1 Introduzione al corso Architettura del sistema di controllo... 6

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1 Indice 1 Introduzione al corso Architettura del sistema di controllo Elementi di modellistica Modelli nel dominio del tempo La trasformata di Laplace Esempio Funzione di trasferimento Schemi a blocchi Regole di composizione Esempi Stabilità dei sistemi dinamici Esempi Stabilità degli schemi a blocchi Schemi a blocchi in serie Schemi a blocchi in parallelo Schemi a blocchi in retroazione Controllo modulante Analisi di sistemi retroazionati Esempi Analisi del sistema di controllo modulante Soluzioni di Controllo Controllo di macchine utensili Controllo numerico Funzionalità ed elementi costitutivi del CN Il Part Program Il controllo del moto per macchine utensili Motori elettrici Motore trifase Motore a corrente continua Motore Brushless Trasduttori elettrici Trasduttori di posizione Trasduttori di velocità Riduttori di velocità Modello matematico dei motori in corrente continua e brushless. 62

2 INDICE Il bilancio elettrico Il bilancio meccanico Comportamento statico di un motore a corrente continua Comportamento dinamico di un motore a corrente continua Controllo logico Il linguaggio LADDER DIAGRAM Esempio Bobina latch e bobina unlatch Esempio del carrello Temporizzatori e contatori Esempio del carrello con allarme Estensioni del linguaggio Il linguaggio SFC Regole di costruzione Regole di evoluzione Tipi di variabile Tipi di azioni Tipi di costrutti Esempio del carrello Reti di Petri Definizioni Strutture fondamentali Proprietà delle reti di Petri Matrici d ingresso, d uscita e di incidenza A Esercizi in MATLAB-SIMULINK 100 A.1 Implementazione del modello e del controllo di un motore elettrico a corrente continua A.1.1 Equazioni del modello A.1.2 Schema simulink A.1.3 Simulazioni A.2 CONTROLLO DEL LIVELLO D ACQUA DI UN SERBATOIO 108 B Note sull utilizzo di ISAGRAF V B.1 Lettura del fronte di salita di una variabile B.2 Blocco del PC in simulazione B.3 Variabili timer B.4 Azioni booleane B.5 Azioni di tipo non-memorizzato B.6 Azioni di tipo impulsivo B.7 Azioni SFC

3 Capitolo 1 Introduzione al corso Si indica con automazione industriale l insieme di tecnologie hardware e software e di soluzioni algoritmiche che permettono di far evolvere nel tempo un sistema. Mentre la teoria del controllo, che ha circa un secolo di vita, è una disciplina di natura algoritmica, l automazione industriale fa riferimento anche alla strumentazione necessaria a realizzare il controllo. La pratica industriale si misura con problemi sempre nuovi e di diverso tipo (produzione, movimentazione, imballaggio, controllo qualità,... ) di fronte ai quali le aziende sviluppano sul campo proprie soluzioni. L automazione industriale è quindi una disciplina ampia e variegata, nella quale esistono molti approcci teorici allo stadio di ricerca di base, non ancora applicati. Essa è poi una disciplina di carattere intersettoriale nella quale l Italia è ben preparata, vantando solide basi di cultura ingegneristica. Con il termine automa si intende un dispositivo controllato da un calcolatore elettronico programmato per eseguire operazioni anche complesse senza l intervento dell uomo. L automazione comporta notevoli vantaggi per la produzione, legati soprattutto alla diminuzione dei tempi e dei costi di lavoro, nonchè all aumento della qualità dei prodotti finiti. Compito dell automazione è far sì che ciascun automa inserito all interno di un impianto svolga correttamente il proprio compito: in particolare si parla di controllo macchina nel dominio del tempo (o controllo modulante) e controllo cella nel dominio degli eventi (controllo logico). L automazione applicata alle macchine operatrici (macchine utensili, robot) fa riferimento a tutte quelle procedure che venivano eseguite manualmente dall uomo, nelle quali l automa ha la funzione di compiere operazioni ausiliarie alla produzione, come il carico e lo scarico di pezzi, operazioni di assemblaggio e di trasporto, etc. Sono ad oggi molto rare le industrie che dispongono di processi totalmente automatizzati. In un sistema industriale la produzione può essere organizzata per reparti, per celle o per linee di lavorazione; nell esempio in figura 1.1 si fa riferimento ad un area di lavoro nella quale il gruppo costituito dai due robot manipolatori e dalla macchina utensile collocata tra di essi è una possibile cella dove viene eseguita una particolare lavorazione: grazie ad un primo nastro trasportatore di alimentazione il pezzo che deve essere lavorato entra nella cella di lavoro, raggiunge un primo manipolatore e viene posizionato sulla macchina utensile per essere lavorato; al termine della lavorazione viene afferrato dal un secondo

