L`automazione nei processi industriali

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L'automazione nei processi industriali
Un processo industriale è l’insieme delle operazioni che concorrono a trasformare le caratteristiche e le
proprietà di materiali, tipi di energia e/o informazioni in accordo con un obiettivo predeterminato.
Un impianto industriale è l’insieme di macchine, apparecchiature e mezzi necessari al processo industriale.
In un impianto industriale il flusso principale di input-output è sempre accompagnato da un flusso di servizio
necessario al corretto funzionamento dell
dell’impianto
impianto stesso.
stesso
Linea di produzione robotizzata
Macchina impacchettatrice industriale
Generazione, distribuzione ed utilizzazione dell’energia elettrica
La corretta gestione di un processo industriale richiede:
•
un sistema di monitoraggio, in grado di individuare condizioni di funzionamento anomalo, di
memorizzare ed analizzare la storia del processo.
•
un sistema di coordinamento dell’attuazione delle varie fasi di lavorazione sequenziali e cicliche in
cui è suddiviso l’intero processo. Il passaggio da una fase all’altra avviene o in modo temporizzato,
o mediante condizioni di passaggio (ad esempio,
esempio un sensore di “tutto
tutto pieno
pieno” in un processo di
imbottigliamento).
p
industriali moderni sono di tipo
p automatizzato,, i processi
p
sono cioè pilotati
p
da un controllore
Gli impianti
di processo (PCS, “Process Control System”) costituito da un’unità di calcolo che genera i comandi
necessari al corretto funzionamento dell’impianto e ne sorveglia lo stato. Ciò consente di:
•
aumentare la velocità del processo produttivo.
•
aumentare le potenze disponibili nel processo produttivo.
•
migliorare la qualità dei prodotti.
Il controllore di processo è in generale interfacciato da un lato al sistema di produzione, e dall’altro a un
p
che p
può essere costituito:
sistema superiore
•
dal personale addetto alla vigilanza dell’impianto
•
da un sistema automatizzato di pianificazione della produzione (MES, “Manifacturing Execution
System”)
•
da un sistema di gestione delle risorse aziendali (ERP, “Enterprise Resouces Planning”).
L’interfaccia bidirezionale tra l’impianto industriale (o unità operativa), ed il controllore di processo (o unità
operatrice)
t i ) è costituita
tit it dall’insieme
d ll’i i
di sensorii e di attuatori.
tt t i
Il controllore di processo in base alle informazioni ricevute dai sensori ed al programma di processo contenuto
nella memoria agisce sull’impianto attraverso gli attuatori, in modo di soddisfare le specifiche richieste.
Computer Integrated Manufacturing
C
Con
C
Computer
t IIntegrated
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t d Manufacturing
M
f t i
(CIM) sii iintende
t d una metodologia
t d l i di impiego
i i
articolato
ti l t e cooperante
t
delle tecnologie informatiche nei processi di progettazione, produzione e distribuzione di beni e servizi.
La metodologia CIM viene implementata in tutti quegli ambiti in cui le funzioni dell’impresa possono essere
assistite da un elaboratore e controllate da esso (dunque ottimizzate) con un alto livello di integrazione.
Elementi caratterizzanti della metodologia CIM sono:
• Basi di dati centralizzate e condivise dai diversi processi;
• Scambio di informazioni fra i diversi sottosistemi;
• Coordinamento e sincronizzazione delle varie attività, umane ed automatiche;
• Ottimizzazione
Otti i
i
d i tempi
dei
t
i e delle
d ll flessibilità
fl
ibilità di risposta
i
t in
i funzione
f
i
delle
d ll condizioni
di i i di mercato;
t
• Livello di qualità dei prodotti elevato e controllato.
La metodologia CIM si esplica a più livelli del processo produttivo; per visualizzare tutti questi livelli è
convenzione far riferimento alla cosiddetta “piramide CIM”.
Livello 0: Processi industriali
E’ costituito dalla struttura fisica dei processi, cioè dai dispositivi che rendono possibili le azioni di movimento,
lo scorrere di flussi di energia, le reazioni chimiche.
Livello 1: Sensori ed attuatori
E’ costituito dall’insieme dei sensori, degli attuatori e dei trasduttori, cioè dai dispositivi che vengono
interfacciati direttamente alla struttura fisica del processo, costituendo la sezione di input-output dal sistema
di controllo. La funzione di tale livello è quella di riportare al livello 2 lo stato delle variabili di processo e di
attuare i comandi da esso ricevuti
ricevuti. Il livello di intelligenza richiesto è basso
basso, dovendo i dispositivi coinvolti
soltanto trasdurre le grandezze fisiche di varia natura in segnali tipicamente elettrici (e viceversa).
Livello 2: Unità operatrici
E’ costituito dai controllori (di tipo automatico e/o semiautomatico) interfacciati con i sensori e gli attuatori dei
dispositivi meccanici facenti parte della stessa unità operatrice. Le apparecchiature di tale livello sono :
•
PLC (Programmable Logic Controller), ossia controllori a logica programmabile;
•
DCS (Distribuited Control System), ossia semplici sistemi di controllo distribuito;
•
CNC (Computer Numeric Controller), cioè centri di lavorazione a controllo numerico.
Le funzioni svolte 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 eseguite da altre unità operatrici mediante il controllo di livello superiore
superiore.
Ad ogni livello della piramide CIM vengono eseguite delle funzioni di base comuni e distinguibili in tre
categorie:
t
i
•
Gestione dal livello superiore, ossia scomposizione dei comandi ricevuti in sottocompiti;
•
