Reti e Sistemi per l’Automazione
Reti e Sistemi per L’Automazione
prof. Stefano Panzieri
Architetture per il Controllo Distribuito
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 1
Programma
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊
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◊
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◊
Dal loop singolo al controllo gerarchico e distribuito
Richiami sulla produzione integrata (CIM)
Standard di mercato delle reti informatiche per l'Automazione
Reti per il controllo e reti di campo
Sistemi di controllo supervisivo e di acquisizione dati per processi
industriali (SCADA)
Struttura e classificazione dei controllori a logica programmabile (PLC)
Ambienti di programmazione per linguaggio a contatti (Ladder logic) e
relativi sistemi di sviluppo
Diagrammi funzionali sequenziali (SFC) per la descrizione della logica
di controllo
Traduzione dell'SFC in equazioni booleane equivalenti ed in linguaggio
a contatti
Sensori per applicazioni industriali
Motion control.
Comunicazioni tra processi e servizi distribuiti: DDE, COM, DCOM,
OLE, OPC
Security e Safety nel mondo industriale
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 2
Esame
◊ Tesina di gruppo (ottimo: 2 persone)
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ Simulazione, controllo e visualizzazione di un piccolo processo
produttivo o di un sistema automatico
◊ Software: RsLogix5000, RsView, Visual Basic, iFix
◊ Esame orale
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
Produzione Integrata
Sistemi SCADA
Bus di Campo
Sensori per applicazioni industriali
Security e Safety nei sistemi di controllo
Motion control
…
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 3
Esempi di sistemi di controllo a
controreazione
◊ Controllo di velocità di un motore elettrico
◊ Regolazione continua della tensione o della corrente
◊ Controllo della temperatura di un forno domestico con
termocoppia
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ On/off a relè nei forni elettrici
◊ Continuo con in quelli a gas
◊ Controllo della velocità di crociera di un’automobile
◊ Regolazione continua degli iniettori in funzione della velocità misurata
◊ Regolatore elettronico di tensione
◊ La tensione in uscita è confrontata con una tensione di riferimento
◊ Controllo della velocità delle gabbie di un laminatoio
◊ In funzione della tensione tra la gabbia stessa e la precedente
◊ Controllo dell’assetto di un aeroplano
◊ Per mantenere il volo orizzontale o eseguire virate ed atterraggi
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 4
Altri fenomeni descrivibili con la
controreazione
◊ Economici
◊ Legge della domanda e dell’offerta
◊ Adeguamento dei salari collegato all’inflazione (ex-scala mobile)
◊ Biologici
◊ Curva di crescita logistica di una specie
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ La presenza di cibo stimola la crescita con un conseguente maggior consumo
◊ Competizione tra specie differenti
◊ Stabilizzazione dell’ossigeno nell’atmosfera
◊ Tramite dei batteri
◊ Ossigenazione dei tessuti ad opera dei globuli rossi del sangue
◊ secrezione di eritropoietina nei reni, dipendente dall’ossigeno in circolazione,
che stimola il midollo a produrre globuli rossi
◊ Infettivi
◊ Diffusione dei virus
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 5
Strumenti per la sintesi dei sistemi di
controllo
◊ A seconda del tipo di sistema e di modellistica
utilizzata abbiamo tool differenti
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ Sistemi lineari
◊ Modellistica in frequenza (Bode, Nyquist, Nichols, regolatori
standard PID)
◊ Modellistica nel tempo (Assegnazione delle dinamiche, regolatore,
controllo ottimo)
◊ Sistemi non lineari
◊ Risultati matematici parziali
◊ Soluzioni ad-hoc
◊ Tool matematici
◊ Matlab e Simulink
◊ Scilab e Scicos
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 6
Matlab con Simulink
◊ Controllo in velocità di un motore in corrente continua
Velocità
0
motor_plot
Constant
S-Function
Reti e Sistemi per l’Automazione
Kd
Signal
Generator
smorzamento
Km
1
La.s+Ra
(Jm+Jc)s+Dm+Dc
Parte Elettrica
Carico
f.c.e.m.
