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Stefano Panzieri Architetture di controllo distribuite - 1 Reti e Sistemi per l’Automazione Reti e Sistemi per L’Automazione prof. Stefano Panzieri Architetture per il Controllo Distribuito

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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

à

Inte

rdip

enden

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

◊ E-mail

◊ 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