CIM: Computer Integrated Manufacturing

Automazione

CIM: Computer

Integrated

Manufacturing

Tipi di produzione manifatturiera

Linee di produzione a trasferimento di prodotto (transfer lines)

q

insieme di macchine/stazioni connesse in linea da un sistema di trasporto che realizzano rigidamente una sequenza prefissata di lavorazioni

q

progettate per un solo prodotto (o famiglie piccole di prodotti molto simili)

q

flusso continuo di singoli pezzi, senza necessità di avere lotti

q

linee sincrone (i pezzi avanzano alla stessa velocità) o asincrone, con buffer tra stazioni in cui i pezzi attendono la prossima lavorazione

q

dimensionamento e bilanciamento di linea: compromesso tra aumento

di produttività e riduzione di costi a parità di tempo totale di lavorazione

Tipi di produzione manifatturiera

Linee di produzione a trasferimento di prodotto (transfer lines)

q

vantaggi

! è un layout orientato (= dedicato in modo specifico) al singolo prodotto

! produzione di massa ed elevato livello di saturazione delle macchine

! minori materie prime in lavorazione (basso “work in progress/process” WIP)

! trasporto e gestione molto semplici (non occorre mettere in sequenza simultaneamente differenti prodotti)

! necessità di poca manodopera e di spazi relativamente ridotti

! minima variabilità del prodotto finito e controllo di qualità più efficiente

! tempi rapidi di avvio

q

svantaggi

! flessibilità molto bassa o del tutto assente

! rischio di rapida obsolescenza dovuta all’introduzione di nuovi prodotti

! alta vulnerabilità ai guasti: un malfunzionamento di una singola macchina blocca l’intero sistema in un tempo molto breve

Dimensionamento di una linea di trasferta

q

maggiore è il numero di stazioni utilizzate, minore sarà il carico medio delle stazioni e maggiore il costo unitario del singolo pezzo prodotto

q

minore è il numero di stazioni utilizzate, maggiore sarà il carico medio delle stazioni e maggiore il costo del rischio di effettuare lavorazioni incomplete

! a causa della elevata saturazione nell’impiego dei macchinari della stazione

q

a parità di tempo di lavorazione, l’allocazione delle lavorazioni alle stazioni (e quindi il loro carico) e il numero di esse dipende dalle due curve di costo

q

nella forma di una ottimizzazione discreta (a numeri interi), il problema del dimensionamento della linea (e quello del bilanciamento delle stazioni) ha una complessità (~ tempo per ricavare una soluzione esatta) di tipo

costo del rischio di incompleti

carico stazione

€ / pezzo costo incrementale della stazione

Dimensionamento di una linea di trasferta

q

una linea di trasferta è costituita da N stazioni in sequenza

q

ogni stazione ha un carico di lavoro C (tempo necessario alla stazione per svolgere le lavorazioni ad essa assegnate su una unità di prodotto)

q

la stazione con il carico massimo definisce il tasso di produzione della linea

! se il carico max è CM = 10 min/pezzo ⇒ il tasso di produzione è TP = 1/CM = 6 pezzi/ora

q

specificato il prodotto richiesto nel periodo, si ha il carico massimo teorico

! 7200 pz/mese ⇒ 30 gg/mese, 24 ore/gg ⇒ TP = 10 pezzi/ora ⇒ CMT = 6 min/pezzo

q

le lavorazioni L da effettuare hanno ciascuna un tempo T

_i

(i =1, ..., |L|) necessario, con relazioni di causalità tra loro espresse da un grafo di precedenze G(L, A) con archi orientati A

q

dimensionamento della linea: trovare un’assegnazione ammissibile delle lavorazioni alle N stazioni tale che

!

soddisfi la specifica di produzione: carico C

_j

≤ CMT, ∀j=1, ..., N

!

soddisfi i vincoli di precedenza delle lavorazioni dati dal grafo G(L,A)

!

minimizzi il numero N di stazioni

Esempio di dimensionamento

q

una nuova linea per l’assemblaggio di computer richiede 14 lavorazioni, con tempi e grafo G(L,A) così specificati:

lavorazione A B C D E F G H I J K L M N

tempo T_i

(sec) 55 30 50 42 20 25 45 60 36 42 30 40 36 40

lavorazioni

precedenti - A A A - - A E

F

B C

D G H H H J J I K

L M specifica di produzione:

300 computer / 7h

A

B

C

D E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

sec/

pezzo

𝐶𝑀𝑇 = ^'((

)･'*((

+, = 84

tempo totale lavorazioni

𝑇_-. = ∑_01,^,2 𝑇₀ = 551 sec lower bound # macchine

3₄₅ 88,

Esempio di dimensionamento

q

euristica RPWT (Ranked Positional Weight Technique)

1. insieme 𝑆_𝑖 delle lavorazioni successive alla lavorazione 𝑖-esima, per 𝑖 = 1, … , 𝐿

2. peso posizionale della lavorazione 𝑖-esima 𝑃𝑊₀ = 𝑇₀ + ∑_C∈EF 𝑇_C

lavorazione A B C D E F G H I J K L M N

tempo 55 30 50 42 20 25 45 60 36 42 30 40 36 40

𝑆_{𝑖 G ... N}^{B C D} _{I ... N}^H _{I ... N}^{G H} _{I ... N}^{H I ... N N L M} _N ^{N N N -}

𝑃𝑊_𝑖 (sec) 506 314 334 326 349 354 329 284 76 158 70 80 76 40

A

B C D E

F

G

H

I J K

L M

N

Esempio di dimensionamento

q

euristica RPWT (Ranked Positional Weight Technique)

