Computer Integrated Manufacturing Sistemi per l automazione industriale Ing. Stefano MAGGI Dipartimento di Elettrotecnica Politecnico di Milano lunedì 10 novembre 2008
Contenuti Il processo e l impianto industriale Il sistema di controllo di processo CIM: definizione, ambito, funzioni coinvolte, benefici attesi, aspetti caratteristici La piramide CIM e l integrazione Metodi di progettazione per il sistema di controllo di processo Il modello del controllo di processo Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 1
Il processo industriale Il processo industriale può essere definito come l insieme delle operazioni che concorrono a trasformare le proprietà di uno o più materiali, tipi di energia o informazioni con un obiettivo predeterminato; esempi tipici possono essere la produzione di un determinato bene attraverso una lavorazione continua oppure discreta di tipo manifatturiero, la produzione di energia elettrica oppure il suo trasporto e distribuzione, la raccolta elaborazione diffusione di informazioni. Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 2
L impianto industriale L impianto industriale è l insieme degli apparecchi, delle macchine e dei mezzi necessari all esecuzione dei compiti di trasformazione per cui il processo industriale è concepito; il flusso principale di materiali energia informazioni che entra nell impianto per dar luogo al flusso corrispondente a valle delle operazioni di trasformazione delle loro proprietà è accompagnato da un flusso analogo che si può definire flusso di servizio, ossia necessario al corretto funzionamento di tutte le parti dell impianto. Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 3
Il sistema di controllo di processo Il sistema che regola i comandi necessari al funzionamento dell impianto e quindi al perseguimento dell obiettivo del processo industriale, ne ottimizza le fasi e ne verifica i risultati è detto sistema di controllo di processo (PCS, Process Control System); oltre al processo stesso su cui agisce direttamente il controllo, questo è anche interfacciato al sistema superiore che ne imposta i comportamenti in funzione degli obiettivi che il processo deve conseguire. Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 4
MES & ERP Il sistema superiore può essere semplicemente il personale addetto alla conduzione dell impianto oppure un sistema di pianificazione della produzione (MES, Manufacturing Execution System) oppure ancora un sistema di gestione delle risorse aziendali (ERP, Enterprise Resources Planning). Le variabili quindi in ingresso e uscita dal sistema di controllo sono sia scambiate con il sistema superiore (impostazione delle variabili di riferimento, delle soglie, segnalazioni di stati e allarmi, misure, ecc), sia con il processo controllato (rilevamento e misura delle variabili controllate e di controllo, comandi, ecc). Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 5
CIM: Definizione e Ambito Definizione: impiego articolato e cooperante della tecnologia informatica nei processi di progettazione, produzione, distribuzione, per acquisire un durevole vantaggio competitivo. Ambito: tutte le funzioni dell impresa che possono essere assistite dall elaboratore, essere automatizzate e quindi eseguite e controllate dall elaboratore, con un alto livello di integrazione. Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 6
Funzioni coinvolte Funzioni amministrative Sistemi informativi di Produzione Funzioni di pianificazione & controllo produzione Computer Aided Design (CAD, CAE) Computer aided manufacturing (CAM) Funzioni di progettazione Flexible Manufacturing System (FMS) Funzioni di produzione Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 7
Benefici attesi Incremento della flessibilità produttiva dei volumi Riduzione dei tempi di consegna (time-to-market) Miglioramento della qualità Riduzione dei costi Miglioramento dei servizi al cliente Sopravvivenza dell impresa in un ambiente altamente competitivo Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 8
Aspetti caratteristici Gli aspetti caratteristici dell integrazione attuata nella logica CIM sono: Basi di dati centralizzate e condivise dai diversi processi Comunicazione di informazioni tra i diversi sottosistemi di elaborazione Coordinamento e sincronizzazione delle varie attività umane ed automatiche Ottimizzazione dei tempi e della flessibilità di risposta in funzione delle condizioni di mercato Livello di qualità dei prodotti elevato e controllato Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 9
La piramide CIM 6 A z ie n d a 5 S tab ilim e n to 4 A re a 3 R e p arto / C e lla 2 U n ità o p e ratrice 1 S e n so re A ttu ato re 0 D isp o sitiv i M e ccan ici Ad ogni livello sono svolte delle funzioni di base comuni distinguibili in tre categorie: Di gestione dal livello superiore: scomposizione dei comandi ricevuti in sottocompiti e rapporto delle attività svolte. Di gestione del proprio livello: assegnazione dei sottocompiti e delle risorse, attuazione dei sottocompiti del livello. Di gestione verso il livello inferiore: assegnazione dei sottocompiti e delle risorse e analisi delle informazioni di risposta ricevute dal livello inferiore. Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 10
L integrazione Due diverse tipologie di integrazione che è necessario attuare a ciascun livello per raggiungere quella dell intero sistema: Integrazione orizzontale: all interno di ciascun livello Integrazione verticale: tra un livello e quelli adiacenti Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 11
Metodi di progettazione (1/2) La progettazione di un sistema CIM può essere condotta per mezzo di due approcci: Approccio top-down Approccio bottom-up Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 12
Metodi di progettazione (2/2) La progettazione di tipo top-down è particolarmente indicata per la realizzazione di sistemi nuovi in cui è possibile far riferimento a modelli precisi di architetture, dove è massimo il livello di integrazione e la semplicità per raggiungerlo; l approccio bottom-up è indicato per situazioni già esistenti, in cui si individuano interventi locali di facile realizzazione, procedendo poi all integrazione dei diversi sottosistemi in modo però spesso difficoltoso Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 13
