Introduzione al corso

Transcript

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: 04/10/2005 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 : Automatica - Automazione e Piramide dell Automazione Obiettivi specifici Programma Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 2 Obiettivo del Corso (intuitivamente) Partendo dalla conoscenze di controlli automatici acquisite nei corsi precedenti Obiettivo 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 1

2 Dettagli implementativi : Orario Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 4 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/LinkedPages/OrarioSalaPCLab1.htm Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 5 Lucidi del corso Dettagli implementativi : Materiale didattico disponibili su pagina web: Bonfatti, Monari, Sampieri IEC Programming Methodology CJ International, Le Saint Georges, France (relativo alla parte di programmazione di controllori di sequenze, contiene il CD di IsaGraf) Chiacchio, Basile Tecnologie informatiche per l automazione 2 a Edizione, McGraw-Hill Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 6 2

3 Dettagli implementativi : Ulteriore bibliografia 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 7 Dettagli implementativi : Prove d esame Prova scritta: Due esercizi: Dimensionamento di massima di una catena di acquisizione Scelta e dimensionamento 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 8 Per meglio inquadrare le tematiche del corso si introducono alcune considerazioni 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 9 3

4 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 10 AUTOMATICA e AUTOMAZIONE Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 11 AUTOMATICA 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 12 4

5 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 13 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 14 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 15 5

6 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 16 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 17 AUTOMATICA (cont.) Nota bene: 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 18 6

7 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 19 AUTOMAZIONE (cont.) Disciplina ingegneristica che si occupa dell effettiva realizzazione di sistemi automatici (tipicamente industriali), Sistema automatico: sistema dove l intervento umano è assente o minimizzato E l insieme di diverse discipline ingegneristiche: Basi teoriche/metodologiche: Automatica 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 20 AUTOMAZIONE (cont.) Interazione con altre discipline: 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 21 7

8 AUTOMAZIONE (cont.) Spesso per automazione si intende l automazione industriale (in questo corso accadrà questo) Ambito diventa: Processo Fisico Materiali attuatori sensori Materiali Energia Energia informazioni Sistema di Controllo informazioni informazioni Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 22 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 Le problematiche sono le stesse fino a certi livelli (vedi 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 23 AUTOMAZIONE (cont.) Relazione con la robotica e ambito automotive e dei veicoli in genere: Automazione Industriale Automazione Automotive e veicoli in genere Robotica Industriale Robotica Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 24 8

9 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 25 PIRAMIDE DELL AUTOMAZIONE Obiettivo: definire come in genere viene organizzato il sistema di controllo per l automazione 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 26 PIRAMIDE DELL AUTOMAZIONE Controllore di Azienda Controllori di Stabilimenti Controllori di Macchine/Impianti Controllori di Gruppi Campo (sensori/attuatori) Organizzazione modulare e gerarchica del sistema di controllo 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 27 9

10 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 28 PIRAMIDE DELL AUTOMAZIONE Gestione (non / poco automatica) Azienda Stabilimento Macchine/Impianti gruppi campo Supervisione (mista) Controllo (automatico) Nomencaltura Controllo di sequenze (eventi discreti) Controllo di sistemi time-driven (classico) nel corso si trattano: - Tecnologie per il controllo - sensori e attuatori Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 29 Controllo nella Piramide dell Automazione 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 di e con sistemi guidati dal tempo (time-driven) Vedi Controlli Automatici LA/LB, Sistemi di Controllo Digitale Classico Controllo di sequenze Controllo di e con sistemi modellabili con automi guidati da eventi Similitudine col formalismo delle reti logiche Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 30 10

11 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 Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 31 Controllo di sequenze Tipica relazione gerarchica col controllo classico (time-driven): Il controllo di sequenze nelle diverse condizioni di lavoro innesca diversi controllori classici o ne modifica i riferimenti Generalmente il controllo di sequenze è gerarchicamente sopra al controllo classico Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 32 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 33 11

12 Controllo di sequenze Superamento della concezione di sistema di controllo vista nei corsi precedenti NELL AUTOMAZIONE IN GENERALE I CONTROLLI DEVONO GESTIRE LE DIVERSE FASI DI FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA, NON SOLO REGOLARE ALCUNE VARIABILI D USCITA. Il controllore del sistema risulta essere una macchina a stati piuttosto complessa nell ambito della quale i controllori classici, visti nei corsi di base, vengono attivati e disattivati a seconda della fase di funzionamento. Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 34 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 Cenni a problemi di elaborazione real-time Sistemi di comunicazione di sensori alcuni tra più usati criteri di valutazione e scelta Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 35 SAPERE Obiettivi specifici del corso Fornire conoscenze: 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 e di implementazione dei controlli di sequenze Implementazione tipicamente SW Metodologia di rappresentazione e progetto, però, è generale Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 36 12

13 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 37 Programma 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 PLC Controllo di sequenze SW per l automazione (impropriamente detto) programmazione Standard IEC , IsaGraf Tool di progetto avanzato Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 38 Programma 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 azionamenti elettrici (Motion Control) => tipologie/dimensionamento Problematiche di comunicazione nell automazione Bus di campo Ing. Andrea Tilli - DEIS Università di Bologna 39 13

14 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 40 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 14