Appunti e formulario di Controllo dei processi industriali

Controllo dei Processi Industriali

Compendio teorico per l'esame (domande a crocette e aperte)

Compendio organizzato secondo l'ordine cronologico delle slide del corso. Non contiene formule

complesse né dimostrazioni matematiche (per queste vedi il Formulario), ma tutti i concetti, le

denizioni, le classicazioni e gli approfondimenti necessari a rispondere sia alle domande a

crocette sia alle domande aperte. Gli argomenti che ricorrono più spesso nei quiz d'esame sono

trattati con maggiore livello di dettaglio.

Indice

1 Contesto storico e scientico dell'Automazione 2

1.1 Denizioni di base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Le Rivoluzioni Industriali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Beneci e limiti dell'Industria 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4 Cyber-Physical Systems (CPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.5 Tecnologie abilitanti dell'Industria 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.6 Smart Factory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.7 Suggerimenti per le domande aperte su questo capitolo . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Architettura dei Sistemi di Controllo Industriali 6

2.1 La Norma IEC 61512 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 Sistemi di Controllo Supervisionati (Supervised Control Systems) . . . . . . . . . . . 6

2.3 Basic Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.4 Procedural Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.5 Coordination Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.6 Architetture elettroniche di implementazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.6.1 Architettura Embedded . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.6.2 Architettura a Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.6.3 Architettura a PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.7 Tabella riassuntiva (utile per le domande di associazione) . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.8 Suggerimenti per le domande aperte su questo capitolo . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3 Controllori di Processo Lineari 10

3.1 Speciche del Basic Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1.1 Indici di prestazione dinamici (speciche sul transitorio) . . . . . . . . . . . . 10

3.1.2 Indici di prestazione statici (speciche a regime) . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.2 Schemi di controllo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.3 Controllori a Modello Interno (Internal Model Control IMC) . . . . . . . . . . . . . 12

3.3.1 Progettazione del controllore a modello interno . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.4 Il controllore PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.4.1 Congurazione del PID: parametri industriali . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.4.2 Forma ISA del PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.4.3 Implementazioni reali del PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.4.4 Fenomeno del Windup e Anti-Windup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.5 Taratura dei controllori PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.5.1 Metodo di Ziegler-Nichols (metodo 1 ad anello aperto) . . . . . . . . . . . . 16

1

Controllo dei Processi Industriali Teoria d'esame 2

3.5.2 Metodo di Ziegler-Nichols (metodo 2 ad anello chiuso / criterio del guadagno

critico) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.5.3 Metodo di Cohen-Coon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.5.4 Taratura tramite modello interno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.6 Suggerimenti per le domande aperte su questo capitolo . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4 Digitalizzazione dei Controllori di Processo Lineari 19

4.1 Dal dominio analogico al dominio digitale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

→

4.1.1 Operazioni della conversione Analogico Digitale (ADC) . . . . . . . . . . . 19

→

4.1.2 Operazioni della conversione Digitale Analogico (DAC) . . . . . . . . . . . 19

4.2 Quantizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.3 Teorema del Campionamento di Shannon e Aliasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.4 Discretizzazione dei controllori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.4.1 Tecnica per discretizzazione (approssimazione della derivata/integrale) . . . . 22

4.4.2 Tecnica per mappatura dei poli e degli zeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.5 Suggerimenti per le domande aperte su questo capitolo . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5 Controllori di Processo Non Lineari 23

5.1 Motivazioni per il controllo non lineare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5.2 Sliding Mode Control (SMC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5.2.1 Le due fasi del controllo a modi scorrevoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5.3 Robustezza e limiti del controllo a struttura variabile . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

5.4 Suggerimenti per le domande aperte su questo capitolo . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

6 Applicazioni 25

6.1 Cyber-Physical Systems applicati al controllo di processo . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Controllo dei Processi Industriali Teoria d'esame 3

1 Contesto storico e scientico dell'Automazione

1.1 Denizioni di base

Automazione (def. informale): insieme di strumenti e procedure con cui si fa svolgere a macchine

un lavoro che altrimenti sarebbe svolto dall'uomo.

