Automazione nei sistemi manifatturieri: formalismi di … · 2002-05-02 · Workshop - Cremona 2002...

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Politecnico di MilanoPolitecnico di Milano

Luca FerrariniLuca FerrariniDipartimento di Elettronica e InformazioneDipartimento di Elettronica e Informazione

Politecnico di MilanoPolitecnico di [email protected]@polimi.it

Automazione nei sistemi manifatturieri: formalismiAutomazione nei sistemi manifatturieri: formalismidi modellizzazione, specifica delle funzioni didi modellizzazione, specifica delle funzioni di

controllo e sviluppo del software relativocontrollo e sviluppo del software relativo

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D E S C OD E S C O

Lo Lo scenarioscenario


D E S C OD E S C O

The problem (1)The problem (1)

q Common industrial practice based on:– separat ion and sequential izat ion of m e c h a n i c a l

des ign and c o n t r o l des ign– dif ferent representat ion formal isms

q C o n trol functions design often carried out withthe programming language of the target device


D E S C OD E S C O

The problem (2): weak pointsThe problem (2): weak points

q No systematic methodologies nor formal modelsare used for control design

q No separation between what a control ler shoulddo and a correct implementation

q No integration between mechanical and controlsystem design


D E S C OD E S C O

Poss ible solutions: R e ference ModelsPoss ible solutions: R e ference Models

q Take advantage o f a plant model and a c o n t r o l

mode l

q Exploit the modularity of the plant

q Exploit the hierarchy in the control

q Exploit the abstraction and standardisationmechanisms of object-oriented technology


D E S C OD E S C O

Poss ible solutions: R e ference ModelsPoss ible solutions: R e ference Models

ElementaryComponent

Equipment

Unit

Work Area

Instruction

Operation

Unit procedure

Procedureassociated with

Device

Command

associated with

associated with

associated with

associated with


D E S C OD E S C O

Primo passo nel progetto dellefunzioni di controllo è l’analisidella struttura fisica


D E S C OD E S C O

Struttura fisica:

Centro di lavoro

Elementi principali Elementi secondari

Servono per ottenere lalavorazione del grezzo

Servono per aumentarel’automazionedell’impianto


D E S C OD E S C O

WorkArea

Unit

Elementary Component

Device

Equipment

Work Area:

Porzione dell’impianto concompleta autonomia nellosvolgere una porzione delpiano di produzione

Work Area:

Porzione dell’impianto concompleta autonomia nellosvolgere una porzione delpiano di produzione

Unit:

Porzione dell’impianto in grado diimplementare in modo autonomoun intero ciclo di lavorazioni

Unit:

Porzione dell’impianto in grado diimplementare in modo autonomoun intero ciclo di lavorazioni

Device:

Gruppo di apparecchiature ingrado di realizzare un compitocomplesso, come unalavorazione o uno scambioutensile

Device:

Gruppo di apparecchiature ingrado di realizzare un compitocomplesso, come unalavorazione o uno scambioutensile

Equipment:

insieme di Elementary Componentche cooperano per ottenere unaspecifica funzionalità. Esso puòsvolgere un numero finito disemplici attività come ad esempio untrasferimento.

Equipment:

insieme di Elementary Componentche cooperano per ottenere unaspecifica funzionalità. Esso puòsvolgere un numero finito disemplici attività come ad esempio untrasferimento.

Elementary Component:

Elemento fisico che rappresentala parte elementare dellamacchina, non ulteriormentedivisibile. Solitamente è unsensore o un attuatore.

Elementary Component:

Elemento fisico che rappresentala parte elementare dellamacchina, non ulteriormentedivisibile. Solitamente è unsensore o un attuatore.

