Sistemi elettronici per l'automazione e l'industria, PLC

Lezione 1: introduzione

Capitolo e slide

Data: Feb 25, 2021
Pagine: 12
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Test

Test superato: sì
Tipo di lezione: Test 2

1. L'industria nella storia

La parola industria deriva dal latino e significa "attività". Sebbene quando pensiamo all'industria la prima immagine che ci viene in mente sia quella di una enorme fabbrica, in realtà è possibile parlare di industria sin dalla Preistoria. Vediamo quindi, con un excursus temporale, cosa significa fare industria nelle diverse epoche storiche.

Età della pietra

Dal Paleolitico al Neolitico, l'attività principale dell'uomo aveva come scopo la sua sopravvivenza. L'energia a disposizione era esclusivamente quella umana e i materiali utilizzati erano la pietra e l'argilla. Con la prima era possibile realizzare armi per procacciarsi il cibo o difendersi da eventuali pericoli, l'argilla invece veniva unita all'acqua e fatta essiccare al sole per ottenere la terracotta, materiale utile per la realizzazione di vasi e contenitori per l'acqua.

Nel Mesolitico si matura l'abilità di miniaturizzare la pietra per realizzare armi più precise e leggere. Questo segnerà la svolta nella tecnologia moderna, poiché il processo di miniaturizzazione, ed in particolare quella del silicio, fece nascere l'elettronica.

Nel Neolitico, infine, vediamo un ulteriore progresso: con la nascita dell'agricoltura, gli uomini iniziano a realizzare utensili più complessi, unendo alla sola pietra anche ossa e tendini di animali per ottenere vanghe e armi migliori, di cui la più importante era sicuramente l'arco.

Età del rame

Passiamo ora all'età del rame. Da questo momento in poi, il protagonista non sarà più la pietra, bensì il metallo. Si iniziò con il rame: dopo la scoperta del fuoco, si capì infatti che esso poteva modificare gli oggetti e il rame, in particolare, diventava facilmente lavorabile se scaldato. Una delle problematiche da affrontare era che il fuoco, all'aria aperta, non raggiungeva temperature sufficienti a rendere il rame lavorabile. Così inventarono il forno.

Il primo forno era a cumulo, realizzato cioè disponendo attorno al fuoco un cumulo di sassi, uno sull'altro, lasciando uno spazio, detto sfiato, per evitare esplosioni. Un'altra importante invenzione di questo periodo fu la ruota, inizialmente non pensata per il trasporto, bensì per la lavorazione della ceramica, così da ottenere dei vasi perfettamente tondi in cui contenere non solo acqua, ma anche le semenze ottenute dall'agricoltura, olio e altro cibo.

Età del bronzo

Nell'età del bronzo, si utilizza appunta il bronzo, una lega di rame e stagno che rendeva il materiale più resistente, anche se più pesante. Per la realizzazione di armi si abbandona dunque il rame.

Età del ferro

Il ferro, che caratterizza questo periodo, inizialmente non ha molto successo. Innanzitutto necessita di elevate temperature per essere lavorato ed inoltre è molto meno resistente rispetto al bronzo, il che significa che una spada di ferro non poteva competere con una di bronzo. Tuttavia, si scopre che scaldando la spada in ferro ricoprendola con del carbone si riusciva a lavorare nuovamente il metallo riuscendo ad affilarlo. Questo non era possibile con gli altri metalli, il che comportava il dover gettare un'arma non più tagliente e questo portò il ferro a conquistare fama.

Nell'età del ferro viene introdotto anche il mulino, che dopo il fuoco, è la seconda fonte di energia non umana o animale di cui si poteva disporre. Il mulino infatti, se alimentato ad acqua o ad aria, riusciva a far eseguire lavori molto pesanti anche a uomini non particolarmente forti dal punto di vista fisico.

Medioevo

Nel Medioevo l'evoluzione ha una battuta d'arresto. La fine del Medioevo la si fa però coincidere con l'invenzione della stampa da parte di Gutenberg nel 1456. La stampa rivoluziona l'industria: se prima infatti le attività si tramandavano di generazione in generazione, ora con la stampa è possibile realizzare libri in cui descrivere come realizzare una certa operazione e coloro che erano in grado di leggere poterono così apprendere l'arte che precedentemente apparteneva ad una specifica famiglia. Il sapere industriale diventa quindi più democratico.