Macchina (def. informale): strumento capace di svolgere lavoro quando alimentato da una fonte

di energia; è un apparato costituito da dispositivi, macchinari e strutture di supporto; svolge

operazioni sulla base di procedure incapsulate al suo interno che vincolano il comportamento dei

dispositivi ai bisogni dell'uomo.

L'automazione nasce dall'esigenza di sostituire, assistere o potenziare il lavoro umano attraverso

macchine capaci di svolgere operazioni ripetitive, pesanti, pericolose o che richiedono precisione

dicilmente raggiungibile manualmente. Il lo conduttore dell'intero corso è che, storicamente, ogni

salto tecnologico nell'automazione è stato reso possibile da una nuova fonte di energia o tecnologia

abilitante, e ha comportato ogni volta anche un cambiamento nell'organizzazione del lavoro e nella

→

struttura stessa della fabbrica. Questo doppio lo (tecnologia organizzazione) è un tema che

ricorre spesso anche nelle domande d'esame, sia a crocette sia aperte: per ogni rivoluzione industriale

conviene quindi saper collegare (a) il periodo storico, (b) la tecnologia abilitante e (c) la conseguenza

organizzativa/produttiva principale.

Prima dell'automazione industriale (Era Pre-Industriale), la meccanizzazione esisteva già in forma

rudimentale: mulini ad acqua e a vento erano capaci di svolgere lavoro meccanico sfruttando energia

naturale, ma erano vincolati alla disponibilità locale della fonte energetica (un corso d'acqua, una

zona ventosa) e non erano quindi replicabili/concentrabili a piacimento in uno stesso luogo. Questo

limite verrà superato solo con la Prima Rivoluzione Industriale.

1.2 Le Rivoluzioni Industriali

Il percorso storico dell'automazione si articola in un susseguirsi di "rivoluzioni industriali", ciascuna

caratterizzata da una tecnologia abilitante dominante e da un cambiamento organizzativo del lavoro.

Prima Rivoluzione Industriale

Periodo: ne del 18° secolo.

Tecnologia abilitante: la macchina a vapore, che rende disponibile una fonte di energia mecca-

nica trasportabile e non più vincolata alla localizzazione geograca di un corso d'acqua o del

vento.

Caratteristica chiave: per la prima volta fu possibile meccanizzare contemporaneamente

molteplici processi all'interno dello stesso spazio (fabbrica), concentrando macchinari e lavora-

tori in un unico luogo alimentato da un'unica fonte di energia centrale (l'albero di trasmissione

mosso dal motore a vapore).

Conseguenza organizzativa: nasce così la fabbrica come luogo sico di concentrazione della pro-

duzione, distinta dalla precedente produzione artigianale diusa e dai mulini isolati.

Seconda Rivoluzione Industriale

Periodo: ne del 19°, inizio del 20° secolo.

Tecnologia abilitante: l'energia elettrica (che permette di distribuire capillarmente la potenza

motrice a ogni singola macchina, superando il vincolo dell'albero di trasmissione centrale) e il

motore a combustione interna.

Caratteristica chiave: introduzione della catena di montaggio (celebre l'esempio della Ford Mo-

tor Company) e, in parallelo, dell'approccio scientico all'organizzazione del lavoro, noto come

Organizzazione Scientica del Lavoro o Taylorismo, che scompone il lavoro in compiti elemen-

tari, standardizzati e cronometrati, assegnando a ciascun operaio un solo compito ripetuto in

Controllo dei Processi Industriali Teoria d'esame 4

sequenza.

Conseguenza organizzativa: la produzione diventa di massa, standardizzata, con enorme incre-

mento di produttività ma anche forte parcellizzazione e spersonalizzazione del lavoro.

Terza Rivoluzione Industriale

Periodo: anni '60 del 20° secolo.

Tecnologia abilitante: elettronica, informatica e i primi controllori a logica programmabile e cal-

colatori, che permettono di automatizzare non solo il lavoro sico/meccanico ma anche funzioni

di controllo, calcolo e decisione precedentemente riservate all'uomo.

Caratteristica chiave: le tecnologie elettroniche digitali e dell'informatica diventano lo stan-

dard per l'implementazione dei sistemi di controllo, sostituendo progressivamente le tecnologie

meccaniche, pneumatiche ed elettromeccaniche precedentemente usate per regolare i processi

produttivi (es. regolatori pneumatici, relè elettromeccanici).

