INTRODUZIONE AL CORSO DI AUTOMAZIONE I

1. Dipartimento di Informatica e Sistemistica INTRODUZIONE AL CORSO DI AUTOMAZIONE I Dott. Ing. VINCENZO SURACI ANNO ACCADEMICO 2012-2013 Corso di AUTOMAZIONE 1

2. PARTE 1 INTRODUZIONE AL CORSO

3. Nuclei Tematici • Introduzione • Piramide della Automazione • Livello di Campo • Livello di Coordinamento • Livello di Conduzione • Livello di Gestione

4. INTRODUZIONE MODALITÀ DI ESAME • PROVA SCRITTA • Reverse Engineering di un sistema reale • PROVA ORALE • Revisione critica della tesina; • Domande sul programma dell’esame.

5. BIBLIOGRAFIA

6. BIBLIOGRAFIA

7. BIBLIOGRAFIA

8. PARTE 2 INTRODUZIONE ALL’AUTOMAZIONE

9. FORMARE UN INGEGNERE «Scientia quo magis speculativa eomagispractica» Gottfried Wilhelm von Leibniz • Formare un ingegnere significa rendere un allievo capace di utilizzare i principi di base e i metodi di lavoro tipici dell’ingegneria per affrontare e risolvere razionalmente problemi complessi realmente esistenti. • L’ingegnere deve pervenire a soluzioni tecnicamente competitive ed economicamente convenienti.

10. PERCHÉ INVESTIRE NELL’AUTOMAZIONE ? • l’Ingegneria Industriale è finalizzata alla progettazione e realizzazione di apparecchiature e impianti con tecnologie facilmente riconoscibili: chimica, meccanica, elettrica, elettronica, informatica, aeronautica, aerospaziale; • L’Automazione è una tecnologia nascosta ma sempre presente, indispensabile per rendere funzionanti le realizzazioni ottenute con le altre tecnologie, al fine di raggiungere le finalità, le prestazioni e le specifiche desiderate.

11. L'OBIETTIVO DELL’INGEGNERE DELL’AUTOMAZIONE • L’ Ingegnere dell’Automazione ha come obiettivo quello di individuare, progettare, rendere operative, secondo approcci sistematici, le modalità in grado di imporre le azioni di intervento sul sistema da controllare (ad esempio una macchina, un impianto, ecc.), utili per raggiungere le finalità, le prestazioni e le specifiche desiderate.

12. IL RUOLO DELL’INGEGNERE DELL’AUTOMAZIONE • Il ruolo dell’Ingegnere dell’Automazione è quello di seguire il ciclo di vita del sistema da controllare, ovvero quello di progettare, scegliere, realizzare, installare, rendere operativo e gestire il sistema controllato.

13. PRINCIPALI SETTORI DELL’INGEGNERIA LA REALIZZAZIONE RAGGIUNGE LE FINALITÀ DESIDERATE SENZA NECESSITÀ DI ULTERIORI INTERVENTI CIVILE / EDILE SISTEMI STATICI LA REALIZZAZIONE CONSENTE DI RAGGIUNGERE LA FUNZIONALITÀ DESIDERATA A REGIME, TALVOLTA IL TRANSITORIO È TRASCURATO OCCORRE INDIVIDUARE GLI INTERVENTI NECESSARI A RAGGIUNGERE LE PRESTAZIONI E LE SPECIFICHE DESIDERATE A REGIME. ELETTRICA ELETTRONICA MECCANICA ENERGETICA AERONAUTICA CHIMICA SISTEMI DINAMICI FORNISCE LE MODALITÀ SISTEMATICHE DI PROGETTAZIONE DELLE AZIONI DI INTERVENTO DA APPLICARE ALLA REALIZZAZIONE IN ESAME. SVILUPPA NUOVE METODOLOGIE PER MIGLIORARE LE PRESTAZIONI STATICHE E DINAMICHE E PER RENDERE PIÙ FLESSIBILI SIA LE SINGOLE REALIZZAZIONI SIA I SISTEMI CONTROLLATI COMPLESSI. AUTOMATICA

14. REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE AUTOMAZIONE MECCANICHE, ELETTRICHE, ELETTRONICHE, INFORMATICHE

15. REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE MECCANICHE REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE ELETTRICHE REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE ELETTRONICHE REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE INFORMATICHE REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE DELL’AUTOMAZIONE ELEMENTI SINGOLI PROGETTAZIONE METODOLOGIE CRITERI EMPIRICI METODOLOGIE SISTEMATICHE PRESTAZIONI SISTEMA DEVONO ESSERE RAGGIUNTE QUELLE PREFISSATE VENGONO ACCETTATE QUELLE CHE POSSONO ESSERE OTTENENUTE

16. SISTEMA DA CONTROLLARE E SISTEMA DI CONTROLLO • La macchina o l’impianto sui cui intervenire è indicato come sistema da controllare; • Gli attuatori, i dispositivi di misura, i dispositivi di elaborazione, le reti di comunicazione e le modalità di controllo costituiscono il sistema di controllo. MODALITÀ DI CONTROLLO SISTEMA DI CONTROLLO ATTUATORI DISPOSITIVI DI MISURA DISPOSITIVI DI ELABORAZIONE RETI DI COMUNICAZIONE

17. SISTEMA CONTROLLATO Il sistema da controllare e il sistema di controllo costituiscono un insieme inscidibile indicato comunemente come sistema controllato. SISTEMA DI CONTROLLO SISTEMA DA CONTROLLARE ATTUATORI DISPOSITIVI DI MISURA DISPOSITIVI DI ELABORAZIONE RETI DI COMUNICAZIONE MODALITÀ DI CONTROLLO SISTEMA CONTROLLATO

18. STRUTTURA DI UN SISTEMA COMPLESSO SISTEMA COMPLESSO SISTEMA COMPLESSO IMPIANTO 2 IMPIANTO 1 IMPIANTI IMPIANTO n APPARATO 2 APPARATO 3 APPARATI APPARATO 4 APPARATO 5 APPARATO 1 COMPONENTE COMPONENTE COMPONENTE COMPONENTE COMPONENTE APPARATO i+1 COMPONENTI APPARATO 1 COMPONENTE COMPONENTE COMPONENTE APPARATO n APPARATO k MODELLO DELLA STRUTTURA DI UN SISTEMA COMPLESSO STRUTTURA DI UN SISTEMA COMPLESSO

19. SISTEMA CONTROLLATO COMPLESSO STRUTTURA DI UN SISTEMA CONTROLLATO COMPLESSO SCELTA DELLE CONDIZIONI OPERATIVE DEGLI IMPIANTI IN FUNZIONE DELLE FINALITÀ RICHIESTE ALLA PRODUZIONE AZIENDALE OTTIMIZZAZIONE DELLA GESTIONE DEL SISTEMA GESTIONE SISTEMA COMPLESSO VERIFICA ON-LINE DEL RAGGIUMENTO DELLE CONDIZIONI OPERATIVE, IMPOSIZIONE DELLE CONDIZIONI OPERATIVE DESIDERATE E SEGNALAZIONE DI EVENTUALI ANOMALIE OTTIMIZZAZIONE DELLA CONDUZIONE DEGLI IMPIANTI CONDUZIONE IMPIANTI COORDINAMENTO DEGLI ELEMENTI SINGOLI DI OGNI APPARATO E SEQUENZIALIZZAZIONE DEGLI INTERVENTI OTTIMIZZAZIONE DELLE PRESTAZIONI DEGLI APPARATI COORDINAMENTO APPARATI INTERVENTI SPECIFICI FINALIZZATI ALLA OTTIMIZZAZIONE DELLA PRONTEZZA E DELLA FEDELTÀ DI RISPOSTA DEGLI ELEMENTI SINGOLI CAMPO ELEMENTI SINGOLI

