Appunti Automazione

Automazione industriale

Introduzione

• Macchine automatiche
• Robotica
• Robotica industriale: AGV & Automatic Warehouses
• Macchine a controllo numerico (CNC)

Automazione industriale → informatica, automatica, elettronica, meccanica. Ogni lavoro dell’uomo per ottenere un prodotto desiderato può essere considerato un processo produttivo.

Ingredienti

• Energia
• Controllo
• Informazione

Lo sviluppo dei sistemi produttivi nel tempo è sempre stato volto all’eliminazione totale o parziale dell’intervento umano nei processi di erogazione e manipolazione dei tre “ingredienti” fondamentali.

Definizione

L’automazione industriale è dunque l’insieme di metodologie (teoria del controllo automatico) e tecnologie (meccaniche, elettriche, elettroniche, informatiche) che permettono l’automatizzazione di processi produttivi al fine di far compiere lavori a macchine.

• Senza intervento umano con: minori costi, maggiore affidabilità, continuità temporale
• Per operazioni che richiedono precisione, velocità e potenze impossibili all’uomo
• Per operazioni pericolose
• Per soddisfare vincoli e normative riguardanti sicurezza e impatto ambientale

Negli ultimi anni il concetto di automazione industriale è stato esteso non solo alla produzione vera e propria ma anche ai suoi sistemi di supporto:

• Progettazione
• Organizzazione
• Gestione della produzione

Automazione industriale in senso più ampio: integrazione tra produzione automatizzata e sistemi gestionali. Si inizia a parlare di Computer Integrated Manufacturing.

Computer Integrated Manufacturing

Negli ultimi 5-8 anni, tentativo sempre più forte di integrare la parte di automazione relativa al processo di produzione con tutti i dispositivi informatici relativi alla gestione dell’azienda, alla progettazione dei prodotti (integrare in un’unica infrastruttura informatica l’azienda) → CIM (industria 4.0).

Manufacturing: insieme dei processi produttivi da applicare ai materiali grezzi/semi-lavorati per ottenere un prodotto finale. La trasformazione richiede l’uso di: Energia, Macchine, Utensili e Intervento umano.

È un processo di tipo sequenziale: scomponibile in un insieme di passi produttivi sequenziali che avvicinano i materiali al loro stato finale desiderato.

Automazione industriale moderna, CIM, industria 4.0 → integrare (con funzionalità evolute) il processo automatizzato di produzione con i sistemi di supporto alla produzione (progettazione dei prodotti, organizzazione e gestione della produzione).

Da un punto di vista economico il processo produttivo è l’insieme delle operazioni necessarie per fornire valore aggiunto ai materiali grezzi. Il prodotto (finale) ha un valore di mercato maggiore della somma del valore speso per realizzarlo.

Concetti chiave

Macchina: entità fisica ben distinta che realizza una certa funzionalità più o meno complessa.

Cella produttiva: raggruppamento intelligente di più macchine (opportunamente interconnesse). Ad essa è associato un suo controllore.

Stabilimento produttivo: unione di tutte le macchine e celle produttive.

Dispositivi di campo

Dispositivi elettronici, meccanici o idraulici che permettono al sistema di funzionare. Sono alla base di qualunque sistema automatizzato (impianto produttivo).

Esempi: motore elettrico (fornisce potenza meccanica; categoria degli attuatori), sistema di misurazione della temperatura, scheda di acquisizione (di grandezze elettriche). Permettono di interfacciarsi con la realtà fisica.

La realizzazione di tutti i sistemi di controllo richiede la presenza di queste due entità: sensori e attuatori!

Processo produttivo

Un processo produttivo è composto da una sequenza di operazioni elementari:

• Operazioni di lavorazione: utilizzo dell’energia per alterare le proprietà dei materiali (trasformazioni).
• Operazioni di assemblaggio: operazioni di unioni di più parti per formare un’unica entità.
• Operazioni di trasporto e stoccaggio: movimentazione e stoccaggio di parti e prodotti.
• Operazioni di test: verifica del prodotto finale e delle sue funzionalità.
• Operazioni di coordinamento e controllo: coordinamento e regolazione delle operazioni anche a livello di gestione della produzione.

