Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo · “Sistemi di automazione industriale –...
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Ingegneria e Tecnologie dei
Sistemi di Controllo
Introduzione al corso
Ing. Andrea TilliDEIS – Alma Mater Studiorum Università di Bologna
E-Mail: [email protected]
Revisionato: 16/09/2008
Ing. Andrea Tilli - DEIS – Università di Bologna 2
Scopo e Indice
Scopo dell’introduzione: inquadrare il corso nell’ambito delle discipline di automatica e automazione e definire gli obiettivi specifici del corso
Indice:Obiettivi generali “in forma intuitiva”Dettagli “implementativi”del corso:
Composizione della plateaOrariEsercitazioni di laboratorioMateriale e testiModalità di esame
Preliminari: Automatica - Automazione e Piramide dell’AutomazioneObiettivi specificiProgramma
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Obiettivo
Obiettivo del Corso (intuitivamente)
Partendo dalla conoscenze di controlli automatici acquisite nei corsi precedenti
Fornire le conoscenze di base sulle architetture tecnologiche per la realizzazione di sistemi automatici e di automazioneIntroduzione di alcune problematiche “funzionali”tipiche dei sistemi di automazione
Controllo di sequenze
Approfondimento di alcune tematiche ⇒ progetti di massima
Sapere
Saperfare
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Dettagli “implementativi”: Composizione della platea
Corso d Laurea in Ing. dell’Automazione: ?
Corso di Laurea in Ing. Informatica: ?
Corso di Laurea Specialistica in Ing. Elettronica: ?
Altri: ?
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Dettagli “implementativi”: Composizione della platea
Conoscenze (di base) della platea utili per il corso:Sistemi Operativi, Multitasking, schedulazione?
Ing. Automazione: NO Altri: SI
Conversione A/D D/A?Ing. Automazione ed Elettronica: SIIng. Informatica: idea di base
Reti di comunicazione, livelli ISO-OSI, TCP/IP?Ing. Automazione: NO Altri: SI
Sistemi di Controllo DigitaleIng. Automazione: SIIng. Elettronica: NO SIIng. informatica: NO
Elettronica di Potenza:Ing. Automazione: NO SIIng. Elettronica: SIIng. Informatica: NO
Motori Elettrici:Ing. Automazione: SI Altri: NO
Corretto?
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Dettagli “implementativi”: Composizione della platea
Si tenterà di colmare le diverse lacune con opportune integrazioni
Perfavore, fate domande al docente se alcune parti non sono chiare!
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Dettagli “implementativi”: Orario
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Dettagli “implementativi”: Esercitazioni di Laboratorio
Sono state riservate ore nel laboratorio LAB 1 per lo svolgimento delle esercitazioni libere
Libere = Non è prevista assistenza diretta in laboratorioLe esercitazioni riguarderanno un pacchetto di simualazione per il “controllo di sequenze”: CoDeSys (in passato si usava IsaGraf)
Gli orari non sono ancora fissati definitivamentePossibilità di modificarli per ottimizzarli rispetto alle esigenze degli studentiSito:http://www.deis.unibo.it/DEIS/Risorse+e+strutture/Laboratori/Laboratori+didattici/Lab1/OrarioSalaPCEsami.htm
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Dettagli “implementativi”: Materiale didattico
Lucidi del corsodisponibili su pagina web: http://www-lar.deis.unibo.it/people/atilli/index.html
Bonivento, Gentili, Paoli“Sistemi di automazione industriale – Architetture e controllo”Mc Graw Hill(consigliato)Bonfatti, Monari, Sampieri“IEC 1131-3 Programming Methodology”CJ International, Le Saint Georges, France(per approfondimenti sulla programmazione di controllori di sequenze)
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Dettagli “implementativi”: Ulteriore bibliografia
Chiacchio, Basile“Tecnologie informatiche per l’automazione”2a Edizione, McGraw-HillBonometti“Convertitori di potenza e servomotori brushless”Editoriale Delfino, Milano (relativo agli azionamenti elettrici) Fraser“Process Measurement and Control”Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J.(relativo alla parte di sensori e condizionamento del segnale)Johnson“Process Control Instrumentation Technology”Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J.(relativo alla parte di sensori e condizionamento del segnale)
