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L’obiettivo che invece ci si pone nella seconda parte, di tipo applicativo, è
quello di analizzare un’impresa artigianale, nel caso specifico del settore
manifatturiero di trasformazione del legno, e di sviluppare un progetto di
automazione, individuando anzitutto, quelle parti dell’impianto di produzione
esistente, in cui è possibile introdurre un’automazione di primo livello.
Successivamente s’implementerà un sistema di controllo e monitoraggio
dell’impianto considerato, con l’ausilio di Lookout che è un software SCADA per
l’automazione di processi industriali e dei moduli FieldPoint di acquisizione dati,
entrambi della National Instruments.
Nella fase di sviluppo del progetto, si discutono le diverse possibilità e
soluzioni, messe a disposizione attualmente dal mercato dei sistemi automatici e di
supervisione.
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Capitolo 1
Introduzione all’automazione dei processi
industriali
1.1 Introduzione
L’automazione dei processi industriali, dell’industria manifatturiera e dei
servizi si conferma fattore decisivo per la qualità dei prodotti, la difesa dell’ambiente
di lavoro e la riduzione dei costi di produzione [4].
Automazione supervisione e controllo sono tecnologie oggi indispensabili per
tutte quelle realtà produttive che aspirano ad essere competitive nell’attuale
panorama economico.
L’affermazione di un’azienda è strettamente legata alla capacità della stessa di
essere concorrenziale. Le società di produzione devono far fronte a cambiamenti e
sfide in continua evoluzione: una gamma sempre più vasta di prodotti di alta qualità,
diffusione globale, una capacità di risposta flessibile alle richieste di
personalizzazione della produzione, variazioni di quantità su ordinazione [4].
È pertanto necessario che sia la programmazione sia la pianificazione della
produzione, assumano connotati di dinamicità e immediatezza mantenendo i costi di
gestione sotto stretto controllo.
L’automazione si occupa di soddisfare queste esigenze tramite l’impiego di una
serie di apparecchiature, in grado di svolgere regolazioni automatiche di processo e
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controlli automatici d’impianti [7]. I sistemi di automazione coprono una vastissima
area di applicazione che comprende diverse tipologie di macchine e impianti, dalle
più semplici alle più complesse, queste ultime con necessità di controllo di un
elevato numero di parametri.
La completa integrazione e automazione delle attività di una piccola industria,
deve basarsi sull’introduzione di sistemi modulari che permettono investimenti
graduali e facilmente ammortizzabili in breve tempo[8], oltre ad un facile
adattamento a variazioni delle esigenze produttive.
Questo processo di graduale automazione deve necessariamente utilizzare
quale elemento base la macchina utensile a controllo numerico con la quale costruire
più moduli produttivi fisicamente indipendenti, ma coordinati da un unico computer
centrale. Il modello di eccellenza per i sistemi produttivi è la fabbrica snella [4, 8].
È la strada per la semplificazione di sistemi, che tecnologicamente e per
dimensioni, diventano sempre più complessi.
La fabbrica snella è caratterizzata da: stabilizzazione del processo,
semplificazione delle procedure, standardizzazione dei metodi di lavoro. Questo
permette la mobilità degli operatori su più macchine e sulle diverse postazioni della
stessa linea, facilita l’addestramento e la formazione, rende possibile un’altra
dimensione che caratterizza la fabbrica snella: il lavoro di "team".
La struttura piatta, i ruoli polivalenti, la valorizzazione delle competenze e il
lavoro in “team” per la gestione e per il miglioramento sono, infatti, gli elementi
organizzativi della “minifabbrica”, vera e propria cellula base della fabbrica snella
[8]. I rapporti che disciplinano le minifabbriche sono caratterizzati da logiche cliente-
fornitore, esattamente come sono disciplinati i rapporti con fornitori e clienti esterni.
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1.2 Controllo di processi industriali. Aspetti generali
Un processo industriale automatizzato, dell’industria manifatturiera per
esempio, consiste nelle seguenti funzioni: il “processo” da controllare che implica
una o più variabili che devono essere osservate e la funzione del “controllo” che
deve variare le variabili del processo, cercando di mantenerle entro limiti definiti
oppure di descriverne una funzione del tempo [7].
La figura 1.1 mostra un diagramma a blocchi di un processo nel suo
complesso.
Figura 1.1: schema a blocchi di un processo automatizzato
Il processo controllato può essere un sistema a singola macchina o un insieme
di macchine, un’unità o gruppo di processi, un complesso processo integrato, che
attraverso particolari operazioni, converte il materiale grezzo nei prodotti finiti[7].
