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Definire i concetti di: finalità, funzionalità, prestazioni e specifiche. Finalità è lo scopo generale per cui il sistema esiste, ad esempio mantenere costante la velocità di un motore. Funzionalità è ciò che il sistema deve fare per raggiungere quello scopo, come misurare la velocità e agire su una valvola. Prestazioni sono le misure quantitative di quanto bene lo fa, ad esempio l’errore massimo consentito o il tempo di risposta. Specifiche sono i requisiti tecnici dettagliati e verificabili che il sistema deve rispettare, come i valori di campo di misura, alimentazione e temperatura di funzionamento.

Data la struttura di un sistema controllato, spiegare quali parti sono scelte dal committente, quali dal progettista e quali sono invece assegnate. Nel sistema controllato (processo produttivo), il committente sceglie le finalità e i requisiti generali (ad esempio la qualità del prodotto, la capacità produttiva, i costi target, la sicurezza). Il progettista sceglie la struttura del sistema (tipologia di macchine, sensori, attuatori) e le logiche di controllo per soddisfare i requisiti del committente. Le parti assegnate sono invece quelle già definite da norme, standard di settore o componenti commerciali obbligati (ad esempio la tensione di alimentazione di rete, i protocolli di comunicazione, le normative di sicurezza).

Indicare i principali tool di automazione delle attività di supporto alla produzione. I principali strumenti software per l'automazione delle attività di supporto alla produzione includono sistemi CAD/CAM/CAE per la progettazione e simulazione, PLM per la gestione del ciclo di vita del prodotto, ERP per l'integrazione dei processi aziendali, MES per il controllo in tempo reale della produzione e APS per la pianificazione avanzata della produzione tenendo conto dei vincoli di risorse e materiali.

Descrivere le condizioni operative di un sistema controllato. Le condizioni operative di un sistema controllato sono gli stati in cui il sistema può trovarsi durante il funzionamento, come avviamento, regime normale, transitorio, guasto o emergenza. Il sistema di controllo deve riconoscerle e agire di conseguenza per garantire sicurezza e prestazioni.

Definire i concetti di: aspetto qualitativo, aspetto quantitativo e condizioni operative. L’aspetto qualitativo descrive cosa il sistema deve fare o evitare, come garantire la sicurezza o mantenere la qualità del prodotto. L’aspetto quantitativo specifica quanto bene deve farlo, ad esempio con un errore massimo del 2% o un tempo di risposta inferiore a un secondo. Le condizioni operative sono i diversi stati o scenari in cui il sistema può trovarsi, come avviamento o regime normale o guasto.

In fase di progettazione di un sistema di automazione, quali sono le problematiche emergenti di cui bisogna tenere conto?. In fase di progettazione di un sistema di automazione, le principali problematiche emergenti di cui tenere conto includono: l’integrazione tra sistema di controllo e processo produttivo, l’affidabilità e la sicurezza (sia delle persone che degli impianti), la gestione dei guasti e delle emergenze, la flessibilità rispetto a cambi di produzione o di ricetta, la comunicazione tra dispositivi e livelli gerarchici (fieldbus, reti industriali), la sincronizzazione di eventi discreti e continui, la gestione dei big data e della cybersecurity, nonché il rispetto di normative ambientali ed energetiche.

Definire i concetti di: sistema complesso, evoluzione di un sistema e controllo di un sistema. Sistema complesso: insieme di numerosi elementi interconnessi le cui interazioni generano comportamenti globali non deducibili dalle singole parti. Evoluzione di un sistema: successione degli stati nel tempo per effetto di ingressi, disturbi e interazioni interne. Controllo di un sistema: azioni di intervento che modificano l’evoluzione naturale del sistema per fargli seguire un andamento desiderato, tramite misura, confronto e correzione.

Dato uno schema di controllo a catena chiusa, chiarire quale è il flusso di energia e quale quello di informazione. In un controllo a catena chiusa, l’energia fluisce dal sistema di controllo agli attuatori e al processo, mentre l’informazione circola dai sensori al controllore e agli attuatori per correggere l’errore.

Quali elementi del sistema di automazione si trovano ai vari livelli della struttura gerarchica?. Ai vari livelli della struttura gerarchica di un sistema di automazione si trovano elementi diversi: al livello più basso, quello di campo, operano sensori e attuatori che interagiscono direttamente con il processo fisico. Salendo al livello macchina e cella troviamo i controllori logici programmabili che gestiscono singole macchine o coordinano più macchine tra loro. Al livello stabilimento opera il sistema SCADA per la supervisione e la raccolta dati, mentre al livello azienda si utilizzano sistemi ERP e DSS per la gestione amministrativa e decisionale.

