Automazione e Controllo per l’Efficienza Industriale

Il corso rappresenta l'anello di congiunzione tra le tecnologie dell'informazione e i processi produttivi moderni. Fornisce metodi e  strumenti per modellare, analizzare e implementare sistemi di controllo che non siano solo precisi, ma anche efficienti dal punto di vista energetico e robusti rispetto alle incertezze operative. Attraverso un approccio fortemente orientato al learning by doing, gli studenti impareranno a programmare logiche di automazione su PLC (standard IEC 61131-3), a interfacciare sistemi SCADA e a selezionare gli azionamenti elettrici più idonei per ottimizzare le prestazioni complessive di un impianto.

Al termine dell’insegnamento lo/la studente/ssa sarà in grado di:

1. Modellare e analizzare: gestire sistemi dinamici lineari, valutandone stabilità e proprietà strutturali.

2. Progettare e tarare regolatori industriali (es. PID) capaci di gestire saturazioni e limiti attuativi reali.

3. Implementare l’Automazione: programmare logiche di controllo su PLC (IEC 61131-3) con gestione avanzata di I/, scalature e supervisione (SCADA).

4. Ottimizzare l’efficienza: selezionare motori e azionamenti a velocità variabile (VSD) in base al profilo di carico, stimando i benefici energetici.

5. Validare e documentare: verificare la robustezza dei progetti tramite analisi di stabilità e produrre documentazione tecnica professionale.

Si richiedono:

• Analisi Matematica: serie numeriche e funzioni continue, equazioni differenziali ordinarie.

• Algebra Lineare: spazi vettoriali, sistemi lineari, autovalori/autovettori.

• Elettrotecnica di base: circuiti RLC, regime sinusoidale e fasori, potenza elettrica.

• Meccanica di base per la modellazione: modelli massa–molla–smorzatore, bilanci/leggi costitutive elementari.

• Programmazione Python (script, funzioni, calcolo).

Non è richiesta esperienza pregressa con i PLC: il corso fornisce un’introduzione pratica ai principi, alle architetture e ai linguaggi conformi allo standard 61131-3.

A) Elementi di Controlli Automatici

• Modelli LTI (SISO/MIMO); funzioni di trasferimento e schemi a blocchi.

• Risposta nel tempo e nel dominio della frequenza; specifiche e vincoli.

• Stabilità (criteri classici), margini di guadagno e di fase; Bode e Nyquist.

• PID: metodi di taratura, filtraggio della derivata, anti-windup.

• Luogo delle radici; sensibilità/robustezza alle incertezze e ai disturbi.

• Campionamento, mantenimento a ZOH, progetto di regolatori discreti.

• Gestione delle saturazioni e limiti attuativi; criteri di prestazione e trade-off.

B) Elementi di Automazione Industriale su PLC

• Architetture di automazione: PLC, I/O di campo, reti/Industrial Ethernet, HMI/SCADA.

• Ciclo di scansione, task e temporizzazioni; indirizzamento e scaling di segnali analogici/digitali.

• Linguaggi IEC 61131-3 (LD, ST, SFC, FBD): principi di programmazione e buone pratiche.

• Interblocchi e sicurezza di base; gestione degli allarmi ed eventi.

• Commissioning e test (FAT/SAT); documentazione tecnica essenziale.

C) Cenni Essenziali di Azionamenti Elettrici

• Tipologie di motori/drive (DC, IM, PMSM/BLDC): panorama funzionale.

• Profili di carico (coppia costante, coppia quadratica, cicli intermittenti).

• Criteri per la scelta del motore e del drive (coppia/velocità, sovraccarichi, ambiente).

• Variatori di velocità (VSD), efficienza energetica, qualità dell’energia e cenni di frenatura/recupero.

(Esercitazioni e laboratori virtuali a supporto: taratura PID; progetto di regolatore discreto; esercizi di programmazione PLC; mini-caso di selezione del drive.)

Insegnamento prevalentemente a distanza su Learning Management System (LMS), ovvero la piattaforma di Ateneo per videolezioni, materiali, e-tivity, consegne, forum e registrazione delle attività e dei risultati, in aggiunta a Didattica Erogativa (DE) tramite videolezioni (durata ≤ 30′ ciascuna) e materiali strutturati, e Didattica Interattiva (DI) tramite e-tivity, esercitazioni guidate, forum moderati e sessioni live (Q&A, brevi demo, troubleshooting). Esercitazioni virtuali su PID e progetto discreto; esercizi di PLC in linguaggio IEC 61131-3 con simulatori.

Didattica sincrona complessiva: 20 ore (lezioni, esercitazioni e seminari in streaming).

Quantificazione (12 CFU ≈ 300 h):

• DE (videolezioni): ~40 h di video (~80 h di carico studente, per riascolto) 

• DI (e-tivity, esercitazioni guidate): ~40 h

• Attività sincrone live: 20 h (≥20% della didattica frontale) 

• Autoapprendimento e studio: ~160 h

Nota: Ogni e-tivity è tracciata nell’LMS e prevede feedback individuale; le ore DE/DI/sincrone sono riportate in scheda.

Elenco delle e-tivity come attività strutturate su LMS, tracciate e con feedback individuale.

