Paniere con risposte aperte - Automazione industriale (2021/2022)

Automazione industriale

Docente: Suraci Vincenzo

Lezione 001

1. Come è strutturato il corso?

Le prime lezioni sono dedicate all’introduzione di alcuni concetti di base e delle definizioni fondamentali per l’Automazione Industriale. Successivamente viene presentata la parte più applicativa, la realizzazione dei dispositivi di misura, degli attuatori e delle reti di comunicazione. Si passa poi a illustrare le procedure di progettazione dei sistemi di automazione e i problemi relativi alle azioni di intervento e alla loro verifica. Le lezioni conclusive trattano la diagnosi e gestione dei guasti, ossia argomenti che riguardano in generale la realizzazione dei sistemi di automazione, e i problemi specifici connessi ad un particolare settore applicativo, quello della movimentazione controllata.

2. Quali sono gli obiettivi del corso?

Il corso intende fornire la professionalità di base necessaria per affrontare i problemi connessi alla progettazione, alla realizzazione e alla gestione di un sistema controllato complesso naturale o realizzato dall’uomo.

3. Cosa si intende con il termine «automazione»?

Il termine “Automazione”, ricavato dall’inglese “automation”, è stato coniato negli Stati Uniti nel 1948 per definire le procedure introdotte per realizzare impianti di produzione in serie senza l’intervento diretto di un operatore. L’obiettivo dell'Automazione è quello di rendere il funzionamento di un apparato più o meno complesso indipendente dall’intervento degli operatori. L’Automazione si applica ai sistemi da controllare, costituiti da elementi singoli oppure da insiemi di vari elementi strettamente coordinati, allo scopo di intervenire sul loro comportamento per raggiungere le finalità prefissate e le prestazioni desiderate.

Lezione 002

1. Quali sono i principali campi di applicazione della Automazione Industriale?

I principali campi di applicazioni dell'automazione industriale sono:

• 1. Processi di tipo continuo: trasformazione chimico-fisica delle materie prime, produzione di prodotti di largo consumo e di servizi di base;
• 2. Industria manifatturiera: modifica di forma e foggia di alcune materie prime, produzione di beni strumentali;
• 3. Reti di distribuzione: trasporto e distribuzione di energia, gas, acqua, calore nonché gestione del traffico;
• 4. Domotica: gestione delle reti locali di distribuzione, sicurezza delle persone e delle strutture, ecc.

2. Quali sono i settori maggiormente interessati dall'Automazione Industriale?

I settori maggiormente interessati sono gli impianti di produzione ad eventi programmati (38% della domanda in Italia) e gli impianti di produzione di tipo continuo (40% della domanda).

3. Fare degli esempi di Automazione Industriale.

Alcuni esempi di automazione industriale sono: il ciclo di lavorazione del parabrezza di un autoveicolo, il sistema di depurazione e distribuzione dell'acqua nel sistema acquedotto, le soluzioni per il controllo remoto, ecc.

Lezione 003

1. Come le tecnologie e le metodologie dell'Automazione Industriale influenzano i costi e le prestazioni ottenibili da un sistema industriale?

A fronte di tecnologie innovative e metodologie innovative si ha un costo elevato dell'investimento iniziale ma a fronte di un sostanziale miglioramento delle prestazioni. Utilizzando invece tecnologie innovative ma metodologia convenzionale si avrà un aumento del costo di investimento con un parziale miglioramento delle prestazioni. Invece utilizzando tecnologie convenzionali e metodologie innovative si avrà un costo di investimento invariato e un marginale miglioramento delle prestazioni. Utilizzando tecnologie convenzionali e metodologie convenzionali si avrà un costo e prestazione ben definiti.

2. Quali sono le problematiche generali affrontate dall'Automazione Industriale?

Le motivazioni che giustificano l’impiego della Automazione:

• Le finalità da perseguire nella realizzazione di un sistema controllato realizzato nell’ambito dell’Automazione Industriale
• L’inquadramento dei problemi di carattere generale collegati alla realizzazione e alla utilizzazione di un sistema controllato
• La procedura di progettazione e realizzazione di un sistema controllato mediante l’applicazione della Automazione

3. Come l'organizzazione aziendale può influenzare le prestazioni di un sistema di Automazione Industriale?

Passaggio da un organizzazione tradizionale per gruppi ad una innovativa per competenze.