3. ordinare per peso posizionale decrescente le lavorazioni

4. fino a esaurimento di tutte le lavorazioni, assegnare la lavorazione con il più alto peso posizionale alla prima stazione ammissibile (ancora capiente rispetto a CMT = 84 sec per pezzo), altrimenti aggiungere una nuova stazione

lavorazione A F E C G D B H J L I M K N

tempo 55 25 20 50 45 42 30 60 42 40 36 36 30 40

PW_i 506 354 349 334 329 326 314 284 158 80 76 76 70 40

stazione 1 1 2 2 3 4 4 5 6 6 7 7 8 8

A

B C D E

F

G

H

I J K

L M

N

A E G D H

J I K

F

C B L

M N

4 14 39 12 24 2 12 14 84

sbilanciamento medio = 111/8 = 13.875 sec (16,5%)

Evoluzione temporale

lavorazione A F E C G D B H J L I M K N

tempo 55 25 20 50 45 42 30 60 42 40 36 36 30 40

PW_i 506 354 349 334 329 326 314 284 158 80 76 76 70 40

stazione 1 1 2 2 3 4 4 5 6 6 7 7 8 8

tempi 55 25 20 50 45 42 30 60 42 40 36 36 30 40 tempi distanza da

lavorazioni morti CMT = 84

macchina

1 A F .. .. .. .. .. .. .. .. 80 A = 55 F = 25 2 4

2 E C .. .. .. .. .. .. 70 a regime con E = 20 C =50 12 14

3 G .. .. .. .. ecc .. .. .. .. 45 avanzamento G = 45 - 37 39

4 D B .. .. .. ecc .. .. .. 72 sincrono D = 42 B = 30 10 12

5 H .. .. .. .. .. .. 60 della linea H = 60 - 22 24

6 J L .. .. .. .. 82 di trasferta J = 42 L = 40 0 2

7 I M .. .. 72 ogni 82 sec I = 36 M = 36 10 12

8 K N 70 K = 30 N = 40 12 14

tempo totale tempo totale

lavorazioni lavorazioni

(effettivo sul primo pezzo) (a regime)

551

tempi lavorazioni sulle macchine

82 sec/pezzo

8 x 82 = 656 ripete A, F su nuovi pezzi

ripete E, C su nuovi pezzi

all’inizio le 𝑁 = 8 macchine sono caricate una dopo l’altra dal primo pezzo del lotto…

a regime le macchine lavorano su

8 pezzi successivi del lotto… (con tempi Ipotesi di lavoro: linea di trasferta sincrona (senza buffer intermedi)

Tipi di produzione manifatturiera

Linee multiple di trasferta

q

gestiscono in parallelo più prodotti, uno per linea

q

possono eventualmente condividere alcune stazioni, richiedendo la gestione e il coordinamento dei flussi

L1 L2 L3 L4 L5 V C

L6 L7 L8 L9

materie prime

prodotti finiti prodotto

a

prodotto b

Tipi di produzione manifatturiera

Produzione per flussi (flow shop)

q

le stazioni/macchine sono disposte in linea (o con semplici tavole rotanti)

q

n diversi prodotti, ma (nello schema base) tutti i prodotti seguono la stessa sequenza di m lavorazioni su m macchine

q

ogni macchina esegue una singola lavorazione su prodotti diversi, in modo ripetitivo ed esclusivo (tempo dato per ogni coppia lavorazione/prodotto)

q

problemi di sequenziamento sulle risorse (flow shop scheduling)

Flow shop scheduling

q

flow shop scheduling

! si vuole sequenziare la lavorazione di

n

prodotti (job) su

m

macchine in modo da minimizzare il tempo totale di completamento (makespan)

T

_max

! caso di

m = 2

macchine: soluzione con la regola di Johnson che schedula i job sulla macchina 1 (la sequenza sarà poi la stessa anche sulla macchina 2)

!

t

_i1

> 0

e

t

_i2

> 0

sono i tempi di lavoro (noti) del job

i

sulle macchine

1

e

2

! in una soluzione ottima, il job

i

precede il job

j

se

min(t

_i1

,t

_j2

) < min(t

_j1

,t

_i2

)

! passo 1: formare il set1 con tutti i jobs che hanno

t

_i1

< t

_i2

! passo 2: formare il set2 con tutti i jobs che hanno

t

_i1

> t

_i2

(jobs con

t

_i1

=

t _i2 possono essere messi ovunque)

! passo 3: sequenziare i job sulla prima macchina secondo la regola i) i job nel set1 sono eseguiti per primi e in ordine crescente di

t

_i1 (SPT) ii) seguono quindi i job nel in ordine decrescente di (LPT)

Esempio di flow shop scheduling

! mai attese su macchina

1

; l’algoritmo minimizza il tempo di attesa sulla macchina

2

! la versione originale di Johnson (1954) era espressa in un modo equivalente:

i) scegliere il job i nella lista che ha il minimo tempo t_ij tra tutti i tempi delle coppie job/macchina ii) se questo job i ha t_i1 < t_i2 metterlo per primo, altrimenti metterlo per ultimo

iii) scartare il job i così assegnato e ripetere i passi i)-ii) fino allo svuotamento della lista

! l’algoritmo si generalizza al caso

m = 3,

sotto una tra le seguenti due ipotesi

) ≤ min ) ≤ min

Job A B C D E T_tot

t_i1 5 3 8 10 7 = 33

t_i2 2 6 4 7 12 = 31

!

