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Industria 4.0 : Gli indicatori universali

Tra gli aspetti fondamentali dell'industria 4.0 ci sono , come abbiamo visto negli articoli precedenti, intelligenza distribuita , internet of things e la possibilità di connettere sistemi fisici , digitali e di analisi e controllo dei processi collocati in qualsiasi punto di un'industria o di una rete di industrie. Resta comunque la necessità per gli addetti che lavorano all'interno della fabbrica di prendere visione , analizzare e controllare , in determinate posizioni , grandezze rilevate in loco o in un qualsiasi altro punto della fabbrica. A questo scopo sono pensati gli indicatori universali , che sono anch'essi sempre più sistemi distribuiti, grazie all'interconnessione con i bus industriali .

Gli indicatori sono strumenti di precisione che offrono una lettura della misurazione di una grandezza fisica. Consentono di visualizzare parametri come la temperatura, l’umidità dell'aria, la pressione o la forza esercitata e per questo motivo vengono largamente impiegati nell’industria per il controllo degli impianti o in laboratorio per la rilevazione dei dati delle ricerche.

Oltre alla misurazione e all'indicazione di segnali normalizzati, l’indicatore può misurare anche altre grandezze fisiche mediante appositi sensori collegati direttamente all'indicatore. In questo caso si parla di lettura indiretta degli indicatori.

La visualizzazione dei dati misurati può essere rappresentata in maniera analogica o digitale. Nel caso degli indicatori a lettura analogica, il valore misurato è riportato su una scala graduata, mentre nel caso degli indicatori a lettura digitale, la variazione del dato viene rappresentata direttamente da un valore numerico e visualizzata su apposito display attraverso un numero o di un diagramma grafico.

I display utilizzati per questo scopo sono di diverso tipo. La tecnologia più utilizzata è quella del display a cristalli liquidi ma negli ultimi anni si è assistito ad un’ulteriore evoluzione grazie alla tecnologia OLED.  OLED È una tecnologia che permette di realizzare display a colori con la capacità di emettere luce propria: a differenza dei display a cristalli liquidi , che vengono illuminati da una fonte di luce esterna , i display OLED non richiedono componenti aggiuntivi per essere illuminati ma producono luce propria; questo permette di realizzare pannelli molto sottili, addirittura pieghevoli e arrotolabili e che richiedono minori quantità di energia per funzionare, determinando un notevole risparmio energetico.

Come nei precedenti articoli, il modo migliore per scendere nei dettagli delle modalità di funzionamento dei componenti illustrati è quello di prendere in esame un prodotto reale , le sue caratteristiche tecniche e le modalità di funzionamento. Nell’ambito degli indicatori universali OLED , prendiamo in considerazione l'indicatore universale OLED PCE-N40U che può essere utilizzato per la misurazione di vari tipi di segnale. Questo indicatore si contraddistingue dagli altri per la facilità di lettura e per la completezza della rappresentazione dei dati. Oltre all'indicazione numerica infatti, su questo indicatore si possono rappresentare i dati e valori misurati in formato di grafico attraverso un diagramma a barre.

Questo tipo di indicatore può essere collegato e configurato mediante un PC. Ciò ha il vantaggio che le configurazioni programmate vengono archiviate, cosa che permette di configurare altri indicatori con la stessa configurazione. Questa funzione garantisce un grande risparmio di tempo, e protegge gli indicatori da una manipolazione indebita. 
Il collegamento e il trasferimento dei dati è possibile grazie all'interfaccia Modbus, che è uno dei protocolli di comunicazione seriale più diffusi al mondo per la comunicazione tra dispositivi elettronici industriali consente di inviare i dati a PLC , HMI , Pannelli operatore e computer industriali con sistemi SCADA , specializzati nella nella gestione e nel controllo dei processi industriali. 

Oltre alla misurazione dei dati, il dispositivo permette di impostare anche una serie di allarmi grazie ai relè incorporati nell’indicatore.

Concludendo la sua descrizione, L'indicatore universale OLED PCE-N40U è uno strumento estremamente versatile e di facile utilizzo: L'indicatore universale dispone infatti di un pannello frontale dove sono presenti i tasti per la programmazione. Il menù è disponibile in 5 lingue e può essere montato sia in orizzontale che in verticale grazie anche ad un pratico contenitore da tavolo con piedini reclinabili, venduto separatamente e che permette di impilare più contenitori o di utilizzare l’indicatore in forma mobile.

Esempio di specifiche tecniche :
- Display OLED monocromatico (colore giallo)
- Dimensioni: 96 x 48 mm
- Frequenza di campionamento fino a 1,2 kHz (0,83 millisecondi)
- Impostazione di differenti tipi di segnali
- Installazione orizzontale o verticale
- 2 relè (uscite di allarme)
- 1 uscita analogica 0/4 ... 20 mA
- Comunicazione seriale tramite interfaccia RS-485
- 2 ingressi utenti programmabili
- Programmazione attraverso il menù di testo in 5 lingue

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Industria 4.0 : i sistemi di telemanutenzione e teleassistenza

Tra i numerosi vantaggi dell'Industria 4.0 uno non trascurabile consiste nella possibilità di effettuare lavori di manutenzione e assistenza su macchine, impianti e sistemi in remoto senza quindi la necessità che ci sia un tecnico presente sul posto : si parla in questo senso di tele-manutenzione o teleassistenza.

Questo tipo di sistema di manutenzione comporta risparmi non indifferenti perché permette di intervenire preventivamente e tempestivamente, riducendo nel contempo le ore lavorative dei tecnici supervisori , i tempi di uscita del manutentore necessari per recarsi all’impianto , i tempi di inattività dell'impianto o del processo.

