Esistono moltissime definizioni del termine “automazione”. L’automazione è una disciplina, una funzione, un insieme di tecnologie. Sono tutte definizioni corrette, ma che spiegano sempre troppo o troppo poco.

Partiamo da qui. Il termine automazione nasce per identificare tutto ciò che è necessario per far funzionare una macchina (o un processo) in modo automatico, ossia senza l’intervento dell’uomo. L’automazione industriale, in particolare, sfrutta tecnologie meccaniche, elettroniche ed informatiche per il controllo dei processi produttivi industriali, governando flussi di energia, di materiali e di informazioni.

Dal punto di vista storico, l’automazione è nata con il principale scopo di sostituire l’uomo in compiti ripetitivi o nocivi, con apparecchiature in grado di operare in modo autonomo o con minimi interventi da parte dell’operatore umano.

Fondendo tecnologie industriali proprie dei processi di produzione e tecnologie informatiche, si propone di consentire la gestione efficiente delle informazioni, ponendosi come branca dell’ingegneria moderna che ha per obiettivo quello di ridurre o eliminare l’intervento dell’uomo nella produzione di beni e servizi. 

Come è fatto un sistema di automazione?

Un sistema di Automazione può essere descritto come una Piramide nella quale si possono individuare diversi livelli che partono dalla base del sistema, che è il processo da controllare, e arrivano alle strutture aziendali generali.

Una delle versioni più diffuse della Piramide distingue quattro livelli:

Il livello “campo” (SENSOR LEVEL) , cioè il luogo dove si trovano i processi da controllare , i sensori e gli attuatori;

Il livello “controllo”, (DEVICE LEVEL) dove si trovano i dispositivi di automazione come regolatori, controllori, HMI locali ecc.;

Il livello “supervisione” (CONTROL LEVEL) con i PC e i sistemi deputati al monitoraggio;

Il livello “impresa” (ENTERPRISE LEVEL)  dove risiedono le altre attività aziendali.

• I sensori, hanno come obiettivo la misurazione di grandezze di interesse per valutare lo stato di avanzamento e/o il corretto svolgimento del lavoro in esecuzione;
• Gli attuatori, eseguono le azioni comandate dagli organi di elaborazione;
• I regolatori, sulla base delle misure fornite dai sensori in campo, decidono le azioni da intraprendere in funzione delle logiche programmate al loro interno;
• HMI , sono i dispositivi come tastiere , display, touch screen, che permettono di visualizzare localmente i dati gestiti dai regolatori;
• I supervisori , Software installati di norma su PC dedicati , con il quale è possibile interagire con i dati gestiti dai controllori , solitamente in modo più intuitivo che con i dispositivi HMI. Le logiche di regolazione non risiedono nel supervisore , ma nei regolatori i quali possono continuare la loro funzione anche senza la presenza del supervisore.
• Il Livello Impresa contiene tutti i processi estranei al sistema di automazione , ma che possono estrarre dati da esso per migliorare aspetti legati alla produttività , sicurezza ,risparmi energetico.

I SENSORI

I sensori possono essere divisi in due categorie:

• Ingressi Analogici – Analog Input
• Ingressi digitali – Digital Input

I sensori analogici svolgono un ruolo essenziale nell’automazione e nei sistemi di controllo. Questi sensori misurano quantità fisiche come temperatura, pressione, tensione, corrente, umidità e molte altre grandezze in modo continuo e forniscono segnali in uscita che variano in modo proporzionale alla grandezza misurata.

Ecco come funzionano i sensori analogici in un sistema di automazione:

1. Misurazione continua: I sensori analogici misurano grandezze in modo continuo, producendo segnali che possono variare su un intervallo continuo di valori anziché segnali discreti.
2. Trasduttore: Un sensore analogico è un tipo di trasduttore che converte una grandezza fisica in un segnale analogico. Ad esempio, un termoresistore (come una termocoppia) può convertire la temperatura in una variazione di resistenza, mentre un trasduttore di pressione può convertire la pressione in una variazione di tensione.
3. Segnale analogico: Il segnale in uscita dal sensore è solitamente una tensione o una corrente elettrica (Es: 4-20 mA; 0-10V) che varia in modo continuo in risposta alla grandezza misurata. Questa variazione può essere proporzionale alla grandezza misurata, il che significa che un aumento o una diminuzione della grandezza causerà una corrispondente variazione del segnale.
4. Condizionamento del segnale: I segnali analogici provenienti dai sensori possono essere suscettibili di interferenze o rumore. Pertanto, spesso è necessario condizionare il segnale per garantire che sia stabile e affidabile. Ciò può includere l’amplificazione, la filtrazione e la linearizzazione del segnale.
5. Conversione A/D: Nelle applicazioni di automazione, è spesso necessario convertire il segnale analogico in un formato digitale per elaborarlo in un controller o un computer. Questo processo viene effettuato utilizzando un convertitore analogico-digitale (A/D), che campiona il segnale analogico a intervalli regolari e lo converte in una rappresentazione digitale.
6. Elaborazione e controllo: Una volta convertito in formato digitale, il segnale può essere elaborato da un computer o da un controllore programmabile (PLC) per prendere decisioni e controllare i dispositivi o i processi associati. Ad esempio, un sensore analogico di temperatura potrebbe essere utilizzato per controllare un sistema di climatizzazione in un edificio.
7. Retroazione: I sensori analogici sono spesso utilizzati per fornire una retroazione ai sistemi di controllo. Questo significa che i dati provenienti dai sensori vengono utilizzati per regolare il comportamento del sistema in tempo reale. Ad esempio, un sensore di posizione in un sistema di controllo di un robot può essere utilizzato per regolare la velocità e la posizione del robot in base alle informazioni in tempo reale sulla sua posizione.