n = 5, set1 =

{B, E},

set2 =

{A, C, D}

! sequenza S* = {B→E→D→C→A}

! makespan

T

_max = 35

! T_idle,1 = 0 (sempre!), T_idle,2 = 4

diagrammi di Gantt per le due macchine

B

M₁ E D C A

0 3 10 20 28 33

B

9

E

22

M₂

3

0 10

D C A

33 35 29

la sequenza ottima qui è unica (non ci sono “ties”)

Esempio con 𝒎 = 𝟑 macchine

Esame dell’11 febbraio 2019

soddisfa alla condizione sufficiente per applicare

Esempio con 𝒎 = 𝟑 macchine

minimo makespan

Tipi di produzione manifatturiera

Produzione per reparti (job shop)

q

ogni pezzo (o insieme di pezzi = lotto) richiede l’esecuzione di una serie di operazioni da un gruppo di centri di lavoro (macchine, stazioni, gruppi di operatori) in una sequenza prefissata (ciclo tecnologico)

q

la varietà dei cicli è tale che conviene aggregare i macchinari in reparti omogenei per tipo di lavorazione (tornitura, fresatura, collaudo...)

q

il pezzo (o lotto) si sposta da reparto a reparto tramite un sistema di trasporto o su pallet seguendo un percorso prefissato (routing)

Reparto 1 Reparto 2 Reparto 3

Reparto 4 Reparto 5 Reparto 6

Lavoro in

Tipi di produzione manifatturiera

Produzione per reparti (job shop)

q

diverse categorie di prodotti

q

i prodotti seguono sequenze diverse di lavorazione

q

le operazioni non sono ripetitive

q

maggiori materie prime in lavorazione (WIP) rispetto al caso del flow shop

q

problemi di sequenziamento sulle singole risorse

q

flussi produttivi molto intrecciati

q

alta flessibilità

q

limiti alle prestazioni

! elevati tempi di attraversamento

! scarsa saturazione delle risorse

! qualità non necessariamente omogenea

Tipi di produzione manifatturiera

Produzione per celle (cell production)

q

quando è possibile individuare famiglie di prodotti con cicli di lavorazione sufficientemente omogenei, conviene riunire gruppi di macchine (di

natura diversa) adibite alle lavorazioni richieste da una intera famiglia

q

flussi produttivi meno intrecciati

q

trasporto e gestione più semplici, ma minore flessibilità

q

celle indipendenti per aspetti di pianificazione, controllo e amministrazione

Produzione in reparti o per celle

job shop/reparti di produzione

celle di produzione

L1 L2

L3 L4

V

C

F1 F2

materie F3

prime prodotti

finiti a

c

b a

b c

A B C

D

L1 F1

L3 F2

V

C

L2 F3

L4

materie prime

prodotti finiti a

c b

a b

c

A

B

C

T

R

d d

e e

= flussi di pezzi, lotti, o famiglie di pezzi

= reparto/

stazioni di lavoro omogenee

= cella (gruppo di macchine

= magazzini

= lavorazioni/

operazioni macchina

Cella o isola robotizzata

Tipi di produzione manifatturiera

Flexible Manufacturing/Assembly Systems (FMS/FAS)

q

sistemi dotati di flessibilità riguardo alle diverse sequenza delle lavorazioni e/o all’assegnamento di operazioni alle risorse

q

non molto diversi dalle celle, con prestazioni migliori grazie a un sistema di trasporto automatico e un calcolatore che controlla il processo produttivo

! diversi prodotti

! lavorazioni eseguite su più di una risorsa/macchina

! problemi di assegnazione di operazioni alle risorse (sizing e routing dei flussi)

! problemi di sequenziamento locale dell’impiego delle risorse

! grande flessibilità e alto grado di automazione

Classificazione dei processi produttivi

1 100 10,000 1,000,000 piccola

media

grande

quantità di prodotto annua varietà di prodotto

esiste una correlazione inversa tra entità della produzione e sua varietà!

Automazione del sistema di produzione

Automazione rigida: la sequenza delle operazioni di produzione è fissa

q

il processo di produzione è realizzato mediante una sequenza di operazioni elementari relativamente semplici

q

destinata a grandi produzioni con varietà di prodotto molto bassa Automazione programmabile: è possibile cambiare la sequenza di operazioni in modo da cambiare la configurazione finale del prodotto

q

si trova in industrie con entità di produzione medio-bassa caratterizzate da produzione a lotti

q

tra un lotto e l’altro è necessario attendere la riconfigurazione dell’impianto di produzione

Automazione flessibile: estensione dell’automazione programmabile in cui è possibile diversificare la produzione senza avere tempi morti di

conversione dell’impianto

q

possibile se le varietà di prodotto finale sono abbastanza simili

q

i macchinari sono caratterizzati da un’alta configurabilità e flessibilità di

impiego (FMS e FAS)

Automazione del sistema di produzione

1 100 10,000 1,000,000 piccola

media

grande

quantità di prodotto annua varietà di prodotto

automazione programmabile

automazione flessibile

automazione rigida produzione

manuale

CNC job shop

(reparti)

