Appunti completi per l'esame di Impianti industriali

Appunti Esame Impianti Industriali

RICCARDO GIUSTI

December 2025

1 Impianti Industriali Oggi

Per impianto industriale si intende un complesso di capitali, macchine e mzzi atti a sfruttare

le risorse materiali ed energetiche per trasformarle in prodotti finiti a MAGGIOR VALORE

AGGIUNTO tramite trasformazioni chimico fisiche o attraverso processi di fabbricazione.

Ogni impianto industriale si suddivide nella seguente STRUTTURA:

• IMPIANTI TECNOLOGICI: Sono costituiti dalle macchine che trasformano il materi-

ale da lavorare, al fine di rendere efficente l’impianto è necessario prestare attenzione alla

scelta del sistema di produzione adatto durante la fase di progettazione dell’impianto stesso.

• IMPIANTI DI SERVIZIO: Sono costituiti da tutte quelle strutture che, pur NON

PRODUCENDO direttamente valore aggiunto al prodotto, tuttavia creano quella con-

dizione al contorno necessaria per garantire un corretto funzionamento degli impianti tec-

nologici (impianto elettrico, idraulico, aria compressa, a vapore, chimico) e un’adeguata

operatività degli addetti (riscaldamento, ventilazione, condizionamento, impianto antincen-

dio, impianto di sicurezza)

1.1 La Dimensione

Quando parliamo di DIMENSIONE di un impianto industriale non ci si rifersice semplicemente

alla sua superficie, ma entrano in gioco diversi fattori.

In generale distinguiamo un impianto piccolo, medio, grande. Per fare questa classificazione

consideriamo:

• capacità produttiva

• continuità della produzione

• numero di addetti

• fatturato

• investimenti fatti

In tale contesto va però considerato di notevole importanza il settore in cui opera l’impianto

e quanto questo sia automatizzato. 1

1.2 Grado di integrazione

L’integrazione avviene sia VERTICALMENTE che ORIZZONTALMENTE.

Per INTEGRAZIONE ORIZZONTALE ci si riferisce a quel processo grazie al quale l’azienda

riesce ad aumentare il suo volume di produzione grazie ad un aumento del numero di commesse

(es: acquisto di aziende rivali).

Per INTEGRAZIONE VERTICALE ci si riferisce a quel processo grazie al quale l’azienda

estende le lavorazioni verso monte o verso valle (es: acquisizione azienda cliente o azienda forni-

trice).

1.3 Che cos’è un Paradigma?

E’ un modello di riferimento, un termine di paragone al quale riferirsi in modo analogico o per

similitudine. Il Paradigma è usato per creare e condividere una rappresentazione mentale di un

fenomeno complesso attraverso un modello di riferimento. Nella scienza infatti, le teorie che

pretendono di spiegare la realtà fenomenica si manifestano attraverso MODELLI. I modelli sono

delle rappresentazioni della realtà fenomenica basati sulla idealizzazione e sull’astrazione, dove

l’idealizzazione è una rappresentazione in forma distorta di un aspetto della realtà e l’astrazione

è la focalizzazione su alcune caratteristiche ignorando le altre.

1.4 Perchè un modello è diverso dalla complessità della realtà?

Perchè un modello non puo rappresentare la totale complessità della realta fenomenica ma ha

L’obiettivo di rappresentare solo alcune parti che si ritengono rilevanti, quindi puo essere sem-

plificato. La pura semplificazione però non garantisce per nulla che un’entità astratta come il

modello necessariamente funzioni. La connessione con il mondo reale è la modalità di validazione

del modello che può essere basato su diversi principi.

1.5 Cosa sono i Modelli Organizzativi

Sono delle astrazioni della realtà percepita delle caratteristiche complessive della struttura orga-

nizzativa di un’azienda, basata sull’idealizzazione di quelle caratteristiche che si ritengono salienti.

I Modelli organizzativi sono costituiti con una coerenza interna per ottenere alcuni risultati.

Questa coerenza è data dal fatto che: Leggi, Teoremi, Assunzioni che gli scenziati usano per de-

scrivere i modelli permettono di Validare i modelli stessi, secondo gli scopi della rappresentazione.

Tutti i modelli organizzativi si basano su modelli scientifici perchè partono da un obiettivo di rap-

presentazione, stabiliscono le definizioni, le ipotesi di base, le regole di funzionamento e i risultati

attesi.

1.6 LEAN PRODUCTION

Il paradigma organizzativo della Lean Production cerca di modellizzare l’esperienza concreta

realizzata da Toyota nel trasformare il suo sistema organizzativo e produttivo da tayloristico a

snello.