La disponibilità di intelligenza distribuita all'interno della fabbrica, sia per rendere disponibili misure , consensi , finecorsa , interruttori di stato che per ricevere segnali e parametri permette di portare questi valori non solo all'interno di ogni punto dell'azienda all'interno dello stabilimento , ma anche fuori dallo stabilimento stesso in qualsiasi altro luogo dove sia presente una rete internet o GSM.

Per entrare nel concreto e vedere come funziona un sistema di telemanutenzione e teleassistenza ,  prendiamo un esempio concreto di modulo commerciale disponibile sul mercato basato proprio su sistema GSM : il sistema di manutenzione a distanza GSM, modello PCE-TAM 300 fornisce una soluzione di intervento per poter monitorare e controllare sistemi o impianti decentralizzati. Il controllo di impianto e processi in remoto avviene infatti tramite agli avvisi SMS o e-mail che possono essere inviati in tempo reale all’operatore.

Il PCE-TAM 300, si collega a un server a intervalli regolari per trasferire i valori di misura, lo stato dei contatti, etc e informa l'utente quando il processo ha raggiunto un determinato stato o valore limite o in caso di caduta della tensione.

E’ un sistema estremamente flessibile, dalle dimensioni e dal peso contenuto, montabile su guida DIN e che permette il monitoraggio costante a distanza ma anche la variazione dei parametri di registrazione in maniera remota. In molti impianti è possibile infatti che alcuni parametri debbano essere modificati dopo l'istallazione e sia quindi necessario apportare variazioni alla parametrizzazione dei moduli. Nulla di più semplice, Si può intervenire tramite porta usb o sempre a distanza tramite interfaccia browser.

I moduli per i sistemi di manutenzione a distanza professionali e industriali consentono infatti di effettuare tutti i lavori di manutenzione e assistenza su macchine, impianti e sistemi senza che nessuno sia fisicamente presente.

Inoltre, in caso di errore, oppure per la formazione dei tecnici, si può richiedere la consulenza a distanza di un esperto. La manutenzione a distanza può essere effettuata tramite una linea fissa (analogica o ISDN), linee mobili (GPRS, EDGE, UMTS, HSPA) oppure internet (DSL, LAN, TV via cavo). Oltre alle linee di collegamento è necessaria un'interfaccia comune (es. RS232, RS485, MPI o Profibus) per poter effettuare la manutenzione a distanza

Il segnale GSM è particolarmente potente e permette l’utilizzo del sistema di manutenzione in tutto il mondo grazie alla tecnologia quadband della rete mobile di cui è dotato e che permette di operare sulle frequenze 850, 900, 1800 & 1900 MHz Può essere alimentato a corrente o a batteria. Tra l’altro dispone di una batteria 6 V / 6 Ah con regolazione di carica integrata che lo rende particolarmente efficiente.

E’ possibile infine abbinare al sistema diversi accessori come i moduli per gli ingressi analogici, l’antenna SMA e l’interfaccia di programmazione.

Grazie agli accessori e alle interfacce estese, i moduli di controllo remoto di PCE come modello PCE-TAM 300, possono essere configurati per qualsiasi impostazione personalizzata del cliente permettendo la progettazione di un sistema che integri i sensori, i datalogger, i convertitori e i moduli di controllo remoto

Specifiche tecniche

  • GSM Rete mobile Quadband (850, 900, 1800 & 1900 MHz)

  • Alimentazione: Alimentazione a corrente: 11 ... 35 V DC / 290 mA Batteria: 6 V / 6 Ah con regolazione di carica integrata

  • Interfaccia USB per programmazione

  • Collegamento antenna SMA

  • Temperatura operativa -30 ... 60 °C

  • Dimensioni 72 x 90 x 61 mm Peso 139 g

 

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Il laser fa male o fa bene alla salute ? Effetti del laser sull'uomo

Il titolo di questo articolo riprende una domanda che , un po' semplicisticamente , viene posta dai neofiti del laser : quando l'uso del laser fa male e può quindi creare danni alla salute dell'uomo ( principalmente su occhi e pelle ) e in quali applicazioni può invece avere effetti positivi sulla salute dell'uomo.

Gli effetti positivi sono legati all'utilizzo terapeutico o estetico dei laser : in ambito estetico sono ormai disponibili depilazione laser , trattamento di rughe , cicatrici , smagliature e capelli. In ambito medico , le applicazioni sono davvero tante : chirurgia , oncologia ( riscaldamento selettivo e distruzione di cellule tumorali ) , oculistica ( diffusissimo è ormai l'intervento alla retina ) , urologia ( distruzione di calcoli renali ) , ecc

Riguardo invece gli effetti negativi anticipiamo una risposta sintetica , che andremo ad approfondire nel resto dell'articolo : ci sono laser che , anche se usati impropriamente , non hanno conseguenze negative sull'uomo e ci sono laser che , invece , possono far male all'uomo e quindi devono essere utilizzati con molta attenzione e da personale esperto e appositamente formato. A tale proposito ci vengono in aiuto le norme ( CEI 76-2CEI EN 60825 ) , che effettuano proprio una suddivisione dei dispositivi a laser in base a classi di pericolosità.

Le norme si appoggiano alla definizione di Livello di Esposizione Accettabile ( LEA ) e Esposizione Massima Permessa ( EMP ) : i laser che non fanno male alla salute vengono detti laser intrinsecamente innocui e vengono classificati di classe 1 ( nessun rischio ) . Sono di potenza inferiore a 0,04 mW e non possono creare danni all'uomo in nessuna condizione , neanche per esposizioni prolungate e se puntati sugli occhi con sistemi di osservazione come binocoli e microscopi . Se invece sono possono diventare pericolosi in caso di osservazione con questi sistemi ottici , vengono definiti di classe 1M ( rischio basso ) .