Conseguenza organizzativa: nasce l'automazione dei processi in senso moderno; l'uomo si sposta

progressivamente dal ruolo di operatore diretto a quello di supervisore dei sistemi automatici.

Industria 4.0 (Quarta Rivoluzione Industriale)

Periodo: secondo decennio del 21° secolo.

Origine: a dierenza delle rivoluzioni precedenti, che nascono spontaneamente dall'evoluzione

tecnologica, l'Industria 4.0 nasce anche da una spinta politico-economica: la perdita di compet-

itività delle economie occidentali (soprattutto europee) rispetto ai paesi a basso costo del lavoro

ha spinto verso piani di sovvenzione statale per l'ammodernamento tecnologico dell'industria

(es. il Piano Nazionale Industria 4.0 in Italia, il progetto "Industrie 4.0" in Germania, da cui

deriva anche il nome).

Tecnologia abilitante: integrazione digitale pervasiva (IoT, big data, cloud, intelligenza arti-

ciale) fra il mondo sico e quello digitale, concretizzata nel concetto di Cyber-Physical System

(vedi sotto).

Conseguenza organizzativa: si punta a una fabbrica interconnessa e "intelligente" (Smart Fac-

tory), capace di auto-ottimizzarsi, prevedere guasti, personalizzare la produzione su piccola scala

mantenendo l'ecienza della grande scala.

1.3 Beneci e limiti dell'Industria 4.0

I beneci tipicamente attesi e già in parte raggiunti dall'Industria 4.0 comprendono:

ˆ miglioramento della logistica (tracciabilità, ottimizzazione dei ussi grazie a IoT e big data);

ˆ riduzione dei costi di prototipazione (grazie a strumenti di simulazione e additive manufacturing);

ˆ diminuzione dello spazio adibito a magazzino e riduzione dei relativi costi di gestione (produzione

just-in-time supportata da informazioni in tempo reale);

ˆ virtualizzazione di molti processi tradizionali (simulazione, gemello digitale, che permettono di

testare/ottimizzare virtualmente prima di intervenire sicamente);

ˆ maggiore qualicazione del lavoro (l'operatore si sposta verso compiti di supervisione, analisi e

gestione delle eccezioni, meno verso il lavoro ripetitivo).

Attenzione domanda ricorrente: limiti oggettivi attuali

Questo è uno degli argomenti più frequentemente testati nei quiz: fra le proprietà elencate come

possibili "beneci dell'Industria 4.0", occorre sempre individuare quella che non è (ancora) un

benecio realmente raggiunto per limiti oggettivi attuali. Le slide indicano esplicitamente due

limiti:

ˆ gli alti costi di ammodernamento degli impianti esistenti rappresentano una barriera conc-

Controllo dei Processi Industriali Teoria d'esame 5

reta all'adozione: "bassi costi di ammodernamento" NON è quindi un benecio attualmente

raggiunto, ma un obiettivo futuro;

ˆ un pieno approccio collaborativo alla condivisione delle informazioni fra

aziende/reparti/liera non è ancora una realtà diusa, per limiti organizzativi, di ducia

reciproca e di sicurezza dei dati (cybersecurity). Anche questa proprietà, se proposta come

"benecio attuale già raggiunto", va quindi individuata come risposta errata/non corretta

nelle domande a crocette che chiedono "quale NON fa parte dei beneci attuali".

In sintesi: i beneci tecnico-operativi diretti (logistica, prototipazione, magazzino, virtualiz-

zazione, qualicazione del lavoro) sono considerati raggiunti; i beneci economico-organizzativi

di sistema (basso costo di ammodernamento, piena collaborazione informativa) sono invece an-

cora considerati limiti aperti.

