Domande esame Tecnologie per l'automazione industriale

Domande automazione

1. Spiegare brevemente le caratteristiche salienti della Seconda Rivoluzione

Industriale ed il suo inquadramento.

La seconda rivoluzione industriale si sviluppa all’inizio del XX secolo ed è

caratterizzata da importanti innovazioni tecnologiche e organizzative. In questo

periodo migliorano le tecniche di lavorazione dei metalli, l’elettricità viene introdotta

nei processi produttivi e si di=onde un approccio più scientifico nell’organizzazione del

lavoro. Tutti questi cambiamenti portano alla nascita della catena di montaggio, che

permette di produrre grandi quantità di beni in modo più rapido, e=iciente ed

economico, aprendo così la strada alla produzione di massa.

2. Spiegare brevemente il principio di funzionamento dei codificatori per

approssimazioni successive.

È simile al funzionamento dei codificatori a scala, nei quali un contatore genera codici

in modo sequenziale; tuttavia, in questo caso la generazione dei codici non segue

semplicemente una sequenza fissa, ma utilizza una strategia di scelta che si basa sui

risultati delle comparazioni e=ettuate nei passaggi precedenti, rendendo il processo

più e=iciente e adattativo.

3. Descrivere brevemente i compiti dei Basic Control secondo la normativa IEC

61512-1.

Chiamato anche controllo di campo, questo sistema svolge principalmente funzioni di

regolazione e di inseguimento, cioè mantiene determinate variabili entro valori

desiderati oppure fa sì che seguano un andamento prefissato. Le operazioni

riguardano generalmente grandezze analogiche, come temperatura, pressione o

velocità, e devono essere eseguite rispettando precisi vincoli temporali, perché

richiedono interventi rapidi e continui.

4. Spiegare brevemente la natura degli interventi previsti dal paradigma

dell’industria 4.0, perché questa nuova filosofia dovrebbe portare ad un

miglioramento del comparto industriale ed evidenziare i limiti applicativi di

questo approccio.

Il paradigma dell’Industria 4.0 nasce con l’obiettivo di ridurre il divario tecnologico tra

le moderne tecnologie digitali e quelle tradizionalmente utilizzate nella produzione

industriale. Questo modello si basa sull’integrazione di diverse innovazioni, tra cui

l’Internet of Things, l’analisi dei Big Data, i robot autonomi, le simulazioni digitali, le

piattaforme per l’integrazione verticale e orizzontale dei processi, la cybersecurity, il

cloud computing, l’additive manufacturing (stampa 3D) e la realtà aumentata. Grazie

all’introduzione di queste tecnologie, le aziende possono ottenere numerosi vantaggi,

come l’aumento dei ricavi, un miglioramento della logistica, una maggiore

ottimizzazione lungo tutta la catena del valore e una crescita della qualificazione

professionale dei lavoratori. Tuttavia, l’applicazione di questo paradigma presenta

anche alcuni limiti, legati soprattutto agli elevati costi di implementazione e alla

possibile riduzione della domanda di lavoro non qualificato, con conseguenti rischi di

disoccupazione.

5. Spiegare sinteticamente le diverse esigenze delle comunicazioni in un sistema di

produzione al fine di dettagliare le caratteristiche e le proprietà che devono

possedere le varie componenti che costituiscono l’infrastruttura di

comunicazione aziendale.

I flussi di informazione all’interno di un’azienda sono essenziali perché il sistema di

supporto deve comunicare costantemente con l’impianto di produzione e coordinare

tra loro i diversi sistemi di controllo e supervisione. Per rendere possibile questa

comunicazione è necessaria un’infrastruttura di rete aziendale composta da più livelli.

La rete di campo collega direttamente processi e dispositivi di controllo a livello

operativo e deve garantire lo scambio di piccole quantità di dati a velocità elevate,

rispettando vincoli temporali molto precisi. La rete di controllo, invece, collega tutti i

sistemi a livello di macchina e di cella produttiva, consentendo lo scambio di dati più

strutturati e di dimensioni maggiori, con vincoli temporali meno rigidi. Infine, la rete

enterprise mette in comunicazione i sistemi a livello di stabilimento e di azienda,

permettendo lo scambio di grandi quantità di dati, altamente strutturati, a bassa

frequenza e senza particolari vincoli temporali.

6. Spiegare brevemente il principio di funzionamento dei codificatori diretti.

I codificatori diretti sono formati da una serie di comparatori elettronici collegati tra

loro: quando arriva un campione in ingresso, si attiva uno solo dei comparatori, quello

corrispondente al valore del segnale. L’uscita di questo comparatore attiva poi un

generatore di codici che produce la codifica digitale richiesta. In pratica, questi

dispositivi funzionano come una Look-Up Table, cioè una tabella di corrispondenza

diretta in cui a ogni campione in ingresso è associato un preciso codice in uscita.