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Dettagli “implementativi”: Prove d’esame
Prova scritta:Due esercizi:
Dimensionamento di massima di una catena di acquisizioneScelta (tipo e taglia) di azionamenti elettrici
Domande sugli altri argomenti del corso
Presentazione di un progetto (a gruppi):Controllo di sequenze sviluppato in ambiente CoDeSys per un particolare impianto (corredata di breve relazione scritta)
Prova Orale (facoltativa):Domande sugli argomenti del corso
Regole dettagliate sulla pagina web del corso Non sono previsti parziali durante lo svolgimento del corso
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Preliminari
Si introducono alcune considerazioni preliminari per:- definire una nomenclatura comune- inquadrare meglio le tematiche del corso
Funzione vs Struttura/Implementazione fisica o tecnologica per un sistemaAmbito di riferimento: controllo senza intervento umano Automatica e Automazione
“Cosa sono” e “in che relazione stanno”
Piramide dell’AutomazioneIntroduzione al concetto di “Controllo di sequenze”
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Preliminari
FUNZIONE DEL SISTEMAvs
IMPLEMENTAZIONE/STRUTTURA FISICA o TECNOLOGIGA DEL SISTEMA
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Preliminari
Funzione vs Implementazione/StrutturaFunzione:
di un sistema, di un dispositivo, etc.definisce COSA FAEsempi:
Elaborazione di dati: Algoritmo/AutomaControllore: R(s), R(z)Impianti: Modello semplificato per il controllo
Motore c.c. Modello a parametri concentrati
1sL R+
1sJ b+k
k
1s
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Preliminari
Funzione vs Implementazione/StrutturaImplementazione/Struttura fisica-tecnologica:
di un sistema, di un dispositivo, etc.definisce COME REALIZZA FISICAMENTE la funzioneEsempi:
Elaborazione dati Tipo di calcolatore, Tipo di S.O., Linguaggio e procedura SWControllori HW di elaborazione, etc.Impianti: modello strutturale
Motore c.c. Equazioni di MaxwellFEM
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Preliminari
Funzione vs Implementazione/StrutturaIngegneria = progettazione e realizzazione di sistemiCiclo di progetto di un sistema o di parte di esso:
Prima progettare la funzione che deve svolgerePoi la sua implementazione/struttura fisica o tecnologica
Vincoli sul progetto della funzione:Tecnologie a disposizione per la realizzazione, costi…
Es: Controlli digitali: ritardo di calcolo, altri esempi?
Può essere necessario ciclare tra i due passiVincoli non noti a prioriComunque partire sempre col primo
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Preliminari
Funzione vs Implementazione/StrutturaVantaggi:
dimensionamento “ottimo” della realizzazione del sistema, anche se ci sono parti già vincolate..Rimappatura su diversa tecnologiaDocumentazione / riutilizzabilitàEtc.
Sembra ovvio? Spesso nel mondo industriale non si fa!Soprattutto nell’automazione!
Es: Dimensionamento azionamenti elettriciEs: Sistema di controllo
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Esempio: Progetto funzionale di un controllo digitale
I blocchi sono descritti come:guadagni, f.d.t., funzioni matematiche modellazione funzionale
Visti in corsi precedenti
Camp. Ric.
Attuatore
Processo
R(z) Ka G(S)Sp
Sensore Ks
Preliminari
Controllore
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Preliminari
Esempio: Approccio progettuale seguitoDato un sistema/processo fisico da controllare
Modello funzionale del sistema da controllareDi tipo matematico/logico
Progetto del modello funzionale del controlloreTecniche di progetto e verifica simulativa
E poi?
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Preliminari
Esempio: Approccio seguito - cosa manca?Progetto del modello funzionale del controllore
Sistema di controllo “fisico”In realtà già nel progetto del modello funzionale del controllore si tiene in parte conto dell’implementazione fisica
Es: controllo tempodiscreto per implementazione digitale…GIUSTO!!Es: Controllo già progettato come “codice” visto che saràimplementato via SW… DA EVITARE!!!
