Appunti completi corso Automazione Industriale

Introduzione all'automazione industriale

Prima di tutto cerchiamo di capire di che cosa stiamo parlando: cos'è l'automazione industriale? Secondo le definizioni è la disciplina che studia metodologie e tecniche per analizzare e progettare sistemi automatici di controllo. Ma mentre l'automatica si focalizza su un aspetto specifico (un oggetto, un singolo processo, un dispositivo), nell'automazione industriale il punto di vista è più ampio. Bisogna progettare sistemi per controllare un impianto industriale, che è composto da decine di dispositivi diversi, da centinaia di sensori e attuatori. Bisogna saper regolare i flussi di energia, di materiali, di informazioni che avvengono nel processo industriale.

L'importanza dell'automazione nei processi produttivi

Per esempio in un processo manifatturiero si parte dalle materie prime che vengono portate in giro per l'impianto e lavorate per ottenere il prodotto finito. A noi interessa questo processo nel suo insieme, cioè il coordinamento di tutte le operazioni tra le macchine coinvolte per realizzare il processo che va dalle materie prime al prodotto finito, coinvolgendo flussi di materiali, di energia e di informazioni.

Perché serve l'automazione nei processi produttivi moderni? Un sistema automatico uniforma la qualità dei prodotti, dato che le macchine fanno le stesse operazioni sempre uguali e nello stesso modo. Permette la flessibilità, ovvero le stesse macchine possono fare prodotti diversi se impostate in maniera differente. Si possono così creare due sequenze produttive che realizzano due prodotti diversi, ma che hanno delle macchine in comune. Quindi nell'impianto si possono avere prodotti diversi in circolo nello stesso impianto o macchinario, per questo non bisogna perdere traccia di chi deve fare cosa e dello stato dei materiali. Questo permette la produzione on demand, ovvero l'accorciamento dei tempi che vanno dall'ordine di produzione al soddisfacimento della richiesta. I tempi si riducono se possiamo immediatamente introdurre nella produzione il prodotto richiesto. Ma questo richiede che l'impianto sia flessibile, deve potersi configurare per compiti diversi.

Altri vantaggi sono piuttosto ovvi: minori scarti di lavorazione, minor costo della produzione (non sempre, ma sul lungo periodo sì), maggior rispetto di criteri igienici o ambientali, riduzione dei consumi energetici.

Obiettivi di controllo nell'automazione industriale

Quali sono gli obiettivi di controllo? Qua inizia a esserci la prima serie di differenze con l'automatica, per esempio il coordinamento delle sequenze produttive. Banalmente la produzione di un elemento richiede una sequenza fissa e chiara di operazioni da svolgere in serie, ma già se ci sono prodotti diversi in circolo tutto diventa più complicato: devi tenere traccia dei prodotti, capire chi può proseguire e chi deve aspettare se c'è un macchinario condiviso. Bisogna quindi saper gestire le risorse condivise, che possono essere i macchinari, ma per esempio anche lo spazio a disposizione: se tanti robot lavorano uno vicino all'altro e si muovono, bisogna assicurarsi che non vadano a sbattere l'uno contro l'altro. Bisogna anche evitare le situazioni di blocco del sistema: può verificarsi una situazione di deadlock se varie macchine si attendono tra di loro. Uno degli obiettivi del controllo perciò è anche saper prevedere possibili situazioni di stallo ed evitarle.

Ma anche la gestione di altri eventi come l'accensione e lo spegnimento delle macchine (non basta premere un bottone per accendere tutto), la gestione dei malfunzionamenti (cosa fare se un sensore o un attuatore si guasta?). Un sistema di controllo deve prevedere anche questi eventi e comportarsi di conseguenza per evitare danni. Per fare un sistema di controllo serve un sistema di calcolo che emetta dei comandi per portare in giro informazioni. Poi gli attuatori trasformano le informazioni in azioni fisiche. Servono sensori per misurare, per esempio se devo riempire un serbatoio devo anche sapere quando chiudere il rubinetto dopo che lo ho aperto. Si può usare un sensore che avvisa quando il serbatoio è pieno, oppure in anello aperto posso calcolare il tempo necessario per il riempimento se so la portata del rubinetto e la capacità del contenitore (ma è estremamente sconsigliato). Il sistema di calcolo, attraverso sensori e attuatori, vede l'impianto produttivo: con i sensori vede e con gli attuatori agisce.

