INTRODUZIONE AL CORSO DI AUTOMAZIONE I

1

INTRODUZIONE AL CORSO DI

AUTOMAZIONE I

Dipartimento diInformatica e Sistemistica

Dott. Ing. VINCENZO SURACIANNO ACCADEMICO 2012-2013

Corso di AUTOMAZIONE 1

PARTE 1

INTRODUZIONE AL CORSO

3

Nuclei Tematici1. Introduzione2. Piramide della Automazione3. Livello di Campo4. Livello di Coordinamento5. Livello di Conduzione6. Livello di Gestione

4

MODALITÀ DI ESAME• PROVA SCRITTA

– Reverse Engineering di un sistema reale

• PROVA ORALE– Revisione critica della tesina;– Domande sul programma dell’esame.

INTRODUZIONE

5

BIBLIOGRAFIA

6

BIBLIOGRAFIA

7

BIBLIOGRAFIA

Facoltà di Ingegneria

AUTOMAZIONE 1Slide #8

PARTE 2

INTRODUZIONE ALL’AUTOMAZIONE



«Scientia quo magis speculativa eo magis practica» Gottfried Wilhelm von Leibniz

FORMARE UN INGEGNERE

• Formare un ingegnere significa rendere un allievo capace di utilizzare i principi di base e i metodi di lavoro tipici dell’ingegneria per affrontare e risolvere razionalmente problemi complessi realmente esistenti.

• L’ingegnere deve pervenire a soluzioni tecnicamente competitive ed economicamente convenienti.



PERCHÉ INVESTIRE NELL’AUTOMAZIONE ?• l’Ingegneria Industriale è finalizzata alla progettazione e

realizzazione di apparecchiature e impianti con tecnologie facilmente riconoscibili: chimica, meccanica, elettrica, elettronica, informatica, aeronautica, aerospaziale;

• L’Automazione è una tecnologia nascosta ma sempre presente, indispensabile per rendere funzionanti le realizzazioni ottenute con le altre tecnologie, al fine di raggiungere le finalità, le prestazioni e le specifiche desiderate.



L'OBIETTIVO DELL’INGEGNERE DELL’AUTOMAZIONE• L’ Ingegnere dell’Automazione ha come

obiettivo quello di individuare, progettare, rendere operative, secondo approcci sistematici, le modalità in grado di imporre le azioni di intervento sul sistema da controllare (ad esempio una macchina, un impianto, ecc.), utili per raggiungere le finalità, le prestazioni e le specifiche desiderate.



IL RUOLO DELL’INGEGNERE DELL’AUTOMAZIONE• Il ruolo dell’Ingegnere dell’Automazione è

quello di seguire il ciclo di vita del sistema da controllare, ovvero quello di progettare, scegliere, realizzare, installare, rendere operativo e gestire il sistema controllato.



PRINCIPALI SETTORI DELL’INGEGNERIA

CIVILE / EDILE

AUTOMATICA

ELETTRICAELETTRONICAMECCANICAENERGETICA

AERONAUTICACHIMICA

LA REALIZZAZIONE RAGGIUNGE LE FINALITÀ DESIDERATE SENZA NECESSITÀ DI ULTERIORI INTERVENTI

FORNISCE LE MODALITÀ SISTEMATICHE DI PROGETTAZIONE DELLE AZIONI DI INTERVENTO DA APPLICARE ALLA REALIZZAZIONE IN ESAME.

SVILUPPA NUOVE METODOLOGIE PER MIGLIORARE LE PRESTAZIONI STATICHE E DINAMICHE E PER RENDERE PIÙ FLESSIBILI SIA LE SINGOLE

REALIZZAZIONI SIA I SISTEMI CONTROLLATI COMPLESSI.

LA REALIZZAZIONE CONSENTE DI RAGGIUNGERE LA FUNZIONALITÀ DESIDERATA A REGIME, TALVOLTA IL TRANSITORIO È TRASCURATO

OCCORRE INDIVIDUARE GLI INTERVENTI NECESSARI A RAGGIUNGERE LE PRESTAZIONI E LE SPECIFICHE DESIDERATE A REGIME.

