I trasduttori e il loro ruolo fondamentale nella gestione dei magazzini 4.0

La logistica italiana è un settore economico in buona salute, perfettamente a conoscenza delle necessità per rendere duraturo l’attuale trend di crescita. Tra queste, l’importanza di investire in tecnologie digitali per l’automazione coniugata con le comunicazioni in perfetta modalità 4.0. componenti principali in tale ottica sono i trasduttori.

La rilevazione annuale dell’Osservatorio Con­tract Logistics “Gino Marchet” del Politec­nico di Milano ha restituito, per l’anno 2022, l’immagine di un settore economico in buona sa­lute: in crescita fatturato totale, quello in conto terzi e il tasso di terziarizzazione a fronte di pro­blemi derivanti dalla carenza di risorse (capacità di trasporto su gomma ma anche nelle stive di aerei e navi), dall’impennata dei costi dell’energia e dei carburan­ti e da una non ancora adegua­ta capacità operativa dei logistic manager, le figure deputate a in­dividuare nuovi possibili punti di equilibrio stabile nella valutazio­ne degli investimenti: nelle solu­zioni di Logistica 4.0 e/o di effi­cienza energetica, nella trasfor­mazione dei processi e delle re­ti logistiche, nel potenziamento della collaborazione fra le figure operative della filiera.

L’Osservatorio evidenzia come il 72% delle aziende del settore ha realizzato almeno un progetto in ambito automazione avanzata: digitalizzazione della gestione dei varchi di accesso, trasdutto­ri per raccogliere e trasmettere dati in automatico a un siste­ma informativo, access point per consentire l’accesso in rete, blockchain per rendere univoco e sicuro l’accesso alle informa­zioni, robot per manipolare e movimentare in modo automa­tico le merci all’interno dei ma­gazzini.

Intralogistica e digitalizzazione

Il boom di ordini che ha interes­sato alcuni settori del manifat­turiero ha reso, inoltre, molto attuale il tema dell’intralogisti­ca, strumento fondamentale per avere una maggiore efficienza – e, quindi, una riduzione dei co­sti – nella gestione della supply chain interna ad un’azienda: ciò è stato reso possibile solo cor­relando opportunamente i flussi interni di materiali con i processi produttivi, tracciando e localiz­zando le movimentazioni interne della supply chain – dall’approv­vigionamento delle materie pri­me, all’invio in produzione, fino allo stoccaggio e alla spedizione ai clienti di lavorati, semilavorati o prodotti finiti.

Al centro del processo di digita­lizzazione della logistica in de­clinazione 4.0 c’è, quindi, il ma­gazzino: teatro di una vera e pro­pria rivoluzione industriale esso ha visto, pur mantenendo il suo ruolo canonico nella filiera logi­stica, una crescita esponenziale delle dotazioni tecnologiche sia nelle componenti impiantistiche – elettriche, speciali e a fluido – sia in quelle di macchina.

Impianti e macchine

Tale rivoluzione ha riguardato la capacità di impianti e di mac­chine di gestire in maniera auto­noma tutto un set di operazioni collegate al loro funzionamento ma anche tese a perseguire po­litiche di tutela della sicurezza, della sostenibilità e dell’efficien­za energetica.

Ecco che i diversi impianti si inte­grano, utilizzando infrastrutture dati comuni, per ottimizzare il lo­ro funzionamento in base a pa­rametri come:

• presenza/assenza di persone;
• condizioni ambientali interne (temperatura, pressione, umi­dità, qualità dell’aria, posizione, velocità, …);
• condizioni ambientali esterne (temperatura, velocità del ven­to, precipitazioni atmosferiche).

Anche le macchine hanno rag­giunto livelli di autonomia ope­rativa avanzata che le ha porta­te non solo a sostituirsi all’uomo nello svolgimento di attività peri­colose e/o inefficienti ma anche a collaborarvi a stretto contatto, operando financo sullo stesso compito (bracci robotizzati an­tropomorfi, AMR, eccetera).

I livelli di automazione citati sono stati raggiunti anche perché im­pianti e macchine sono adesso in grado di leggere l’ambiente in cui operano e, conseguentemente, di interagire con esso. Essi, quindi, riescono a “sentire” le grandezze fisiche a cui sono interessati e a tradurle in segna­li elettrici a bassa intensità, utili all’elaborazione elettronica degli stessi e ad una conseguente a­zione correttiva.

Il trasduttore

Il componente a cui è demandato questo fondamentale compito è il trasduttore che, insieme all’u­nità di elaborazione e agli attuatori, costituiscono un sistema di automazione (figura 1).

È molto importante sgombrare il campo da un comune fraintendimento: trasduttori e sensori non sono la stessa cosa, come ben evidenziato dalla figura 2.

Il sensore

Il sensore è un sub-componente del trasduttore: esso ha il delicato compito di interfacciarsi con la grandezza fisica oggetto di rilevazione (sistema fisico) e di trasformarla in una grandezza di natura elettrica che, però, non ne consente l’utilizzo per i fini del sistema di controllo perché sono necessari ulteriori trattamenti del segnale: la conversione in una grandezza elettrica direttamente utilizzabile (tensione o corrente) e il condizionamento (filtraggio, amplificazione, …).

Anche dal punto di vista economico c’è differenza tra sensore e trasduttore: in molte applicazioni, come quella fonometrica, la quasi totalità del costo del trasduttore è associato al sensore.

