L'automazione nei processi industriali

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1 L'automazione nei processi industriali Un processo industriale è l insieme delle operazioni che concorrono a trasformare le caratteristiche e le proprietà di materiali, tipi di energia e/o informazioni in accordo con un obiettivo predeterminato.

2 Un impianto industriale è l insieme di macchine, apparecchiature e mezzi necessari al processo industriale. In un impianto industriale il flusso principale di input-output è sempre accompagnato da un flusso di servizio necessario al corretto funzionamento dell impianto stesso.

3 Linea di produzione robotizzata

4 Macchina impacchettatrice industriale

5 Generazione, distribuzione ed utilizzazione dell energia elettrica

6 La corretta gestione di un processo industriale richiede: un sistema di monitoraggio, in grado di individuare condizioni di funzionamento anomalo, di memorizzare ed analizzare la storia del processo. un sistema di coordinamento dell attuazione delle varie fasi di lavorazione sequenziali e cicliche in cui è suddiviso l intero processo. Il passaggio da una fase all altra avviene o in modo temporizzato, o mediante condizioni di passaggio (ad esempio, un sensore di tutto pieno in un processo di imbottigliamento). Gli impianti industriali moderni sono di tipo automatizzato, i processi sono cioè pilotati da un controllore di processo (PCS, Process Control System ) costituito da un unità di calcolo che genera i comandi necessari al corretto funzionamento dell impianto e ne sorveglia lo stato. Ciò consente di: aumentare la velocità del processo produttivo. aumentare le potenze disponibili nel processo produttivo. migliorare la qualità dei prodotti.

7 Il controllore di processo è in generale interfacciato da un lato al sistema di produzione, e dall altro a un sistema superiore che può essere costituito: dal personale addetto alla vigilanza dell impianto da un sistema automatizzato di pianificazione della produzione (MES, Manifacturing Execution System ) da un sistema di gestione delle risorse aziendali (ERP, Enterprise Resouces Planning ).

8 L interfaccia bidirezionale tra l impianto industriale (o unità operativa), ed il controllore di processo (o unità operatrice) ti )è costituita dall insieme i di sensori e di attuatori. t Il controllore di processo in base alle informazioni ricevute dai sensori ed al programma di processo contenuto nella memoria agisce sull impianto attraverso gli attuatori, in modo di soddisfare le specifiche richieste.

9 Computer Integrated Manufacturing Con Computer Integrated t Manufacturing (CIM) si intende una metodologia di impiego i articolato t e cooperante delle tecnologie informatiche nei processi di progettazione, produzione e distribuzione di beni e servizi. La metodologia CIM viene implementata in tutti quegli ambiti in cui le funzioni dell impresa possono essere assistite da un elaboratore e controllate da esso (dunque ottimizzate) con un alto livello di integrazione.

10 Elementi caratterizzanti della metodologia CIM sono: Basi di dati centralizzate e condivise dai diversi processi; Scambio di informazioni fra i diversi sottosistemi; Coordinamento e sincronizzazione delle varie attività, umane ed automatiche; Ottimizzazione i i dei tempi e delle flessibilità di risposta in funzione delle condizioni i i di mercato; Livello di qualità dei prodotti elevato e controllato. La metodologia CIM si esplica a più livelli del processo produttivo; per visualizzare tutti questi livelli è convenzione far riferimento alla cosiddetta piramide CIM.

