Reti e Sistemi per L Automazione

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1 Reti e Sistemi per L Automazione prof. Stefano Panzieri Architetture per il Controllo Distribuito Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 1

2 Programma Dal loop singolo al controllo gerarchico e distribuito Richiami sulla produzione integrata (CIM) Standard di mercato delle reti informatiche per l'automazione Reti per il controllo e reti di campo Sistemi di controllo supervisivo e di acquisizione dati per processi industriali (SCADA) Struttura e classificazione dei controllori a logica programmabile (PLC) Ambienti di programmazione per linguaggio a contatti (Ladder logic) e relativi sistemi di sviluppo Diagrammi funzionali sequenziali (SFC) per la descrizione della logica di controllo Traduzione dell'sfc in equazioni booleane equivalenti ed in linguaggio a contatti Sensori per applicazioni industriali Motion control. Comunicazioni tra processi e servizi distribuiti: DDE, COM, DCOM, OLE, OPC Security e Safety nel mondo industriale Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 2

3 Seminari SAP ifix SCADA Security Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 3

4 Esame Tesina di gruppo (ottimo: 2 persone) Simulazione, controllo e visualizzazione di un piccolo processo produttivo o di un sistema automatico Software: RsLogix5000, RsView, Visual Basic, ifix Esame orale Produzione Integrata Sistemi SCADA Bus di Campo Sensori per applicazioni industriali Security e Safety nei sistemi di controllo Motion control Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 4

5 Esempi di sistemi di controllo a controreazione Controllo di velocità di un motore elettrico Regolazione continua della tensione o della corrente Controllo della temperatura di un forno domestico con termocoppia On/off a relè nei forni elettrici Continuo con in quelli a gas Controllo della velocità di crociera di un automobile Regolazione continua degli iniettori in funzione della velocità misurata Regolatore elettronico di tensione La tensione in uscita è confrontata con una tensione di riferimento Controllo della velocità delle gabbie di un laminatoio In funzione della tensione tra la gabbia stessa e la precedente Controllo dell assetto di un aeroplano Per mantenere il volo orizzontale o eseguire virate ed atterraggi Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 5

6 Economici Altri fenomeni descrivibili con la controreazione Legge della domanda e dell offerta Adeguamento dei salari collegato all inflazione (ex-scala mobile) Biologici Curva di crescita logistica di una specie La presenza di cibo stimola la crescita con un conseguente maggior consumo Competizione tra specie differenti Stabilizzazione dell ossigeno nell atmosfera Tramite dei batteri Ossigenazione dei tessuti ad opera dei globuli rossi del sangue Infettivi secrezione di eritropoietina nei reni, dipendente dall ossigeno in circolazione, che stimola il midollo a produrre globuli rossi Diffusione dei virus Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 6

7 Strumenti per la sintesi dei sistemi di controllo A seconda del tipo di sistema e di modellistica utilizzata abbiamo tool differenti Sistemi lineari Modellistica in frequenza (Bode, Nyquist, Nichols, regolatori standard PID) Modellistica nel tempo (Assegnazione delle dinamiche, regolatore, controllo ottimo) Sistemi non lineari Risultati matematici parziali Soluzioni ad-hoc Tool matematici Matlab e Simulink Scilab e Scicos Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 7

8 Matlab con Simulink Controllo in velocità di un motore in corrente continua Velocità 0 Constant motor_plot S-Function Signal Generator Kd smorzamento Km La.s+Ra Parte Elettrica 1 (Jm+Jc)s+Dm+Dc Carico 1 s integratore Posizione f.c.e.m. Km Dppio click per caricare i dati del motore Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 8

9 Sensibilità Interdipendenze Complessità Sistemi Complessi Teoria di Gaia Produzione/distribuzione energia elettrica Struttura aeroportuale Fabbrica automatica Macchina a controllo numerico Motore elettrico Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 9

10 Tra l ordine ed il Caos Alcuni sistemi complessi, in una zona intermedia tra l ordine ed il caos, manifestano la tendenza a creare nuove configurazioni che non sono una convergenza verso uno stato di equilibrio e neanche un moto caotico L apparizione improvvisa (emergenza) di proprietà inaspettate mostra nuove forme spontanee di organizzazione non deterministiche Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 10

