Engineering for the Food Industry

(ex Ingegneria degli Impianti e delle Macchine dell'Industria Alimentare)

AUTOMAZIONE E CONTROLLO DEGLI IMPIANTI DELL'INDUSTRIA ALIMENTARE (II MODULO)

Docenti: 
Crediti: 
6
Anno accademico di offerta: 
2020/2021
Responsabile della didattica: 
Settore scientifico disciplinare: 
IMPIANTI INDUSTRIALI MECCANICI (ING-IND/17)
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

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

OVERVIEW OF INDUSTRIAL PROCESS AUTOMATION
Why Automation?—Industrial process, Undesired behavior of process, Types and classifications of process, Unattended, manually attended, and fully automated processes, Needs and benefits of automation, Process signals
Automation System Structure—Functions of automation subsystems, Instrumentation, control, and human interface, Individual roles
Instrumentation Subsystem—Structure and functions, Types of instrumentation devices, Interface to control subsystem, Interfacing standards, Isolation and protection
Control Subsystem—Functions and structure, Interfaces to instrumentation and human interface subsystems
Human Interface Subsystem—Construction, Active display and control elements, Types of panels, Interface to control subsystem
Automation Strategies—Basic strategies, Open and closed loop, Discrete, continuous, and Hybrid
Programmable Control Subsystem—Processor-based subsystem, Controller, Input/output structure, Special features—communicability and self-supervisability
Hardware Structure of Controller—Construction of controller, Major functional modules, Data transfer on the bus, Structure and working of functional modules, Integration
Software Structure of Controller—Difference between general-purpose computing and real-time computing, Real-time operating system, Scheduling and execution of tasks, Program interrupt
Programming of Controller—Programming of automation strategies, higher- level languages, IEC 61131-3 standard, Ladder logic diagram, Function block diagram
Advanced Human Interface—Migration of hardwired operator panel to software-based operator station, Layout and features, Enhanced configurations, Logging station, Control desk
Types of Automation Systems—Structure for localized and distributed process, Centralized system, Decentralized/distributed system, Remote/networked system, Multiple operator stations, Supervisory control and data acquisition
Special Purpose Controllers—Customization of controller, Programmable logic controller, Loop controller, Controller, Remote terminal unit, PC-based controller, Programmable automation controller
System Availability—Availability issues, Improvement of system availability, Cold and hot standby, Standby/redundancy for critical components
Common Configurations—Configurations with operator stations, Supervisor stations, Application stations
Advanced Input/Output System—Centralized I/O, Remote I/O, and Fieldbus I/O, Data communication and networking, Communication protocol
STRATEGIE E CONTROLLORI
Diagrammi P&I: Cerchi e simboli, Numerazione delle etichette
Strategie di automazione: Controllo di un evaporatore, Controllo degli scambiatori di calore, Controllo di una caldaia
Controllori: Introduzione, Controllo a catena aperta, Controllo a catena chiusa, Controllo feedback, Controllore P, Controllore PI, Controllore PID, Sommario degli schemi di controllo
Taratura: Metodi di taratura o tuning, Metodo di taratura ad anello aperto, Metodo ad anello chiuso
Configurazioni particolari: Controllo feedforward, Analisi matematica, Controllo in cascata, Controllo del rapporto, Controllo a più fasi
ATTIVITA' DI LABORATORIO
Introduzione: Arduino e Raspberry Pi, caratteristiche e funzionalità, sistemi di controllo implementabili
Cenni di elettronica di base
Arduino: ambiente di programmazione (IDE), caratteristiche del linguaggio, programmi per valutare le principali caratteristiche del controllore
Raspberry Pi: sistema operativo (Raspbian), impiego di Node-Red, programmi per valutare le principali caratteristiche del sistema

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
Guide to the SparkFun Inventor’s Kit for Arduino – Sparkfun
Simon Monk - Hacking Electronics
Dogan Ibrahim - Microcontroller based temperature monitoring and control

Metodi didattici

Il corso ha un peso di 6 CFU, che corrispondono a 48 ore di lezione. Le attività didattiche saranno condotte privilegiando lezioni frontali in aula alternate a esercitazioni in laboratorio. Durante le lezioni frontali vengono 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 utilizzate a supporto delle lezioni verranno caricate 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, vengono 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 1 ora, 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 5 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). ll 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).