Programmable Logic Controller (PLC)

Il controllore, che studieremo, si chiama PLC, che sta per Programmable Logic Controller. Riassumendo le differenze con l'automatica, secondo il prof questo corso è più facile (mah). Ma anche i sistemi sono diversi: le variabili sono di tipo logico, discrete, e non a tempo continuo come di solito sono in automatica. Tuttavia i sistemi rimangono dinamici e non algebrici, perché il comportamento non dipende solo dagli ingressi ma anche dalla storia passata. Qui è tutto discreto, perché il comportamento del sistema cambia in base agli eventi, accadimenti di durata infinitesima che alterano lo stato del sistema. La dinamica non è data dal tempo (non ci interessa sapere lo stato in ogni istante di tempo), ma ci interessano gli stati al verificarsi di un determinato evento, indipendentemente da quando accade.

Logica sequenziale nei controlli

Per questo le istruzioni del controllore sono logiche, cioè di tipo if-then: se succede questo fai quello. Ma la logica è, come detto prima, sequenziale, perché gli effetti dei comandi dipendono dalla storia passata del sistema. L'obiettivo finale sarà saper scrivere del codice per impartire alle macchine i comandi da eseguire. Ma come programmatori sappiamo benissimo che buttarsi a scrivere è una cattiva idea. Bisogna prima descrivere il problema, utilizzare dei modelli dinamici e questo è essenziale! Specialmente per sistemi insidiosi, come quelli flessibili. Torneranno in gioco gli automi e le Reti di Petri per la modellizzazione astratta e la codifica dei sistemi di controllo. La prima parte del corso sarà più dedicata all'implementazione, cioè alla stesura di codice per controllori, e successivamente vedremo i modelli. E la presentazione del corso finisce con due video pazzeschi sulla produzione di cerchioni per moto e un altro sulla produzione delle pizze congelate (orribile). Dal video dei cerchioni si capisce che il vero investimento non è tanto nei macchinari come le presse (quelle c'erano pure prima), ma nella presenza di robot trasportatori, che facendo tutto in automatico sostituiscono gli operai delle catene di montaggio.

Il modello CIM nella gestione industriale

Per governare il processo industriale, si utilizza dal punto di vista logico e organizzativo una gerarchia appartenente al modello CIM (Computer Integrated Manufacturing). Qui il sistema produttivo, i sistemi di automazione e i sistemi informativi gestionali fanno parte di una stessa infrastruttura informatica. La gerarchia è composta da cinque livelli che mandano informazioni al livello superiore e comandi al livello inferiore. Il livello più basso è quello del campo che comprende tutti i sensori, gli attuatori, il controllo dei singoli giunti del robot. Poi c'è la macchina, più macchine insieme compongono una cella, più celle formano uno stabilimento, al di sopra del quale c'è l'azienda. Questa gerarchia permette un maggior livello di astrazione. Per esempio un sistema di controllo di campo è visto come un singolo attuatore dal livello superiore, nel senso che quest'ultimo vede solo un set-point ma non si preoccupa di come il campo operi per inseguirlo. Il livello di macchina infatti si occupa di controllare l'intero robot per compiere un'operazione, non di controllare i singoli giunti (dà per scontato che se viene inserito un set-point il campo è capace di raggiungerlo). La cella è l'insieme di più macchine, quindi deve controllare la cooperazione tra le macchine e i sistemi di trasporto dei materiali. A livello di stabilimento si ricevono istruzioni dall'azienda, ovvero piani produttivi che vengono realizzati usando lo SCADA.

Controllo continuo e logico-sequenziale

La parte che interessa a noi è quella sotto lo stabilimento, cioè tutto ciò che ha prettamente a che fare con il controllo. Tra i vari sistemi di controllo esistenti uno di questi è il controllo continuo o modulante, chiamato così perché la variabile di controllo assume valori continui sull'asse reale (per esempio posizione o temperatura). Attenzione che il continuo ha a che fare con la variabile di controllo e NON con il tempo! Quello non c'entra niente e non ci interessa! Anche se d'ora in poi li chiameremo sistemi continui, ma non farti fregare. Al contrario nel controllo logico o sequenziale l'uscita assume valori discreti e finiti, e anche qui parleremo di sistemi discreti senza però coinvolgere il tempo.