Partiamo da una esperienza concreta e si cerca di sintetizzarla in un modello che possa essere

usato da altri per comprendere e condividere il modello stesso e provare ad implementarlo.

2

L’obiettivo del modello è la definizione di un’organizzazione della produzione che tenda a

eliminare gli sprechi e i passi logici usati sono i seguenti:

1. Vengono definite tutte le tipologie di spreco comprese nel modello

2. Vengono definite le ipotesi di base riguardo la formazione degli sprechi

3. Vengono definite le regole di funzionamento per eliminare gli sprechi

4. Vengono definiti i risultati attesi

Un paradigma però non costituisce un modello valido nel senso comune con le stesse carat-

teristiche che ritroviamo nella rappresentazione scientifica. Per analogia possiamo rilevare che

la rappresentazione basata sul senso comune della LEAN PRODUCTION è costruita più sulle

caratteristiche dell’output che sulle caratteristiche di processo. La rappresentazione è focalizzata

sull’attributo di flessibilità produttiva ovvero produrre quanto richiesto dal mercato, mentre la

rappresentazione scientifica è centrata sull’attributo eliminazione degli sprechi.

1.7 INDUSTRY 4.0

Il termine Industria 4.0 indica una tendenza dell’automazione industriale che integra alcune nuove

tecnologie produttive per migliorare le condizioni di lavoro e aumentare la produttività e la qualità

produttiva degli impianti.

Industria 4.0 passa dal concetto di smart factory, che si compone di 3 parti:

1. SMART PRODUCTION: nuove tecnologie produttive che creano collaborazione tra

tutti gli elementi presenti nella produzione ovvero collaborazione tra operatore, macchine e

strumenti

2. SMART SERVICES: tutte le strutture informatiche che permettono di integrare i sistemi,

ma anche tutte le strutture che permettono di integrare le aziende tra loro (fornitore-cliente)

e con le strutture esterne (strade,hub,gestione rifiuti, ecc.).

3. SMART ENERGY: Occhio attento ai consumi energetici, creando sistemi più performanti

e riducendo gli sprechi di energia.

La chiave di volt dell’Industria 4.0 sono i sistemi CIBER-FISICI (CPS) ovvero sistemi fisici

strettamente connessi con sistemi informatici e che possono interagire e collaborare con altri

sistemi CPS. La collabiorazione tra sistemi e con gli essere umani sembra essere il nocciolo del

paradigma di Industria 4.0.

1.8 Perchè la Lean Production è un prerequisito di Industry 4.0

Il concetto di Lean Production si basa su 2 principi: focalizzazione sul valore percepito dal cliente

e l’eliminazione degli sprechi.

In qualche modo all’automazione fisica e logica è associata una rappresentazione mentale di

complessità che sembra in netto contrasto con la percezione di semplicità del concetto di Lean

Production. Ma questo è in chiara contraddizione con gli stessi principi della Lean Production.

Infatti bisogna ricordare che l’automazione dei processi è un obiettivo strategico dell’approccio

lean, ma questo obiettivo deve essere realizzato seguendo un preciso approccio metodologico.

L’automazione nell’approccio lean non è fine a se stessa ma è il risultato dell’applicazione di

una metodologia molto rigorosa nella quale la sostituzione dell’automazione all’uomo non è la

prima ma bensı̀ è l’ultima fase. 3

1.9 Automatizzare

Automatizzare significa realizzare processi fisici o logici per mezzo di sistemi automatici e ser-

vomeccanismi. I sistemi informativi sono sistemi automatici di gestione dell’informazione perchè

sono capaci di acquisire, usare e registrare dati senza o con minimo intervento di operatori umani.

Nello stesso modo i sistemi robotizzati hanno la capacità di realizzare movimenti, operazioni di

lavorazione che sono necessari per realizzare prodotti senza o con minimo intervento di operatori.

1.10 Automazione nell’approccio Lean

L’Automazione nell’approccio Lean non è fine a se stessa ma è il risultato dell’applicazione di una

metodologia molto rigorosa nella quale la sostituzione dell’automazione all’uomo non è la prima

ma bensı̀ l’ultima fase del processo di miglioramento:

1. Si inizia con ”carta e penna” ad analizzare i processi da migliorare

2. Si eliminano tutti gli sprechi, semplificando i processi stessi

3. Vengono provati i processi semplificati con una gestione manuale

4. Successivamente esperienza operativa troviamo spunti necessari per mettere a punto la

robustezza del nuovo processo.

A questo punto siamo pronti ad Automatizzare il processo senza sprechi e senza rischi perchè

abbiamo gia testato in campo le possibili situazioni rischiose e i problemi che potrebbero emergere.