SISTEMI

STATICISISTEM

I DIN

AMICI



REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE

MECCANICHE, ELETTRICHE, ELETTRONICHE, INFORMATICHE

AUTOMAZIONE



REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE MECCANICHEREALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE ELETTRICHEREALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE ELETTRONICHEREALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE INFORMATICHE

ELEMENTI SINGOLI

REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE DELL’AUTOMAZIONE

SISTEMA

PROGETTAZIONE

PRESTAZIONI

CRITERI EMPIRICIMETODOLOGIE SISTEMATICHE

VENGONO ACCETTATE QUELLE CHE POSSONO ESSERE OTTENENUTE

DEVONO ESSERE RAGGIUNTE QUELLE PREFISSATE

METODOLOGIE



SISTEMA DI CONTROLLOATTUATORIDISPOSITIVI DI MISURADISPOSITIVI DI ELABORAZIONERETI DI COMUNICAZIONE

MODALITÀ DI CONTROLLO

SISTEMA DA CONTROLLARE E SISTEMA DI CONTROLLO• La macchina o l’impianto sui cui intervenire è

indicato come sistema da controllare;• Gli attuatori, i dispositivi di misura, i dispositivi di

elaborazione, le reti di comunicazione e le modalità di controllo costituiscono il sistema di controllo.



SISTEMA CONTROLLATOIl sistema da controllare e il sistema di controllo costituiscono un insieme inscidibile indicato comunemente come sistema controllato.

SISTEMA CONTROLLATO

SISTEMA DA CONTROLLARE

SISTEMA DI CONTROLLO

ATTUATORIDISPOSITIVI DI MISURADISPOSITIVI DI ELABORAZIONERETI DI COMUNICAZIONE

MODALITÀ DI CONTROLLO



STRUTTURA DI UN SISTEMA COMPLESSO

COMPONENTI

APPARATI

IMPIANTI

MODELLO DELLA STRUTTURADI UN SISTEMA COMPLESSO

SISTEMA COMPLESSO

APPARATO 2

APPARATO 1

APPARATO 3

APPARATO 4

IMPIANTO 1 IMPIANTO 2

IMPIANTO n

APPARATO 5

COMPONENTE

APPARATO 1

APPARATO i+1

APPARATO nAPPARATO k

COMPONENTE

COMPONENTE COMPONENTE COMPONENTE

COMPONENTE COMPONENTECOMPONENTE

SISTEMA COMPLESSO

STRUTTURA DI UN SISTEMA COMPLESSO



SISTEMA CONTROLLATO

COMPLESSO

SCELTA DELLE CONDIZIONI OPERATIVE DEGLI IMPIANTI IN FUNZIONE DELLE FINALITÀ

RICHIESTE ALLA PRODUZIONE AZIENDALEOTTIMIZZAZIONE DELLA GESTIONE DEL SISTEMA

VERIFICA ON-LINE DEL RAGGIUMENTO DELLE CONDIZIONIOPERATIVE, IMPOSIZIONE DELLE CONDIZIONI OPERATIVEDESIDERATE E SEGNALAZIONE DI EVENTUALI ANOMALIE

