Obiettivi formativi
Conoscenze e capacità di comprendere: mediante le lezioni frontali tenute durante il corso, lo studente acquisirà le conoscenze necessarie a descrivere i metodi e i dispositivi per il controllo e l’automazione industriale e a comprenderne i criteri di progettazione, realizzazione e validazione. Lo studente apprenderà inoltre la struttura e il principio di funzionamento delle macchine automatiche e dei principali sottosistemi che ne consentono il funzionamento automatizzato, oltre alle principali tecniche di dimensionamento degli azionamenti e dei sistemi di controllo.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione: mediante le esercitazioni pratiche svolte in classe relativamente ad alcuni argomenti del programma, lo studente apprenderà come applicare le conoscenze acquisite in un contesto reale di progettazione. Tale contesto troverà riscontro nella realizzazione, a gruppi, di un lavoro d’anno che consentirà allo studente di estendere ed applicare con un’attività pratica, in scala ridotta, le conoscenze acquisite teoricamente e relative alla progettazione e alla realizzazione di un impianto automatizzato.
Autonomia di giudizio: lo studente dovrà essere in grado di comprendere e valutare in maniera critica i principali sistemi di automazione e l’adeguatezza delle soluzioni progettuali per la realizzazione di uno specifico ciclo produttivo. Lo studente, in particolare, dovrà saper scegliere il sistema di automazione più opportuno e i dispositivi hardware maggiormente idonei allo specifico caso in esame, valutandone le prestazioni e l’adeguatezza.
Capacità comunicative: tramite le lezioni frontali, il confronto con il docente e il progetto d’anno, lo studente acquisirà il lessico specifico inerente l’automazione industriale. Ci si attende che, al termine del corso, lo studente sia in grado di trasmettere, in forma orale e in forma scritta, i principali contenuti del corso, quali idee, problematiche ingegneristiche e relative soluzioni. Lo studente sarà in grado di comunicare le proprie conoscenze con mezzi adeguati, pertanto ci si attende la capacità di utilizzo di strumenti di uso comune nel settore, quali tabelle, schemi impiantistici, diagrammi di flusso, fogli di calcolo numerici, schemi di controllo, soluzioni hardware e software.
Capacità di apprendimento: lo studente che abbia frequentato il corso sarà in grado di approfondire le proprie conoscenze in materia di impiantistica generale attraverso la consultazione autonoma di testi specialistici, riviste scientifiche o divulgative, cataloghi tecnici, anche al di fuori degli argomenti trattati strettamente a lezione, al fine di affrontare efficacemente l’inserimento nel mondo del lavoro o intraprendere percorsi di formazione successivi.
Prerequisiti
Non vi sono propedeuticità obbligatorie.
Contenuti dell'insegnamento
Il corso si propone di fornire allo studente i criteri generali di progettazione, gestione, controllo e realizzazione dei sistemi automatizzati per gli impianti dell’industria alimentare. I contenuti proposti durante lo svolgimento delle lezioni ed esercitazioni riguardano, nella prima parte del corso, un’introduzione all’automazione industriale e alla realizzazione delle interfacce utente; nella seconda parte del corso vengono descritti i principali componenti hardware impiegati per l’automazione industriale, le strategie di automazione e la struttura del software di controllo. I contenuti teorici presentati durante il corso verranno ulteriormente illustrati e approfonditi tramite attività pratiche di laboratorio in cui gli studenti applicheranno le conoscenze acquisite attraverso la realizzazione di un prototipo.
Programma esteso
1. Introduzione all’automazione industriale.
processi industriali, comportamenti indesiderati nel processo, tipi e classificazioni dei processi, processi non presidiati, gestiti manualmente e completamente automatizzati, requisiti e benefici dell’automazione, segnali di processo, struttura del sistema di automazione, funzioni dei sottosistemi di automazione, strumentazione, controllo e interfacce operatore, ruoli individuali, strumentazione, struttura e funzioni, tipi di dispositivi di sensori, interfaccia con il sistema di controllo, standard di interfaccia, isolamento e protezione, sistema di controllo, funzioni e struttura, interfacciamento con la sensoristica e interfacce operatore.