1.11 Benefici Sistemi di Automazione

I benefici possono essere di natura Quantitativa e Qualitativa:

Benefici Quantitativi:

• Risparmi di attività amministrative

• Riduzione dei tempi di attraversamento

• Eliminazione degli errori

• Riduzione dei tempi di addestramento

• Riduzione dei tempi di intervento in caso di anomalie

Benefici Qualitativi:

• Possibilità di fare un controllo dei costi basato sull’attività effettivamente fornita

• Misurazione prestazioni individuali e dei processi di apprendimento addetti

• Individuazione effetti colli di bottiglia del processo produttivo

1.12 Cooperazione Uomo Macchina

Il termine Cooperazione Uomo Macchina può avere molti significati che sono dipendenti da 2

aspetti fondamentali: la definizione di macchina e la definizione di interazione uomo macchina.

4

1.13 Le macchine e gli Esseri Umani

Gli esseri umani interagiscono con queste macchine e questa interazione può fornire agli esseri

umani capacità che normalmente non hanno: più forza fisica, più precisione, più memoria, più

capacità di calcolo. D’altro lato gli esseri umani hanno caratteristiche che le macchine non hanno:

la possibilità di modificare in modo dinamico il loro comportamento in funzione dei cambiamento

che possonoavvenire: gli esseri umani sono capaci di adattarsi all’ambiente , di evolvere.

In altre parole la cooperazione tra uomini e macchine può permettere di realizzare un sistema in

cui lecaratteristiche della somma vanno molto al di la delle caratteristiche delle singoli componenti:

lacapacità di adeguare dinamicamente le azioni all’essenza degli obiettivi strategici.

1.14 I 9 Pilastri di Industria 4.0

• Additive Manufacturing: La manifattura additiva indica tutte quelle tecnologie che

consentono la produzione di elementi 3D senza sprechi, partendo da un modello digitale.

Queste tecnologie avvengono con aggiunta di materiale che permette di ridurre quasi a zero

lo spreco di materie prime: l’idea alla base della manifattura additiva è la costruzione dei

pezzi layer-by-layer, ovvero strato per strato.

• Big Data e Analytics: Queste tecniche permettono di esaminare una grande quantità

di dati al fine di individuare andamenti, possibili sviluppi futuri ed eventuale correlazione

tra essi. Vengono analizzati dati altamente eterogenei, difficili da trattare con i tradizionali

metodi relazionali, da qui l’esigenza di adottare metodi più flessibili.

Ai Big Data sono tipicamente associate:

• Velocità: frequenza in cui i dati sono caricati, processati e analizzati.

• Volume: Quantità di dati prodotti e immagazzinati

• Varietà: Eterogeneità dei dati e delle sorgenti dalle quali provengono i dati stessi.

• Realtà Aumentata: in ambito industriale può essere sfruttata per addestrare i tecnici.

• Robots: fa riferimento a robot collaborativi interconnessi o più precisamentea sistemi

avanzati di produzione interconnessi e modulari chepermettono di ottenere flessibilità ed

elevate performance. Negli anni, il campo della robotica è stato ampliamente studiate,

anche se i margini di miglioramento sono ancora elevatissimi.

• INDUSTRIAL INTERNET OF THINGS: Con l’espressione Internet of Things (IoT)

si indica una rete globaleed eterogenea, composta da oggetti che hanno un’identità sia

realeche virtuale, che siano individuabili e localizzabili e, allo stessotempo, sorvegliabili e

programmabili utilizzando Internet. In ambito industriale, essa identifica tutte le tecnologie

e i sensori che connettono i vari dispositivi e prodotti all’intero sistema

• Simulation: La simulazione, utilizzata dapprima nei processi di progettazione, si è es-

tesa a tutti i processi di produzione. La simulazione di processo èun’attività importante

nell’ingegneria di processo poiché coprel’intero ciclo di vita del processo stesso, dalla fase di

ricerca esviluppo a quella di progettazione concettuale e al funzionamentod’impianto.

• CYBERSECURITY: L’aumento dell’interconnessione interna ed esterna e l’aumentodella

digitalizzazione comportano una crescente esigenza di proteggere i sistemi di produzione e

la rete informatica da potenziali minacce che possono essere di vario tipo.