Poco leggibile
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Preliminari
Esempio: Approccio seguito - cosa manca? (cont’d)Operazione finale
da funzione di controllo a controllore “reale”
richiede una mappatura da schema funzionale a schema implementativo/tecnologico
Tenendo presenti vincoli tecnologici e di costo
necessario:Modello/Architettura funzionale generale di riferimentoModello/Architettura implementativo/tecnologico generale di riferimento
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Preliminari
Esempio: Approccio seguito - cosa manca? (cont’d)Attenzione: spesso “loop progettuale” tra modello del controllo e realizzazione fisica
Limiti del sistema di controllo fisicoTempi di elaborazione vs necessità di campionamento
Non idealità del controllo e del Plant non considerate nella modellazione funzionaleTecniche di rapid prototyping per abbreviare i tempi “di convergenza”del loop progettuale
“SW in the loop”“HW in the loop”
(non è oggetto di questo corso)
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Preliminari
AMBITO DI RIFERIMENTO
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Preliminari
Ambito di riferimento
Obiettivo: controllo nel senso più ampioImporre al sistema il comportamento voluto “in modo automatico” (i.e. senza intervento umano)
Sistema di Controllo
Sistema
sensoriattuatoriingressi uscite
informazioni
informazioniinformazioni
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Preliminari
AUTOMATICA e AUTOMAZIONE
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Preliminari
AUTOMATICADisciplina ingegneristica (con forte connotazione matematica)
dove si trattano:Modellazione matematica e identificazione di sistemi fisiciStudio delle proprietà strutturali dei modelli matematiciSimulazione dei modelli matematiciProgetto e verifica di sistemi di controllo
Effettuati basandosi principalmente su modelli matematiciNon dimenticando il significato fisico
Diagnosi dei guasti e riconfigurazione del controlloEffettuati basandosi principalmente su modelli matematiciNon dimenticando il significato fisico
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Preliminari
AUTOMATICA (cont.)
Modellazione matematica e identificazione di sistemi fisiciTempo-continui/discreti, ad eventi discreti, ibridi
Equazioni differenziali, alle differenze, automi…Modellistica: leggi fisicheIdentificazione strutturale e parametricaSpesso: modellistica + ident. parametrica Modelli per il controllo
Complessità ridotta, Semplificazioni secondo certi criteri
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Preliminari
AUTOMATICA (cont.)
Studio delle proprietà strutturali dei modelli matematiciTeoria dei sistemiRagg., Contr., Oss., Ric., Stabilità, Grado relativo, Dinamica Zero…Ricavare informazioni sul sistema fisicoGuida per la scelta della struttura del modello
Es: identificazione strutturaleAusilio per il dimensionamento dei sistemi fisici rispetto al compito da svolgere
Non molto comune
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Preliminari
AUTOMATICA (cont.)
Simulazione dei modelliAlgoritmi di integrazione (sviluppati in “matematica applicata”)Diverse rappresentazioni del modello matematico influenzano la simulazione
Condizionamento numericoInterconnessione per la simulazione di modelli complessiSpesso strumentale all’identificazione e al controllo
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Preliminari
AUTOMATICA (cont.)
Progetto e verifica di sistemi di controlloIn retroazione, in catena apertaTempo continui/discreti, ad eventi discreti, ibridiVarie Tecniche
Diverse specifichePrestazioni, robustezza…
Diverse soluzioniEsempio: tecniche Lineari (classico, ottimo, H∞), Non Lineari, Adattative…
Tecniche di filtraggio e osservazione per la ricostruzione di variabili (stati) non direttamente misurabili
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Preliminari
AUTOMATICA (cont.)
Diagnosi dei guasti e riconfigurazione del controllo Relativamente nuovaDiagnosi: tramite Osservatori dello stato o identificazione on-line rilevare mutamenti nel sistema da controllareRiconfigurazione: modifica “on-line” del controllore al fine di garantire (se possibile) il minimo degrado nel funzionamento.
sicurezza attiva
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Preliminari
AUTOMATICA (cont.)
