Automazione

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Ingegneria

Il termine a., introdotto negli anni 1940 da J. Diebold per descrivere il largo impiego di apparecchiature automatiche manifestatosi soprattutto nell’industria automobilistica, esprime oggi in modo generale: a) l’impiego di un insieme di mezzi e procedimenti tecnici che, agendo opportunamente su congegni o dispositivi, assicurano lo svolgimento automatico di un determinato processo, il funzionamento automatico di un impianto industriale, di un servizio pubblico ecc.; b) la tecnica stessa che studia, predispone e coordina tali procedimenti, e la concezione tecnico-scientifica da cui essa procede. Si suol dire che il livello di a. in una determinata applicazione è più o meno elevato secondo che l’intervento dell’uomo venga a essere più o meno ridotto. L’a. si deve distinguere dall’ automatizzazione, che consiste, prevalentemente, nel rendere automatica una determinata operazione o lavorazione, e non si riferisce invece alla regolazione e al controllo dell’intero ciclo operativo.

Generalità

L’idea di rendere automatico il funzionamento di una macchina operatrice o di un ciclo di lavorazioni è tutt’altro che recente. Lasciando da parte casi più remoti di cui si ha notizia, basti, per es., accennare che nel 1784 entrò in funzione, presso Filadelfia, un mulino automatico per grano che utilizzava, convenientemente combinati, più sistemi di convogliamento e di trasporto, senza alcun intervento dell’uomo. Poco più tardi, in Francia, venne costruito un telaio per tessitura a schede perforate la cui diffusione raggiunse in pochi anni alcune migliaia di esemplari. Diversi sistemi di controllo automatico si svilupparono con l’avvento e la diffusione della macchina a vapore; ma solo negli ultimi decenni del 20° sec. i rapidi progressi dell’elettronica hanno reso possibile la realizzazione di un gran numero di macchine capaci di autoregolazione e di autoprogrammazione, cioè di eseguire automaticamente una serie di operazioni logiche, di correggere gli eventuali errori che possono aversi nel corso del funzionamento e di scegliere, in base a criteri incorporati, fra più programmi predeterminati. L’applicazione di controlli automatici a processi industriali è stata indubbiamente facilitata dalla risoluzione di problemi di tipo militare quali, per es., il puntamento di artiglierie contro bersagli aerei in rapido movimento, il lancio e la guida di missili ecc.

Oggi l’a. viene applicata, oltre che a processi di produzione industriale per conseguire aumento di produttività, migliore qualità e maggiore uniformità dei prodotti, minor costo di produzione ecc., e a problemi d’ambito militare, anche a servizi pubblici e privati per ottenere riduzione dei costi e miglioramento di qualità e sicurezza, all’organizzazione aziendale per perfezionare la funzionalità dei diversi servizi, nella realizzazione di congegni e dispositivi di protezione della vita umana (specie in alcune lavorazioni meccaniche e nella manovra di macchinari e di apparecchiature elettriche).

L’a. è intimamente connessa allo sviluppo dell’informatica e delle sue applicazioni, per vari motivi: i progressi della microelettronica hanno consentito di produrre elaboratori elettronici di tipo assolutamente generale su circuiti a larga e larghissima integrazione dei componenti; l’informatica offre strumenti estremamente sofisticati (strutture dei dati, linguaggi) per trattare lo studio dei processi da automatizzare anche a un livello interamente simbolico (simulazione); l’a. di sistemi in cui uomini e macchine cooperano richiede in maniera essenziale l’analisi del flusso delle informazioni nel sistema, sia precedente sia seguente all’introduzione dei dispositivi automatici.

Strumenti

L’a. si esplica mediante dispositivi e congegni facenti parte di catene di a. (o catene automatiche), ciascuna costituita da uno solo o più stadi secondo che le operazioni principali da eseguire siano una o più di una. Con riferimento alle catene più semplici, cioè a un solo stadio, vi sono catene con un numero finito di sequenze operative possibili, ciascuna avviata da un opportuno segnale di comando (catene ‘non controllate’, nelle quali non si tiene conto di possibili errori di esecuzione) e catene in cui la sequenza operativa subisce modifiche in dipendenza dell’andamento dell’operazione stessa (catene ‘controllate’, che tengono conto degli errori di esecuzione); in questo secondo caso i segnali di comando sono utilizzati come segnali di riferimento, ai quali vengono confrontati sia parametri che si riferiscono al risultato, sia grandezze operative del processo (quali, per es., temperature, pressioni, velocità, portate ecc.).

