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INTRODUZIONE AL CORSO DI AUTOMAZIONE I

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Dipartimento di Informatica e Sistemistica. INTRODUZIONE AL CORSO DI AUTOMAZIONE I. Dott. Ing. VINCENZO SURACI ANNO ACCADEMICO 2012-2013 Corso di AUTOMAZIONE 1. PARTE 1 INTRODUZIONE AL CORSO. Nuclei Tematici. Introduzione Piramide della Automazione Livello di Campo

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Presentation Transcript
slide1

Dipartimento di

Informatica e Sistemistica

INTRODUZIONE

AL CORSO DI

AUTOMAZIONE I

Dott. Ing. VINCENZO SURACI

ANNO ACCADEMICO 2012-2013

Corso di AUTOMAZIONE 1

slide2

PARTE 1

INTRODUZIONE

AL CORSO

nuclei tematici
Nuclei Tematici
  • Introduzione
  • Piramide della Automazione
  • Livello di Campo
  • Livello di Coordinamento
  • Livello di Conduzione
  • Livello di Gestione
modalit di esame

INTRODUZIONE

MODALITÀ DI ESAME
  • PROVA SCRITTA
    • Reverse Engineering di un sistema reale
  • PROVA ORALE
    • Revisione critica della tesina;
    • Domande sul programma dell’esame.
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PARTE 2

INTRODUZIONE

ALL’AUTOMAZIONE

slide9

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.
perch investire nell automazione
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.
l obiettivo dell ingegnere dell automazione
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.
il ruolo dell ingegnere dell automazione
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.
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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

slide14

REALIZZAZIONI CON TECNOLOGIE

AUTOMAZIONE

MECCANICHE, ELETTRICHE, ELETTRONICHE, INFORMATICHE

slide15

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

slide16

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

sistema controllato
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

struttura di un sistema complesso
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

slide19

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

slide20

ORGANIZZAZIONE DEI CORSI

GESTIONE

SISTEMA

COMPLESSO

AUTOMAZIONE

CONDUZIONE

IMPIANTI

COORDINAMENTO

APPARATI

CAMPO

ELEMENTI SINGOLI

FONDAMENTI

DI AUTOMATICA

slide21

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.

rapporto costo prestazioni di un sistema controllato
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

committente e fornitore

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
slide24

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.

slide25

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.

slide26

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

slide27

PARTE 3

RICHIAMI DI

TEORIA DEI SISTEMI

slide28

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.

slide29

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.

slide30

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.

slide31

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.

slide32

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.

slide33

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.

slide34

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)

slide35

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)

slide36

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

slide37

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

slide38

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

slide39

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

slide40

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