Quali variabili agiscono a livello di campo, quali a livello di coordinamento, quali a livello di conduzione e quali a livello di gestione?. A livello di campo agiscono le variabili fisiche misurate da sensori (temperatura, pressione, posizione, velocità) e le variabili di comando diretto inviate agli attuatori. A livello di coordinamento (macchina e cella) si trovano variabili logiche e sequenziali, come stati di macchina, abilitazioni, temporizzazioni e segnali di sincronizzazione tra più dispositivi. A livello di conduzione (stabilimento) operano variabili di supervisione come setpoint di produzione, allarmi, consuntivi di turno e indicatori di prestazione. A livello di gestione (azienda) agiscono variabili economiche e strategiche come ordini clienti, livelli di scorta, piani di produzione e costi.

Spiegare come è gestito il flusso dei dati in un sistema di automazione industriale gerarchico. In un sistema di automazione industriale gerarchico, il flusso dei dati è gestito in modo bidirezionale ma con funzioni diverse a salire e a scendere. Dal basso verso l’alto, i sensori e gli attuatori a livello campo inviano dati grezzi (misure, stati, allarmi) ai controllori di livello macchina, che li elaborano parzialmente e li trasmettono ai sistemi di supervisione SCADA a livello stabilimento. Questi a loro volta aggregano i dati e li mettono a disposizione dei sistemi gestionali ERP a livello azienda. Dall’alto verso il basso, i piani di produzione e i setpoint vengono scomposti in ordini operativi, sequenze e comandi elementari per i singoli attuatori.

Quali sono gli obiettivi da perseguire ad ogni livello della struttura gerarchica?. In un sistema di automazione industriale gerarchico, gli obiettivi da perseguire sono diversi per ciascun livello. Al livello di campo l’obiettivo è eseguire con fedeltà e rapidità le azioni fisiche sul processo, garantendo prontezza di risposta. Al livello di coordinamento (macchina e cella) si mira a sincronizzare le operazioni tra più dispositivi, gestire sequenze e temporizzazioni. Al livello di conduzione (stabilimento) l’obiettivo è supervisionare la produzione, ottimizzare l’uso delle risorse, gestire allarmi e garantire la qualità. Al livello di gestione (azienda) si perseguono obiettivi economici e strategici come pianificazione della produzione, controllo dei costi, gestione degli ordini e integrazione con le altre funzioni aziendali.

Facendo riferimento alla piramide della automazione, come variano i tempi di risposta e la quantità di dati che deve essere scambiata tra i differenti livelli?. Ai livelli bassi (campo e macchina) i tempi di risposta sono molto brevi, dell'ordine dei millisecondi o microsecondi, perché le azioni di controllo devono essere eseguite in tempo reale. La quantità di dati scambiati è elevata in termini di frequenza di campionamento, ma ogni singolo dato è semplice (es. un valore di pressione o uno stato on/off). Ai livelli intermedi (cella e stabilimento) i tempi di risposta diventano dell'ordine dei secondi o minuti. I dati vengono aggregati, filtrati e sintetizzati prima di essere trasmessi verso l'alto, riducendone la mole complessiva. Ai livelli alti (azienda) i tempi di risposta sono molto lunghi (ore, giorni, settimane) e la quantità di dati elaborati è elevata in termini di volume aggregato (big data, report), ma la frequenza di scambio è bassa e non ci sono vincoli real-time.

Tracciare gli schemi funzionali dei sistemi di acquisizione dei dati dal livello di campo. Lo schema funzionale tipico prevede: il sensore rileva la grandezza fisica, il condizionatore di segnale la amplifica e filtra, il convertitore ADC la trasforma in digitale, il controllore locale (PLC) la elabora e la trasmette ai livelli superiori tramite bus di campo.

Diagrammare la struttura gerarchica di un sistema controllato. Livello 5 – Azienda Sistemi ERP, DSS. Gestione ordini, pianificazione strategica, finanze. Nessun vincolo real-time. Livello 4 – Stabilimento Sistemi SCADA, supervisione, HMI, gestione allarmi, controllo statistico. Tempi di risposta in secondi/minuti. Livello 3 – Cella PLC e sistemi di coordinamento di più macchine. Sequenziamento, bilanciamento dei flussi. Tempi nell'ordine dei secondi. Livello 2 – Macchina PLC e controllori embedded. Controllo di una singola macchina: sequenze operative, regolazioni locali. Tempi nell'ordine dei millisecondi. Livello 1 – Campo Sensori, attuatori, motori, valvole. Acquisizione dati e azioni fisiche sul processo. Tempi real-time stringenti (microsecondi/millisecondi).

Descrivere il concetto di programmazione concorrente in un sistema real time. La programmazione concorrente in un sistema real-time è la gestione ordinata di più task attivi che condividono un processore, con l'obiettivo di farli eseguire tutti rispettando le rispettive scadenze (deadline), gestendo priorità, precedenze e l'accesso in mutua esclusione alle risorse condivise.

Classificare le varie tipologie di algoritmi di scheduling. Gli algoritmi di scheduling si classificano in base a diversi criteri. In base alla garanzia temporale si distinguono in guaranteed (hard real time, rispettano sempre le scadenze) e best effort (soft real time, possono violarle). In base al numero di processori si dividono in monoprocessore e multiprocessore. In base alla preemption si hanno algoritmi preemptive (interrompono un task a favore di uno a priorità maggiore) e non preemptive. In base al momento decisionale si distinguono in off-line (decisioni prese a priori) e on-line (dipendono dall'ordine di attivazione). In base alla priorità si hanno algoritmi statici (priorità fissa, come RMPO) e dinamici (priorità variabile, come EDF).

