Lezioni, Automazione dei processi industriali M

Automazione dei processi industriali M6 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

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
• Acronimi .................................................................................................................................................... 162

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 parlare allora di automazione rigida.

Con automazione media si intende la programmazione di diverse operazioni effettuate dalla stessa macchina.

Si introduce quindi la robotica: robot antropomorfi 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 immagazzinamento 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.

• 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 tutti.

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

Per controllare il movimento di un robot si inserisce un controllore 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.

Le informazioni all’interno dei calcolatori vengono scambiate mediante reti di comunicazione.

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 operazioni da eseguire ⇒ progetto logico.

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;
• Controllo ⇒ cervello;
• Informazioni ⇒ sensi.

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.

Il primo controllore della storia è il controllore di Watt (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 controllo, nasce la prima generazione di controllori nell’anno 1950.

Con la necessità di garantire sempre maggiore flessibilità i controllori della prima generazione si trasformano in software: nascono così i controllori elettronici.

In parallelo si sviluppano i controllori logici, 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 processo produttivo è necessaria una logica sequenziale.

Per programmare funzioni sequenziali è possibile utilizzare dei timer.

La seconda generazione di controllori nasce nel 1968 con l’evoluzione dell’elettronica e dell’informatica.

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

Il CIM quindi prevede l’integrazione fra sistemi informatico gestionali e sistemi automatizzati della produzione.

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

Processo produttivo

Materie prime – Scarti – Manufacturing – 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.

Un sistema produttivo nel suo complesso può essere scomposto in celle, ognuna delle quali svolge particolari operazioni e attività: una cella svolge uno degli N sottoprocessi produttivi componenti il processo produttivo totale.

È possibile vedere il sistema produttivo in maniera gerarchica, decomponendolo in varie sezioni, di dimensione fisica sempre maggiore.

Stabilimento ⇒ Cella ⇒ Macchina ⇒ Sensori e Attuatori

I sensori e gli attuatori fanno parte del cosiddetto livello dei dispositivi di campo (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.

Un processo produttivo 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.

La produzione può essere:

• Continua ⇒ tipica della produzione di energia;
• Discreta ⇒ tipica dell’industria manifatturiera;
• Input continuo a lotti ⇒ tipica della produzione chimica (H₂O trattata, gas);
• Input discreto a lotti ⇒ tipica della produzione di packaging.

L’aggettivo “continua” è legato all’industria di processo, mentre l’aggettivo “discreta” è legato all’industria manifatturiera.

Automazione dei processi industriali M – modulo 2 CIM – Simone Benassi   4  

In relazione alla varietà di prodotto e alla quantità dello stesso da produrre è possibile distinguere tre tipologie di automazione:

1. Automazione programmabile ⇒ caratterizzata da alta varietà e bassa quantità.

   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 gran numero di operazioni diverse.

2. Automazione flessibile ⇒ caratterizzata da media varietà e media quantità.

   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).

3. Automazione rigida ⇒ caratterizzata da bassa varietà e alta quantità.

   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  

Le attività di supporto possono essere suddivise in:

• Attività di business ⇒ punto di inizio e fine del processo produttivo (interfaccia col cliente);
• Attività di progettazione ⇒ fase più o meno complessa;
• Attività di planning ⇒ supporto alla pianificazione, produzione, stoccaggio e rifornimento.
• Attività di controllo ⇒ sono attività di gestione e supervisione.

Cliente – Business – Progettazione – Materie prime – Impianto di produzione – Prodotto finale – Planning – Controllo

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.

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

L&rs