Nota bene: Il nome “automatica” è legato all’obiettivo principale di realizzare sistemi di controllo in cui l’intervento umano è minimizzatoDetta anche “sistemistica e automatica”
Mettere in risalto i temi di “analisi dei sistemi”Modellistica, identificazione, teoria dei sistemi, simulazione
Nell’automatica si affronta il problema suddetto principalmente in modo matematico
Il problema “reale” viene rimappato in un ambito matematico sufficientemente rappresentativo
Diversi livelli di approssimazioneEs: divisione in fenomeni primari e del secondo ordine
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Preliminari
AUTOMAZIONE
Definizione “canonica” (Chiacchio-Basile): Automazione Industriale:Disciplina che studia le metodologie e le tecnologie che permettono il controllo dei flussi di energia, materiali e informazioni per la realizzazione di processi produttivi, senza l’intervento dell’uomo (o con intervento parziale)
Generalizzabile: AUTOMAZIONE “in generale”Disciplina che studia le metodologie e le tecnologie che permettono il controllo dei flussi di energia e/o materiali e/o informazioni e/o altre grandezze per la realizzazione di processi, senza l’intervento dell’uomo (o con intervento parziale)
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Preliminari
AUTOMAZIONE (cont.)
Disciplina ingegneristica che si occupa dell’effettiva realizzazione di sistemi di controllo automatico,
Sistema automatico: sistema dove l’intervento umano èassente o minimizzatoE’ l’insieme di diverse discipline ingegneristiche:
Basi teoriche/metodologiche: Automatica definisce le funzioniElaborazione/comunicazione: Elettronica Digitale / Informatica /TelecomunicazioniAcquisizione misure da sensori: Elettronica di segnale
Attuazione: Elettronica di Potenza / Elettrotecnica / Meccanica
SINERGIA….
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Preliminari
AUTOMAZIONE (cont.)Interazione con altre discipline che “realizzano” i sistemi da automatizzare:Gli impianti da automatizzare possono essere di variotipo e dimensioni:
RobotsMacchine automatiche e utensiliIndustria di processoIndustria manifatturieraIndustria chimicaAlimentatori per acceleratori di particelleAzionamenti elettrici….
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Preliminari
AUTOMAZIONE (cont.)Spesso per “automazione” si intende “l’automazione industriale” (in questo corso accadrà questo)Ambito diventa:
Sistema di Controllo
Processo Fisico
sensoriattuatoriMateriali
Energia
Materiali
Energia
informazioni
informazioniinformazioni
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Preliminari
AUTOMAZIONE (cont.)Attenzione: l’automazione industriale non copre solo i processi produttivi (vedi def. Chiacchio-Basile), ma anche i prodotti industriali che devono avere dei “comportamenti automatici”
Le problematiche sono le stesse fino a certi livelli (vedi avanti: piramide dell’automazione)Il processo fisico può essere:
Macchina o impianto di stabilimento o Intero stabilimento…Ascensore, Lavatrice, Automobile, Aeroplano....
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Preliminari
AUTOMAZIONE (cont.)Relazione con la robotica e ambito “automotive” e dei veicoli in genere:
Automazione
Automazione Industriale
RoboticaRobotica Industriale
Automotivee veicoli in
genere
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Preliminari
NOTA BENE
Le “definizioni” date non sono “matematiche”, ma “filosofiche”Confini non ben definitiCorrenti di pensiero che possono non concordare a pieno
Automotive, aerospace “sotto” Automazione industriale...
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Preliminari
PIRAMIDE DELL’AUTOMAZIONE(e Controllo di Sequenze)
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Preliminari
PIRAMIDE DELL’AUTOMAZIONEObiettivo: definire come in genere viene organizzato il sistema di controllo per l’automazione di sistemi complessi
“Filosofia” seguita: Piramide dell’automazioneStruttura gerarchica e modulareLegata a idea di scomposizione e soluzione “isolata” dei sottoproblemi e riaggregazione
Non è l’unica soluzione possibileDiffusa: gestione intuitiva della complessitàNelle implementazioni reali ci possono essere deroghe
Soluzione “ad hoc” di problemi particolariAttenzione: confusione!