Illustare la metodologia di scheduling DMPO. Il DMPO (Deadline Monotonic Priority Ordering) è un algoritmo di scheduling statico e preemptive per task periodici con deadline relativa minore o uguale al periodo. Assegna priorità fissa inversamente proporzionale alla deadline: più la deadline è corta, più alta è la priorità. È una generalizzazione dell’RMPO, adatto a task con vincoli temporali più stringenti del periodo.

Illustare la metodologia di scheduling RMPO. L'RMPO è un algoritmo di scheduling statico e preemptive per task periodici con deadline uguale al periodo. Assegna priorità fissa inversamente proporzionale al periodo: più breve è il periodo, più alta è la priorità. È ottimo tra gli algoritmi statici e garantisce schedulabilità fino a un fattore di utilizzazione di circa il 69,3% (o fino al 100% se i periodi sono armonici).

Illustare la metodologia di scheduling EDF. L'EDF è un algoritmo di scheduling dinamico e preemptive che assegna priorità più alta al task con la deadline assoluta più vicina. Non richiede che deadline e periodo coincidano ed è ottimo tra gli algoritmi dinamici: garantisce schedulabilità se e solo se il fattore di utilizzazione è minore o uguale a 1.

Illustare la metodologia di timeline scheduling. Il timeline scheduling è un algoritmo offline e non preemptive che suddivide l’asse temporale in time slice di durata pari al massimo comun divisore dei periodi (minor cycle). Lo scheduling di quali task eseguire in ogni slice è fissato a priori e si ripete ogni minimo comune multiplo dei periodi (major cycle). La condizione di validità è che in ogni slice la somma dei computation time non superi la durata dello slice. È semplice da implementare ma poco flessibile e robusto.

Spiegare la differenza tra la comunicazione punto-punto e la comunicazione a bus. Nella comunicazione punto-punto ogni dispositivo è collegato direttamente all’elaboratore centrale con un proprio cavo, il che comporta molti cablaggi, costi elevati e scarsa flessibilità. Nella comunicazione a bus tutti i dispositivi condividono un unico cavo (bus di campo), riducendo i cablaggi, abbassando i costi e permettendo una maggiore flessibilità e interoperabilità grazie all’uso di un protocollo condiviso.

Quando usare una comunicazione punto-punto e quando una a bus?. La comunicazione punto-punto conviene usarla quando si hanno pochi dispositivi, brevi distanze, bassa complessità e non sono richieste elevate prestazioni in termini di velocità o diagnostica. La comunicazione a bus è preferibile quando i dispositivi sono numerosi e distribuiti su larga scala, quando serve ridurre i cablaggi e i costi di installazione, quando si richiede interoperabilità tra dispositivi di diversi fornitori, e quando sono necessarie funzionalità avanzate come diagnosi, manutenzione e scambio di dati tra periferiche.

Descrivere l'architettura di un protocollo di comunicazione. L'architettura di un protocollo di comunicazione è organizzata su più livelli gerarchici sovrapposti, secondo il modello OSI a sette strati. Ogni livello offre servizi a quello superiore e comunica con il livello corrispondente su un altro nodo seguendo regole definite. I livelli vanno da quello fisico, che trasmette i bit sul cavo, fino a quello applicativo, che fornisce servizi all'utente. Durante la trasmissione, ogni livello aggiunge le proprie informazioni di controllo al messaggio (incapsulamento), mentre in ricezione avviene il processo inverso di decapsulamento.

Descrivere dettagliatamente i 7 livelli della pila protocollare dei sistemi di telecomunicazione. Il modello OSI a sette livelli organizza gerarchicamente le funzioni di comunicazione. Il livello fisico trasmette i bit sul cavo. Il livello di linea gestisce la trasmissione affidabile di frame tra nodi adiacenti con controllo di errore e accesso al mezzo. Il livello di rete si occupa dell'instradamento dei pacchetti dalla sorgente alla destinazione. Il livello di trasporto garantisce il trasferimento end‑to‑end affidabile o a datagrammi, con controllo di flusso e congestione. Il livello di sessione organizza il dialogo e la sincronizzazione tra applicazioni. Il livello di presentazione gestisce la sintassi dei dati, la crittografia e la compressione. Il livello applicativo fornisce i servizi direttamente all'utente, come web, posta o trasferimento file. Durante la trasmissione i dati vengono incapsulati progressivamente, mentre in ricezione vengono decapsulati.