A crescere dalla classe 1 , iniziano ad essere importanti i distinguo :

Laser di classe 2 ( rischio basso ): sono di potenza inferiore a 1mW ed emettono luce nello spettro visibile ( tra 400 nm e 700 nm ). Non sono laser intrinsecamente sicuri e bisogna pertanto evitare di guardare direttamente il fascio o di puntarli sulle persone. E' anche vero che , spesso , basta il normale riflesso che si ha di fronte a una luce intensa per provocare la chiusura della palpebra ed evitare danni . Va comunque opportunamente segnalato il rischio e il divieto di guardare direttamente nel fascio.

Laser di classe 2M ( rischio basso ) : hanno caratteristiche simili ai dispositivi di classe 2 , ma diventano pericolosi se osservati con sistemi ottici come lenti e binocoli . Questo rischio va sottolineato e specificato , invitando gli utenti a non utilizzare i sistemi ottici in questione.

Laser di classe 3R : sono dispositivi caratterizzati da un rischio medio , con lunghezza d'onda più ampia dello spettro visibile ( tra 302,5 nm e 10^6 nm ) per cui , se puntati negli occhi , possono anche non provocare reazioni difensive come il riflesso corneale. L'uso ne è consentito solo a persone autorizzate e formate.

Laser di classe 3 : il rischio è medio e sono pericolosi se puntati direttamente sugli occhi . Minore è il rischio in caso di riflessioni del fascio. L'uso è consentito solo a persone autorizzate e formate , la zona di accesso al laser deve essere confinata e sorvegliata. Viene formato un Tecnico Sicurezza Laser ( TSL ) , a controllare il rispetto delle prescrizioni .

Laser di classe 4 ( rischio alto ) : sono laser pericolosi per l'uomo non solo in caso di esposizione diretta alla vista , ma anche nel caso di esposizione indiretta e , inoltre , l'irradianza è tale da poter provocare danni alla pelle e ad altri tessuti , oltre che poter provocare incendi. Vanno quindi usati con molta cautela e solo da persone con formazione specifica. La zona di utilizzo va confinata e sorvegliata e al Tecnico Sicurezza Laser spetta verificare che queste condizioni siano rispettate.

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Cos'è il laser , la sua storia , quali sono le applicazioni del laser .

Origine , nome e storia del Laser

Laser è l'acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation , ovvero si tratta di un amplificatore di luce per emissione indotta di radiazione . L'acronimo specifica lo stesso principio di funzionamento del Laser , che fu messo a punto negli USA ad inizio degli anni '60 con diverse tecniche : in California con una tecnica allo stato solido che sfruttava il cristallo del rubino e , contemporaneamente , fu depositato sempre negli Stati Uniti un brevetto di un laser a partire da due gas , elio e neon.

Quest'ultimo brevetto venne in realtà inizialmente definito Maser ottico a gas : storicamente la realizzazione del Maser ( Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) ha preceduto la costruzione del Laser ; fu infatti realizzato circa un decennio prima e il nome è frutto di un acronimo molto simile a quello del Laser , in cui Light ( Luce ) è sostituito da Microwaves ovvero microonde , cioè radiazioni elettromagnetiche con lunghezza d'onda maggiore ( cioè frequenza inferiore ) a quella dello spettro della luce visibile.

Alla base del dispositivo c'è il fenomeno dell'emissione stimolata o emissione indotta , indagata nei decenni precedenti a partire da uno studio di Albert Einstein nel 1917 . A differenza dell'emissione spontanea , che altro non è che la luminescenza cioè il fenomeno di emissione di radiazioni luminose da parte dei corpi durante il passaggio da stati ad energia superiore a stati di energia inferiore , dove i fotoni emessi hanno direzione e fase casuale , nell'emissione stimolata questo passaggio di stato è appunto provocato da radiazione elettromagnetica alla stessa frequenza , direzione e fase di quella incidente ed è una luce coerente. Vedremo nel prossimo paragrafo cosa si intende per luce coerente.

Le caratteristiche della luce laser e le sue applicazioni

Le applicazioni del laser sono dovute a caratteristiche molto particolari del fascio luminoso emesso dal dispositivo , che sono :

coerenza spaziale e temporale : le onde luminose conservano la stessa fase nel tempo e hanno la stessa fase in tutti i punti del fascio luminoso ;
monocromaticità : lo spettro delle frequenze luminoso è molto stretto , caratteristica legata alla coerenza temporale ;
direzionalità : il fascio luminoso è fortemente direzionale e collimato ( cioè non si disperde anche a distanze molto lunghe ) , questa caratteristica è legata alla coerenza spaziale ;
alta irradianza o densità di potenza W/cm2 : è legata alla direzionalità , essendo la potenza concentrata su una superficie molto stretta , il rapporto W/cm2 è alto ;

Come viene prodotta la luce laser : mezzo attivo , pompaggio e cavità

Per arrivare dall'enunciazione delle teorie sull'emissione indotta ad un dispositivo in grado di tradurre queste teorie in luce laser sono stati impiegati diversi anni , perché la tecnologia è effettivamente molto più complessa di quanto possa sembrare.

