laurea in ingegneria e scienze informatiche sistemi e architetture per l'automazione...

Sistemi E Architetture per l'Automazione L

COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING

LA PIRAMIDE DELL’AUTOMAZIONE

Laurea in Ingegneria e Scienze Informatiche

Ing. Lorenzo Moriello

DEI - Università di Bologna

E-mail: [email protected]

https://www.unibo.it/sitoweb/lorenzo.moriello2

Ing. Lorenzo Moriello – Sistemi e Architetture per l'Automazione L CIM 2

Obiettivi

Introdurre il concetto di Piramide dell’Automazione

Introdurre l’architettura funzionale e tecnologica dei

sistemi di controllo

Modello / Schema / Architettura “generale”

Prima “funzione” poi “realizzazione”

Cenni alla mappatura dal mondo funzionale a quello

tecnologico

Ing. Lorenzo Moriello - Sistemi e Architetture per l'Automazione L

INGREDIENTI:• Materie prime

• Energia

• Informazioni

• Controllo

CIM 3

PROCESSO PRODUTTIVO

Trasformazione fisica di materiali al fine di ottenere un prodotto.

Processo produttivo della birra

L’AUTOMAZIONE tende a minimizzare

l’intervento dell’uomo nei processi di

erogazione e manipolazione dei tre ingredienti

fondamentali

Erogare energia: pericoloso, faticoso e

insufficiente;

Controllo e gestione informazioni: alienante

a volte insufficientemente preciso e rapido.

Ing. Lorenzo Moriello - Sistemi e Architetture per l'Automazione L CIM 4

PROCESSO PRODUTTIVO

Tipico dell’industria di processo(chimica, farmaceutica, alimentare, energetica)

Tipico dell’industria manifatturiera(prodotti numerabili, lavorazioni su singoli prodotti)

Quando le lavorazioni richiedono lavorazioni per lotti(ricette precise, mix di reagenti)

TIPOLOGIE

Il processo produttivo può essere rappresentato come la sequenza di

operazioni elementari necessarie per traformare le materie prime nel prodotto

finale:

• Operazioni di lavorazione

• Operazione di assemblaggio

• Operazioni di trasporto

• Operazioni di test

• Operazioni di coordinamento e controllo



Nell’ultimo ventennio il concetto di Automazione Industriale è stato esteso non

solo alla produzione vera e propria, ma anche ai suoi sistemi di supporto:

• Progettazione

• Organizzazione

• Gestione

Equipaggiamento fisico necessario alla

produzione(macchinari, utensili, mezzi di trasporto, macchine di test e

sistema di controllo)

Insieme delle procedure di

organizzazione e gestione della

produzione



CIM:

È un insieme di tecniche e capacità che consente di sfruttare le tecnologie

informatiche non solo per il processo di produzione, ma anche per I processi a

monte e a valle.

CAD

CAM

ERP (Enterprise Resource

Planning) SAP


Piramide dell’Automazione

ARCHITETTURA FUNZIONALE SISTEMA DI CONTROLLO

PIRAMIDE DELL’AUTOMAZIONE (PA)

Controllo

Dispositivo

Controllo

Stabilimento

Controllori

Macchina

Controllo

Impianto / Cella

Controllo

Azienda

Sistema di

Controllo

Processo

Produttivosensoriattuatori

Materiali

Energia

Materiali

Energia

informazioni

informazioniinformazioni

• Visto nel suo complesso, il sistema di controllo di un sistema di automazione industriale può essere

schematizzato come una struttura gerarchica e modulare nella quale ogni livello svolge una funzione

ben definita (modulo) ed è in comunicazione diretta (scambio di informazioni) con il resto dell’architettura

tramite i livelli adiacenti (gerarchia).

• Ogni livello di controllo, vede quello che gli sta sotto come sistema da controllare (SISTEMA FISICO +

CONTROLLORI, come se fosse un controllo in cascata -INCAPSULAMENTO-)



ARCHITETTURA FUNZIONALE SISTEMA DI CONTROLLO

PIRAMIDE DELL’AUTOMAZIONE (PA)

Controllo

Dispositivo

Controllo

Stabilimento

Controllo

Macchina

Controllo

Impianto / Cella

Controllo

Azienda

E’ il più basso livello di controllo della gerarchia dell’automazione.