Classificazione dei trasduttori

I trasduttori si possono classificare in base a diversi elementi caratteristici, come segue:

• In base alla grandezza rilevata (ved. tabella).
• In base ad aspetti energetici: i trasduttori possono essere divisi in attivi e passivi. Sono attivi i trasduttori nei quali l’energia elettrica del segnale di uscita è sostenuta dalla grandezza fisica stessa. Ne sono un esempio i trasduttori costituiti da materiali piezoelettrici o piezoresistivi, le termocoppie (effetto Seebeck), i trasduttori fotovoltaici (il silicio illuminato fornisce una tensione), i trasduttori elettromagnetici (l’energia è ottenuta dallo spostamento reciproco tra un magnete e una bobina), ed altri. Nei trasduttori passivi, invece, l’energia del segnale elettrico in uscita è fornita da un’alimentazione apposita.
• In base alla natura del segnale di uscita: un trasduttore è analogico quando il segnale di uscita varia con continuità nel tempo, in maniera “analoga” al segnale di ingresso. Si parla di traduttori digitali se la corrente o la tensione di uscita sono costituite da una sequenza di impulsi la cui frequenza è proporzionale alla grandezza non
  elettrica di ingresso. Un esempio di trasduttore analogico è costituito dalla dinamo tachimetrica mentre un esempio di trasduttore digitale è l’encoder tachimetrico.

Parametri tecnici

I parametri tecnici dei trasduttori, normalmente forniti da costruttori, si suddividono in statici, dinamici e condizioni ambientali:

• statici: comprendono le informazioni sul comportamento ingresso-uscita del trasduttore quando la grandezza da misurare è stabile oppure varia molto lentamente. I principali sono il campo operativo o range, il campo di normale funzionamento, la accuratezza, la sensibilità, la risoluzione, la funzione di trasferimento, la (non) linearità, la precisione, l’isteresi, l’offset di uscita e la stabilità;
• dinamici: definiscono la risposta del trasduttore a un gradino del valore della grandezza fisica rilevata. I principali sono la costante di tempo, il tempo di risposta, il tempo di salita;
• ambientali: rappresentano le condizioni di funzionamento (temperatura, acidità, salinità, radiazioni, ecc.) entro le quali i parametri precedenti sono garantiti.

Di qualità e smart

Un trasduttore di buona qualità deve essere caratterizzato da:

• funzione di trasferimento lineare;
• alta sensibilità;
• ampio campo operativo;
• bassa risoluzione;
• basso tempo di risposta;
• bassa isteresi;
• alta accuratezza;
• elevata ripetibili.

Ma quali devono essere le caratteristiche di un trasduttore affinché possa essere qualificato come smart?

Uno smart transducer deve essere in grado anche di eseguire – in base ai dati rilevati ad essi differenti – funzioni predefinite, immagazzinando e rielaborando i dati prima di trasmetterli all’esterno in formato digitale (figura 3).

Dal punto di vista dell’architettura questo dispositivo è costituito da un trasduttore, un microprocessore, un’interfaccia studiata per la comunicazione: esso è in grado di ricevere e generare dati che vanno oltre i classici segnali di commutazione o parametri di processo misurati.

Dimensioni tecnologiche

Grazie all’utilizzo di questi dispositivi è possibile estendere le potenzialità dell’IoT alla realtà dei sistemi produttivi e logistici, offrendo alla supply chain4 dimensioni tecnologiche fondamentali.

Sensibilità avanzata

I trasduttori intelligenti forniscono risultati di misurazione/rilevamento affidabili che incrementano la potenzialità degli impianti. Rilevano rapidamente le anomalie e facilitano l’installazione già durante il montaggio attraverso il monitoraggio dei loro parametri di funzionamento. Offrono diverse modalità operative per adattarsi in modo dinamico all’operazione da svolgere.

Comunicazione efficiente

Il flusso di dati bidirezionale tra il trasduttore e l’unità di controllo è continuo ed affidabile grazie alla trasmissione in digitale. Gli smart transducer possiedono un grado di flessibilità tale da consentire la configurazione per svariate modalità di utilizzo e la sostituzione plug-and-play rapida in caso di guasto grazie al setting automatico dei parametri.

Diagnostica avanzata

I trasduttori smart eseguono continuativamente il monitoraggio automatico di un’ampia gamma di parametri. La precisa diagnostica apre la strada al concetto di manutenzione preventiva, per evitare tempi di fermo imprevisti e pianificare gli interventi in modo accurato, riducendo costi, tempo e fastidi.

Smart tasks

Per smart tasks si intendono funzioni specifiche che vengono svolte grazie all’elaborazione dei dati in maniera diretta da parte dei trasduttori. Essi, in altre parole, sono in grado di generare e analizzare le informazioni sul processo che sono effettivamente necessarie per una specifica mansione da svolgere nell’impianto.

Conclusioni

Grazie alle funzioni evolute dei trasduttori smart, quindi, i parametri dei reparti produttivi e quelli dei magazzini sono costantemente rilevati, analizzati e comunicati tramite le reti aziendali in modo tale che la catena di approvvigionamento risulti sempre puntuale, efficiente e trasparente come avviene, ad esempio, nei sistemi just in time di reintegrazione delle scorte amano a mano che vengono consumate.

Ottimizzazione dei percorsi dimezzi e persone, localizzazione degli asset (prodotti o semilavorati), trasparenza della supply chain, interconnessione dei processi – i pilastri dell’intralogistica 4.0 – sono tutti basati sull’utilizzo di trasduttori evoluti, dispositivi di cui si potrà sempre più difficilmente fare a meno.