In breve, i sensori analogici forniscono una misurazione continua delle grandezze fisiche e sono fondamentali per il controllo e l’automazione dei processi in una vasta gamma di applicazioni, dall’industria all’automotive, all’edilizia e molto altro.

I sensori digitali sono invece dispositivi che misurano grandezze fisiche e forniscono segnali di uscita digitali discreti, spesso rappresentati come valori binari (0 e 1).

A differenza dei sensori analogici, che forniscono segnali in uscita che variano in modo continuo, i sensori digitali emettono segnali discreti che rappresentano uno stato o un valore specifico. Ecco come funzionano i sensori digitali in un sistema di automazione:

1. Rilevamento discreto: I sensori digitali rilevano grandezze fisiche in modo discreto, emettendo segnali binari che possono essere interpretati come “ON” o “OFF,” “1” o “0,” o altri valori discreti predefiniti.
2. Segnale digitale: Un sensore digitale emette segnali in forma di segnali binari, che possono essere rappresentati tramite tensione, corrente o altro mezzo. Questi segnali possono essere interpretati direttamente da dispositivi digitali, come computer, microcontrollori o PLC.
3. Altezza di soglia (Threshold): I sensori digitali sono spesso configurati con una soglia di attivazione, ovvero una specifica grandezza che deve essere raggiunta o superata prima che il sensore passi da uno stato “OFF” a uno stato “ON” o viceversa. Ad esempio, un sensore di temperatura potrebbe essere configurato per attivarsi quando la temperatura raggiunge o supera una soglia specifica.
4. Elaborazione digitale: Dato che i segnali dei sensori digitali sono già in formato digitale, non è necessaria una conversione A/D. I dati possono essere elaborati direttamente da dispositivi digitali, consentendo un’elaborazione rapida ed efficiente.
5. Facilità di comunicazione: I segnali digitali sono particolarmente adatti per la comunicazione e la trasmissione di dati. I sensori digitali possono facilmente comunicare i loro dati a dispositivi di controllo, computer e altri dispositivi tramite bus di dati digitali o protocolli di comunicazione digitali.
6. Maggiore immunità al rumore: Poiché i segnali digitali sono discreti, sono spesso più robusti e meno sensibili alle interferenze e ai disturbi rispetto ai segnali analogici. Ciò li rende ideali per applicazioni in cui è richiesta una maggiore affidabilità e resistenza al rumore.
7. Precisione e ripetibilità: I sensori digitali sono spesso più precisi e ripetibili rispetto ai sensori analogici, poiché emettono valori discreti noti e predefiniti.

Esempi di sensori digitali includono interruttori di prossimità, sensori di movimento a infrarossi, fotodiodi con uscita digitale, sensori di pressione digitali e molti altri. Questi sensori sono ampiamente utilizzati nell’automazione industriale, nei sistemi di sicurezza, nei dispositivi di rilevamento e in molte altre applicazioni in cui è necessaria una misurazione discreta e una comunicazione digitale dei dati.

Tutti i sensori di un impianto vengono collegati ai vari regolatori nei quadri di automazione.

I REGOLATORI

I regolatori, o controller, in un impianto di automazione sono dispositivi o sistemi che monitorano e regolano le grandezze di processo al fine di garantire che il sistema funzioni in modo desiderato e in conformità con i parametri stabiliti. Questi regolatori sono fondamentali nell’automazione industriale e nei sistemi di controllo, dove consentono di mantenere costante una variabile di processo tramite una programmazione.

Nei regolatori abbiamo quindi degli ingressi (Digitali e Analagici) e delle uscite (digitali o analogiche)

Negli ingressi vanno collegati i sensori, nelle uscite vanno collegati gli attuatori.