Gestione dei sistemi industriali mediante automi a stati finiti

Il controllo può anche essere logico su variabili tipicamente continue, per esempio nel controllo della temperatura di un freezer: magari non ci interessa avere il valore preciso richiesto di temperatura, ma va bene che oscilli intorno al valore desiderato. In questi casi si accende un relè che abbassa la temperatura e poi si spegne per riaccenderlo quando la temperatura si alza nuovamente. Abbiamo una situazione in cui la variabile di controllo è continua, ma nel sistema è trattata come se fosse discreta e oscilla tra due valori (sopra il set-point vs sotto il set-point). Questo è un caso particolare che non ci capiterà molto, ma è per far capire cosa si intende per discreto. Nel nostro corso lo stato sarà discreto nel vero senso del termine. Il controllo modulare è tipico nel controllo di campo, che è quello più di basso livello e vicino alla fisica. Man mano che si sale con l'astrazione il controllo diventa sempre più logico.

Con il controllo logico possiamo risolvere il problema di sequenziare le operazioni (mettere le operazioni nell'ordine giusto), allocare le risorse (assicurandoci che siano allocate ad uno strumento solo se sono condivise), sfruttare il parallelismo del sistema (ovvero allocare risorse diverse in contemporanea). Fin qui non diamo importanza al tempo, inteso come la durata delle singole operazioni. Se introduciamo l'elemento tempo magari ci serve sapere quanto tempo occorre per ogni operazione, per esempio per valutare le prestazioni dell'impianto e calcolare delle statistiche: quanto ci mette a produrre, per quanto tempo è usata una risorsa ecc... Ma sono domande che hanno a che fare con l'ottimizzazione delle risorse e si analizzano con metodi di ricerca operativa. Ci sono anche problematiche di scheduling, che non vedremo tanto nel corso ma esistono e stanno a metà tra il controllo automatico e la ricerca operativa. Queste sono tutte problematiche che coinvolgono la variabile tempo, che a livello di processo non ci interessa.

Descrizione dei sistemi dinamici a eventi discreti

A livello più astratto interviene il controllo logico perché possiamo associare alla macchina un certo stato di funzionamento. Per esempio alla pressa dei cerchioni possiamo associare gli stati “spento”, “acceso e inattivo”, “acceso e attivo” (quando schiaccia). In un robot per il trasporto gli stati sono molto più numerosi, ma sono comunque in numero finito e possiamo codificarli uno ad uno. Per questo motivo i sistemi industriali possono essere schematizzati con gli automi a stati finiti o con le reti di Petri (che useremo spesso). L'evoluzione del sistema è data dal fatto che succede qualcosa che fa cambiare lo stato. Questi accadimenti si chiamano eventi. Si possono distinguere in due tipi: comandi e misure. I comandi sono le istruzioni date dal controllore al sistema, quindi sono l'output del controllore e l'input del sistema: accendi questo, spegni quello, sposta quest'altro. Le misure invece sono gli eventi dati dal sistema quando qualcosa accade, per esempio quando un pezzo smette di muoversi perché è arrivato a destinazione. Sono gli output del sistema e l'input del controllore, che reagisce di conseguenza.

Il controllore e il sistema nel loro insieme sono quindi retroazionati. Per esempio se il controllore dice di riempire un serbatoio, viene aperto il rubinetto e quando il sensore rileverà che il serbatoio è pieno, invierà l'evento al controllore che di conseguenza ordinerà la chiusura del rubinetto. Nota che qui il tempo non è importante: è importante l'ordine temporale delle operazioni, ma non la durata di ogni operazione. Non ci interessa se ci mette tanto o poco a riempire il serbatoio: finché non è pieno io aspetto. Il controllo logico quindi non considera la durata dei tempi, dice solo cosa bisogna fare.

Distinzione tra evento e segnale

Bisogna distinguere l'evento dal segnale: il segnale è l'andamento nel tempo di una variabile. Per esempio un interruttore può essere acceso o spento, quindi è una variabile a due valori (o stati). Quello è un segnale. L'evento cos'è? Per esempio il rilascio del pulsante: lo tengo premuto e non succede niente, lo mollo e succede qualcosa, cioè una commutazione del segnale. Segnali diversi potrebbero generare lo stesso evento. Gli eventi sono discreti: fanno cambiare lo stato e gli stati sono finiti, quindi anche le commutazioni di stato sono finite.