Per decidere quali variabili di controllo modificare e quali no, è necessario
conoscere le condizioni di funzionamento del processo controllato. I dati sul
processo sono ottenuti con dispositivi di misura chiamati “sensori e/o trasduttori”
SensoriAttuatori
Materiale grezzo Prodotti
Processo
Controllo
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che danno in uscita un segnale elettrico proporzionale alla grandezza misurata; i più
comuni parametri misurati sono: spostamenti, forze, coppie, pressioni, velocità,
flussi, temperature e concentrazioni.
Le misure di grandezze fisiche o chimiche coinvolte nel processo sono
interpretate ed elaborate dal sistema di controllo, i calcoli sono effettuati a differenti
livelli secondo la complessità del processo [7].
Il primo livello di automazione consiste in semplici insiemi di dispositivi di
controllo, “dispositivi di campo”, usati per variabili quali flussi, temperature,
pressioni posizioni e livelli.
In questi semplici cicli di controllo i risultati delle misurazioni sono comparati
con un insieme di valori, ogni differenza causa un’azione nel circuito di controllo
proporzionale al segnale relativo alla misura, da ciò segue una reazione che modifica
le variabili controllate attraverso dispositivi chiamati “attuatori”, preceduti dai
preattuatori che realizzano la conversione delle informazioni e le amplificazioni dei
segnali [7].
Questo primo livello di controllo automatico, agisce direttamente sull’unità di
processo e il lavoro dell’operatore include ancora il controllo di supervisione come
l’avviamento o il fermo del processo, operazioni che sono incluse nel secondo
livello.
Il controllo di secondo livello o di supervisione, in predeterminate situazioni,
automaticamente modifica le condizioni di operazione. Economici modelli
dell’impianto corredati con programmi opportuni, sono usati per la sequenza di
controllo di operazioni discontinue e per l’automatico start e arresto dei processi [7].
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Il terzo livello, determina le migliori condizioni di operazione dei processi
integrati su larga scala, in questi casi un processo complesso è visto come un insieme
unico grazie all’uso di “sistemi di gestione aziendale” [7].
Nel progetto di un sistema di controllo, un’importante decisione riguarda il
livello fino cui spingere l’automazione e l’integrazione di processo.
Per processi non automatizzati, soprattutto nelle piccole aziende e ancora di più
in quelli di tipo artigianali, il primo passo verso l’automazione consiste
nell’attrezzare le macchine con strumentazione di campo, per fargli compiere delle
operazioni standard e ripetitive in modo automatico, senza l’intervento
dell’operatore, oppure nel dotarsi di nuove macchine utensili a controllo numerico in
grado di eseguire automaticamente un programma di lavoro.
Il passo successivo è quello d’integrare, collegandole, più macchine utensili,
per esempio di uno stesso settore o reparto, in isole di lavorazione, per l’esecuzione
completa di un ciclo di lavorazione del prodotto o parte di esso senza interventi
manuali dall’esterno. A questo livello, nascono problemi di movimentazione
sincronizzata dei pezzi lavorati e dei componenti [3], si rende allora necessaria
l’integrazione di macchine con sistemi modulari di movimentazione materiali e
sistemi di controllo e misura quali: microcontrollori, PLC (Programmable Logic
Controller) e/o DCS (Distribuited Control System).
Al livello più alto della classica piramide della produzione automatizzata, si
pone l’integrazione in un unico sistema, dell’intero impianto produttivo, con tutte le
sue isole, macchine e strumentazione ausiliare di lavoro [7]. E’ questo un livello
prevalentemente di supervisione ed informativo del processo, implementato con
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l’ausilio di strumenti hardware e software quali i “sistemi SCADA” (Supervisory
Control And Data Aquisition) che permettono di avere visualizzato su monitor lo
schema dell’intero impianto e parti di esso con tutti i comandi, consentendo di
avviare, controllare e memorizzare, dalla sala controllo, tutte le fasi del processo
produttivo di uno o più prodotti, in parallelo o in sequenza.
I diversi livelli sopra accennati, dovranno interagire tra loro. I sistemi al più
alto livello della gerarchia industriale necessitano di ottenere dati di produzione dai
sistemi del livello di fabbrica e di trasmettere loro i piani di produzione ed
informazioni sullo “scheduling” delle operazioni.
Nell’ambito stesso del livello di fabbrica, inoltre, i sistemi che supervisionano
e controllano le aree individuali o celle di lavorazione devono poter comunicare con i
controllori e con gli altri dispositivi (sensori, attuatori, ecc.).
