Pagina aggiornata il 16 ottobre 2008
Corso di Studi in Ingegneria dell'Automazione
L'Automazione
Il termine Automazione fu coniato nell'industria automobilistica nell'immediato dopoguerra per descrivere l'accresciuto uso di dispositivi automatici e di controllo nelle linee di produzione meccanizzate. L'origine della parola è attribuita a D.S. Harder, un dirigente della Ford Motor Company. Il termine è utilizzato estesamente in un contesto manifatturiero, ma è anche utilizzato ogniqualvolta ci sia una significativa sostituzione del lavoro e dell'intelligenza umana con azioni di tipo informatico, elettronico e meccanico.
1 L'Automazione
Per Automazione si intende l'applicazione di macchine a compiti una volta effettuati dall'uomo o, sempre più in modo crescente, a compiti che altrimenti non potrebbero essere neanche realizzati. Sebbene il termine meccanizzazione sia spesso usato per riferirsi alla semplice sostituzione del lavoro umano da parte delle macchine, l'automazione in genere implica l'integrazione di macchine in un sistema che si autogoverni. L'automazione ha certamente rivoluzionato quelle aree in cui è stata introdotta; ci sono pochi aspetti della vita moderna che non siano stati influenzati da essa. Sebbene le differenze tra automazione e meccanizzazione possano difficilmente essere messe in evidenza in pratica, le differenze tra la società automatizzata (come quella odierna) e quella meccanizzata (come quella alla fine dell'ottocento) si possono più facilmente comprendere; l'introduzione dell'automazione è stata la causa di un nuovo e distinto impulso allo sviluppo della civiltà industriale.
Gli uomini si sono sempre sforzati di trasferire alcuni dei carichi del lavoro a dispositivi meccanici: esempi di questi meccanismi sono le carrucole, gli argani, i sistemi di sollevamento, dei quali sono state trovati dei reperti che datano al terzo millennio AC. Tuttavia, una meccanizzazione estesa ed una incorporamento esteso di macchine in sistemi autogovernati non ebbe luogo fino alla
Rivoluzione Industriale nel XVIII secolo. Durante la Rivoluzione Industriale furono sviluppate fabbriche che producevano parti intercambiabili per prodotti diversi, con la conseguente divisione delle diverse lavorazioni ad operai, ad ognuno dei quali veniva riservato un compito specifico che veniva da questo eseguito un numero imprecisato di volte. Da quel momento, fu immediata l'esigenza di sviluppare macchine (originariamente a vapore e successivamente elettriche) che eseguissero questi compiti.
2 L'Impatto dell'Automazione sulla Società
Oltre ad avere influenzato i singoli lavoratori, l'Automazione ha avuto un forte impatto sulla Società nella sua generalità. La produttività è una questione economica di fondamentale importanza che è, a sua volta, influenzata dall'automazione. La produttività di un processo è tradizionalmente definita come il rapporto tra unità prodotte e lavoro impiegato per la loro produzione. Un progetto di automatizzazione fa aumentare la produttività sia perché può far aumentare il tasso di produzione sia perché può far diminuire la quantità di lavoro impiegato. Nel corso degli anni, gli aumenti della produttività hanno condotto a ridurre i prezzi per i prodotti e, in qualche modo, ad aumentare la prosperità della Società.
Numerose questioni riguardanti l'istruzione e l'addestramento sono sorte in seguito al moltiplicato uso dell'automazione, della robotica, dei calcolatori elettronici, e delle relative tecnologie. A seguito dell'incremento nell'uso dei sistemi di Automazione, si è riscontrata una carenza di personale tecnicamente addestrato a mettere abilmente in pratica tutte queste tecnologie. Questa carenza ha una diretta influenza sul tasso con il quale i sistemi di automazione possono essere introdotti. La carenza di personale esperto nelle tecnologie di automazione richiede insegnamenti di carattere universitario per sviluppare una forza lavoro dotata di esperienza pratica. I corsi di Laurea e Laurea Specialistica in Ingegneria dell'Automazione hanno come scopo la formazione di questo personale a vari livelli di preparazione, per mezzo di docenti tecnicamente qualificati e di laboratori (come quello di Robotica) le cui attrezzature rappresentano, in alcuni casi, lo stato dell'arte della tecnologia tipicamente utilizzata in ambiente industriale.

