Appunti Tecnologie per l'automazione industriale

Appunti Industrial Automation Technologies

Capitolo 2 – contesto storico e scientifico dell’automazione industriale

Le rivoluzioni industriali

Fino alla fine del XVIII secolo, il mondo produttivo era ancora in una fase pre-industriale.

L’automazione era molto limitata e riguardava solo piccoli processi isolati. Le fonti di energia

disponibili erano l’acqua, il vento e la forza di animali e uomini, il che imponeva forti vincoli sia in

termini di localizzazione sia di potenza disponibile. Un esempio tipico è il mulino: un sistema

“controlled by design”, in cui il comportamento automatico era determinato dalla sola struttura

meccanica, senza alcuna forma di controllo in retroazione.

La svolta avviene con la Prima Rivoluzione Industriale, convenzionalmente collocata alla fine del

Settecento, in particolare intorno al 1788. L’invenzione della macchina a vapore permette di

generare elevate potenze in spazi ristretti e senza dipendere dalla presenza di corsi d’acqua o vento.

Ancora più importante, il regolatore centrifugo di James Watt introduce il principio del controllo a

feedback, consentendo di regolare automaticamente la velocità della macchina. Questo porta alla

meccanizzazione di più processi nello stesso luogo e alla nascita della fabbrica moderna.

Tra la fine del XIX secolo e l’inizio del XX si sviluppa la Seconda Rivoluzione Industriale, con un

momento simbolico nel 1913. In questa fase si diffonde l’energia elettrica e i motori elettrici

sostituiscono progressivamente quelli a vapore, rendendo gli impianti più flessibili e controllabili.

Parallelamente si afferma l’organizzazione scientifica del lavoro teorizzata da Frederick Winslow

Taylor nel 1911, che culmina con l’introduzione della catena di montaggio da parte di Henry Ford

nel 1913. Nasce così la produzione di massa, basata su standardizzazione, ripetitività e forte

divisione del lavoro.

Alla fine degli anni Sessanta, intorno al 1969, prende avvio la Terza Rivoluzione Industriale. Le

tecnologie digitali e informatiche diventano mature, affidabili ed economicamente accessibili.

L’automazione si basa sempre più su elettronica, calcolatori e sistemi programmabili.

Contemporaneamente diminuiscono i costi dei trasporti e si sviluppano strumenti finanziari globali:

è l’epoca della globalizzazione. L’industria diventa altamente flessibile e capace di spostare e

riconfigurare rapidamente la produzione su scala mondiale.

Infine, dal 2011 si parla di Quarta Rivoluzione Industriale, o Industria 4.0. L’obiettivo non è solo

automatizzare il singolo processo, ma integrare digitalmente tutti i processi produttivi, sia

all’interno dell’azienda sia lungo l’intera supply chain. Le tecnologie abilitanti comprendono robot

autonomi, stampa 3D, big data analytics, simulazione, realtà aumentata, cloud computing, Industrial

Internet of Things e cybersecurity. Nascono così i sistemi cyber-fisici e la smart factory,

caratterizzati da interconnessione, flessibilità, efficienza e capacità di adattamento in tempo reale.

Modello di progettazione a V

Il modello di progettazione a V nasce come formalizzazione dell’approccio top-down/bottom-up

applicato ai sistemi di produzione complessi sviluppatisi dopo la Terza Rivoluzione Industriale,

quando l’aumento della complessità tecnologica ha reso necessario un metodo rigoroso per

progettare e integrare sottosistemi differenti. L’idea di fondo è semplice ma potente: un problema

generale viene prima scomposto progressivamente in sotto-problemi sempre più piccoli e gestibili

(fase top-down) e, successivamente, le soluzioni ai singoli sotto-problemi vengono integrate in

modo graduale fino a ricostruire il sistema completo (fase bottom-up).

La rappresentazione grafica assume la forma di una “V”. Il ramo discendente, quello sinistro,

corrisponde alla fase di analisi e scomposizione. Si parte dalla definizione del problema generale e

delle prestazioni richieste; poi si procede con la scomposizione in sotto-problemi, fino a individuare

le cosiddette funzioni atomiche, cioè gli elementi più semplici non ulteriormente scomponibili. A

questo punto si definiscono le specifiche delle singole funzioni, si scelgono le piattaforme

tecnologiche adeguate e si sviluppano i progetti atomici. Il punto più basso della V rappresenta il

momento in cui le singole soluzioni vengono effettivamente realizzate.