2. L'evoluzione della tecnologia

La parola tecnologia deriva dal greco ed in particolare è l'unione delle parole tecne e logos, che significano rispettivamente arte/tecnica e dialogo. Possiamo dunque tradurre la parola tecnologia come un trattato sull'arte.

Tecnologie preistoriche

Siamo partiti nella preistoria con una tecnologia legata al cibo, alla caccia e alla realizzazione di indumenti: la macina in pietra serviva per realizzare farine, il forno per cucinare il cibo e per rendere facilmente lavorabili i metalli per armi e utensili, il telaio venne introdotto per lavorare le pelli di alcuni animali, come quella delle pecore, per realizzare vestiti con cui ripararsi dal freddo. L'introduzione dei telai comportò l'entrata delle donne nell'industria, in quanto per lavorare di tessuti serviva precisione e non più forza.

Tecnologie ellenistiche

Nel periodo ellenistico si diffonde la scrittura.

Tecnologie dell'Antica Roma

Il periodo dei Romani è forse uno dei più importanti dal punto di vista tecnologico: vengono fatti inventati gli acquedotti, cioè costruzioni imponenti che avevano come obiettivo quello di portare l'acqua dalla fonte ai centri urbani nati nell'entroterra. La forma energetica sfruttata nella costruzione degli acquedotti era la gravità ed infatti i dotti dovevano avere una pendenza del 2% per poter eseguire il loro lavoro alla perfezione. Oltre ai dotti, i romani costruivano in corrispondenza delle valli anche ponti, per far mantenere agli acquedotti la pendenza necessaria.

Un'altra invenzione legata agli acquedotti sono state le vasche di depurazione: l'acqua infatti molto spesso era sporca e non poteva essere utilizzata, ma i Romani capirono che aumentando la sezione dei dotti era possibile diminuire il flusso dell'acqua, dunque realizzando delle vasche l'acqua stagnava per il tempo necessario a depositare sul fondo tutti i detriti, rendendola pulita.

Tecnologia della guerra

Altre tecnologie importanti furono quelle della guerra, che successivamente diedero inizio all'industria chimica con l'invenzione della polvere nera, o polvere da sparo, un miscuglio di salnitro, carbone e zolfo.

Tecnologia della navigazione

Canoe e pagaie erano utilizzate già da molto tempo, ma la difficoltà di spostarsi sull'acqua era dovuta al mantenimento della rotta, a causa delle correnti ingestibili. Fu così introdotto il timone, per dare una direzione specifica al proprio mezzo e molto importante fu l'introduzione della bussola, che sfruttava un'altra forma di energia mai utilizzata fino ad allora, cioè l'energia magnetica. Si era infatti capito che la Terra poteva essere interpretata come un grande magnete, con un polo positivo e uno negativo. Con la bussola e il magnetismo terrestre si poteva dunque conoscere la propria direzione.

Tecnologie di Leonardo Da Vinci

Inventore e grandissimo osservatore, Leonardo da Vinci riuscì a trascrivere l'essenza del funzionamento di molte tecnologie da lui stesso inventate oppure copiate da altri. Si scoprirono infatti ingranaggi, macchine per la fabbricazione di viti, telai meccanici, cannoni e molte altre tecnologie.

Rivoluzione scientifica

Con la rivoluzione scientifica invece si diede una svolta alla fisica, in quanto se prima i fenomeni venivano esclusivamente osservati, ora invece si affiancava anche la sperimentazione.

Rivoluzione industriale

La rivoluzione industriale vide invece l'utilizzo dell'acciaio anziché del ferro e del vapore per creare un movimento rotatorio, che toglieva all'uomo la fatica di alcune operazioni. L'acqua veniva scaldata, il vapore si creava, entrava nei tubi e poi nella sfera vuota dotata di due sfiati in opposizione di fase che generavano il moto rotatorio. La nascita del meccanismo biella-manovella consentì invece di passare dal moto rotatorio tipico a quello rettilineo e viceversa e combinato con il vapore diede origine al principio alla base del motore a vapore.

