Computer Integrated Manufacturing -...

lunedì 10 novembre 2008

Ing. Stefano MAGGIDipartimento di ElettrotecnicaPolitecnico di Milano

Sistemi per l’automazione industriale

Computer Integrated

Manufacturing

Stefano Maggi lunedì 10 novembre 2008 1

Sistemi per l’automazione industriale Computer Integrated Manufacturing

Contenuti

Il processo e l’impianto industriale

Il sistema di controllo di processo

CIM: definizione, ambito, funzioni coinvolte,

benefici attesi, aspetti caratteristici

La piramide CIM e l’integrazione

Metodi di progettazione per il sistema di controllo

di processo

Il modello del controllo di processo



Il processo industriale

Il processo industriale può essere definito come

l’insieme delle operazioni che concorrono a trasformare

le proprietà di uno o più materiali, tipi di energia o

informazioni con un obiettivo predeterminato; esempi

tipici possono essere la produzione di un determinato

bene attraverso una lavorazione continua oppure

discreta di tipo manifatturiero, la produzione di energia

elettrica oppure il suo trasporto e distribuzione, la

raccolta – elaborazione – diffusione di informazioni.



L’impianto industriale

L’impianto industriale è l’insieme degli apparecchi,

delle macchine e dei mezzi necessari all’esecuzione dei

compiti di trasformazione per cui il processo industriale

è concepito; il flusso principale di materiali – energia –

informazioni che entra nell’impianto per dar luogo al

flusso corrispondente a valle delle operazioni di

trasformazione delle loro proprietà è accompagnato da

un flusso analogo che si può definire flusso di servizio,

ossia necessario al corretto funzionamento di tutte le

parti dell’impianto.



Il sistema di controllo di processo

Il sistema che regola i comandi necessari al funzionamento dell’impianto e quindi al perseguimento dell’obiettivo del processo industriale, ne ottimizza le fasi e ne verifica i risultati è detto sistema di controllo di processo (PCS, Process Control System); oltre al processo stesso su cui agisce direttamente il controllo, questo è anche interfacciato al sistema superiore che ne imposta i comportamenti in funzione degli obiettivi che il processo deve conseguire.



MES & ERP

Il “sistema superiore” può essere semplicemente il

personale addetto alla conduzione dell’impianto

oppure un sistema di pianificazione della

produzione (MES, Manufacturing Execution

System) oppure ancora un sistema di gestione

delle risorse aziendali (ERP, Enterprise Resources

Planning).

Le variabili quindi in ingresso e uscita dal sistema

di controllo sono sia scambiate con il sistema

superiore (impostazione delle variabili di

riferimento, delle soglie, segnalazioni di stati e

allarmi, misure, ecc), sia con il processo

controllato (rilevamento e misura delle variabili

controllate e di controllo, comandi, ecc).



CIM: Definizione e Ambito

Definizione: impiego articolato e cooperante della

tecnologia informatica nei processi di

• progettazione,

• produzione,

• distribuzione,

per acquisire un durevole vantaggio competitivo.

Ambito: tutte le funzioni dell’impresa che possono

• essere assistite dall’elaboratore,

• essere automatizzate e quindi eseguite e

controllate dall’elaboratore,

• con un alto livello di integrazione.



Funzioni coinvolte

Sistemi informativi di Produzione

Funzioni amministrative

Computer Aided Design (CAD, CAE)

Funzioni di progettazione

Computer aided manufacturing

(CAM)

Funzioni di pianificazione &

controllo produzione

Flexible Manufacturing System (FMS) Funzioni di

produzione



Benefici attesi

Incremento della flessibilità produttiva dei volumi

Riduzione dei tempi di consegna (time-to-market)

Miglioramento della qualità

Riduzione dei costi

Miglioramento dei servizi al cliente

Sopravvivenza dell’impresa in un ambiente

altamente competitivo



Aspetti caratteristiciGli aspetti caratteristici dell’integrazione attuata

nella logica CIM sono:

