Per il controllo e il monitoraggio di processo, produzione e gestione sono distribuiti sull’intero sito produttivo una serie di controllori e centraline che formano, interfacciandosi tra loro, il sistema di automazione.
L’automazione è ovviamente coinvolta per il controllo diretto del processo, ma svolge un ruolo altrettanto fondamentale, ad esempio, nel monitoraggio e nell’analisi dei consumi energetici delle diverse utilities, nella supervisione dello stabilimento attraverso diverse centraline e PLC locali dedicati a gestire una particolare funzione, quali ad esempio l’antincendio o l’antintrusione.
Per quanto riguarda il controllo di processo, la struttura utilizzata è quella di avere un PLC (Programmable Logic Controller) dedicato a ogni reattore e ogni miscelatore. Sono inoltre presenti due PLC per la gestione dei parchi serbatoi.
“Il PLC è un computer dedicato all’industria programmabile specializzato, in origine, nella gestione o controllo dei processi industriali” [6], grazie all’esecuzione delle istruzioni dei programmi in esso memorizzati. Il microprocessore (CPU, collocato all’interno del PLC) controlla i segnali digitali ed analogici provenienti da sensori (tramite segnali d’ingresso), esegue un programma memorizzato ed in seguito agisce (attraverso segnali d’uscita) sugli attuatori presenti in un impianto industriale (Figura 5.1).
Figura 5.1: Diagramma di flusso di una logica di controllo o sicurezza implementata nel sistema di automazione
tramite PLC.
Nella Figura 5.2 è riportata una configurazione hardware effettuata tramite il SIMATIC Manager di PCS7. In essa sono riportati i componenti fondamentali che costituiscono un PLC utilizzato per il processo in stabilimento. Si nota il rack principale (UR2) che comprende l’alimentatore (PS) che dà tensione al processore (CPU) e alla scheda di rete (CP). Collegata alla CPU è possibile configurare due rami Profibus su cui sono installati i diversi dispositivi di campo grazie alla scheda d’interfaccia. Nel caso specifico sono configurate delle schede, che possono essere sia centralizzate sia decentralizzate, che hanno il compito di interfacciare gli ingressi e le uscite sia digitali sia analogiche con la CPU. Sono inoltre presenti delle centraline in grado di interfacciarsi al PLC master per monitorare, in questo specifico caso, lo stato e i consumi di caldaie e chiller.
30 Figura 5.2: Configurazione hardware di uno dei PLC di stabilimento
La definizione di industria 4.0 ha alla base i concetti di integrazione orizzontale e verticale.
I diversi PLC possono comunicare tra loro attraverso schede di rete specifiche, in grado di gestire diversi protocolli di comunicazione. In questo modo è possibile interfacciare, ad esempio, i PLC dedicati ai parchi serbatoi con gli impianti produttivi e gestire i trasferimenti delle materie prime e dei prodotti finiti in diverse zone dello stabilimento, sfruttando delle sequenze automatiche che garantiscono al ciclo produttivo vantaggi sia dal punto di vista della sicurezza sia della qualità. Questo tipo di comunicazione tra PLC è un esempio di integrazione orizzontale tra sistemi presenti nel sito, ovvero di una connessione tra macchine che stanno ad uno stesso livello network e che scambiano tra loro informazioni utili per l’operatività.
Un esempio di integrazione verticale, invece, è rappresentato dalla comunicazione tra più livelli network: a partire dai sistemi di gestione ordine e pianificazione fino al sistema di controllo di processo.
Ad esempio, a seguito della ricezione di un ordine richiesto da un cliente, la produzione viene gestita su tre diversi livelli:
1. L’ordine viene caricato sul software di gestione aziendale utilizzando un determinato numero di batch (SAP).
2. Dopo di che, avviene la ricezione dell’ordine al middleware (PUR-MES), dove sono presenti tutte le ricette da seguire. Il middleware assegna la ricetta dell’ordine ricevuto a ciascun batch;
prima di far partire la produzione deve passare dall’ufficio produzione e dal laboratorio per la disponibilità di materie prime, qualità e adeguate condizioni di produzione: devono essere controllati i parametri del processo e la compatibilità con le produzioni precedenti eseguite sulla stessa apparecchiatura. Se non si presentano ostacoli alla produzione, la ricetta viene confermata e prodotta.
