L’automazione industriale è un campo di vitale importanza per i parchi divertimento, che si affidano a tecnologie avanzate per offrire ai propri visitatori esperienze sempre più emozionanti e al tempo stesse sicure. Consente, ad esempio, di automatizzare i processi di controllo e monitoraggio degli impianti, ridurre i tempi di fermo per manutenzione e appunto migliorare la sicurezza delle attrazioni.

Analizziamo insieme questo affascinante mondo a cui quotidianamente, senza nemmeno accorgerci, affidiamo la nostra vita in cambio di attimi di divertimento e spensieratezza.

La storia dell’automazione

L’automazione industriale è un ramo ingegneristico che ha origini antiche, che risalgono al periodo in cui gli uomini cominciarono a utilizzare le prime macchine semplici per snellire il lavoro manuale. Nel corso dei secoli si è evoluta progressivamente grazie all’introduzione di nuove tecnologie e alla continua scoperta di nuovi materiali.

Tuttavia, il vero sviluppo dell’automazione iniziò nel XIX secolo, con l’avvento della Rivoluzione Industriale. L’industria tessile fu una delle prime ad adottare i sistemi di automazione utilizzando le macchine a vapore per movimentare i primi telai meccanici: il loro inventore, il meccanico inglese Edmund Cartwright, passò alla storia come uno dei pionieri dell’automazione industriale.

Nel corso del XX secolo l’automazione continuò a evolversi con l’introduzione dei sistemi a controllo numerico e dei prototipi di robot industriali fino a raggiungere gli anni ’50, in cui furono sviluppati i primi controllori logici, che consentivano di programmare l’automazione dei processi produttivi. Successivamente, negli anni ’70, vennero introdotti i primi sistemi di supervisione e controllo elettronico, che permettevano di monitorare le operazioni produttive in tempo reale e di intervenire in caso di guasti o malfunzionamenti.

Negli ultimi decenni, l’automazione industriale ha raggiunto un livello di evoluzione molto avanzato grazie all’introduzione di tecnologie come l’Internet of Things (IoT), l’intelligenza artificiale e la robotica collaborativa. Oggi l’automazione industriale è un settore in costante crescita, che continua a evolversi per soddisfare le esigenze di un mercato sempre più competitivo ed esigente.

Come funziona e da cos’è composta

Sebbene il settore dell’automazione sia assai variegato, in quanto si adatta a qualsiasi esigenza del cliente finale e quasi ogni macchinario è costruito ad-hoc per il suo specifico utilizzo, le basi su cui si fonda sono necessariamente sempre le stesse: un gruppo di sensori (per rilevare/leggere valori), un gruppo di attuatori (per fare azioni/manipolazioni) e un controllore (PLC/DCS, che supervisiona). Nei sistemi più complessi sono presenti anche i pannelli operatore e altre interfacce per permettere interazioni tra uomo e macchina.

La piramide dell’automazione. Ogni livello corrisponde a determinati dispositivi e fasi.
Immagine di realpars.com

Gli impieghi dell’automazione nei parchi divertimento

All’interno dei nostri amati parchi, l’automazione svolge i ruoli più disparati quanto fondamentali: dalla gestione dei sistemi di sicurezza delle attrazioni a quelli di illuminazione, suoni ed effetti speciali, oltre al controllo delle biglietterie e delle code.

Questi sistemi sempre più evoluti e autonomi consentono di monitorare costantemente qualsiasi impianto e intervenire tempestivamente in caso di guasto o malfunzionamento, garantendo in ogni momento la sicurezza di cast members e guests. Al giorno d’oggi non esiste attrazione o show all’interno di un parco che non sia dotata di sensori, attuatori o controllori, pertanto procediamo con l’analisi di tali dispositivi.

Tipologie di segnale

Una veloce premessa, prima di addentrarci nei dettagli dell’automazione, riguarda la distinzione dei segnali. In elettronica, infatti, ne troviamo di due tipi: analogici e digitali.

Quelli analogici, com’è facile intuire dalla parola, sono segnali che variano in modo continuo nel tempo e nell’ampiezza in base a misurazioni fisiche, come ad esempio un segnale audio o un segnale di tensione, caratterizzato da onde sinusoidali. Ciò significa che il valore del segnale può assumere qualsiasi valore all’interno di un intervallo specifico. Un segnale analogico può essere rappresentato da una curva continua che mostra come il valore del segnale varia nel tempo.

I segnali digitali, invece, sono segnali temporali discreti e non continui. Il segnale digitale trasporta informazioni o dati in forma binaria, cioè un segnale digitale rappresenta le informazioni sotto forma di bit. L’intervallo di bit (bit rate) descrive il tempo necessario per inviare un singolo bit, ovvero descrive ne la frequenza. È rappresentato da un’onda quadra con ampiezza che varia tra zero e uno.

Rappresentazioni di segnali digitale e analogico

I dispositivi di acquisizione dati: i sensori

Dal punto di vista elettronico, un sensore è un modulo costituito da un insieme di dispositivi elettronici sensibili a un determinato fenomeno fisico, che convertono l’informazione ricevuta in un segnale elettrico misurabile. L’obiettivo principale di un sensore è quello di rilevare la presenza o l’assenza di una grandezza fisica, come ad esempio la temperatura, la pressione, la luce, il suono, e convertirla in un segnale elettrico che possa essere elaborato da altri circuiti elettronici, come un microcontrollore, PLC o altri.