In relazione alla tipologia dei processi produttivi cambia l’automazione che bisogna andare a sviluppare. (classificazione dei processi produttivi) Esiste una correlazione inversa tra l’entità della produzione e la sua varietà.

Tipologie di automazione

Produzione manuale: caso degli artigiani.

Automazione programmabile: è possibile cambiare la sequenza di operazioni in modo da cambiare la configurazione finale del prodotto. Si trova in industrie con entità di produzione medio-bassa caratterizzate da produzione a lotti.

Tra un lotto e l’altro è necessario attendere la riconfigurazione dell’impianto di produzione. Macchine automatiche che possono essere programmate a bisogni per la produzione di una certa tipologia di prodotto (esempio: macchine a controllo numerico).

Automazione flessibile: è un’estensione dell’automazione programmabile in cui è possibile diversificare la produzione senza avere tempi morti di conversione dell’impianto. Possibile se le varietà di prodotto finale sono molto simili. I macchinari sono caratterizzati da una grande riconfigurabilità (Flexible Manufacturing Systems - FMS). Macchine che sono in grado di produrre quantità elevate di prodotto e un certo grado di configurabilità. La flessibilità ha un impatto sulle prestazioni (sacrificate).

Automazione rigida: la sequenza delle operazioni di produzione è fissa. Il processo di produzione è realizzato mediante una sequenza di operazioni elementari molto semplici. Destinata a grandi produzioni con varietà di prodotto molto bassa. 1 solo prodotto (esempio: sigarette) o pochi prodotti (pago un fermo macchina).

Sistema di supporto alla produzione

Il sistema di supporto alla produzione è l’insieme di attività di gestione delle informazioni legate alla produzione:

• Attività di business: sono le principali attività di contatto con il cliente, punto di partenza e di arrivo del processo; includono gestione ordini, marketing, vendita, bilancio, budget ecc.
• Attività di progettazione: attività volte alla progettazione del prodotto sulla base delle esigenze del cliente.
• Attività di planning: sulla base delle funzioni di business e di progettazione viene pianificata la produzione determinando le sequenze di lavorazione, le politiche di stoccaggio e di rifornimento.
• Attività di controllo: sono le attività di gestione e supervisione del processo di produzione e includono il controllo dei flussi produttivi, e della qualità dei processi e dei prodotti.

Supporto alle attività di business

Enterprise Resource Planning (ERP): insieme di applicazioni informatiche volte all’automazione di attività di amministrazione, logistica, gestione della produzione, risorse umane, ecc.

Decision Support System (DSS): sistema software che mette a disposizione dell’utente una serie di funzionalità di supporto ai processi decisionali: analisi dati, modelli di valutazione delle decisione per migliorare il processo decisionale (business intelligence, SAP, ecc).

Supporto alle attività di progettazione

Computer Aided Design (CAD): insieme di tool software che assistono i progettisti nelle attività di progettazione.

Computer Aided Engineering (CAE): tool software per la verifica delle funzionalità del progetto (AutoCAD, SolidEdge, VariCAD Pro/Engineering).

Supporto alle attività di planning e controllo

• Computer Aided Manufacturing (CAM): tool software che permette di automatizzare le prove di fattibilità del processo di produzione e di organizzare la produzione stessa (spesso integrato nel CAD).
• Dal modello CAD si ottiene il programma macchina CNC: caricamento di un modello CAD. Impostazione del sistema di coordinate usato dalla macchina utensile. Impostazione dei parametri di lavorazione. Generazione delle istruzioni per la macchina utensile, salvate in un file di Invio dei dati al controllo numerico della macchina utensile.
• Computer Aided Process Planning (CAPP): software che permette di automatizzare/ottimizzare il planning della produzione.
• Computer Integrated Manufacturing (CIM): modello teorico di un sistema di produzione che prevede l’integrazione dei processi produttivi con i sistemi di automazione e con i sistemi informativi gestionali.

Integrare l’automazione dei processi produttivi con quella delle attività di supporto sfruttando un’unica infrastruttura informatica. Nei moderni sistemi automatizzati l’automazione dell’impianto di produzione e delle attività di supporto si fondono integrandosi grazie all’infrastruttura informatica unificata, così da acquisire un vantaggio competitivo.