4 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE AL CORSO 4 Figura 1.1: Area di produzione e cella di produzione manipolatore che lo deposita sul nastro trasportatore di scarico dei pezzi lavorati, affinché escano dalla cella di lavoro. Un operatore umano si occupa della disposizione dei pezzi in un magazzino. Quali sono le funzioni eseguite dai vari componenti? - Il nastro trasportatore può avanzare o restare fermo. Figura 1.2: Azionamenti nelle macchine di cella industriale - Un robot, o una macchina utensile può avere tipicamente da 2 a 6 gradi di libertà, come il braccio umano: può quindi raggiungere ogni posizione nello spazio. Un sistema con più di 6 gradi di libertà si dice sovradeterminato. Il sistema di controllo deve regolare correttamente ogni grado di libertà: è questo un tipico problema di controllo modulante; ad esempio, per controllare un grado di libertà (cinematico) di rotazione, un attuatore meccanico (es. un motore elettrico) fornisce una coppia (variabile di controllo), la variabile controllata è generalmente la velocità angolare. Nello specifico, non si tratterà di definire una nuova legge di controllo, bensì di tarare in modo adeguato i parametri della legge di controllo utilizzata, attraverso metodi empirici quali le regole di Ziegler-Nichols. Ogni grado di libertà (cinematico o meccanico) è controllato da un dispositivo hardware o software detto azionamento. Tutti i gradi di libertà

5 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE AL CORSO 5 vanno poi mossi in modo tra loro coordinato: si tratta di un problema di pianificazione del moto; tale problema, cruciale per le macchine utensili, viene risolto dal controllo numerico: ad esempio, se l utensile (end-effector) montato sulla macchina deve percorrere una data traiettoria nello spazio, vengono determinati i riferimenti per gli azionamenti affinchè questa venga effettivamente percorsa; è un problema non banale nel quale si cercano algoritmi sempre più performanti anche in termini di tempo, dal momento che poter svolgere una certa operazione più rapidamente ha forte incidenza sulla produttività. In questo campo si compete sui microsecondi, con rapida obsolescenza dei macchinari: un dispositivo a controllo numerico che anni fa aveva un costo dell ordine di un centinaio di milioni, oggi ha costi nell ordine delle decine. In riferimento allo svolgimento di un operazione da parte di un componente del sistema, può essere richiesto il rispetto dei vincoli in tempo reale (real time) : un operazione deve essere svolta entro un range temporale che può essere più o meno breve (si parla in tal senso di hard real-time e soft real-time). Gli anelli di controllo delle macchine utensili hanno tempi nell ordine dei milisecondi, per processi chimici o nucleari si va nell ordine dei microsecondi. Se un progetto di sistema di controllo ha un orizzonte temporale di un paio d anni, si tiene conto delle prestazioni che i processori avranno in quel periodo. A livello di impianto è necessario controllare l insieme dei vari componenti e delle loro interazioni: questa attività è svolta mediante l uso di PLC (programmable logic controller). Figura 1.3: Utilizzo di plc nelle reti di campo di un area di produzione Il controllo logico non avviene nel dominio del tempo, bensì nel dominio degli eventi discreti: questo significa che un PLC risponde con determinate azioni al verificarsi di particolari eventi: ad esempio, quando gli viene comunicato che un pezzo è arrivato al termine del nastro trasportatore, invia al robot manipolatore il comando afferra il pezzo. Nell ambito del controllo logico, nel quale non è più utilizzabile il supporto teorico (formalismo matematico) usato nel dominio del tempo, derivante dalle equazioni differenziali, non vi è un metodo consolidato univoco; in base alle competenze si usano formalismi particolari, oppure le reti di Petri, gli automi, le reti di Code. Nella programmazione di