Il ramo ascendente, quello destro, rappresenta invece la fase bottom-up. Si parte dalla realizzazione

dei singoli moduli e si verifica che ciascuno soddisfi le specifiche assegnate. Successivamente le

soluzioni vengono integrate progressivamente in sottosistemi via via più complessi. Ogni livello di

integrazione prevede attività di verifica e validazione, fino ad arrivare al collaudo generale

dell’intero sistema rispetto alle prestazioni inizialmente richieste.

La sequenza logica completa può essere riassunta così: definizione del problema → definizione

delle prestazioni → scomposizione → specifiche atomiche → progettazione delle funzioni → scelta

delle tecnologie → realizzazione → verifica delle singole soluzioni → integrazione → validazione

→ collaudo finale.

Il modello a V è tipicamente ingegneristico ed è spesso l’unico approccio praticabile per sistemi

molto complessi, perché consente di ridurre la complessità suddividendola in parti controllabili e di

introdurre punti di verifica strutturati a ogni livello. Tuttavia presenta anche dei rischi:

l’integrazione finale può fallire per incompatibilità tra i sottosistemi oppure, anche se tecnicamente

riuscita, il sistema complessivo potrebbe non risolvere pienamente il problema originario a causa di

interazioni impreviste. In tali casi è necessario tornare indietro e riprogettare alcune parti, con tempi

e costi incerti.

In sintesi, l’effetto fondamentale del modello a V è quello di scomporre e successivamente

reintegrare il processo progettuale, mantenendo sotto controllo la complessità e garantendo

coerenza tra requisiti iniziali e risultati finali.

Modello CIM

Il modello Computer Integrated Manufacturing (CIM) è un modello teorico che rappresenta in

modo gerarchico e strutturato l’organizzazione dei sistemi di produzione industriali. Il suo obiettivo

è mostrare come si integrano tra loro le diverse componenti di un impianto, dal livello più vicino al

processo fisico fino al livello in cui si definiscono le strategie aziendali. È quindi sia uno strumento

concettuale per comprendere la complessità di un sistema produttivo, sia una guida per la

progettazione e il controllo, perché chiarisce quali funzioni appartengono a ciascun livello, come

interagiscono e quali tecnologie le realizzano. I livelli sono cinque: campo, macchina, cella,

stabilimento e azienda, e tra livelli adiacenti vale una relazione di tipo client-server, in cui il livello

superiore definisce obiettivi e il livello inferiore li esegue.

Il livello di campo è quello più

vicino al processo fisico. Le unità

funzionali sono sensori, attuatori,

motori, pompe, trasformatori:

dispositivi che realizzano

operazioni atomiche, ossia

trasformazioni chimico-fisiche

elementari sul materiale. Il

controllo è affidato a regolatori

automatici, tipicamente PID, che

ricevono direttive dal livello

superiore e garantiscono

l’esecuzione corretta delle

grandezze fisiche. Il campo

fornisce dati di processo e capacità

di azione diretta sul sistema fisico.

Il livello di macchina integra le operazioni atomiche del campo in operazioni elementari, necessarie

alla realizzazione del prodotto. Le unità funzionali sono le macchine operatrici (robot, presse, torni

CNC, sistemi idraulici o pneumatici), costituite dall’integrazione di più componenti di campo. Il

controllo è affidato ai PLC, che coordinano e supervisionano il funzionamento della macchina.

Questo livello utilizza il campo per eseguire fisicamente i comandi e fornisce prestazioni al livello

successivo.

Il livello di cella rappresenta un insieme coordinato di macchine operatrici e risorse ausiliarie che

realizzano un processo produttivo completo e autonomo. Le unità funzionali sono le celle o isole di

produzione. Il controllo è esercitato da controllori di cella, spesso PLC di maggiori dimensioni, che

coordinano le macchine secondo logiche temporali e funzionali. La cella riceve piani dal livello di

stabilimento e fornisce semilavorati o prodotti finiti.

Il livello di stabilimento ha come unità funzionale l’intero impianto industriale, cioè l’insieme delle

celle interconnesse. La funzione è coordinare i flussi di materiali e informazioni, organizzare la

produzione e gestire la logistica interna. Il controllo è affidato ai sistemi SCADA, che monitorano

le prestazioni, raccolgono dati e generano piani operativi da trasmettere alle celle. Questo livello

non interviene sulle operazioni elementari, ma stabilisce ritmo e coordinamento generale.