Se consideriamo la comunicazione nei livelli più bassi della struttura
gerarchica (cioè la comunicazione al livello della singola macchina o quella
all’interno della macchina stessa) occorre aggiungere un altro livello di rete, detto
“livello del Bus di Campo” (Field Bus) [6] che serve per l’interconnessione dei
dispositivi di campo, cioè permette ai controllori d’interagire con i sensori e gli
attuatori.
La comunicazione tra PLC, DCS sensori e attuatori, può essere realizzata
mediante collegamenti con un doppino intrecciato schermato di tipo punto-punto,
questo però è un sistema che tende oggi ad essere considerato superato per diversi
motivi ed in particolar modo perché necessita di un cablaggio molto costoso. Infatti,
7
questo approccio richiede: elevato numero di collegamenti e quindi grande impiego
di fili, lavori di stesura e protezione dei fili piuttosto onerosi.
Da qui nasce l’idea di connettere tutti i dispositivi di campo tramite, un unico
bus detto appunto bus di campo (Field Bus) [6].
Una configurazione tipica è quella in figura 1.2 che riporta un controllo DCS di
più dispositivi di campo.
Figura 1.2: tipica rete di campo nell’automazione di processi
Quello mostrato è un esempio di rete per il primo livello, il più basso di
automazione, salendo con l’integrazione di processo si hanno più reti di questo tipo
collegate fra loro da una rete locale principale che può essere per esempio basata
sullo standard Ethernet per l’industria.
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1.3 Vantaggi e applicazioni dell’automazione
Recenti indagini statistiche dimostrano che il mercato dell’automazione
industriale è in continua evoluzione, con ampliamento delle applicazioni e del
numero dei sistemi installati nelle aziende [4]. Questo dimostra che ancora oggi, si
sceglie la strada dell’automazione per affrontare la sfida del mercato globale.
La globalizzazione del mercato mondiale di tutti i prodotti industriali, sta
portando ad una competizione sempre maggiore sia sui costi sia sulla qualità dei
prodotti.
Le crescenti esigenze dei consumatori e l’attenzione sempre maggiore per la
tutela normativa degli stessi, porta alla necessità di maggiore standardizzazione della
qualità dei prodotti [4].
I rapidi mutamenti del mercato (sia domanda sia offerta) sono influenzati dal
rapido mutamento della tecnologia (specie nei settori elettronico ed informatico) e
dalla quantità e varietà di messaggi diffusi dai mass-media [22].
In questo scenario l’automazione, in particolare quella di tipo flessibile,
costituisce la naturale risposta alle esigenze di rapido sviluppo o modifica dei
processi produttivi industriali.
I vantaggi che l’automazione di processo industriale porta sono quindi
facilmente comprensibili:
ξ Riduzione dei costi mediante eliminazione di onerose operazioni manuali e
soprattutto mediante il miglioramento generale dell’efficienza degli impianti.
ξ Miglioramento della qualità globale dei prodotti.
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ξ Eliminazione colli di bottiglia.
ξ Garanzia del mantenimento della costanza del livello qualitativo.
ξ Possibilità di funzionamento flessibile in linea (es. prodotti differenti su
stessa linea).
ξ Rapidità di sviluppo dei progetti e di realizzazione impianti: dall’idea alla
realizzazione nel minor tempo possibile [4].
ξ Facilità di parametrizzazione o riconfigurazione impianti [4].
ξ Possibilità del recupero dei componenti di maggior valore nel caso di
completa modifica degli impianti [4].
ξ Possibilità d’integrazione degli impianti con operazioni di collaudo o
ispezione [4].
ξ Possibilità di esecuzione compiti pericolosi per la sicurezza se eseguiti
manualmente.
Le applicazioni dell’automazione potenzialmente possono toccano tutti i settori
industriali. Realisticamente la tecnologia è più vantaggiosa quando sono presenti una
o più delle seguenti condizioni:
ξ produzioni ripetitive a cadenze medio-alte;
ξ operazioni complesse da realizzare in modo rigido;
ξ necessità di elevata flessibilità a breve termine (lavorazioni a lotti, di diversi
prodotti) [4];
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ξ necessità di elevata flessibilità a lungo termine (possibilità di riconversione
impianti) [4];
ξ funzionamento possibile su più turni di lavoro;
ξ compiti da effettuare ben definiti e specificabili;
ξ difficoltà di esecuzione manuale per problemi di sicurezza del lavoro.