Il primo problema da risolvere consiste nel pompaggio del mezzo attivo , ovvero nel portare il mezzo attivo che produrrà l'emissione indotta ad uno stato di inversione della popolazione , dove la maggior parte degli atomi del materiale possiede più elettroni nello stato eccitato che nello stato fondamentale. A seconda della tecnica impiegata per portare il mezzo attivo in questo stato si parla di pompaggio ottico ( mediante luce ) , pompaggio elettrico ( mediante il passaggio di corrente o una scarica elettrica ) , pompaggio chimico ( mediante una reazione chimica ) o pompaggio atomico ( collisioni tra atomi o molecole ).

Il secondo aspetto tecnologicmente rilevante consiste nell'amplificare l'emissione indotta e nel renderla di caratteristiche tali da poterla utilizzare nelle varie applicazioni del laser. Questo avviene calando il mezzo attivo in una cavità ottica o risonatore ottico : immaginiamola come costituita da due specchi , di cui uno semiriflettente. La luce nella cavità viene ripetutamente riflettuta e amplificato , finché parte viene emessa attraverso la parete semiriflettente .

Il diodo Laser e la grande diffusione del Laser

Un grande impulso alla diffusione del laser e al moltiplicarsi delle sue applicazioni si è avuto negli anni '70 quando si è iniziato a realizzare laser con dispositivi a semiconduttore , il cosiddetto diodo laser , con conseguente miniaturizzazione e calo dei costi grazie alle economie di scala.

I diodi laser trovano applicazione nei seguenti campi : 

1) lettori ottici come quelli di CD , DVD , Blu Ray . Il lettore CD è forse stato il primo esempio di impiego di massa dei diodi laser : era il 1982 e il lancio del lettore CD da parte di Sony e Philips , grazie anche alla produzione di massa dei diodi laser da parte di Sharp , segno la fine dell'era analogica nel settore audio e hi-fi per entrare nell'era digitale. 
2) stampa Laser : la stampa laser è ormai sul mercato da oltre 40 anni , quando furono introdotte da Xerox , e oggi permettono di raggiungere alte velocità e qualità di stampa con grande affidabilità e silenziosità ; i costi sono ancora mediamente più alti della stampa a getto d'inchiostro , ma si sono sensibilmente ridotti col crescere della loro diffusione ; le stampanti laser funzionano in realtà su principi di elettrostatica : il compito del fascio laser è di colpire determinati punti del tamburo, un rullo caricato di carica elettrostatica positiva , facendo perdere la carica nei punti colpiti ; in questo modo i punti rimasti carichi positivamente attirano la polvere del toner , che è invece caricata negativamente ; la polvere si poggia sul foglio di carta e viene fissata mediante calore passando attraverso i rulli fusori.
3) sorgenti nei sistemi di comunicazione ottica : a questo proposito è immediato pensare alle fibre ottiche , ma la caratteristica del fascio laser di non disperdersi anche su lunghe distanze , li rendono ideali anche per le comunicazioni ottiche in spazio libero. Queste comunicazioni hanno lo svantaggio di poter raggiungere distanze di qualche decina di km e di necessitare che non vi siano ostacoli o agenti atmosferici tra trasmettitore e ricevitore ; 
4) strumenti di misura come telemetri e livelle laser : qui affrontiamo nel dettaglio come funziona un telemetro
5) lettori di codici a barre
6) puntatori laser : nati per i sistemi di puntamento in ambito militare e di armamenti , la loro miniaturizzazione e diffusione li ha resi facilmente disponibili a qualsiasi utente; per questo è importante la classificazione della pericolosità per la salute umana secondo le norme IEC 60825 e Cenelec EN 60825-1 ;
7) visori a sovraimpressione ( o head-up display ) : inizialmente nati in ambito aeronautico militare , poi diffusisi nell'aviazione civile e ora anche in ambito automobilistico
8) strumenti per la realtà aumentata , proiezione di immagini , dolby vision

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Il Laser negli strumenti di misura

Tra le tante applicazioni in cui il Laser è stato impiegato nei suoi quasi 70 anni di storia ci sono sicuramente le misurazioni. Gli strumenti di misura Laser sono ormai una realtà , soprattutto in edilizia e nei campi ad essa connessi ( impiantistica elettrica e idraulica , trasporti , ecc ) : alcuni strumenti molto diffusi sono il distanziometro , telemetro e la livella laser .

Il misuratore o telemetro laser è un dispositivo di alta precisione che permette di misurare la distanza tra due punti grazie all’emissione di un raggio laser a bassa intensità e misurando , tramite un sofisticato sistema di calcolo , il tempo intercorso tra l’emissione del raggio e il ritorno del suo riflesso.

Quali sono gli aspetti bisogna prendere in considerazione nella scelta di un misuratore di questo tipo ?  Gli aspetti determinanti per la scelta del misuratore laser sono sicuramente la precisione e funzionalità ma anche la grandezza il peso del prodotto e dimensioni dello schermo.  Questi fattori sono molto importanti perché ne determinano la maneggevolezza e la migliore fruibilità in tutte le situazioni. La maggior parte dei dispositivi viene utilizzata nell’edilizia civile e devono consentire misure precise in tutti i tipi di ambienti anche con ostacoli e la possibilità di leggere chiaramente i dati in tutte le situazioni di visibilità.

Per vedere quali funzionalità fornisce un misuratore laser rispetto a un normale altro strumento di misura delle distanze prendiamo un esempio di prodotto tra i vari misuratori disponibili sul mercato : il misuratore laser PCE-LDM 45 della PCE Instruments. Grazie ad un display retroilluminato fornisce risultati perfettamente leggibili e che può essere utilizzato per effettuare misure singole o per misurare in modalità continua, quando si vuole allineare superfici diverse divise da ostacoli. Grazie alla funzione pitagorica , permette all’operatore di calcolare anche la superficie e il volume di un ambiente , avendo a disposizione anche la funzione di addizione e sottrazione e una memoria interna per 20 punti di misura.  Completano le funzionalità di questo misuratore potente e versatile, la funzione di minimo e massimo e la possibilità di effettuare misurazioni fino a 40 m.

