Università degli Studi di Bergamo, Automazione Industriale, A.A. 2016/2017, A. L. Cologni 1
Corso di Automazione industriale
Lezione 1
Introduzione
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Cosa facciamo
Corso integrato di automazione industriale e
elettronica industriale (12 crediti - 21052)
Modulo di
AUTOMAZIONE INDUSTRIALE (6 crediti)
+
Corso di automazione industriale (6 crediti - 21029)
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Chi sono
Alberto Luigi Cologni
Collaboratore UniBG (gruppo automatica)
Tel. 035 2052004
http://move.unibg.it/cologni
Parte teorica + esercizi
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Chi mi aiuterà
Yamuna Maccarana
Dottoranda UniBG (gruppo automatica)
Tel. 035 2052004
Attività pratiche in laboratorio
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Orari del corso
Mercoledì
Aula 20 Ed. B
10:30 – 12:30 Solo in caso di necessità
Venerdì
Aula 17 Ed. B (o Aula 6 Ed. A per la parte pratica)
14:00 – 17:00 14:00 – 16:15; 16:30 – 18:00
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Esame
Esame scritto: Punti 0 ÷ 30
Attività di laboratorio: Punti 0 ÷ 3
if (Esame >=18) {
Esame passato
Voto totale = Scritto + Laboratorio
if (Voto totale >=32) {
Voto finale = 30 e lode
}
else {
Voto finale = min(Voto totale, 30)
}
}
else {
Esame non passato
}
N.B.1: non vorrei che molti si iscrivessero senza venire all’appello, mi riservo quindi la facoltà di non accettare iscrizioni di persone che erano iscritte ma non si sono presentate all’appello precedente
N.B.2: gli studenti del C.I., per registrare devono iscriversi all’appello «integrato», il voto finale sarà la media dei due moduli
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Tesi
Abbiamo a disposizione diverse tesi (triennali e specialistiche)
La disponibilità cambia in base alle attività attualmente in corso in laboratorio.
Per maggiori informazioni fate riferimento a:
Prof. Fabio Previdi [email protected]
Chiedete l’amicizia a CAL UniBG Profilo Facebook del gruppo!
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Argomenti
• Introduzione all’automazione industriale
• PLC
Introduzione
Linguaggi della IEC 61131
Ladder
SFC
ST
• Macchine utensili e controllo numerico Introduzione
Programmazione CNC
• Modellistica per l’automazione
Introduzione
Reti di Petri
Introduzione
Proprietà
Esempi / esercizi
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Introduzione all’automazione industriale
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Cos’è l’automazione
(Garzanti)
L’introduzione di processi produttivi meccanici, specialmente guidati da sistemi elettronici, in cui l’intervento manuale dell’uomo è ridotto al minimo
(Treccani)
Impiego di un insieme di mezzi e procedimenti tecnici che, agendo opportunamente su particolari congegni o dispositivi, assicurano lo svolgimento automatico di un determinato processo, il funzionamento automatico di un impianto industriale, di un servizio pubblico, ecc.; …
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Perché
Automatizzare consente di:
•Ridurre i tempi / costi
•Aumentare i volumi di produzione
•Aumentare la qualità del prodotto (o comunque standardizzarla)
•Aumentare la flessibilità degli impianti
•Produrre JIT
•Migliorare la qualità del lavoro (a discapito del numero di operatori)
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Un video dice più di mille parole…
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Un video dice più di mille parole…
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Un video dice più di mille parole…
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Un video dice più di mille parole…
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Un video dice più di mille parole…
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Schema concettuale
Software
Macchina
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Evoluzione
Prima generazione di controllori (1950)
• Costruiti di fatto in logica cablata (relè, bobine, temporizzatori, ecc…)
• Lenti nell’elaborazione
•Non flessibili
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Evoluzione
Seconda generazione di controllori (1960)
• Passaggio ai semiconduttori
•Aumento di prestazioni
•Aumento di costi
• Flessibilità ancora ridotta (non programmabilità)
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Evoluzione
Terza generazione di controllori (1960)
• Sistemi a microprocessore
• Programmabilità
•Nascita del PLC (Allen Bradley - 1968)
• Standard industriale dalla metà degli anni ‘70
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Evoluzione
PLC per ogni cosa
• Controllo centralizzato (fino agli anni ‘80)
PLC
Impianto
Output PLC
Input PLC