•Basi di dati centralizzate e condivise dai diversi

processi

•Comunicazione di informazioni tra i diversi

sottosistemi di elaborazione

•Coordinamento e sincronizzazione delle varie

attività umane ed automatiche

•Ottimizzazione dei tempi e della flessibilità di

risposta in funzione delle condizioni di mercato

•Livello di qualità dei prodotti elevato e

controllato



La piramide CIM

0 – D ispositivi M eccanici

2 – Unità operatrice

4 – Area

6 – Azienda

1 – Sensore – Attuatore

3 – Reparto/Cella

5 – Stabilim ento

Ad ogni livello sono svolte delle funzioni di base comuni

distinguibili in tre categorie:

•Di gestione dal livello superiore: scomposizione dei comandi ricevuti in sottocompiti e rapporto delle attività svolte.

•Di gestione del proprio livello: assegnazione dei sottocompiti e delle risorse, attuazione dei sottocompiti del livello.

•Di gestione verso il livello inferiore: assegnazione dei sottocompiti e delle risorse e analisi delle informazioni di risposta ricevute dal livello inferiore.



L’integrazione

Due diverse tipologie di integrazione che ènecessario attuare a ciascun livello perraggiungere quella dell’intero sistema:

•Integrazione orizzontale: all’interno di ciascun livello

•Integrazione verticale: tra un livello e quelli adiacenti



Metodi di progettazione (1/2)

La progettazione di un sistema CIM può esserecondotta per mezzo di due approcci:

•Approccio top-down

•Approccio bottom-up



Metodi di progettazione (2/2)

La progettazione di tipo top-down è particolarmente

indicata per la realizzazione di sistemi nuovi in cui è

possibile far riferimento a modelli precisi di

architetture, dove è massimo il livello di integrazione e

la semplicità per raggiungerlo;

l’approccio bottom-up è indicato per situazioni già

esistenti, in cui si individuano interventi locali di facile

realizzazione, procedendo poi all’integrazione dei

diversi sottosistemi in modo però spesso difficoltoso



L’approccio Top-Down (1/3)

Nel percorso di progettazione top-down, ossia dall’altoverso il basso altrimenti detta di tipo sistemistica, ilprogetto viene impostato tipicamente in tre step:

•Analisi e stesura delle specifiche funzionali dell’intero sistema integrato:

durante questa fase si stabiliscono e descrivono dettagliatamente gli obiettivi ed i compiti del sistema di automazione nel suo insieme; si deve notare che l’impianto di processo è già stato definito nella sua topologia e funzionalità a seguito dell’attività svolta dai progettisti meccanici e di processo (Fase di strategia).




•Progettazione dell’architettura di sistema:

in questo step vengono delineate le apparecchiature di supervisione, controllo, attuazione e rilevazione (interfacce uomo-macchina – controllori – attuatori –sensori) necessarie all’espletazione delle funzioni e compiti definiti nello step precedente; aspetto essenziale nella definizione dell’architettura di sistema è l’integrazione dei diversi dispositivi attraverso la comunicazione delle informazioni tra di essi (connessioni seriali o parallele, segnali analogici e digitali, reti di comunicazione digitali e protocolli di comunicazione) (Fase di pianificazione).




•Definizione dello schema elettrico e delle logiche software:

nell’ultima parte della progettazione si concretizzano i risultati ottenuti dalle fasi precedenti per mezzo della stesura degli schemi elettrici di collegamento di tutti i dispositivi (parte hardware) e delle logiche di funzionamento di essi (parte software) (Fase di implementazione).



L’approccio Bottom-UpL’approccio bottom-up si sviluppa in modo inverso

a quello di tipo top-down in quanto

concettualmente prende le mosse dall’analisi dei

dispositivi presenti nell’impianto in termini di

collegamenti e logiche di funzionamento;

Si procede poi alla definizione dell’architettura di

sistema e delle funzioni che è possibile realizzare

con ciò che si è stabilito iterando e correggendo se

eventualmente non tutte le funzioni desiderate

sono attuabili in prima battuta.