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I veicoli elettrici : quale impatto sull'ambiente e sulla rete di distribuzione elettrica

La diffusione dei veicoli elettrici : i numeri

Annunciata da almeno un decennio , la rivoluzione dei veicoli elettrici a batteria ( Battery Electric Vehicle, BEV ) , sembra essere davvero alle porte. Per quanto riguarda le auto , le statistiche degli ultimi anni a livello mondiale indicano parlano chiaro : +70% nel 2018 rispetto al 2017 , +40% nel 2019 sul 2018 , con la Cina principale mercato mondiale dove le auto elettriche nel 2018 sono raddoppiate rispetto al 2017 , con 1,5 milioni di auto elettriche in circolazione nel paese .

Ancora più alta è la penetrazione nel mercato che riguarda il traffico cittadino : la diffusione di mezzi pubblici a trazione elettrica è tra gli obiettivi di quasi tutte le metropoli occidentali , mentre i cosiddetti veicoli elettrici da ultimo miglio come bici elettriche ( dette anche e-bike ) o a pedalata assistita , gli scooter elettrici , le bighe elettriche ( note anche come segway dal nome del primo produttore che le ha immesse nel mercato ) , gli overboard , i monopattini elettrici , gli e-pitbike e i quad elettrici sono ormai parte integrante della nostra esperienza quotidiana nelle grandi città e non solo.

Inevitabile che questo rapido incremento dei mezzi a batteria richiederà un consistente aumento nella fornitura e distribuzione di energia elettrica : oggetto di questo articolo sono due :

- analizzare quanto gli effetti sull'ambiente dei veicoli elettrici dipendano dalle fonti di energia utilizzata per produrre l'energia necessaria alla ricarica delle batterie
- quale impatto può avere questo incremento sulla produzione ( quanto e come ) e distribuzione dell'energia elettrica , soprattutto in Italia .

I rendimenti e le energie in gioco : è davvero conveniente per l'ambiente l'auto elettrica ?

La prima domanda che un neofita potrebbe porsi è se l'auto elettrica , e i veicoli elettrici in generale , comportino davvero convenienze per l'ambiente rispetto ai veicoli tradizionali a combustione .

Nel veicolo a combustione vi è infatti conversione di energia chimica in energia termica ed infine in energia meccanica per svolgere un lavoro , con produzione di un determinato quantitativo di CO2 ed altri agenti inquinanti , immediatamente visibili dallo stesso utilizzatore finale.

Nel veicolo elettrico , dal lato dell'utilizzatore , vi è conversione di energia elettrica in energia meccanica senza emissione locale di anidride carbonica , polveri sottili ed altri agenti inquinanti , ma è naturale chiedersi :

1) come viene prodotta questa energia elettrica : da combustibili fossili , da energia nucleare , da fonti rinnovabili ? La risposta varia ovviamente da nazione a nazione e nelle righe che seguono analizzeremo il caso italiano ;
2) quanta di questa energia è necessario produrre a parità di lavoro meccanico svolto per effettuare lo stesso spostamento in termini di spazio ( km ) .
3) quanta energia non rinnovabile è necessario utilizzare per le attività non legate alla sola percorrenza chilometrica : per i mezzi tradizionali possiamo considerare ad esempio i costi in termini economici ed ambientali per l'estrazione , la raffinazione e il trasporto dei carburanti , per i veicoli elettrici una questione molto importante sono i costi ambientali di produzione e smaltimento delle batterie .

Lasceremo la terza questione come uno spunto di riflessione per far capire che un'analisi costi/benefici davvero completa è molto più complessa di quanto la si voglia far sembrare. Trattarla ci porterebbe molto fuori dall'oggetto di questa trattazione , suggeriamo questo link per approfondire .

Proviamo a rispondere invece alle prime due domande , individuando 4 diverse possibili situazioni :

A) l'energia elettrica è prodotta localmente da fonti rinnovabili . E' il caso in cui il cliente con il veicolo elettrico possa accedere , presso la propria abitazione o altri punti di ricarica , a colonnine di ricarica con energia prodotta sul posto da fotovoltaico , eolico o altre fonti rinnovabili . Questa situazione è quella ideale per l'ambiente , perché sono praticamente nulle sia le emissioni di CO2 ed inquinanti che le perdite per il trasporto dell'energia. Le uniche perdite si hanno nel sistema di ricarica delle batterie ( rendimento circa l'80% ) e nella trasformazione dell'energia elettrica in energia meccanica dovuta al motore elettrico , ma va specificato che i motori elettrici hanno rendimenti molto elevati se paragonati ai motori termici  ( superiori all'80% con valori tipici intorno al 90-95% ) .

Una parentesi riguardo le perdite alla colonnina di ricarica è doverosa : l'energia persa è dovuta in questo caso alla dissipazione termica per effetto Joule sui componenti . L'effetto Joule sui cavi elettrici e sugli altri componenti della stazione di ricarica è tanto più alto quanto più è alta la corrente e tanto più basso quanto più sono sovradimensionate le sezioni e le portate. A meno di sovradimensionare i componenti della stazione di ricarica , pertanto , l'esigenza di ridurre le perdite è in contrasto con l'esigenza di ridurre i tempi di ricarica.