In automazione i sensori possono essere ridondanti per garantire la massima sicurezza e affidabilità del sistema: ciò significa che sono presenti due o più sensori che svolgono la stessa funzione in modo indipendente in un punto preciso. Se uno dei sensori si guasta o fallisce per qualsiasi motivo, gli altri sensori possono continuare a rilevare e monitorare la situazione, evitando il rischio di guasti o malfunzionamenti del sistema. Inoltre, i sensori ridondanti possono aumentare la precisione e l’accuratezza dei dati raccolti, migliorando le prestazioni del sistema e
riducendo il rischio di errori o imprecisioni. Ecco perché nelle attrazioni possiamo vedere lungo il percorso svariate tipologie di sensori, spesso a gruppi di due o più elementi.

Le famiglie di questi dispositivi sono veramente molteplici, tra le più diffuse si trovano:

• sensori induttivi: sono utilizzati per rilevare parti metalliche. Consistono in una bobina con un nucleo magnetico, un circuito oscillatore ed un interruttore.  L’oscillatore crea un campo magnetico nella bobina, se è presente un oggetto metallico (di materiale ferromagnetico) nel suo campo di azione l’ampiezza dell’oscillazione diminuisce a causa delle perdite in un oggetto metallico presente nel campo di azione. Tale variazione è rilevata per azionare l’interruttore. Tra le caratteristiche peculiari di questo sensore c’è un campo di funzionamento piuttosto limitato (pochi centimetri) e una frequenza di operazioni molto elevata dell’ordine di migliaia di volte al secondo rendendoli adatti a rilevare oggetti in rapido movimento.
  
• sensori capacitivi: sfruttano la variazione di capacità di un condensatore al variare del mezzo tra le due armature. Sono capaci di rilevare oggetti che hanno una costante dielettrica εr maggiore di 1.2 (aria = 1). Se la costante dielettrica è molto alta possono rilevare oggetti all’interno di contenitori metallici. Per questo sono usati per la rilevazione del passaggio di un fluido in una condotta;
  
• sensori fotoelettrici: usano un fascio luminoso per rilevare la presenza di oggetti che lo bloccano o lo riflettono. Sono costituiti da un emettitore di luce (led ad infrarosso o laser) e da un ricevitore. Normalmente viene usato un fascio di raggi infrarossi, in quanto questa radiazione difficilmente si confonde con i disturbi generati da fonti luminose ambientali. Il campo sensibile di questi sensori dipende sostanzialmente dalla natura della superficie dell’oggetto da rilevare, che va tipicamente dai 10 cm a qualche metro;
• sensori ultrasonici: funzionano sul principio del sonar, ovvero emettono impulsi sonori ultrasonici e rilevano un’eventuale eco di ritorno generata dalla presenza di un oggetto all’interno della portata nominale. Questi sensori sono costosi ma presentano dei significativi vantaggi: possono avere portate nominali molto elevate (fino a 10 m); sono immuni ai disturbi elettromagnetici; possono rilevare oggetti di qualsiasi materiale; possono rilevare oggetti senza che questi siano stati preventivamente preparati;
• sensori resistivi: questi dispositivi variano la propria resistenza elettrica in relazione alla grandezza fisica misurata.
• sensori meccanici: tipicamente impiegati col ruolo di finecorsa, sono sensori in cui sia la grandezza di ingresso è frutto di uno spostamento fisico (lineare o angolare).

Esempi di impiego dei sensori

Nelle varie sezioni di un coaster si possono notare sparpagliati qua e là i proximity sensors: il loro ruolo è rilevare una determinata parte metallica del treno (infatti si tratta di un sensore induttivo), nel momento in cui esso si avvicina al gruppo di sensori viene inviato un segnale elettrico al PLC segnalandone la presenza. Questo fa sì che tutto il percorso sia costantemente monitorato in ogni sua singola porzione, evitando pericolose situazioni con più treni ravvicinati. I proximity sono sensori digitali, pertanto il loro segnale d’uscita è composto da bit (zero se non rileva nulla, uno se rileva il treno). Di seguito vi proponiamo alcune immagini dei sensori presenti su “Oblivion: The Black Hole“, il dive coaster di Gardaland.

Rimanendo sempre in ambito coaster, spesso vi sarà capitato di vedere in cima alle lift l’anemometro, il dispositivo che rileva la velocità e l’angolazione del vento. Anch’esso funziona attraverso l’uso di sensori che misurano la spinta del vento e la velocità di rotazione delle pale. In base alla velocità rilevata, l’anemometro elettronico genera un segnale analogico direttamente proporzionale ( il rapporto tra le due grandezze è costante) alla misurazione. All’aumentare del vento le pale ruotano più velocemente, aumentando quindi i valori in uscita dai sensori. Questi dati vengono poi elaborati dal PLC per ottenere una grandezza con un’unità di misura convenzionale.

Un altro esempio sono le fotocellule, o sensori fotosensibili. Nell’attrazione “Magma 2.1” di Movieland Park ne troviamo davvero a decine.
L’intera ride è divisa in sezioni contenenti diversi effetti speciali che si attivano al passaggio del camion: quando questo attraversa i raggi infrarossi delle fotocellule, le scene di animano in totale autonomia con esplosioni di fuoco, terremoti e ponti che crollano in acqua!

Di tutt’altra tipologia invece gli attivatori delle scene de “I Corsari“, storica attrazione di Gardaland inaugurata nell’ormai lontano 1992. L’attrazione è una water dark ride dell’azienda Intamin che si sviluppa in un percorso acquatico posto a circa 14 metri sotto il livello del suolo: 22 le barche lungo il percorso, 40 gli ospiti trasportati da ciascuna.

La scelta dei progettisti per attivare le varie sezioni è stata quella dei cosidetti sensori a bacchetta, veri e propri interruttori meccanici che al passaggio della barca vengono in contatto con essa e ruotando inviano il segnale verso il PLC. Semplici ma efficaci!

Nella seconda parte di questa serie di articoli andremo a scoprire il mondo degli attuatori e dei controllori, completando le basi di un sistema d’automazione.

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