FMS, FAS FMC

linee di trasferta flow shop

Sistema di supporto alla produzione

Il sistema di supporto alla produzione è I’insieme di attività di gestione delle informazioni legate alla produzione

processo produttivo materie

prime

prodotto scarti energiamacchine

utensili

operatore sistema di supporto

impianto di produzione

Sistema di supporto alla produzione

Il sistema di supporto alla produzione è I’insieme di attività di gestione delle informazioni legate alla produzione

q

business: sono le principali attività di contatto con il cliente, punto di partenza e di arrivo del processo; includono gestione ordini,

marketing, vendita, bilancio, budget, ...

q

progettazione: attività volte alla progettazione del prodotto sulla base delle esigenze del cliente (o del mercato)

q

planning: sulla base delle funzioni di business e di progettazione, viene pianificata la produzione; si determinano le sequenze di

lavorazione, le politiche di stoccaggio e di rifornimento

q

controllo: sono le attività di gestione e supervisione del processo di

produzione; includono il controllo dei flussi produttivi e la verifica

della qualità di processi e prodotti

Sistema di supporto alla produzione

E’ schematizzabile come un anello di attività che circondano le attività vere e proprie di produzione, gestendo il flusso delle informazioni

impianto di produzione attività di progettazione

attività di planning

attività di controllo attività di business

materie prime

prodotto finale clienti/fornitori

Automazione delle attività di supporto

supporto alle attività di business

q

Enterprise Resource Planning (ERP): un insieme di applicazioni informatiche volte all’automazione di attività di amministrazione, logistica, gestione della produzione, risorse umane, ...

! contabilità, controllo di gestione, gestione del personale

! gestione degli acquisti, dei magazzini

! gestione della produzione, dei progetti

! gestione delle vendite, della distribuzione

! gestione della manutenzione impianti

" WebSphere (IBM), Microsoft con Project Green (Microsoft), Oracle con Project Fusion (Oracle), SAP NetWeaver

q

Decision Support System (DSS): sistema software che rende

disponibili una serie di funzionalità di supporto (analisi di “big data”, modelli di valutazione) per migliorare il processo decisionale

Business Intelligence, Sistemi Esperti, modelli di supporto decisionale

AI e Automazione di attività di supporto

Automazione delle attività di supporto

supporto alle attività di progettazione

q

Computer Aided Design (CAD): insieme di software tools che assistono i progettisti nelle attività di progettazione

q

Computer Aided Engineering (CAE): software tools per la verifica delle funzionalità del progetto

!

AutoCAD, SolidEdge, VariCAD Pro/Engineering

video video

Automazione delle attività di supporto

supporto alle attività di planning e controllo

q

Computer Aided Manufacturing (CAM): software che permette di automatizzare le prove di fattibilità del processo di produzione e di organizzare la produzione stessa (spesso integrato nel CAD)

q

dal modello CAD si ottiene il programma macchina CNC

! caricamento di un modello CAD

! impostazione del sistema di coordinate usato dalla macchina utensile

! impostazione dei parametri di lavorazione

! generazione delle istruzioni per la macchina utensile, salvate in un file

! invio dei dati al controllo numerico della macchina

q

Computer Aided Process Planning (CAPP): software che

permette di automatizzare/ottimizzare il planning della produzione

video

Computer Integrated Manufacturing

Computer Integrated Manufacturing (CIM): un modello teorico di sistema di produzione che prevede l’integrazione dei processi produttivi con i sistemi di automazione e con i sistemi informativi gestionali

q

un’unica infrastruttura informatica integra l’automazione dei processi produttivi con quella delle attività di supporto

sistema di supporto

impianto di produzione

infrastruttura informatica

Computer Integrated Manufacturing

Nei moderni sistemi automatizzati, l’integrazione informatica della automazione dell’impianto di produzione e delle attività di supporto permettono di acquisire un vantaggio competitivo

DSS/ERP clienti/fornitori

CAD/CAE CAM/CAPP

Flexible Manufacturing System

automazione delle attività di business

automazione delle attività di progettazione

automazione delle attività di planning e controllo

automazione del- l’impianto di produzione

programma macchina

Computer Integrated Manufacturing

DSS/ERP clienti/fornitori

CAD/CAE CAM/CAPP

sistema di controllo

program part

azioni

processo produttivo informazioni

materie prime

prodotto finale operatori

energia

Computer Integrated Manufacturing

Vantaggi del CIM

q

miglioramento della qualità di produzione

q

riduzione di tempi e costi

q

aumento della flessibilità della produzione

q

diminuzione degli scarti

q

fondamentale per conformarsi a leggi e regolamenti su

sicurezza del processo produttivo, qualità del prodotto

finale e riduzione dell’impatto energetico e ambientale

Modello CIM

Il modello CIM è fortemente gerarchico

q

attività di supporto a livello superiore rispetto a quelle di produzione

q

gerarchia all’interno delle attività di supporto

!

l’attività di business influenza la progettazione e il planning della produzione

q

gerarchia anche all’interno delle attività di produzione

!

una particolare lavorazione meccanica influenza i movimenti delle singole parti della macchina utensile

q

l’automazione di un passo produttivo (ad es. la rotazione di un

mandrino) è a un livello inferiore rispetto all’automazione di

tutta la macchina (sequenze di azioni) ; questa a sua volta è a

azienda

stabilimento cella

macchina campo

Modello CIM

Il modello CIM è piramidale

q

suddiviso in cinque livelli

q

in ciascun livello l’automazione coinvolge funzioni di

! acquisizione, manipolazione, trasferimento di informazioni

! elaborazione di strategie

! attuazione delle strategie elaborate comandi

Modello CIM

Il modello CIM ha una architettura modulare

q

comunicazione sia orizzontale, sia verticale

q

...anche se quella verticale è da preferire!

