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Docente
CARLA SEATZU (Tit.)
ELIO USAI
Periodo
Primo Semestre 
Modalità d'Erogazione
Convenzionale 
Lingua Insegnamento
INGLESE 



Informazioni aggiuntive

Corso Percorso CFU Durata(h)
[70/90]  COMPUTER ENGINEERING, CYBERSECURITY AND ARTIFICIAL INTELLIGENCE [90/00 - Ord. 2018]  PERCORSO COMUNE 9 90

Obiettivi

In coerenza con gli obiettivi formativi del Corso di Laurea in Computer Engineering,
Cybersecurity and Artificial Intelligence, obiettivo dell'insegnamento Supervisory
Control and Monitoring è far acquisire allo studente le conoscenze di base relative alla
struttura di un sistema di controllo industriale integrato e i principali formalismi per la
sua modellazione, analisi e controllo utilizzando il paradigma dei sistemi ad eventi
discreti, oltre che all'utilizzo di tale rappresentazione nella risoluzione di problemi
nell'ambito della diagnosi di guasto, dell'opacità e della segretezza. Maggiori dettagli
sono nel seguito forniti:

* Conoscenza e capacità di comprensione:
lo studente acquisirà familiarità con la struttura e i componenti principali di un sistema di
controllo e gestione integrata nonché con i principali formalismi per la modellazione dei
sistemi ad eventi discreti, ossia gli automi e le reti di Petri. Saprà analizzare le loro
proprietà e progettare un controllore supervisivo. Conoscerà le tecniche di base per la
diagnosi di guasto e per lo studio dell'opacità, una proprietà strettamente legata alla
segretezza e alla privacy, comprendendone l'applicabilità a seconda del contesto.

* Conoscenza e Capacità di comprensione applicate:
lo studente saprà identificare le parti e le funzioni di un sistema di supervisione e
controllo e saprà individuare alcuni metodi per la rilevazione automatica dei guasti e per
garantire proprietà legate alla sicurezza e alla privacy del sistema stesso.

* Autonomia di giudizio:
lo studente sarà in grado di individuare vantaggi e svantaggi di alcune soluzioni
tecnologiche.

* Abilità comunicative:
lo studente sarà capace di esprimere chiaramente concetti tecnici nell'ambito
dell'automazione dei sistemi.

* Capacità di apprendere:
lo studente saprà integrare le conoscenze da varie fonti al fine di conseguire una visione ampia delle problematiche connesse alla realizzazione dei sistemi di supervisione e
controllo e dei sistemi di monitoraggio.

Prerequisiti

Per poter seguire proficuamente le lezioni lo studente deve aver acquisito da precedenti insegnamenti le seguenti conoscenze, abilità e competenze.

Conoscenze:
Elementi di Analisi matematica e di fisica. Elementi di algebra booleiana. Elementi di
logica della programmazione. Basi dei sistemi per l'elaborazione di dati e segnali.

Abilità:
Calcolo algebrico, differenziale. Redazione di programmi medianti linguaggi di programmazione.

Competenze:
Capacità di applicare le metodologie dell'algebra, del calcolo differenziale e dell'analisi funzionale per la rappresentazione e l'analisi di segnali e sistemi fisici.

Contenuti

Il corso consiste in due moduli, il primo di 30 ore, Control and Supervision Systems, e il
secondo Discrete Event Systems for Security di 60 ore. Nel seguito vengolo illustrati i
contenuti dei due moduli.

*** Control and Supervision Systems ***
Introduzione (2 ore di lezione )
Architettura gerarchica di un sistema di supervisione e controllo: piramide C.I.M. e suoi
componenti

Sistemi per il controllo locale (6 ore di lezione e 2 di esercitazione)
Risposta armonica e suo utilizzo per la caratterizzazione del comportamento di un
sistema lineare in retroazione. Controllori PID. Strutture elementari per il controllo:
single-loop, cascata, feed-forward, predittore di Smith, anti Wind-up.

Controllori a logica programmabile (PLC) (5 ore di lezione e 6 di esercitazione)
Struttura hardware. Linguaggio a contatti. Sequential Functional Chart. Interfaccia utente
e connessione in rete. Esempi di applicazioni.

Reti di comunicazione per il controllo (4 ore di lezione)
Bus di campo: modello ISO/OSI, topologie e tipologie. Interconnessione con reti aperte.