Lezione 004

1. Quale è la differenza tra un esperto di Automazione e un «praticone» dell'Automazione?

Il “praticone” è colui che:

• Sa come far funzionare un sistema controllato;
• Sa utilizzare gli attuatori e i dispositivi di misura basandosi sulla intuizione e sulla esperienza riesce a scegliere la strumentazione per fare raggiungere al sistema controllato la funzionalità desiderata;
• È in grado di individuare modalità di controllo di tipo semplice, intuitivo, consolidato;
• Riesce a rendere funzionante il sistema controllato intervenendo sulla modalità di controllo durante il funzionamento;
• Accetta le prestazioni che riesce ad ottenere senza preoccuparsi della efficienza del sistema controllato;
• Non esita a sovradimensionare il sistema da controllare e la strumentazione pur di ottenere le prestazioni desiderate
• Non esita a rallentare il comportamento dinamico del sistema controllato pur di raggiungere la funzionalità desiderata;
• Preferisce lavorare “di braccio” piuttosto che “di cervello”.

L’“esperto” è colui che conosce i fondamenti delle discipline che caratterizzano l’ingegneria industriale al fine di:

• Comprendere il funzionamento del sistema da controllare;
• Documentare le informazioni necessarie per comprendere il comportamento statico e dinamico, tramite modelli finalizzati alla progettazione delle azioni di controllo;
• Conosce le modalità di funzionamento, di conduzione, di gestione, di esercizio del sistema da controllare;
• Conosce le procedure secondo cui organizzare, progettare e rendere operative le azioni di controllo che consentono di ottenere dal sistema controllato le prestazioni desiderate.

2. Quali sono le esigenze del controllo di un sistema complesso?

Le esigenze sono quelle di migliorare il controllo degli elementi singoli per aumentare il rendimento complessivo di un sistema controllato. Per migliorare il rendimento di un sistema controllato occorre ad esempio ridurre la variabilità del prodotto, migliorare la disponibilità del sistema controllato complesso, ottimizzare la composizione del prodotto, ecc; invece per ridurre il costo di produzione occorre diminuire i costi di gestione del sistema controllato, diminuire i costi di progettazione e di messa in servizio, diminuire i costi di manutenzione, ecc.

3. Quali sono le capacità professionali che l'ingegnere dell'Automazione deve acquisire?

Le capacità professionali da acquisire

• Individuare le modalità di intervento a livello di elemento singolo, di sottosistema e di sistema, al fine di raggiungere la funzionalità e le prestazioni desiderate.
• Costruire modelli matematici di simulazione di sistemi complessi di diversa natura allo scopo di analizzarne e simularne il comportamento e di progettare le azioni di controllo finalizzate al raggiungimento della funzionalità e delle prestazioni desiderate da un sistema controllato complesso.
• Dimensionare e realizzare i sistemi di controllo che integrino la strumentazione con i componenti informatici, software ed hardware, per la conduzione e per l’esercizio di sistemi controllati di vario genere.
• Fornire consulenza agli specialisti di altri settori tecnologici, coinvolti nella realizzazione del sistema da controllare, al fine di elevare la qualità delle prestazioni del sistema controllato, rendendo operativi in modo efficace i relativi dispositivi di controllo. Interagire con gli specialisti di altri settori applicativi per la definizione delle specifiche di progetto e per la conduzione e l’esercizio di sistemi automatizzati facendo uso delle metodologie proprie dell‘automazione.
• Provvedere alla gestione e alla manutenzione, ordinaria e straordinaria, di sistemi automatizzati complessi, sia a livello di singolo elemento che a livello di supervisione dell'intero sistema e delle sue interazioni con il mondo esterno.
• Aggiornare in modo rapido ed efficace le proprie competenze per mantenere un alto grado di flessibilità e di adattabilità alle innovazioni tecnologiche nei vari settori dell‘Ingegneria.

