Dott. Ing. VINCENZO SURACI 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 Livello di Coordinamento Livello di Conduzione Livello di Gestione

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

BIBLIOGRAFIA

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PARTE 2 INTRODUZIONE ALL’AUTOMAZIONE

FORMARE UN INGEGNERE «Scientia quo magis speculativa eo magis practica» 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. Si parte dalla realtà, si studia e su di essa si basa la teoria.

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’ 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 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.

PRINCIPALI SETTORI DELL’INGEGNERIA CIVILE / EDILE LA REALIZZAZIONE RAGGIUNGE LE FINALITÀ DESIDERATE SENZA NECESSITÀ DI ULTERIORI INTERVENTI STATICI SISTEMI ELETTRICA ELETTRONICA MECCANICA ENERGETICA AERONAUTICA CHIMICA 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. DINAMICI SISTEMI AUTOMATICA 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.

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

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

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. SISTEMA DI CONTROLLO ATTUATORI DISPOSITIVI DI MISURA DISPOSITIVI DI ELABORAZIONE RETI DI COMUNICAZIONE MODALITÀ DI CONTROLLO

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

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

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

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 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.

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.

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.

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

PARTE 3 RICHIAMI DI TEORIA DEI SISTEMI

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.

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, dissipazione o 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.

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.

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.

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.

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.

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

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

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

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

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

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

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