e automazione industriale

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1 Corso di Laurea Magistrale di Ingegneria Elettrica Corso di Sistemi e componenti per l automazione AA Azionamenti elettrici e automazione industriale Ezio Bassi, Francesco Benzi Università di Pavia Giuseppe Buja Università di Padova Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 1

2 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 2 Azionamento elettrico e gestione delle informazioni Convertitore statico Sensore di velocità Carico Trasformatore Segnale di comando All interno dell azionamento Motore Segnali di misura Sistema di controllo μp - DSP Comando dell operatore Segnalazioni all operatore controllo, regolazione, diagnostica e gestione del sistema Verso l esterno Interfaccia con l operatore Interfaccia con altri dispositivi di campo Interfaccia verso i livelli superiori di gestione Ai livelli superiori Segnalazioni a dispositivi

3 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 3 Importanza del tema per gli utilizzatori Per i distributori e gli utilizzatori conoscere le diverse architetture e le proposte per i sistemi di comunicazione valutare i componenti già presenti, il livello di interazione con il nuovo azionamento, la presenza o la necessità di acquisto di nuove interfacce previsioni di espansione o di sostituzione di alcuni componenti Per i progettisti valutazione delle esigenze di comunicazione (quantità di dati, velocità di trasmissione) scelta del protocollo progetti aperti a nuovi standard e componenti

4 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 4 Architetture di sistema: interfaccia seriale punto a punto UNITA' DI SUPERVISIONE AZIONAMENTI Porta seriale 1 Linea seriale Porta seriale CPU Azionamento 1 PLC C/CNC C/PC Porta seriale 2 Porta seriale CPU Azionamento 2 Bus di sistema(parallelo)

5 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 5 Architetture di sistema: interfaccia parallela punto a punto UNITA' DI SUPERVISIONE AZIONAMENTI Bus di sistema Scheda 1 Azionamento 1 PLC/C CNC/P PC CPU Collegamento parallelo Scheda 2 CPU Linea analogica o seriale Azionamento

6 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 6 Architetture di sistema: interfaccia seriale multipunto (Bus Rete locale) UNITA' DI SUPERVISIONE AZIONAMENTI Linea bus CPU Azionamento 1 PLC C/CNC C/PC Nodi CPU Azionamento 2 CPU Azionamento 3

7 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 7 La piramide CIM Computer Integrated Manufacturing Direzione Fabbrica GESTIONE DI FABBRICA CONTROLLO DI PRODUZIONE CALCOLATORI Celle di lavoro Macchine operatrici (PLC, PC) SUPERVISIONE CONTROLLO CENTRALIZZATO AUTOMAZIONE PROCESSORI DEDICATI Campo Field (Sensori, attuatori) DATI DI CAMPO SENSORI, DISPOSITIVI INTELLIGENTI

8 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 8 La piramide CIM Gestione dei dati: volume, tempi di risposta VOLUME DATI Direzione Fabbrica Celle di lavoro Macchine operatrici (PLC, PC) Tempo non critico Tempo > 10 s Tempo < 1 s Tempo < 0,1 s GESTIONE DEI DATI GESTIONE DEI DATI IN TEMPO REALE Campo Field (Sensori, attuatori) Tempo < 0,01 s

9 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 9 La piramide CIM Reti di comunicazione INTERNET Direzione RETI INFORMATICHE Fabbrica Celle di lavoro RETE DI FABBRICA (LAN) Macchine operatrici (PLC, PC) RETI DI CAMPO (FIELDBUS) Campo Field (Sensori, attuatori)

10 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 10 L azionamento elettrico nell architettura di sistema Comitato IEC

11 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 11 Interfacce in un singolo azionamento UNITA' DI COMANDO CAD/CAM Interpolatore Riferimento di posizione Riferimento di velocita' Riferimento di coppia Segnali di potenza 3 ~ AZIONAMENTO Regolatore Regolatore Regolatore Sezione M di posiz. di velocita' di coppia di potenza Sensori Interfaccia Operatore I1 I2 I3 I4 I5

12 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 12 IEC Architetture per azionamento singolo Logical Controller Application control program Generic PDS Interface Position control Velocity control Torque control Co ontrol device e Drive dev vice Logical Controller Application control program Generic PDS Interface sition Po Vel locity Position control Velocity control Torque control To orque Contro ol device Drive device Logical Controller Application control program Generic PDS Interface Position control Velocity Torque Velocity control Torque control Motor Motor Motor