11 Livello 0: Processi industriali E costituito dalla struttura fisica dei processi, cioè dai dispositivi che rendono possibili le azioni di movimento, lo scorrere di flussi di energia, le reazioni chimiche. Livello 1: Sensori ed attuatori E costituito dall insieme dei sensori, degli attuatori e dei trasduttori, cioè dai dispositivi che vengono interfacciati direttamente alla struttura fisica del processo, costituendo la sezione di input-output dal sistema di controllo. La funzione di tale livello è quella di riportare al livello 2 lo stato delle variabili di processo e di attuare i comandi da esso ricevuti. Il livello di intelligenza richiesto è basso, dovendo i dispositivi coinvolti soltanto trasdurre le grandezze fisiche di varia natura in segnali tipicamente elettrici (e viceversa). Livello 2: Unità operatrici E costituito dai controllori (di tipo automatico e/o semiautomatico) interfacciati con i sensori e gli attuatori dei dispositivi meccanici facenti parte della stessa unità operatrice. Le apparecchiature di tale livello sono : PLC (Programmable Logic Controller), ossia controllori a logica programmabile; DCS (Distribuited Control System), ossia semplici sistemi di controllo distribuito; CNC (Computer Numeric Controller), cioè centri di lavorazione a controllo numerico. Le funzioni svolte sono la regolazione diretta delle variabili, la realizzazione sequenziale di operazioni e di interblocchi, ecc. Tali operazioni non sono in genere molto complesse, ma devono essere coordinate con quelle eseguite da altre unità operatrici mediante il controllo di livello superiore.

12 Ad ogni livello della piramide CIM vengono eseguite delle funzioni di base comuni e distinguibili in tre categorie: Gestione dal livello superiore, ossia scomposizione dei comandi ricevuti in sottocompiti; Gestione del proprio livello, cioè assegnazione dei sottocompiti e delle risorse e attuazione dei sottocompiti del livello; Gestione verso il livello inferiore: assegnazione dei sottocompiti e delle risorse ed analisi delle informazioni di risposte ricevute dal livello inferiore. Ad ogni livello è quindi necessario attuare due diversi tipi di integrazione (ossia di coordinamento): Integrazione orizzontale: all interno di ciascun livello; Integrazione verticale: tra un livello e quelli adiacenti

13 Gran parte delle informazioni tra i vari livelli, sono veicolate da bus di comunicazione, che svolgono un ruolo indispensabile per l integrazione dei diversi componenti dei sistemi di produzione industriale.

14 Il corso di Sensori ed Attuatori ha lo scopo di introdurre alcuni argomenti relativi alle tecnologie utilizzate per realizzare sistemi del livello 1 della piramide CIM, a complemento delle nozioni teoriche fornite dai corsi di base di Automatica, Elettronica ed Informatica. Il progetto di un sistema di controllo di processo, corrispondente all insieme dei livelli 1 e 2 della piramide CIM richiede conoscenze di natura: metodologica (come fare la sintesi del regolatore, sia esso discreto che continuo) tecnologica (come realizzare praticamente il sistema di controllo)

15 I sistemi singolo ingresso - singola uscita con controllo mediante retroazione dell uscita sono fra i più comuni in campo industriale. Il sistema da controllare e il controllore possono essere rappresentati mediante le rispettive funzioni di trasferimento Gs(s) e Gc(s). Le variabili di sistema sono: il riferimento da inseguire r(t) l uscita da controllare y(t) l errore e(t) = r(t)-y(t) la variabile di controllo u(t)

16 Il procedimento di sintesi del regolatore in retroazione può essere così riassunto: I. Determinazione (analitica o sperimentale) di un modello del sistema da controllare. Se il sistema è lineare a singolo ingresso e singola uscita è possibile identificare una funzione complessa a variabile complessa Gs(s) (la cosiddetta funzione di trasferimento) che ne descrive completamente il comportamento statico e dinamico. II. Definizione delle specifiche di controllo. In genere interessa imporre al sistema un errore a regime nullo ed un tempo di assestamento fissato. III. Sintesi del controllore. In base al modello del sistema è possibile, tramite opportune metodologie, progettare i parametri di un sistema di controllo (rete correttrice, PID, etc.) che garantisca il rispetto delle specifiche assegnate.