Infine, il livello di azienda è il più alto. L’unità funzionale è l’organizzazione nel suo complesso.

Qui si definiscono le strategie di business, la pianificazione economica, il marketing e la

progettazione dei prodotti. Il controllo è supportato da DSS (Decision Support Systems) e

piattaforme gestionali. Il livello aziendale non entra nel dettaglio tecnico della produzione, ma fissa

obiettivi e vincoli che lo stabilimento deve tradurre in attività operative.

In sintesi, il modello CIM suddivide il sistema produttivo in livelli distinti per funzione, dispositivi

e modalità di controllo: il campo esegue le trasformazioni fisiche, la macchina coordina operazioni

elementari, la cella integra più macchine in un processo autonomo, lo stabilimento coordina le celle

secondo i piani produttivi e l’azienda definisce le strategie generali che guidano l’intera struttura.

Norma IEC 61512

La IEC 61512-1, corrispondente internazionale della ANSI/ISA-88, nasce nel 1997 con l’obiettivo

di fornire una guida tecnologica e organizzativa per la progettazione e il controllo dei sistemi di

produzione batch. Si fonda sulle best practice consolidate dopo la Terza Rivoluzione Industriale e

definisce modelli, terminologia e linee guida che hanno influenzato molti standard successivi. La

Parte 1, dedicata a modelli e terminologia, è quella più diffusa e applicata.

La norma si colloca accanto al modello Computer Integrated Manufacturing (CIM), ma con

un’impostazione diversa. Il CIM è un modello teorico a finalità descrittiva e organizzativa:

classifica il sistema produttivo in cinque livelli gerarchici (dal campo all’azienda) e risponde alla

domanda “chi fa cosa e a quale livello”, descrivendo l’organizzazione funzionale e manageriale

dell’impresa. La IEC 61512, invece, è uno standard tecnico e applicativo: non si limita a classificare

i livelli, ma stabilisce come devono essere implementati e controllati. Il focus non è

l’organizzazione aziendale, ma le architetture di controllo che rendono operativi i diversi livelli.

Il contesto è quello dei Distributed Control System (DCS), nei quali la strategia globale emerge

dall’interazione di strategie locali. In particolare, nei Supervisory Control Systems un supervisore

coordina le strategie locali in una struttura gerarchica. In questo quadro, la IEC 61512 definisce tre

livelli di controllo: Basic Control (controllo delle variabili fisiche e delle funzioni elementari),

Procedural Control (gestione delle sequenze e delle operazioni) e Coordination Control

(supervisione e sincronizzazione delle unità). Questi tre livelli corrispondono rispettivamente al

campo, alla macchina+cella e allo stabilimento nel modello CIM, e sono organizzati secondo una

gerarchia di tipo client-server.

In sintesi, il CIM descrive come è organizzato un sistema produttivo, mentre la IEC 61512 spiega

come deve essere controllato e implementato nella pratica.

La IEC 61512-1 distingue tre livelli di controllo – Basic, Procedural e Coordination – che

corrispondono rispettivamente ai livelli di campo, macchina+cella e stabilimento nel modello

Computer Integrated Manufacturing, e sono organizzati secondo una logica gerarchica di tipo

client-server.

Il Basic Control è il livello più basso, direttamente a contatto con le grandezze chimico-fisiche del

processo. La sua funzione è regolare una singola variabile tramite un singolo attuatore, inseguendo

un valore di riferimento imposto dal livello superiore. Si tratta di regolazioni elementari –

mantenimento di temperatura, pressione, velocità – che costituiscono operazioni atomiche isolate.

Le tecnologie tipiche sono regolatori PID implementati in architetture elettroniche embedded,

basate su microcontrollori o DSP dedicati. Questo livello è caratterizzato da vincoli temporali molto

stringenti (real-time), ma tratta dati semplici e poco strutturati. Riceve set-point dal livello superiore

e restituisce lo stato delle variabili controllate.

