Materiale per esame di Automazione industriale

SCADA.

Livello Azienda: è inteso come insieme di tutti gli stabilimenti. Si occupa della gestione

aziendale, della progettazione e della pianificazione. Si parla di Sistema Decisionale.

Norma IEC 61512-1: definisce l’organizzazione gerarchica dei sistemi di controllo. Lo standard,

noto come Batch Control, classifica le funzioni del sistema di controllo in tre livelli:

1. Basic Control: comprende le funzionalità dei sistemi di controllo del livello di campo (-

> è conosciuto anche come Controllo di Campo). I suoi compiti sono quelli di

regolazione e inseguimento delle grandezze fisiche e riguardano le grandezze

analogiche soggette a vincoli temporali stringenti. I controllori sono di tipo embedded e

quello più usato è il PID.

2. Procedural Control: comprende le funzionalità associate ai livelli di macchina e cella.

Svolge i compiti di sequenziamento logico e di temporizzazione delle operazioni. Si

occupa anche di supervisione, coordinamento e monitoraggio. I controllori più usati

sono i PLC.

3. Coordination Control: comprende le funzioni classificabili nel Livello di Stabilimento. I

suoi compiti sono di coordinamento, monitoraggio e di gestione delle varie celle. Le

attività non sono soggette a vincoli temporali. I sistemi sono di tipo SCADA.

Controllore Embedded: è un sistema di controllo realizzato con un unico circuito integrato;

conosciuto anche come “controllore incapsulato”. È una soluzione software e hardware

specifica ed è, quindi, molto ottimizzata per il compito per cui è realizzato; dall’altro lato, risulta

poco flessibile per operazioni diverse da questo. PRO: minori costi di fabbricazione, minori

consumi e spazi ridotti; CONTRO: costi di progettazione, scarsa flessibilità, bassa potenza di

calcolo. 2

Microcontrollore: è un controllore embedded realizzato con un microprocessore. Hanno una

diffusione bassa perché i costi della miniaturizzazione non vengono ripagati.

Architettura a Bus: è un dispositivo modulare dove l’interconnessione avviene attraverso il

bus. PRO: flessibilità di progettazione, gestisce compiti complessi, può coinvolgere un numero

alto di dispositivi, adattabili, espandibili. CONTRO: meno ottimizzati di quelli embedded,

necessita di un software più complesso.

Architettura a PC: hanno diversi vantaggi, tra cui: costi competitivi, disponibilità

dell’hardware, diversi fornitori, funzionalità già integrate. Gode degli stessi vantaggi

dell’architettura a bus. I PC Industriali sono una variante più robusta ed affidabile.

Infrastruttura di Comunicazione Aziendale: nasce dall’esigenza del Sistema di Supporto di

comunicare e di coordinare i sistemi di controllo. È costituita da:

- Rete di Campo: comunicazione orizzontale del liv. Campo e verticale tra Campo e

Macchina. Piccole informazioni, ma stringenti vincoli temporali.

- Rete per il Controllo: ha il compito di connettere i sistemi dei liv. Macchina e Cella. Dati

più strutturati e vincoli un po’ meno stringenti.

- Rete Enterprise: si riferisce ai liv. Stabilimento e Azienda; garantisce la comunicazione

con i sistemi del liv. Cella. Dati grandi e strutturati, ma assenza di vincoli temporali.

Conversione: può essere da analogico a digitale (Convertitori ADC) o viceversa (Convertitori

DAC).

- Convertitore ADC: la conversione avviene in due fasi:

Campionamento: il campione viene memorizzato attraverso una grandezza

o fisica che deve mantenere fisso e accessibile il suo valore per il tempo di utilizzo

Codifica: i valori dei campioni vengono quantizzati e trasformati in sequenze di

o cifre (”codici”)

- Convertitore DAC: anche qui le fasi sono due:

Decodifica: il valore quantizzato viene trasformato in una grandezza elettrica

o Interpolazione: serie di operazioni in cui la sequenza di campioni viene

o trasformata in un segnale continuo x(t)

La conversione causa delle approssimazioni e, quindi, perdita di informazione.

Fenomeni nocivi dovuti alla conversione:

- Rumori

- Saturazione degli attuatori: incapacità del sistema di raggiungere le prestazioni

desiderate 3

- Distorsione della digitalizzazione: dovuta al campionamento e alle approssimazioni in

fase di codifica. Sono difetti di natura non solo tecnologica, ma anche metodologica

Codificatore: è un componente del convertitore ADC. Associa a ciascun campione un codice,

ovvero una sequenza di cifre definite su un alfabeto.

Codificatore diretto: è la soluzione più semplice e più onerosa (costi componenti). Sono

costituiti da una batteria di comparatori elettronici; ogni campione ne fa attivare uno e l’uscita

del comparatore attiva a sua volta un generatore di codici in grado di produrre la codifica

richiesta. Questo codificatore realizza una Look-Up Table che contiene le corrispondenze tra i

campioni e le codifiche. Le prestazioni in termini di velocità di elaborazione sono le migliori.

Non si adatta all’ambito industriale perché il numero di comparatori necessario sarebbe troppo

elevato.

I codificatori più diffusi si basano su strategie più lente e complesse e sono di quattro tipologie:

- A scala

Si basano sull’uso di un contatore che genera in successione tutti i codici

o disponibili che vengono trasformati da un convertitore e confrontati con il

campione in esame (attraverso un comparatore). Il tempo della codifica è tanto

più lungo quanto più è alta la precisione richiesta.