Secondo passo: modellostrutturato (diagrammadelle classi)

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W o r k i n g U n i tL o a d i n g U n i t Pa l le tUn i t

ToolUni t Coo lan tUn i t

Sp ind le

Pa l l e tChange r

P a l l e t M o v e rPal le t Loader

Too lLoad ing

Pa l l e t S to reT o o l C h a n g e r

T o o l M o v e r

Too l S to re

I n t e g r i t y C o n t r o l

Coo l i ngTank

C N C l i e n t

< < I n t e r f a c e > >

C N S e r v e r W o r k A r e a

U n i t

D e v i c e

E q u i p m e n t

E l e m e n t a r y C o m p o n e n t

C h i p C o n v e y o r

D E S C OD E S C O


D E S C OD E S C O

Terzo passo nel progetto dellefunzioni di controllo è costruireun Modello del controllo Modello del controllo

Funzioni controllo Funzioni di allarme

sono le operazioni svolte nellenormali fasi di lavoro

•Automi a Stati Finiti

•SFC

verificano il correttofunzionamento dell'impiantoportando il sistema in unostato di allarme al verificarsidi determinate condizionianomale


D E S C OD E S C O

Come rappresentare le funzionidi controllo di un impianto?

•Modelli ad oggetti:

•astratti, utili per progetto, più“distanti” dall’implementazione

•Modelli funzionali (operazionali):

•meno astratti, meno riusabili, più“vicini” all’implementazione


D E S C OD E S C O

Timer1

-4

ALLARME()

Attiva Fz di AllarmeVariabile esportata

5

Condizione buona terminazione

3 (AZIONE)

(Restrizioni Interne) AND(Restrizioni Esterne) AND(Alarm Off)

TRUE

DisattivaFunzioni di Allarme

Object.NomeFunzione2

Rientro allarme

6Timer2

1(INIZIO funzione)

Es. di automa percontrollo logico


D E S C OD E S C O

Es. di SFC


D E S C OD E S C O

Nota: la traduzione in Ladder Diagram non èovvia in tutti i suoi aspetti concettuali, ma sipuò fare agevolmente in molti casi.

Modelli analoghi possono essere definiti per:

-le funzioni di allarme

- lo stato di un “oggetto” del modello


D E S C OD E S C O

CONO

Elettromandrino


D E S C OD E S C O

Modello – EquipmentMode llo – EquipmentE le ttromandrinoE le ttromandrino

Framework

Stelo Ruota fonica Mol le Circuito RaffreddamentoMotore Elettr ico

Cil indro blocco-sbloccoAlbero Distributore Rotante GruppoMotoreCuscinetti

Cono Labir into

Elet tromandrino

Testa


D E S C OD E S C O

Modello – Equipment CilindroModello – Equipment Cilindro

YV66YV4SP34SP33SP32SQ5SQ4SQ3

Cilindro Blocco-Sblocco

blocco()

sblocco()

SQ68


D E S C OD E S C O

Ambiente disviluppo esimulazione

q Modularità nella progettazione del controlloq Definizione e supporto dei segnali di I-Oq R ispetto normative IEC 1131q Ambiente graf ico di Simulazione e Debug ( in Real Time)


D E S C OD E S C O


D E S C OD E S C O

Sviluppi in corso

• Estendere il modello formale ad oggetti a tutta la macchina

• Completare il modello formale (parametri, metodi, attributi)

• Implementazione in ambiente Linux Real Time e linguaggioad oggetti concorrente Python

• Traduzione automatica

• Definizione di un ambiente CACSD di supporto a tutta la fasedi progettazione delle logiche

• Applicazione ad un centro di lavoro

Sviluppi futuri


E A S YE A S Y

E n g ineer ing o f Au tomat ion E n g ineer ing o f Au tomat ion S Y s t e m sS Y s t e m s

SS YY

EE AA


E A S YE A S Y

q Benefits– Engineering cost reduction

– Improved Engineering Eff iciency

– Improved Engineering Quality

q Goals

– a Control System Engineering tool:

• process-oriented, automation system independent,semiautomatic and integrated with other design activities

– Support automation system Testing with Simulation andVerification

– Provide Integration with existing DCS tools


E A S YE A S Y


E A S YE A S Y

SS YY

EEAA

SYSTEM EDITOR

P & ID s

INSTRUMENT

DATABASE

PROCESS

DESCRIPT.