Comprende attuatori e sensori e hardware che corrispondono a un

singolo loop di controllo.

Esempi: il singolo controllo di un asse di una macchina CNC, il

singolo controllo di giunto di un asse di un manipolatore industriale)

Si tratta di gruppi di macchine asserviti solitamente da appropriati

sistemi di trasporto di materiali e prodotti in ingresso e in uscita. Il

controllo di impianto è coordinato a livello di stabilimento. A questo

livello vengono realizzati prodotti, o sotto-prodotti.

Esempi: linee di produzione, gruppi di macchine CNC, gruppi di robot

A questo livello troviamo l’aggregazione di dispositivi che costituiscono

una macchina. A questo il livello si parla di controllo logico di sequenze

che si occupa di coordinare I controllori a livello inferiore in modo da

rispettare la politica di funzionamento della macchina.

Esempi: controllore dell’intera macchina CNC, controllore manipolatore

industriale

Questo livello comprende l’intero sistema di produzione, ovvero tutto il

necessario per la gestione delle attività dell’azienda: ordini, pianificazione

della produzione (ottimizzazione dei lotti), inventario, acquisti, controllo di

qualità. Più che controllo automatico può essere visto come una

problematica di ricerca operativa, quindi di ottimizzazione,

E’il più alto livello nella gerarchia dell’azienda e ha carattere strategico

gestionale: ricerca e svilupo, progettazione, marketing, vendite,

pianificazione a lungo termine della produzione.



FLUSSO DELLE INFORMAZIONI NELLA PA

Misure/dati

comandi

• Tipicamente verticale (poco orizzontale)

• I livelli superiori non misurano/attuano sul sistema fisico vero, ma sui controllori inferiori

(settano i riferimenti desiderati)

• Specifiche temporali e dimensioni dei dati molto diverse ai diversi livelli• Ai livelli più elevati:

• I dati elaborati sono complessi e strutturati

• La frequenza con cui si acquisiscono le informazioni, si elaborano le strategie e si attuano i comandi non sono

stringenti (assenza di vincoli temporali stretti)

• Ai livelli più bassi

• I dati elaborati sono semplici

• La frequenza è elevata (es. acquisizione misure dal campo - sistemi hard real-time)

Controllo

Dispositivo

Controllo

Stabilimento

Controllo

Macchina

Controllo

Impianto / Celle

Controllo

Azienda



FLUSSO DELLE INFORMAZIONI NELLA PA

RETE DI CAMPO: mette in comunicazione i

dispositivi di campo e i sistemi di controllo di

campo con il sistema di controllo di macchina:

DETERMINISMO, ALTA FREQUENZA, BASSA

LATENZA, PACCHETTI DATI ESSENZIALI,

RETE LOCALE

RETE DI CONTROLLO: permette la

comunicazione tra il sistema di controllo di

macchina e di impianto: PACCHETTI DATI

STRUTTURATI (es:ID macchina, ID sensore),

VINCOLI TEMPORALI MENO STRINGENTI

RETE AZIENDALE (ENTERPRISE): è la rete

su cui transitano le informazioni decisionale e

di coordinamento e a livello aziendale e di

stabilimento: DATI DI GRANDI DIMENSIONI,

BASSA FREQUENZA, NO REAL-TIME, RETE

ESTESA E DISTRIBUITA (mette in

comunicazione stabilimenti dislocati in posizioni

remote geograficamente)



Nomenclatura e “Grado di Automazione” nella PA

Gestione(NON / POCO

AUTOMATICA)

Supervisione(MISTA)

Controllo(AUTOMATICA)

Nel Corso:

- Focus su Livello di Controllo

(elevato “grado di automazione”)

Controllo

Dispositivo

Controllo

Stabilimento

Controllo

Macchina

Controllo

Impianto / Cella

Controllo

Azienda


Piramide dell’Automazione e Livello di Controllo

Si considera il livello dei “controlli”: • Controllo di variabili temporali “classico”• Controllo di sequenze

Controlli(Elevato grado di automazione)

Controllo

Dispositivo

Controllo

Stabilimenti

Controllo

Macchina

Controllo

Impianti / Celle

Controllo

Azienda

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”, vengono attivati e disattivati a seconda della fase di

funzionamento.


