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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

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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

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Ingegneria e Tecnologie dei

Sistemi di Controllo

Introduzione al corsoFINE

Ing. Andrea TilliDEIS – Alma Mater Studiorum Università di Bologna

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