azienda

stabilimento cella

macchina

cella

stabilimento

cella cella

campo

macchina macchina macchina macchina macchina macchina macchina

per i livelli di campo e macchina serve hardware di controllo diretto o logico,

Modello CIM: livello di campo

È il livello più basso della gerarchia e comprende i componenti hardware che eseguono le attività di produzione e il loro controllo

q sensori, attuatori, componenti dell’impianto

q segnali ingresso/uscita interfacciati con il livello superiore al processo fisico

q ridotta complessità, anche se cresce la tendenza a dotare sensori ed attuatori di un’intelligenza dedicata al pre-processamento dell’informazione, alla gestione della interfaccia di comunicazione e all’auto-diagnosi dei guasti

q i dispositivi di campo sono raggruppati in semplici sistemi di controllo

! esempio: l’asservimento di posizione del motore di un giunto di un robot

! viene visto dal livello superiore come un attuatore ideale

q hardware di controllo: dedicato, real-time, con sistemi digitali a microprocessore (controllori embedded)

Modello CIM: livello di macchina

Gli elementi del livello di campo vengono raggruppati al livello superiore per formare gruppi di componenti atti a fornire una determinata funzionalità

q ad esempio: una macchina utensile o un robot

q questi componenti sono organizzati in sistemi di controllo

! regolazione di variabili analogiche

! realizzazione sequenziale di operazioni

" esempio: a livello di campo si controllano le posizioni dei singoli giunti; a livello di macchina viene pianificato il movimento del robot nello spazio operativo e la sequenza delle azioni che deve effettuare

q il controllo a livello di macchina viene visto come un attuatore ideale dal livello superiore, che lo utilizza per il coordinamento tra le macchine

q hardware di controllo: dedicato, real-time, controllori logici programmabili (PLC) e controllori embedded

Modello CIM: livello di cella

Gli elementi del livello di macchina vengono raggruppati al livello superiore per formare celle di produzione

q una cella di produzione è un insieme di macchine interconnesse fisicamente da un sistema locale di trasporto e stoccaggio materiali, controllate in maniera

coordinata in modo da portare a termine un ben definito processo produttivo

q i sistemi di controllo costituenti questo livello regolano e supervisionano il funzionamento coordinato di tutte le macchine facenti parte della cella

q le operazioni svolte a questo livello sono analoghe a quelle del livello di macchina risultando soltanto più complesse

q hardware di controllo: real-time, controllori logici programmabili (PLC)

Modello CIM: livello di stabilimento

Racchiude tutte le celle o le linee produttive facenti parte di un impianto industriale;

riceve le istruzioni dal livello gestionale (planning, gestione degli ordini, ecc.) e le attua sotto forma di piani operativi per la produzione

q il sistema di controllo a questo livello è costituito dal sistema di supervisione,

controllo e acquisizione dati (Supervisory Control And Data Acquisition - SCADA)

q le apparecchiature su cui sono implementate le piattaforme software sono tipicamente workstation con struttura client/server

q da questo livello in su i requisiti di elaborazione real-time sono fortemente ridotti, se non inesistenti

Controllori Logix Terminali di Programmazione

I/O Control

Drive Altri dispositivi

Control Room

HMI

Accesso Remoto

Stabilimento

⇔ Azienda

Sistemi SCADA

q Supervisory Control And Data Acquisition

! interfaccia operatore (HMI)

! gestione allarmi

! gestione ricette

! programmazione lavorazioni

! basi di dati del processo

! controllo statistico di processo

! supporto alla manutenzione

! sistema esperto

! trend e rapporti

Modello CIM: livello di azienda

È ovviamente il livello più alto della gerarchia, dove avvengono i processi gestionali di supporto a tutti i livelli inferiori

q non si parla più di sistema di controllo ma di sistema decisionale

q l'infrastruttura software è implementata su workstation con struttura client/server connesse al mainframe aziendale

q non esistono vincoli di tipo temporale

Gerarchia dei sistemi di controllo

I sistemi di controllo che realizzano l'automazione dei vari livelli costituiscono una struttura gerarchica

q

standard ANSI/ISA-S88.01-1995 per il controllo di processi di produzione manifatturiera a lotti (batch processes)

! ANSI = American National Standards Institute

! ISA = International Society of Automation

q

tre livelli

(dal basso verso l’alto)

!

controllo di campo

!

controllo di procedure

!

controllo di coordinamento

Gerarchia dei sistemi di controllo

q modelli per il controllo nello standard ANSI/ISA-S88.01-1995

modello delle attività di controllo

Recipe Management

Production Planning and

Scheduling

Production Information Management

Process Management

SupervisionUnit

Process Control

Personnel and Environment

Protection

outside the scope of this standard

Collect Data Execute

Equipment Phases

Execute Basic Control SupervisionUnit

Production Information Management

Personnel and Environment

Protection Commands and Status Information Commands and

Status Information

Commands and Status Information

Commands and Status Information Commands and

Status Information

Data

Data

Data

Gerarchia dei sistemi di controllo

Standard ANSI/ISA-S88.01-1995

q

controllo di campo: posto al livello di campo, comprende i sistemi di controllo dei singoli componenti di campo

q

agisce esclusivamente su variabili continue

q

implementato su dispositivi dedicati: controllori embedded o schede dedicate (ad esempio, controllo asse di motori elettrici)

!

alta frequenza

!

informazioni semplici

!