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Evoluzione
Prime soluzioni scalabili
• Reti proprietarie Real-Time: bus di campo (fino agli anni ‘90)
PLC
Impianto
Output PLC
Input PLC
AttuatoriSensori
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Evoluzione
Integrazione con il livello superiore (supervisione, …)
• Reti Real-Time su Ethernet (dal 2000)
PLC
Impianto AttuatoriSensori
Protocollo ethernet RT
…
Fabbrica
Ethernet
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Esempio di architettura attuale (B&R)
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Esempio di architettura attuale (Siemens)
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Impianto 1
Interazione Automazione - Gestione
Ethernet
PLC 1
Impianto 2
PLC 2
ERP MES SCADA
Enterprise Resource Planning
Manufacturing Execution System
Supervisory Control And Data Acquisition
Controllo macchina
Automazione di fabbrica
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Enterprise Resource Planning (Pianificazione delle risorse di impresa)
E’ il sistema informativo aziendale, comprende:
•Contabilità
•Controllo di gestione
•Gestione
Personale
Acquisti
Magazzini
Produzione
Distribuzione / Vendite
Interazione Automazione - Gestione
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Manufacturing Execution System (Pianificazione delle risorse di impresa)
E’ un software che consente di:
•Monitorare
Produzione
Avanzamento ordini
Tempi di produzione
Versamenti magazzino
Interazione Automazione - Gestione
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SCADA (Controllo di supervisione e acquisizione dati)
E’ il sistema di controllo e monitoraggio della linea (solitamente anche Human Machine Interface). E’ costituito da:
•Monitoraggio
•Comandi linea
•Acquisizione dati
•Analisi dati
•Gestione allarmi
Interazione Automazione - Gestione
Per maggiori info http://www.ing.unisi.it/biblio/ebook/sistemi_scada.pdf
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Schema concettuale
Interazione Automazione - Impianto
Controllo logico
Pianificazione del moto
Controllo modulante
Impianto
PLC – Programmable Logic Controller
CNC – Computer Numerical Control
Inverter / Attuatori / …
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Osservazioni
•Un PLC può essere usato per più di una macchina oppure più PLC possono essere usati per una macchina
• Le funzionalità CNC possono essere integrate nel PLC o in inverter multi-asse
• In molti casi il CNC non viene utilizzato (se i movimenti non devono essere cambiati in base alla lavorazione)
• Può accadere (cosa comune in piccoli impianti) che nel PLC venga effettuato anche il controllo modulante
Interazione Automazione - Impianto
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Tipologie di controllo
Controllo logico
•Ad eventi
•Azioni di controllo discrete
•Modellistica dinamica discreta (automi a stati finiti, reti di Petri)
Controllo modulante
• Continuo
•Azioni di controllo continue
•Modellistica dinamica continua (equazioni differenziali, alle differenze)
Corso di Automazione IndustrialeCorsi di Fondamenti di Automatica e Controllo Digitale
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Esempio di sistema
Ingressi𝑤𝑖𝑛 𝑡
𝑤𝑜𝑢𝑡 𝑡 (non regolabile)
Usciteℎ 𝑡
Modello
𝐴 ∙𝑑ℎ 𝑡
𝑑𝑡= 𝑤𝑖𝑛 𝑡 − 𝑤𝑜𝑢𝑡 𝑡
ℎ 𝑡
𝐴
𝑤𝑖𝑛 𝑡
𝑤𝑜𝑢𝑡 𝑡
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Esempio di sistema
Definita ℎ0 𝑡 l’altezza desiderata
Controllo modulante
Ipotizzando 𝑤𝑖𝑛 𝑡 espressa in % è possibile scrivere l’equazione
𝑤𝑖𝑛 𝑡 = 𝑓 ℎ 𝑡 , ℎ0 𝑡
In questo caso 𝐺 𝑠 =1
𝐴∙𝑠, quindi (per chi ha fatto
Fondamenti) 𝑅 𝑠 = 𝐾𝑝 consente di avere errore limitato a
transitorio esaurito
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Esempio di sistema
Controllo logico
Ipotizzando 𝑤𝑖𝑛 𝑡 espressa come due stati ON e OFF
Possiamo indicare due valori di ℎ che rappresentano il limite inferiore e superiore di livello: ℎ𝑚𝑖𝑛 e ℎ𝑚𝑎𝑥 la cui media è ℎ0Un semplice controllo potrebbe essere:
if (h(t)>=h_max) {
w_in(t) = OFF;
}
if (h(t)<=h_min) {
w_in(t) = ON;
}
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Esempio di sistema
Risultati controllo modulante
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
5
10
wout(t
) [m
3/s
]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
20
40
win
(t)
[m3/s
]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
0.5
1
1.5
2
h(t
) [m
]
Tempo [s]
Rif.
Mis.
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Esempio di sistema
Risultati controllo logico
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
5
10
wout(t
) [m
3/s
]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
20
40
win
(t)
[m3/s
]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
1
2
h(t
) [m
]
Tempo [s]
Rif.
Mis.