13 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 13 Sistemi di azionamenti Industria continua Linee di produzione continua e di grande dimensione: laminatoi, cartiere, tessile. Numerosi motori e azionamenti concorrono a determinare un flusso regolare e continuo del prodotto. Motori di taglie diverse a seconda dell applicazione e del materiale trattato (es. nastri trasportatori, avvolgitori e svolgitori, i rulli di compressione, mescolatori)

14 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 14 Sistemi di azionamenti Industria continua Il sistema di controllo garantisce il sincronismo degli attuatori con la velocità di riferimento della linea. Azionamenti comandati in velocità e/o coppia. La precisione nella regolazione è legata alla qualità del prodotto richiesto. Il livello di sincronismo e coordinamento, non è critico rispetto alle potenzialità di calcolo dei sistemi di gestione

15 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 15 Sistemi di azionamenti Industria discreta Produzione regolare e continua di oggetti che richiedono un elevato livello di manipolazione (impacchettatrici, confezionatrici, industria alimentare). Impianti di potenza medio- Impianti di potenza mediopiccola, con un numero non elevato di attuatori.

16 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 16 Sistemi di azionamenti Industria discreta Elevata flessibilità e coordinamento degli attuatori, sincronismo di velocità e di fase: sistemi a ingranaggio o alberi e camme elettriche. Velocità e qualità di produzione, flessibilità di lavorazione. Livello di coordinamento elevato con notevoli potenzialità di elaborazione.

17 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 17 Sistemi di azionamenti Macchine utensili Azionamenti multimotore per assi: elevata accelerazione, coordinamento Azionamenti per mandrino: funzionamento a velocità elevate, potenza costante Interazione con livello superiore CAD Sensori di elevata precisione Sistema con elevate capacità di coordinamento e trasmissione rapida delle informazioni per la regolazione degli azionamenti (bus parallelo)

18 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 18 Sistemi di azionamenti Robot Industriali Azionamenti multimotore per numero elevato di assi Calcolo in tempo reale di traiettorie per manipolatori Sistemi di regolazione efficienti, capaci di sopperire a variazioni del carico e delle inerzie

19 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 19 Architetture per sistemi di azionamenti Architetture per sistemi di azionamenti Basati su controllori (PLC)

20 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 20 Architetture per sistemi di azionamenti Architetture per sistemi di azionamenti Basati su PC

21 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 21 Architetture per sistemi di azionamenti Architetture per sistemi di azionamenti Basati su drive

22 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 22 Unità di governo e supervisione Intelligenza distribuita DCS Intelligenza distribuita nel processo SCADA Sistemi di gestione dei dati Unità di comando e supervisione i Controllori di moto CN - CNC PLC PC Industriali

23 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 23 Controllo Numerico Computerizzato (CNC) Controllore CNC Macchina utensile Host Computer CPU Unità Comunicaz. Unità Programm... Unità Grafica Memoria Comando Mandrino Unità PLC Comando Assi Azionamento Mandrino I/O Digitale Azionamento Assi BUS specifiche di lavorazione: analisi e generazione delle traiettorie (part program) comando e coordinamento degli attuatori in base al part program

24 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 24 Controllore Logico Programmabile PLC Il più diffuso controllore di processi industriali automatici, sostituisce e ampia le capacità degli originari schemi a relè. È generalmente costruito a moduli con una scheda CPU principale i e numerose schede I/O per interfacciarsi con il processo Esegue un programma in modo sequenziale secondo lo schema Verifica stato ingressi Esecuzione programma Aggiornamento uscite Utilizza diversi linguaggi (Ladder, Instruction list, Structured text, Function Block) regolati dallo standard IEC

25 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 25 PC Industriali Il Personal Computer, nato per funzioni general purpose è impiegato per applicazioni specifiche, mantenendo le interfacce tipiche dei PC Schede I/O ed interfacce meccanicamente robuste Sistemi operativi multitasking una singola CPU esegue più programmi in parallelo (funzioni di interfaccia e funzioni di comando) preemptive esecuzione in finestre temporali prefissate sincronizzate che garantiscono l esecuzione regolare dei passi di programma

