Un processo industriale è costituito dalle operazioni necessarie per trasformare le proprietà di specifici materiali, tipi di energia o informazioni. Oltre alla produzione di un bene, quindi, è necessario includere anche la trasformazione dell'energia e il suo trasporto, passando attraverso la raccolta, l'elaborazione e la diffusione di informazioni.
Un simile processo, in una realtà industriale, comporta l'impiego di apparecchiature elettroniche e meccaniche che generano un flusso di materiali ed energia all'interno di un impianto produttivo. Accanto a questo flusso, propriamente fisico, esiste un analogo flusso di informazioni, che possiamo definire 'di servizio'. Si tratta, in pratica, delle regole e dei comandi necessari al funzionamento dell'impianto e, quindi, al raggiungimento dell'obiettivo per il quale è stato creato uno specifico processo industriale, in cui le singole fasi e i risultati finali devono essere verificati dal cosiddetto sistema di controllo di processo (Pcs, Process Control System). Il controllo delle singole fasi è ovviamente finalizzato a soddisfare gli obiettivi posti da un livello superiore, con il quale è necessario interfacciarsi. Simili obiettivi, tipicamente, sono definiti dal personale addetto alla conduzione dell'impianto in funzione delle informazioni dettate dalla pianificazione della produzione, seguendo le logiche tipiche dei sistemi Mes, oppure da un sistema di gestione delle risorse aziendali, ovvero l'erp.
Proprio l'esistenza di differenti livelli di controllo comporta la necessità di identificare una serie di variabili, in ingresso e in uscita dal sistema di controllo, per consentire all'impianto di operare nel migliore dei modi, in funzione della misura di variabili obiettive e condivise.
Un approccio innovativo
A questa modalità di funzionamento rispondono i sistemi Cim (Computer Integrated Manufacturing), che utilizzano le tecnologie informatiche nei processi di progettazione, produzione e distribuzione, con l'obiettivo di sfruttarne le peculiarità per realizzare un vantaggio competitivo. L'evoluzione tecnologica consente infatti di utilizzare i sistemi di elaborazione nel supporto di tutte le attività produttive. L'obiettivo principale di un simile approccio è quello di incrementare la flessibilità produttiva, la qualità e i servizi erogati al cliente, riducendo al contempo i tempi di consegna e i costi. Tutte caratteristiche che, in un ambiente altamente competitivo, possono fare la differenza fra la scomparsa e la sopravvivenza di un'azienda. Operare secondo una logica Cim impone, però, di adottare un approccio differente rispetto a quello tradizionale. È infatti indispensabile creare database centralizzati e condivisi dai diversi processi, evitando inutili duplicazioni delle informazioni e qualunque rischio di errore in fase di trascrizione. I dati così organizzati devono essere messi a disposizione dei singoli sottosistemi di elaborazione, garantendo un accesso semplice e in tempo reale. La gestione delle comunicazioni, infatti, risulta fondamentale per realizzare il coordinamento e la sincronizzazione delle singole attività umane e automatizzate.
Sulla scorta di queste capacità è oggi possibile ottimizzare i tempi e la flessibilità di risposta agli stimoli provenienti dal mercato, massimizzando così la propria capacità di reazione a fronte di qualunque scostamento rispetto agli obiettivi qualitativi e quantitativi prefissati.
I livelli del successo
Indipendentemente dal livello in cui si opera, le funzioni ispirate alla logica Cim possono essere distinte in tre categorie: gestione dal livello superiore, ovvero scomposizione dei comandi ricevuti in sottocompiti e successiva rilevazione di tali attività; gestione del proprio livello, che comporta l'assegnazione dei compiti specifici e delle risorse;
gestione verso il livello inferiore, con l'assegnazione dei sottocompiti e delle risorse al livello inferiore, dal quale si ricevono anche le informazioni che devono essere analizzate ed elaborate per identificare le azioni da compiere.
Per operare secondo una logica di questo tipo è stata creata la cosiddetta 'Piramide Cim', al cui vertice si trova l'azienda, mentre la base è costituita dai dispositivi meccanici. Ai livelli intermedi sono posizionati, scendendo dall'alto verso il basso, lo stabilimento, l'area, il reparto/cella, l'unità operatrice e il sensore/attuatore.
Considerando i sistemi intelligenti, applicati in ambito produttivo, sono interessanti i livelli più bassi di questa struttura. In particolare l'area sensore/attuatore è costituita dai dispositivi di campo in grado di interfacciarsi direttamente con l'impianto industriale e che costituiscono la sezione di ingresso/uscita dell'intero sistema di controllo. Quest'ultimo ha il compito di riportare al livello superiore i risultati delle misure di processo e, al contempo, di eseguire i comandi ricevuti. Simili dispositivi, tradizionalmente, dispongono di un'intelligenza e di un grado di autonomia limitati, in quanto devono semplicemente tradurre grandezze fisiche di varia natura in segnali di tipo elettrico o viceversa. L'evoluzione attuale, però, sta suggerendo a molti produttori di equipaggiare sensori e attuatori con un'intelligenza dedicata alla gestione di un'interfaccia di comunicazione digitale e seriale. È così possibile decentralizzare alcuni compiti alla periferia, sgravando così il sistema di elaborazione centrale.