Lezione 005

1. Definire i concetti di: Finalità Funzionalità Prestazioni Specifiche

Finalità: raggiungimento degli obiettivi richiesti dal committente da parte del sistema da controllare, quando è sottoposto ad opportune azioni di intervento.

Funzionalità: attività richieste dal committente affinché il sistema da controllare, per effetto delle azioni di intervento, possa raggiungere la finalità per le quali è stato progettato.

Prestazioni: attività che è in grado di svolgere il sistema da controllare quando è sottoposto alle azioni di intervento.

Specifiche: formalizzazione delle richieste del committente per la realizzazione di un sistema controllato.

2. Descrivere le condizioni operative di un sistema controllato.

Le condizioni operative di un sistema controllato permettono di individuare in ogni istante le modalità di funzionamento ed eventualmente di intervenire nel caso in cui si riscontrino problemi. Per ciascun sistema vengono individuate le condizioni nominali di funzionamento, in relazione alle quali sono state definite le funzionalità, le prestazioni e le specifiche e le possibili condizioni di funzionamento anomalo.

3. Definire i concetti di: Aspetto qualitativo Aspetto quantitativo Condizioni operative

Le finalità di un sistema da controllare, la funzionalità del sistema controllato, le prestazioni, le specifiche fornite, possono essere descritte tramite il linguaggio naturale in modo qualitativo, e specificate in modo quantitativo, tramite il valore di opportune entità misurabili. È di fondamentale importanza che l’esperto di Automazione Industriale sappia gestire congiuntamente entrambi questi aspetti e sia in grado di trasferire le informazioni relative prestazioni desiderate per il sistema controllato, fornite dal committente tramite linguaggio naturale, in specifiche tecniche di tipo quantitativo. Le condizioni operative di un sistema controllato permettono di individuare in ogni istante le modalità di ed eventualmente di intervenire nel caso in cui si riscontrino problemi nel suo corretto funzionamento.

Lezione 007

1. Descrivere il ruolo delle variabili coinvolte in un sistema controllato.

Per caratterizzare il comportamento del sistema da controllare e quello del sistema controllato nonché la progettazione delle modalità di intervento e la realizzazione del sistema di controllo devono essere prese in considerazione alcune grandezze opportunamente definite.

Tali grandezze, relative ad un sistema di misura opportunamente scelto, definite in forma linguistica e caratterizzate attraverso il loro valore, vengono indicate genericamente come variabili. La loro finalità e il loro ruolo nella realizzazione di una modalità di controllo è differente, come specificato di seguito.

• Variabili interne: sono quelle collegate al rilevamento di variabili in grado di caratterizzare le condizioni di funzionamento del sistema da controllare, dei dispositivi utilizzati per rendere operativa l’automazione;
• Variabili di comando: sono quelle utilizzate per fare in modo che opportuni dispositivi siano in grado di applicare al sistema le azioni di intervento
• Variabili di forzamento: sono quelle utilizzate per caratterizzare l’energia immessa nell’elemento per provocarne la modifica delle condizioni di funzionamento, ossia l’evoluzione
• Variabili controllate: sono quelle utilizzate per ricavare le informazioni relative all’evoluzione ed utilizzate per definire le specifiche e le prestazioni
• Disturbi prevedibili e/o casuali: sono quelle variabili in grado di alterare in maniera significativa l’evoluzione del sistema da controllare, in quanto coinvolgono l’immissione o il prelievo di parte dell’energia coinvolta nell’evoluzione
• Variabili di attivazione: sono quelle utilizzate per attivare o disattivare gli interventi che determinano il funzionamento del sistema controllato
• Eventi: sono variabili in grado di alterare le condizioni operative prefissate
• Variabili esterne sono quelle variabili collegate al rilevamento delle grandezze che caratterizzano l’ambiente in cui si trova ad operare il controllato.