7. Spiegare brevemente nel problema del campionamento le motivazioni che

portano all’uso della tecnica Zero-Order-Hold invece della tecnica Sample-Hold.

La tecnica Sample-Hold non viene quasi mai utilizzata da sola, fatta eccezione per il

caso dei codificatori diretti. Negli altri sistemi, infatti, il risultato della codifica dipende

in modo significativo dal tempo τ, cioè dal tempo necessario per completare

l’operazione di conversione. Per gestire questa dipendenza nel modo più semplice si

utilizza la tecnica chiamata Zero-Order-Hold: in questo caso, dopo che è trascorso un

intervallo di tempo pari a τ, si interrompe la codifica annullando l’ingresso del

codificatore. Questo tipo di campionamento genera un segnale a tempo continuo in

cui il valore in uscita rimane costante per tutto il periodo di campionamento, fino

all’arrivo del campione successivo.

8. Elencare quali ritardi si accumulano fra la misura di un processo e l’azione di

controllo e indicare a chi sono imputabili.

Nel funzionamento di un sistema di controllo possono verificarsi diversi tipi di ritardo.

Il ritardo di misurazione è dovuto al tempo necessario per rilevare le grandezze del

processo ed è legato ai sensori o agli strumenti utilizzati per e=ettuare la misura. Il

ritardo di trasmissione, invece, dipende dall’infrastruttura di comunicazione o dalla

complessità del sistema che trasferisce i dati. Il ritardo di elaborazione è causato dal

tempo richiesto dall’hardware e dal software del sistema di controllo per analizzare le

informazioni e calcolare l’azione correttiva. Infine, il ritardo di attuazione si verifica

dopo che l’azione di controllo è stata calcolata e consiste nell’intervallo di tempo tra la

generazione del comando e la sua e=ettiva applicazione al processo; questo ritardo è

legato alle caratteristiche dell’attuatore o alla sua interfaccia con il sistema di

controllo.

9. Spiegare brevemente nel problema della codifica come avviene il collegamento

logico fra le grandezze fisiche e codici alla luce della diversa dimensione dei 2

spazi di rappresentazione.

L’associazione tra i valori dei campioni e i codici digitali avviene tramite un processo

chiamato mappatura. Questo processo segue una regola o un algoritmo che stabilisce

in che modo la grandezza fisica misurata deve essere trasformata nel corrispondente

codice numerico, permettendo così la conversione del segnale in una forma

utilizzabile dal sistema digitale.

10. Quali sono le principali caratteristiche dell’armadio di un controllore PLC?

L’armadio di un controllore PLC è la struttura che contiene tutti i componenti

elettronici e le relative connessioni del sistema. La sua funzione è quella di proteggere

e organizzare i moduli del PLC, garantendo al tempo stesso condizioni di

funzionamento sicure e a=idabili. Deve quindi essere una struttura robusta, capace di

resistere all’ambiente industriale, schermata contro le interferenze elettromagnetiche,

adeguatamente ventilata per evitare surriscaldamenti e progettata in modo da essere

facilmente accessibile per manutenzione, ma allo stesso tempo sicura per gli

operatori.

11. Elencare brevemente le Specifiche Statiche del controllo di campo.

Le specifiche statiche riguardano i requisiti che devono essere rispettati dallo

scostamento tra il valore desiderato e quello reale quando il sistema ha raggiunto il

regime, cioè quando si è stabilizzato nel tempo. In particolare, si distinguono due tipi di

specifiche: l’errore a regime, che rappresenta il massimo scostamento dal valore di

riferimento considerato accettabile, e la tolleranza ai disturbi, che indica i limiti entro

cui possono essere contenuti gli e=etti dei disturbi sulla grandezza controllata, senza

compromettere il corretto funzionamento del sistema.

12. Spiegare sinteticamente come viene trovata nel metodo della curva di reazione la

costante di tempo t(tau).

È pari alla di=erenza tra l’istante in cui la risposta del sistema soddisfa la condizione

() − = 0,63 Δe il momento in cui è trascorso un tempo θ dalla variazione del

!

set-point. In altre parole, rappresenta un parametro temporale legato alla dinamica

della risposta del sistema. Questo valore può essere determinato anche graficamente,

osservando la curva di reazione e individuando i suoi punti di inflessione.

13. Spiegare brevemente la diXerenza fra un dispositivo hard real-time e uno soft real-

time.

Nei sistemi hard real-time ogni operazione (task) viene sempre completata entro il

vincolo temporale stabilito, cioè entro la scadenza prevista, senza eccezioni: il rispetto

della deadline è garantito in modo assoluto, perché un ritardo potrebbe

compromettere il corretto funzionamento del sistema. Nei sistemi soft real-time,

invece, non è sempre possibile assicurare il rispetto di tutte le scadenze temporali;

eventuali ritardi sono tollerati, anche se possono ridurre le prestazioni o la qualità del

servizio.

14. Spiegare brevemente quali sono i contenuti del secondo documento della

normativa di riferimento per controllori PLC.