2. Interfacce operatore.
Costruzione, elementi attivi di visualizzazione e controllo, tipi di pannelli, interfaccia con il sistema di controllo, interfacce operatore avanzate, migrazione del pannello operatore fisico al pannello sinottico software, layout e caratteristiche, configurazioni avanzate, sistema di registrazione dati e pannello di controllo.
3. Strategie di automazione.
Strategie di base, circuito aperto e chiuso, discreto, continuo e ibrido, retroazione, controllore pid, regolazione del controllore, controllori in cascata, controllo del guadagno, controllore feedforward, controllore on-off, controllo di sequenza. esempi e casi di studio (evaporatore, scambiatore di calore, caldaia).
4. Struttura software del sistema di controllo.
Differenza tra general-purpose computing e real-time computing, sistema operativo in tempo reale, programmazione ed esecuzione dei task, gestione degli interrupt.
5. I PLC.
Processore, controller, struttura di i/o, caratteristiche speciali, comunicabilità e auto supervisione, struttura hardware del controller, costruzione del controller, principali moduli funzionali, trasferimento dati sul bus, struttura e funzionamento dei moduli funzionali, integrazione, programmazione di strategie di automazione, linguaggi di alto livello, standard iec 61131-3, linguaggi ladder, linguaggi funzionali, personalizzazione del controllore, controllore a logica programmabile, controllore ad anello, unità terminale remoto, controllore basato su pc, interfacce di i/o centralizzato, i/o remoto e i/o bus di campo, comunicazione dati e networking, protocolli di comunicazione.
6. Piattaforme Arduino e Raspberry.
Panoramica dei sistemi, struttura, caratteristiche e funzionalità, connessioni e interfacce, software di programmazione.
7. Rete di controllori.
Struttura per processi localizzati e distribuiti, sistema centralizzato, sistema decentralizzato/distribuito, sistema remoto/interconnesso via rete, stazioni operatore multiple, controllo di supervisione e acquisizione dati, disponibilità del sistema, problemi di disponibilità, miglioramento della disponibilità del sistema, cold e hot standby, standby/ridondanza per componenti critici, configurazioni con stazioni operatore, monitor di supervisione, applicazioni.
8. Progetto di laboratorio.
Progettazione e implementazione di un semplice sistema di automazione applicato a un caso d’uso industriale.
Bibliografia
Le slide del corso (non protette da copyright) in formato PDF e il materiale impiegato durante le lezioni e le esercitazioni (schemi impiantistici, fogli Excel, filmati) sono resi disponili agli studenti e condivisi sulla piattaforma per la didattica ELLY. In aggiunta al materiale condiviso, lo studente può fare riferimento ai seguenti testi per la preparazione all’esame:
K.L.S. Sharma - Overview of Industrial Process Automation – Elsevier
Jonathan Love - Process Automation Handbook – Springer
Metodi didattici
Il corso ha un peso di 12 CFU, che corrispondono a 96 ore di lezione, suddivise in due moduli di 6 CFU cadauno per esigenze di didattica. I due moduli sono da intendersi in maniera assolutamente unitaria e consequenziale e parte integrante del medesimo progetto formativo complessivo. Le attività didattiche saranno condotte privilegiando lezioni frontali in aula alternate a esercitazioni in laboratorio. Durante le lezioni frontali verranno affrontati gli argomenti del corso da un punto di vista teorico-progettuale, al fine di favorire la comprensione profonda delle tematiche e di far emergere eventuali preconoscenze sui temi in oggetto da parte dei formandi. Durante le esercitazioni svolte in laboratorio, anche tramite l’uso di strumenti di calcolo quali elaboratori e software didattici e commerciali, gli studenti saranno tenuti ad applicare la teoria ad un esercizio, un caso di studio reale o un progetto sviluppato secondo i criteri metodologici illustrati nelle lezioni e nel materiale bibliografico e didattico. La realizzazione in gruppo (3 o 4 persone al massimo) di un lavoro d’anno interdisciplinare, consentirà allo studente di estendere ed applicare con un’attività pratica, in scala ridotta, le conoscenze acquisite teoricamente relative alla progettazione e alla realizzazione di un impianto automatizzato. Le slide e gli appunti utilizzati a supporto delle lezioni saranno caricati a inizio corso sulla piattaforma Elly. Gli appunti, i lucidi, i fogli di calcolo, le tabelle e tutto il materiale condiviso è considerato parte integrante del materiale didattico. Si ricorda agli studenti non frequentanti di controllare il materiale didattico disponibile e le indicazioni fornite dal docente tramite la piattaforma Elly, unico strumento di comunicazione impiegato per il contatto diretto docente/studente. Su tale piattaforma, giorno per giorno, verranno indicati gli argomenti affrontati a lezione che andranno poi a costituire l’indice dei contenuti in vista della preparazione all’esame finale.