• CLOUD COMPUTING: Un cloud è un sistema remoto a cui è possibile accedere da

qualsiasi luogo tramite rete Internet. Il Cloud Computing permette la gestionedi un’elevata

quantità di dati. 5

Appunti Esame Impianti Industriali

RICCARDO GIUSTI

December 2025

1 I Livelli Aziendali

1.1 LA PIRAMIDE DELL’AUTOMAZIONE

Figure 1: Piramide dell’Automazione

1.1.1 La base della Piramide: i Macchinari e i Sensori

Alla base della piramide occorre porre gli strumenti operativi che consentono di automatizzare

maggiormente i processi produttivi. Questi sono rappresentati dai robot cosı̀ come dai bracci mec-

canici e altri strumenti che hanno lo scopo di fare in modo che la fase produttiva di un’impresa

possa essere affrontata nel migliore dei modi e senza interruzioni continuative. Grazie alla base

della piramide è possibile creare la parte successiva, che assume una parte importante e va strut-

turata con la massima attenzione.

I sensori e i misuratori constituiscono una parte fondamentale della piramide, i quali assumono

uno scopo ben preciso: valutare se l’operato dei macchinari si sta svolgendo in maniera corretta

e soprattutto se la procedura necessita di qualche modifica.

Il sensore deve monitorare tutte le differenti tipologie di dati e riportare le eventuali anomalie:

alcuni sensori sono dotati infatti di allarme acustico che consente di conoscere subito l’anomalia

riscontrata.

Grazie ai sensori, sarà possibile prevenire una serie di malfunzionamenti e/o incidenti.

1.1.2 La base della Piramide: i PLC e gli SCADA

Il termine SCADA è l’acronimo di Supervisor Control and Data Acquisition, ossia controllo di

supervisione e acquisizione dei dati. Tali sistemi di controllo fanno parte dei sistemi di controllo

1

industriali, che includono, oltre ai sistemi SCADA anche i sistemi di controllo distribuiti (DCS)

e anche sistemi più piccoli come i PLC (Controllori a Logica Programmabile).

1.1.3 La base della Piramide: i MES

Al quarto livello della piramide è presente un’ elemento che riesce a migliorare tutte le diverse fun-

zioni che devono essere impostate per quel macchinario. Ogni reparto aziendale, soprattutto quelli

che producono svariati oggetti in sedi separate (ma pur sempre presenti nella medesima area),

deve essere dotato dell’apposita console che permette di selezionare tutte le eventuali tipologie di

lavorazione che devono essere svolte dalle macchine a essa collegate. Le console sono scelte con

attenzione e chi ne avrà l’accesso dovrà conoscere alla perfezione quali sono le procedure utili da

svolgere affinchè sia possibile fare una programmazione corretta e rendere l’impresa più efficiente

sotto l’ambito della produzione.

1.1.4 La base della Piramide: gli ERP

Infine, nella punta della piramide, vi deve essere la sede di controllo generale, molto simile alla

console, che deve essere necessariamente studiata affinchè questa possa essere definita come cor-

rettamente attiva e in grado di far fronte a tutte quelle che sono le esigenze della produttività.

Questa parte è inoltre importante dato che gli eventuali errori potranno essere facilmente identifi-

cabili e si avrà il tempo necessario per fare tutte le dovute modifiche. Queste console permettono

pure di inviare comunicazioni dirette alle varie aree produttive presenti all’interno dell’impresa

cosı̀ da far agire i tecnici responsabili per adeguare le impostazioni nel tempo necessario.

2 Il PLC

Le macchine automatiche esistono praticamente da dopo la rivoluzione industriale. Fino agli

anni ’70 le grosse macchine automatiche funzionavano a relè. In pratica le macchine automatiche

erano macchine ANALOGICHE, piene di relè cablati con struttura fissa, quindi modificare il

comportamento della macchina automatica comportava il dover rifare il cablaggio dei componenti

di cui si voleva modificare il comportamento, ovvero togliere i cavi precedentemente istallati e

rifare le connessioni.

2.1 Il Relè

Dispositivo che usa le variazioni della corrente per influenzare le condizioni di un altro circuito.

Se ne possono trovare elettronici, elettromagnetici, a induzione, a semiconduttore e termici.

Quello elettromagnetico è il più diffuso ed è costituito da un elettromagnete che, facendo

passare un flusso di corrente in una bobina di filo, attrae una struttura di ferro, aprendo e

chiudendo un contatto. In sostanza è un interruttore che non viene azionato a mano da un

elettromagnete.

Come funziona:

• Non passa corrente:

La bobina non esercita nessuna forza di attrazione. Sono a contatto i terminali A e B

• Passa corrente:

La bobina diventa un elettromagnete e attira a se l’ancorina di metallo, che apre il contatto

tra A e B e lo chiude tra B e C. 2

Figure 2: Relè, 1: Bobina, 2: Ancorina, 3: Contatto Mobile

2.1.1 Svantaggi:

• Debugging difficoltosi

• Manutenzioni Onerose

• Ingombro elevato

• Consumo elevato

• Ridotta affidabilità

2.2 Nasce il PLC

Il PLC nasce come elemento sostitutivo della logica cablata e dei quadri di controllo a relè. Il

PLC è impiegato in moltissimi settori industriali.