Vediamo invece come funzione il motore a scoppio o a benzina: La prima fase è l'aspirazione: il volano del centro di rotazione della manovella è orizzontale, la biella è abbassata e così anche il pistone, dunque la benzina e l'aria possono entrare dalla valvola in alto a sinistra (freccia blu); Quando il volano si sposta verso il basso, la biella e il pistone si alzano comprimendo la miscela di benzina e aria, che a contatto con la candela, per un aumento di pressione, generano una piccola scintilla. Con lo scoppio causato da quest'ultima il pistone viene spinto verso il basso, mentre dalla valvola di sfogo si scarica la pressione. Il volano torna nella posizione iniziale facendo ricominciare il ciclo appena visto.

3. Le rivoluzioni industriali

La prima rivoluzione industriale (1830) con il motore a vapore e il suo utilizzo nei mezzi di trasporto, segna una rivoluzione tecnologica nel campo della meccanica; la rivoluzione scientifica dell'applicazione dei principi meccanici a livello industriale consente di eseguire delle lavorazioni che prima erano esclusivamente artigianali. La produzione industriale resta comunque di élite.

La seconda rivoluzione industriale (1900) vede invece la scoperta dell'elettricità e la diffusione dell'elettrotecnica. Quanto accadde con l'elettricità è molto simile a quanto fecero i romani con gli acquedotti: l'elettricità venne infatti prima studiata in virtù dell'elettromagnetismo e solo successivamente distribuita alla popolazione. La nascita del motore elettrico porterà al quasi abbandono di quello a vapore, essendo più sicuro e più facilmente regolabile. Dal momento che prima di allora tutto era mosso a partire dall'acqua, con l'arrivo dell'elettricità, una delle problematiche da affrontare fu proprio il risparmio non solo di energia, ma anche di acqua. Le industrie modificarono il loro layout per permettere ciò ed in particolare Henry Ford, introdusse la linea di produzione all'interno delle proprie fabbriche per abbattere i costi. Il lavoro viene parcellizzato e i lavoratori devono compiere tasks specifici e ripetitivi, il che portò ad un'alienazione dell'uomo, che inizia ad essere operaio. La produzione diventa di massa, è l'era del consumismo.

La terza rivoluzione industriale (1980) vede invece la diffusione dell'elettronica, che consente di utilizzare computer e macchine al posto dell'uomo all'interno delle fabbriche togliendolo quindi non solo dalla problematica della forza, ma anche della ripetitività dei propri compiti.

La quarta rivoluzione industriale iniziata circa nel 2012 vede invece l'arrivo dell'informatica, la cui idea è quella di velocizzare le fasi che precedono il lancio di un prodotto sfruttando le tecnologie software: si crea infatti un modello digitale del prodotto da realizzare, si effettuano delle simulazioni per verificare che tutto funzioni regolarmente e solo in un secondo momento si procede con la sua effettiva realizzazione.

4. Classificazione dei sistemi di produzione

Possiamo classificare tre assi dei sistemi di produzione:

Asse del mercato

La produzione può essere per il magazzino oppure su ordine. Nel primo caso il prodotto da realizzare è standard e non prevede modifiche, dunque può essere realizzato in grandi quantità che vengono poi disposte in magazzino in previsione di una possibile vendita. Nel secondo caso invece le attività sono quella di progettazione, produzione e assemblaggio ed essi possono cambiare a seconda del prodotto da realizzare:

• Progetto-produco-assemblo: avviene nel caso in cui il prodotto non esiste sul mercato e deve essere perciò realizzato ad hoc secondo le richieste.
• Produco-assemblo: il prodotto è standard, ma può essere personalizzato, ad esempio un'automobile.
• Assemblo: il prodotto è composto da parti standard, che possono essere assemblate di volta in volta in maniera differente, come accade ad esempio con Amazon.

Asse gestionale

L'asse gestionale riguarda come si realizza il volume, dunque se la produzione avviene a lotti, è continua oppure si producono beni singoli.

Asse tecnologico

Infine abbiamo l'asse tecnologico, in cui le industrie si distinguono tra:

• Industrie di base o di processo, in cui si produce energia oppure si effettuano processi chimici o estrattivi;
• Industria di fabbricazione, in cui invece si lavorano in modo irreversibile materiali grezzi o semilavorati e li si assembla (questa attività è tendenzialmente reversibile).