26 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 26 Cos ha il PC + del PLC? - Maggiore semplicità di adattamento con prestazioni i generalmente superiori i delle CPU, con strutture mono o multiprocessore che soddisfano pressoché ogni esigenza di elaborazione e calcolo - Struttura aperta e non proprietaria della macchina che consente il ricorso a fornitori i alternativi e non limita in alcun modo l'espansione o l'aggiornamento delle macchine e delle strutture - Connettività su bus di campo diversi e intercambiabili per utilizzare tutti gli standard specifici più diffusi, senza ricorso a bus proprietari

27 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 27 Cos ha il PC - del PLC? Minore diffusione e componentistica Minore esperienza del personale Programmi meno sperimentati La tendenza tuttavia è verso una rapida equiparazione

28 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 28 Controllori di moto (Schede multiasse) Componenti alimentatore (diversi livelli di tensione) CPU + EPROM, RAM ed EEPROM interfaccia digitale/analogica con il processo gestione segnali di da encoder o resolver (anelli di spazio e velocità) Applicazioni i i semplici sincronismi di velocità, coordinamento rigido della posizione di due o più alberi meccanici (albero elettrico), coordinamento modulato degli stessi (camma elettrica), gestione di traiettorie per pochi assi.

29 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 29 Componenti fisici per il controllo Architetture basate su componenti integrati (Chip). - prodotti standard di serie, come MCU (microcontrollori) o DSP (Digital Signal Processor), che richiedono lo sviluppo autonomo dell algoritmo di movimentazione necessario. Questa soluzione è suggerita quando si hanno aspettative abbastanza elevate sul valore complessivo e il volume del prodotto e si dispone di uno staff di progettisti esperti per realizzarlo -chip ppreprogrammati p per il controllo di moto o ASIC (Application- Specific Integrated Circuit) dedicati; in questo modo si può evitare di sviluppare autonomamente il software, ma si dovrà comunque realizzare un circuito stampato comprendente il chip e provvedere all integrazione del codice. Questa soluzione presenta fra i suoi vantaggi il risparmio di spazio,

30 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 30 Componenti fisici per il controllo Schede per il Motion Control (MC Cards) Le card dedicate al MC hanno diversi fattori di forma e sono basate su PCbus: PCI, ISA, PC/104 o Ethernet. Esse prevedono di norma 4 o 8 assi per card, sono più semplici da integrare in un applicazione rispetto a un chip e rappresentano una soluzione più generica e standardizzata che usa un architettura PC-bus. Di fatto, sono progettate per fornire una soluzione completa che sia anche flessibile e scalabile - Le versioni stand-alone,, simili a quelle basate sui PC-bus, hanno funzionalità autonome e operano perfettamente per applicazioni monoasse. Per soluzioni multiasse le singole card sono collegate tra loro attraverso bus di campo (seriali) dalle cui prestazioni e velocità dipende il livello maggiore o minore di sincronizzazione e di controllo del processodi spazio,

31 Azionamenti e automazione industriale Bassi, Benzi, Buja 31 Componenti fisici per il controllo Motor Drives Si tratta di veri e propri p azionamenti che combinano le funzionalità software e gli algoritmi per il controllo di moto già descritti nelle soluzioni precedenti, con quelle di un amplificatore di potenza per il singolo asse. Quanto all architetturaarchitettura un drive è paragonabile alla card stand-alone in quanto la sua comunicazione avviene attraverso un bus seriale. Recentemente la programmabilità è divenuta una caratteristica rilevante, anche se non ha ancora raggiunto il livello di standard. Il drive è un componente integrato per il Motin Control che richiede abilità minime per la predisposizione i i (settaggio) i e l installazione. ll i Solitamente t questo avviene con poche e semplici istruzioni di settaggio o attraverso un interfaccia grafica facile da usare che gira su una piattaforma basata sul PC. Se non includono funzionalità stand-alone, i drive permettono almeno che con un semplice set di comandi, inviabili sul bus seriale, sia possibile controllare le funzioni e leggere i dati in output. La stima della loro potenza va da 50 W a circa qualche decina di kw, sebbene la maggior parte delle applicazioni stiano in un campo inferiore ai 10 kw.