11 Controllo gerarchico I sistemi a larga scala presentano spesso una struttura decomponibile in moduli (sottosistemi) interagenti fra loro Questa struttura ha, alle volte, un organizzazione gerarchica a livelli Coordinamento +intelligenza - rapidità Apparato di controllo locale Apparato di controllo locale comandi Controllo 1 Controllo 2 Controllo 3 Controllo 4 informazioni Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Sistema 4 +rapidità - intelligenza Interazioni fisiche e logiche Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 11

12 L Automazione in Fabbrica Manufacturing Informatizzazione dei processi produttivi Ingegneria dell Informazione ed Automazione Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 12

13 Struttura gerarchica di un azienda company quality technical manufacturer marketing financial personnel planning Quality control Inspection Purchasing Planning Control Progress Rate fixing Stores Workshops Foundry M/c shops Assembly Dispatch R&D Engineering design Manufacturing engineering Process planning Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 13

14 Operazioni e Dati Engineering Research and project development Manufacturing development Design Engineering release control Manufacturing engineering Facilities engineering Industrial engineering Production Planning Master production scheduling (MPS) Master planning and resource planning MRP: material requirements planning MPR II: manufacturing resource planning Purchasing Production control Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 14

15 Operazioni e Dati Plant operations Production management and control Material receiving Storage and inventory Manufacturing processes Test and Inspection Material transfer Packing, dispatch and shipping Plant site servicing and maintenance Physical distribution Physical distribution planning Physical distribution operations Warranties, servicing and spares Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 15

16 Operazioni e Dati Marketing Market research Forecasting demand Future sales Analysing sales Tracking performance of products and market segments Advertising campaigns Developing and managing marketing channels Managing sales personnel Sales and customer order servicing Business and financial management Company services Payroll Accounts payable, billing and accounts receivable Cost accounting Financial planning and management Strategic planning Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 16

17 Capability, Product definition, Schedule, and Performance data Product Time Capability/Capacity Dati funzionali Utilizzati dai gruppi di specialisti Product Definitions Dati di prodotto Generati dai vari gruppi Production Schedule Production Performance Dati Operativi Per il controllo delle operazioni dell azienda Dati di performance A conferma del successo delle operazioni Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 17

18 Exchanged Information Categories ISA-95.1 e ISA-95.2 Enterprise Information Plant Production Scheduling, Operational Management, etc Production Capability Information (Cosa è disponibile) Product Definition Information (Come fare un prodotto) Production Schedule (Cosa fare e cosa utilizzare) Production Performance (Cosa è stato fatto e usato) Manufacturing Control Information Area Supervision, Production Planning, Reliability, Assurance, etc ISA-95 the international standard for the integration of enterprise and control systems Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 18

19 CIM definizioni Computer Integrated Manufacturing (1973) Integrazione di informazioni riguardanti Bussiness Engineering Manufacturing Management Investe tutte le funzioni dell azienda: dal marketing alla distribuzione del prodotto Primi Obiettivi Minimizzare il time-to-market (lead time) Diminuire i costi (materiali, staff, livelli del management) Ridurre i magazzini Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 19

20 CIM la risposta ad alcune problematiche Migliore utilizzo delle risorse attraverso una pianificazione dei processi produttivi Flessibilità di produzione Veloce adeguamento a nuove lavorazioni Riduzione dei tempi di produzione Simultaneous engineering Migliore progettazione dei prodotti Per dare alle macchine informazioni non ambigue Conservazione e riutilizzo delle informazioni Migliore controllo della produzione Tutti i prodotti invece di alcuni campioni Riduzione delle scorte di materie prime Riduzione dei magazzini dei prodotti finiti Riduzione degli scarti Eliminazione della carta e dei costi ad essa connessi Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 20

21 Convergenza In prospettiva il CIM intendeva integrare tutte queste operazioni unificando Dati di progetto Dati di processo Dati di marketing Dati di gestione economica Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 21

22 Controllo di impianti Manifatturieri Computer Integrated Manufacturing Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 22

23 Elementi del CIM CAD CAD: Computer Aided Design Modellatori Wire frame models Surface modellers Solid modellers ( Feature-based modellers) Progettazione Concettuale Layout Draft Analisi (CAE: computer aided engineering) Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 23