Vi sono catene non controllate in cui le varie fasi operative sono sempre le stesse, si seguono nello stesso ordine e con le medesime modalità di esecuzione, come, per es., nei comuni distributori automatici di sigarette, dolciumi, bevande, francobolli ecc., in cui premendo un pulsante o una leva si dà inizio alla serie delle varie operazioni: prelevamento, trasporto e presentazione dell’oggetto scelto; in altre catene non controllate, invece, vi sono possibilità di variazione dipendenti dalle circostanze in cui la catena agisce, come, per es., nella commutazione telefonica con dispositivo marcatore, in cui quest’ultimo, in relazione alla richiesta di collegamento fatta dall’utente per mezzo del disco combinatore telefonico, ne analizza le possibilità in base alla situazione del numero – congestione di traffico, presenza di eventuali guasti ecc. – e predispone le manovre relative.

Nelle catene controllate, il sistema di controllo si attua scartando i prodotti che non hanno i requisiti desiderati (sistema, questo, molto semplice e diffuso nella produzione industriale in serie), oppure correggendo gli eventuali errori nel corso dell’operazione. In quest’ultimo caso il procedimento è quello tipico dei controlli automatici (➔ controllo) e dei servosistemi a catena chiusa (➔ servosistema), basati sulla controreazione. Precisamente, si confronta la grandezza d’uscita con quella di comando o di riferimento: la differenza che si rileva (segnale d’errore) viene sfruttata per agire sugli organi controllati del sistema stesso.

Le catene automatiche in genere sono complesse, cioè costituite da più stadi, spesso collegati in cascata per l’esecuzione delle operazioni principali. Un esempio importante è quello delle catene transfer della produzione automobilistica, in cui ciascun tipo di pezzo meccanico subisce una serie di lavorazioni successive per poi passare al montaggio. Altro esempio è quello della lavorazione del petrolio grezzo in raffineria, in cui si ha una serie di trattamenti diversi, soggetti ciascuno a vari controlli sulle variabili operative (portate, pressioni, temperature ecc.). Le catene automatiche sono costituite da organi: a) che raccolgono, elaborano ed eventualmente memorizzano informazioni sui segnali di comando e sui segnali che caratterizzano l’andamento dell’operazione; questi organi provvedono, per es., a effettuare trasduzioni di grandezze, conversioni di segnali dalla forma continua a quella codificata o viceversa, modulazioni, calcoli ecc.; b) che, in base ai segnali contenenti le informazioni per l’operazione da eseguire, forniscono le grandezze di comando della parte esecutiva della catena; c) che provvedono all’attuazione dell’operazione principale. Nelle catene automatiche s’impiegano dispositivi elettrici, meccanici, pneumatici, idraulici e, soprattutto, elettronici, questi ultimi sempre più diffusi per la semplicità con cui vengono raccolte, elaborate, trasmesse e memorizzate le informazioni.

L’a. nella produzione industriale

I procedimenti di a. differiscono molto secondo che la produzione abbia carattere ‘continuo’, cioè con un flusso continuo di materiale sottoposto a una serie di trattamenti successivi (come nelle industrie metallurgiche e siderurgiche, chimiche, petrolifere, tessili, cartarie ecc.), oppure carattere ‘iterativo’, cioè con successione di cicli distinti di lavorazione che si svolgono su elementi distinti (come nelle industrie meccaniche e automobilistiche, elettriche, elettroniche, alimentari ecc.). Nella produzione iterativa, per assicurare il concatenamento delle diverse operazioni si adottano generalmente catene automatiche di tipo sequenziale, le quali cioè disciplinano una successione coordinata di operazioni. Nella produzione continua, in cui ha importanza il comportamento delle singole parti dell’impianto nel quale si svolgono i diversi trattamenti, si adottano catene per il controllo delle variabili operative. Nel controllo di qualità dei prodotti, fase successiva a quella di produzione, l’a. ha consentito d’introdurre procedimenti rapidi e precisi, con i quali, nel caso di produzioni iterative, spesso si effettuano selezione e raggruppamento dei vari beni prodotti; per produzioni continue si assicurano proprietà ben definite e costanti del prodotto agendo sul prodotto stesso.

