Interfacce operatore per processi di automazione locali e distribuiti

Dipartimento di ingegneria e architettura

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

Interfacce operatore per processi di automazione locali e distribuiti

Operator interfaces for local and distributed automation processes

Relatore: Chiar.mo Prof. Andrea Volpi

Tesi di laurea di Cattani Simone

Anno accademico 2019-2020

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Parte prima

L’automazione industriale

I - Cos’è l’automazione industriale

1.1 Introduzione 4

1.2 Il ruolo dell’operatore 4

1.3 Azione di controllo 4

1.4 Gli algoritmi 7

1.5 Robotica industriale 8

1.6 Pannelli di controllo 9

1.7 Elementi di controllo attivo 9

Parte seconda

Interfaccia umana avanzata

II - Interfacce

2.1 Introduzione 11

2.2 Pannelli operatore intelligenti 13

2.3 Stazioni operatore 14

2.3.1 Layout della schermata di visualizzazione 17

2.3.2 Interazione con il processo 18

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2.3.2.1 Interazione diretta 18

2.3.2.2 Interazione navigata 19

2.3.2.3 Altre caratteristiche 23

2.3.3 Confronto con il pannello operatore 24

2.3.3.1 Vantaggi e svantaggi delle stazioni operatore 25

2.3.4 Stazioni operatore potenziate 25

2.3.4.1 Monitor multipli 25

2.3.4.2 Display a grande schermo 26

2.3.4.3 Display con video integrato 27

2.3.4.4 Pannello di simulazione e stazione operatore combinato 28

2.3.5 Varianti di stazioni di servizio 28

2.4 Stazioni di registrazione 28

2.4.1 Registrazione dei dati 29

2.5 Consolle di controllo 30

2.6 Sintesi 30

Parte terza

Tipi di sistemi di automazione

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III - Sistemi di automazione

3.1 Introduzione 31

3.2 Processo localizzato 31

3.2.1 Sistema di controllo centralizzato 32

3.2.2 Sistema di controllo decentralizzato / distribuito 33

3.3 Processo distribuito 34

3.3.1 Sistema di controllo remoto 35

3.3.2 Sistema di controllo di rete 36

3.3.3 Processore di front-end 36

3.3.3.1 FEP basato sul controllore 38

3.3.3.2 FEP su base informatica 39

3.4 Controllo di supervisione e acquisizione dati 39

3.4.1 Contesto 40

3.4.2 Caso di studio 40

3.4.3 Somiglianze con DCS e NCS 42

3.4.3.1 SCADA in DCS 42

3.4.3.2 SCADA in NCS 43

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Parte prima

Cos’è l’automazione industriale

I - Cos’è l’automazione industriale

1.1 Introduzione

L’automazione industriale consiste nell’impiego di soluzioni tecnologiche al fine di sostituire totalmente, o almeno in parte, il lavoro di un operatore umano con dispositivi tecnologici in grado di compiere azioni cicliche ripetute: sostituisco così, mediante il controllo automatico dei processi, le funzioni che dovrebbero appartenere all’uomo.

Un risultato, questo, che si ottiene sfruttando tecnologie meccaniche, elettroniche e informatiche per il controllo dei processi produttivi industriali, governando flussi di energia, di materiali e di informazioni.

L’automazione supera la semplice meccanizzazione, infatti si tende ad eliminare il lavoro fisico dell’uomo sostituendolo con delle vere e proprie ‘macchine’. In molti impianti, tra cui i più recenti che troviamo all’interno di numerose aziende, sono automatizzati sia la pianificazione sia la supervisione del processo produttivo, a partire dagli ordini, dalla catena degli approvvigionamenti e dalla gestione dei magazzini, fino alla diagnostica dei guasti e alla riconfigurazione dei segmenti di produzione.

Con l’introduzione dell’automazione all’interno dell’industria moderna, la quantità dei beni producibili ha visto un notevole incremento rendendo, cosa non trascurabile, i costi di produzione ridotti: questi infatti, rimangono gli 5 obiettivi fondamentali di una scelta verso l’automazione, specie se si fa riferimento ad aziende medio-piccole. Quindi, perché sceglierla?

