M C H I N A Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 25 Architetture basate su Controllori Industriali Architettura Tecnologica per Ind. Manifatturiera: Variante Importante L architettura vista ora Macchine Automatiche Per MACCHINE UTENSILI A CONTROLLO NUMERICO alcune differenze Simile ad Architettura dell industria manifatturiera per la parte di Motion Control λ Però specifiche diverse 9 Precisione 9 Velocità 9 NB: in generale Differente la generazione di traiettorie e sequenze di lavoro: Sistemi CAD/CAM potrebbe non esservi un controllo di sequenze esplicito NO PLC Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 26 Architetture basate su Controllori Industriali Nota: Impostazione del corso Viste alcune architetture tecnologiche bassate su Ctrl Real-time ce ne sono molte altre Scopo di questa parte del corso: NON ELENCARE tante soluzioni tecnologiche, ma FORNIRE METODO PER COMPRENDERE E CLASSIFICARE una qualunque architettura tecnologica per il livello dei controlli della PA (anche tramite gli esempi visti) Cardini del metodo: Ogni soluzione è generalmente conforme alla arch. generale vista a inizio corso Dietro ogni soluzione tecnologica c è un modello funzionale λ Esplicito o implicito Bisogna metterlo in luce! Architetture funzionali del livello dei controlli della PA in genere sono conformi al modello generale visto a inizio corso. Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 27

10 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Tipologie di Elaboratori Digitali Real Time per il Controllo (Controllori Real Time) FINE Ing. Andrea Tilli DEIS Alma Mater Studiorum Università di Bologna atilli@deis.unibo.it