OTTIMIZZAZIONE DELLA CONDUZIONE DEGLI IMPIANTI

INTERVENTI SPECIFICI FINALIZZATI ALLA OTTIMIZZAZIONE DELLA PRONTEZZA E DELLA

FEDELTÀ DI RISPOSTA DEGLI ELEMENTI SINGOLICAMPO

ELEMENTI SINGOLI

CONDUZIONE IMPIANTI

COORDINAMENTOAPPARATI

GESTIONESISTEMA COMPLESSO

STRUTTURA DI UN SISTEMA CONTROLLATO COMPLESSO

COORDINAMENTO DEGLI ELEMENTI SINGOLI DI OGNI APPARATO E SEQUENZIALIZZAZIONE DEGLI INTERVENTI

OTTIMIZZAZIONE DELLE PRESTAZIONI DEGLI APPARATI



ORGANIZZAZIONE DEI CORSI

CAMPOELEMENTI SINGOLI

CONDUZIONE IMPIANTI

COORDINAMENTOAPPARATI

GESTIONESISTEMA

COMPLESSO

FONDAMENTIDI AUTOMATICA

AUTOMAZIONE



PROGETTAZIONE DELLE AZIONI DI INTERVENTO A LIVELLO DI CAMPO

APPROCCIO EMPIRICO

Permette di INDIVIDUARE le azioni di intervento sugli elementi singoli in modo da portare il sistema complesso in condizioni operative di funzionamento senza possibilità di imporre alcun vincolo sulla precisione statica e senza possibilità di poter intervenire sull’intervallo di tempo necessario a raggiungere le condizioni operative desiderate.

Non è necessario disporre di un modello matematico che descriva la dinamica dei singoli elementi.

È sufficiente conoscere le caratteristiche statiche dei singoli elementi.

APPROCCIO SISTEMATICO

Permette di PROGETTARE le azioni di intervento sugli elementi singoli in modo da portare il sistema complesso in condizioni operative di funzionamento imponendo opportuni vincoli sia sulla precisione statica sia sul tempo massimo entro cui devono essere raggiunte le condizioni operative.

È necessario disporre di un modello matematico che descriva gli aspetti dinamici significativi dei singoli elementi.

Prima di rendere operative le azioni di intervento è necessario validarle su un modello matematico più accurato.



realizzazione del sistema da controllare

acquisizione dellastrumentazione e della rete di comunicazione

realizzazione dei programmi per il raggiungimento delle finalità e funzionalità desiderate del sistema controllato

realizzazione dei programmi per il miglioramento della qualità delle prestazoni del sistema controllato

progettazione del sistema da controllare

progettazione delle modalità di intervento

progettazione delle modalità di controllo e loro trasferimento nei

dispositivi di elaborazione

RAPPORTO COSTO/PRESTAZIONI DI UN SISTEMA CONTROLLATO

scelta e istallazione della strumentazione

CO

STO

PRES

TAZI

ON

I



• Tutto ha inizio con la richiesta del committente ad un fornitore.

• Il committente fornisce gli obiettivi che devono essere raggiunti dal sistema da controllare, nonché i vincoli di progetto.

• Il fornitore è responsabile della progettazione, della realizzazione e della messa in funzione del sistema controllato.

COMMITTENTE E FORNITORE



OBIETTIVI• Le finalità indicano cosa deve fare il sistema controllato

quando è in condizioni nominali di funzionamento.• La funzionalità rappresenta l’insieme delle attività che

devono essere svolte dal sistema controllato per poter soddisfare le finalità desiderate.

• Le prestazioni rappresentano le modalità secondo cui devono essere svolte le attività previste per ottenere la funzionalità desiderata.

• Le specifiche indicano come le prestazioni devono essere raggiunte. In particolare rappresentano i valori che devono assumere le grandezze che caratterizzano il raggiungimento delle prestazioni.



VINCOLI• vincoli strutturali che impone il sistema da

controllare (ad es. sovradimensionamento);• vincoli operativi del sistema controllato (ad es.

ambientali, energetici, spaziali, temporali);• vincoli di costo intesi come la somma di costi

di progettazione, di realizzazione, di istallazione, di configurazione, di messa in funzione e di gestione.



FASI DELLA PROGETTAZIONE• individuazione del sistema da controllare,

definizione degli obiettivi e dei vincoli di progetto;• definizione del modello astratto;• individuazione delle azioni di intervento;• scelta delle modalità di controllo;• progettazione della legge di controllo;

DOCUMENTAZIONE

VERIFICA



PARTE 3

RICHIAMI DITEORIA DEI SISTEMI



ELEMENTI DI UN SISTEMA• Un elemento fa parte di un sistema da controllare se e solo se esso

è in grado di accumulare almeno una delle forme di energia che partecipano attivamente all’evoluzione del sistema in esame ed in maniera determinante al fine del raggiungimento degli obiettivi;

• Pertanto un elemento che non è in grado di accumulare energia o che accumula una forma di energia non determinante per la dinamica del sistema utile a verificare il raggiungimento degli obiettivi desiderati, non deve essere preso in considerazione.