Le applicazioni più diffuse sono:
ξ lavorazioni su componenti;
ξ manipolazione di prodotti;
ξ montaggio o assemblaggio componenti;
ξ confezionamento di prodotti.
Un’applicazione dell’automazione sulla quale vale la pena soffermarsi, è il
miglioramento e controllo qualità nei processi produttivi [4]. L’evoluzione, infatti,
del mercato dei prodotti finali di consumo, sta portando ad una sempre maggior
attenzione verso la qualità del prodotto stesso.
La qualità stessa viene sempre più richiesta sia nelle caratteristiche intrinseche
e funzionali del prodotto, che negli aspetti esteriori ed in generale estetici.
La qualità reale è richiesta con sempre maggior rigore, anche sulla spinta dei
requisiti imposti dalle norme internazionali ISO-9000
1
[4]. I criteri di qualità sono
1
Le norme UNI EN ISO SERIE 9000 rappresentano una razionalizzazione dei molti approcci nazionali alla
qualità, atta ad unificarli in una comune proposta pianificata in tre possibili Sistemi Qualità in esse contenuti.
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resi sempre più oggettivi e richiedono quindi l’adozione di strumenti in grado di
effettuare valutazioni affidabili e ripetibili, su tutto il prodotto.
Una soluzione in grado di soddisfare le crescenti esigenze del mercato, è
l’adozione di efficaci strumenti di controllo automatici, che la moderna tecnologia
mette oggi a disposizione.
Un esempio è la visione artificiale, che permette di realizzare un controllo
costante della produzione, in modo oggettivo perché regolato da criteri numerici
ripetibili e gestibili dagli operatori di linea [4].
La produzione controllata al 100% consente l’eliminazione o l’individuazione
di qualsiasi difetto. La soddisfazione del cliente che ne consegue è sicuramente il
maggior beneficio e garanzia per il ritorno dell’investimento.
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1.4 Tendenze di sviluppo
Negli ultimi tempi si assiste ad un cambiamento nel modo di fare controllo e
supervisione d’impianti industriali; più precisamente nell’ambito dell’automazione
industriale, il software riveste un’importanza sempre maggiore e i sistemi di
automazione che si vanno delineando sembrano indirizzarsi lungo due direttive
comuni:
ξ necessità d’integrare a livello globale la tecnologia
dell’informazione, così da migliorare la gestione ed i risultati del
processo produttivo;
ξ adozione di standard aperti che assicurano una maggiore flessibilità
del sistema.
Queste tendenze favoriscono quelle architetture ove la strumentazione sul
campo è costituita da dispositivi intelligenti, che agiscono da “server” di dati in un
sistema informatico esteso all’intera azienda [13].
È evidente che in questi sistemi la comunicazione assume un ruolo
fondamentale poiché permette lo scambio delle informazioni tra i diversi apparati
appartenenti alla struttura informatica dell’azienda: dai sensori più semplici, ai
sistemi di controllo più sofisticati, fino ai Pc o stazioni di lavoro.
Quindi l’adozione di una piattaforma software basata su uno standard comune,
sia per quanto riguarda l’interfaccia utente, sia le tecnologie adottate per trasferire i
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dati da un’applicazione software all’altra, risulta un requisito ormai fondamentale
[21].
Un esempio è attualmente offerto dallo standard OPC (OLE for Process
Control).
Le applicazioni abilitate all’uso di “OLE for Process Control” possono
comunicare con qualsiasi “server”, indipendentemente dal fatto che si tratti di un
sensore, una valvola o un controllore programmabile. Grazie ad OPC, i fornitori di
applicazioni industriali che in passato hanno investito in software proprio,
difficilmente integrabile con i prodotti di altri, possono ora puntare a creare i migliori
prodotti specifici per le loro applicazioni, sicuri che essi saranno totalmente
compatibili con tutte le altre applicazioni presenti in azienda: supervisione, raccolta
dati e controllo [21].
Le reti di computers assumono quindi un ruolo centrale e sono il motore di
tutte le attuali soluzioni di automazione proposte alle aziende.
Il continuo incremento della potenza dei processori, l’ormai impressionante
velocità di trasferimento dei dati sui bus, la robustezza dei più recenti sistemi
operativi, lo sviluppo di applicazioni anche su Web e quindi su Internet [22],
continuano a migliorare le possibilità di sviluppo e integrazione delle applicazioni di
automazione, basate su computer.
Il risultato è un sistema per l’automazione flessibile, scalabile e a basso costo
che sfrutta al massimo i vantaggi forniti dalle più recenti tecnologie hardware e
software del Pc.