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Esempio di sistema
Controllo logico
Questo controllo può essere anche rappresentato con un automa a stati finiti:
1𝑤𝑖𝑛 𝑡 = ON
2𝑤𝑖𝑛 𝑡 = OFF
ℎ ≥ ℎ𝑚𝑎𝑥
ℎ ≤ ℎ𝑚𝑖𝑛
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Automi a stati finiti
Un automa a stati finiti (con ingresso e uscita) è una sestupla (𝑈, 𝑋, 𝑌, 𝑓 ∙,∙ , ℎ ∙,∙ , 𝑥0), dove:
•𝑈 = 𝑢1, 𝑢2, 𝑢3, … è l’insieme degli eventi in ingresso
•𝑋 = 𝑥1, 𝑥2, 𝑥3, … è l’insieme finito degli stati
•𝑌 è l’insieme finito delle uscite
•𝑓 ∙,∙ : 𝑋 × 𝑈 → 𝑋 è la funzione di transizione
•ℎ ∙,∙ : 𝑋 × 𝑈 → 𝑌 è la funzione di aggiornamento dell’uscita
•𝑥0 è lo stato iniziale
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Automi a stati finiti
Considerando l’esempio precedente:
•𝑈 = ℎ ≥ ℎ𝑚𝑎𝑥 , ℎ ≤ ℎ𝑚𝑖𝑛
•𝑋 = 1,2
•𝑌 = 𝑂𝑁,𝑂𝐹𝐹
•𝑥0 = 1
1𝑤𝑖𝑛 𝑡 = ON
2𝑤𝑖𝑛 𝑡 = OFF
ℎ ≥ ℎ𝑚𝑎𝑥
ℎ ≤ ℎ𝑚𝑖𝑛
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Automi a stati finiti
Considerando l’esempio precedente:
•𝑓 ∙,∙ : 𝑋 × 𝑈 → 𝑋
1𝑤𝑖𝑛 𝑡 = ON
2𝑤𝑖𝑛 𝑡 = OFF
ℎ ≥ ℎ𝑚𝑎𝑥
ℎ ≤ ℎ𝑚𝑖𝑛
ℎ ≥ ℎ𝑚𝑎𝑥 ℎ ≤ ℎ𝑚𝑖𝑛
1 2 -
2 - 1
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Automi a stati finiti
Considerando l’esempio precedente:
•ℎ ∙,∙ : 𝑋 × 𝑈 → 𝑌
1𝑤𝑖𝑛 𝑡 = ON
2𝑤𝑖𝑛 𝑡 = OFF
ℎ ≥ ℎ𝑚𝑎𝑥
ℎ ≤ ℎ𝑚𝑖𝑛
ℎ ≥ ℎ𝑚𝑎𝑥 ℎ ≤ ℎ𝑚𝑖𝑛
1 OFF ON
2 OFF ON
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Automi a stati finiti
Osservazioni
•E’ possibile aggiornare l’uscita anche durante la transizione
•Non tutti gli ingressi fanno evolvere lo stato
• La descrizione tabulare e quella a «grafo» si equivalgono
•Esistono dei tool che consentono di implementare in maniera semplice automi a stati finiti
Simulink Stateflow
Scilab Hybrid Automata Module
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Le attività sono:
•Carico M1 con R1
• Lavorazione
• Scarico M1 con R3
Esempio di automa a stati finiti
R1 M1 R3
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•𝑈 = 𝑆𝑡𝑎𝑟𝑡, 𝑅1𝑓𝑖𝑛𝑖𝑠ℎ , 𝑀1𝑓𝑖𝑛𝑖𝑠ℎ, 𝑅3𝑓𝑖𝑛𝑖𝑠ℎ
•𝑌 = 𝑅1𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 , 𝑀1𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 , 𝑅3𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡
La linea si avvia quando 𝑆𝑡𝑎𝑟𝑡 = 1 e termina il funzionamento quando 𝑅3𝑓𝑖𝑛𝑖𝑠ℎ = 1
Esempio di automa a stati finiti
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Esempio di automa a stati finiti
1Attesa
𝑆𝑡𝑎𝑟𝑡 == 1𝑅1𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 1
2Caricamento
M1
3Lavorazione
𝑅1𝑓𝑖𝑛𝑖𝑠ℎ == 1𝑀1𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 1;𝑅1𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 0
4Scaricamento
M1
𝑀1𝑓𝑖𝑛𝑖𝑠ℎ == 1𝑅3𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 1;𝑀1𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 0
𝑅3𝑓𝑖𝑛𝑖𝑠ℎ == 1
𝑅3𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 0
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Rappresentazione alternativa
Esempio di automa a stati finiti
𝑆𝑡𝑎𝑟𝑡 == 1 𝑅1𝑓𝑖𝑛𝑖𝑠ℎ == 1 𝑀1𝑓𝑖𝑛𝑖𝑠ℎ == 1 𝑅3𝑓𝑖𝑛𝑖𝑠ℎ == 1 𝑌
1 2 - - - 𝑅1𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 1
2 - 3 - -𝑀1𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 1;𝑅1𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 0
3 - - 4 -𝑅3𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 1;𝑀1𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 0
4 - - - 1 𝑅3𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 0
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Osservazioni
• In questo caso ℎ ∙,∙ : 𝑋 × 𝑈 → 𝑌 non è presente perché non vengono variate le uscite a fronte della presenza in uno stato (l’uscita viene solo variata durante la transizione)
• Abbiamo esteso 𝑓 ∙,∙ : 𝑋 × 𝑈 → 𝑋 come 𝑓 ∙,∙ : 𝑋 × 𝑈 →𝑋, 𝑌 per comprendere la variazione delle uscite in fase di transizione
N.B.: Questa trattazione non è da considerarsi rigorosa dal punto di vista matematico. Nel nostro caso è semplicemente un metodo per descrivere il funzionamento di un sistema
Esempio di automa a stati finiti