Vantaggi del CIM

• Miglioramento della qualità di produzione
• Riduzione di tempi e costi
• Aumento della flessibilità della produzione
• Diminuzione degli scarti
• Fondamentale per conformarsi a leggi e regolamenti su sicurezza del processo produttivo, qualità del prodotto finale e riduzione dell’impatto energetico-ambientale.

Modello CIM

• Il modello CIM è fortemente gerarchico.
• Attività di supporto a livello superiore rispetto a quelle di produzione.
• Gerarchia anche all’interno delle attività di supporto (Attività di business influenza la progettazione e il planning della produzione).
• Gerarchia anche all’interno delle attività di produzione (Una particolare lavorazione meccanica influenza i movimenti delle singole parti della macchina utensile).
• L’automazione di un passo produttivo (rotazione di un mandrino) è ad un livello inferiore rispetto all’automazione di tutta la macchina (sequenze di azioni) e questa è inferiore rispetto al planning della produzione.
• Il modello CIM è piramidale su 5 livelli.
• A tutti i livelli l'automazione coinvolge funzioni di: acquisizione, manipolazione, trasferimento di informazioni; elaborazione di strategie; attuazione delle strategie elaborate.

L’architettura CIM è modulare, con la comunicazione verticale da preferire. Acquisire, elaborare e attuare sono alla base del CIM e di qualunque sistema di controllo.

Attuatore

Dispositivo di campo che è in grado di generare l’ingresso da applicare al dispositivo fisico (impianto). →90% motore elettrico. Che tensione fornire al motore elettrico (attuatore) in modo tale che venga generata dal motore elettrico stesso l’azione desiderata sull’impianto. Questa cosa è realizzata da un controllore.

I corsi di base di controlli automatici sostanzialmente si concentrano su come generare l’azione di controllo da applicare all’impianto (azione di controllo realizzata dall’attuatore). La maggior parte degli schemi di controllo hanno una struttura in retroazione (95%).

Questa struttura di base viene realizzata nella pratica avendo a disposizione gli attuatori e i sensori. I sensori sono in grado di misurare cosa sta succedendo nell’impianto. Il controllore, elaborando un’informazione di errore, è in grado di gestire gli attuatori che agiscono sull’impianto avendo come scopo quello di portare il comportamento ottenuto dell’impianto a essere uguale a quello desiderato.

I controllori elaborano informazioni di tipo digitale.

• Microprocessore: svolge calcoli. All’interno carico la legge di controllo (if-then-else). La caratteristica di tutti i sistemi a microprocessore è che funziona a tempo-discreto. (clock di sistema)
• Sistema di acquisizione dati: converte variabili analogiche in variabili digitali. Convertitore A/D e D/A

All’interno del controllore si realizzano le tre fasi del CIM:

• Acquisizione dati
• Elaborazione di strategia
• Esecuzione dei comandi

Variabili analogiche: variano con continuità nel tempo e nel valore (variabili fisiche: temperatura, posizione, ecc.).

Il sistema di controllo è un sistema digitale, le informazioni sono rappresentate da numeri binari (n bit). Segnali quantizzati: possono assumere solo un numero limitato di valori separati dal cosiddetto zero-macchina. Il range di valori e lo zero-macchina individuano il numero di bit. I sistemi digitali sono sincroni: possono evolvere solo in corrispondenza di particolari istanti di tempo individuati da un clock.

Segnali campionati: segnali analogici valutati solo ad istanti di tempo precisi separati da un tempo di campionamento. Segnali digitali: segnali quantizzati e campionati codificati come numeri binari.

Controllo logico-sequenziale

Le variabili logiche assumono valori in un insieme numerabile solitamente di cardinalità finita. Le variabili booleane sono variabili logiche {0,1}. Le operazioni di base sono operazioni logiche con lo scopo di decidere la sequenza di operazioni che →devono essere svolte all’interno del sistema controllato.