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Preliminari
PIRAMIDE DELL’AUTOMAZIONE: esempio motivanteGiostre per etichettatura di bottiglie “a camme elettriche”: alcune funzioni di ctrl
Ctrl del moto del caricatoreCtrl del moto dell’espulsoreCtrl del moto della giostra Ctrl del moto dei piattelli Ctrl della testa di etichettatura
Ctrl “di tiro” del film di etichettaturaCtrl di taglio(Ctrl temperatura colla)
Coordinamento dei moti di giostra/caricatore/espulsore/piattelliOrientamento bottiglie con testa di etichettatura (fotocellula)
Carico
Scarico
Giostra
Stazione di etichettatura
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Preliminari
PIRAMIDE DELL’AUTOMAZIONE: esempio motivanteGiostre per etichettatura di bottiglie “a camme elettr.”: possibili soluzioni di controllo
Tutto in un unico “blocco”Controllo multivariabile o simili
ComplessoNon riutilizzabile se cambia anche una sola componente
Meglio suddividere in sottoparti (fin quando possibile e conveniente)!Organizzazione delle sottoparti:Tutti allo stesso livello
Coordinamento moto diviso nei singoli controlli di motoAncora scarsa riutilizzabilità, poca indipendenza e chiarezza
Organizzazione gerarchica:Funzione di coordinamento separata dai ctrl di moto e gerarchicamente superiore:
politica di coordinamento ben individuabile
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Preliminari
PIRAMIDE DELL’AUTOMAZIONE: esempio motivanteGiostre per etichettatura di bottiglie “a camme elettr.”: possibili soluzioni di controllo
Organizzazione Modulare e PiramidaleDove si è già incontrata una organizzazione simile nei corsi di controlli?
Inoltre: tutti i moduli di controllo/coordinamento sono facilmente rappresentabili con una R(s) o R(z)?
CONTROLLO DI SEQUENZE
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Preliminari
PIRAMIDE DELL’AUTOMAZIONE
Controllore di Azienda
Campo (sensori/attuatori)
Organizzazione modulare e gerarchica del sistema di controllo
Controllori di Stabilimenti
Controllori di Macchine/Impianti
Controllori di Gruppi
In ogni livello: diversi “moduli”/controllori che si occupano dei diversi sistemi presenti di una data tipologia.
I controllori dei livelli superiori vedono come processo fisico il sistema fisico reale più i controllori dei livelli inferioriIl modello processo-sistema di controllo si ripresenta ai diversi livelli (incapsulamento, es: controllo in cascata)
L’architettura modulare e gerarchica spesso si mappa nell’architettura HW
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Controllore di Azienda
Controllori di Stabilimenti
Preliminari
PIRAMIDE DELL’AUTOMAZIONE
Misure/dati
comandi
elaborazioni
Flusso dell’informazione: Tipicamente verticale (poco orizzontale) e spesso i livelli superiori non misurano/attuano sul sistema fisico vero, ma sui controllori inferiori
Campo (sensori/attuatori)
Controllori di Gruppi
Controllori di Macchine/Impianti
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Preliminari
PIRAMIDE DELL’AUTOMAZIONE
AziendaGestione(non / pocoautomatica)
Supervisione(mista)
Controllo(automatico)
campo
nel corso si trattano: - Tecnologie per il controllo- sensori e attuatori
Nomencaltura
Controllo diretto di variabili temporali(classico)
Controllo di sequenze(eventi discreti)
Stabilimento
Macchine/Impianti
gruppi
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Preliminari
“Controllo” nella Piramide dell’AutomazioneSi tratta di “sistemi di controllo” per i livelli più bassi della piramide
In molte applicazioni i livelli superiori non ci sonoEs: controllo di prodotti industriali (lavatrice…)
Due tipologie:Controllo diretto di variabili temporali (sistemi guidati dal tempo)
Vedi Controlli Automatici LA/LB, Sistemi di Controllo Digitale“Classico”
Controllo di sequenzeCtrl di e con sistemi modellabili funzionalmente con automi guidati da eventiSimilitudine col formalismo delle reti logiche
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Preliminari