Semplificando il processo produttivo, la velocità della produzione aumenta a vantaggio del fatturato: elimino così tutte le operazioni inutili che rallenterebbero la produzione e che costituirebbero uno spreco di tempo e di denaro. Le aziende che optano per l’automazione industriale rientrano rapidamente dall’investimento effettuato, e sono più competitive sul mercato.

Indispensabile è la qualità del prodotto ottenuto, la sua omogeneità, la flessibilità del sistema produttivo, la riduzione dell’impatto ambientale delle attività industriali e, non per ultimo, la sicurezza sia del prodotto sia del lavoro.

1.2 Il ruolo dell’operatore

C’è da sottolineare il fatto che la divisione tra attività automatizzabili e non, varia in base alle esigenze delle aziende. Infatti molte attività che possono essere automatizzate con profitto per industrie di medio-grandi dimensioni e operanti su produzioni omogenee, sono ancora spesso gestite esclusivamente da operatori umani.

I tecnici dell’automazione riparano e mantengono i sistemi controllati dal computer e i dispositivi robotici sono utilizzati all’interno di strutture industriali-commerciali per ridurre l’intervento umano nella realizzazione del prodotto, massimizzando quindi l’efficienza. Ovviamente, ciò non significa che i dipendenti non siano più necessari. Anzi. All’interno di un’azienda automatizzata, l’uomo assume un ruolo di maggiore rilievo: non deve più compiere le azioni ripetitive che svolgono ora le macchine, ma deve supervisionarle con tutta la responsabilità che ne consegue.

Diventano quindi dei veri e propri supervisori della catena produttiva e dell’attività delle macchine stesse.

Oggi, in alcune aziende, troviamo una completa integrazione tra i diversi settori della fabbrica e il sistema informativo aziendale, che include nelle funzioni automatizzabili anche attività commerciali e gestionali. In alcuni progetti, noti nell’area come progetti ‘supply-chain automation’ (automazione delle sequenze di rifornimenti), viene realizzata una vera integrazione oltre i 6 limiti del singolo impianto, coinvolgendo in un unico sistema in parte automatizzato, anche i clienti e i fornitori.

All’interno del macchinario per l’automazione, c’è sempre presente un sistema di controllo, ovvero l'insieme dei processi da controllare e di tutti i dispositivi che consentono di ottenere che esso operi nel modo desiderato.

1.3 Azione di controllo

L'azione di controllo si esplica manipolando alcune grandezze fisiche (ingressi di controllo) sulla base di una pianificazione prestabilita, allo scopo di ottenere che altre grandezze fisiche (uscite controllate) si comportino nel modo desiderato: questa azione di controllo è detta controllo a ciclo aperto. Più spesso, però, per ottenere buone proprietà di robustezza nei confronti di variazioni del processo, si adotta un'azione di controllo dipendente dalla misura di grandezze fisiche disponibili (uscite misurate): questa azione di controllo è detta controllo in retroazione.

È possibile dividere i processi industriali in due classi:

• Processi continui: nei quali è possibile individuare un flusso ininterrotto di materiali che vengono trasformati in un prodotto, generalmente di un unico tipo;
• Processi discreti: nei quali invece la produzione si articola in eventi, che si susseguono in modo coordinato, spesso allo scopo di ottenere più prodotti diversi.

Nel caso dei processi discreti i sistemi flessibili di produzione sono basati su un'accurata progettazione di svariate celle di produzione in cui robot o macchine a controllo numerico sono configurati per poter produrre prodotti diversi utilizzando attrezzi diversi.

Negli impianti di questo tipo molti sistemi di controllo sono incorporati in ogni singola macchina o robot: si tratta di sistemi che garantiscono un elevato grado di precisione nel posizionamento degli oggetti e nell'inseguimento di traiettorie di riferimento per gli attrezzi.

