Appunti completi corso Automazione Industriale

PROCESSI CONTINUI

– PROCESSI BATCH

– PROCESSI SEMI-CONTINUI

– PROCESSI DISCRETI

–

I processi continui sono quelli che idealmente non si dovrebbero fermare mai, in cui il

materiale da elaborare viene inserito in continuazione e non c'è una separazione tra un

prodotto e l'altro. Questi processi devono funzionare il più a lungo possibile senza

interruzioni, anche giorni o settimane, perché l'interruzione potrebbe essere costosa. I

processi che appartengono a questa categoria infatti normalmente sono quelli legati alla

produzione di energia, alla lavorazione di combustibili fossili, alla lavorazione di argilla e

simili. In questi processi il controllo è di tipo modulante, perché coinvolge variabili continue

come temperature, pressioni, portate. Il controllo logico riguarda poche operazioni, come

accensione e spegnimento.

Nei processi batch si produce una certa quantità di prodotto alla volta, quantità chiamata

LOTTO. Esempio da vita quotidiana è la cottura degli spaghetti: se devo cucinare tanti

spaghetti inizio a cucinarne un po', eseguo la RICETTA e quando ho finito ricomincio da

capo con un nuovo lotto di spaghetti. Ogni lotto può avere dimensioni diverse, ma ciò che

non cambia è la ricetta eseguita. La durata e il funzionamento del processo sono

indipendenti dalle dimensioni del lotto, le istruzioni eseguite sono sempre le stesse e si

chiamano appunto RICETTE. I processi batch non sono continui, perché la produzione di

ogni lotto è chiaramente distinta l'una dall'altra, ma non sono nemmeno discreti, perché

all'interno di uno stesso lotto le parti di prodotto sono indistinguibili. In un sistema discreto

invece ogni singolo prodotto è distinguibile dagli altri e catalogabile. In un lotto di vernice

per esempio hai tanti barattoli diversi, ma la vernice appartiene allo stesso lotto e non è

distinguibile da quella degli altri barattoli. Le problematiche di produzione nel batch

riguardano la definizione della ricetta, la quantità degli ingredienti da utilizzare, la durata

delle singole operazioni, la gestione di lotti differenti ecc...

Esistono dei processi chiamati semi-continui. Sono una categoria molto particolare e

poco rilevante per il nostro corso, ma è giusto sapere che esiste. Sono processi in cui

avvengono operazioni come per esempio il filtraggio, in cui arriva un gas o un liquido e lo

si filtra eliminando un componente di scarto indesiderato. In questo tipo di processi il

funzionamento è continuo, perché il gas o liquido arriva in continuazione mentre nelle

maglie del filtro rimane imprigionato lo scarto. Tuttavia bisogna periodicamente

interrompere il processo per pulire il filtro, per poi ricominciare da capo. Proprio il fatto che

il processo deve essere sospeso dopo un certo ciclo di operazioni del filtro per poi

riprendere rende questi processi un po' continui e un po' batch.

L'ultima categoria di processi, la più importante, è quella dei processi discreti, detti anche

manifatturieri. Qui non c'è un flusso continuo di materiale, ma di pezzi numerabili, per

esempio pezzi da assemblare. Non vengono normalmente interrotti, ma comunque non

sono continui. Nei batch il trasporto riguardava fluidi o polveri, per cui facevano uso di tubi

e contenitori. Qui invece ci sono rulli trasportatori e bracci robotici. Non vengono trasportati

solo i pezzi da assemblare, ma anche altri oggetti utili alla produzione, come contenitori e

utensili vari. Naturalmente servono anche magazzini dove porre tutti i prodotti finiti, e la

gestione del magazzino può essere automatizzata tramite robot che si muovono di qua e

di là senza tanti problemi. Risulta evidente che qui assume di primaria importanza il

controllo logico-sequenziale, visto che l'automazione la fa da padrone.

L'esempio delle pizze è un po' di tutto. All'inizio è batch perché la produzione di pasta

avviene a lotti. Poi diventa continuo perché c'è un flusso continuo di pasta senza

interruzione. E alla fine diventa discreto, dove ogni pizza diventa un pezzo separato da

lavorare.

Finalmente entriamo nel merito della questione: come realizzare il controllo logico!

Lo strumento principale è il PLC, un particolare sistema di calcolo con caratteristiche

proprie che scopriremo, visto che dovremo pure programmarlo. Parleremo anche di uno

standard industriale, lo IEC 61131, che permette a macchine diverse e di diverse aziende

di comunicare fra loro, visto che un impianto produttivo molto probabilmente non è

monomarca. Il PLC è un dispositivo che mette in relazione delle variabili logiche in entrata

con delle variabile logiche in uscita usando reti combinatorie o sequenziali: il controllore

sarà quindi STATICO per le reti combinatorie e DINAMICO per le reti sequenziali. Le reti

combinatorie si ottengono combinando le semplici porte logiche AND, OR, NOT, mentre

per le reti sequenziali bisogna aggiungere altri componenti: degli elementi di ritardo e delle

retroazioni, per cui le uscite logiche possono essere riutilizzate come ingressi di una nuova

sequenza di calcolo.