Fare alcuni esempi di protocolli operanti ai diversi livelli della pila OSI. Livello fisico: RS-232, RS-422, RS-423, RS-485. Definiscono le caratteristiche elettriche e meccaniche per la trasmissione di bit. Livello di linea: Ethernet, PPP, HDLC. Gestiscono la trasmissione di frame tra nodi adiacenti, il controllo di errore e l'accesso al mezzo condiviso. Livello di rete: IPv4, IPv6, X.25, Frame Relay, ATM. Si occupano dell'instradamento logico dei pacchetti e della scelta del percorso. Livello di trasporto: TCP (affidabile, orientato alla connessione), UDP (datagrammi senza connessione), RTP, RSVP. Garantiscono il trasferimento end‑to‑end. Livello di sessione: RTP, SMPP, SDP. Organizzano il dialogo e la sincronizzazione tra applicazioni. Livello di presentazione: Non vengono forniti esempi specifici nella lezione, ma tipicamente includono formati come JPEG, MPEG, ASCII, EBCDIC, e protocolli di crittografia come SSL/TLS. Livello applicazione (messaggio): DNS, HTTP, SMTP, FTP, Telnet, SIP. Forniscono servizi direttamente all'utente.

Cosa è un bus di campo (o field bus)?. Un bus di campo è una rete di comunicazione digitale che collega sensori, attuatori e controllori in un impianto industriale, permettendo a tutti i dispositivi di condividere un "unico cavo". Riduce i cablaggi, abbassa i costi, supporta il controllo distribuito e garantisce comunicazione in tempo reale con protocolli standardizzati.

Fare alcuni esempi di bus e spiegare i vantaggi di fare uso di protocolli di comunicazione standardizzati. Alcuni esempi di bus di campo sono Profibus, CANopen, DeviceNet, AS-Interface e Foundation Fieldbus. L’uso di protocolli standardizzati protegge gli investimenti nel tempo, garantisce indipendenza dal fornitore, permette di collegare dispositivi di case diverse, riduce i costi di cablaggio e manutenzione e semplifica la configurazione della rete.

Disegnare e spiegare il funzionamento dei diagrammi di controllo a controreazione con azione derivativa sul riferimento o sulla misura della variabile controllata. Nel controllo a controreazione, l’azione derivativa può essere applicata sul riferimento o sulla misura. Con derivazione sul riferimento, la derivata agisce sull’errore, producendo un picco iniziale per variazioni brusche del riferimento, che può causare sollecitazioni sull’attuatore. Con derivazione sulla misura, la derivata agisce solo sulla variabile controllata, evitando il picco e rendendo la risposta più morbida. In entrambi i casi l’azione derivativa anticipa l’evoluzione del processo, migliorando velocità e stabilità, ma amplifica i rumori ad alta frequenza.

Rapportare i differenti tipi di bus con le classi di dispositivi connessi in rete. Nella classificazione dei bus di campo, i sensorbus collegano dispositivi semplici come sensori discreti di prossimità, con dati inferiori a un byte e tempi di risposta molto brevi. I devicebus collegano dispositivi più complessi come sensori con diagnostica e valvole smart, con dati tra 8 e 32 byte. I fieldbus veri e propri collegano dispositivi di processo continuo come valvole smart con diagnostica avanzata, con dati superiori a 32 byte e tempi di risposta più lunghi, adatti a impianti di grandi dimensioni.

Descrivere il processo di valutazione delle prestazioni statiche. Le prestazioni statiche si valutano a regime permanente applicando un ingresso a gradino e misurando l’errore tra il valore desiderato e quello effettivamente raggiunto dalla variabile controllata, considerando anche l’effetto di eventuali disturbi a gradino.

Descrivere il processo di valutazione delle prestazioni dinamiche. Le prestazioni dinamiche si valutano applicando un ingresso a gradino e misurando durante il transitorio il tempo di risposta, il tempo di assestamento, il tempo all’emivalore e l’eventuale sovraelongazione.

Descrivere il processo di valutazione dell'effetto delle diverse classi di disturbi. Si valutano i disturbi prevedibili applicando un gradino e misurando lo scostamento a regime, i disturbi casuali attraverso parametri statistici come escursione massima e spettro di potenza, e i disturbi strutturali osservando la variazione della risposta nel tempo per garantire robustezza.

Scrivere la funzione di trasferimento di un sistema semplificato nelle sole dinamiche dominante e secondaria. Spiegare inoltre qualitativamente come ricavare il valore dei parametri del modello. G(s) = K / [(1 + tau1 s) (1 + tau2 s)] tau1 è la costante di tempo dominante (più grande) tau2 è la costante di tempo secondaria (più piccola, spesso corrisponde a dinamiche veloci trascurabili) Per ricavare i parametri qualitativamente: Guadagno K: si applica un gradino in ingresso; K e' il rapporto tra il valore finale della variabile controllata e l'ampiezza del gradino. Costante di tempo dominante tau1: si misura dalla risposta al gradino come il tempo necessario per raggiungere il 63,2% del valore finale (oppure come l'intercetta della tangente all'origine con il valore finale). Costante di tempo secondaria tau2: si ottiene dalla differenza tra la risposta reale e quella del solo polo dominante, oppure dalla pendenza iniziale della risposta.