3 L'Automazione e la Società
Nel corso degli anni, i meriti sociali dell'Automazione sono stati discussi da sindacalisti, da dirigenti d'azienda, da politici e da docenti universitari. La più grande controversia è stata concentrata su come l'automazione influenzasse l'occupazione. Ci sono però molti altri importanti aspetti influenzati dall'automazione: la produttività, la competizione economica, l'educazione scolastica ed universitaria e, non ultima, la qualità della vita.
Praticamente tutte le installazioni industriali di automazione, ed in particolare quelle di robotica, hanno implicato la sostituzione di lavoro umano da parte di sistemi automatizzati. Quindi, uno degli effetti diretti dell'introduzione dell'Automazione in fabbrica è lo spostamento del lavoro umano. Gli effetti a lungo termine dell'Automazione sul tasso di disoccupazione non sono certi: molti studi per analizzare questa relazione sono controversi e non conclusivi. I lavoratori hanno indubbiamente perso posti di lavoro a causa dell'Automazione, ma gli aumenti della domanda di prodotti di automazione hanno praticamente compensato queste perdite. I sindacati hanno proposto, e molte aziende hanno adottato questa politica, che i lavoratori rimpiazzati dall'Automazione debbano essere riqualificati per altre posizioni, auspicabilmente accrescendo la propria posizione lavorativa. Questa politica è certamente vincente purché l'azienda in questione e l'economia in generale crescano ad una velocità sufficiente a creare nuove posizioni e nuovi tipi di lavoro per rimpiazzare quelli persi a causa dell'Automazione.

4 Società di Servizio
L'Automazione nelle società di servizio include un assortimento di applicazioni così diverse alla pari dei tipi di servizi a cui si applicano: la medicina, i servizi finanziari e bancari, l'automazione postale, il commercio al minuto.
Figure 1: Una protesi robotizzata.
Ad esempio, in medicina l'uso dei sistemi di automazione (nella forma di sistemi computerizzati) ha permesso di migliorare il servizio offerto ai pazienti ed ha alleviato l'onere a carico del personale medico. Negli ospedali e nelle aziende sanitarie locali, i sistemi computerizzati hanno permesso al personale medico di registrare la cartella clinica del paziente, le medicine somministrate ed altre rilevanti informazioni. Alcuni di questi sistemi sono utilizzati per eseguire funzioni aggiuntive, come l'ordinare alla farmacia dell'ospedale particolari medicine. Si possono citare le recenti applicazioni di robotica medica (l'operazione chirurgica viene effettuata da un robot, comandato a distanza dal chirurgo), di somministrazione controllata di medicamenti o droghe (ad esempio, la somministrazione controllata di particolari narcotici per evitare l'anestesia totale del paziente), di protesi robotizzate a compensazione totale o parziale di minorazioni fisiche.

5 Sistemi Manifatturieri Flessibili
Un sistema manifatturiero flessibile (FMS, dall'inglese Flexible Manufacturing System) è una forma di automazione flessibile in cui macchine diverse sono collegate tra loro da un sistema di governo, con tutti gli aspetti che sono controllati da un calcolatore centrale. Un FMS si distingue da una linea automatizzata di produzione per la sua abilità di trattare più di un tipo di produzione alla volta. Ad ogni istante, ogni macchina del sistema può effettuare una lavorazione di parti di tipo diverso. Un FMS può anche far fronte a cambiamenti nel programma di produzione. Nuovo tipi di produzione possono essere effettuati con un stesso FMS, purché essi ricadano nell'ambito delle produzioni per le quali lo FMS è stato progettato. Questo tipo di sistema è, quindi, ideale per piccole e medie quantità richieste di prodotto, e quando ci siano aggiustamenti del prodotto richiesto con l'andar del tempo.
I componenti di un FMS sono:
(i) macchine di lavorazione, le quali sono usualmente macchine a controllo numerico, ed eventualmente sistemi di ispezione e di controllo di qualità,
(ii) un sistema per il trasporto del materiale, come ad esempio un nastro trasportatore, il quale è capace di consegnare le parti di lavorazione a qualsiasi macchina nel FMS,
(iii) un calcolatore centrare che sia responsabile dell'esecuzione del corretto programma di controllo numerico per ogni macchina e per ogni pezzo di lavorazione, e che sia anche responsabile di coordinare le attività delle varie macchine e del sistema di trasporto del materiale.
Comunque, la quarta ed inevitabile componente di un FMS è il lavoro umano. Sebbene un FMS rappresenti un alto livello di produzione automatizzata, il lavoro umano è ancora necessario per gestire l'intero sistema, per caricare e scaricare i pezzi, per cambiare gli utensili delle macchine in conseguenza del cambio della lavorazione, per mantenere e riparare le attrezzature.