Per questi tipi di processi discreti, si sta rivelando sempre più importante la disponibilità di strumenti informatici dedicati, soprattutto di nuovi software applicativi (la cui struttura a oggetti influenza ormai abbondantemente la modellizzazione degli impianti industriali), che consente di raggiungere 7 elevati livelli di integrazione tra le diverse parti dell'impianto e del sistema informativo aziendale.

1.4 Gli algoritmi

Per gli algoritmi utilizzati, la grande maggioranza dei sistemi di controllo presenti nell'industria, si utilizzano quelli di tipo tradizionale: sono ancora diffusi i regolatori industriali che si basano sul controllo PID (Proporzionale Integrale Derivativo), la cui implementazione su microcalcolatore permette da un lato di migliorare le prestazioni e dall'altro di affiancare alle funzioni del regolatore funzioni ausiliarie di interfaccia con l'operatore o con il sistema di supervisione.

Grazie allo sviluppo delle tecnologie informatiche, alcuni algoritmi si stanno dimostrando efficaci per il controllo di classi di processi più generali. Un esempio è quello del controllo predittivo. Questo deriva dal controllo ottimo, con cui ha in comune la caratteristica di basarsi sul modello dell'impianto e sull'ottimizzazione di un indice di prestazione, ma ha due peculiarità che lo rendono particolarmente adatto alla pratica industriale:

• Considera ripetutamente il comportamento futuro dell'impianto (ottimizzando l'indice di prestazione su un opportuno intervallo di tempo), garantendo quindi la possibilità di variare i riferimenti e di compensare disturbi noti;
• Tiene conto in maniera esplicita di eventuali vincoli che devono essere imposti sulle grandezze di stato o di uscita del sistema.

I dispositivi utilizzati per implementare gli algoritmi di controllo, oltre a calcolatori dedicati o microcalcolatori, sono diffusi i controllori a logica programmabile o PLC (Programmable Logic Controller). Tali dispositivi comprendono uno o più processori, garantiscono la possibilità di trattare numerosissimi segnali di ingresso e di uscita, e presentano ottime caratteristiche di robustezza e affidabilità. Normalmente i PLC non sono dotati di una vera e propria interfaccia con l'operatore umano, ma possono essere collegati a un calcolatore o a una rete di comunicazione, per esempio le operazioni di programmazione. Una delle peculiarità dei PLC è il tipico linguaggio che viene usato per la loro programmazione: il cosiddetto linguaggio a contatti.

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1.5 Robotica industriale

L’automazione industriale fa sempre più affidamento, quindi, alla robotica industriale.

Le applicazioni della robotica nell'industria costituiscono gli esempi più noti di automazione: i manipolatori robotici, che sono sempre più veloci e affidabili, hanno gradualmente sostituito gli uomini nelle linee di produzione, specialmente nei compiti più rischiosi, o dannosi per la salute, o che richiedono particolare precisione.

Grazie allo sviluppo di algoritmi dedicati al controllo dei robot, alcune delle limitazioni che un tempo rendevano difficoltoso l'uso di questi in alcuni ambienti, come per esempio il fatto che i bracci robotici dovessero essere di dimensioni e peso molto maggiori degli oggetti da manipolare, sono molto ridotte, facendo sì che l'uso di robot sia una pratica comune nell'industria. I progressi più recenti nella robotica sono da un lato la possibilità di combinare l'uso dei tradizionali manipolatori industriali con robot mobili dotati di maggiore autonomia, dall'altro la possibilità di realizzare robot sempre più piccoli, come i minirobot e i microrobot.

I minirobot hanno un volume di pochi centimetri cubici e le applicazioni sono molteplici: essi possono essere utilizzati per ispezioni oppure per operazioni di manutenzione in ambienti piccoli e inaccessibili (sia a operatori umani sia a robot di dimensioni maggiori), oppure in campo medico. Uno dei problemi centrali nella progettazione dei minirobot è stabilire quale grado di autonomia essi debbano avere: infatti ridurre al minimo la potenza di calcolo che deve essere incorporata nel robot è di grande aiuto, ma rende necessario controllare il robot con dispositivi remoti, il che riduce le velocità di operazione ottenibili.