B) l'energia elettrica è prodotta da fonti rinnovabili in punti remoti rispetto al punto di ricarica , ovvero presso centrali elettriche ( idroelettiche , ecc ) o impianti di generazione ( fotovoltaico , eolico , ecc ) . Questo caso è meno ideale del precedente , ma sempre molto conveniente per l'ambiente : oltre alle perdite del motore ci sono le perdite sulla rete di distribuzione , ma la produzione di CO2 , inquinanti e altri svantaggi per l'ambiente resta comunque nulla.

C) l'energia elettrica è prodotta da energia nucleare ( che ovviamente non può che essere "remota" rispetto al punto di ricarica , a meno di non avere una centrale nucleare in casa ! ) . Abbiamo evidenziato la casistica dell'energia nucleare in un caso a parte perché :

- non si tratta di un'energia fossile , seppure non sia a zero emissioni di CO2 considerando l'intero ciclo di vita dell'impianto di produzione ( ma in questo senso non lo sono neanche gli impianti fotovoltaici ed eolici ) ;
- pur avendo un impatto relativamente basso di CO2 e gas serra , implica comunque una serie di svantaggi dal punto di vista ambientale in caso di incidenti alla centrale stessa , nello smaltimento dei rifiuti e al termine del ciclo di vita della centrale , che sono ampiamente dibattuti e che in Italia hanno portato all'abbandono di questa fonte di energia ;
- proprio per la rinuncia italiana al nucleare , la quota di energia elettrica prodotta da nucleare comporta ancora maggiori perdite nel sistema di distribuzione dovute alla sua importazione dall'estero.

D) l'energia elettrica è prodotta da centrali che impiegano combustibili fossili . Ovviamente questa situazione è la più sfavorevole per l'ambiente rispetto alle precedenti e l'analisi deve farsi più qualitativa : da entrambe le parti c'è all'origine un'energia termica generata da carburanti fossili , il confronto va fatto tenendo conto del rendimento di una centrale elettrica con combustibile fossile ( carbone ? gasolio ? gas ) e quello di un motore a combustione interna di un'automobile tradizionale.

Andrebbero confrontati :

- da una parte il rendimento totale del sistema centrale elettrica - rete di distribuzione - motore elettrico e quindi , per percorrere ipotizziamo 1km , quanto combustibile sarebbe necessario e quanti gas serra emette ;
- dall'altra parte il rendimento del solo motore del veicolo tradizionale e le sue emissioni di CO2 per percorrere lo stesso km.

Se prendiamo valori tipici e facciamo confronti considerando le tante casistiche di auto a combustione ( auto diesel ? benzina ? gas ? Euro 4 ? Euro 5 ? Euro 6 ? ) e di centrali elettriche ( una centrale a carbone inquina molto di più di una centrale a gas ) , ci rendiamo conto che quando l'energia che alimenta il veicolo BEV proviene da fonti fossili la convenienza dell'auto elettrica non è così scontata ed entrano in gioco mille sfaccettature : età del parco auto ( sia tradizionale che elettrico ) , tipologia di centrale , qualità del sistema di distribuzione.

Se consideriamo ad esempio un caso più favorevole per le auto tradizionali , ovvero considerando un moderno motore a combustione che può raggiungere anche un rendimento del 40% , e lo confrontiamo con il caso più sfavorevole per un'auto elettrica , ipotizzando un rendimento del motore elettrico pari al 90% , l'80% per il sistema di ricarica delle batterie , produzione dell'energia da centrale a carbone ( la centrale a carbone italiana con maggior rendimento ha il 46% ) con il 6.5% di perdite nella distribuzione elettrica siamo ad un rendimento complessivo del sistema centrale-auto elettrica intorno al 30% . 

Se consideriamo invece un caso più favorevole alle auto elettriche , con motore a benzina di rendimento tipico 28% , per l'auto elettrica stessi valori del caso precedente ma ma con energia prodotta da centrale termoelettrica a ciclo combinato gas-vapore ( che può raggiungere un rendimento anche del 60% ) , il sistema centrale-distribuzione-ricarica-motore elettrico avrebbe un rendimento complessivo intorno al 40% , decisamente più favorevole rispetto all'auto a benzina.

Questo per limitarsi alla sola efficienza energetica e senza prendere in considerazione anche le emissioni inquinanti. Inutile dire che tra questi due casi limite vi sono infiniti casi intermedi , che impongono di considerare tantissime variabili e rendono ancora più importante prendere in considerazione il mix energetico della produzione di energia elettrica.

Il mix energetico : da dove proviene l'energia elettrica consumata in Italia

Da quanto detto nel paragrafo precedente, appare chiaro che quanto più l'energia elettrica viene prodotta da fonti non fossili e tanto più possiamo avere la certezza che il ricorso ad auto elettriche sia conveniente per l'ambiente. 

Nel 2017 il mix energetico italiano , secondo il GSE , era così composto :

- Fonti rinnovabili 36,60%
- Carbone 13,75%
- Gas 42,34%
- Petrolio 0,75%
- Nucleare 3,68%
- Altre fonti 2,88%

Idealmente questo mix dovrebbe tendere sempre più verso le fonti rinnovabili , ma questo non è sempre scontato : sempre la stessa fonte ufficiale riporta che nel 2016 , invece , la percentuale di energia elettrica italiana da fonti rinnovabili era al 38.85% ed è quindi diminuita nel tempo.

Questo perché le percentuali dipendono anche dal fabbisogno complessivo e , in quest'ottica , diventa fondamentale anche il nostro ultimo tentativo di analisi : che impatto avrebbe un massiccio sviluppo delle vendite dei veicoli elettrici a batteria sulla fornitura e la distribuzione dell'energia elettrica in Italia ?