20. ORGANIZZAZIONE DEI CORSI GESTIONE SISTEMA COMPLESSO AUTOMAZIONE CONDUZIONE IMPIANTI COORDINAMENTO APPARATI CAMPO ELEMENTI SINGOLI FONDAMENTI DI AUTOMATICA

21. PROGETTAZIONE DELLE AZIONI DI INTERVENTO A LIVELLO DI CAMPO APPROCCIO EMPIRICO Permette di INDIVIDUARE le azioni di intervento sugli elementi singoli in modo da portare il sistema complesso in condizioni operative di funzionamento senza possibilità di imporre alcun vincolo sulla precisione statica e senza possibilità di poter intervenire sull’intervallo di tempo necessario a raggiungere le condizioni operative desiderate. Non è necessario disporre di un modello matematico che descriva la dinamica dei singoli elementi. È sufficiente conoscere le caratteristiche statiche dei singoli elementi. APPROCCIO SISTEMATICO Permette di PROGETTARE le azioni di intervento sugli elementi singoli in modo da portare il sistema complesso in condizioni operative di funzionamento imponendo opportuni vincoli sia sulla precisione statica sia sul tempo massimo entro cui devono essere raggiunte le condizioni operative. È necessario disporre di un modello matematico che descriva gli aspetti dinamici significativi dei singoli elementi. Prima di rendere operative le azioni di intervento è necessario validarle su un modello matematico più accurato.

22. RAPPORTO COSTO/PRESTAZIONI DI UN SISTEMA CONTROLLATO progettazione del sistema da controllare realizzazione del sistema da controllare scelta e istallazione della strumentazione acquisizione della strumentazione e della rete di comunicazione progettazione delle modalità di intervento progettazione delle modalità di controllo e loro trasferimento nei dispositivi di elaborazione COSTO realizzazione dei programmi per il raggiungimento delle finalità e funzionalità desiderate del sistema controllato PRESTAZIONI realizzazione dei programmi per il miglioramento della qualità delle prestazoni del sistema controllato

23. Tutto ha inizio con la richiesta del committente ad un fornitore. Il committente fornisce gli obiettivi che devono essere raggiunti dal sistema da controllare, nonché i vincoli di progetto. Il fornitore è responsabile della progettazione, della realizzazione e della messa in funzione del sistema controllato. COMMITTENTE E FORNITORE

24. OBIETTIVI Le finalità indicano cosa deve fare il sistema controllato quando è in condizioni nominali di funzionamento. La funzionalità rappresenta l’insieme delle attività che devono essere svolte dal sistema controllato per poter soddisfare le finalità desiderate. Le prestazioni rappresentano le modalità secondo cui devono essere svolte le attività previste per ottenere la funzionalità desiderata. Le specifiche indicano come le prestazioni devono essere raggiunte. In particolare rappresentano i valori che devono assumere le grandezze che caratterizzano il raggiungimento delle prestazioni.

25. VINCOLI vincoli strutturali che impone il sistema da controllare (ad es. sovradimensionamento); vincoli operativi del sistema controllato (ad es. ambientali, energetici, spaziali, temporali); vincoli di costo intesi come la somma di costi di progettazione, di realizzazione, di istallazione, di configurazione, di messa in funzione e di gestione.

26. FASI DELLA PROGETTAZIONE individuazione del sistema da controllare, definizione degli obiettivi e dei vincoli di progetto; definizione del modello astratto; individuazione delle azioni di intervento; scelta delle modalità di controllo; progettazione della legge di controllo; DOCUMENTAZIONE VERIFICA

27. PARTE 3 RICHIAMI DI TEORIA DEI SISTEMI

28. ELEMENTI DI UN SISTEMA Un elemento fa parte di un sistema da controllare se e solo se esso è in grado di accumulare almeno una delle forme di energia che partecipano attivamente all’evoluzione del sistema in esame ed in maniera determinante al fine del raggiungimento degli obiettivi; Pertanto un elemento che non è in grado di accumulare energia o che accumula una forma di energia non determinante per la dinamica del sistema utile a verificare il raggiungimento degli obiettivi desiderati, non deve essere preso in considerazione. Individuati gli elementi, devono essere prese in considerazione tutte e sole le interazioni energetiche che essi hanno tra di loro e con elementi esterni al sistema da controllare.