L approccio Top-Down (1/3) Nel percorso di progettazione top-down, ossia dall alto verso il basso altrimenti detta di tipo sistemistica, il progetto viene impostato tipicamente in tre step: Analisi e stesura delle specifiche funzionali dell intero sistema integrato: durante questa fase si stabiliscono e descrivono dettagliatamente gli obiettivi ed i compiti del sistema di automazione nel suo insieme; si deve notare che l impianto di processo è già stato definito nella sua topologia e funzionalità a seguito dell attività svolta dai progettisti meccanici e di processo (Fase di strategia). Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 14
L approccio Top-Down (2/3) Progettazione dell architettura di sistema: in questo step vengono delineate le apparecchiature di supervisione, controllo, attuazione e rilevazione (interfacce uomo-macchina controllori attuatori sensori) necessarie all espletazione delle funzioni e compiti definiti nello step precedente; aspetto essenziale nella definizione dell architettura di sistema è l integrazione dei diversi dispositivi attraverso la comunicazione delle informazioni tra di essi (connessioni seriali o parallele, segnali analogici e digitali, reti di comunicazione digitali e protocolli di comunicazione) (Fase di pianificazione). Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 15
L approccio Top-Down (3/3) Definizione dello schema elettrico e delle logiche software: nell ultima parte della progettazione si concretizzano i risultati ottenuti dalle fasi precedenti per mezzo della stesura degli schemi elettrici di collegamento di tutti i dispositivi (parte hardware) e delle logiche di funzionamento di essi (parte software) (Fase di implementazione). Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 16
L approccio Bottom-Up L approccio bottom-up si sviluppa in modo inverso a quello di tipo top-down in quanto concettualmente prende le mosse dall analisi dei dispositivi presenti nell impianto in termini di collegamenti e logiche di funzionamento; Si procede poi alla definizione dell architettura di sistema e delle funzioni che è possibile realizzare con ciò che si è stabilito iterando e correggendo se eventualmente non tutte le funzioni desiderate sono attuabili in prima battuta. Esistono naturalmente anche approcci misti alla progettazione, in cui ad esempio si utilizza il metodo top-down per lo studio delle diverse sezioni di impianto e quello bottom-up all interno di ciascuna di esse. Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 17
Il modello del controllo di processo Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 18
Livello 1: Sensori/Attuatori E costituito dall insieme dei sensori e degli attuatori, ossia dai dispositivi di campo che vengono interfacciati direttamente all impianto industriale costituendo la sezione di ingresso uscita del sistema di controllo. La funzione del livello 1 è quella di riportare al livello sovrastante le misure di processo e di attuare i comandi ricevuti da esso. Il livello di intelligenza richiesto ai dispositivi di campo è limitata, dovendo essi soltanto trasdurre grandezze fisiche di varia natura (es. temperatura, pressione, tensione, ecc.) a segnali tipicamente di tipo elettrico (corrente e tensione) e viceversa. E bene notare come sia crescente la tendenza di dotare sensori ed attuatori di intelligenza dedicata anche alla gestione di una interfaccia di comunicazione digitale e seriale. Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 19
Livello 2: Controllo di macchina E costituito dai controllori, solitamente di tipo automatico o semiautomatico, interfacciati con i sensori e gli attuatori dei dispostivi meccanici facenti parte di una stessa unità operatrice. Le apparecchiature del livello 2 sono i controllori a logica programmabile (PLC, Programmable Logic Controller), semplici sistemi di controllo distribuito (DCS, Distributed Control System), centri di lavorazione a controllo numerico (CNC, Computer Numeric Controller). Le funzioni cui il controllo di macchina è preposto 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 fatte eseguire alle altre macchine attraverso l operato del livello superiore. Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 20
Livello 3: Controllo di cella I controllori costituenti questo livello regolano il funzionamento di tutte le macchine operatrici costituenti una cella di lavoro attraverso la comunicazione con i relativi controllori; le operazioni svolte a questo livello sono analoghe a quelle del livello 2 risultando soltanto più complesse e a maggior spettro in varietà e dimensioni. In modo analogo i controllori PLC e DCS del livello 3 sono più potenti in termini di capacità elaborativa, memoria, comunicazione, ecc.; crescente interesse, soprattutto dal punto di vista economico, rivestono le moderne soluzioni di automazione basate su Personal Computer (PC). Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 21
Livello 4: Controllo di area (1/2) E costituito dal sistema di supervisione, controllo e acquisizione dati (SCADA, Supervisory Control And Data Acquisition); le apparecchiature su cui sono implementate le piattaforme software sono tipicamente Work Station (WS), con struttura client server, o PC nelle applicazioni più semplici. Le funzioni svolte a livello 4 sono quelle legate alla gestione dell intero processo controllato: gestione operativa intesa come impostazione del lotto da produrre o dei cicli di lavorazione, gestione delle situazioni di allarme, analisi dei risultati, ecc. Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 22
Livello 4: Controllo di area (2/2) Il controllo di area differisce sostanzialmente da quello di macchina e di cella, in quanto i requisiti di elaborazione real-time sono fortemente ridotti; le funzioni infatti che devono essere svolte a questo livello sono fortemente dipendenti dall operatore eventualmente coadiuvato, come si è accennato precedentemente, da sistemi automatici di tipo gestionale che però lavorano su orizzonti temporali e con obiettivi completamente differenti. Restano invece molto importanti i tempi di risposta dell intero sistema per quanto concerne la rilevazione e segnalazione di eventuali situazioni di allarme in cui l operatore può e deve essere in grado di prendere provvedimenti. Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 23