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I componenti dell'Industria 4.0 : I moduli I/O ( Ingresso/Uscita )

Quante volte abbiamo sentito parlare , negli ultimi anni , di Fabbrica intelligente , Industria 4.0 e Quarta Rivoluzione Industriale o , con terminologia anglosassone , Smart Factory , Smart Industry e Industry 4.0 ? Affronteremo in un apposito approfondimento le origini e le conseguenze di quella che alcuni hanno definito come una vera e propria quarta rivoluzione industriale , in questo articolo iniziamo invece una prima puntata di approfondimento su quelli che sono i componenti che permettono di mettere in atto il concetto di Industria 4.0 : i moduli di ingresso/uscita o I/O.

Non è un caso se partiamo proprio dai moduli I/O ; essi incarnano infatti due tra i principi fondanti dell'Industria 4.0 : l'intelligenza distribuita e la Big Data analysis , ovvero la capacità di raccogliere e analizzare una grande mole di dati per automatizzare e rendere efficiente l'azienda dalla produzione all'amministrazione , al management ( si pensi ad esempio alla possibilità di conoscere con esattezza i costi dei consumi energetici in ogni singolo impianto produttivo dell'azienda ).

L'intelligenza distribuita ha via via spostato i sistemi di controllo da pochi sistemi di acqusizione ed elaborazione centralizzati a tanti apparecchi montati direttamente sul campo e in grado di acquisire ed elaborare i segnali e decidere le azioni di controllo. Tra i primi sistemi ad essere stati decentrati vi sono proprio stati i moduli I/O , tanto che i bus di campo hanno conosciuto grande diffusione negli '90 e 2000 quando ancora si parlava di industria 3.0 : se però pensiamo al paragone con l'informatica e i calcolatori degli anni '70 e '80 , in cui tutte le periferiche che servivano ad effettuare uno scambio di dati o segnali tra un sistema operativo o i programmi utilizzati erano nei pressi del calcolatore , comprendiamo quanta strada sia stata percorsa dalla tecnologia.

A rendere tutto questo possibile è stata la diffusione dei bus di campo e all'utilizzo delle reti dati anche in ambito industriale : Ethernet , Modbus , Profibus , Lonworks sono solo alcuni degli standard più utilizzati , la cui larga diffusione ha permesso di abbattere i costi di integrazione nei vari componenti tanto che gli stessi moduli I/O sono impiegati anche in domotica e building automation , per l'automazione degli edifici ad uso terziario e residenziale di medio/grandi dimensioni , accanto agli standard tipici della domotica come KNX .

Per addentrarci nel funzionamento di un modulo di ingresso/uscita , prendiamo ad esempio i moduli I/O della serie PCE-SM , per standard Modbus prodotti dalla PCE Instruments , azienda che si occupa tanto di automazione quanto di misurazione e trasduzione. . Il Modubs è un protocollo master/slave , cioè il flusso di informazioni normalmente viene amministrato da un "master" che gestisce il sistema e uno o più "slave" che rispondono alle interrogazioni del master. Il protocollo MODBUS definisce come il master e gli slave stabiliscono ed interrompono la comunicazione, come trasmettitore e ricevitore devono essere identificati, come i messaggi devono essere scambiati e gli errori rilevati. Per impostare i parametri del modulo basta utilizzare il software di configurazione e l'interfaccia RS232 che trova sul pannello frontale.

I moduli I/O permettono di collegare al bus Modbus :

1) ingressi digitali , che permette di trasformare in pacchetti modbus segnali binari o a impulsi come interruttori , finecorsa e altri sensori digitali come fa ad esempio il modulo PCE-SM3 .

2) ingressi analogici , che trasformano in pacchetti modbus le informazioni provenienti da sensori analogici , sia in tensione 0-10V , che in corrente 0/4 ... 20mA che PT100 o 0-40 Ohm , come fa ad esempio il PCE-SM1 .

3) uscite digitali , che a partire dalle informazioni contenute nel pacchetto modbus inviato al modulo di uscita , comandano fino a 8 uscite digitali . E' il caso ad esempio del modulo PCE-SM4 .

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Lampade a Led : cosa sono , vantaggi e caratteristiche tecniche

Il diodo a LED : la storia 

L'acronimo LED significa Light Emitting Diode , ovvero diodi ad emissione di luce : sebbene oggi l'utente comune associ i LED ai sistemi di illuminazione , per molti anni essi sono stati invece dei componenti di sistemi elettronici ( e lo sono tuttora ) . Si tratta a tutti gli effetti di diodi , ovvero di componenti a semiconduttore costituiti da giunzioni che permettono il passaggio di corrente se la tensione loro applicata rispetta una determinata polarità e supera una determinata soglia. Nel momento in cui avviene questo passaggio di corrente emettono anche luce , a differenza dei diodi tradizionali , e questa loro caratteristica è stata utilizzata per la segnalazione di stati di funzionamento nei circuiti elettronici e nella costruzione di indicatori digitali .

Negli anni '80 , per chi si occupava di Elettronica , l'immagine tipica di un Led era quella su una breadboard di prova dei circuiti elettronici

Come i LED sono oggi impiegati nell'illuminazione 

Perché i LED possano essere efficaci in un sistema di illuminazione ne devono essere montati un numero sufficiente su un circuito stampato , che verrà poi montato all'interno del corpo illuminante e completato con ottiche e convogliatori per ottenere diverse distribuzioni . La luce dei Led , infatti , è omnidirezionale ovvero emette un fascio luminoso che deve poi essere opportunamente convogliato dalle ottiche o dai lenti in modo da ottenere la curva fotometrica desiderata dal costruttore. I progettisti illuminotecnici poi ,  ricorrendo a calcoli e a software , scelgono i corpi illuminanti più opportuni e li collocano nel progetto per ottenere l'illuminazione desiderata. Non sono invece necessari filtri che modifichino il colore della luce , in quanto tra i vantaggi della luce LED c'è il fatto che possono emettere anche luce colorata e con temperatura di colore che può andare dai 2700K ai 6500K . Non si tratta degli unici vantaggi , che sono molteplici come vedremo nel parametro successivo.