Salendo nell'organizzazione piramidale, al livello di unità operatrice sono svolti i compiti di controllo della macchina. In questo ambito i controllori utilizzati, solitamente di tipo automatico o semiautomatico, sono interfacciati con i sensori e gli attuatori dei dispositivi meccanici che costituiscono l'unità operatrice. Le apparecchiature tipiche di questo livello sono i controllori a logica programmabile, i sistemi di controllo distribuito e i centri di lavorazione a controllo numerico. Il controllo di macchina risulta in grado di effettuare la regolazione diretta delle variabili, così come la realizzazione sequenziale di operazioni e di interblocchi. Si tratta, quindi, di operazioni che, considerate singolarmente, non risultano particolarmente complesse, ma richiedono di essere coordinate con quelle eseguite dalle altre apparecchiature, anche di livello superiore. Il livello di controllo di cella implica l'impiego di controllori in grado di regolare il funzionamento di tutte le macchine operatrici riferite ad una specifica cella di lavoro. Un'attività per la quale è necessario ottimizzare la comunicazione con i singoli controllori. Le operazioni necessarie, dal punto di vista logico, possono essere considerate analoghe a quelle svolte a livello dell'unità operatrice, ma risultano decisamente più complesse, sia in termini di variabili sia di dimensioni. Ai controllori implementati a questo livello, indipendentemente dal fatto che siano plc o Dcs, è richiesta una capacità di elaborazione e di memorizzazione decisamente elevata. Anche per tale ragione, a questo livello sono valutate, con crescente interesse, le opportunità offerte dalle soluzioni di automazione basate su pc.
Un'ulteriore dimostrazione di come la possibilità dei sistemi di operare in modo intelligente sia frutto della capacità di sfruttare e integrare le peculiarità di ogni singolo componente.
Salendo ulteriormente nella piramide Cim, il controllo di area è basato sui sistemi di supervisione, controllo e acquisizione dati, con l'impiego di soluzioni Scada. A questo livello è gestito l'intero processo controllato: dalla gestione operativa, con l'impostazione del lotto da produrre o dei cicli di lavorazione, sino alla gestione dell'allarmistica, all'analisi dei risultati. Rispetto ai livelli inferiori, in tale contesto è meno importante il requisito di elaborazione real-time, in quanto le attività svolte dipendono strettamente dagli operatori umani che, a loro volta, possono essere supportati da sistemi automatici di tipo gestionale, caratterizzati dalla capacità di operare su orizzonti temporali decisamente più ampi. Questa parziale dilatazione dei tempi, però, non deve far trascurare la necessità di poter intervenire rapidamente a fronte di segnalazioni relative a specifiche condizioni di allarme, in cui eventuali ritardi possono causare disfunzioni con conseguenze economiche anche ingenti.
Come nasce un sistema Cim
La progettazione di un sistema Cim può essere condotta secondo i due approcci top-down e bottom-up.
La progettazione di tipo top-down è particolarmente indicata per la realizzazione di sistemi nuovi, in cui è possibile fare riferimento a modelli precisi di architetture e con la possibilità di massimizzare l'integrazione. La progettazione di tipo top-down, nota anche come 'sistemistica', si basa su tre step:
analisi e stesura delle specifiche funzionali dell'intero sistema integrato: i singoli obiettivi e i compiti del sistema di automazione, nel suo insieme, sono stabiliti e descritti nel dettaglio; progettazione dell'architettura di sistema: sono identificate le apparecchiature di supervisione, controllo, attuazione e rilevazione adeguate a svolgere i compiti del sistema; nel corso di questo studio è necessario valutare l'integrazione dei singoli dispositivi da integrare, ovvero la loro capacità di dialogare attraverso protocolli compatibili; definizione dello schema elettrico e delle logiche software.
L'approccio bottom-up si rivela necessario per le installazioni già esistenti, in cui si devono identificare interventi locali di 'facile' realizzazione, procedendo poi all'integrazione dei diversi sottosistemi. Una simile modalità operativa, ovviamente, non risulta sempre semplice da perseguire, soprattutto quando i sistemi sono particolarmente articolati e frutto di aggiunte successive, spesso prive di una progettualità di riferimento.
Il tipico processo di un approccio bottom-up deve iniziare dall'analisi dei dispositivi presenti nell'impianto, verificando i collegamenti e le logiche di funzionamento. Solo al termine di questo processo è definita un'architettura di sistema e le funzioni realizzabili partendo dalla struttura esistente, anche se sono possibili alcune correzioni finalizzate ad ottenere le funzioni desiderate. In questa fase risulta comunque necessario rinunciare ad alcune delle funzioni auspicate o 'necessarie', in quanto non compatibili con l'architettura esistente.
Si tratta di limiti che, spesso, sconsigliano di tentare di sfruttare i vantaggi dei sistemi Cim, mentre, in realtà, anche i risultati parziali possono rivelarsi utili per la competitività di un'azienda.
