Automazione industriale

L’automazione è oggi quel sistema di strumenti o processi che automatizzano il funzionamento di uno o più macchinari rendendo superfluo l’apporto dell’uomo. Al tempo stesso l’automazione è però un insieme eterogeneo di funzioni ed è possibile classificare i sistemi automatizzati secondo diversi parametri.

Ad esempio, secondo la tipologia di funzionamento, avremo un’automazione

• Fissa
• Flessibile
• Programmabile
• Integrata

Oppure secondo lo strumento utilizzato che questo sia un automa o un’automazione:

-Automa

• Robot
• Cobot
• Bot
• AGV/AMR

-Automazione

• Sistemi di controllo e calcolo
• PLC
• CNC
• MES (Manufacturing Execution System)
• SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)
• PLM (Product Lifecycle Management)
• ERP (Enterprise Resource Planning)
• CLOUD
• FOG
• EDGE

Cloud, Fog ed EDGE vengono anche definite architetture computazionali e attengono principalmente allo storage e alla tracciabilità del dato.

L’ automazione industriale è nata con la rivoluzione industriale e ha ricevuto un grande impulso con lo sviluppo dell’industria automobilistica americana. Nasce con uno scopo: sollevare l’uomo da azioni produttive ripetitive, usuranti, abitudinarie. Da allora ha avuto una crescita esponenziale, in termini di campi di applicazione e di performance tecnologiche. Con il tempo essa ha integrato nuovi scopi e coperto un maggior numero di funzioni, quali ad esempio l’ottimizzazione delle funzioni e la velocità di produzione, entrambi elementi che descrivono la produttività di un dato processo.

La recente storia industriale in questo senso è molto chiara: l’automazione ha consentito di dare avvio al consumo di massa, di standardizzare o al contrario di fronte alla variabilità estrema dei prodotti e dei lotti. Il processo di automazione ha consentito di innalzare la qualità dei prodotti, migliorare la qualità del lavoro umano mallevando gli operatori dalle attività più faticose, ha consentito di ridurre i costi in funzione di maggiori ritmi e minor consumo di risorse.

Il sistema automatizzato funziona secondo una logica piramidale.

Alla base della piramide si trova il campo da controllare (la linea di produzione vera e propria) dove sono posti tutti i sensori collegati ai processi destinati alla misurazione di dati. È qui che si registra l’andamento produttivo, lo si ottimizza, lo si corregge se la sensoristica riscontra degli errori. Le automazioni dedicate al controllo di processo (siano esse di natura metrologica o semplicemente ispettiva) consentono infatti di non dare avvio a quella che viene chiamata la “seconda fabbrica” o “fabbrica nascosta”, ovvero quella che si genera sulla base di un errore di processo e che crea scarti, difetti e prodotti disfunzionali. E quindi in ultima analisi maggiori costi.

A un livello superiore della piramide ci sono i dispositivi di controllo e gli attuatori. Si tratta di strumenti che elaborano i dati acquisiti dai sensori e li combinano con i parametri degli obiettivi desiderati dal processo automatizzato, per poi mettere in atto azioni dirette sull’impianto.

Gli ultimi due gradini della piramide sono quello di supervisione tramite computer e strumenti di monitoraggio da remoto, per concludere con le attività aziendali. L’uomo nel paradigma 5.0 è in cima di quella che viene definita piramide CIM (Computer Integrated Manufacturing).

L’automazione industriale ha generato nel corso del tempo numerosi vantaggi produttivi, ergonomici, funzionali. Creando, però, anche diversi svantaggi. Iniziamo da questi ultimi per cercare di capire come l’automazione si sia evoluta e in qualche modo li abbia superati.

Svantaggi

Complessità

Le prime automazioni industriali erano (e in parte sono tuttora) estremamente complesse da programmare e gestire. Esse, che si tratti di automi come robot antropomorfi o di macchine a controllo numerico, richiedono nella maggior parte dei casi l’intervento di uno specialista nella programmazione. Queste necessità di intervento esterno si traducono in maggiori costi di gestione (sia per l’intervento specialistico, sia per il fermo macchina necessario alla riprogrammazione).

Rigidità

Le automazioni industriali tradizionali risultano spesso rigide che, come ricordiamo, è una delle categorie in cui possono essere classificate in base alla tipologia di funzionamento. Rientrano in questa casistica macchinari destinati all’assemblaggio, a processi altamente ripetitivi, ad alto ritmo. Questo tipo di automazioni è perfetta per essere applicata su processi che non richiedono variabilità o non sono posti di fronte ad un elevato numero di codici prodotto e referenze. La macchina in questione viene quindi applicata su un limitato numero di processi e sconta la sua scarsa versatilità se lo scenario economico richiede un repentino adattamento produttivo.

Costo sociale

Le prime automazioni, pensate per sostituire totalmente l’uomo e dare risposta a obiettivi di crescita economica e produttiva, hanno finito per creare un elevato costo sociale in termini di erosione del tasso occupazionale.

VANTAGGI

Crescita economica

È indubbio che l’automazione abbia impresso una grande accelerazione ai processi di crescita economica delle imprese e dei sistemi economici in senso lato. Il consumo di massa ha corso in parallelo con l’automazione, poiché quest’ultima da drasticamente ridotto i costi di produzione rendendo molti beni disponibili al consumo su larga scala.