Km
Dppio click per
caricare i dati del motore
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 7
1
s
integratore
Posizione
◊ Teoria di Gaia
◊ Produzione/distribuzione
energia elettrica
◊ Struttura aeroportuale
◊ Fabbrica automatica
◊ Macchina a controllo
numerico
◊ Motore elettrico
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 8
Complessità
Interdipendenze
Sensibilità
Reti e Sistemi per l’Automazione
Sistemi Complessi
Controllo gerarchico
◊ I sistemi a larga scala presentano
spesso una struttura decomponibile in
moduli (sottosistemi) interagenti fra loro
◊ Questa struttura ha, alle volte,
un’organizzazione gerarchica a livelli
+intelligenza
- rapidità
Reti e Sistemi per l’Automazione
Coordinamento
Apparato di controllo locale
Controllo 1
Sistema 1
Controllo 2
Sistema 2
Apparato di controllo locale
Controllo 3
Sistema 3
comandi
Controllo 4
Sistema 4
Interazioni fisiche e logiche
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 9
informazioni
+rapidità
- intelligenza
Reti e Sistemi per l’Automazione
L’Automazione in Fabbrica
Manufacturing
Informatizzazione dei processi produttivi
Ingegneria dell’Informazione ed Automazione
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 10
Struttura gerarchica di
un’azienda
company
Reti e Sistemi per l’Automazione
quality
Quality
control
Inspection
R&D
technical
manufacturer
Purchasing
Planning
Control
Progress
Rate fixing
Stores
Engineering
design
marketing
financial
Workshops
Foundry
M/c shops
Assembly
Dispatch
Manufacturing
engineering
Process
planning
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 11
personnel
planning
Operazioni e Dati
◊ Production Planning
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ Engineering
◊ Research and project
development
◊ Manufacturing
development
◊ Design
◊ Engineering release
control
◊ Manufacturing
engineering
◊ Facilities engineering
◊ Industrial engineering
Stefano Panzieri
◊ Master production scheduling
(MPS)
◊ Master planning and resource
planning
◊ MRP: material requirements
planning
◊ MPR II: manufacturing
resource planning
◊ Purchasing
◊ Production control
Architetture di controllo distribuite - 12
Operazioni e Dati
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ Plant operations
◊ Physical distribution
◊ Production management and
control
◊ Material receiving
◊ Storage and inventory
◊ Manufacturing processes
◊ Test and Inspection
◊ Material transfer
◊ Packing, dispatch and
shipping
◊ Plant site servicing and
maintenance
Stefano Panzieri
◊ Physical distribution planning
◊ Physical distribution
operations
◊ Warranties, servicing and
spares
Architetture di controllo distribuite - 13
Operazioni e Dati
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ Marketing
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
Market research
Forecasting demand
Future sales
Analysing sales
Tracking performance of
products and market
segments
Advertising campaigns
Developing and managing
marketing channels
Managing sales personnel
Sales and customer order
servicing
Stefano Panzieri
◊ Business and financial
management
◊ Company services
◊ Payroll
◊ Accounts payable, billing
and accounts receivable
◊ Cost accounting
◊ Financial planning and
management
◊ Strategic planning
Architetture di controllo distribuite - 14
Capability, Product definition, Schedule,
and Performance data
Dati funzionali
Utilizzati dai gruppi di specialisti
Product
Time
Reti e Sistemi per l’Automazione
Capability/Capacity
Dati di prodotto
Generati dai vari gruppi
Product
Definitions
Dati Operativi
Per il controllo delle operazioni dell’azienda
Production
Schedule
Dati di performance
A conferma del successo delle operazioni
Production
Performance
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 15
CIM
definizioni
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ Computer Integrated Manufacturing (1973)
◊ Integrazione di informazioni riguardanti
◊
◊
◊
◊
Bussiness
Engineering
Manufacturing
Management
◊ Investe tutte le funzioni dell’azienda: dal marketing
alla distribuzione del prodotto
◊ Primi Obiettivi
◊ Minimizzare il “time-to-market” (lead time)
◊ Diminuire i costi (materiali, staff, livelli del management)
◊ Ridurre i magazzini
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 16
CIM
la risposta ad alcune problematiche
◊ Migliore utilizzo delle risorse
attraverso una pianificazione
dei processi produttivi
◊ Flessibilità di produzione
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ Veloce adeguamento a nuove