• Individuati gli elementi, devono essere prese in considerazione tutte e sole le interazioni energetiche che essi hanno tra di loro e con elementi esterni al sistema da controllare.



EVOLUZIONE DI UN SISTEMA• Un evento è un qualsiasi intervento effettuato sul sistema da

controllare che ne determina un evoluzione. • Per avere una evoluzione è necessaria una variazione dell’energia

in termini di immissione, sottrazione, dissipazione o trasformazione.• Per avere una variazione di energia è necessario che essa sia

immessa o sottratta dal sistema e/o che essa sia già accumulata nel sistema.

• Un sistema che non presenta una evoluzione è in equilibrio.



VARIABILI DI UN SISTEMA• Qualsiasi grandezza che varia in maniera significativa nel periodo di

osservazione del sistema è detta variabile, altrimenti è detta parametro.

• Solo quelle variabili che risultano determinanti per caratterizzare il comportamento dinamico del sistema devono essere prese in considerazione.

• Vengono indicate come variabili di ingresso tutte e sole quelle grandezze che sono in grado di imporre un’evoluzione. Il loro valore istantaneo è significativo della quantità di energia immessa o prelevata al sistema e coinvolta nella sua evoluzione.



VARIABILI DI UN SISTEMA• Vengono indicati come disturbi, quelle variabili di ingresso sul cui

valore istantaneo non si può agire in maniera diretta. Essendo variabili di ingresso sono in grado di immettere o sottrarre energia al sistema provocando una evoluzione (indesiderata) che altera il raggiungimento delle finalità desiderate. Di un disturbo si possono in genere misurare o stimare i suoi effetti e solo in casi particolari anche l’intensità. La misura o la stima del valore istantaneo del disturbo è indice della quantità dell’energia immessa o sottratta al sistema. Non si può agire sul valore istantaneo di un disturbo, ma si può agire sugli effetti che esso provoca nell’evoluzione del sistema da controllare. Ovvero si può solo attenuare l’effetto indesiderato dei disturbi.



VARIABILI DI UN SISTEMA• Sono indicate come variabili di uscita, ovvero come variabili

controllate, quelle grandezze che risultano significative per valutare gli effetti delle variabili di forzamento e dei disturbi ed il cui valore viene utilizzato per verificare il corretto soddisfacimento delle finalità desiderate. Le variabili di uscita sono significative dell’evoluzione del sistema. La misura del loro valore istantaneo non è pertanto indice di una quantità di energia ma solo degli effetti che ha avuto l’energia utilizzata per ottenere l’evoluzione.

• Sono indicate come variabili di stato quelle grandezze il cui valore istantaneo è significativo della quantità di energia accumulata dal sistema. Si devono considerare tutte e sole quelle variabili di stato associate a forme di energia accumulabile nel sistema e che partecipano in maniera determinante alla sua evoluzione e al raggiungimento delle finalità desiderate.



SCELTA E RUOLO DELLE VARIABILI• Per una corretta scelta delle variabili di ingresso, di uscita, di

disturbo e di stato occorre conoscere:– la struttura del sistema da controllare;– le modalità di funzionamento del sistema da controllare– le finalità del sistema da controllare.

• Per uno stesso sistema da controllare la scelta e il ruolo delle variabili può essere differente in quanto sono differenti le finalità.