1. Workbook PID

Obiettivo: taratura e analisi delle prestazioni del PID.

Attività: esercizi guidati su dataset; breve riflessione finale.
Evidenze: file notebook/relazione breve.

Valutazione: accuratezza calcoli, qualità grafici/commento. Peso: 6%.
Carico indicativo: 10 h (di cui 2 h di live Q&A).

2. Lab “Regolatore discreto”

Obiettivo: progetto e test di un regolatore digitale (ZOH, T_s).

Attività: specifica → progetto → simulazione → commento.

Evidenze: notebook + 1 pagina di sintesi.

Valutazione: correttezza del progetto, motivazioni, robustezza. Peso: 6%.
Carico indicativo: 8 h (di cui 2 h demo live).

3. Minicaso “Drive selection”

Obiettivo: scelta preliminare del motore e dell'azionamento in base al profilo di carico.

Attività: selezione VSD, stima del beneficio energetico, vincoli.

Evidenze: scheda tecnica 1–2 pagine.
Valutazione: coerenza tecnico-economica, chiarezza. Peso: 4%.
Carico indicativo: 6 h.

4. Microprogetto PLC (di gruppo, 2–3 studenti)

Obiettivo: logica IEC 61131-3 (LD/SFC/FBD) e commissioning su simulatore.

Attività: implementazione + test; breve poster e pitch.

Evidenze: file progetto + poster 1 pagina.

Valutazione: funzionalità, robustezza, documentazione. Peso: 4%.
Carico indicativo: 10 h (di cui 2 h supporto live).

Totale e-tivity: 20% del voto e ~34 h di lavoro (incluse ~6 h sincrone). Il restante DI confluisce nelle esercitazioni guidate non valutate.

• Docenti coinvolti nel corso: progettano contenuti DE/DI e rubriche di valutazione; tengono le 20 h sincrone (lezioni, demo, Q&A); supervisionano e-tivity e microprogetto PLC; forniscono feedback e ricevimenti.

• Eventuale tutor disciplinare: facilita il forum, tiene brevi recap sincroni, dà il primo feedback sugli e-tivity, segnala criticità didattiche.

• Eventuale tutor di CdS: onboarding degli studenti, monitoraggio della partecipazione e del progresso sull’LMS, contatto proattivo con gli studenti a rischio, raccordo con il Coordinatore.

• Eventuale tutor tecnico, ad esempio un tecnico di laboratorio specifico: supporto agli accessi ai LMS/simulatori e troubleshooting.

• Service-Learning Assessment (controllo qualità servizi): risposte su forum/ticket entro 48 h feriali; calendario del help desk pubblicato sull’LMS e aggiornato mensilmente.

Testi base

1. Åström, K. J., & Murray, R. M. (2021). Feedback Systems: An Introduction for Scientists and Engineers (2nd ed.). Princeton University Press.

2. Franklin, G. F., Powell, J. D., & Emami-Naeini, A. (2019). Feedback Control of Dynamic Systems (8th ed.). Pearson.

PLC / Automazione

3) John, K.-H., & Tiegelkamp, M. (2010). IEC 61131-3: Programming Industrial Automation Systems (3rd ed.). Springer.

Azionamenti Elettrici (facoltativi, per approfondimento mirato)

4) Boldea, I., & Nasar, S. A. (2006). Electric Drives. CRC Press.
5) Leonhard, W. (2001). Control of Electrical Drives (3rd ed.). Springer.

Materiali del corso su LMS

Dispense del docente, set di esercizi, notebook MATLAB/Octave o Python; schede PLC, dataset per le e-tivity e template per report/poster.

Esame unico: coerente con i risultati di apprendimento (Learning Outcomes - LO):

• Prova scritta (analisi/progetto: PID, margini di stabilità, luogo delle radici, discretizzazione; brevi quesiti a risposta multipla, numerica o argomentata). Nel caso di quesiti a risposta multipla, non è prevista alcuna penalizzazione per risposte errate. Peso: 55%.

• Esercizio/Progetto PLC su simulatore (LD/SFC/FBD: specifica → implementazione → test/commissioning breve; consegna del file e della nota tecnica). Peso: 25%.

• E-tivity valutate (Workbook PID, Lab discreto, Mini-caso drive, Microprogetto PLC). Peso complessivo: 20%.

Criteri di valutazione. Correttezza tecnica e metodologica; capacità di giustificare le scelte progettuali; qualità dei grafici e dei calcoli; robustezza/gestione dei vincoli (saturazioni, limiti attuativi); chiarezza espositiva; qualità del codice/programma e documentazione.

Soglie e verbalizzazione. Superamento con voto finale ≥ 18/30. Orale integrativo su richiesta dello studente o del docente (esiti borderline, chiarimenti progettuali). Esiti pubblicati sull’LMS nel rispetto degli SLA di corso.

Svolgimento delle prove. Gli esami si svolgono in presenza presso l’Università di Ferrara secondo i regolamenti vigenti. Ove previsto dai Regolamenti di Ateneo/CdS, gli esami possono svolgersi a distanza, con verifica dell’identità e colloquio di conferma a campione.

Trasparenza. Rubriche di valutazione e mappatura dei Learning Outcomes (LO) → prove disponibili sull’LMS prima dell’esame.