Piramide dell’Automazione e Livello di Controllo

“LIVELLO DI CONTROLLO” nella PA

Si tratta di “sistemi di controllo” per i livelli più bassi della piramide Elevato grado di automazione

CONTROLLO DIRETTO DI VARIABILI TEMPORALI (time driven)• Riferimento a Controlli Automatici T, Sistemi di Controllo

Digitale“Classico”

CONTROLLO LOGICO (event driven)• sistemi modellabili funzionalmente con automi

guidati da eventi• Similitudine col formalismo delle reti logiche

• realizzato con operazioni di logica

combinatoria/sequenziale anche complesse

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


SCHEMA FUNZIONALE GENERALE

DI UN SISTEMA DI CONTROLLO


Schema funzionale generale

Relazioni tipiche tra controlli di sequenze e controlli

di variabili temporali

Tipicamente 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 diretto di variabili temporali

CHIUSA APERTURA:Speed:=100;

APERTACHIUSURA:

Speed:=-100;

INITPRESENZA=TRUE

FINE_CORSA_APERTURA

=TRUEFINE_CORSA_CHIUSURA=

TRUE

CONTROLLO PORTA AUTOMATICA



Relazioni tipiche tra controlli di sequenze e controlli di variabili temporali

Relazione gerarchica tra i controlli di sequenze e i controlli diretti di variabili temporali (indicati come “classici” o R(z))

sistema fisico

virtuale

sistema di

controllo

sistema fisico

Controllo di

sequenze

Controllo

R(z)



Relazioni tipiche tra controlli di sequenze e controlli di variabili temporali

In generale pero’ la relazione tra controlli di sequenze e controlli R(z) si traduce in una gerarchia “non pura”

sistema fisico

virtuale

sistema di

controllo

sistema fisico

Controllo di

sequenze

Controllo

R(z)o

Controllo di sequenze



Relazioni tipiche tra controlli di sequenze e controlli di

variabili temporali

Controlli di sequenze e Controlli R(z): gerarchia “non

pura”

Controllo di sequenze anche “connesso” col plant fisico

Gerarchie “non pure” anche tra controlli dello stesso tipo

Ctrl “classico”: controllo in cascata

Gerarchie di Controlli di Sequenze

Non si ha generalmente Ctrl “classico” “sopra” Ctrl di seq.

In alcuni casi, quindi, Ctrl “classico” e Ctrl di sequenze messi allo

stesso livello, e si descrivono le relazioni gerarchiche come

problemi “orizzontali”

Meglio parlare di gerarchia “non pura” e riservare la

denominazione di “orizzontale” per controlli realmente allo

stesso livello (cooperanti, non considerati in questo corso e

ancora piuttosto rari)



Modello/Architettura funzionale generale per la

descrizione dei “controlli”

Blocchi: rappresentano controlli di sequenze o “time-driven”

Vincoli gerarchici: controllo di sequenze no “dipendenza” da ctrl “time-driven”

Comunicazione con l’esterno: set point o altro da livelli superiori, utenti umani meglio se solo con/coi controlli “più alti” (coi “bassi” solo monitoraggio, eventualmente)

Sistema da Controllare

Gerarchia



Sistema da Controllare

L’architettura funzionale del sistema di

controllo:

•definisce i singoli componenti per

mezzo delle loro interfacce;

•definisce le interazioni tra i

componenti ed in particolare i canali di

comunicazione ed i dati;

•definisce per ciascun componente le

funzioni, i requisiti in termini di

capacità di memoria e le loro

responsabilità

Nella definizione delle funzionalità di un sistema

informatico sono molto usati formalismi grafici. Uno

dei più noti è UML (Unified Modelling Language) che

fornisce una serie di strumenti grafici per creare

modelli visuali di sistemi software orientati agli

oggetti.