Ergonomia

L’applicazione di sistemi automatizzati ai processi produttivi ha portato a un miglioramento nelle condizioni di lavoro degli addetti. Molte attività insalubri, gravose, potenzialmente pericolose (pensiamo ai cicli di verniciatura, saldatura, assemblaggio) sono stati automatizzati e questo ha consentito di mallevare gli operatori da task che minavano la loro salute.

Occupazione

L’automazione – lo dimostrano la maggior parte dei report economici – ha finito per creare un numero di posti di lavoro maggiore di quelli che ha eroso nei suoi primi anni di vita. Al pari del computer, l’automazione ha riscritto le regole del gioco: intorno ad essa (e grazie ad essa) sono nati nuovi posti di lavoro e posizioni. Pensiamo soltanto a chi costruisce automazioni, chi le programma, installa, customizza. Ma pensiamo anche all’aumento di produttività che queste hanno generato rendendo necessarie nuove assunzioni. Il saldo occupazionale legato all’automazione è ampiamente positivo. Se è vero che il processo automatizzato nasce per ridurre l’intervento umano in determinate fasi produttive, particolarmente alienanti o pericolose, lo è anche il fatto che la componente umana non sparisce, viene bensì riqualificata con mansioni di controllo attivo, monitoraggio e manutenzione sul macchinario.

Flessibilità

Questo vantaggio non è in apparente contraddizione con quanto enunciato poco sopra. Semplicemente l’automazione si è evoluta al passo con lo scenario di mercato, che ora si basa su un paradigma produttivo variabile, altamente customizzato e che quindi necessita di nuove forme di robotizzazione.

Così sono nati, appena 13 anni fa nel 2008, i robot collaborativi, forme di robotica leggera, flessibile, facilmente programmabile, semplice da utilizzare e porre in servizio. Così sono nati gli AGV e gli AMR, forme di robotica mobile che ora alimentano i flussi intralogistici all’interno di molte aziende in tutte il mondo. Queste forme di automazione hanno permesso a moltissime imprese di crescere ed efficientare i processi senza sostenere spese ingenti e preservando occupazione e salute dei propri addetti.

Esistono diverse definizioni di robot:

1. Secondo il RIA (Robot Industries Association) un robot è “un manipolatore multifunzionale e riprogrammabile progettato per spostare materiali, parti, strumenti o dispositivi specializzati attraverso movimenti programmati variabili per l'esecuzione di una varietà di compiti”
2. Secondo la norma ISO 8373 si tratta invece di: “meccanismo programmabile con movimenti su due o più assi che si muove all'interno del suo ambiente, per eseguire i compiti previsti”.
3. Infine secondo una definizione coniata dal professore di Robotica Industriale alla Sapienza di Roma, Alessandro De Luca, si tratta invece di una “connessione intelligente fra percezione e azione” in grado di trasformare in movimento e azione un comando predefinito o il frutto di un’analisi ambientale

Esistono poi anche diverse tipologie di robot, adatte a differenti tipologie di lavorazioni e produzioni:

• SCARA: è l’acronimo di Selective Compliance Robot Arm, ovvero braccio robotico a cedevolezza selettiva, è un tipo di robot industriale che muove un "braccio" sul piano orizzontale e una presa che può salire e scendere in quello verticale. È particolarmente adatto ad eseguire compiti di assemblaggio verticale.
• CARTESIANO: un robot in grado di muoversi sui tre assi cartesiani, x,y e z in maniera lineare
• PUMA: acronimo di Programmable Universal Machine for Assembly, sono composti da due componenti principali: il braccio meccanico e il sistema di controllo. Di solito questi sono collegati tra loro da uno o due grandi cavi multi-conduttori. Quando sono usati due cavi, uno porta la corrente al servomotore e ai freni mentre il secondo porta il segnale di posizione per ogni giuntura al sistema di controllo.
• ANTROPOMORFI: robot che presentano più assi di movimento e che sono in grado di replicare i movimenti di un braccio umano.
• COLLABORATIVI: robot piccoli e flessibili, con 6 o più gradi di libertà, in grado di interagire con sicurezza nei pressi dell’operatore, anche senza barriere, e di essere facilmente riprogrammati per diverse funzioni.

Ad eccezione dell’ultima, tutte le categorie elencate sopra, condividono una spiccata specializzazione e difficilmente possono venire applicate con flessibilità su operazioni di volta in volta diverse. Inoltre tutte (a eccezione dell’ultima) necessitano di barriere di sicurezza intorno. Tutti i sistemi robotizzati sono però in grado di aumentare produttività, efficienza e qualità delle lavorazioni, abbattendo incertezze e tassi di errore.

I cobot rappresentano, al momento, l’ultimo gradino evolutivo della robotica industriale. Nati nel 2008 sulla spinta di Universal Robots, per rispondere a un’esigenza di flessibilità e semplicità di integrazione e programmazione, hanno in breve tempo riscritto le regole dell’automazione.

I cobot sono robot antropomorfi di piccola taglia, dotati di movimenti sui sei assi, di sensoristica e funzioni di sicurezza altamente evolute e si caratterizzano per essere delle “quasi macchine”, ovvero delle automazioni che per essere pienamente funzionali hanno bisogno dell’integrazione con un end effector specializzato in una determinata funzione.

Questo li rende altamente versatili, ovvero in grado di automatizzare un elevato numero di attività produttive in pochi semplici passaggi. I cobot si caratterizzano infatti per essere dotati di controller derivato da computer e da algoritmi di programmazione con interfacce grafiche semplificate. Ciò rende possibile dislocarli su processi via via diversi in poco tempo e sfruttarne tutto il vantaggio in termini di produttività ed efficienza.