Richiede linguaggi di programmazione un po' più evoluti. I controllori evolvono a seguito di eventi: il risultato sono comandi, sequenze di operazioni che vengono richieste al sistema controllato. Questo tipo di controllori stanno ad un livello gerarchico superiore rispetto a quelli dei controlli automatici di base (esempio: nastro trasportatore).

Indipendentemente dal tipo di controllore (logico o stile controlli di base), questi controllori girano su architetture a microprocessore, le quali funzionano eseguendo il codice di controllo ogni tot intervalli di tempo. L’algoritmo di controllo viene eseguito periodicamente.

Un algoritmo deve essere:

• Logicamente corretto
• Temporalmente corretto

Vincoli temporali → vincoli real time. Periodo operativo (deadline) in cui deve essere eseguito l’algoritmo di controllo. Non è possibile avere una situazione del secondo tipo.

Problema: come gestire una risorsa di calcolo per eseguire più algoritmi di controllo con vincoli real time. Un processore unico che esegue più task (Es: Word e Outlook). Il S.O. gestisce e maschera lo switch tra i due task e a noi sembrano andare in parallelo (parallelismo logico). Nei sistemi real time questo è complicato dai vincoli temporali.

Modello CIM

Livello di campo → sensori e attuatori. È il livello più basso della gerarchia e comprende i componenti hardware che eseguono le attività di produzione e il loro controllo. Intelligenza ridotta. Sezione di ingresso/uscita dell’impianto. Contiene tutti quei dispositivi che permettono di agire sui componenti meccanici e acquisire le informazioni relative a quello che sta succedendo all’interno dell’impianto.

Hardware di controllo: dispositivi informatici che permettono di implementare gli algoritmi di controllo; normalmente sono dedicati, ovvero ogni dispositivo ha la sua scheda, controllore appositamente sviluppato per la gestione di quel particolare componente. Devono soddisfare vincoli real time.

Livello di macchina → raggruppamento di sensori e attuatori per realizzare una macchina. Gli elementi del livello di campo vengono raggruppati al livello superiore per formare gruppi di componenti atti a fornire una determinata funzionalità. Controlli a controllo diretto di variabili + iniziano a comparire i primi controllori logico-sequenziali. Il controllo a livello di macchina viene visto come un attuatore virtuale (più ricco di funzionalità) dal livello superiore che lo utilizza per il coordinamento delle macchine. La maggior parte dei controllori logici sono a questo livello. Iniziano a comparire i primi PLC.

Livello di cella → coordinamento di tutte le macchine utilizzando controllori logico-sequenziali. Gli elementi del livello di macchina vengono raggruppati al livello superiore per formare celle di produzione. Una cella di produzione è un insieme di macchine interconnesse fisicamente da un sistema di trasporto e stoccaggio materiali e controllate in maniera coordinata in modo da portare a termine un ben definito processo produttivo. I sistemi di controllo costituenti questo livello regolano e supervisionano il funzionamento coordinato di tutte le macchine della cella. Le operazioni svolte a questo livello sono analoghe a quelle del livello di macchina risultando soltanto più complesse. Il controllore è una macchina a stati che evolve in maniera opportuna e andrà a comandare tutte le macchine presenti nella cella (sequenza di operazioni volte ad attivare e disattivare tutte le macchine presenti nella cella). Comandi meno frequenti ma con un contenuto informativo molto ricco. Controllori dedicati per piccole applicazioni, PLC e in parte controllori embedded.

Livello di stabilimento → racchiude tutte le celle produttive dell’impianto industriale e riceve le istruzioni provenienti dal gestionale di sistema (es. pianificazione della produzione, ordini, ecc) Trasforma questi comandi in piani operativi: sequenza di operazioni che devono essere svolte da ciascuna cella. Il controllo diventa un sistema di supervisione di controllo qualità. Computer su cui girano software e gestionali. Le apparecchiature su cui sono implementate le piattaforme software sono tipicamente workstation con struttura client/server. Da questo livello in su, i requisiti di elaborazione real time sono fortemente ridotti se non inesistenti.

Livello di azienda → gestione ad alto livello dell’azienda. È il livello più alto della gerarchia dove avvengono i processi gestionali di supporto a tutti i livelli inferiori. Non si parla più di sistema di controllo ma di sistema decisionale.