6 Gli Sviluppi Moderni
Numerosi e significativi sviluppi si sono succeduti in vari campi durante il XX secolo: i calcolatori digitali, i miglioramenti nelle tecnologie per la registrazione dei dati e nel software per la scrittura di programmi, il progresso nella tecnologia dei sensori, e la definizione di una teoria matematica del controllo. Tutti questi avanzamenti hanno contribuito al progresso nelle tecnologie dell'Automazione.
Lo sviluppo dei calcolatori digitali (a partire dalle origini, con l'ENIAC [Electronic Numerical Integrator and Computer] nel 1946 e l'UNIVAC I [Universal Automatic Computer] nel 1951) ha permesso ai dispositivi di controllo per l'Automazione di diventare sempre più sofisticati (i calcoli associati possono essere eseguiti molto velocemente). Lo sviluppo dei circuiti integrati durante gli anni 60 ha stimolato la tendenza a miniaturizzare i componenti dei computer, così da dar luogo a macchine più piccole, più veloci e meno costose delle precedenti. Oggigiorno, abbiamo a disposizione i microcalcolatori (dispositivi multi-circuitali miniaturizzati) che sono largamente utilizzati in molti impianti automatizzati.

7 L'Evoluzione Storica dell'Automazione
La tecnologia dell'automazione si è evoluta dal connesso campo della meccanizzazione, dagli inizi della Rivoluzione Industriale. La meccanizzazione si riferisce alla sostituzione della forza dell'uomo (o dell'animale) con la forza di qualche altro tipo. Lo spirito conduttore che troviamo dietro la meccanizzazione è la propensione dell'Umanità a creare strumenti e dispositivi meccanici.
Figure 2: Esempio di leveraggio ideato da Archimede.
Il primo strumento fatto di pietra rappresenta il tentativo dell'uomo preistorico di indirizzare la sua forza fisica sotto il controllo dell'umana intelligenza. Migliaia di anni sono stati senza dubbio necessari per lo sviluppo di semplici dispositivi e meccanismi come la ruota, la leva, la carrucola, per mezzo dei quali la forza muscolare (umana o animale) può essere amplificata. Il passo successivo fu lo sviluppo di macchine che non richiedono la forza umana per operare. Esempi di queste macchine sono la ruota ad acqua (la turbina), il mulino a vento, le macchine a vapore. Più di 2000 anni fa, i Cinesi svilupparono un primordiale martello pneumatico alimentato ad acqua ed i mulini a vento. Gli antichi Greci sperimentarono semplici motori a reazione alimentati da vapore. L'orologio meccanico, comandato per mezzo di un peso, fu sviluppato all'incirca nel 1335 in Europa, evolvendo con il passare dei secoli negli automi.
Figure 3: Ingranaggi di un Automa.
I mulini a vento, con particolari meccanismi per orientare automaticamente le pale a favore del vento, furono sviluppati sempre in Europa durante il Medioevo. La macchina a vapore rappresenta il maggiore sviluppo delle macchine a motore, e contrassegnò l'inizio della Rivoluzione Industriale. A partire dal celebrato Regolatore di Watt, le macchine ed i motori sono state concepiti in modo da utilizzare come fonte di energia quella proveniente dal vapore, dall'elettricità, e da sorgenti di tipo chimico, meccanico e nucleare.

8 I Sistemi di Comunicazione
Una delle prime applicazioni pratiche dei sistemi di automazione fu la commutazione telefonica. Le prime macchine a commutazione, inventate alla fine del XIX secolo, erano degli interruttori elettromeccanici che venivano controllati dagli utilizzatori del telefono componendo un numero telefonico. Le moderne macchine a commutazione telefoniche sono basate su sofisticati calcolatori digitali che eseguono funzioni differenti come la sorveglianza di migliaia di linee telefoniche, determinando quale di queste linee richiede un servizio, immagazzinando le cifre di ogni numero telefonico che viene composto, la messa a punto delle connessioni richieste, l'invio dei segnali elettrici per far suonare il telefono del ricevente, il controllo della chiamata fino alla disconnessione.
Altre applicazioni dell'automazione nei sistemi di comunicazione includono le LAN (local area network), le comunicazioni satellitari e le macchine di smistamento automatico della corrispondenza cartacea. Queste ultime sono state realizzate quasi ovunque nel mondo per leggere i codici postali sulle buste e smistare le lettere in accordo alla destinazione, praticamente senza intervento umano alcuno.