Il Procedural Control rappresenta il livello intermedio. Qui non si controllano più singole

variabili, ma si coordinano e si temporizzano gruppi di operazioni atomiche e macchine operatrici,

realizzando sequenze orientate a un risultato produttivo. È il livello che gestisce il “procedimento”

per ottenere un lotto o un semilavorato, secondo una logica causale e programmata. La tecnologia

tipica è il PLC, che può operare come controllore di macchina (supervisore del campo, per

coordinare operazioni elementari) o come controllore di cella (supervisore di gruppi di macchine

interconnesse). Questo livello richiede dispositivi programmabili, capaci di gestire eventi logici e

temporali, con architettura a bus per garantire modularità, scalabilità e comunicazioni

deterministiche tra più nodi. Riceve obiettivi produttivi dal livello superiore e li traduce in comandi

per il livello inferiore.

Il Coordination Control è il livello più alto definito dalla norma. Qui il compito è monitorare e

coordinare l’insieme delle celle affinché la produzione rispetti i piani stabiliti. È un livello in cui

l’intervento umano è significativo, supportato da DSS e sistemi SCADA, implementati tipicamente

su PC industriali o workstation. Non presenta vincoli temporali stringenti come il Basic Control, ma

tratta dati complessi, eterogenei e strutturati. Si occupa di supervisione, diagnostica, gestione dei

malfunzionamenti e invio di piani operativi e gestionali. L’architettura basata su PC è adeguata

perché offre grande capacità di calcolo, interfacce grafiche evolute e integrazione con i sistemi

informativi aziendali.

I flussi informativi possono essere verticali (tra livelli contigui) oppure orizzontali (tra sistemi

dello stesso livello). Scendendo nella gerarchia, aumenta la velocità richiesta e diminuisce la

complessità dei dati; salendo, aumenta la struttura e la complessità dell’informazione, mentre i

vincoli temporali si allentano.

Anche le reti di comunicazione si classificano in funzione dei livelli:

la rete di campo collega i dispositivi di campo, gestendo piccole quantità di dati ad alta

• velocità e in real-time;

la rete di controllo interconnette macchine e celle, trattando dati più strutturati ma sempre

• relativamente compatti;

la rete enterprise collega i livelli di stabilimento e azienda con la cella, gestendo

• comunicazioni verticali e orizzontali con grandi volumi di dati e integrazione gestionale.

In sintesi, la IEC 61512 associa a ciascun livello di controllo una specifica classe di problemi, di

dispositivi, di architetture hardware e di reti di comunicazione, mostrando come la complessità del

sistema produttivo venga gestita tramite una gerarchia coerente e integrata.

La produzione industriale nel contesto economico classico

Un processo produttivo è un insieme di operazioni che trasformano materiali attraverso variazioni

chimico-fisiche. Quando a queste operazioni si aggiungono macchine, dispositivi ed energia esterna

con automatismi che riducono l’intervento umano, si parla di processo semi-automatizzato. La

produzione industriale è quindi l’insieme organizzato di processi semi-automatizzati che

conducono al prodotto finito ed è guidata da un programma di lavorazione, ossia dalla descrizione

logica e sequenziale delle operazioni da eseguire, che deve essere controllata e tradotta in comandi

per le macchine.

Le operazioni elementari si distinguono in quattro categorie fondamentali: lavorazione (modifica

delle proprietà del materiale), assemblaggio (unione di parti), controllo qualità (verifica della

conformità del prodotto) e trasporto/stoccaggio (movimentazione e deposito). L’insieme coordinato

di macchinari, strutture, apparati e procedure che consente di svolgere queste attività costituisce il

sistema di produzione, composto dall’impianto fisico (equipaggiamento e strutture) e dal sistema

di supporto, che automatizza e coordina i processi riducendo l’intervento umano.

Le componenti di un sistema produttivo possono essere meccaniche, elettriche, elettroniche,

informatiche e informative. L’automazione offre vantaggi economici, prestazionali e di sicurezza,

ma non può eliminare completamente il ruolo dell’uomo, sia per limiti tecnici sia per ragioni etiche,

normative o legate al valore artigianale di alcune attività.

Le strategie di automazione si distinguono in:

automazione rigida, ottimizzata per grandi volumi e bassa varietà di prodotto;

• automazione programmabile, riconfigurabile e adatta a produzioni variabili e lotti piccoli;

• automazione flessibile, che consente rapide riconfigurazioni per una varietà limitata di

• prodotti con differenze marginali.