SCHEMA TECNOLOGICO GENERALE PER UN

SISTEMA DI CONTROLLO


Schema tecnologico generale

Generalità

Analogamente all’ambito funzionale:

definizione di un modello/architettura “generale” di tipo

tecnologico

Analogie col modello funzionale

Su questa si “taglierà” l’architettura “reale” in dipendenza

dallo schema funzionale di controllo da realizzare

In questo corso: solo linee guida…

I vari componenti dell’architettura “reale” andranno scelti in

funzione delle specifiche funzionali

Attenzione: problemi aggiuntivi derivanti dalle architetture

implementative

Esempio: ritardi di comunicazione trascurati in prog. funzionale



Modello/Architettura Tecnologica Generale di

Riferimento

Insieme di

attuatori

Insieme di

sensori

Elaboratori

comunicanti

Interfacciamento

(comunicazione)

Comunicazione

con l’esterno




Riferimento: Componenti

Unità di elaborazione:

diverse tecnologie

dislocazione anche remota

Sistema di comunicazione tra unità di elaborazione

Dipendente dalle unità di elab. (tipicamente per elab. elettronici)

Diverse tecnologie anche nella stessa architettura

Può rispecchiare lo schema funzionale implementato

Sensori e Interfacciamento

Misure dal campo

“Intelligenza” sul sensore

Configurabilità

Integrazione più semplice anche nella comunicazione tra elaboratori




Riferimento: Componenti (cont.)

Attuatori e Interfacciamento

Azioni sul campo

Dispositivi di “potenza”

“Intelligenza” sugli attuatori

Controllo locale già fornito dal costruttore (es: motore DC)

Configurabilità

Integrazione più semplice anche nella comunicazione tra elaboratori

Comunicazione con l’esterno

Interfaccia operatore

Altri sistemi di controllo (livelli superiori della piramide)

Integrazione con la comunicazione tra elaboratori


FUNZIONE DEL SISTEMA

vs.

IMPLEMENTAZIONE / STRUTTURA FISICO-

TECNOLOGICA DEL SISTEMA


Funzione vs. Implementazione

Funzione:

di un sistema, di un dispositivo, etc.

definisce COSA FA

Implementazione/Struttura fisica-tecnologica:

di un sistema, di un dispositivo, etc.

definisce COME REALIZZA FISICAMENTE la

funzione


Fasi di sviluppo di un sistema di Automazione Industriale


PARTE ELETTRICA• alimentazione, sensori,

attuatori elettrici,

elettrovalvole, cablatura

PARTE MECCANICA

• ingranaggi, telai,

meccanismi di

trasformazione e

distribuzione del moto

PARTE ELETTRONICA• schede di controllo, di

acquisizione e

comunicazione

PROGETTO COMPLESSO E INTERDISCIPLINARE COOPERAZIONE NECESSARIA

PARTE

INFORMATICA/CONTROLLO• sw di controllo e coordinamento,

interfaccia utente, interfaccia di rete



Approccio “classico”

CIM 45

Differenti approcci alla progettazione di un Sistema di Automazione

Industriale

RICHIESTE DEL

CLIENTE

DEFINIZIONE DEL

LAYOUT DI

IMPIANTO

PROGETTO DELLA

STRUTTURA

ELETTROMECCANICA

DEFINIZIONE DELLE

SPECIFICHE DI

CONTROLLO

PROGETTO DELLA

CONFIGURAZIONE HW

SCRITTURA DEL SW

TEAM ELETTROMECCANICO

TEAM INFORMATICO/CONTROLLISTICO

CLIENTE

• Approccio “in cascata”

• PROBLEMA: la definizione delle specifiche,

ovvero la fase più importante del progetto

solitamente viene discussa tra ufficio

commerciale, cliente e project manager.

• Il progetto viene diviso in due macro-step:

progetto elettromeccanico e progetto

informatico/controllistico nel primo l’insieme di

attuatori e sensori necessari a svolgere il

processo produttivo sono individuati, nel

secondo viene sviluppato il software che ne

permette la gestione al fine di compiere le

operazioni desiderate.

