MODELLIZZAZAIONE, SIMULAZIONE E CONTROLLO DI UN IMPIANTO DIDATTICO
DA LABORATORIO

Giulia Mirandola

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Elaborato di Laurea (AA 2003 - 2004) Relatore: prof. Luca Ferrarini

Correlatore: ing. Carlo Veber

Introduzione

Il lavoro s'inquadra nelle attività del "Laboratorio d'Automazione industriale" del DEI (Dipartimento di Elettronica e Informazione) del Politecnico di Milano, che dispone dell’impianto Scarabeo, realizzato a fini didattici, comprendente un robot SCARA e diverse strutture tipiche utilizzate nei processi manifatturieri flessibili.

I sistemi d’automazione per impianti industriali possono disporre di architetture distribuite, basate su una pluralità di elaboratori e di bus di comunicazione, che consentono di dislocare al meglio gli apparati e di semplificare le connessioni. Negli ultimi anni, insieme al cospicuo progresso tecnologico, si sono verificati importanti sviluppi negli standard internazionali, specificamente rivolti all’automazione. In particolare, è in fase avanzata d’approvazione lo standard messo a punto da IEC (International Electrotechnical Commission):

IEC 61499 “Function blocks for industrial-process measurement and control systems”

che fornisce le metodiche per progettare i sistemi distribuiti di misura e di controllo. In campo industriale è disponibile la versione sperimentale dello strumento:FBDK “Function Block Development Kit”, che consente di sviluppare blocchi funzionali e di configurare sistemi basati sulla normativa IEC 61499.

Obiettivi

Il principale obiettivo del lavoro è stato la realizzazione del simulatore dell’impianto Scarabeo e del suo sistema di controllo, con l'impiego dello standard IEC 61499 e dello strumento FBDK. Le unità che compongono l’impianto sono il robot SCARA e tre strutture (a navetta, a transfer-line e per il montaggio in linea a trasferimento). Il processo è la movimentazione dei pezzi, svolta dai nastri trasportatori di cui sono dotate le strutture. Il movimento è condizionato da attuatori che arrestano i pezzi o li traslano tra nastri adiacenti. Al robot è affidato il trasferimento dei pezzi da una struttura all’altra.

I punti affrontati nell’elaborato sono:

- l’analisi dell’impianto, che ha condotto alla definizione della specifica dei requisiti

- la modellizzazione dell’impianto e del controllo, descritta nella specifica di progetto

- l’analisi dello standard IEC 61499 e delle funzionalità rese disponibili dallo strumento FBDK

- la realizzazione del simulatore e del controllo, condotta con l’utilizzo di FBDK e delle metodiche definite nello standard

- la definizione di possibili sviluppi futuri.

Progetto e realizzazione

Il simulatore riproduce il funzionamento degli attuatori, del processo e dei sensori, che compongono le singole strutture e il robot. Particolarmente importante è la parte che emula il funzionamento del processo, che si compone di due moduli. Un modulo definisce il percorso del pezzo, che è vincolato dalla geometria dei nastri, dalla presenza dei fine-corsa, e tiene conto della velocità dei nastri e della direzione del moto. L’altro modulo, realizzato con una rete di Petri, produce gli effetti provocati sul moto del pezzo dall’azionamento degli attuatori che sono comandati dal controllo esterno. Questa composizione in due moduli separa i problemi di percorso da quelli legati all’intervento degli organi attuatori.

Sul versante del controllo, l’architettura utilizzata è composta da reti di Petri dislocate su due livelli. Il livello superiore ha il controllo dei motori dei nastri, sovrintende allo svolgimento delle azioni compiute dal livello sottostante e gestisce le richieste e le segnalazioni dell’operatore. Ciascuna delle reti del livello inferiore ha il compito di azionare in sequenza gli attuatori guidando il pezzo lungo il percorso voluto.

Le specifiche di progetto sono state tradotte nelle strutture d’elaborazione proposte dallo standard IEC 61499. L’architettura complessiva, realizzata con FBDK, comprende tre parti, il simulatore, il controllo e l’interfaccia con l’operatore, realizzate da tre dispositivi. Nella visione proposta dello standard, i dispositivi che compongono un’applicazione possono essere dislocati su laboratori distinti di un’architettura distribuita.

Dal pannello d’operatore si possono inoltrare le richieste al controllo e vedere le risposte e l’andamento delle coordinate del pezzo. La parte mimica del pannello mostra, in modo figurato, come il pezzo trasportato dai nastri della struttura si sposta dalla posizione iniziale e vi ritorna alla conclusione dei trasferimenti.

Conclusioni e sviluppi futuri

I risultati ottenuti sono principalmente il simulatore dell’impianto e il controllo delle sue diverse parti. Per il livello di modularizzazione raggiunto, essi si prestano ad essere adattati ad eventuali modifiche dell’impianto o all’esigenza di una diversa movimentazione dei pezzi nelle strutture. Un ulteriore risultato è poi il repertorio dei nuovi blocchi funzionali sviluppati con questa realizzazione. Sono inseriti nelle librerie di FBDK per consentirne il riutilizzo.

Tra gli sviluppi futuri più interessanti vi sono alcuni ampliamenti, quali:

- il collegamento del controllo all’impianto reale, con l’impiego dei blocchi funzionali d’interfaccia verso il campo e verso il robot

- l’ulteriormente arricchimento del repertorio di blocchi funzionali, in particolare di attuatori e sensori

- l’aggiunta di un programma di configurazione per agevolare l’introduzione dei parametri, che sono alquanto numerosi

- la rimozione del limite nel numero di pezzi ammissibili per struttura, quando sarà disponibile la gestione dinamica dei blocchi funzionali e si potranno utilizzare, appunto in modo dinamico, più istanze della parte che rappresenta la movimentazione dei pezzi.

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