Quali sono le differenze tra un controllo ON/OFF e uno di tipo continuo e quali sono i principali vantaggi e svantaggi dei due diversi approcci?. Il controllo ON/OFF è semplice ed economico ma causa oscillazioni permanenti e usura degli attuatori. Il controllo continuo (PID) è più preciso, annulla l’errore a regime e smorza le oscillazioni, ma richiede maggiore complessità di progetto e taratura.

Descrivere le prestazioni che si possono ottenere con un controllo a controreazione con relè. Con un controllo a relè si ottiene un mantenimento della variabile controllata attorno a un valore medio costante, ma con un'oscillazione permanente dovuta alla commutazione tra i due stati. L’ampiezza dell’oscillazione può essere accettabile se rientra nelle specifiche, ma non si annulla completamente l’errore a regime e la risposta transitoria è più lenta rispetto a un controllo continuo, pur mantenendo una realizzazione semplice ed economica.

Tracciare lo schema di una modalità di controllo a catena chiusa con controllore ON/OFF e spiegare quali siano le condizioni tipiche di funzionamento di tale sistema controllato. -.

Scrivere la funzione di trasferimento di un sistema semplificato con un ritardo e la sola dinamica dominante. Spiegare inoltre qualitativamente come ricavare il valore dei parametri del modello. G(s) = K * e^(-Td * s) / (1 + tau * s) K è il guadagno stazionario Td è il ritardo puro (tempo morto) tau è la costante di tempo dominante Si applica un ingresso a gradino al sistema e si registra la risposta. Ritardo Td: si misura come l'intervallo di tempo che intercorre tra l'applicazione del gradino e l'istante in cui la variabile controllata inizia a muoversi sensibilmente dal suo valore iniziale. Guadagno K: si calcola come rapporto tra il valore finale a regime della variabile controllata e l'ampiezza del gradino applicato. Costante di tempo tau: dopo il ritardo, si misura il tempo necessario affinché la risposta raggiunga il 63,2% del suo valore finale (oppure si traccia la tangente alla curva nel punto di massima pendenza e si determina l'intercetta con il valore finale).

Qualitativamente, quali obiettivi ed effetti hanno i contributi proporzionale, integrale e derivativo del regolatore PID sul sistema controllato?. L’azione proporzionale riduce l’errore ma lascia un residuo. L’azione integrale annulla l’errore a regime ma rallenta la risposta. L’azione derivativa anticipa l’errore, migliora la velocità e lo smorzamento ma amplifica i rumori.

Descrivere lo schema parallelo e serie di un regolatore PID. Nello schema parallelo le tre azioni proporzionale, integrale e derivativa sono sommate direttamente, mentre nello schema serie l’azione integrale e quella derivativa sono disposte in cascata con quella proporzionale, in modo che l’azione integrale preceda la derivativa per attenuare il rumore. Oggi i PID sono realizzati principalmente via software, ma la distinzione tra i due schemi ha ancora rilevanza storica e nella taratura dei parametri.

Quale è, qualitativamente, l'effetto della azione proporzionale, di quella integrale e di quella derivativa?. Qualitativamente, l’azione proporzionale reagisce all’errore istantaneo riducendolo ma lasciando un residuo a regime. L’azione integrale accumula l’errore nel tempo e lo annulla completamente a regime, ma rallenta la risposta. L’azione derivativa anticipa l’andamento dell’errore, accelerando la risposta e smorzando le oscillazioni, ma amplifica i rumori ad alta frequenza.

Spiegare come devono essere interpretati il tempo dell'azione integrale e il tempo dell'azione derivativa di un regolatore PID. Il tempo integrale è il tempo necessario affinché l’azione integrale eguagli quella proporzionale con errore a gradino: più è piccolo, più forte è l’azione integrale. Il tempo derivativo è il tempo necessario affinché l’azione derivativa eguagli quella proporzionale con errore a rampa: più è grande, più forte è l’azione derivativa.

Spiegare, anche con l'ausilio dei relativi diagrammi di Bode, come si progettano i filtri di stima della derivata del primo e del secondo ordine. La derivata reale è approssimata con un filtro che limita il guadagno alle alte frequenze. Il filtro del primo ordine ha uno zero e un polo: nel diagramma di Bode il modulo cresce a +20 dB/decade fino alla frequenza del polo, poi si appiattisce. Il filtro del secondo ordine ha uno zero e due poli complessi coniugati: dopo la zona derivativa il modulo decade a -20 dB/decade, attenuando molto meglio il rumore. La frequenza di taglio si sceglie circa 10 volte la banda passante del sistema, e lo smorzamento del secondo ordine è tipicamente 0,7.

Usando il diagramma dei moduli di Bode, mostrare l'effetto delle differenti azioni di un regolatore PID. Nel diagramma di Bode, l’azione proporzionale trasla verticalmente il modulo (guadagno costante). L’azione integrale aggiunge una pendenza di -20 dB/decade alle basse frequenze, annullando l’errore a regime ma rallentando la risposta. L’azione derivativa aggiunge una pendenza di +20 dB/decade alle alte frequenze, migliorando velocità e smorzamento ma amplificando il rumore.