Sistemi di supervisione (5 ore di lezione)
SCADA e DCS. Struttura hardware. Interfaccia utente. Interfaccia di I/O. Ridondanza ed
affidabilità. Funzioni di sistemi di acquisizione dati. Interfaccia con la rete di campo.
Integrazione con i sistemi aziendali. Problematiche di sicurezza.

*** Discrete Event Systems for Security ***

Classificazione dei sistemi dinamici (2 ore di lezione)
Sistemi ad avanzamento temporale: a tempo continuo e tempo discreto. Sistemi ad eventi discreti: logici e temporizzati. Sistemi ibridi.

Automi (6 ore di lezione e 2 di esercitazione)
Automi finiti deterministici (AFD). Proprietà degli automi. Modellizzazione mediante automi. L'operatore di composizione concorrente sugli automi. Automi finiti non deterministici (AFN). Determinazione di un AFD equivalente ad un dato AFN.

Controllo supervisivo (8 ore di lezione e 4 di esercitazione)
Definizione di sistema e proprietà. Operatori su linguaggi e su automi: sincronizzazione, proiezione e composizione concorrente. Supervisore funzione e supervisore sistema. Proprietà del supervisore. Verifica delle proprietà di un supervisore. Specifiche sul linguaggio e sullo stato. Controllabilità e osservabilità. Sintesi di supervisori con osservazione totale. Sintesi di supervisori con osservazione parziale.

Diagnosi di guasto (6 ore di lezione e 2 di esercitazione)
Modello del processo e modello di guasto. Problema di diagnosi e soluzione mediante diagnosticatore. Diagnosticabilià: definizione; analisi mediante calcolo dei cicli indeterminati: analisi mediante verificatore.

Opacità e segretezza (6 ore di lezione e 2 di esercitazione)
Flussi di dati sensibili e privacy: opacità e segretezza. Opacità dello stato e del comportamento, intruso e segreto. Analisi dell’opacità mediante osservatore e mediante verificatore. Imposizione dell’opacità mediante controllo supervisivo.

Reti di Petri (8 ore di lezione e 2 di esercitazione)
Reti di Petri posto/transizione, equazioni di stato, insieme di raggiungibilità e linguaggio. Proprietà fondamentali. Esempi di modellazione. Reti di Petri con etichette. Osservatore dello stato.

Diagnosi di guasto e studio dell'opacità mediante Reti di Petri (8 ore di lezione e 4 di esercitazione)
Diagnosi di guasto e diagnosticabilità mediante reti di Petri. Studio dell'opacità mediante reti di Petri. Confronti con gli approcci mediante AFD.

Metodi Didattici

L'insegnamento è organizzato lezioni frontali ed esercitazioni con l'utilizzo di sistemi informatici per la redazione di programmi sequenziali e di semplici interfacce. Verrà valutata l'opportunità di creazione di gruppi di lavoro su temi specifici.

Per soddisfare esigenze didattiche specifiche connesse alla situazione epidemiologica, è prevista la possibilità di lezioni in diretta streaming o registrazioni delle stesse disponibili on-line. Inoltre, le esercitazioni potranno essere svolte mediante forme di interazione a distanza con i supporti informatici disponibili.

Verifica dell'apprendimento

Per superare l'esame finale gli studenti dovranno presentare un lavoro di gruppo in cui viene predisposta una relazione tecnica relativa alla soluzione di un semplice problema di controllo in cui dovranno essere identificate le varie componenti necessarie per l'implementazione di un controllo sequenziale e lo schema SFC che lo realizza. Afffinché la relazione venga approvata tutti i componenti del gruppo di lavoro dovranno dimostrare una adeguata conoscenza del sistema di controllo progettato.

Gli studenti dovranno inoltre sostenere una prova scritta (se sostenuta immediatamente al termine delle lezioni) o orale (nelle sessioni successive) relativa agli argomenti presentati all'interno del secondo modulo. Tale prova sara' atta a verificare la capacita' dello studente di risolvere problemi di modellazione, controllo, diagnosi di guasto e analisi formulati facendo ricorso a due principali modelli di sistemi ad eventi discreti, ossia gli automi a stati finiti e le reti di Petri.

Il voto finale verrà attribuito tenendo conto degli esiti di ciascuna prova, che comunque dovranno essere tutti positivi.

Testi

KLS Sharma, Overview of industrial process automation, Elsevier, 2017.

J. Hugh, Automating Manufacturing Systems with PLCs, 2007.

Dispense a cura del docente.

Altre Informazioni

Slide relative ai sistemi di supervisione e controllo disponbili nel sito del docente.

Questionario e social

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