Controllo di sequenzeDetto anche “supervisione” o “gestione” delle “sequenze operative” o “controllo logico”
Affine alle problematiche di “gestione” e “supervisione” dei livelli piùalti.. però l’uso dello stesso nome è fuorviante
Esempi:Controllo della sequenza di operazioni che deve compiere un ascensore per passare da un piano ad un altroControllo delle fasi di lavaggio di una lavatriceSequenza di lavoro di una macchina automatica:
Avvio – funzionamento normale – arresto Essenzialmente:realizzato con operazioni di logica comb/seq anche complesse
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Preliminari
Controllo di sequenze
Lo studio e la formalizzazione di questa tipologia di controllo èrecente e ancora allo stato embrionale
Sviluppato sia in ambito informatico sia in ambito automatico
E’ ancora molto legato alla “pratica” dell’automazioneApparentemente intuitivoComplessità può esplodere anche in funzione del tipo di rappresentazione
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OBIETTIVI SPECIFICI DEL CORSO E PROGRAMMA
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Obiettivi specifici del corso
SAPEREFornire conoscenze:di tecnologie per la realizzazione di controlli “classici” e di sequenze
Architetture HW, tecnologie e componenti principaliElaboratori, comunicazione, sensori, trasduttori
di unità di elaborazione tipicamente digitali programmabili
Cenni a problemi di elaborazione real-timedi sistemi di comunicazione per l’automazionedi sensori
alcuni tra più usaticriteri di valutazione e scelta
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Obiettivi specifici del corso
SAPEREFornire conoscenze:di elettronica analogica/digitale per l’acquisizione delle misure da sensoridi attuatori: un particolare tipo
Azionamenti elettriciTra i più usati
di metodologie di rappresentazione, di progetto funzionale e di implementazione dei controlli di sequenze
Implementazione tipicamente SWMetodologia di rappresentazione e progetto funzionale, però, ègenerale
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Obiettivi specifici
SAPER FARE
Eseguire progetti di massima di catene di acquisizione di misure da sensori
Eseguire scelte e dimensionamento di azionamenti elettrici per applicazioni date
Progettare Controlli di sequenze di complessità media con l’ausilio di un opportuno CAD
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Programma
Generalità sulla “struttura tecnologica” dei sistemi di controlloArchitettureTecnologie usate per le varie parti: caratteristiche e problematiche
Unità di elaborazione digitaliGeneral purpose, custom
Elaborazione Real-Time per l’automazioneArchitetture di controllo tipiche nell’automazione industrialeProblematiche di comunicazione nell’automazione (FieldBus)PLCControllo di sequenze
SW per l’automazione (impropriamente detto)“programmazione” Standard IEC61131-3, CoDeSysTool di progetto avanzato
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Programma
Generalità su sensori e attuatoriAlcuni sensori molto diffusi per l’automazioneCenni sull’elettronica d’interfacciamento per sistemi di controlloAttuatori per i sistemi di controllo
azionamenti elettrici (Motion Control) => tipologie/dimensionamento
Sequenza di presentazione degli argomenti da discutere….
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Possibili varianti
Altri argomenti “storicamente” trattati in ITSCMessa in scala dei segnali e degli algoritmi di controllo
Rappresentazione delle grandezze nei processoriImplementazione di algoritmi: Problemi di approssimazione
Problematiche di filtraggio analogico e digitale dei segnali Approfondimento elettronica di interfacciamento
Isolamento digitale e analogico Problematiche di compatibilità elettromagnetica
Sorgenti di disturboVie di accoppiamentoRimedi
Ingegneria e Tecnologie dei
Sistemi di Controllo
Introduzione al corsoFINE
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