GLI ATTUATORI

Gli attuatori sono componenti chiave in un sistema di automazione. Essi sono responsabili di tradurre i segnali di controllo generati dai regolatori o dai sistemi di controllo in azioni fisiche, spostamenti o variazioni di grandezze all’interno di un processo o di un sistema automatizzato. Gli attuatori sono fondamentali perché consentono di mettere in atto i comandi necessari per influenzare il comportamento del sistema in base alle istruzioni ricevute. Ecco alcune informazioni importanti sugli attuatori:

1. Azione fisica: Gli attuatori eseguono azioni fisiche dirette. Possono essere progettati per eseguire una vasta gamma di compiti, ad esempio, spostare un braccio robotico, aprire o chiudere una valvola, regolare la velocità di un motore, comprimere o espandere un cilindro pneumatico, e molto altro.
2. Controllo diretto: Gli attuatori sono controllati in base alle istruzioni ricevute dai regolatori o dai sistemi di controllo. Queste istruzioni determinano come l’attuatore deve agire per mantenere o modificare lo stato o la grandezza di un processo o di un sistema.
3. Tipi di attuatori: Gli attuatori possono essere di diversi tipi, tra cui:
   • Attuatori elettrici: Convertono segnali elettrici in movimento meccanico. Esempi includono motori elettrici, servomotori e solenoidi.
   • Attuatori pneumatici: Utilizzano aria compressa per eseguire azioni meccaniche. Cilindri pneumatici e valvole pneumatiche rientrano in questa categoria.
   • Attuatori idraulici: Utilizzano olio idraulico per eseguire azioni meccaniche. Cilindri idraulici e valvole idrauliche sono esempi di attuatori idraulici.
   • Attuatori lineari o rotativi: Possono eseguire movimenti lineari (ad esempio, spostamenti in linea retta) o rotativi (come l’apertura e la chiusura di una valvola o la rotazione di un asse).
4. Applicazioni: Gli attuatori sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, come l’automazione industriale (per controllare macchine e processi di produzione), l’automotive (per regolare motori e sistemi di trasmissione), la robotica (per controllare il movimento dei robot), l’edilizia (per aprire e chiudere porte automatiche), e molto altro.
5. Interazione con i sensori: Gli attuatori spesso lavorano in collaborazione con i sensori. I sensori rilevano lo stato del sistema e forniscono feedback ai regolatori, che quindi inviano comandi agli attuatori per apportare modifiche appropriate.

In sintesi, gli attuatori svolgono un ruolo cruciale nell’automazione, trasformando segnali di controllo in azioni fisiche per controllare i sistemi automatizzati. Questi componenti sono progettati per eseguire una vasta gamma di compiti e sono fondamentali per garantire l’efficacia, la precisione e l’efficienza di molti processi e applicazioni automatizzate.

Facciamo un piccolo riassunto:

• I sensori rilevano segnali di misura o stati (on-off)
• I sensori vanno collegati ai regolatori
• I regolatori devono essere programmati per comandare, con una logica, gli attuatori in base alle misure dei sensori

Facciamo ora un esempio pratico prendendo in considerazione la regolazione dell’umidità in un’UTA:

Partiamo dal fatto di volere un’umidità ambiente del 50% UR (Vedi articolo “L’umidità” per una maggiore comprensione)

• Imposto il regolatore con il set point di umidità desiderata.
• Collego all’ingresso del regolatore un sensore analogico termoigrometro che misura la temperatura e l’umidità dell’aria ambiente
• Collego al regolatore un sensore di temperatura che misura la temperatura dell’acqua che attraversa la batteria di raffreddamento (corpo freddo)
• Collego all’uscita del regolatore l’attuatore che comanda una valvola che “regola la temperatura” dell’acqua refrigerata.

Con il software di programmazione andremo a programmare nel regolatore i parametri del diagramma psicometrico.

Per cui:

Il sensore termoigrometrico trasmette al regolatore temperatura e umidità. Il regolatore calcola la temperatura di saturazione per deumidificare (in base al set point che ho impostato) e dice alla valvola dell’acqua refrigerata a quale temperatura regolare la batteria di raffrescamento per deumidificare.

Possiamo quindi dire che: con questa logica e con questo parco di sensori ed attuatori, quasi tutto è automatizzabile… se ne vale la pena.

Tornando all’esempio sulla regolazione dell’umidità su un’UTA, come faccio a regolare il set point?

Tutti i regolatori hanno un pannellino di interfaccia che solitamente deve essere collegato via cavo. Attraverso un piccolo display, riusciamo a settare parametri o a rilevare e resettare allarmi.