2. Dato uno schema di controllo a catena chiusa, chiarire quale è il flusso di energia e quale quello di informazione.

Il flusso di energia è composto da un attuatore che ha come input una variabile di comando e produce in output al sistema da controllare una variabile di forzamento, il sistema da controllare produce poi in output una variabile controllata. Il flusso di energia è utilizzato per dimensionamento il valore di targa del sistema da controllare e per determinare il campo di escursione della variabili di forzamento. Il flusso di informazione gestisce variabili interne ed esterne coinvolte al sistema da controllare che sono utilizzate per dare il consenso alla attivazione delle azioni di intervento

3. Definire i concetti di: Sistema complesso Evoluzione di un sistema Controllo di un sistema

Sistema complesso insieme di elementi e/o di sistemi collegati fra loro al fine di formare un’entità organica con determinate caratteristiche per quanto riguarda la funzionalità e le prestazioni

Si parla di evoluzione di un sistema quando viene preso in considerazione il comportamento del sistema durante un intervallo di tempo opportunamente definito. L’evoluzione può essere libera quando dipende da eventi non intenzionali; se invece l’evento che provoca l’evoluzione è intenzionale, l’evoluzione viene detta forzata. L’evoluzione libera e l’evoluzione forzata possono coesistere.

L’ azione di intervento è invece finalizzata alla applicazione delle azioni in grado di agire fattivamente sul comportamento degli elementi che realizzano il sistema da controllare. Sia l’azione di conoscenza sia l’azione di intervento devono essere presenti per realizzare l’automazione di un sistema complesso.

In termini correnti, tali azioni vengono indicate con l’unico termine di “controllo”, che però deve essere interpretato in maniere differente in base alla finalità che deve essere raggiunta.

La conoscenza del comportamento equivale quindi ad un controllo di tipo “passivo”, mentre l’azione di intervento ad un controllo di tipo “attivo” e finalizzato agli obiettivi che devono essere raggiunti dal sistema controllato.

Lezione 008

1. Data la struttura di un sistema controllato, spiegare quali parti sono scelte dal committente, quali dal progettista e quali sono invece assegnate.

Le parti scelte dal committente sono le finalità desiderate e le variabili di comando, il progettista effettua una valutazione del risultato, definisce una modalità di intervento (e variabili di forzamento) e verifica il raggiungimento delle finalità e delle prestazioni desiderate, viene assegnato il sistema da controllare e le variabili da controllare assieme ai disturbi

2. In base al tipo di attuatori e di dispositivi di misura, chiarire le prestazioni ottenibili attraverso un controllo a catena chiusa

In un controllo a catena chiusa tramite dispositivi on/off con verifica di validità di tipo on/off viene raggiunto il valore prefissato della variabile controllata senza vincoli sul comportamento dinamico. In un controllo a catena chiusa tramite dispositivi on/off con verifica di validità effettuata in modo continuo, la variabile controllata viene inseguita con vincoli stringenti sulla precisione statica e dinamica. In un controllo a catena chiusa tramite dispositivi di tipo continuo con verifica di validità di tipo continuo, solo il valore medio della variabile controllata è in grado di inseguire il suo andamento desiderato senza ulteriori vincoli sul comportamento dinamico

3. Definire le diverse modalità di applicazione delle azioni di intervento.

L’azione di intervento può essere di tipo continuo, nel caso in cui la modifica del comportamento sistema controllato possa avvenire senza discontinuità, oppure vi sono modifiche di comportamento dovute alle azioni di intervento che vengono esplicate in maniera intermittente, secondo una cadenza prestabilita; gli eventi di tipo casuale, indicati generalmente come disturbi, hanno una rilevanza determinante nella progettazione delle modalità di controllo e conviene che siano individuati prima di procedere alla progettazione.

Lezione 009

1. Nella progettazione di un sistema di automazione, fare alcuni esempi delle richieste dell'utente finale.

Richieste di base dell'utente finale: definire la funzionalità del sistema controllato; individuare i vincoli costruttivi (normativa, requisiti tecnologici, aspetti legali), operativi, ambientali, ecc; effettuare progettazione (standardizzazione, usabilità, modularità, affidabilità, prestazioni), gestire l'attività di progettazione; compilare le richieste di offerta per la realizzazione (gara di appalto).

2. Nella progettazione di un sistema di automazione, fare alcuni esempi delle richieste del committente.

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