24 Vantaggi del CAD Migliorare la qualità del prodotto Disegno computerizzato Riduzione del lead-time (time-tomarket) Direttamente le specifiche di produzione Simultaneous/Concurrent engineering Progettazione simultanea del processo di produzione Workgroup computing Per ridurre ulteriormente il processo di design Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 24

25 Workgroup computing Per ridurre anche il tempo dedicato al Design BOEING 777: primo volo nel workgroups, 2200 workstations CATIA AIRBUS: creato nel Workstations Computervision and CADDS5 software Lavorano su un sottosistema Collocazione spaziale nell intero progetto Rapporti con gli altri sottosistemi Rapidità nell evidenziare conflitti e trovare soluzioni alternative Software di supporto: Messaging Diary management Task scheduling Task allocation Task reporting Database interface Workgroups Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 25

26 CAE Computer Aided Engineering La modellazione può essere completata con una simulazione che metta in evidenza sollecitazioni meccaniche e termiche e criticità Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 26

27 CAM: Computer Aided Manufacturing Manufacturing: Elementi del CIM CAM Discrete part (dalle materie prime al prodotto finito attraverso sottoinsiemi sempre più complessi auto, lavatrici, aerei) Process manufacture (in maniera fluida dalla materia prima al prodotto finito petrolio, chimica) Mass production (lo stesso prodotto in grandi quantità con macchine dedicate) Batch production (produzione di un primo lotto, re-setting dei macchinari e produzione di un secondo lotto) Flexible production (produzione contemporanea di più oggetti in sequenze non preordinate) Jobbing production (piccole quantità di oggetti quasi sempre diversi) Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 27

28 CAM Attività Computer-Controlled Pianificazione tecnologica operativa e di processo Determinare come i prodotti e le loro parti devono essere fatte Scheduling della produzione e controllo dei materiali e della produzione Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 28

29 CAM Attività Computer-Controlled Shop-floor data collection Monitoraggio delle macchine Work-in-progress Registrazione dei tempi Registrazione delle spedizioni e delle ricezioni dei beni Controllo dell inventario Macchinari controllati dal computer Macchine NC/CNC/DNC Sistemi di trasporto a nastro Robots Automatic guided vehicles (AGV) Celle di lavorazione Sistemi integrati (Flexible Manufaturing Systems - FMS) Magazzini Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 29

30 CAM Flexible Manufacturing System (FMS) Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 30

31 FMS Struttura Informatica Corporate mainframe Satellite link Supervision and factory management Factory mainframe D/B Planner and Backup Scheduler D/B System manager Transport Load/Unload Storage control Tool management DNC Carts Load terminal AS/RS Tool crib Machine tools Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 31

32 CIM Primo passo verso il CIM: unire il CAD al CAM I dati di progetto diventano immediatamente dati di processo La progettazione avviene utilizzando tools informatici che replicano i tools meccanici in grado di operare le lavorazioni Non vi è una ricopiatura dei dati di progetto Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 32

33 Design-for-manufacture Comp. aided analysis Experience Machines Process cost data Previous design Design requirements Manufacture requirements Market requirements Research and development Material availability Tooling Product or part geometry Detail design (constrained by software with geometry characterized by eng. features) Detailed drawing or model Process plan Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 33

34 La Fabbrica Automatica 3 Livello Gestione della produzione (ottimizzazione) 4 Livello Pianif. globale 2 Livello Coordinamento delle macchine Movimentazione Robot 1 Livello Comando delle singole macchine Rete di campo Macchine a CN Processo continuo Magazzini Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 34

35 Piramide CIM Ogni livello si occupa di Acquisire, manipolare e trasferire informazioni Elaborare ed attuare strategie Dimensioni Determinismo Frequenza Comandi Informazioni Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 35

36 Isole di Automazione Ogni isola compie una serie di lavorazioni, eventualmente alternative La coordinazione è garantita da un sistema di supervisione integrata flussi informativi flussi di produzione Supervisione Integrata Isola 2 Isola 1 Isola 4 Isola 3 Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 36

37 La crisi del CIM Un forte aumento della turbolenza dell ambiente in cui operano le imprese industriali (dopo il 1990) porta ad un mutamento nei paradigmi manageriali adottati dalle imprese stesse E necessario abbandonare o ripensare le strategie competitive estremamente focalizzate su questi singoli punti Diminuzione dei costi Aumento della qualità del servizio Aumento del livello di servizio. Si ricerca il miglioramento congiunto di produttività, qualità, servizio e flessibilità senza dimenticare la gestione del personale e la sua soddisfazione Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 37

