Lezioni, Automazione dei processi industriali M

Automazione dei processi industriali M

6 CFU

Andrea Paoli

Prof. Appunti di

Simone Benassi

INDICE

1.Introduzione all’automazione industriale .................................................................... 1

Storia ......................................................................................................................... 2

2.CIM – Computer Integrated Manufacturing .............................................................. 3

Livelli del modello CIM ........................................................................................... 13

Gerarchia dei sistemi di controllo ............................................................................. 14

Tipologie di controllori ............................................................................................. 15

3.Sistemi di controllo del moto ......................................................................................... 18

Motore DC ................................................................................................................ 21

Modello matematico del motore elettrico ....................................................... 22

4.Sistemi di controllo in tempo reale ............................................................................... 30

Scheduling ................................................................................................................. 31

Algoritmo FIFO (First In First Out) .......................................................................... 35

Algoritmo RMPO (Rate Monotonic Priority Ordering) ........................................... 35

Algoritmo EDF (Earliest Deadline First) .................................................................. 38

Servizio in background ............................................................................................. 40

5.Reti di calcolatori per l’automazione industriale ........................................................ 47

Topologia .................................................................................................................. 48

Protocolli per l’accesso al mezzo trasmissivo ........................................................... 50

Protocollo di rete ....................................................................................................... 53

6.Il controllore a logica programmabile ......................................................................... 56

Linguaggi di programmazione per PLC .................................................................... 60

Ladder Diagram ........................................................................................................ 60

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Appunti dell’A.A. 2011/2012

Automazione dei processi industriali M – Indice moduli – Simone Benassi

  i  

7.SFC – Sequential Functional Chart ............................................................................. 64

Elementi di base e regole di evoluzione .................................................................... 64

Sintassi standard nel linguaggio SFC ........................................................................ 68

Qualificatori delle azioni ................................................................................. 69

Macrostati ........................................................................................................ 69

Strutture di collegamento .......................................................................................... 70

Struttura di collegamento di scelta o divergenza ............................................ 70

Struttura di collegamento di convergenza ....................................................... 71

Struttura di collegamento di parallelismo ....................................................... 72

Struttura di collegamento di sincronizzazione ................................................ 74

Mutua esclusione e sincronizzazione di sequenze .................................................... 77

Struttura semaforica a mutua esclusione ......................................................... 77

Struttura semaforica di sincronizzazione ........................................................ 83

Strutturazione del software – Gerarchia tra SFC ...................................................... 86

Esercizi vari ............................................................................................................... 91

8.Reti di Petri ..................................................................................................................... 107

Evoluzione dinamica di una rete di Petri .................................................................. 112

Analisi di reti di Petri ................................................................................................ 119

Marcatura raggiungibile e insieme di raggiungibilità R(N) ............................ 119

Marcatura base ................................................................................................ 120

Vivezza di una rete .......................................................................................... 121

Limitatezza di un posto ................................................................................... 123

Analisi grafica delle reti di Petri ............................................................................... 125

Analisi matriciale delle reti di Petri .......................................................................... 132

Modellistica delle reti di Petri ................................................................................... 150

A c r o n i m i .................................................................................................................................................... 162

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Appunti dell’A.A. 2011/2012

Automazione dei processi industriali M – Indice moduli – Simone Benassi

  ii  

1.INTRODUZIONE ALL’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE

Nell’area del bolognese l’automazione è associata al concetto di macchina automatica.

Nel corso verrà trattata:

la sincronizzazione dei movimenti;

la gestione delle sequenze.

flessibilità.

Quando si parla di produzione la parola d’ordine è

Un tempo per effettuare un cambio di formato era necessario modificare e cambiare gli organi

meccanici della macchina.

Aggiungendo più motori, che comandano il movimento di parti differenti della macchina, risulta

necessario introdurre un software che sincronizzi i movimenti, garantendo quindi flessibilità.

Utilizzando macchine automatiche si riesce a garantire un basso livello di flessibilità e si può

automazione rigida.

parlare allora di

automazione media

Con si intende la programmazione di diverse operazioni effettuate dalla stessa

macchina. robotica: robot antropomorfi

Si introduce quindi la che eseguono una varietà di operazioni tutte

differenti fra di loro.

L’automazione comprende mezzi di produzione, ma anche mezzi di movimentazione

(AGV – Automated Guided Vehicle) e sistemi di immaganizzamento automatizzati in appositi

magazzini.

Per risolvere un problema complesso è bene suddividerlo in sottoproblemi più semplici da

affrontare uno per volta.

Hand effector è la parte terminale di un robot.

à Ogni parte del robot è controllata da un motore che ne controlla il movimento

nello spazio.