Modalità verifica apprendimento
La verifica dell’apprendimento prevede una prova scritta, basata su domande a risposta aperta e/o a risposta chiusa della durata di circa 2 ore, seguita dalla discussione del lavoro d’anno mediante presentazione di un elaborato di massimo 20 pagine redatto dagli studenti.
La prova scritta consiste normalmente in circa 10 quesiti che possono vertere su contenuti teorici, dimostrazioni, esercitazioni affrontati in aula e in laboratorio durante il corso; dimostrazioni e trattati teorici hanno peso pari a 1; schemi impiantistici e disegni tecnici peso 2; esercitazioni e semplici programmi software peso 3. La votazione finale dello scritto viene calcolata assegnando ad ogni domanda una valutazione da 0 a 30 ed effettuando la media pesata delle singole valutazioni, con arrotondamento finale per eccesso; la prova è superata se raggiunge un punteggio pari ad almeno 18 punti.
Il lavoro di gruppo viene concordato con il docente all’inizio delle lezioni ed è costituito da un problema pratico inerente i contenuti principali delle lezioni ed esercitazioni. Il progetto si conclude con la consegna del lavoro svolto e della relazione tecnica dell’attività (massimo 20 pagine). l progetto è valutato come segue:
sviluppo del progetto (max punti 10): comprensione dei requisiti e degli obiettivi, analisi dei prerequisiti, definizione di funzionalità, prestazioni e vincoli, progetto, realizzazione, integrazione, test e validazione;
metodo di lavoro (max punti 10): indipendenza, proattività e creatività, ricerca, analisi, valutazione e selezione di diverse soluzioni, sistematicità e essenzialità, comunicazione all'interno del gruppo e con il docente;
risultati (max punti 5): raggiungimento degli obiettivi previsti;
documentazione (max punti 5): struttura, completezza e correttezza, stile.
La somma dei punti ottenuti nel progetto corrisponde al voto finale del progetto espresso in trentesimi, la prova è superata se raggiunge un punteggio pari ad almeno 18 punti.
L'esame è superato se lo studente raggiunge la sufficienza (pari ad almeno 18 punti su 30) sia nello scritto sia nel progetto. Se l’esame è superato, la votazione finale sarà data dalla media delle votazioni ottenute nei due ambiti. In caso di voto pari a trenta trentesimi, la commissione d'esame valuta l'opportunità di attribuire la lode sulla base della chiarezza e precisione delle risposte fornite (o, nel caso del progetto, della qualità della documentazione).
Il corso viene erogato anche come corso a scelta per la Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica con le seguenti corrispondenze:
primo modulo - Automazione industriale (II periodo, 6 CFU);
secondo modulo - Automazione degli impianti industriali (II periodo, 6 CFU).
Gli studenti meccanici che inseriscono uno solo dei due moduli come attività a scelta nel proprio piano degli studi hanno un programma di esame ridotto che non prevede le attività di laboratorio e il progetto d’anno (quindi l’esame consta solo della prova scritta); per coloro che invece scelgono di inserire entrambi i moduli nel piano degli studi valgono le considerazioni relative al corso da 12 CFU sopra riportate, con esame composto da prova scritta più discussione del lavoro d’anno.
Altre informazioni
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