Gestione del proprio livello,
livello cioè assegnazione dei sottocompiti e delle risorse e attuazione dei
sottocompiti del livello;
•
Gestione verso il livello inferiore: assegnazione dei sottocompiti e delle risorse ed analisi delle
p
ricevute dal livello inferiore.
informazioni di risposte
Ad ogni livello è quindi necessario attuare due diversi tipi di integrazione (ossia di coordinamento):
•
Integrazione orizzontale: all’interno di ciascun livello;
•
Integrazione verticale: tra un livello e quelli adiacenti
Gran parte delle informazioni tra i vari livelli, sono veicolate da bus di comunicazione, che svolgono un
ruolo indispensabile per l’integrazione dei diversi componenti dei sistemi di produzione industriale.
Il corso di “Sensori
Sensori ed Attuatori”
Attuatori ha lo scopo di introdurre alcuni argomenti relativi alle tecnologie utilizzate
per realizzare sistemi del livello 1 della piramide CIM, a complemento delle nozioni teoriche fornite dai corsi di
base di Automatica, Elettronica ed Informatica.
Il progetto di un sistema di controllo di processo, corrispondente all’insieme dei livelli 1 e 2 della piramide
CIM richiede conoscenze di natura:
•
metodologica (come fare la sintesi del regolatore, sia esso discreto che continuo)
•
tecnologica (come realizzare praticamente il sistema di controllo)
I sistemi singolo ingresso - singola uscita con controllo mediante retroazione dell’uscita sono fra i più
comuni in campo industriale.
Il sistema da controllare e il controllore possono essere rappresentati mediante le rispettive funzioni di
trasferimento Gs(s) e Gc(s).
Le variabili di sistema sono:
•
il riferimento da inseguire r(t)
•
l’uscita da controllare y(t)
•
l’ errore e(t) = r(t)-y(t)
•
la variabile di controllo u(t)
Il procedimento di sintesi del regolatore in retroazione può essere così riassunto:
I.
Determinazione (analitica o sperimentale) di un modello del sistema da controllare.
Se il sistema è lineare a singolo ingresso e singola uscita è possibile identificare una funzione
complessa a variabile complessa Gs(s) (la cosiddetta funzione di trasferimento) che ne descrive
completamente il comportamento statico e dinamico.
p
di controllo.
II. Definizione delle specifiche
In genere interessa imporre al sistema un errore a regime nullo ed un tempo di assestamento
fissato.
III. Sintesi del controllore.
In base al modello del sistema è possibile, tramite opportune metodologie, progettare i parametri di
un sistema di controllo (rete correttrice, PID, etc.) che garantisca il rispetto delle specifiche
assegnate.
t
L’implementazione pratica dell’algoritmo di controllo progettato, richiede la selezione di:
•
Sensori, per la misura del segnale da utilizzare nella retroazione.
•
Attuatori, per attuare il segnale di controllo in uscita dal controllore progettato.
•
Sistema di calcolo, che esegue l’algoritmo di controllo sotto forma di programma scritto in un
qualche linguaggio di programmazione.
L’effettiva realizzazione del sistema di controllo comporta due ulteriori passi nel progetto del sistema di
controllo
t ll oltre
lt a quelli
lli elencati
l
ti in
i precedenza:
d
IV. Scelta della tecnologia per l’implementazione
Il progettista deve scegliere quali sensori,
sensori attuatori,
attuatori quale calcolatore (programmato in quale
linguaggio), occorre utilizzare per implementare efficacemente l’algoritmo di controllo.
V.
Verifica delle specifiche.
Il sistema ottenuto differisce dal modello ideale rappresentato dall’anello chiuso in retroazione per
svariate ragioni (discretizzazione, dinamiche non modellate di sensori e trasduttori, ecc.), quindi
occorre riconsiderare il progetto per tenere conto di questa nuova situazione.
Sensori
I sensori sono dispositivi che rilevano una grandezza fisica e la convertono in un formato adatto
alla elaborazione elettronica. Grazie alle informazioni sul processo acquisite dai sensori, l’unità di
governo mantiene traccia dello stato di funzionamento della parte operativa.
I sensori si possono classificare in base al tipo di segnale che forniscono in:
•
sensori analogici: forniscono un segnale elettrico continuo compreso in un certo intervallo
di valori (per es. sensori di temperatura, sensori di pressione, ecc...). Quando l’unità di
governo è implementata
g
p
da un elaboratore elettronico occorre utilizzare un dispositivo
p
di
conversione del segnale dal formato analogico a quello digitale (Convertitore Analogico–
Digitale, A/D).
•
sensorii digitali:
di it li forniscono
f
i
una informazione
i f
i
direttamente
di tt
t utilizzabile
tili
bil da
d un elaboratore
l b
t
elettronico.
I sensori digitali possono essere suddivisi in base al contenuto informativo dei segnali digitali forniti in:
•
Sensori logici: hanno una uscita di tipo booleano, codificata usualmente con la cifra “1” (vero, presenza) e “0”
(falso, assenza). Tipici sensori logici sono i sensori che segnalano il fine–corsa
fine corsa di un movimento, la presenza
presenza–
assenza di un pezzo da lavorare, ecc... .
•
Sensori codificati: forniscono una informazione di tipo numerico intrinsecamente discretizzata ed
opportunamente
t
t codificata
difi t in
i una stringa
ti
di bits
bit (es.
(
contatori
t t i di impulsi,
i
l i ecc.).
)
I dispositivi con sensore analogico e convertitore A/D integrato non sono sensori codificati, in quanto la risoluzione
della parte di conversione può essere aumentata a piacere mantenendo la parte di misura inalterata
inalterata, cosa
impossibile per un sensore per sua natura codificato.
Sensori
Posizione
Temperatura