9 Linee Automatizzate di Produzione
Una linea automatizzata di produzione consiste di una serie di stazioni di lavoro connesse da un sistema di trasferimento dei pezzi, capace di muovere i pezzi da lavorare tra le diverse stazioni.
Figure 4: Linea di produzione della Fiat.
Questo è un esempio di automazione fissa, poiché queste linee sono tipicamente organizzate per produzioni di lungo termine, a volte per produrre milioni di unità di prodotto e funzionanti per svariati anni prima della riconversione. Ogni stazione è progettata per effettuare un'operazione specifica: in questo modo, la parte o il prodotto è costruito a tappe, come questo procede lungo la linea. Un pezzo grezzo entra nella linea, procede attraverso ogni stazione, ed infine esce dalla linea come prodotto finito. Nelle normali operazioni di una linea, c'è una parte diversa in ogni stazione, in modo che più parti siano lavorate contemporaneamente; un pezzo finito è prodotto ad ogni ciclo della linea. Le varie operazioni, i trasferimenti delle parti di lavorazioni, e tutte le altre attività devono essere eseguite in sequenza e coordinate opportunamente affinché la linea operi in modo efficiente. Le moderne linee di produzione sono controllate dai PLC (Programmable Logic Controller), che sono dei speciali calcolatori che facilitano le connessioni con le attrezzature industriali e possono eseguire le operazione di temporizzazione e di messa in sequenza.
Le linee automatizzate di produzione sono utilizzate in molte industrie, specialmente in quelle automobilistiche, dove sono utilizzate per particolari processi come la stampa a macchina e la verniciatura. La stampa a macchina è un processo manifatturiero in cui il metallo è rimosso da un apposito utensile, in modo tale che la parte rimanente abbia la forma desiderata. I componenti dei macchinari e dei motori sono usualmente prodotti per mezzo di questo processo. In molti casi, sono necessarie operazioni ripetute di stampaggio per completare la forma della parte. Se la parte in questione è prodotta in massa, una linea automatizzata è il modo più economicamente efficiente di produzione. Queste linee sono apparse la prima volta all'incirca nel 1924.

10 Macchine a Controllo Numerico
In queste macchine le istruzioni programmate determinano l'insieme delle azioni che devono essere compiute automaticamente dal sistema. Il programma specifica cosa il sistema dovrebbe fare e come le sue varie componenti debbano funzionare per portare a termine il risultato desiderato. Per sistemi di limitata complessità, il programma consiste in un ridotto numero di azioni che devono essere realizzate in modo continuo e ripetutamente nella sequenza opportuna, con nessuna variazione da un ciclo ad un altro. In sistemi più complessi, il numero dei comandi potrebbe essere anche abbastanza elevato ed il livello di dettaglio di ogni comando potrebbe essere significativamente grande. In relazione a sistemi sofisticati, il programma prescrive una sequenza di azioni che possono essere alterate in conseguenza a variazioni del materiale o di altre condizioni operative.
Figure 5: Il primo esempio di macchina a controllo numerico: il Telaio di Jacquard.
I comandi vengono eseguiti per mezzo di un controllo a retroazione: il programma fornisce ad esempio una sequenza di valori di ingresso (set points) ai vari sistemi di controllo che costituiscono il sistema automatizzato. I sistemi di controllo eseguono delle opportune azioni sul sistema affinché i valori ideali di alcune grandezze richiesti tramite i valori di ingresso siano mantenuti con sufficiente accuratezza. In effetti, al fine di avere una certa garanzia del mantenimento di tali valori, il sistema di controllo deve essere in grado di verificare lo stato del sistema per mezzo di misure eseguite tramite opportuni sensori. Ad esempio, in un controllore per un robot, il programma specifica che il braccio del robot si muova in corrispondenza di una posizione stabilita, ed il controllore esercita le opportune azioni e verifica che il movimento del robot sia stato effettuato correttamente.