Lo stesso ragionamento vale, più in generale, per i beneci delle tecnologie elettroniche digitali

adottate a partire dalla Terza Rivoluzione Industriale per l'implementazione dei sistemi di controllo

(vedi anche Cap. 2): beneci reali sono l'alta versatilità/essibilità per la programmabilità, l'ampio

e variegato mercato di riferimento, l'alto rapporto prestazioni/costi, l'aumento della modularità

(separazione tecnologica fra controllore e processo produttivo). Non sono invece beneci raggiunti:

l'azzeramento del tempo di elaborazione delle informazioni (le tecnologie digitali introducono co-

munque un ritardo di elaborazione, per quanto minimo) e la possibilità di elaborare l'informazione

nello stesso dominio sico del processo senza trasformazioni (le tecnologie digitali richiedono neces-

sariamente conversione analogico/digitale, con relativa perdita di informazione).

1.4 Cyber-Physical Systems (CPS)

Cyber-Physical Systems: dispositivi coinvolti nei processi produttivi, capaci di ricevere, trasmet-

tere ed elaborare informazioni, che possono adattare il loro comportamento grazie a decisioni

autonome nate dall'interazione con altri sistemi.

I CPS rappresentano il concetto cardine dell'Industria 4.0: uniscono un componente sico (sensori,

attuatori, macchinari) a un componente cyber (elaborazione dati, comunicazione, decisione), cre-

ando un ciclo continuo di percezione-elaborazione-azione distribuito e interconnesso. A dierenza

di un semplice sistema di controllo automatico tradizionale (che segue una legge di controllo ssa,

decisa a priori dal progettista), un CPS è capace di adattare il proprio comportamento sulla base

dell'interazione con altri sistemi della rete: è quindi un concetto più ampio, che include tipicamente

capacità di comunicazione (rete), elaborazione distribuita e, spesso, apprendimento o ottimizzazione

(AI). Nelle domande a crocette, il tratto distintivo da riconoscere nella denizione di CPS rispetto ad

altri termini simili (Smart Factory, IIoT, Digital Twin) è proprio la capacità di decisione autonoma

nata dall'interazione con altri sistemi.

1.5 Tecnologie abilitanti dell'Industria 4.0

Le tecnologie abilitanti si suddividono, secondo la classicazione usata nelle slide, in tre ambiti

applicativi principali. Questa classicazione è oggetto ricorrente di domande a crocette ("a quale

ambito applicativo appartiene la tecnologia X?"):

ˆ Strumenti per la connettività: Industrial Internet of Things (IIoT) dispositivi connessi in rete

capaci di scambiarsi dati sul campo; Cybersecurity protezione dei dati e delle infrastrutture

connesse; piattaforme per l'integrazione verticale (fra i diversi livelli gerarchici dell'azienda, dal

campo alla direzione) e orizzontale (fra i diversi reparti/fasi della catena del valore).

ˆ Strumenti per l'elaborazione dei dati: Big Data Analytics analisi di grandi moli di dati per

estrarre informazioni utili; Cloud Computing capacità di calcolo e archiviazione distribuite e

scalabili; Intelligenza Articiale algoritmi di apprendimento e decisione automatica.

Controllo dei Processi Industriali Teoria d'esame 6

ˆ Strumenti per la produzione: Additive Manufacturing (stampa 3D) produzione per addizione di

materiale, utile soprattutto per prototipazione rapida; Robot autonomi capaci di operare senza

supervisione costante; Realtà aumentata sovrapposizione di informazioni digitali al mondo

sico, utile per manutenzione e formazione; Simulazioni modellazione virtuale di processi e

impianti prima della loro realizzazione sica.

Digital Twin (Gemello Digitale)

Modello numerico di un processo sico con il quale si mantiene sincronizzato grazie ad appositi

meccanismi basati sul campionamento e sull'elaborazione dei dati reali. Il gemello digitale con-

sente di simulare, prevedere e ottimizzare il comportamento del processo sico corrispondente

senza intervenire direttamente su di esso: ad esempio è possibile testare virtualmente l'eetto

di una modica ai parametri di un controllore, o prevedere l'usura/il guasto di un componente,

prima di agire sull'impianto reale. Il Digital Twin si distingue dal semplice "modello matem-

atico oine" per il fatto di essere costantemente sincronizzato con il processo reale tramite dati

campionati in tempo reale (o quasi reale), e non un modello statico calcolato una tantum.

1.6 Smart Factory

La Smart Factory è l'evolu