38 Nuovi paradigmi di gestione della produzione Just-in-time Produzione orientata al flusso Eliminazione degli sprechi (tempi morti, scorte) Total Quality Control Orientata al cliente Focus sulla qualità Miglioramento continuo Concurrent Engineering Parallelizzazione tra progettazione di prodotto e processo mirata a ridurre il tempo necessario per lanciare un uovo prodotto Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 38

39 Architettura a maglia Le isole continuano ad essere responsabili dei processi di trasformazione flussi informativi flussi di produzione La coordinazione avviene grazie a scambi di informazioni orizzontali Isola 1 Isola 2 Isola 4 Isola 3 Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 39

40 Information Technology e Automazione Nel modello tradizionale del CIM il ruolo dell informatica consiste nell integrare le isole di automazione e le relative basi di dati. L Information Technology (IT) è vista, quindi, come opportunità per ridurre il costo delle transazioni e degli scambi informativi fra strutture aziendali esistenti. La riprogettazione dei processi induce un mutamento radicale nell approccio all integrazione informatica: il ricorso all IT va subordinato alla riprogettazione e rappresenta solo uno dei molteplici elementi di ridefinizione del processo stesso. Perdono di rilevanza i modelli di architettura CIM piramidali a più livelli, mentre assumono maggiore coerenza modelli di architettura produttiva a rete che consentono scambi informativi orizzontali lungo il processo. Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 40

41 Modello Funzionale ISA-95 (2000) Level 4 Level 3 Business Logistics Plant Production Scheduling, Shipping, Receiving, Inventory, etc Manufacturing Operations Management Dispatching, Detailed Production Scheduling, Production Tracking,... Livello 4: business planning and logistics. Qui si trovano attività come la schdulazione della produzione Level 3 è il livello del manufacturing operations and control del production dispatching, del detailed production scheduling, e del reliability assurance Level 2 Level 1 Level 0 Batch Production Control Continuous Production Control The production processes Discrete Production Control Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 41 I Livelli 4 e 3 sono gli stessi indipendentemente dal tipo di industria I Livelli 2, 1, e 0 differiscono a secondo del tipo di industria (batch, continuous, and discrete)

42 ISA95.01 Levels Business Logistics Level 4 Plant Production Scheduling, Shipping, Level 3 Level 2 Level 1 Receiving, Inventory, etc Management Manufacturing Operations Management Manufacturing Dispatching, Detailed Production Scheduling, Production Tracking,... Batch Production Control (ERP) Operations Management (MES, LIMS, AM, ) Continuous Production Control Discrete Production Control Interfacce specificate nella ISA e nella ISA Area specificata nella ISA Level 0 The production processes Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 42

43 ISA-95 E lo standard internazionale per l integrazione delle imprese e dei sistemi di controllo. Consiste di modelli e di terminologie che possono essere utilizzati per determinare quali informazioni devono essere scambiate tra i sistemi dedicati alle vendite, la finanza e la logistica, e i sistemi per la produzione, la manutenzione e la qualità Queste informazioni sono strutturate secondo dei modelli UML che sono la base per lo sviluppo di interfacce standard rea sistemi ERP (Enterprise Resource Planning) e sistemi MES (Manufacturing Execution Systems) Lo standard ISA-95 può essere usato per molti scopi, per esempio come guida per la definizione dei requisiti utente, per la scelta di un fornitore di MES e come base per lo sviluppo di sistemi MES e di database Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 43

44 Acronimi CMMS: Computerized Maintenance Management System CRM: Customer Relationship Management CTP: Capable-To-Promise EAI: Enterprise Application Integration ECO: Engineering Change Order ERP: Enterprise Resource Planning FCS: Finite Capacity Scheduling HMI: Human Machine Interface LIMS: Laboratory Information Management System MES: Manufacturing Execution System OEE: Overall Equipment (Plant) Efficiency PLC: Programmable Logic Controller PLM: Product Lifecycle Management RMA: Return Material Authorization SC: Supply Chain SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition SPC: Statistical Process Control Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 44

45 MES Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 45

46 Integrazione ERP/Mes Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 46

47 Sovrapposizione ERP/ MES Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 47