11 Macchine di Assemblaggio
Figure 6: Stazioni di assemblaggio.
Le operazioni di assemblaggio erano tradizionalmente eseguite manualmente, ed a causa del loro elevato costo sono state automatizzate in gran parte. Le operazioni di assemblaggio possono essere automatizzate utilizzando i principi delle linee di produzione se le quantità da produrre sono elevate, se il prodotto è di piccole dimensioni, e la forma dell'oggetto è semplice. Per i prodotti che non ricadono in questa classe, l'assemblaggio manuale è ancora il più conveniente.
Le macchine automatizzate di assemblaggio sono state sviluppate in maniera simile alle catene di montaggio, con la differenza che le operazioni di assemblaggio sono eseguite presso stazioni di lavoro. Una tipica macchina automatizzata di assemblaggio consiste di varie stazioni, ognuna delle quali equipaggiata con una fornitura di componenti ed un meccanismo per la consegna dei componenti nella posizione per l'assemblaggio. Un opportuno utensile ad ogni stazione esegue l'effettivo montaggio del componente. Tipici utensili sono i cacciaviti automatici, le macchine che inseriscono chiodi o grappe automaticamente, i saldatori, e gli altri dispositivi atti a montare componenti su prodotti. Un nuovo componente è aggiunto al prodotto parzialmente completato ad ogni stazione di lavoro, costruendo in questo modo il prodotto in maniera graduale come questo procede lungo la linea. Le macchine di assemblaggio di questo tipo sono da considerarsi esempi di automazione fissa (in opposizione a quella flessibile), poiché esse sono generalmente configurate per eseguire la produzione di un solo prodotto in elevata quantità.

12 Sistemi Automatici
Un sistema automatico è progettato per portare a termine alcune azioni desiderate, richiedendo per questa realizzazione un'adeguata fonte di energia. Ci sono molte fonti di energia disponibili in pratica, ma quella più frequentemente usata nei sistemi automatici moderni è l'elettricità. L'elettricità è la fonte di energia più versatile, poiché può essere facilmente generata da altre fonti (combustibile fossile, idroelettrica, solare, e nucleare), ed inoltre può essere riconvertita in altri tipi (meccanica, idraulica, e pneumatica) utili per fare lavoro. Non ultimo, l'energia elettrica può essere facilmente immagazzinata in speciali accumulatori o batterie.
Le azioni eseguite da un sistema automatico sono generalmente di due tipi:
(i) processamento,
(ii) trasferimento e posizionamento.
Nel primo caso l'energia è utilizzata per portare a termine alcune operazioni di processamento. Il processamento può coinvolgere, ad esempio, la sagomatura di un metallo, la modellazione di una plastica, la commutazione di un segnale elettrico in un sistema di comunicazione. Tutte queste azioni implicano l'uso di energia per trasformate l'oggetto (il metallo, la plastica, il segnale elettrico) da uno stato ad un altro più utile. Il secondo caso è correlato con i sistemi manifatturieri automatizzati, nei quali il prodotto deve essere generalmente mosso (trasferito) da una locazione ad un'altra, durante la sequenza di processamento. Ad ogni locazione di processamento, è necessario il posizionamento accurato del prodotto ed a questo provvede un sistema automatico.

13 Controllo dei Processi
Per determinare quale sistema di controllo installare in un impianto industriale, l'ingegnere (esperto in Automazione) ha una vasta scelta di possibili apparecchiature e di metodologie tra cui scegliere. Può scegliere di utilizzare strumentazioni di tipo analogico, che possono essere utilizzate per acquisire la misura di segnali del processo che evolvono in maniera continua nel tempo (ad esempio, tensioni, correnti, pressioni). Esistono dei controllori, detti di tipo standard, che sono capaci di ricevere un solo segnale e di applicare una sola azione di controllo. Questi controllori standard sono utilizzati in sistemi ad un solo ciclo: il sistema di controllo di un processo nella sua interezza è costituito da un collezione di questi controllori standard. Esistono controllori più complicati che sono in grado di ricevere più segnali e di esercitare più azioni di controllo (nel recente passato, realizzati per mezzo di calcolatori analogici, e nel presente per mezzo di calcolatori digitali): questi sistemi di controllo sono specifici per la singola applicazione.
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