29. EVOLUZIONE DI UN SISTEMA Un evento è un qualsiasi intervento effettuato sul sistema da controllare che ne determina un evoluzione. Per avere una evoluzione è necessaria una variazione dell’energia in termini di immissione, sottrazione, dissipazioneo trasformazione. Per avere una variazione di energia è necessario che essa sia immessa o sottratta dal sistema e/o che essa sia già accumulata nel sistema. Un sistema che non presenta una evoluzione è in equilibrio.

30. VARIABILI DI UN SISTEMA Qualsiasi grandezza che varia in maniera significativa nel periodo di osservazione del sistema è detta variabile, altrimenti è detta parametro. Solo quelle variabili che risultano determinanti per caratterizzare il comportamento dinamico del sistema devono essere prese in considerazione. Vengono indicate come variabili di ingresso tutte e sole quelle grandezze che sono in grado di imporre un’evoluzione. Il loro valore istantaneo è significativo della quantità di energia immessa o prelevata al sistema e coinvolta nella sua evoluzione.

31. VARIABILI DI UN SISTEMA Vengono indicati come disturbi, quelle variabili di ingresso sul cui valore istantaneo non si può agire in maniera diretta. Essendo variabili di ingresso sono in grado di immettere o sottrarre energia al sistema provocando una evoluzione (indesiderata) che altera il raggiungimento delle finalità desiderate. Di un disturbo si possono in genere misurare o stimare i suoi effetti e solo in casi particolari anche l’intensità. La misura o la stima del valore istantaneo del disturbo è indice della quantità dell’energia immessa o sottratta al sistema. Non si può agire sul valore istantaneo di un disturbo, ma si può agire sugli effetti che esso provoca nell’evoluzione del sistema da controllare. Ovvero si può solo attenuare l’effetto indesiderato dei disturbi.

32. VARIABILI DI UN SISTEMA Sono indicate come variabili di uscita, ovvero come variabili controllate, quelle grandezze che risultano significative per valutare gli effetti delle variabili di forzamento e dei disturbi ed il cui valore viene utilizzato per verificare il corretto soddisfacimento delle finalità desiderate. Le variabili di uscita sono significative dell’evoluzione del sistema. La misura del loro valore istantaneo non è pertanto indice di una quantità di energia ma solo degli effetti che ha avuto l’energia utilizzata per ottenere l’evoluzione. Sono indicate come variabili di stato quelle grandezze il cui valore istantaneo è significativo della quantità di energia accumulata dal sistema. Si devono considerare tutte e sole quelle variabili di stato associate a forme di energia accumulabile nel sistema e che partecipano in maniera determinante alla sua evoluzione e al raggiungimento delle finalità desiderate.

33. SCELTA E RUOLO DELLE VARIABILI Per una corretta scelta delle variabili di ingresso, di uscita, di disturbo e di stato occorre conoscere: la struttura del sistema da controllare; le modalità di funzionamento del sistema da controllare le finalità del sistema da controllare. Per uno stesso sistema da controllare la scelta e il ruolo delle variabili può essere differente in quanto sono differenti le finalità.