Per l’a. del processo produttivo ➔ produzione e anche CIM; fabbrica; FAS; FMS; JIT. Per quel che riguarda, invece, l’a. del processo di progettazione ➔ progettazione e anche CAD.

L’a. nei servizi

Ai servizi amministrativi, commerciali e creditizi l’a., basata sostanzialmente su un largo impiego di sistemi e tecniche di elaborazione automatica delle informazioni e di linee e dispositivi per la trasmissione di dati a distanza ovvero su elaboratori elettronici, e su terminali a essi connessi, ha fornito mezzi rapidi e assolutamente precisi per coordinare lo scambio delle informazioni, l’esecuzione di operazioni contabili e gestire grandi quantità di dati in modo altamente organizzato. Nel settore telefonico l’a. è basata su sistemi elettronici collegati in rete e gestiti da elaboratore. Nel settore postale le applicazioni dell’a. al lavoro di selezione della corrispondenza riguardano la lettura degli indirizzi e la classificazione della corrispondenza stessa. Nel settore del traffico, in campo ferroviario vi sono sistemi automatici di segnalazione, blocco e controllo, e sistemi di trasmissione di dati in codice ecc.; in campo stradale, specie nel settore urbano, sistemi automatici consentono di concentrare in una o in poche centrali il controllo del traffico stesso. Presso le compagnie aeree l’a. riguarda l’impiego di grandi elaboratori elettronici per la tariffazione, la prenotazione, i servizi offerti all’utente (per es., rapida individuazione delle rotte) ecc. Nel campo militare basti menzionare i sistemi automatici di allarme e di difesa controaerei e contromissili e i sistemi di guida automatica per missili, i quali ultimi hanno richiesto lo sviluppo di servosistemi capaci di conservare le loro prestazioni anche nell’ambito di un campo molto ampio di condizioni di funzionamento.

Aspetti scientifici

Lo studio dei problemi relativi alle catene automatiche ha portato allo sviluppo di alcuni importanti capitoli dell’ingegneria, tra cui la teoria dei sistemi continui, che si serve soprattutto di metodi operazionali, e la teoria dei sistemi di tipo sequenziale. Nello studio dei sistemi continui (nei quali le grandezze variabili in esame hanno andamento continuo nel tempo) si valuta in genere il comportamento del sistema in base alla fedeltà di risposta, cioè all’entità degli scostamenti tra la grandezza di risposta e quella d’ingresso, tenendo presenti le due caratteristiche funzionali, precisione e prontezza, che determinano la fedeltà stessa. La teoria dei sistemi sequenziali, che consente di affrontare in modo sistematico i problemi relativi ai cosiddetti circuiti di contatto (impiegati, per es., nella commutazione telefonica e nei sistemi di sicurezza e di blocco degl’impianti di controllo del traffico stradale e ferroviario), ricorre all’algebra logica e in particolare all’algebra di Boole, la quale consente di interpretare il funzionamento dei sistemi, anche molto complessi, mediante operazioni logiche semplici (somma e prodotto logico, negazione ecc.) e di progettare un sistema che abbia una funzione logica assegnata mediante componenti semplici (relè meccanici, elettronici ecc.) il cui funzionamento sia descritto in termini logici.