Potenziometro

Trasformatore differenziale – LVDT

Resolver

Encoder

TermocoppieTermoresistenza - RTD

Termistori

Sensori a Circuito Integrato
Corrente
Velocità

Dinamo Tachimetrica
D f
Deformazione
i

Estensimetro
Forza, Coppia e Pressione

Estensimetri su strutture meccaniche

A shunt resistivo

Ad effetto Hall
Tecnologie Realizzative
•
Tradizionale (resistivi, capacitivi, induttivi)
•
A semiconduttore (dispositivi integrati, funzionamento limitato in temperatura, basso costo)
•
Optoelettronica (ambienti aggressivi, vasto range di temperature ma limite di sensibilità, il costo può
essere alto)
Attuatori
Gli attuatori sono dispositivi che consentono di trasformare in modo controllato una
energia “sorgente” (elettrica, pneumatica o idraulica) in un’altra forma di energia
(solitamente meccanica).
Gli attuatori in generale si distinguono in classi differenti in base a:
ENERGIA CONVERTITA

idraulica
pneumatica
ti
elettrica
VARIABILI CONTROLLATE

spostamento
forza
velocità
composto
funzionale (programmabile)
TIPO DI MOVIMENTO

lineare-rettilineo
t ti
rotativo
TIPO DI CONTROLLO

ad anello aperto
ad anello chiuso
Attuatori idraulici
Attuatori Pneumatici
Attuatori Elettrici