Tracciare il diagramma funzionale di un controllore con autotuning e spiegarne il funzionamento. -.

Come influenza, la scelta dei valori dei parametri del controllore, la rapidità di risposta e i margini di stabilità del sistema?. Aumentare il guadagno proporzionale rende la risposta più rapida ma riduce i margini di stabilità. Aumentare il tempo integrale rallenta la risposta ma migliora la stabilità. Aumentare il tempo derivativo migliora sia la rapidità che la stabilità.

Spiegare in cosa consiste la predisposizione manuale dei parametri del regolatore PID e come si differenzia con la predispozione automatizzata (autotuning). La predisposizione manuale richiede che l’operatore stimoli il sistema e fissi i parametri per tentativi, con tempi lunghi e rischio di errori. L’autotuning affida a un programma l’applicazione di una perturbazione, la valutazione automatica della risposta e il calcolo dei parametri, rendendo la taratura più rapida, ripetibile e adattabile alle variazioni del processo.

Quale è la differenza tra una rete logica e un PLC?. La rete logica è cablata, rigida e molto veloce (risposta parallela). Il PLC è programmabile, flessibile ma più lento perché esegue le istruzioni in sequenza.

Che caratteristiche deve avere un PLC?. Un PLC deve essere robusto per ambienti industriali, affidabile, modulare, facilmente programmabile e riprogrammabile, in grado di interfacciarsi direttamente con sensori e attuatori, dotato di capacità di comunicazione, con memoria espandibile, compatto, a basso consumo e con costo competitivo rispetto ai quadri a relè.

Che cosa è un PLC e come viene impiegato nei sistemi di Automazione?. Un PLC è un computer industriale robusto e programmabile che elabora segnali da sensori e comanda attuatori. Nei sistemi di automazione viene impiegato a livello di campo per abilitare interventi sicuri, a livello di coordinamento per sequenziare le operazioni e a livello di conduzione per gestire guasti e diagnostica.

Descrivere in dettaglio il tipo di memoria che caratterizza un PLC e il ruolo da esse svolto nell'operatività dello stesso. Il PLC utilizza tre tipi di memoria: la ROM (o EPROM) contiene il sistema operativo ed è di sola lettura; la EEPROM (o flash) memorizza in modo permanente il programma utente; la RAM volatile contiene i dati di lavoro (ingressi, uscite, stato del programma, timer, contatori) durante l’esecuzione.

Descrivere le schede di espansione di un PLC. Le schede di espansione di un PLC sono moduli aggiuntivi che si collegano al bus per estendere le funzionalità del controllore. Includono schede di comunicazione per interfacciarsi con reti e altri dispositivi, schede di conteggio per gestire segnali da encoder, schede programmabili a camme per attivare uscite in base alla posizione, schede PID per il controllo autonomo di variabili analogiche, schede di controllo assi per movimentazione di motori passo-passo o brushless, schede speciali per applicazioni di sicurezza con ridondanza e schede di backup per subentrare in caso di guasto della CPU principale.

Descrivere la struttura di un PLC. Un PLC è composto da un rack con bus di comunicazione, un alimentatore, una CPU, memorie (ROM per il sistema operativo, EEPROM per il programma utente, RAM per i dati di lavoro), moduli di ingresso e uscita digitali e analogici, moduli dedicati (comunicazione, conteggio, PID, controllo assi, sicurezza) e un terminale di programmazione. La struttura modulare garantisce flessibilità ed espandibilità.

Descrivere il processo di elaborazione di un programma del PLC. Il PLC esegue un ciclo continuo: prima legge tutti gli ingressi e li copia in memoria, poi esegue il programma utente istruzione per istruzione, infine scrive i risultati sulle uscite. Alla fine del ciclo può esserci un tempo di attesa per rispettare i vincoli real-time. Il ciclo si ripete all’infinito.

Descrivere quali sono i linguaggi visuali, standard di programmazione dei PLC. I linguaggi grafici standard per PLC secondo IEC 61131-3 sono Ladder Diagram (LD, schema a contatti), Functional Block Diagram (FBD, blocchi logici interconnessi) e Sequential Function Chart (SFC, stati e transizioni).

Descrivere quali sono i linguaggi testuali, standard di programmazione dei PLC. I linguaggi testuali standard per PLC sono Instruction List (IL), simile all’assembler, e Structured Text (ST), ad alto livello simile a Pascal o BASIC.

Fare un esempio di un semplice programma in ladder e commentarlo. -.

Fare un esempio di un semplice programma in instruction list e commentarlo. -.

Fare un esempio di un semplice programma in SFC e commentarlo. -.

Definire la sintassi e le regole di evoluzione del GRAFCET. Il GRAFCET è un linguaggio grafico composto da stati (rettangoli) che rappresentano condizioni operative e transizioni (archi con una barra) che rappresentano il passaggio da uno stato al successivo. A ogni transizione è associata una condizione booleana. Gli stati iniziali sono indicati con doppio rettangolo. L’evoluzione è ciclica: una transizione è abilitata se lo stato precedente è attivo; diventa attiva se anche la condizione è vera; tutte le transizioni attive nello stesso ciclo scattano simultaneamente, disattivando gli stati precedenti e attivando i successivi. Le azioni di uno stato vengono eseguite finché lo stato è attivo.