17 L implementazione pratica dell algoritmo di controllo progettato, richiede la selezione di: Sensori, per la misura del segnale da utilizzare nella retroazione. Attuatori, per attuare il segnale di controllo in uscita dal controllore progettato. Sistema di calcolo, che esegue l algoritmo di controllo sotto forma di programma scritto in un qualche linguaggio di programmazione.

18 L effettiva realizzazione del sistema di controllo comporta due ulteriori passi nel progetto del sistema di controllo oltre a quelli elencati in precedenza: IV. Scelta della tecnologia per l implementazione Il progettista deve scegliere quali sensori, attuatori, quale calcolatore (programmato in quale linguaggio), occorre utilizzare per implementare efficacemente l algoritmo di controllo. V. Verifica delle specifiche. Il sistema ottenuto differisce dal modello ideale rappresentato dall anello chiuso in retroazione per svariate ragioni (discretizzazione, dinamiche non modellate di sensori e trasduttori, ecc.), quindi occorre riconsiderare il progetto per tenere conto di questa nuova situazione.

19 Sensori I sensori sono dispositivi che rilevano una grandezza fisica e la convertono in un formato adatto alla elaborazione elettronica. Grazie alle informazioni sul processo acquisite dai sensori, l unità di governo mantiene traccia dello stato di funzionamento della parte operativa. I sensori si possono classificare in base al tipo di segnale che forniscono in: sensori analogici: forniscono un segnale elettrico continuo compreso in un certo intervallo di valori (per es. sensori di temperatura, sensori di pressione, ecc...). Quando l unità di governo è implementata da un elaboratore elettronico occorre utilizzare un dispositivo di conversione del segnale dal formato analogico a quello digitale (Convertitore Analogico Digitale, A/D). sensori digitali: it forniscono una informazione i direttamente t utilizzabile da un elaboratore elettronico.

20 I sensori digitali possono essere suddivisi in base al contenuto informativo dei segnali digitali forniti in: Sensori logici: hanno una uscita di tipo booleano, codificata usualmente con la cifra 1 (vero, presenza) e 0 (falso, assenza). Tipici sensori logici sono i sensori che segnalano il fine corsa di un movimento, la presenza assenza di un pezzo da lavorare, ecc.... Sensori codificati: forniscono una informazione di tipo numerico intrinsecamente discretizzata ed opportunamente t codificata in una stringa di bits (es. contatori t di impulsi, i ecc.). I dispositivi con sensore analogico e convertitore A/D integrato non sono sensori codificati, in quanto la risoluzione della parte di conversione può essere aumentata a piacere mantenendo la parte di misura inalterata, cosa impossibile per un sensore per sua natura codificato.

21 Sensori Posizione Potenziometro Trasformatore differenziale LVDT Resolver Encoder Velocità Dinamo Tachimetrica Deformazione Estensimetro Temperatura TermocoppieTermoresistenza - RTD Termistori Sensori a Circuito Integrato Corrente A shunt resistivo Ad effetto Hall Forza, Coppia e Pressione Estensimetri su strutture meccaniche

22 Tecnologie Realizzative Tradizionale (resistivi, capacitivi, induttivi) A semiconduttore (dispositivi integrati, funzionamento limitato in temperatura, basso costo) Optoelettronica (ambienti aggressivi, vasto range di temperature ma limite di sensibilità, il costo può essere alto)

23 Attuatori Gli attuatori sono dispositivi che consentono di trasformare in modo controllato una energia sorgente (elettrica, pneumatica o idraulica) in un altra forma di energia (solitamente meccanica). Gli attuatori in generale si distinguono in classi differenti in base a: ENERGIA CONVERTITA idraulica pneumatica elettrica VARIABILI CONTROLLATE spostamento forza velocità composto funzionale (programmabile) TIPO DI MOVIMENTO lineare-rettilineo rotativo ti TIPO DI CONTROLLO ad anello aperto ad anello chiuso

24 Attuatori idraulici

25 Attuatori Pneumatici

26 Attuatori Elettrici