lavorazioni
◊ Riduzione dei tempi di
produzione
◊ Simultaneous engineering
◊ Migliore progettazione dei
prodotti
◊ Per dare alle macchine
informazioni non ambigue
◊ Conservazione e riutilizzo
delle informazioni
Stefano Panzieri
◊ Migliore controllo della
produzione
◊ Tutti i prodotti invece di alcuni
campioni
◊ Riduzione delle scorte di
materie prime
◊ Riduzione dei magazzini dei
prodotti finiti
◊ Riduzione degli scarti
◊ Eliminazione della carta e dei
costi ad essa connessi
◊ Riduzione dell’ENERGIA
consumata
Architetture di controllo distribuite - 17
Convergenza
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ In prospettiva il CIM intendeva integrare tutte
queste operazioni unificando
◊
◊
◊
◊
Dati
Dati
Dati
Dati
di
di
di
di
progetto
processo
marketing
gestione economica
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 18
Controllo di impianti Manifatturieri
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ Computer Integrated Manufacturing
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 19
Reti e Sistemi per l’Automazione
Elementi del CIM
CAD
◊ CAD: Computer Aided Design
◊ Modellatori
◊ Wire frame models
◊ Surface modellers
◊ Solid modellers ( Feature-based modellers)
◊ Progettazione
◊ Concettuale
◊ Layout
◊ Draft
◊ Analisi (CAE: computer aided engineering)
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 20
Vantaggi del CAD
◊ Migliorare la qualità del prodotto
◊ Disegno computerizzato
◊ Riduzione del lead-time (time-tomarket)
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ Direttamente le specifiche di produzione
◊ Simultaneous/Concurrent engineering
◊ Progettazione simultanea del processo di
produzione
◊ Workgroup computing
◊ Per ridurre ulteriormente il processo di
design
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 21
Workgroups
◊ Workgroup computing
◊ Per ridurre anche il tempo dedicato al Design
◊ BOEING 777: primo volo nel 1994
◊ 236 workgroups, 2200 workstations CATIA
◊ AIRBUS: creato nel 1995
◊ 1500 Workstations Computervision and CADDS5
software
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ Lavorano su un sottosistema
◊ Collocazione spaziale nell’intero progetto
◊ Rapporti con gli altri sottosistemi
◊ Rapidità nell’evidenziare conflitti e trovare
soluzioni alternative
◊ Software di supporto:
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
Messaging
E-mail
Diary management
Task scheduling
Task allocation
Task reporting
Database interface
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 22
Reti e Sistemi per l’Automazione
CAE
Computer Aided Engineering
◊ La modellazione
può essere
completata con
una simulazione
che metta in
evidenza
sollecitazioni
meccaniche e
termiche e criticità
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 23
Elementi del CIM
CAM
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ CAM: Computer Aided Manufacturing
◊ Manufacturing:
◊ Discrete part (dalle materie prime al prodotto finito attraverso
sottoinsiemi sempre più complessi – auto, lavatrici, aerei)
◊ Process manufacture (in maniera fluida dalla materia prima al prodotto
finito – petrolio, chimica)
◊ Mass production (lo stesso prodotto in grandi quantità con macchine
dedicate)
◊ Batch production (produzione di un primo lotto, re-setting dei macchinari
e produzione di un secondo lotto)
◊ Flexible production (produzione contemporanea di più oggetti in
sequenze non preordinate)
◊ Jobbing production (piccole quantità di oggetti quasi sempre diversi)
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 24
CAM
Attività Computer-Controlled
◊ Pianificazione tecnologica operativa e di processo
◊ Determinare come i prodotti e le loro parti devono essere fatte
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ Scheduling della produzione e controllo dei materiali e
della produzione
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 25
CAM
Attività Computer-Controlled
◊ Shop-floor data collection
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊
◊
◊
◊
◊
Monitoraggio delle macchine
Work-in-progress
Registrazione dei tempi
Registrazione delle spedizioni e delle ricezioni dei beni
Controllo dell’inventario
◊ Macchinari controllati dal computer
◊
◊
◊
◊
◊
◊
Macchine NC/CNC/DNC
Sistemi di trasporto a nastro
Robots
Automatic guided vehicles (AGV)
Celle di lavorazione
Sistemi integrati (Flexible Manufaturing Systems FMS)
◊ Magazzini
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 26
Reti e Sistemi per l’Automazione
CAM