Definire le principali strutture di collegamento del GRAFCET. Le principali strutture del GRAFCET sono: la sequenza (stati e transizioni alternati), la scelta (divergenza OR: da uno stato partono più transizioni mutuamente esclusive), la convergenza OR (più transizioni convergono su uno stesso stato), il parallelismo (divergenza AND: una transizione attiva più stati contemporaneamente), la sincronizzazione (convergenza AND: una transizione si attiva solo quando tutti gli stati a monte sono attivi), il semaforo (stato che gestisce l’accesso a risorse condivise in mutua esclusione) e gli stati dummy (stati vuoti per rispettare la sintassi).

Descrivere i componenti hardware e software che compongono la strumentazione dei sistemi di automazione. La strumentazione dei sistemi di automazione comprende componenti hardware come dispositivi di misura (sensori, trasduttori), attuatori (valvole, motori), dispositivi di elaborazione (PLC, DCS, CNC) e reti di comunicazione (bus di campo, Ethernet). I componenti software includono il sistema operativo e firmware dei controllori, i programmi utente scritti nei linguaggi standard IEC, i software di supervisione SCADA e i driver di comunicazione per l’integrazione tra i vari livelli gerarchici.

Fornire una panoramica delle diverse categorie di attuatori, dispositivi di misura e reti di comunicazione utilizzate nella Automazione Industriale. Nell'automazione industriale, gli attuatori includono dispositivi ON/OFF (relè, valvole), a moto continuo (motori elettrici, valvole proporzionali) e a moto incrementale (motori passo-passo, servomotori). I dispositivi di misura comprendono sensori ON/OFF (fine corsa, prossimità), analogici (temperatura, pressione, portata) e digitali (encoder, lettori di codici, sistemi di visione). Le reti di comunicazione spaziano dalle connessioni punto-punto (RS-232, RS-485) ai bus di campo (Profibus, CANopen, AS-Interface) e alle Ethernet industriali (Profinet, EtherNet/IP).

Quali sono i principali dispositivi di controllo per l'Automazione Industriale?. I principali dispositivi di controllo per l'automazione industriale sono i PLC per la logica sequenziale, i DCS per il controllo distribuito nei processi continui, i CNC per le macchine utensili, i regolatori PID autonomi per singole variabili analogiche, le RTU per il telecontrollo, i sistemi SCADA per la supervisione e i PC industriali per HMI e integrazione gestionale.

Quale è la differenza tra sensore, trasduttore e attuatore?. Il sensore rileva una grandezza fisica, il trasduttore converte una forma di energia in un’altra, l’attuatore trasforma un segnale di comando in azione fisica sul processo.

Quali sono i parametri che caratterizzano le prestazioni dei dispositivi di misura?. I parametri che caratterizzano le prestazioni dei dispositivi di misura sono la sensibilità, ovvero il rapporto tra la variazione rilevata dal sensore e la variazione della grandezza da misurare; la risoluzione, cioè la minima variazione della grandezza che il sensore è in grado di rilevare; la precisione, ossia la differenza tra il valore fornito dal sensore e il valore effettivamente misurato; e la risoluzione del convertitore analogico-digitale, che è la minima variazione della grandezza rilevata dal convertitore stesso.

Fare degli esempi di formati utilizzati per la trasmissione della grandezza misurata. I formati per la trasmissione della grandezza misurata includono il segnale pneumatico a pressione variabile tra 3 e 15 psi, il segnale analogico in corrente continua 4-20 mA, il formato smart che sovrappone una trasmissione digitale al segnale analogico 4-20 mA (come HART), i bus di campo completamente digitali (Profibus, Foundation Fieldbus, CANopen, AS-Interface) e la trasmissione wireless.

Descrivere gli schemi di funzionamento delle principali classi di attuatori presentati nel corso. Gli attuatori elettrici convertono energia elettrica in movimento con rendimento alto e buona precisione, ma dissipano calore a bassa velocità. Gli attuatori idraulici usano olio in pressione per generare forza elevata e dimensioni compatte, ma hanno rendimento più basso, isteresi e rischi di perdite. Gli attuatori pneumatici sfruttano aria compressa, sono adatti ad ambienti pericolosi e a basso costo, ma soffrono di comprimibilità dell’aria, precisione limitata e lentezza. Il segnale di comando (elettrico, pneumatico o idraulico) viene trasformato in movimento lineare, rotatorio o oscillatorio.

Quali sono i principali vantaggi e svantaggi dei seguenti tipi di attuatori:motori elettrici,attuatori idraulici, attuatori pneumatici?. I motori elettrici hanno alto rendimento e bassa manutenzione ma dissipano calore a basse velocità. Gli attuatori idraulici offrono forza elevata e dimensioni compatte ma hanno basso rendimento, isteresi e rischio perdite. Gli attuatori pneumatici sono adatti ad ambienti pericolosi e a basso costo ma soffrono di comprimibilità dell’aria, lentezza e scarsa precisione.