5. I settori industriali

I settori industriali non vengono classificati in base al tipo di prodotto realizzato, bensì in funzione dei processi utilizzati. Troviamo in particolare la categoria dell'industria storica, che comprende metallurgia, siderurgia, l'industria mineraria, metalmeccanica e tessile, che sfruttano i primi processi di produzione.

6. Le tipologie di impianti

Impianto industriale

Anzitutto l'impianto industriale è l'insieme di capitali, macchine, mezzi e addetti atti a utilizzare le risorse materiali ed energetiche per trasformarle in prodotti finiti a maggior valore aggiunto attraverso trasformazioni chimico fisiche e/o processi di fabbricazione e/o montaggio.

Guarda il video | Guarda il secondo video

Questi due filmati ci aiutano a capire che l'unico modo per non far morire un mercato è quello di aggiornarsi di continuo e la chiave del progresso tecnologico è legata alla digitalizzazione del proprio impianto e ad oggi ricopre un ruolo fondamentale anche l'impatto sull'ambiente. La vera sfida della rivoluzione digitale è quella di rendere accessibili a tutti, dalla piccola alla grande industria, tecnologie di alto livello che possano semplificare e velocizzare alcuni processi.

Impianto di processo

L'impianto di processo si contraddistingue per la sua affidabilità e sicurezza, che richiedono elevati capitali per poter essere soddisfatte. Guarda il video sul funzionamento di una raffineria

Il punto focale di un'industria di questo tipo non è il costo di produzione o la qualità del prodotto, bensì la sicurezza. Basti pensare infatti all'impatto ambientale che potrebbe avere un'esplosione di una raffineria in mare aperto. Dal momento che la fonte di energia utilizzata è l'elettricità, che può provocare scintille, è fondamentale curare la sicurezza dell'impianto per evitare il cosiddetto triangolo dell'esplosione, ossia la vicinanza di un combustibile (petrolio), del comburente (aria) e della fonte di innesco (elettricità).

Impianto di fabbricazione

L'impianto di fabbricazione, al contrario rispetto all'impianto di processo, è caratterizzato da bassi costi, molta flessibilità ed elevata qualità del prodotto finito.

Guarda il video sul funzionamento di un impianto per la lavorazione di autovetture

Come si può notare è quasi tutto automatizzato: vi sono robot che gestiscono lo spostamento del prodotto, che modificano i pezzi dando valore aggiunto a questi ultimi e che scattano fotografie per il controllo qualità e le analisi dimensionali. I sensori utilizzati per quest'ultima operazione sono human sensing, cioè simulano i sensi del nostro corpo e non seguono i principi meccanici.

Guarda il video sull'assemblaggio di un'autovettura

Diverso è il caso del secondo filmato, che invece illustra l'assemblaggio di un'autovettura. In questo caso oltre ai robot che provvedono all'effettivo assemblaggio dei pezzi, vi sono anche dei supervisori umani che effettuano controlli tecnici.

Guarda il video sul funzionamento dell'impianto di imbottigliamento della Coca Cola

Il terzo filmato mostra invece cosa accade all'interno dell'impianto che si occupa di riempire le bottiglie in plastica della Coca Cola. Viene prima mostrata la fase di formazione delle bottiglie, che avviene tramite il soffiaggio di aria all'interno di semilavorati in plastica, che assumono poi la forma della bottiglia. Dal momento che le problematiche legate alla forma della bottiglia e alle sue specifiche tecniche sono molto complesse, l'utilizzo di modelli digitali semplifica di molto l'individuazione del design migliore, che rappresenti l'equilibrio tra robustezza, utilizzo di plastica ed estetica. Una volta formate le bottiglie, queste vengono lavate per evitare che eventuali residui tossici rilasciati dalla plastica durante il soffiaggio possano restare all'interno. Un'altra problematica da gestire è dunque la produzione di acqua contaminata, che deve essere depurata per evitare un impatto ambientale considerevole, visto l'enorme quantità di acqua utilizzata. Dopo essere state riempite ed etichettate, le bottiglie sono pronte per la distribuzione.