FUNCTIONALDIAGRAMEDITOR

PROCESS

SIMULATOR

SOFTWAREFACTORY

ACCEPTANTTEST

PANEL

ENGINEERINGDATABASE

CODEGENERATOR

CUSTOMDISPLAYLAYOUT

FUNCTIONALDIAGRAMS

ENGINEERINGDATABASE

CODE


E A S YE A S Y

V e rifica V e rifica e e va lidazioneva lidazione

q V e rifico che il codice di controllo sia compatibilecon la sua specif ica

q V e rifico che il codice di controllo si comporticome desidero

q Sono compiti complessi

q FAT: Simulazione o metodi formali?


E A S YE A S Y

DEAERATOR

L.P.TURBINEBY-PASSCONDSTORAGE TANKS

L.P.HEATERS

DRAINCOOLER

Levelvalve

AIREJECTOR

S

CONDENSERS

GLANDSTEAM

CONDENSER

Recirculation

valve

M MV1

P2P1

V2

F1 F2

V2iV1i

CO

LD W AT

ERS

TEAM

HOTWELL

CONDENSER

V5i

V4i


E A S YE A S Y

PUMP 2CONTROL

VALVE 2CONTROL

DRIVEMOTORPUMP 2

OP

ENCL

OSE ONOFF

M M

PUMP 2

MOTORIZED VALVE 2

DRIVEMOTORVALVE 2

PUMP 1CONTROL

VALVE 1CONTROL

DRIVEMOTORVALVE 1

DRIVEMOTORPUMP 1

OP

ENCL

OSE ONOFF

M M

PUMP 1

MOTORIZED VALVE 1

SEQUENCE CONTROL& STEP

SEQUENCECONTROLBRANCH 1

START/SH

UTPR

OG

RAM

STEPPROGRAMSTART 1-2-3-4SHUT 51-

52

OPEN

/CLO

SE START/STOP

SEQUENCE CONTROL& STEP

SEQUENCECONTROLBRANCH 2

START/SH

UTPR

OG

RAM

STEPPROGRAM START1-2-3-4SHUT 51-

52

OPEN

/CLO

SE START/STOP

GROUPCONTROLLO

GIC

ON

/OF

F

STAND-BY SELECTOR

BR

AN

CH

2LO

GIC

ON

/OFF

BR

AN

CH

1LO

GIC

ON

/OFF


E A S YE A S Y

Parameters:tm0, tm1: maximum monitoring time for EP0, EP1 signals to appear

tpu: OFF, ON pulses durationtepe: maximum monitoring time a signal EP0, EP1 may disappear

FB0

ON

OFF

P0

P1

D

CB1

B0

7OFF

6FBO

5ON

4FB1

3

RTE

2EPE

1

STP

In1 Out1

Single Pulse GeneratorB0501 - 8/3/2

In1 Out1

Single Pulse GeneratorB0501 - 8/3/01

S/R

Set

Rese t

Out

Reset Overrideswith toggle inputB0604a - 8/3/01

Set

Rese t

Out

Reset OverridesB0601 - 8/3/4

Set

Rese t

Out


Set

Rese t

Out


Set

Rese t

Out


PRIO

PRIO

AND

AND

AND

AND

AND

AND

AND

OR

AND

AND

OR

AND

AND

AND

OR

OR

OR

AND

AND

OR

OR

ORAND

AND

In1 Out1

Delay output InitiationB0502 - 8/3/4

In1 Out1


In1 Out1


In1 Out1


0

0

NOT

NOT

NOT

NOT

NOT

NOT

NOT

NOT

NOT

NOT

NOT

NOT

NOT

NOT

NOT

NOT

NOT

NOT

9R0

8A0

7EP0

6R1

5A1

4EP1

3M0

2S/R

1M1

FB1

GROUP CONTROL(in Simulink)


E A S YE A S Y

Processo diP rocesso div e rificav e rifica

NO

ModelloFormale

Sistema diVerifica

Specifiche Progetto

Proprietà daVerificare

ProprietàVerificate?

SI

FasiSuccessive


E A S YE A S Y

Me todi di verificaMe todi di verifica

q Basato su equazioni algebriche– so lutore : AMPL ( r icerca operat i va)

q Basato su tecniche di model checking– solutore: SPIN

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