vincoli real-time

Gerarchia dei sistemi di controllo

Standard ANSI/ISA-S88.01-1995

q

controllo di procedure: si colloca ai livelli di macchina e di cella della piramide CIM

q

riguarda il controllo di gruppi strutturati di componenti di campo

! diretto: si trova soprattutto a livello di macchina e riguarda il controllo di gruppi di variabili continue o funzioni più avanzate (ad esempio: tuning adattativo dei parametri per i sistemi di controllo di base)

! logico: riguarda il coordinamento dei sistemi di campo sulla base della lista di operazioni sequenziali che compongono il programma di lavorazione

! svolge anche funzioni più avanzate quali il monitoraggio delle prestazioni o l’auto-diagnostica e gestione automatica dei malfunzionamenti

! solitamente implementato su schede dedicate o PC industriali e, per quanto riguarda il controllo logico, su controllori programmabili (PLC)

! algoritmi più complessi di quelli del controllo di campo

Gerarchia dei sistemi di controllo

Standard ANSI/ISA-S88.01-1995

q

controllo di coordinamento: si pone a livello di stabilimento nella piramide CIM

q

riguarda principalmente il coordinamento e la gestione delle varie celle di produzione

! manda in esecuzione, dirige o ferma i vari sistemi di controllo di procedure sulla base di algoritmi complessi, in generale più orientati al lungo periodo

! metodologie più vicine alla ricerca operativa, all'intelligenza artificiale o ai sistemi esperti che al controllo automatico in senso stretto

! ad esempio: decidere il volume della produzione formulando un problema di ottimizzazione e risolvendolo in linea mediante opportuni algoritmi

! dati strutturati

! bassa frequenza di intervento

! nessun vincolo temporale (o molto laschi)

se la “produzione” non è guidata da vincoli stringenti di soddisfacimento di richieste in tempo reale provenienti da clienti/mercato

Gerarchia dei sistemi di controllo

Livelli di controllo ANSI/ISA-S88.01-1995 e livelli CIM

Azienda Stabilimento

Cella

Macchina Campo

controllo di coordinamento

controllo di procedure

controllo di campo gestione

Gerarchia dei sistemi di controllo

Livelli di controllo ANSI/ISA-S88.01-1995 e livelli CIM

Azienda Stabilimento

Cella

Macchina Campo

controllo di coordinamento

controllo di procedure

controllo di campo gestione

controllo diretto di variabili controllo logico/sequenziale

controllare la sequenza di operazioni usando informazioni logiche

controllare l’andamento di variabili analogiche usando informazioni digitali

Stati di un processo

q diagramma logico delle transizioni tra stati di un processo nello standard ANSI/ISA-S88.01-1995

Auto-diagnostica

Integrare funzionalità di auto-diagnosi permette una manutenzione “predittiva”

q predire l’occorrenza di un guasto di un sensore, un attuatore, o un componente meccanico soggetto a usura (prima che questo provochi un fermo macchina)

q occorre individuare uno o più parametri/segnali dal dispositivo che vengono

misurati e valutati utilizzando appropriati modelli matematici (anche allo scopo di individuare il tempo residuo prima del guasto)

! individuazione della casistica di guasto

" FMECA = Failure Mode, Effects and Critical Analysis, MTBF = Mean Time Between Failure

! determinazione di una “firma” (signature) del guasto

" vibrazioni misurate con un accelerometro, correnti impresse dagli azionamenti elettrici, pressione dell’olio

nei circuiti oleodinamici

! sviluppo di algoritmi per l’analisi dei segnali

" basati su trasformata di Fourier, wavelets, ...

! metodi per la gestione dell’allarme di guasto

accelerometro

rotture di un cuscinetto a sfere

Auto-diagnostica

Anche per l’autodiagnosi è convienente procedere a livello di macchina o di cella, sfruttando la decomposizione gerarchica e le interazioni funzionali esistenti

Diagnosi di guasti

In un processo di diagnosi di uno o più guasti (’’fault’’ f ) che possono avvenire durante il funzionamento di un sistema dinamico, si formulano diversi problemi

q Rilevamento di un guasto (Fault Detection)

! riconoscere che un malfunzionamento del sistema (controllato) è effettivamente dovuto ad un guasto (o comportamento anomalo) che è presente in qualche

componente fisico o funzionale del sistema

q Isolamento dei guasti (Fault Isolation)

! distinguere quale particolare guasto f sia avvenuto tra quelli di una (grande) classe di possibili guasti considerati, discriminando il guasto da tutti gli altri e anche dagli effetti dovuti a eventuali disturbi che condizionano l’evoluzione del sistema

q Identificazione del guasto (Fault Identification)

! determinare il profilo temporale del guasto f che è stato isolato

q Riconfigurazione a seguito di guasto (Fault Accommodation)

! modificare la legge/lo schema di controllo in modo da compensare (il più possibile) gli effetti dovuti al guasto riconosciuto e isolato (e magari anche identificato)

! può coinvolgere solo modifiche di componenti SW o anche di componenti HW

Soluzione di problemi FDI

Nei problemi integrati di rilevamento e isolamento simultaneo dei guasti (FDI)

q si definisce un sistema dinamico ausiliario (generatore di residuo) il cui segnale di uscita dipenderà solo dalla presenza o meno del particolare guasto f da riconoscere e isolare (e non da qualsiasi altro guasto o disturbo agente sul sistema) e converge asintoticamente a zero quando f ≡ 0 (stabilità)

q nel caso di più guasti potenziali, ciascuna componente r_i di un vettore r di residui dipenderà da un guasto associato f_i e soltanto da questo (tipicamente riproducendo almeno in modo approssimato la sua evoluzione temporale)

q gli schemi FDI proposti in letteratura si distinguono in

! model-based: usano un modello dinamico (privo di guasti e disturbi) per sistema e misure