Tutti i vantaggi della Luce a Led

Oltre a quelli sopra elencati , la luce a Led ha molti altri vantaggi :

- lunga durata ( vita utile ) : a differenza delle lampade tradizionali , le lampade a Led non presentano filamenti o parti mobili ( sono , come detto , dispositivi a semiconduttore ) e non vanno incontro a rottura ma presentano un decadimento del flusso luminoso molto lento , dell'ordine di grandezza delle 50.000 ore prima di scendere significativamente . A tale proposito c'è un'apposita nomenclatura per indicare il flusso luminoso percentuale conservato dalla lampada al raggiungimento delle 50.000 h : quando troviamo le sigle L90 , L80 , L70 la cifra dopo la lettera L indica la percentuale di flusso luminoso originario mantenuto dopo cinquantamila ore di lavoro ( quindi rispettivamente il 90% , l'80% e il 70% del flusso nominale originario ).

Ad essere rigorosi , quando la cifra L80 non è seguita da altre sigle Bxx e Cxx , l'80% di flusso originario è mantenuto dalla media dei dispositivi di quel tipo , cioè il 50% . Si potrebbe anche scrivere L80 B50 , ma in questo caso B50 viene omesso. Quando il costruttore garantisce prestazioni di vita utile ancora maggiori introduce altre sigle nella classificazione , ma di questo parleremo in un altro articolo per non appesantire la trattazione.

- alta efficienza luminosa : a parità di Lumen emessi , i Led richiedono un minore consumo di Watt elettrici rispetto alle lampade tradizionali , dovuto sia a un maggior rendimento della conversione tra energia elettrica ed energia luminosa , sia a minori perdite nei sistemi di alimentazione. L'efficienza luminosa si esprime infatti in Lumen/Watt ed è il rapporto tra il flusso luminoso emesso e la potenza elettrica assorbita dall'apparecchio.

Per fare un confronto tra apparecchi a Led ed altre sorgenti luminose che emettono un flusso equivalente prendiamo due esempi , che però rischiano di diventare presto obsoleti , data il continuo miglioramento dell'efficienza luminosa dei Led con l'avanzare della tecnologia di produzione ( che negli ultimi 5 anni è addirittura raddoppiata ) :

per ottenere lo stesso flusso di un tubo fluorescente compatto da 24W ( TC-L24W ) servono attualmente 12 Led ; mentre però la TC-L24W assorbe complessivamente 26W elettrici , i 12 Led assorbono un valore tipico di 18W , cioè il 36% di risparmio energetico . Immaginando un arco temporale di 20 anni per quel punto luce , si saranno risparmiati 1.000 kW/h di energia , corrispondenti ad una riduzione di emissioni di CO2 di 460 Kg .

maggiore compattezza : a parità di lumen emessi , i Led sono estremamente più compatti . Questo implica un minore ingombro e una più comoda progettazione anche in condizioni architettoniche particolari come ristrutturazioni o edifici di particolare pregio artistico e architettonico in cui la visibilità dei corpi illuminanti deve essere minima . Inoltre ne permette l'integrazione anche in dispositivi elettrici o elettronici dove non sarebbe stato possibile integrare altre tipologie di lampade : impossibile non pensare all'enorme diffusione di TV a Led , Ledwall e maxischermi che trovano largo impiego in pubblicità e nello spettacolo.

I ledwall e i maxischermi a Led sono oggi praticamente indispensabili nello spettacolo

- accensione istantanea e anche in situazioni ambientali difficili ( temperature molto basse , anche -35° ) : i led non presentano ritardi nell'accensione , come nelle lampade fluorescenti o in quelle ai vapori di sodio e ioduri metallici e questo determina un maggiore comfort nelle applicazioni tradizionali e una differenza sostanziale nell'impiego in quelle applicazioni dove sono richieste variazioni nel tempo ( scenari , effetti di luce , spettacoli , ecc ). Un vantaggio simile si presenta anche relativamente alle condizioni di impiego , perché i Led non presentano gli svantaggi tipici di accensione delle lampade fluorescenti.

- altri vantaggi ambientali , oltre al già citato grande risparmio energetico e quindi riduzione di emissione di CO2 , sono l'assenza di sostanze inquinanti o pericolose come il mercurio e di componenti IR e UV nella luce emessa

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Libri di Controlli Automatici e Sistemi di Controllo : recensioni e dove acquistarli

Di seguito sono riportati alcuni testi di riferimento per approfondire , sia in formato cartaceo che tramite e-book ( libri elettronici ) , i sistemi di controllo e il corso di Controlli Automatici . Cliccando sul link si possono consultare anche le recensioni di altri studendi che li hanno utilizzati , orientandosi nella scelta del libro più adatto alle proprie esigenze ( per alcuni titoli c'è anche la possibilità di acquistare libri usati ) :

Libri cartacei :

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Libri elettronici ( e-book ) :

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Libri di Analisi Matematica 1 : Pareri e dove comprarli .

Di seguito alcuni libri utili per preparare l'esame di Analisi Matematica e , più in generale , approfondire l'Analisi Matematica . Cliccando sul link potrai trovare la recensione di altri lettori :

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