Considerata la poca praticità, saliamo quindi al 3° Livello della piramide con terminali e software che permettono in maniera molto comoda e aiutati da una grafica di interagire con il nostro sistema di automazione in maniera molto intuitiva.

Qual’è la differenza sostanziale tra un BMS ed un PLC?

Spesso nei sistemi di automazione non è così facilmente intuibile la differenza tra un BMS ed un PLC. Entrambi fanno di principio le stesse cose ed entrambi, hanno ingressi, uscite e programmazione. E quindi?

Un BMS (Building Management System) e un PLC (Controller Logico Programmabile) sono due tipi di sistemi di controllo utilizzati in contesti diversi e con scopi diversi. Ecco le principali differenze tra un BMS e un PLC:

1. Ambito di applicazione:
   • BMS (Building Management System): Il BMS è progettato per il controllo e la gestione di edifici e strutture. È utilizzato per monitorare e controllare sistemi come il riscaldamento, la ventilazione, l’aria condizionata, l’illuminazione, l’elettricità, il controllo degli accessi e la sicurezza in edifici commerciali, industriali o residenziali. Il suo obiettivo principale è ottimizzare il comfort, la sicurezza e l’efficienza energetica all’interno degli edifici.
   • PLC (Controller Logico Programmabile): Il PLC è utilizzato per il controllo di processi industriali e macchinari. È ampiamente utilizzato in ambienti industriali per automatizzare processi di produzione, controllare macchine, regolare la produzione e gestire sistemi di automazione industriale. Il suo obiettivo principale è il controllo preciso e affidabile di dispositivi e processi.
2. Tipo di controllo:
   • BMS (Building Management System): Il controllo fornito da un BMS è principalmente orientato alla gestione degli edifici e degli impianti tecnici. Questo include il monitoraggio delle condizioni ambientali, la regolazione del comfort termico e la gestione delle risorse energetiche.
   • PLC (Controller Logico Programmabile): Il PLC è specializzato nel controllo di processi industriali e macchinari, spesso implementando logica di controllo complessa e sequenze di operazioni per garantire la produzione efficiente e la sicurezza delle apparecchiature.
3. Architettura:
   • BMS (Building Management System): I sistemi BMS utilizzano spesso un’architettura distribuita per monitorare e controllare i dispositivi e i sottosistemi all’interno di un edificio. Comunicano con sensori e attuatori situati in diverse parti dell’edificio attraverso una rete di comunicazione.
   • PLC (Controller Logico Programmabile): I PLC utilizzano una piattaforma centralizzata per eseguire la logica di controllo. Possono gestire ingressi e uscite digitali e analogiche per controllare direttamente i dispositivi e i processi.
4. Software e linguaggi di programmazione:
   • BMS (Building Management System): I sistemi BMS spesso utilizzano software specifici per la gestione degli edifici e possono essere programmabili utilizzando linguaggi di scripting o configurazione. I linguaggi comuni includono BACnet, Modbus e LON.
   • PLC (Controller Logico Programmabile): I PLC utilizzano linguaggi di programmazione dedicati, come il linguaggio Ladder Logic o il Testo Strutturato. Questi linguaggi sono ottimizzati per il controllo di processo e l’automazione industriale.

In sintesi, un BMS è progettato per il controllo e la gestione degli edifici e dei sistemi all’interno degli edifici, mentre un PLC è specializzato nel controllo di processi industriali e macchinari. Entrambi sono importanti strumenti per l’automazione, ma vengono utilizzati in contesti molto diversi.

Teminologia :

• BMS : Building Management Systems. (Sistemi per la gestione degli Edifici)
• SCADA : Supervisory Control and Data Acquisition. (Supervisione Controllo e Acquisizione Dati)
• HMI : Human-Machine-Interface. (Intefaccia Uomo Macchina)
• M2M : Machine to Machine. (Da Macchina a Macchina)
• PLC : Programmable Logic Controller. (Controllore logico Programmabile)
• DCS : Distributed Control System. (Sistema di Controllo Distribuito)
• HVAC : Heating , Ventilation , Air Conditioning. (Riscaldamento, Ventilazione , Aria Condizionata)
• DIGITAL INPUT : Ingresso Digitale (stato di un contatto) , lettura di uno stato.
• ANALOG INPUT : Ingresso Analogico (Sonde, trasduttori) , lettura di un valore.
• DIGITAL OUTPUT : Uscita Digitale , comando di un Relè.
• ANALOG OUTPUT : Uscita Analogica , comando di un valore di tensione o corrente.
• DESIGO : Software di Supervisione Siemens.
• EBI : Software di Supervisione Honeywell.
• NIAGARA : Software di Supervisione Honeywell.
• ECOSTRUXURE : Software di Supervisione Schneider.
• METASYS : Software di Supervisione Johnson Control.