! signal-based: usano solo i segnali (primari e/o ausiliari) provenienti da misure sul sistema e una loro elaborazione

! ibridi: combinano le due precedenti tecniche (ad esempio, con reti neurali/fuzzy addestrate)

q Controllo tollerante/robusto ai guasti (Fault Tolerant Control)

! passivo: schema di controllo prefissato, intrinsecamente robusto rispetto a incertezze e/o guasti (che abbiano solo effetti moderati/limitati sul sistema)

! attivo: schema di controllo che si riconfigura a seguito di FDI (con prestazioni del sistema

Schema software di un sistema FDI

Un possibile schema consiste in un banco di N+1 osservatori/stimatori simultanei

q 1 per il riconoscimento (detection) della condizione di guasto

q N per l’isolamento (isolation) del particolare guasto (spesso modellato nella sua tipologia)

q tipologia di guasti

! istantaneo (improvviso), incipiente (a lenta apparizione), intermittente, concorrente (con altri guasti)

Comportamento di un sistema FDI

q Ruolo delle soglie (thresholds) nel problema FDI

! dipendono dalle statistiche dei rumori in gioco e da altri aspetti non modellati

! possono essere rese adattative

! compromesso tra introduzione di ritardi (delay rispetto all’istante T₀ di insorgenza del guasto) e numero di falsi allarmi

riconoscimento

isolamento del guasto #i

istante di riconoscimento

istante di esclusione

guasto #2 istante di esclusione

guasto #3

soglia costante

soglie adattative

Esempio di generazione di un residuo

q Problema FD scalare su un semplice sistema dinamico lineare

! processo con stato misurabile

! residuo (implementazione come osservatore di un ‘disturbo’ o di un ‘ingresso non noto’)

! dinamica del residuo (solo per analisi)

ossia un filtro del primo ordine con guadagno unitario applicato al segnale di fault 𝑓

̇𝑥 = 𝑎𝑥 + 𝑏𝑢 + 𝑒𝑓

𝑦 = 𝑐𝑥

^dove

^𝑓

è il generico fault

𝑟(𝑡) = 𝑘 𝑒

𝑦(𝑡)

𝑐 − ]

(

^

𝑎𝑥 𝜏 + 𝑏𝑢 𝜏 + 𝑒𝑟 𝜏 d𝜏

con

𝑘 > 0, 𝑟 0 = 0

̇𝑟 = 𝑘 𝑒

̇𝑦

𝑐 − 𝑎𝑥 + 𝑏𝑢 + 𝑒𝑟 = 𝑘 𝑒

𝑐 𝑎𝑥 + 𝑏𝑢 + 𝑒𝑓

𝑐 − 𝑎𝑥 + 𝑏𝑢 + 𝑒𝑟 = 𝑘 𝑓 − 𝑟

c(d)

e d

=

_dfC^C

⁼

^,

,f ^g_h d 𝑟(𝑡) = 𝑓₍ 1 − 𝑒^{+C^}

nel dominio del tempo, funzione di trasferimento,

Sistema FDI ibrido

q Le caratteristiche di riconoscimento e isolamento dei guasti possono essere migliorate combinando componenti FDI di tipo model-based e signal-based

! il meglio dei due mondi…

applicazione: utilizzato per riconoscere collisioni

Il sistema di comunicazione

Enterprise

Control bus

Fieldbus

Server

Mainframe

Workstation

Notebook

Workstation

PLC

PLC

Drive Controller

Sensor Actuator

REAL TIME

CampoControlloSupervisione dimensione dati frequenza dati determinismo

Ethernet

Architetture hardware per il controllo

I vari livelli del sistema gerarchico distribuito di automazione industriale eseguono differenti compiti di controllo

q

sistemi di controllo sono implementati mediante dispositivi elettronici e/o informatici

q

differenti architetture hardware dipendenti dal livello gerarchico e dalle funzionalità di controllo da svolgere

!

controllori embedded per il controllo di campo

!

controllori con architettura a bus per il controllo di procedure

!

sistemi di controllo su Personal Computer (PC-based control)

q

categorie non necessariamente chiuse

Interazione tra PC e PLC di controllo

OPC (OLE for Process Control)

Sistemi di controllo embedded

I sistemi di controllo embedded contengono al loro interno tutto il necessario per svolgere i compiti di controllo richiesti

q

progettati appositamente per una specifica applicazione

q

piattaforma hardware ad hoc (custom)

q

la progettazione di un sistema di controllo embedded parte dalla conoscenza dei compiti che dovrà svolgere Realizzazione del sistema di controllo tramite

q

singolo chip integrato (microcontrollori)

q

singola scheda

Sistemi di controllo embedded

q

pro

!

combinazione hardware/software specificamente studiata

!

ottimizzazione spaziale e di complessità

!

minori ingombri

!

minori costi

q

contro

!

interfaccia uomo-macchina poco evoluta

!

gestione di un numero limitato di segnali in input/output

!

costi di progettazione (hardware e software) non irrilevanti

!

poca flessibilità: modifiche ai compiti da svolgere possono rendere necessaria la progettazione di un nuovo controllore

q

diffusissimi quando i compiti di controllo sono noti a priori

!