Problemi tecnici

L’introduzione di catene di a. comporta problemi di sicurezza di funzionamento, tanto più gravi in quanto anche il guasto di un elemento secondario della catena può provocare l’arresto dell’intera catena e perciò del processo produttivo o del servizio in cui la catena stessa opera. Nella realizzazione delle catene si mira perciò a conseguire un elevato grado di sicurezza funzionale orientandosi verso soluzioni che consentano di escludere componenti critici di una catena a favore di altri più sicuri, anche in relazione alle spese di esercizio, di manutenzione e per la costituzione di scorte di componenti a funzionamento più critico (➔ affidabilità). Così, per es., si darà la preferenza a macchine elettriche senza collettore piuttosto che a macchine con collettore, più delicate; ad amplificatori magnetici piuttosto che ad amplificatori a tubi elettronici, e così via. Nella scelta di procedimenti automatici per un dato impianto cui si debba applicare l’a., si deve inoltre tener conto delle prospettive di ampliamento di quest’ultimo, orientandosi, quando possibile, verso l’adozione di unità base che possano essere collegate tra loro in numero più o meno elevato, in serie o in parallelo, fornendo così impianti di varia potenzialità. Infine, a causa della rapidità di evoluzione delle tecniche e dei procedimenti automatici, è necessario prevedere per le catene di a. un periodo di ammortamento inferiore alla durata dell’impianto, che viene valutato in base a previsioni sul superamento tecnico ed economico dell’impianto stesso.

Economia

L’introduzione di nuove tecnologie di a., nella produzione industriale o nei servizi, è per l’impresa un investimento strategico, che può condizionarne la posizione competitiva sul mercato. Come ogni investimento, comporta la stima dei rendimenti attesi e la valutazione della fattibilità finanziaria e dei limiti di convenienza economica, considerati la specifica fase della lavorazione e il contesto di mercato. Nelle tecnologie d’a. che prevedono nuovi impianti, con elevati costi d’installazione e manutenzione, i limiti all’adozione sono legati al volume del fatturato, che dovrà essere commisurato all’ammontare dell’investimento iniziale. Pertanto, occorre accertare se il volume di produzione corrispondente al limite di convenienza individuato potrà trovare assorbimento nel mercato o si potrà generare un adeguato volume d’utenze per ammortizzare l’investimento iniziale. Vi è uno specifico rischio tecnologico, qualora le tecnologie adottate richiedano un periodo di sperimentazione e adattamento, soprattutto in impianti complessi e in processi d’a. rigida.

L’a. modifica l’organizzazione della produzione all’interno dell’impresa con effetti diretti sulla forza lavoro occupata; in particolare, modifica la struttura dell’occupazione aumentando la manodopera specializzata e riducendo quella non specializzata. L’effetto netto sull’occupazione è controverso. In generale, si ritiene che l’a. riduca, come effetto diretto, il numero dei lavoratori occupati nell’impresa ove è adottata, grazie all’aumento della produttività per addetto. La disoccupazione indotta da investimenti in nuova a. rientra nella ‘disoccupazione tecnologica’, cioè nella riduzione dei posti di lavoro determinata dall’utilizzazione di nuove tecnologie. D’altronde, l’adozione di tecnologie con accresciuta a. apre nuovi settori produttivi (per es., la robotica) e nuove opportunità d’investimento e produzione, con effetti netti sull’occupazione complessiva (diretta e indiretta).

Nella produzione manifatturiera come nei servizi, l’a. offre tecnologie che migliorano la qualità dei prodotti e servizi offerti ovvero aprono mercati con nuovi beni, con effetti sul fatturato e sulla competitività delle imprese. L’a. può offrire al consumatore l’accesso a servizi di qualità e continuità prima irraggiungibili, o a prodotti innovativi prima inesistenti. Problemi sociali nascono, almeno in una fase transitoria, dai licenziamenti della manodopera in esubero dopo gli investimenti in a., o dall’eventuale trasferimento dei lavoratori espulsi dalle linee produttive a un’altra attività, che comporta la loro riqualificazione professionale. Nelle imprese manifatturiere, l’a. determina importanti mutamenti nell’organizzazione del lavoro, per la necessità di lavorare su più turni, anche festivi o notturni, per non interrompere la regolarità dei flussi produttivi e la complessa messa a punto delle lavorazioni. Analogamente, nella logistica e negli impianti d’a. flessibile, l’adozione di nuove tecnologie di a. comporta drastiche innovazioni nell’organizzazione del lavoro tradizionale in officina. L’a. può essere accompagnata da processi di delocalizzazione, quando le tecnologie automatizzate adottate consentono la segmentazione di fasi della lavorazione prima concentrate in un unico stabilimento produttivo.

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