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Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 1
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Reti e Sistemi per L’Automazione
prof. Stefano Panzieri
Architetture per il Controllo Distribuito
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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
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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
◊ …
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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
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Altri fenomeni descrivibili con la
controreazione
◊ Economici◊ 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
◊ secrezione di eritropoietina nei reni, dipendente dall’ossigeno in circolazione, che stimola il midollo a produrre globuli rossi
◊ Infettivi◊ Diffusione dei virus
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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
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Matlab con Simulink
◊ Controllo in velocità di un motore in corrente continua
Kd
smorzamento
1
s
integratore
Km
f.c.e.m.
Velocità
Dppio click per
caricare i dati del motore
Signal
Generator
motor_plot
S-Function
Posizione
Km
La.s+Ra
Parte Elettrica
0
Constant
1
(Jm+Jc)s+Dm+Dc
Carico
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◊ Teoria di Gaia
◊ Produzione/distribuzione energia elettrica
◊ Struttura aeroportuale
◊ Fabbrica automatica
◊ Macchina a controllo numerico
◊ Motore elettrico Com
ple
ssit
à
Sen
sib
ilit
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rdip
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ze
Sistemi Complessi
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comandi
Controllo gerarchico
Interazioni fisiche e logiche
+rapidità- intelligenza
+intelligenza- rapidità
informazioni
◊ 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
Apparato di controllo locale
Controllo 1
Sistema 1 Sistema 2
Controllo 2
Apparato di controllo locale
Controllo 3
Sistema 3 Sistema 4
Controllo 4
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L’Automazione in Fabbrica
Manufacturing
Informatizzazione dei processi produttivi
Ingegneria dell’Informazione ed Automazione
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Struttura gerarchica di
un’aziendacompany
quality technical manufacturer marketing financial personnel planning
Quality
control
Inspection
R&D Engineering
design
Manufacturing
engineering
Process
planning
Purchasing
Planning
Control
Progress
Rate fixing
Stores
Workshops
Foundry
M/c shops
Assembly
Dispatch
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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
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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
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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
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Capability, Product definition, Schedule,
and Performance data
Product
Definitions
Production
Schedule
Production
Performance
Dati di prodottoGenerati dai vari gruppi
Dati Operativi
Per il controllo delle operazioni dell’azienda
Dati di performance
A conferma del successo delle operazioni
Product
Time
Capability/Capacity
Dati funzionaliUtilizzati dai gruppi di specialisti
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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
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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
◊ Riduzione dell’ENERGIA consumata
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Convergenza
◊ In prospettiva il CIM intendeva integrare tutte queste operazioni unificando◊ Dati di progetto
◊ Dati di processo
◊ Dati di marketing
◊ Dati di gestione economica
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Controllo di impianti Manifatturieri
◊ Computer Integrated Manufacturing
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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)
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Vantaggi del CAD
◊ Migliorare la qualità del prodotto◊ Disegno computerizzato
◊ Riduzione del lead-time (time-to-market)◊ Direttamente le specifiche di produzione
◊ Simultaneous/Concurrent engineering◊ Progettazione simultanea del processo di
produzione
◊ Workgroup computing◊ Per ridurre ulteriormente il processo di
design
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Workgroups◊ Workgroup computing
◊ Per ridurre anche il tempo dedicato al Design
◊ BOEING 777: primo volo nel 1994◊ 236 workgroups, 2200 workstations CATIA
◊ AIRBUS: creato nel 1995 ◊ 1500 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
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CAE
Computer Aided Engineering
◊ La modellazione può essere completata con una simulazione che metta in evidenza sollecitazioni meccaniche e termiche e criticità
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Elementi del CIM
CAM
◊ CAM: Computer Aided Manufacturing
◊ Manufacturing:◊ 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)
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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
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◊ 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
CAM
Attività Computer-Controlled
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CAM
Flexible Manufacturing System (FMS)
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FMS
Struttura Informatica
Corporate
mainframe
Factory
mainframe
Planner and
Backup
Transport
Carts
Storage controlLoad/Unload Tool management DNC
Load terminal AS/RS Tool crib Machine tools
Scheduler
System manager
D/B
D/B
Satellite
link
Supervision and factory
management
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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
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Design-for-manufacture
Design
requirements
Manufacture
requirements
Comp. aided
analysisExperience
Previous
design
Market
requirementsResearch and
development
MachinesProcess cost
data
ToolingMaterial
availability
Product or part
geometry
Detail design (constrained by software with
geometry characterized by eng. features)
Detailed drawing
or modelProcess plan
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La Fabbrica Automatica
Robot
MovimentazioneProcessocontinuo
Magazzini
Macchinea CN
1° LivelloComando delle singole macchine
2° LivelloCoordinamento delle
macchine
3° LivelloGestione della produzione(ottimizzazione)
4° LivelloPianif. globale
Rete di campo
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Piramide CIM
Dimensioni Determinismo Frequenza InformazioniComandi
5
4
3
2
1
0
◊ Ogni livello si occupa di◊ Acquisire, manipolare e trasferire informazioni
◊ Elaborare ed attuare strategie
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Isole di Automazione
Isola 1
Isola 2
Isola 3
Isola 4
Supervisione Integrata
flussi informativi
flussi di produzione
◊Ogni isola compie una serie di lavorazioni, eventualmente alternative
◊La coordinazione è garantita da un sistema di supervisione integrata
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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
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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 nuovo prodotto
◊http://en.wikipedia.org/wiki/Just_in_time_(business)
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Architettura a maglia
Isola 1
Isola 2
Isola 3
Isola 4
flussi informativi
flussi di produzione
◊Le isole continuano ad essere responsabili dei processi di trasformazione
◊La coordinazione avviene grazie a scambi di informazioni orizzontali
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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.
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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
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Modello Funzionale ISA-95 (2000)
Level 4
Level 0
Level 1
Level 2
Level 3
Business LogisticsPlant Production Scheduling, Shipping,
Receiving, Inventory, etc
ManufacturingOperations Management
Dispatching, Detailed ProductionScheduling, Production Tracking, ...
BatchProduction
Control
DiscreteProduction
Control
ContinuousProduction
Control
The production processes
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”
I Livelli 4 e 3 sono gli stessi indipendentemente dal tipo di industria
I Livelli 2, 1, e 0differiscono a secondo del tipo di industria (batch, continuous, and discrete)
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Exchanged Information Categories
ISA-95.1 e ISA-95.2
Enterprise InformationPlant Production Scheduling,Operational Management, etc
ManufacturingControl Information
Area Supervision, Production Planning, Reliability, Assurance, etc
ProductDefinition
Information(Come fare un prodotto)
ProductionCapability
Information(Cosa è
disponibile)
ProductionSchedule(Cosa fare
e cosa utilizzare)
ProductionPerformance
(Cosa è stato fatto e usato)
ISA-95
the international standard for the
integration of enterprise and control systems
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ISA95.01 Levels
Level 4
Level 0
Level 1
Level 2
Level 3
Business LogisticsPlant Production Scheduling, Shipping,
Receiving, Inventory, etc
ManufacturingOperations Management
Dispatching, Detailed ProductionScheduling, Production Tracking, ...
BatchProduction
Control
DiscreteProduction
Control
ContinuousProduction
Control
The production processes
Business Logistics
Management
(ERP)
Manufacturing
Operations Management
(MES, LIMS, AM, …)
Interfacce specificate
nella ISA 95.01 e nella
ISA 95.02
Area specificata
nella ISA 95.03
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Settori industriali
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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
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MES
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Integrazione ERP/Mes
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Sovrapposizione
ERP/ MES