34. FINALITÀ : mantenere costante il livello del liquido nel serbatoio al variare della quantità del liquido prelevata ENERGIA ACCUMULATA VARIABILE CONTROLLATA: livello del liquido nel serbatoio VARIABILE DI INTERVENTO: quantità di liquido immessa DISTURBI: quantità di liquido attinta dal serbatoio in maniera casuale ENERGIA IMMESSA ENERGIA PRELEVATA VARIABILE DI INTERVENTO VARIABILE CONTROLLATA DISTURBO d(t) MODELLO DEL COMPORTAMENTO DINAMICO DEL SERBATOIO u(t) y(t)

35. FINALITÀ : istante per istante prelevare dal serbatoio la quantità di liquido desiderata DISTURBO ENERGIA IMMESSA VARIABILE CONTROLLATA: quantità di liquido prelevata VARIABILE DI INTERVENTO: posizione della valvola di intercettazione DISTURBI: quantità di liquido immessa nel serbatoio in maniera casuale ENERGIA ACCUMULATA ENERGIA IMMESSA q(t) VARIABILE DI INTERVENTO ENERGIA PRELEVATA d(t) VARIABILE CONTROLLATA MODELLO DEL COMPORTAMENTO DINAMICO DEL SERBATOIO u(t) y(t)

36. CONDIZIONI OPERATIVE TIPICHE DI UN SISTEMA DINAMICO ENERGIA IMMESSA ENERGIA ACCUMULATA ENERGIA PRELEVATA ENERGIA IMMESSA CASO 1 – STATO DI QUIETE ENERGIA IMMESSA ENERGIA ACCUMULATA ENERGIA PRELEVATA tempo tempo tempo NESSUNA EVOLUZIONE CONDIZIONE DI FUNZIONAMENTO: SISTEMA DINAMICO IN STATO DI QUIETE

37. CONDIZIONI OPERATIVE TIPICHE DI UN SISTEMA DINAMICO ENERGIA IMMESSA ENERGIA ACCUMULATA ENERGIA PRELEVATA ENERGIA IMMESSA tempo tempo tempo ENERGIA ACCUMULATA ENERGIA IMMESSA CASO 2 – REGIME PERMANENTE ENERGIA PRELEVATA NESSUNA EVOLUZIONE CONDIZIONE DI FUNZIONAMENTO: SISTEMA DINAMICO FUNZIONANTE IN REGIME PERMANENTE O FUNZIONAMENTO A RÈGIME

38. CONDIZIONI OPERATIVE TIPICHE DI UN SISTEMA DINAMICO ENERGIA ACCUMULATA ENERGIA IMMESSA ENERGIA PRELEVATA CASO 3 – EVOLUZIONE LIBERA ENERGIA IMMESSA ENERGIA ACCUMULATA ENERGIA PRELEVATA tempo tempo tempo ATTIVAZIONE DELLA VARIABILE DI INTERVENTO EVOLUZIONE DINAMICA A SPESE DELL’ENERGIA ACCUMULATA CONDIZIONE DI FUNZIONAMENTO: SISTEMA DINAMICO FUNZIONANTE IN EVOLUZIONE LIBERA

39. CONDIZIONI OPERATIVE TIPICHE DI UN SISTEMA DINAMICO ENERGIA IMMESSA ENERGIA ACCUMULATA ENERGIA PRELEVATA CASO 4 EVOLUZIONE FORZATA ed EVOLUZIONE LIBERA tempo tempo tempo ATTIVAZIONE DELLA VARIABILE DI INTERVENTO EVOLUZIONE DINAMICA A SPESE DELL’ENERGIA IMMESSA E DELL’ENERGIA ACCUMULATA CONDIZIONE DI FUNZIONAMENTO: SISTEMA DINAMICO FUNZIONANTE IN EVOLUZIONE FORZATA E IN EVOLUZIONE LIBERA

40. Dimensionamento di un sistema rispetto alle specifiche e all’effetto di disturbi prevedibili. SISTEMA DA CONTROLLARE SOVRADIMENSIONATO SISTEMA DA CONTROLLARE DIMENSIONATO CORRETAMENTE valore nominale valore nominale variabile controllata variabile controllata campo di escursione della variabile controllata previsto dalle specifiche campo di escursione della variabile controllata previsto dalle specifiche variabile controllata variabile controllata effetto del disturbo prevedibile effetto del disturbo prevedibile tempo tempo tempo di assestamento tempo di assestamento