ENERGIA IMMESSA

ENERGIA ACCUMULATA

ENERGIA PRELEVATA

MODELLO DEL COMPORTAMENTO

DINAMICO DEL SERBATOIO

u(t) y(t)

d(t)

VARIABILE DI INTERVENTO DISTURBOVARIABILE

CONTROLLATA

FINALITÀ : mantenere costante il livello del liquido nel serbatoio al variare della quantità del liquido prelevata

VARIABILE CONTROLLATA: livello del liquido nel serbatoioVARIABILE DI INTERVENTO: quantità di liquido immessaDISTURBI: quantità di liquido attinta dal serbatoio in maniera casuale



VARIABILE DI INTERVENTO

MODELLO DEL COMPORTAMENTO

DINAMICO DEL SERBATOIO

u(t) y(t)

d(t)

FINALITÀ : istante per istante prelevare dal serbatoio la quantità di liquido desiderata

VARIABILE CONTROLLATA: quantità di liquido prelevataVARIABILE DI INTERVENTO: posizione della valvola di intercettazioneDISTURBI: quantità di liquido immessa nel serbatoio in maniera casuale

VARIABILE CONTROLLATA

q(t)

DISTURBO

ENERGIA IMMESSA

ENERGIA ACCUMULATA

ENERGIA PRELEVATA

ENERGIA IMMESSA



CONDIZIONI OPERATIVE TIPICHE DI UN SISTEMA DINAMICO

ENERGIA IMMESSA

ENERGIA ACCUMULATA

ENERGIA PRELEVATA

ENERGIA IMMESSA

NESSUNA EVOLUZIONECONDIZIONE DI FUNZIONAMENTO: SISTEMA DINAMICO IN STATO DI QUIETE

ENERGIA IMMESSA

tempo

ENERGIA ACCUMULATA

tempo

ENERGIA PRELEVATA

tempo

CASO 1 – STATO DI QUIETE




ENERGIA IMMESSA

ENERGIA ACCUMULATA

ENERGIA PRELEVATA

ENERGIA IMMESSA

CASO 2 – REGIME PERMANENTE

NESSUNA EVOLUZIONECONDIZIONE DI FUNZIONAMENTO: SISTEMA DINAMICO FUNZIONANTE IN REGIME PERMANENTE O FUNZIONAMENTO A RÈGIME

ENERGIA IMMESSA

tempo

ENERGIA ACCUMULATA

tempo

ENERGIA PRELEVATA

tempo




ENERGIA IMMESSA

ENERGIA ACCUMULATA

ENERGIA PRELEVATACASO 3 – EVOLUZIONE LIBERA

EVOLUZIONE DINAMICA A SPESE DELL’ENERGIA ACCUMULATACONDIZIONE DI FUNZIONAMENTO: SISTEMA DINAMICO FUNZIONANTE IN EVOLUZIONE LIBERA

ENERGIA IMMESSA

tempo

ENERGIA PRELEVATA

tempo

ENERGIA ACCUMULATA

tempo

ATTIVAZIONE DELLA VARIABILE DI INTERVENTO




EVOLUZIONE DINAMICA A SPESE DELL’ENERGIA IMMESSA E DELL’ENERGIA ACCUMULATACONDIZIONE DI FUNZIONAMENTO: SISTEMA DINAMICO FUNZIONANTE IN EVOLUZIONE FORZATA E IN EVOLUZIONE LIBERA

ENERGIA IMMESSA

ATTIVAZIONE DELLA VARIABILE DI INTERVENTO

tempo

ENERGIA ACCUMULATA

tempo

ENERGIA PRELEVATA

tempo

CASO 4EVOLUZIONE FORZATA ed EVOLUZIONE LIBERA



Dimensionamento di un sistema rispetto alle specifiche e all’effetto di disturbi prevedibili.

tempo

varia

bile

con

trol

lata

campo di escursione della variabile controllata previsto dalle specifiche

variabile controllatavalore nominale

SISTEMA DA CONTROLLARESOVRADIMENSIONATO

effetto del disturbo prevedibile

tempo di assestamento

tempo

varia

bile

con

trol

lata

campo di escursione della variabile controllata previsto dalle specifiche

variabile controllatavalore nominale

SISTEMA DA CONTROLLAREDIMENSIONATO CORRETAMENTE

effetto del disturbo prevedibile

tempo di assestamento

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