6 1.1 Architettura del sistema di controllo 6 PLC sono riconosciuti 5 linguaggi di programmazione, di cui alcuni sono di tipo grafico e altri di tipo testuale. Nella pratica, spesso si descrive il problema attraverso schemi grafici e li si affida al programmatore di PLC, con un basso coefficiente di raggiungimento delle aspettative dovuto a problemi del software di controllo. Dal momento che la verifica di un progetto può essere fatta solo operando sull impianto, i tempi di effettiva messa in opera (commissioning) di un sistema sono lunghi circa il doppio di quelli di progettazione e sviluppo. Il supporto di comunicazione dei dati di controllo e supervisione è costituio da reti fieldbus (a bus di campo, dove per campo si intende l area di dislocazione dell impianto); in questo ambito le tecnologie sono molte e diversificate, poiché lo stato dell arte non è ancora abbastanza maturo: anche sotto questo aspetto, le imprese mettono in opera proprie soluzioni. Per decidere la soluzione ottimale vanno considerati numerosi parametri tra i quali: numero di livelli gerarchici e di nodi della rete; criticità dei dati; supporto fisico; dimensioni della rete. Va considerato che spesso il collodi bottiglia di un sistema è proprio la trasmissione dei dati. Oltre ai PLC, si possono trovare connessi ad una rete fieldbus anche sistemi di monitoraggio e supervisione SCADA (Labview è quello attualmente più diffuso) e MES (Manufacturing enterprise system o anche Management enterprise system), il quale si dovrebbe occupare di aspetti gestionali (logistica,pianificazione, asservimento delle macchine). È possibile definire due livelli di automazione: Livello di automazione 1 (Shop Floor): dalle macchine fino ai PLC; Livello di automazione 2: pianificazione e supervisione, ossia MES e SCA- DA. 1.1 Architettura del sistema di controllo L architettura di un sistema di automazione industriale può essere riassunta nello schema di figura (1.4) in cui si rappresentano le diverse relazioni gerarchiche e tra i diversi tipi di tecnologia utilizzati. In particolare nello schema sono rappresentati: Dispositivi: Sistemi Meccatronici e per processo che, integrando fenomeni di tipo meccanico ed elettronico, permettono di svolgere le operazioni tipiche di un sistema produttivo. Tra di essi vi sono: manipolatori, macchine utensili, nastri trasportatori,.... Controllo modulante: Sistema di Controllo per la regolazione degli azionamenti di una macchina operatrice, in funzione dei quali l utensile riesce a raggiungere la posizione desiderata. Controllo numerico: Sistema di Controllo utilizzato per operazioni complesse che richiedono l interazione della macchina con ambienti CAD e CAM, e necessario per operazioni di controllo del movimento, di controllo logico ed di controllo asse (modulante).

7 1.1 Architettura del sistema di controllo 7 Figura 1.4: Relazioni tra i diversi tipi di controllo Controllo logico o PLC (Controllore Logico Programmabile): Sistema di Controllo che supervisiona e coordina a livelli differenti (livello sistema, livello cella e livello macchina) l impianto di produzione. Le informazioni scambiate tra i diversi dispositivi costituenti l impianto controllato, viaggiano su reti dedicate dette reti di campo (o fieldbus).