Il secondo documento della normativa IEC 61131 descrive i principali componenti che

costituiscono un PLC. Tra questi troviamo l’armadio (rack), che ospita tutti i moduli e li

collega tra loro tramite il bus interno, il modulo di alimentazione, che fornisce l’energia

necessaria al funzionamento del sistema, il modulo processore, che contiene l’unità di

calcolo e le memorie, e i moduli di ingresso/uscita, che permettono al PLC di

comunicare con il campo, acquisendo segnali dai sensori e inviando comandi agli

attuatori. Oltre a questi componenti di base, è possibile aggiungere ulteriori elementi

opzionali, come il terminale di programmazione, moduli di comunicazione, periferiche

esterne o moduli dedicati a funzioni specifiche, in modo da adattare il PLC alle diverse

esigenze applicative.

15. Come si articola tipicamente un’architettura hardware multi-processore per

moduli processore di controllori PLC?

Tutti i PLC moderni utilizzano una configurazione multiprocessore, in cui il modulo

processore è composto da più unità specializzate. In genere è presente un

microprocessore dedicato alle operazioni logiche, un microprocessore generico

utilizzato per le operazioni aritmetiche e per l’esecuzione del sistema operativo del

PLC, e un microprocessore specifico per la gestione delle comunicazioni con i moduli

di ingresso e uscita (I/O). All’interno del modulo processore è inoltre contenuta la

memoria principale del PLC, suddivisa in memoria di sistema, che gestisce il

funzionamento interno e il sistema operativo, e memoria delle applicazioni, che

contiene il programma sviluppato dall’utente per controllare il processo.

16. Elencare le aree di memoria di un modulo processore per controllore PLC che

sono realizzate con tecnologia “volatile”.

Le aree di memoria del modulo processore del PLC che utilizzano tecnologia volatile,

cioè memoria RAM, comprendono alcune parti specifiche sia della memoria di

sistema sia della memoria delle applicazioni. In particolare, nella memoria di sistema

è volatile la parte dedicata alla gestione dei dati, mentre nella memoria delle

applicazioni sono memorizzate in RAM soprattutto l’area dati utente e l’area

ingressi/uscite, che contengono rispettivamente le variabili e le informazioni

necessarie all’esecuzione del programma e i valori aggiornati dei segnali provenienti

dal campo o destinati agli attuatori.

17. Spiegare brevemente cosa si intende per controllore PID incapsulato.

Si tratta di schede elettroniche installate all’interno delle singole macchine operatrici,

che svolgono funzioni di gestione, controllo o interfacciamento e contribuiscono al

corretto funzionamento della macchina stessa all’interno del processo produttivo.

18. Spiegare brevemente cosa si intende per funzionamento Free Wheeling di un

controllore PLC.

È un metodo che permette di ridurre al minimo il periodo di scansione a ogni ciclo: i

risultati dell’elaborazione vengono scritti immediatamente e il ciclo si conclude non

appena termina l’esecuzione del software utente, senza attendere ulteriori intervalli di

tempo.

19. Spiegare con quali strumenti avviene la programmazione dei moderni controllori

PLC, indicando sommariamente i passi che portano il dispositivo ad essere

completamente operativi all’interno del ciclo produttivo.

Per programmare un PLC è necessario sviluppare il programma di controllo utilizzando

uno dei cinque linguaggi previsti dallo standard, suddivisi in due categorie: i linguaggi

testuali, come Instruction List e Structured Text, e i linguaggi grafici, come Ladder

Diagram, Function Block Diagram e Sequential Functional Chart. Dopo aver scritto il

programma, si procede alla fase di debug per verificarne la correttezza e individuare

eventuali errori; successivamente il programma viene caricato nel PLC, si configurano

gli ingressi e le uscite e, una volta completate queste operazioni, il dispositivo è pronto

per entrare in funzione.

20. Spiegare brevemente cosa si intende per sistema real-time e perché i controllori

PLC devono appartenere a questa categoria.

Un sistema real-time è un sistema di elaborazione delle informazioni progettato per

fornire risultati entro precisi limiti di tempo, cioè rispettando vincoli temporali stabiliti

in base alle esigenze dell’applicazione. Nel caso di un controllore PLC, il

funzionamento in tempo reale è fondamentale, perché deve generare segnali di

comando corretti non solo dal punto di vista logico, ma anche temporale, garantendo

così il corretto controllo e coordinamento dei processi industriali.

21. Cosa si intende per reti di calcolatori di tipo broadcast?

Un sistema real-time è un sistema di elaborazione progettato per produrre risultati

entro limiti di tempo ben definiti, rispettando precise scadenze temporali stabilite

dall’applicazione. In questo tipo di sistema non è importante solo che il risultato sia

corretto, ma anche che venga fornito al momento giusto. Per questo motivo un

controllore PLC deve essere un sistema real-time, poiché deve generare segnali di

comando corretti e tempestivi, in