Un tempo i controllori erano cablati e il dispositivo fondamentale era il RELÉ, un

interruttore automatico contenente un avvolgimento attraverso il quale può passare

corrente. Se passa corrente si crea un campo magnetico che chiude un interruttore,

attivando un circuito a cui è connesso il relè. Combinando tra loro tanti relè si ottengono

sistemi anche di elevata complessità. Erano diffusissimi negli anni '60 e un controllore

aveva centinaia di relè, ma generavano numerosi problemi: un filo può dissaldarsi o

ossidarsi, un relè può rompersi e a voja capire quale si è rotto su 1000 relè diversi, la

logica è cablata, ovvero una volta progettata e creata non si può più modificare, i relè sono

meccanici e non durano per sempre, i controllori erano grossi come armadi...

Adesso invece si usa la logica programmabile: i programmi mica si saldano, li progettiamo,

li testiamo, li debugghiamo e poi li mettiamo sulla macchina che li eseguirà. Il PLC è

programmabile, è di piccole dimensioni (massimo le dimensioni di uno scanner), è

affidabile, dura a lungo. Inoltre i computer fanno uso di un clock che sincronizza le

operazioni, semplificando ancora di più il lavoro di progettazione di un sistema di controllo.

Adesso siamo pure arrivati alla logica distribuita, ovvero ci sono tanti PLC connessi che

comunicano tra loro, per cui è ancora più figo. Tuttavia questa complessità richiede uno

standard, chiamato IEC 61131: definisce varie regole su cosa devono fare i PLC, come si

programmano, come devono comunicare, fornisce una terminologia comune e dei modelli

di rappresentazione universali. Noi considereremo con attenzione la parte software della

normativa, per sapere quali sono i linguaggi previsti per programmare un PLC.

Il PLC è un sistema elettronico a funzionamento digitale destinato all'uso in ambito

industriale. Come un qualsiasi calcolatore dispone di un processore e di una memoria

dove conservare i dati e le istruzioni da eseguire. La sua struttura consiste in un bus

principale al quale sono collegati la CPU, la memoria, un terminale di programmazione e

vari slot per inserire moduli di I/O o di altre operazioni specifiche. Tra i moduli che non

mancano mai ci sono il modulo alimentatore e il modulo processore, gli altri invece si

aggiungono in base alle proprie esigenze. Il PLC avrà a disposizione un numero limitato di

moduli e questa è la prima cifra da considerare per l'acquisto di un PLC, visto che

determina il numero di variabili in ingresso che possiamo comandare. La logica della

programmazione deve tenere a mente il fatto che nell'automazione industriale i programmi

non sono come quelli classici che vengono eseguiti una volta sola, ma vengono eseguiti

ciclicamente più volte al secondo. Ad ogni avvio infatti il programma legge in automatico i

valori delle variabili in ingresso, su queste variabili compie delle operazioni (date dal

programma) e al termine scrive sulle uscite. Dopodiché ricomincia da capo in un loop

continuo che viene chiamato CICLO DI COPIA MASSIVA.

Il funzionamento di un PLC si può assimilare ad un sistema HARD REAL-TIME, dato che

il tempo di esecuzione delle operazioni lettura, elaborazione e scrittura è critico per il

corretto funzionamento dell'impianto. Come detto nelle prime lezioni il programma deve

saper rispondere a qualsiasi richiesta entro due cicli di clock. Siccome però il mondo

esterno non è sincrono come quello del computer, ci sono eventi a cui il PLC deve

rispondere immediatamente senza attendere il ciclo successivo: per esempio se salta la

corrente il sistema operativo si occupa si salvare subito lo stato delle variabili in una

memoria alimentata da una batteria tampone.

Le prestazioni di un PLC si basano sui tempi, in particolare il TEMPO DI SCANSIONE,

cioè il tempo che passa tra due esecuzioni dello stesso codice (in sostanza è la durata del

ciclo), e il TEMPO DI REAZIONE, cioè il tempo necessario per il PLC a dare una risposta

a seguito di un evento. Il sistema operativo invece è avanzato, effettua una serie di

controlli pazzeschi per garantire che tutto stia funzionando per il meglio e permette varie

modalità di funzionamento del PLC: modalità di programmazione, quando usiamo il

terminale per inserire un software, modalità di debugging, quando vogliamo testare un

software per vedere se funziona correttamente e per vedere come si comporta con

ingressi specifici, modalità di esecuzione, quella di funzionamento vero e proprio

nell'impianto industriale. La memoria del PLC è suddivisa in aree specifiche, dividendo lo

spazio del sistema operativo da quello degli ingressi, delle uscite, dei dati utente ecc...

Infine per la scelta del PLC bisogna per prima cosa guardare di quanti moduli esso

dispone e di quanti ce ne servono, per questo motivo i PLC si dividono in micro, piccoli,

medi e grandi: si va così dai micro che hanno 64 sensori fino ai grandi che ne hanno

migliaia. La memoria naturalmente va di pari passo col numero di moduli disponibili.

La primaria competenza informatica è, naturalmente, saper scrivere il codice che va a

finire nel PLC. Abbiamo a disposizione un certo numero di linguaggi di programmazione

fatti apposta per questo scopo previsti dalla normativa. Si suddividono in linguaggi

GRAFICI e TESTUALI. Tra i linguaggi grafici il più noto è quello A CONTATTI detto anche

LADDER DIAGRAM, che assomiglia molto agli schemi dei circuiti elettrici. Esiste perché i

vecchi ingegneri che progettavano la logica cablata (gli armadi di relè per intenderci) erano

abituati a realizzare di fatto circuiti