Uno dei temi di maggiore attualità nella ricerca in robotica, correlato con le applicazioni di mini- e microrobot, è lo sviluppo di algoritmi per il controllo coordinato di squadre di robot, cooperanti per l'ottenimento di un unico scopo. Ciò è di particolare interesse quando sono in uso robot di piccole dimensioni, con un limitato grado di autonomia, e con capacità di generare piccole forze e di percorrere piccole distanze.

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1.6 Pannelli di controllo

Ogni macchinario che rientra nell’ambito dell’automazione industriale, per essere utilizzato, capito e compreso, ha bisogno di un pannello di controllo che venga opportunamente usato dall’operatore.

L'interfaccia umana, chiamata anche interfaccia uomo-macchina, è il mezzo con cui gli operatori o gli utenti interagiscono manualmente con il processo: possono forzare un'azione per controllarne il processo o osservarne i parametri di interesse. Un altro nome comunemente usato per l'interfaccia umana è pannello operatore.

Le funzioni di base del sistema di interfaccia umana sono quelle di lavorare direttamente con il processo per controllare manualmente o per valutare il suo stato, oltre alle funzioni svolte automaticamente dal sottosistema di controllo. La struttura del sistema di interfaccia umana facilita il controllo da parte dell'operatore delle funzioni svolte automaticamente dal sottosistema di controllo. Il sottosistema di interfaccia umana è progettato con componenti di visualizzazione e controllo attivi, montati su una base (pannello) in lamiera o vetroresina e cablati al sottosistema di controllo. Tra questi troviamo gli elementi di visualizzazione attiva.

Questi elementi sono montati in punti appropriati del pannello per la visualizzazione continua di quanto segue:

• Valori dei parametri analogici di processo, come temperatura, livello, portata (pilotati dalle uscite analogiche del sottosistema di controllo);
• Stato dei parametri digitali di processo, come valvola on/off, interruttore on/off (pilotati dalle uscite digitali del sottosistema di controllo).

Gli elementi di visualizzazione attivi comunemente usati sono illustrati nella Figura 1.1.

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Figura 1.1 Elementi di visualizzazione attivi.

Le funzioni di questi elementi di visualizzazione sono le seguenti:

• Sia i misuratori analogici che i misuratori digitali sono funzionalmente gli stessi: essi visualizzano i valori istantanei dei parametri continui. Sono pilotati dalle uscite analogiche del sottosistema di controllo.
• I registratori a nastro possono registrare i valori istantanei in continuo sviluppo. Anche questo è gestito dalle uscite analogiche del sottosistema di controllo.
• Sia la spia di indicazione che la finestra di annuncio sono funzionalmente identiche, e visualizzano lo stato attuale dei parametri discreti. Le finestre di annuncio supportano il display (o i display) con una legenda con retroilluminazione. La spia di indicazione e la finestra di annuncio sono azionate dalle uscite digitali del sottosistema di controllo.
• I totalizzatori misurano e visualizzano il contenuto del contatore contando gli impulsi inviati dalle uscite ad impulsi del sottosistema di controllo. Oltre a questo elenco, ci possono essere molti altri elementi di visualizzazione attivi, come i display a 7 segmenti, gli hooters e i buzzer.

1.7 Elementi di controllo attivo

Ho inoltre degli elementi di controllo attivo: questi sono montati in determinati punti del pannello per i seguenti scopi:

• Inserimento manuale dei valori di set-point per il controllo dei parametri di processo analogici, come velocità, temperatura, portata. Questo pilota gli ingressi analogici del sottosistema di controllo.
• Controllo manuale o cambiamento di stato dei parametri di processo digitali, come valvola on/off, interruttore on/off, interruttore. Questo pilota gli ingressi digitali del sottosistema di controllo.

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Gli elementi di controllo attivi comunemente usati sono illustrati nella Figura 1.2.

Figura 1.2 Elementi di controllo attivi.

Le funzioni degli elementi di controllo attivi sono le seguenti:

• La pressione dell'interruttore a pulsante chiude il suo contatto meccanico e permette alla tens