I gradi di libertà nello spazio sono 6 quindi servono 6 motori per controllarli

à

tutti.

Specificamente 3 motori sono utilizzati per l’orientamento dell’hand effector.

controllore

Per controllare il movimento di un robot si inserisce un nel sistema.

Ogni motore, quindi ogni asse di movimento, è controllato da uno specifico controllore che verifica

in maniera continua gli spostamenti da esso eseguiti. reti di comunicazione.

Le informazioni all’interno dei calcolatori vengono scambiate mediante

Per ogni livello di automazione è possibile utilizzare calcolatori diversi, di diversa potenza.

La comunicazione ricopre un ruolo importantissimo, specialmente in termini di sicurezza (se un

operatore umano entra nel recinto di una macchina CNC, questa deve spegnersi automaticamente).

Sulla base delle informazioni che arrivano dai sensori si dovrà poi decidere la sequenza delle

progetto logico.

operazioni da eseguire à

Automazione dei processi industriali M – modulo 1 Introduzione all’automazione industriale – Simone Benassi

  1  

Le competenze richieste dal corso sono di:

Informatica;

Elettronica;

Automatica;

Meccanica.

Storia

Ogni processo produttivo è caratterizzato da:

Energia;

Controllo;

Informazioni.

Con il passare degli anni risulta sempre più importante automatizzare il processo produttivo, con lo

scopo di dispensare l’essere umano da fornire questi tre fattori:

Energia muscoli;

à

Controllo cervello;

à

Informazioni sensi.

à

L’energia umana è faticosa da dispensare, pericolosa in alcuni casi e spesso insufficiente in altri.

Il controllo e il reperimento dell’informazione non sono raggiungibili in maniera adeguata dalle

possibilità umane, non garantendo quindi la precisione desiderata dalla lavorazione.

Compito molto più arduo è dispensare l’uomo dal controllo.

controllore di Watt

Il primo controllore della storia è il (1787) che regolava la velocità di un

motore a vapore.

La prima volta che si parlò di automazione fu nell’anno 1968 grazie a Maxwell.

Con la necessità di dispensare l’essere umano dalla manipolazione delle informazioni e dal

prima generazione di controllori

controllo, nasce la nell’anno 1950.

Con la necessità di garantire sempre maggiore flessibilità i controllori della prima generazione si

controllori elettronici.

trasformano in software: nascono così i

controllori logici,

In parallelo si sviluppano i in grado di elaborare i segnali True e False (1 e 0).

Un controllo logico combinatorio non dipende dal tempo trascorso, mentre per automatizzare un un

processo produttivo è necessaria una logica sequenziale.

Per programmare funzioni sequenziali è possibile utilizzare dei timer.

seconda generazione di controllori

La nasce nel 1968 con l’evoluzione dell’elettronica e

dell’informatica. PLC

Il passo successivo alla seconda generazione di controllori è l’implementazione dei

(Programmable Logic Controller – Sistemi di controllo programmabili), in grado di fornire

un’ottima flessibilità.

Il primo PLC in assoluto, ribattezzato il cuore dell’automazione, risale al 1970.

Automazione dei processi industriali M – modulo 1 Introduzione all’automazione industriale – Simone Benassi

  2  

2.CIM – COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING

Definizione: l’automazione industriale è dunque l’insieme di metodologie (teoria del controllo

automatico) e tecnologie (meccaniche, elettriche, informatiche) che permettono l’automatizzazione

di processi produttivi al fine di far compiere lavori a macchine.

Attraverso l’automazione si riescono ad ottenere:

Minori costi;

Maggiore efficienza e affidabilità;

Continuità temporale.

Lo scopo dell’automazione industriale è sollevare l’uomo da operazioni che richiedono precisione,

velocità e potenze non raggiungibili da esso.

Si cerca quindi di integrare la produzione automatizzata con i sistemi informativi gestionali.

In questo modo l’essere umano dispone di strumenti di supporto informatici che gli permettono di

migliorare il lavoro di progettazione, gestione produzione e organizzazione.

sistemi informatico gestionali sistemi automatizzati

Il CIM quindi prevede l’integrazione fra e

della produzione.

Manufacturing insieme di processi produttivi da applicare ai materiali grezzi/semi-lavorati per

à ottenere un prodotto finale.

Risulta essere la caratteristica dell’industria manifatturiera con prodotto di tipo

discreto.