Con la Terza Rivoluzione Industriale emerge un approccio moderno ai sistemi produttivi, che

integra aspetti tecnologici e metodologici e analizza i rapporti funzionali tra livelli (macchina, cella,

stabilimento). L’approccio economico classico, tipico delle epoche precedenti, separa rigidamente

lavoro esecutivo e decisionale ed è più adatto a descrivere il livello di campo, dove prevalgono

trasformazioni fisiche e soluzioni strettamente tecnologiche.

Capitolo 3 – L’interfaccia tra il dominio analogico e il dominio digitale

Schema tecnologico di uno stabilimento

Nei sistemi di produzione moderni, coerentemente con la IEC 61512-1, le strategie ai livelli di

macchina, cella e stabilimento sono realizzate tramite sistemi digitali organizzati in architetture

distribuite, tipicamente Distributed Control System nella forma di sistemi SCADA. In questa

struttura, lo SCADA dialoga con i controllori di cella; i controllori di cella comunicano con i

controllori di macchina e tra loro; i controllori di macchina supervisionano i servoazionamenti del

livello di campo. Lo schema logico dei rapporti funzionali coincide quindi con lo schema

tecnologico delle connessioni: la gerarchia organizzativa si riflette direttamente nell’architettura

tecnica.

Le strategie sono elaborate da sistemi di calcolo

digitali, ma devono essere applicate a processi

chimico-fisici continui, attraverso attuatori che

operano su segnali analogici. Ne deriva una

continua interazione tra dominio digitale e

dominio analogico: il sistema di supporto

(digitale) elabora informazioni e genera

comandi, mentre l’impianto di produzione

(analogico) realizza trasformazioni fisiche.

L’interfaccia tra i due mondi è resa possibile da

dispositivi di conversione A/D (Analog-to-

Digital Converter) e D/A (Digital-to-Analog

Converter).

Questa interfaccia analogico-digitale offre

numerosi vantaggi: buon rapporto

prestazioni/costi, flessibilità e programmabilità, capacità di trattare sia logiche sequenziali sia

elaborazioni numeriche, modularità e chiara separazione tra impianto e sistema di supporto.

Tuttavia presenta anche criticità: disallineamento energetico tra calcolatori a bassa potenza e

processi industriali ad alta potenza, perdita di informazione nelle conversioni, differenza tra

rappresentazione continua (analogica) e discreta (digitale) e possibili sfasamenti temporali dovuti al

campionamento.

L’interfaccia richiede tre operazioni fondamentali:

adattamento in potenza, per trasformare segnali ad alta potenza in segnali compatibili con

• l’elettronica di controllo e viceversa;

trasduzione, cioè la conversione di una grandezza fisica in un’altra (ad esempio velocità in

• tensione o corrente);

conversione, ossia la traduzione tra dominio analogico e digitale.

•

Sensori e attuatori svolgono insieme adattamento e trasduzione: i sensori trasformano le grandezze

fisiche del processo in segnali elettrici leggibili dai controllori; gli attuatori convertono i comandi

digitali in azioni fisiche sul processo. Le misure generate dai sensori possono essere analogiche o

già digitalizzate, a seconda che la conversione A/D sia interna o esterna al dispositivo.

La conversione A/D comporta una riduzione dell’informazione, perché un segnale continuo viene

campionato e quantizzato in uno spazio discreto. La conversione D/A introduce a sua volta

arbitrarietà nella ricostruzione del segnale continuo a partire da un insieme finito di valori digitali.

Inoltre, l’interfaccia può essere soggetta a fenomeni indesiderati come rumore nei sensori, errori di

calibrazione (offset), saturazione degli attuatori o distorsioni legate alla digitalizzazione.

In sintesi, nei sistemi produttivi moderni la coesistenza e l’integrazione tra dominio digitale e

analogico sono centrali: la strategia è digitale, ma l’azione è fisica, e l’efficacia del controllo

dipende dalla qualità dell’interfaccia tra questi due mondi.

I convertitori ADC

Nel processo di conversione di un segnale analogico in uno digitale vi sono due fasi principali: il

campionamento e la codifica (che comprende anche la quantizzazione). (),

Il campionamento è il processo in cui un segnale analogico continuo nel tempo definito su un

⊂ ℝe () ∈ ⊂ ℝ,

intervallo temporale tale che viene misurato in determinati istanti . Questi

!

istanti sono detti istanti di campionamento. Il risultato è una sequenza discreta di valori , tali che:

!

= ( ), ∈ , ∈

! ! !

( ,