Flexible Manufacturing System (FMS)
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 27
FMS
Struttura Informatica
Corporate
mainframe
Reti e Sistemi per l’Automazione
Satellite
link
Supervision and factory
management
Planner and
Backup
Factory
mainframe
D/B
Scheduler
D/B
System manager
Transport
Load/Unload
Carts
Load terminal
Stefano Panzieri
Storage control
AS/RS
Tool management
Tool crib
Architetture di controllo distribuite - 28
DNC
Machine tools
CIM
◊ Primo passo verso il CIM: unire il CAD al CAM
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ I dati di progetto diventano immediatamente dati di processo
◊ La progettazione avviene utilizzando tools informatici che
replicano i tools meccanici in grado di operare
le lavorazioni
◊ Non vi è una ricopiatura dei dati di progetto
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 29
Design-for-manufacture
Comp. aided
analysis
Reti e Sistemi per l’Automazione
Previous
design
Experience
Manufacture
requirements
Design
requirements
Market
requirements
Process cost
data
Machines
Research and
development
Material
availability
Product or part
geometry
Detail design (constrained by software with
geometry characterized by eng. features)
Detailed drawing
or model
Stefano Panzieri
Process plan
Architetture di controllo distribuite - 30
Tooling
La Fabbrica Automatica
4° Livello
Pianif. globale
Reti e Sistemi per l’Automazione
3° Livello
Gestione della produzione
(ottimizzazione)
2° Livello
Coordinamento delle
macchine
1° Livello
Comando delle singole macchine
Movimentazione
Robot
Stefano Panzieri
Rete di campo
Architetture di controllo distribuite - 31
Macchine
a CN
Processo
continuo
Magazzini
Piramide CIM
◊ Ogni livello si occupa di
◊ Acquisire, manipolare e trasferire informazioni
◊ Elaborare ed attuare strategie
5
4
Reti e Sistemi per l’Automazione
3
2
1
0
Dimensioni
Determinismo
Stefano Panzieri
Frequenza
Comandi
Architetture di controllo distribuite - 32
Informazioni
Reti e Sistemi per l’Automazione
Isole di Automazione
◊Ogni isola compie
una serie di
lavorazioni,
eventualmente
alternative
◊La coordinazione è
garantita da un
sistema di
supervisione integrata
flussi informativi
flussi di produzione
Supervisione Integrata
Isola 2
Isola 4
Isola 1
Isola 3
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 33
La crisi del CIM
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ Un forte aumento della turbolenza dell’ambiente in cui
operano le imprese industriali (dopo il 1990) porta ad un
mutamento nei paradigmi manageriali adottati dalle imprese
stesse
◊ E’ necessario abbandonare o ripensare le strategie
competitive estremamente focalizzate su questi singoli punti
◊ Diminuzione dei costi
◊ Aumento della qualità del servizio
◊ Aumento del livello di servizio.
◊ Si ricerca il miglioramento congiunto di produttività, qualità,
servizio e flessibilità senza dimenticare la gestione del
personale e la sua soddisfazione
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 34
Nuovi paradigmi di gestione della produzione
◊ Just-in-time
◊ Produzione orientata al flusso
◊ Eliminazione degli sprechi (tempi morti, scorte)
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊ Total Quality Control
◊ Orientata al cliente
◊ Focus sulla qualità
◊ Miglioramento continuo
◊ Concurrent Engineering
◊ Parallelizzazione tra progettazione di prodotto e processo mirata a
ridurre il tempo necessario per lanciare un nuovo prodotto
◊http://en.wikipedia.org/wiki/Just_in_time_(business)
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 35
Architettura a maglia
Reti e Sistemi per l’Automazione
◊Le isole
continuano ad
essere
responsabili dei
processi di
trasformazione
◊La
coordinazione
avviene grazie a
scambi di
informazioni
orizzontali
flussi informativi
flussi di produzione
Isola 2
Isola 4
Isola 1
Isola 3
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 36
Reti e Sistemi per l’Automazione
Information Technology e Automazione
◊ Nel modello tradizionale del CIM il ruolo dell’informatica consiste
nell’integrare le “isole” di automazione e le relative basi di dati.
L’Information Technology (IT) è vista, quindi, come opportunità
per ridurre il costo delle transazioni e degli scambi informativi fra
strutture aziendali esistenti.
◊ La riprogettazione dei processi induce un mutamento radicale
nell’approccio all’integrazione informatica: il ricorso all’ IT va
subordinato alla riprogettazione e rappresenta solo uno dei
molteplici elementi di ridefinizione del processo stesso.