La trasformazione richiede l’uso di:

Energia (meccanica, chimica, termica, …);

Macchine;

Utensili;

Intervento umano.

i

rat

-lavo

i

m

e

S

Processo produttivo

Materie prime Scart

Manufacturing i

Energia Utensili

Macchine Intervento umano

Automazione dei processi industriali M – modulo 2 CIM – Simone Benassi

  3  

Il manufacturing è un processo produttivo di tipo sequenziale, scomponibile in un insieme di passi

produttivi sequenziali che avvicinano man mano le materie prime al loro stato finale desiderato.

sistema produttivo celle,

Un nel suo complesso può essere scomposto in ognuna delle quali svolge

particolari operazioni e attività: una cella svolge uno degli N sottoprocessi produttivi componenti il

processo produttivo totale. maniera gerarchica,

È possibile vedere il sistema produttivo in decomponendolo in varie sezioni,

di dimensione fisica sempre maggiore.

Stabilimento Cella Macchina Sensori e Attuatori

à à à livello dei dispositivi di campo

I sensori e gli attuatori fanno parte del cosiddetto (field).

È il livello più basso dell’intero sistema: racchiude i dispositivi e i componenti fisici che

costituiscono la macchina.

I dispositivi di campo sono l’interfaccia di I/O vera e propria per il sistema produttivo.

Per sapere se il sistema produttivo fa quello che noi realmente gli chiediamo l’unico modo è

recepire le informazioni provenienti dai dispositivi di campo e reagire di conseguenza.

Tutto il resto, cioè macchine, celle, ecc, sono astrazioni che ci permettono di scomporre il sistema

produttivo in sottosistemi, molto più “semplici” da trattare.

processo produttivo

Un è composto da una sequenza di operazioni elementari:

Operazioni di lavorazione;

Operazioni di assemblaggio;

Operazioni di trasporto e stoccaggio;

Operazioni di test (controllo di qualità effettuato direttamente in linea e non a campione

sul prodotto finito);

Operazioni di coordinamento e controllo.

produzione

La può essere:

Continua tipica della produzione di energia;

à

Discreta tipica dell’industria manifatturiera;

à

O trattata, gas);

Input continuo a lotti tipica della produzione chimica (H

à

2

Input discreto a lotti tipica della produzione di packaging.

à

di processo,

L’aggettivo “continua” è legato all’industria mentre l’aggettivo “discreta” è legato

manifatturiera.

all’industria

Automazione dei processi industriali M – modulo 2 CIM – Simone Benassi

  4  

varietà di prodotto quantità

In relazione alla e alla dello stesso da produrre è possibile distinguere

tre tipologie di automazione:

Automazione programmabile

1. caratterizzata da alta varietà e bassa quantità.

à La macchina è estremamente flessibile, in funzione del

programma che viene dato in ingresso (utilizzando

Software come CAD, CAE, CAM, …).

la macchina è quindi in grado di effettuare un grande

numero di operazioni diverse.

Automazione flessibile

2. caratterizzata da media varietà e media quantità.

à È possibile passare a diverse lavorazioni effettuando una piccola

modifica alle macchine che la effettuano.

Il cambio formato deve essere effettuato nel minor tempo

possibile in maniera tale da tenere la macchina ferma tempi

ridotti.

Si parla quindi di sistemi FMS (Flexible Manufacturing

System).

Automazione rigida

3. caratterizzata da bassa varietà e alta quantità.

à Non c’è bisogno di sincronizzazione e di flessibilità.

Varietà di prodotto

Automazione

programmabile Automazione

flessibile Automazione

rigida Quantità di

prodotto annua

1 100 10000 1000000 …

Come si può notare dalle diverse definizioni di automazione e dal grafico, l’automazione varia in

funzione della varietà e della quantità del prodotto da realizzare.

Una maggiore varietà significa anche una minore velocità di produzione.

Affiancato al sistema produttivo è presente il sistema di supporto informatico gestionale che

gestisce l’informazione.

Sistema di supporto Sistema produttivo

Automazione dei processi industriali M – modulo 2 CIM – Simone Benassi

  5  

attività di supporto

Le possono essere suddivise in:

Attività di business punto di inizio e fine del processo produttivo (interfaccia col

à

cliente);

Attività di progettazione fase più o meno complessa;

à

Attività di planning supporto alla pianificazione, produzione, stoccaggio e rifornimento.

à

Attività di controllo sono attività di gestione e supervisione.

à

  Prog

Cliente     ess    

  e

  ttazio

Busin

  ne  

  Materie  prime  

  Impianto  di  produzione   Prodotto  finale  

  Plann

  i

ng  

  llo

o

  r

nt

  Co

Le attività di supporto devono influenzare positivamente il processo produttivo: è sempre presente

un continuo controllo fra ciò che si dovrebbe fare e ciò che viene fatto.

Il processo semplicemente è: acquisisco informazioni, prendo decisioni strategiche e le applico.

livello aziendale.

Il livello più alto, all’opposto del livello dei dispositivi di campo è il

L&rs