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PASQUALE DI VIESTI
Ricercatore t.d. art. 24 c. 3 lett. A
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: Industrial Automation Lab
Sustainable industrial engineering (Offerta formativa 2024)
Obiettivi formativi
Gli obiettivi formativi del corso sono:
A. saper leggere le schede tecniche di sensori commerciali, attuatori e sistemi embedded,
B. definire le specifiche (ad esempio, specifiche statiche e transitorie) per controllo industriale e problemi di progettazione;
C. bilanciare le specifiche rispetto alle limitazioni (in termini, ad esempio, di larghezza di banda) dell'impianto e ai sensori disponibili (in termini, ad esempio, di larghezza di banda, SNR, risoluzione);
D. selezionare i sensori e gli attuatori da un catalogo al fine di ottenere quanto richiesto dalle specifiche;
E. progettare l'algoritmo di controllo (un PID) per risolvere un insieme di specifiche date;
F. interfacciare gli algoritmi di controllo progettati con una macchina elettrica convertendo il segnale di uscita dell'algoritmo di controllo in un segnale elettrico di basso livello;
G. interfacciare fisicamente la macchina elettrica con il sistema embedded;
H. interfacciare l'algoritmo di controllo progettato con la posizione/velocità/coppia data dal sensore;
I. interfacciare fisicamente il sistema embedded con i sensori disponibili, con il necessario condizionamento del segnale;
J. stabilire una connessione tra il sistema integrato e un computer remoto (SCADA) tramite bus di campo (CAN/Profibus) ed Ethernet;
K. progettare un sistema di registrazione dei dati.
Prerequisiti
Abilità di base nei domini di matematica e fisica
Programma del corso
1. Elettronica industriale e Sensoristica (6 CFU, 4 CFU Teoria + 2 CFU Laboratorio)
A. Cenni di dispositivi a semiconduttore e interruttori di potenza a stato solido.
B. Introduzione e figure di merito per i convertitori di potenza. Raddrizzatori monofase; caricabatterie. Filtri passa-basso. Introduzione ai convertitori. Introduzione alla modulazione PWM.
C. Condizionamento del segnale. Amplificatori e funzioni di rete. Amplificatori differenziali. Amplificatori operazionali. Esempi di applicazione di amplificatori operazionali. Amplificatore logaritmico. Comparatore. Circuiti di protezione e isolamento. Filtri passivi e attivi. Introduzione ai convertitori. Schede di acquisizione dati.
D. Introduzione a sensori e trasduttori. Terminologia. Classificazione, principio di funzionamento e utilizzo dei sensori per applicazioni industriali.
2. Automazione Industriale (6 CFU, 4 CFU Teoria + 2 CFU Laboratorio)
A. Introduzione ai sistemi dinamici. Funzione di trasferimento. Errori di stato stazionario. Analisi transitoria.
B. Specifiche statiche e transitorie.
C. Stabilità a circuito chiuso.
D. Progettazione regolatori: regolatori PID. Controllori a tempo discreto.
E. Strumenti di controllo e simulazione (Matlab, Simulink).
F. Introduzione ai controllori logici programmabili (PLC).
G. Introduzione alle macchine elettriche. Macchine a corrente continua. Motori passo-passo. Controllo di coppia/velocità/posizione. Azionamenti elettrici incrementali: circuiti base di controllo di motori passo-passo.
H. Introduzione al networking e alle comunicazioni di dati - Concetti principali, terminologia e metriche delle prestazioni. Nozioni di base sui protocolli per reti cablate e wireless.
I. Tecnologie e standard di accesso per reti cablate e wireless - Infrastrutture di rete cablate ad alta velocità per applicazioni industriali: Ethernet e la sua evoluzione. Standard wireless: IEEE 802.11 e Long Range (LoRA)-WAN. Reti 5G private.
J. Bus di campo nell'automazione industriale. Protocolli bus di campo seriale: PROFIBUS, Control Area Network (CAN), Modbus e CC-Link. Protocolli Ethernet: PROFINET, PROFINET IRT, Ether-CAT, EtherNet/IP, Sercos III.
3. Laboratorio
L'obiettivo di questo laboratorio, a cui ciascuno dei moduli precedenti contribuisce, è di mettere in pratica le metodologie apprese nel seguente problema di progettazione dell'automazione industriale: progettare un anello di controllo di posizione/velocità/coppia e un sistema di acquisizione dati per una macchina elettrica. Questo è un semplice, ma fondamentale, problema di progettazione e controllo con molte applicazioni nella pratica industriale. Il sistema da progettare è costituito da:
A. una macchina elettrica,
B. una serie di sensori,
C. una piattaforma embedded (ad es. Arduino Portenta Machine Control),
D. un computer remoto che funge da interfaccia operatore al sistema di controllo e da sistema di acquisizione dati,
E. una rete dati.
Metodi didattici
In questo corso verranno adottati approcci di apprendimento attivo. Il materiale didattico sarà reso disponibile in anticipo insieme a sessioni introduttive per la risoluzione dei problemi. La discussione in aula sarà guidata dalle domande degli studenti sui problemi assegnati, in stile flipped classroom. Il modulo di laboratorio fornirà un'esperienza pratica che richiede agli studenti di mettere in pratica la teoria appresa in un problema di progettazione di automazione industriale del mondo reale.
Le aziende locali saranno coinvolte e illustreranno casi di studio attraverso seminari e, possibilmente, forniranno input per la progettazione dei compiti di laboratorio
Testi di riferimento
TBD
Verifica dell'apprendimento
L'apprendimento verrà valutato mediante un progetto finale.
Risultati attesi
Ci si aspetta che gli studenti apprendano come leggere le schede tecniche di sensori, attuatori e sistemi embedded commerciali, nonché definire le specifiche per un problema di controllo ed eseguire il progetto in tutte le sue forme, dalla selezione delle parti alla progettazione del controllo e l'interfacciamento con le macchine fisiche utilizzando sistemi embedded e data logging remoto tramite bus di campo.