Fare una panoramica sulle diverse tipologie di attuatori. Gli attuatori si dividono in elettrici (motori, relè), idraulici (cilindri, motori a olio) e pneumatici (cilindri ad aria). Quelli elettrici hanno alto rendimento e precisione ma dissipano calore. Quelli idraulici sviluppano forza elevata e dimensioni compatte ma sono meno efficienti e soggetti a perdite. Quelli pneumatici sono economici e adatti ad ambienti pericolosi ma imprecisi e lenti. Esistono anche attuatori non convenzionali come piezoelettrici o a memoria di forma.

Quale è la differenza tra la strumentazione smart e la strumentazione «intelligente»?. La strumentazione smart fornisce misure aggiuntive oltre a quella principale, ma non elabora attivamente i dati per ottimizzare il processo. La strumentazione intelligente è dedicata, utilizza tali misure per attivare procedure che migliorano efficienza e produttività, e presenta i risultati in modo interpretabile per il controllo o la gestione.

Definire il concetto di strumentazione smart e disegnare la struttura di un dispositivo di misura di tipo smart e discuterlo. La strumentazione smart è un dispositivo di misura che rileva sia la variabile controllata principale sia altre grandezze significative (pressione, temperatura, ecc.) per conoscere le condizioni operative dell’apparato. La sua struttura comprende un sensore principale, sensori secondari, un trasduttore con condizionamento del segnale, un convertitore analogico-digitale, un microcalcolatore che elabora le misure e un’interfaccia di comunicazione (es. HART o bus di campo) che trasmette i dati alla rete di automazione. Questo permette misure più accurate, diagnosi precoce e manutenzione preventiva.

Indicare mediante opportuni esempi la differenza fra automi e reti di Petri. Un automa a stati finiti ha uno stato globale unico e centralizzato; aggiungere componenti o capacità moltiplica esponenzialmente il numero di stati. Una rete di Petri ha lo stato distribuito in più posti (ogni posto contiene un numero di token). Questo permette di modellare in modo modulare sistemi concorrenti, asincroni e con risorse condivise, e di rappresentare anche un numero infinito di stati con un numero finito di posti, cosa che un automa a stati finiti non può fare. Le reti di Petri gestiscono naturalmente conflitti, sincronizzazioni e concorrenza, mentre negli automi queste relazioni vanno codificate esplicitamente nello stato globale.

Definire cosa si intende per grafo e rete di Petri. Un grafo di Petri è un grafo bipartito orientato con posti e transizioni collegati da archi pesati, e descrive solo la struttura della rete. Una rete di Petri è il grafo a cui si aggiunge una marcatura (numero di token in ogni posto), che rappresenta lo stato del sistema. L’evoluzione avviene tramite lo scatto di transizioni abilitate, che consumano e producono token modificando la marcatura.

Illustare il concetto di marcatura base, definendo la proprietà di reversibilità di una rete di Petri. Una marcatura base è una marcatura raggiungibile da qualsiasi altra marcatura raggiungibile. Una rete di Petri è reversibile se la marcatura iniziale stessa è una marcatura base, cioè da ogni stato raggiungibile si può sempre tornare allo stato iniziale.

Definire cosa si intende per P-invariante, indicando come si calcola e le informazioni che se ne possono trarre. Un P-invariante e' un vettore riga gamma^T (a componenti intere non negative) tale che gamma^T * C = 0^T, dove C e' la matrice di incidenza. Si calcola risolvendo il sistema lineare omogeneo C^T * gamma = 0. Un P-invariante individua una combinazione lineare pesata dei token nei posti che rimane costante in tutte le marcature raggiungibili: gamma^T * x = gamma^T * x0 = costante. Se l'intera rete e' coperta da P-invarianti non negativi, la rete e' conservativa e quindi limitata (nessun posto accumula token all'infinito).

Definire il problema di contollo per un sistema a eventi discreti, indicando cosa si intende per specifiche controllabili e osservabili. Il problema di controllo per un DEDS consiste nel progettare un supervisore che, osservando gli eventi del processo, abilita o disabilita eventi controllabili per soddisfare specifiche desiderate (evitando deadlock, violazioni di capacità, ecc.). Un evento è controllabile se il supervisore può impedirlo, non controllabile altrimenti. Un evento è osservabile se il supervisore può rilevarlo, non osservabile altrimenti. Le specifiche devono rispettare i vincoli di controllabilità e osservabilità per essere realizzabili.

Definire la differenza fra manutenzione predittiva e manutenzione preventiva? Esporre un esempio. La manutenzione preventiva è programmata a intervalli fissi, anche in assenza di guasti (es. cambio olio ogni 1000 ore). La manutenzione predittiva interviene solo quando il monitoraggio indica un probabile guasto imminente (es. sostituzione di un cuscinetto quando le vibrazioni superano una soglia).