16 Febbraio 2018
Industrial Internet
& Big Data
Analytics
Strategie di ottimizzazione energetica nei
processi industriali ad elevata automazione
Francesco Benzi
Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell’Informazione
Università di Pavia
Industrial Internet & Big Data Analytics
Industria 4.0 – Requisiti
(ai fini dell’iperammortamento)
Obbligatori
• controllo per mezzo di CNC e/o PLC (o equipollenti);
• interconnessione ai sistemi informatici di fabbrica;
• integrazione con il sistema logistico della fabbrica e/o altre macchine;
• interfaccia uomo macchina semplice ed intuitiva (digital twin – interazione);
• rispondenza ai più recenti standard in termini di sicurezza.
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Industria 4.0 – Requisiti
(ai fini dell’iperammortamento)
Aggiuntivi
(almeno 2 su 3)• sistemi di telemanutenzione e/o telediagnosi e/o controllo in remoto;
• monitoraggio in continuo delle condizioni di lavoro e dei parametri di processo mediante opportuni set di sensori e adattività alle derive di processo;
• integrazione tra macchina fisica e/o impianto con modellizzazione e/o
simulazione del proprio comportamento nello svolgimento del processo (sistema cyberfisico)
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Internet of Things (IoT)
IoT (Internet of Things) descrive una infrastruttura globale di rete, che collega tra loro oggetti virtuali e fisici.
Nell’ambito della fabbrica comprende Internet più ogni oggetto fisico e i relativi servizi, purché possano l’attuale rete comunicare.
Caratteristiche degli oggetti IoT (sistemi cyberfisici)
• Identification (unique address, localization, state)
• Interaction (sensing, metering, actuating)
• Data processing
• Communication
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Internet of Things (IoT)
Industrial Internet of Things (IIoT)
IIoT è la versione industriale di IoT che aggiunge, alle caratteristiche del protocollo Internet standard, I requisiti necessary per renderlo compatibile con il Controllo in ambito industriale
Determinismo
Operazioni in Real time (con la dinamica del processo industriale)
Robustezza
Integrazione di funzioni e SERVIZI
Affidabilità
Sicurezza e Integrità
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IIoT e Industria 4.0
Interoperability
Virtualization
Decentralization
Real time capability
Service orientation
Modularity
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Industrial Ethernet
Standard Ethernet si basa su un meccanismo NON governato di
accesso alla rete (possibili collisioni, ritardi tempistica non garantita) INDUSTRIAL Ethernet assicura tempi di accesso dedicati attraverso una struttura di switches (Switched Ethernet).
Alla gestione dei dati e del controllo macchina sono così riservati spazi e tempi garantiti con risposte in tempi rapidi, in modo
deterministico, oltre alla possibilità di utilizzare Internet in modo più standard per l’interfaccia con i livelli superiori.
I livelli superiori (applicativi ) di Industrial Ethernet consentono una più semplice interoperabilità (profili industriali specifici, e
retrocompatibilità (heritage) rispetto alle tecnologie esistenti.
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Industrial Ethernet Solutions
POWERLINK (2001, B&R) (Application level, CANopen) Interfaces UDP/IP. Up to 100 Mb/s.
EtherCAT (2003, Beckhoff) (2nd level ISO-OSI) Interfaces with any TCP/IP and UDP. Up to 100 Mb/s.
EtherNet/IP (1990, Rockwell) (Application level, CIP) Interfaces with any TCP/IP and UDP. Up to 100 0Mb/s.
PROFINET (2003) TCP/IP (Tc 100 ms). Real Time (RT) (Tc up to 1 ms). Isochronous Real Time (IRT) (Tc < 1 ms).
Sercos III (2003) (Livello Ethernet). Cyclic transmission (up to 31,5 ms) and acyclic. Sercos Energy Profile
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Valore aggiunto di IIoT e Industria 4.0 per l’industria
MONITORAGGIO E CONTROLLO DELL’EFFICIENZA ENERGETICA (ES. NEL CONTROLLO DI MOTO E NEGLI SPOSTAMENTI LOGISTICI)
Gran parte delle variabili di processo sono direttamente accessibili attraverso il sistema di controllo implementato su Industrial Ethernet:
-Variabili elettriche : tensione, corrente, potenza elettrica
-Variabili meccaniche: posizione, velocità accelerazione (coppia)
DIAGNOSTICA DEL PROCESSO
-Variabili disponibili dal processo e dai numerosi sensori e attuatori -Attività e stato dei componenti
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Monitoraggio dei consumi energetici
Operazioni di un portale Pick & Place (Robot)
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Monitoraggio dei consumi energetici
Energia assorbita durante l’operazione E E d EkmEgmEkl Egl
E E E d gl
In cui
Ed energia dissipata (resistenze del motore e attrito viscoso)
Ekm energia cinetica immagazzinata nel campo inerziale del manipolatore
Egm energia potenziale gravitazionale legata alle masse del manipolatore
Ekl energia cinetica sviluppata
Egl variazione dell’energia potenziale del pezzo lavorato
Nell’ipotesi che in un ciclo standard di lavorazione il pezzo trattato venga raccolto e depositato a velocità 0, il consumo di energia si può esprimere in forma semplificata:
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Monitoraggio dei consumi energetici
Calcolo dell’energia con le variabili meccaniche
Twc
0
P dt
Ewc = [kWh]
3600Energia consumata in un ciclo di operazioni
τ = D(q)q +C(q,q)q +G(q)
Modello dinamico di coppia (Euler-Lagrange)
Potenza sviluppata dall’attuatore (motore)
2
τ ×v av av×
P = [kW]
60×1000
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Monitoraggio dei consumi energetici
Calcolo dell’energia con le variabili meccaniche
Twc
0
P dt
Ewc = [kWh]
3600Energia consumata in un ciclo di operazioni
τ = D(q)q +C(q,q)q +G(q)
Modello dinamico di coppia (Euler-Lagrange)
Potenza sviluppata dall’attuatore (motore)
2
τ ×v av av×
P = [kW]
60×1000
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Monitoraggio dei consumi energetici
Impiego delle variabili dal monitoraggio interno attraverso EtherCAT
Actual position Actual velocity Actual acceleration Actual torque
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Monitoraggio dei consumi energetici
Calcolo dell’energia al variare di un fattore di scala (aumento o diminuzione del tempo di ciclo)
500 0 450 0 400 0 350 0 300 0 250 0
0,5 4
1,0 0
1,2 3
1,4 6 α
1,6 8
1,9 1
2,1 4
Fig. 6 – Energy related variables values vs Scaling factor
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Conclusioni
•IIoT e Industry 4.0, offrono vantaggi competitive sia a livello organizzativo, sia a livello di campo, oltre che fruire di importanti incentive ministeriali.
•La presentazione, riferita a una semplice ma comune operazione industriale, illustra come, a partire da una architettura aperta, basata su un protocollo Industrial Ethernet, si possa implementare una strategia di monitoraggio e miglioramento dell’efficienza energetica.
•L’integrazione complete del Sistema di controllo consente di semplificare l’impiego dei dati provenienti dai sensori di campo e di ridurne talvolta numero e tipologia
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