- A rampe multiple

Sono una variante di quelli a scala basata sull’uso di condensatori. La carica

o viene interrotta dopo un tempo fissato e viene lasciata scaricare sotto l’azione di

alcune tensioni di riferimento. Quando si scarica aziona un generatore di codici

che, al termine di questa, si ferma su un codice che dipende dall’alimentazione

ricevuta; si realizza così una tabella delle corrispondenze. I vantaggi sono la

velocità e il tempo quasi costante; meno costoso di quello a scala.

- Per approssimazioni successive

Funzionamento simile a quelli a scala, ma anziché generare tutti i codici in

o sequenza viene usata una strategia di scelta basata sulle comparazioni

precedenti. Vantaggi: tempo costante, rapporto costo/prestazioni vantaggioso

- A modulazione

Sono i più complessi e costosi, ma sono molto diffusi per il rapporto

o prestazioni/costi competitivo che deriva dalla gestione semplice dell’errore di

quantizzazione (assume la forma di disturbo ad alta frequenza -> può essere

facilmente filtrato). Il principio di funzionamento è quello della Modulazione

Sigma-Delta che consiste nel generare un treno di impulsi con frequenza

proporzionale al valore del campione; un contatore, poi, tiene traccia del loro

numero in una finestra di tempo fissata e genera il codice in uscita pari alla loro

somma. 4

Tecniche di campionamento:

- Sample&Hold: è la più semplice di tutte, ma non è mai utilizzata di per sé. Ad eccezione

dei codificatori diretti, in tutti gli altri casi la codifica dipende strettamente dal tempo

Tau in cui questa viene eseguita che deve essere deciso a priori. Nella pratica è, quindi,

necessario bloccare l’operazione di codifica dopo esattamente un tempo pari a Tau.

- Zero-Order-Hold: funziona campionando il segnale analogico ad una frequenza

costante e mantenendo il valore del campione costante per l’intero periodo di

campionamento.

Convertitore DAC: serve per convertire un segnale da digitale ad analogico. I due componenti

(non necessariamente distinti) fondamentali sono:

- Decodificatore: realizza l’operazione inversa del codificatore. Riceve un codice binario

in ingresso che viene trasformato in segnale analogico mantenuto costante grazie

all’interpolatore. La sua versione più economica è quella del circuito resistivo, noto

come Decodificatore a Resistenze Pesate. La precisione di un decodificatore dipende

dalla distorsione della digitalizzazione che può essere dovuta ad errori di taratura o a

rumori all’uscita. La tecnologia più economica è un’implementazione delle regole del

Filtraggio Passa Basso.

- Interpolatore. Oggi, si sta diffondendo nel mercato una tipologia di interpolatori più

complessa (e costosa) ma che riesce a garantire prestazioni di alto livello e che si basa

sulla tecnica della Modulazione Sigma-Delta. Questa prevede che il segnale

decodificato venga usato per generare un treno di impulsi la cui frequenza è

proporzionale al segnale. E POI? I vantaggi di questa tecnica sono dovuti alla semplicità

con cui è possibile smussare gli scalini (?).

Quindi: gli interpolatori Sigma-Delta sono più complessi e costosi, ma offrono

o prestazioni migliori tali da avere un ottimo rapporto qualità/prezzo da renderli

economicamente vantaggiosi.

Controllori di campo: sono gli unici ad interagire con il processo fisico. Servono per pilotare

gli strumenti che svolgono le operazioni elementari. Affrontano problemi di inseguimento. La

differenza tra la grandezza controllata e quella di riferimento prende il nome di Errore di

Scostamento. L’efficacia della strategia di controllo è valutata sulla base delle Specifiche del

Controllo di Campo che possono essere usate sia per finalità di progetto (modelli matematici),

sia di verifica (prove sul campo). Quando si parla di finalità di progetto, possiamo considerare

lo scostamento come la somma di due contributi: una dovuta agli effetti dei disturbi ed una no;

questa ipotesi è poco realistica e non regge in condizioni reali, per cui non viene considerata

nelle finalità di verifica. Le specifiche si dividono in:

- Specifiche Statiche: riguardano le condizioni di regime.

Errore a regime

o Tolleranze ai disturbi

o 5

- Specifiche Dinamiche: riguardano il comportamento transitorio.

Tempo di Salita: tempo che la grandezza impiega per passare dal 10% al 90%

o del suo valore nominale

Tempo di Assestamento: tempo necessario affinché la grandezza arrivi ad un

o intorno del +- 10% del suo valore nominale

Massima Sovraelongazione: è il valore max della deviazione percentuale

o rispetto al valore asintotico

Istante di Massima Sovraelongazione: è l’istante in cui si ha la max

o sovraelongazione

Ritardo: tempo impiegato per raggiungere il 50% del valore asintotico

o

Controllore PID: la loro diffusione è dovuta soprattutto alla loro versatilità; infatti, la precisione

ottenibile con un PID non giustifica l’uso di controllori con prestazioni (e costi) maggiori. I PID

sono dispositivi solidi e con un prezzo molto concorrenziale. Si dividono in:

- PID industriali: dispositivi stand-alone di piccola taglia e con un’interfaccia utente

(schermo) + pulsantiera

- PID incapsulati: schede elettroniche implementate n