Due sequenze identiche di eventi provocano le stesse conseguenze se i due sistemi partono dagli stessi stati, perché trattiamo sistemi dinamici, cioè dipendenti dalla condizione iniziale: per questo parliamo di sistemi dinamici a eventi discreti. Descrivere questi sistemi è difficile perché non esiste un formalismo universale. Per esempio i principi fisici hanno un'equazione, il pendolo ha una equazione differenziale, ma qui si possono usare diversi formalismi: equazioni logiche, automi a stati finiti, reti di Petri... Ognuno ha i suoi vantaggi e svantaggi e diverse applicazioni in cui è più conveniente l'uno o l'altro.

Gli automi a stati finiti, come vedremo, non sono il miglior modo per formalizzare un sistema industriale, ma mettono bene in evidenza i concetti di stati e transizioni. Rappresentano l'insieme di tutti i comportamenti fisicamente possibili della macchina e di questi stati ne possiamo prendere una restrizione, che rappresenta il solo comportamento desiderato. Per capirci, un robot che arriva senza il pezzo in mano quando dovrebbe averlo è una cosa che fisicamente può succedere, ma non è ciò che vogliamo. I formalismi descrivono tutte le cose che possono succedere e selezionano i comportamenti fisicamente accettabili. Il comportamento desiderato è una restrizione di tutti i comportamenti possibili.

Approccio positivo e negativo nella specificazione delle restrizioni

Come facciamo a specificare questa restrizione? Si possono specificare in negativo, ovvero dire cosa non si vuole che il sistema faccia, mettendo dei vincoli. Oppure al contrario si possono specificare in positivo, esplicitando cosa può fare. Entrambi i metodi sono utilizzati e la preferenza di uno o l'altro dipende dal contesto. L'approccio positivo è quello adottato dai controllori veri e propri, che chiamiamo Boss, ovvero impongono le operazioni da fare. L'approccio negativo invece è applicato dai vigili, che sono dei supervisori: monitorano il sistema e intervengono quando il sistema sta andando per la strada sbagliata. Normalmente il supervisore è più di alto livello nella gerarchia, perché gestisce le risorse e il coordinamento, mentre il controllore si occupa delle singole macchine.

Problemi di sincronizzazione nel PLC

Problema: il PLC, controllore logico programmabile, è un computer e come tale ha un suo clock sincrono. Legge e scrive segnali che sono legati agli eventi, i quali sono invece asincroni e questo genera problemi di sincronizzazione. I più rilevanti sono:

• Tra un rilevamento e l'altro, se un segnale cambia due volte all'interno dello stesso ciclo, un evento viene perso. Bisogna quindi garantire che uno stato logico permanga almeno per la durata di un ciclo di clock.
• Nel caso peggiore, se un evento accade subito dopo il rilevamento, il sistema non potrà rispondere fino al ciclo successivo, dando così un ritardo di risposta di 2 cicli. Bisogna assicurarsi che questo ritardo sia tollerabile per il sistema.
• Se nell'arco di un ciclo avvengono due eventi diversi, verranno rilevati come simultanei e non si saprà chi è arrivato prima. Anche qui bisogna assicurarsi che in questi casi l'ordine relativo degli eventi sia indifferente per l'evoluzione del sistema.

Ricapitolazione del processo industriale

Ricapitolando, il processo è ciò che avviene alle materie prime per ottenere il prodotto finito, mentre l'impianto è l'insieme dei macchinari e degli edifici che permettono l'esecuzione del processo. Il sistema di controllo fa quello che sappiamo a menadito. Avevamo detto che il controllo si divide in modulante e logico-sequenziale, dove il controllo modulante usa variabili continue, mentre quello logico-sequenziale usa variabili logiche. Il controllo modulante è tipico dell'automatica, mentre il logico-sequenziale è diverso e per questo è ciò che studieremo meglio nel corso. Dicevamo anche che il controllo modulante è utilizzato più a basso livello, mentre il logico-sequenziale è più ad alto livello.

Categorie di processi industriali

A questo punto possiamo continuare dicendo che i processi possono suddividersi in quattro categorie:

• 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.