◊ Perdono di rilevanza i modelli di architettura CIM piramidali a più
livelli, mentre assumono maggiore coerenza modelli di
architettura produttiva a rete che consentono scambi informativi
orizzontali “lungo” il processo.
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 37
Reti e Sistemi per l’Automazione
ISA-95
◊ E’ lo standard internazionale per l’integrazione delle
imprese e dei sistemi di controllo.
◊ Consiste di modelli e di terminologie che possono essere
utilizzati per determinare quali informazioni devono essere
scambiate tra i sistemi dedicati alle vendite, la finanza e la
logistica, e i sistemi per la produzione, la manutenzione e la
qualità
◊ Queste informazioni sono strutturate secondo dei modelli
UML che sono la base per lo sviluppo di interfacce standard
rea sistemi ERP (Enterprise Resource Planning) e sistemi
MES (Manufacturing Execution Systems)
◊ Lo standard ISA-95 può essere usato per molti scopi, per
esempio come guida per la definizione dei requisiti utente,
per la scelta di un fornitore di MES e come base per lo
sviluppo di sistemi MES e di database
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 38
Modello Funzionale ISA-95 (2000)
Reti e Sistemi per l’Automazione
Level 4
Level 3
Level 2
Level 1
Level 0
Business Logistics
Livello 4: business
planning and logistics.
Qui si trovano attività
come la schdulazione
della produzione
Manufacturing
Operations Management
Level 3 è il livello del
“manufacturing
operations and control”
del “production
dispatching”, del
“detailed production
scheduling”, e del
“reliability assurance”
Plant Production Scheduling, Shipping,
Receiving, Inventory, etc
Dispatching, Detailed Production
Scheduling, Production Tracking, ...
Batch
Production
Control
Continuous
Production
Control
Discrete
Production
Control
The production processes
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 39
I Livelli 4 e 3 sono gli
stessi
indipendentemente dal
tipo di industria
I Livelli 2, 1, e 0
differiscono a secondo
del tipo di industria
(batch, continuous,
and discrete)
Exchanged Information Categories
ISA-95.1 e ISA-95.2
Enterprise Information
Reti e Sistemi per l’Automazione
Plant Production Scheduling,
Operational Management, etc
Production Product Production
Production
Capability Definition Schedule
Performance
InformationInformation (Cosa fare
(Cosa è stato
(Cosa è
disponibile)
(Come fare
un prodotto)
e cosa
utilizzare)
fatto e usato)
Manufacturing
Control Information
Area Supervision, Production Planning,
Reliability, Assurance, etc
Stefano Panzieri
ISA-95
the international
standard for the
integration of enterprise
and control systems
Architetture di controllo distribuite - 40
ISA95.01 Levels
BusinessLogistics
Logistics
Business
Level 4
Management
(ERP)
Manufacturing
Reti e Sistemi per l’Automazione
Plant Production Scheduling, Shipping,
Receiving, Inventory, etc
Level 3
Operations Management
Manufacturing
Operations Management
Level 2
(MES, LIMS, AM, …)
Level 1
Level 0
Dispatching, Detailed Production
Scheduling, Production Tracking, ...
Batch
Production
Control
Continuous
Production
Control
Discrete
Production
Control
The production processes
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 41
Interfacce specificate
nella ISA 95.01 e nella
ISA 95.02
Area specificata
nella ISA 95.03
Reti e Sistemi per l’Automazione
Settori industriali
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 42
Reti e Sistemi per l’Automazione
Acronimi
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
CMMS: Computerized Maintenance Management System
CRM: Customer Relationship Management
CTP: Capable-To-Promise
EAI: Enterprise Application Integration
ECO: Engineering Change Order
ERP: Enterprise Resource Planning
FCS: Finite Capacity Scheduling
HMI: Human Machine Interface
LIMS: Laboratory Information Management System
MES: Manufacturing Execution System
OEE: Overall Equipment (Plant) Efficiency
PLC: Programmable Logic Controller
PLM: Product Lifecycle Management
RMA: Return Material Authorization
SC: Supply Chain
SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition
SPC: Statistical Process Control
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 43
Reti e Sistemi per l’Automazione
MES
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 44
Reti e Sistemi per l’Automazione
Integrazione ERP/Mes
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 45
Reti e Sistemi per l’Automazione
Sovrapposizione
ERP/ MES
Stefano Panzieri
Architetture di controllo distribuite - 46