è possibile avviare e condurre la fase di progettazione del

dispositivo in maniera particolarmente efficiente

Sistemi di controllo embedded

In generale, un controllore embedded deve prevedere al suo interno alcuni componenti fondamentali HW/SW

q

hardware

!

unità di elaborazione

" eseguire gli algoritmi di controllo definiti dal progettista e tutti i programmi necessari per la gestione dell’intero sistema (sistema operativo)

!

memoria

" per la memorizzazione di dati e programmi

!

circuiti per input/output

" acquisizione e generazione di segnali analogici e digitali

# campionatori e convertitori (A/D, D/A)

" gestione delle comunicazioni con altri dispositivi dello stesso tipo

Sistemi di controllo embedded

q

software

!

Sistema Operativo (S.O.) progettato ad hoc

" la conoscenza a priori delle funzionalità da svolgere permette la progettazione di S.O. “semplici”

!

orientato all’automazione

!

gestione a basso livello delle risorse e delle comunicazioni

!

vincoli real-time

Sistemi di controllo embedded

Layout generale di un sistema di controllo embedded

Sistemi di controllo embedded: Microcontrollori

I microcontrollori sono nati dalla sempre più avanzata

tecnologia di miniaturizzazione dei componenti elettronici

q

microprocessori con funzioni ausiliarie integrate

!

con sistema di sviluppo per la programmazione (in linguaggio assembler)

q

utilizzati per una grandissima varietà di applicazioni

!

telefoni cellulari

!

elettrodomestici

" lavatrici, forni a microonde, ...

!

apparati informatici, consumer electronics

" lettori DVD, stampanti, ...

!

centraline di controllo per vetture automobilistiche (automotive)

…

Sistemi di controllo embedded: Microcontrollori

q

caratteristiche e impieghi

! applicazioni tipicamente semplici

! ingombri ridotti

! limitato numero di segnali da gestire

! basso consumo

! limitata o assente interfaccia con l’utente

! scarsa integrazione con altri dispositivi dello stesso tipo

! difficile espansione

Sistemi di controllo embedded su singola scheda

q

componenti elettronici standard integrati su stessa scheda

q

elaboratori standard orientati alle applicazioni da eseguire

! processori per il trattamento dei segnali Digital Signal Processor (DSP)

" esecuzione di funzioni su numeri interi o reali

! circuiti integrati riconfigurabili dall’utente per realizzare funzioni logiche

complesse tramite blocchi logici e elementi di memoria (in grande sviluppo) Field Programmable Gate Array (FPGA)

q

capacità di elaborazione più elevata

q

numero di segnali da gestire più elevato

FGPA Xilink Spartan

FPGA Altera con > 20K porte logiche

cella logica elementare in un FPGA:

LUT = Look-Up Table, FA = Full Adder, DFF = D-type Flip-Flop, MUX = Multiplexer

Sistemi di controllo embedded su singola scheda

Sistemi di controllo con architettura a bus

I sistemi di controllo embedded non sono adeguati quando i compiti di controllo sono caratterizzati da

q

complessità notevole

q

elevato numero di segnali di input/output

q

interfacce uomo-macchina più sofisticate

q

interconnessione del sistema di controllo con reti informatiche

In tali casi vengono utilizzati controllori realizzati tramite architettura a bus

q

architettura simile a quella di comuni Personal Computer

Sistemi di controllo con architettura a bus

q

bus: insieme di linee elettriche per la comunicazione tra dispositivi

q

scheda madre caratterizzata da bus di comunicazione a cui si interconnettono differenti moduli/schede

q

mediante la connessione al bus possono essere utilizzati moduli per aumentare in maniera semplice e immediata le funzionalità del

sistema di controllo

Sistemi di controllo con architettura a bus

Il bus garantisce l’interconnessione meccanica ed elettrica tra i vari moduli

q

linee del bus raggruppate secondo la loro funzionalità

!

linee dati

!

linee indirizzi

!

linee di alimentazione

!

linee per la gestione della comunicazione

q

bus standard

!

EISA (versione industriale di ISA)

!

PCI – PCI Express

!

VME

!

PC104 – PC104+ (stack PC)

q

bus custom

Sistemi di controllo con architettura a bus

Modularità dell’architettura a bus

rack e bus modulo

alimentatore

modulo CPU e memorie

digital I/O analog I/O modulo per modulo per

Sistemi di controllo con architettura a bus

q

pro

!

flessibilità di progettazione

!

scelta dei moduli secondo le funzionalità da implementare

q

contro

!

Sistema Operativo più complesso

!

gestione di tutti i moduli interconnessi e delle comunicazioni attraverso il bus

!

vincoli real-time

Controllore di robot industriale

moduli di controllo e di gestione, con

reti/protocolli per scambio dati

(Reis Robotics)

Ethernet (IEEE 802.3) LAN di enorme uso

a grande velocità (>>100Mbs), con tutti i livelli ISO/OSI

ma non deterministico (protocollo non real-time,

se non modificato)

CAN bus =

Controller Area Network;

bus seriale (basato su RS-485) per comunicazione tra

microcontroller e dispositivi;

protocollo di accesso:

Carrier Sense Multiple

Process Fieldbus serie di protocolli per reti industriali che supportano un controllo real-time

distribuito

(standard IEC 61158) VME bus

bus a linee separate per dati e indirizzi (max # con 32 bit);

2 protocolli di accesso:

round robin, a priorità SCADA =

Supervisory Control And Data Acquisition