3. Infine, per il controllo della fase di processo si utilizza il livello network più basso, il Distributed Control System (DCS). Lo stabilimento di Villanova utilizza il sistema di controllo di processo PCS 7.
L’intera produzione dello stabilimento produttivo BASF di Villanova d’Asti è assegnata al software SIMATIC PCS 7. Si tratta di un software per il controllo di processo: mediante l’esecuzione di funzioni logiche permette la gestione (automatica o manuale) di un impianto produttivo [20].
Dal punto di vista produttivo, è sufficiente digitare il numero del batch che si deve produrre tramite l’interfaccia grafica (HMI) del PLC: il middleware carica sul software di controllo acquisisce la ricetta selezionata. Tutte le operazioni, come carico reagenti (solo carico da tubo), controllo termico e di
31 pressione saranno gestite dal PLC. Come annunciato in precedenza, il sistema di controllo gestisce anche la qualità del prodotto: è possibile che il prodotto finale venga inquinato da impurezze derivanti dalle produzioni precedenti; risulta dunque necessario eseguire il lavaggio dell’apparecchiatura (solitamente con isocianato per i prepolimeri, poliolo per il componente A), anch’esso automatico in quanto il laboratorio controllo qualità (LCP) vaglia tutte le produzioni e inserisce, laddove necessario, lo step di lavaggio. Nel caso in cui si verifichino condizioni anomale, il PLC ha anche lo scopo di avvertire (mediante un segnale acustico ed un messaggio sul computer) l’operatore o più in generale quando risulta necessario l’intervento dello stesso.
Ad esempio, presso lo stabilimento in esame è importante monitorare la massa contenuta all’interno dei serbatoi di stoccaggio, dei miscelatori e dei reattori: negli ultimi due casi viene monitorata mediante celle di carico, poste immediatamente sotto le gambe dell’apparecchiatura, mentre per il reparto stoccaggio si utilizzano sensori di pressione o radar. Per quanto riguarda la temperatura, essa viene rilevata mediante termometri a resistenza con segnale di uscita 4-20 mA; mentre la pressione viene misurata con sensori a pressione assoluta e relativa posti sulla testa e/o sul fondo degli elementi.
Per quanto riguarda la misurazione di variabili analogiche, gli strumenti con uscita 4-20 mA sono quelli maggiormente utilizzati all’interno dello stabilimento, ma sono presenti anche altri tipi di sensori. Ad esempio, alcune misure richiedono livelli di sicurezza (SIL) con elevato grado di affidabilità: è, quindi, necessario un collegamento elettrico diretto, perché in caso di guasto di un solo cavo verrebbe perso il segnale di un solo sensore; mentre, nel caso di trasmissione dati tramite cavo Profibus, tutta la strumentazione collegata a valle del guasto perderebbe il segnale. Al contrario, il Profibus ha un notevole vantaggio: tramite un solo cavo è possibile trasmettere più informazioni contemporaneamente derivanti da tutti strumenti collegati tramite esso. Un’altra differenza fra Profibus e segnali cablati alle schede d’ingresso è rappresentata dal fatto che nel primo caso (attraverso il trasmettitore dello strumento) il segnale è già di tipo digitale (dati), mentre nel secondo caso lo strumento manda un segnale in corrente e una volta giunto alla scheda d’interfaccia del PLC, questo lo converte in digitale. Da sottolineare che il PLC comunica con la scheda d’interfaccia, sempre tramite protocollo Profibus, mentre questa e le schede d’ingesso e d’uscita comunicano con segnale in corrente (è proprio la scheda d’interfaccia che trasforma il segnale in corrente in segnale digitale) o digitale se si utilizza il protocollo Profibus.
L’automazione a basso livello dello stabilimento di Villanova si suddivide in PLC Siemens per il controllo del processo e PLC Hitachi per il controllo delle utilities.
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