Il PLC è un’apparecchiatura elettronica programmabile in grado di interpretare ed eseguire le

istruzioni dei programmi in essa memorizzati, interagendo con un circuito di controllo attraverso

dispositivi d’ingresso e d’uscita.

2.2.1 Come Funziona un PLC

Il microprocessore (CPU) messo all’interno del PLC controlla i segnali provenienti in ingressi dal

sistema sottoposto a controllo, li elabora secondo il programma impostato dall’utente e determina

di conseguenza le operazioni che gli attuatori, connessi in uscita dovranno compiere.

2.2.2 Vantaggi PLC rispetto Logica Cablata a Relè

• Cablaggio di un quadro automazione diventa elementare, basta portare ciascun segnale sulla

morsettiera del PLC

• Semplicità nel controllare eventuali anomalie o guasti

• Possibilità di programmare centinaia di relè ausiliari, senza aumentare lo spazio occupato

nel quadro 3

• Modificare funzionamento dell’automatismo anche mentre questo è in funzione

• Possibilità tramite software di programmare la produzione sostituendo il programma

• Possibilità di adattare il funzionamento alle esigenze di alta affidabilità del prodotto

2.2.3 La struttura di un PLC Figure 3: PLC

Un PLC monoblocco o modulare, si compone di alcuni importanti elementi Hardware.

1. Alimentatore: integrato nel corpo del PLC o esterno

2. Unità centrale (CPU): coordina attività del PLC interpretando ed eseguendo il pro-

gramma utente, svolgendo operazioni aritmetiche e verifiche funzionali.

3. Le memorie: una volatile (RAM) per la scrittura e la lettura dei dati relativi al programma

utente da eseguire, l’altra non volatile (ROM) per l’archiviazione del programma di sistema

indispensabile al funzionamento del PLC. Esistono poi particolari memorie di tipo EPROM,

le quali possono essere scritte e riutilizzate solo tramite stimolazione, con raggi UV.

4. I moduli IN/OUT: i dispositivi di ingressi e di uscita attraverso i quali il PLC interagisce

con il circuito da controllare. La comunicazione avviene tramite segnali analogici di tipo

ON-OFF.

5. I dispositivi di programmazione: apparecchiatura predisposta per la stesura, la compi-

lazione e l’invio dei programmi utente destinati alla memoria del PLC. Distiguiamo modalità

di programmazione ON-LINE, quando il programma è direttamente immesso nel PLC e

OFF-LINE quando viene memorizzato su una memoria EPROM che solo in seguito sarà

trasferita al PLC.

3 PLC, SCADA, DCS

• I PLC sono generalmente usati per il controllo discreto per applicazioni specifiche e gen-

eralmente forniscono controllo di regolazione

• I sistemi DCS sono generalmente usati per il controllo dei sistemi di produzione all’interno

di un’area locale come una fattoria usando controllo di supervisione e di regolazione

• I sistemi SCADA sono generalmente usati per controllare risorse che sono disperse usando

acquisizione di dati centralizzati e controllo di supervisione

4

3.1 DCS

Il DCS è l’acronimo di Distributed Control Systems o in italiano Sistemi di Controllo Distribuito.

Il sistema DCS controlla tutti i tipi di variabili di processo. In altre parole il DCS è un sistema

che divide il controllo dell’impianto o del processo in diverse aree di responsabilità, ognuna gestita

dal proprio controllore, con l’intero sistema collegato per formare una singola entità, tramite bus

di comunicazione.

3.2 I sistemi SCADA

I sistemi SCADA integrano i sistemi di acquisizione dati con i sistemi di trasmissione dati e

i software HMI per fornire un sistema di monitoraggio e controllo centralizzato per processi

con numerosi ingressi e uscite. Sono sistemi progettati per raccogliere informazioni sul campo,

trasferirle in un computer centrale, e visualizzarle all’operatore in maniera grafica, consentendo

all’operatore di monitorare o controllare un intero sistema da una sede centrale in tempo reale.

4 Il MES

Il MES è l’acronimo di Manufacturing Execution Systems, è un sistema che acquisisce e dis-

tribuisce informazioni che consentono l’ottimizzazione delle attività produttive dal lancio dell’ordine

al prodotto finito. I sistemi MES rispondono ad esigenze precise, quali il