Esistono naturalmente anche approcci misti alla

progettazione, in cui ad esempio si utilizza il

metodo top-down per lo studio delle diverse

sezioni di impianto e quello bottom-up all’interno

di ciascuna di esse.



Il modello del controllo di processo



Livello 1: Sensori/Attuatori

E’ costituito dall’insieme dei sensori e degli attuatori, ossia dai dispositivi di campo che vengono interfacciati direttamente all’impianto industriale costituendo la sezione di ingresso – uscita del sistema di controllo.

La funzione del livello 1 è quella di riportare al livello sovrastante le misure di processo e di attuare i comandi ricevuti da esso. Il livello di intelligenza richiesto ai dispositivi di campo è limitata, dovendo essi soltanto trasdurre grandezze fisiche di varia natura (es. temperatura, pressione, tensione, ecc.) a segnali tipicamente di tipo elettrico (corrente e tensione) e viceversa.

E’ bene notare come sia crescente la tendenza di dotare sensori ed attuatori di intelligenza dedicata anche alla gestione di una interfaccia di comunicazione digitale e seriale.



Livello 2: Controllo di macchina

E’ costituito dai controllori, solitamente di tipo automatico o semiautomatico, interfacciati con i sensori e gli attuatori dei dispostivi meccanici facenti parte di una stessa unità operatrice. Le apparecchiature del livello 2 sono i controllori a logica programmabile (PLC, Programmable Logic Controller), semplici sistemi di controllo distribuito (DCS, Distributed Control System), centri di lavorazione a controllo numerico (CNC, Computer Numeric Controller).

Le funzioni cui il controllo di macchina è preposto sono la regolazione diretta delle variabili, la realizzazione sequenziale di operazioni e di interblocchi, ecc.; tali operazioni non sono in genere molto complesse, ma devono essere coordinate con quelle fatte eseguire alle altre macchine attraverso l’operato del livello superiore.



Livello 3: Controllo di cella

I controllori costituenti questo livello regolano il

funzionamento di tutte le macchine operatrici

costituenti una cella di lavoro attraverso la

comunicazione con i relativi controllori; le operazioni

svolte a questo livello sono analoghe a quelle del

livello 2 risultando soltanto più complesse e a

maggior spettro in varietà e dimensioni.

In modo analogo i controllori PLC e DCS del livello 3

sono più potenti in termini di capacità elaborativa,

memoria, comunicazione, ecc.; crescente interesse,

soprattutto dal punto di vista economico, rivestono le

moderne soluzioni di automazione basate su Personal

Computer (PC).



Livello 4: Controllo di area (1/2)

E’ costituito dal sistema di supervisione, controllo e

acquisizione dati (SCADA, Supervisory Control And

Data Acquisition); le apparecchiature su cui sono

implementate le piattaforme software sono

tipicamente Work Station (WS), con struttura client –

server, o PC nelle applicazioni più semplici.

Le funzioni svolte a livello 4 sono quelle legate alla

gestione dell’intero processo controllato: gestione

operativa intesa come impostazione del lotto da

produrre o dei cicli di lavorazione, gestione delle

situazioni di allarme, analisi dei risultati, ecc.



Livello 4: Controllo di area (2/2)

Il controllo di area differisce sostanzialmente da

quello di macchina e di cella, in quanto i requisiti di

elaborazione real-time sono fortemente ridotti; le

funzioni infatti che devono essere svolte a questo

livello sono fortemente dipendenti dall’operatore

eventualmente coadiuvato, come si è accennato

precedentemente, da sistemi automatici di tipo

gestionale che però lavorano su orizzonti temporali e

con obiettivi completamente differenti.

Restano invece molto importanti i tempi di risposta

dell’intero sistema per quanto concerne la rilevazione

e segnalazione di eventuali situazioni di allarme in cui

l’operatore può e deve essere in grado di prendere

provvedimenti.

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