• PROBLEMA: il team elettromeccanico non ha la

stessa esperienza di quello controllistico e può

succedere che, al fine di minimizzare i costi, si

prevedano un numero minimo di sensori, il che

visto dall’ottica di chi dovrà sviluppare la logica

di controllo introduce delle complessità che non

giustificano il risparmio sperato si itera il

progettoTEMPOCOSTI

Momento di

comunicazione fra

personale di “mondi

differenti”



CIM 46

Differenti approcci alla progettazione di un Sistema di Automazione

Industriale

Approccio “funzionale”

RICHIESTE DEL

CLIENTEDEFINIZIONE DELLE

SPECIFICHE

FUNZIONALI

DESCRIZIONE

STRUTTURALE DEL

SISTEMA

DESCRIZIONE DELLE

PARTI FUNZIONALI

DEL SISTEMA

PROGETTO DELLA

STRUTTURA ELETTRO-

MECCANICA

PROGETTO DELLA

CONFIGURAZIONE HW

SCRITTURA DEL

SOFTWARE

CLIENTE





• Approccio “integrato” TOP-DOWN

• La definizione delle specifiche viene discussa

congiuntamente da tutti gli attori del processo di

sviluppo in questo modo le sviste progettuali

sono minimizzate

• Preliminarmente si cerca di evidenziare la

FUNZIONE piuttosto che l’IMPLEMENTAZIONE

ne deriva FLESSIBILITA’ nella realizzazione

• Una volta identificata la struttura funzionale e

divisa in sottosistemi si passa all’identificazione

di possibili implementazioni, vagliando differenti

soluzioni tecnologiche ed evidenziando pregi e

difetti delle diverse soluzioni

• Questo tipo di approccio porta a una

“documentazione spontanea” che serve ai

progettisti ad avere una base comune di

informazioni per lo sviluppo.


Esempio: Approccio progettuale seguito

Dato un sistema/processo fisico da controllare

Modello funzionale del sistema da controllare

Di tipo matematico/logico

Progetto del modello funzionale del controllore

Tecniche di progetto e verifica simulativa

Progettazione del Sistema di controllo “fisico”

Mappatura dello schema funzionale sul sistema fisico

implementato

Loop progettuale tra modello del controllo e realizzazione

fisica fino al soddisfacimento delle specifiche

Tecniche di rapid prototyping per abbreviare i tempi “di

convergenza” del loop progettuale

“SW in the loop”

“HW in the loop”



Progettazione di Controlli Logici: il seguito

Nella pratica … questa filosofia non viene seguita

per diverse motivazioni, solitamente non tecniche,

con risultati discutibili ...

48

Mac Cube

Un computer da 20x20 centimetri e

profondo poco di più. Il Mac Cube, lanciato

nel 2000, prometteva grandi cose.

Silenzioso, senza ventole e ultra compatto,

andò fuori commercio l’anno dopo. La

lamentela più diffusa era il

surriscaldamento dell’apparecchio.Apple USB mouse

L’Apple USB mouse, o più semplicemente

“Hockey Puck”, è il mouse rotondo lanciato

nel 1998 e fuori produzione dal 2000. Dopo

i primi entusiasmi per il design

accattivante, ricevette molte critiche: la

forma sferica lo rendeva difficile da

impugnare ed era troppo piccolo per

essere comodo da tenere sotto il palmo.


Progettazione di Controlli Logici: il seguito

Nella pratica … questa filosofia non viene seguita

per diverse motivazioni, solitamente non tecniche,

con risultati discutibili ...

49

La sonda Mars Climate Orbiter

della Nasa, con compiti meteo, si

distrusse in orbita perché fu

posizionata a un'altezza

sbagliata. L'errore fu nei calcoli:

le due squadre al lavoro usarono

sistemi diversi, quello imperiale e

il metrico decimale

Sistemi E Architetture per l'Automazione L


LA PIRAMIDE DELL’AUTOMAZIONE

FINE

Laurea in Ingegneria e Scienze Informatiche

Ing. Lorenzo Moriello

DEI - Università di Bologna

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laurea in ingegneria e scienze informatiche sistemi e architetture per l'automazione...

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