La continua evoluzione tecnologica ha portato a una vera e propria rivoluzione industriale, in cui l’uso di sensori industriali ha acquisito un’importanza strategica. Nell’Industria 4.0, e ancor di più nell’Industria 5.0, i sensori sono degli alleati per raccogliere e monitorare dati fondamentali, trasformandoli in informazioni utili per il controllo, la manutenzione e l’ottimizzazione dei processi. In questo articolo, analizzeremo le principali tipologie di sensori industriali e il loro funzionamento. Verrà inoltre evidenziato il ruolo crescente dell’Industrial Internet of Things (IIoT), che abilita l’analisi avanzata e la manutenzione predittiva.
Cosa Sono i Sensori Industriali?
I sensori industriali sono dispositivi progettati per misurare vari parametri fisici e chimici all’interno di ambienti produttivi. Il rilevamento di grandezze come temperatura, pressione, vibrazione e prossimità, fornisce dati cruciali per il controllo dei processi, la diagnostica e la manutenzione. I sensori industriali possono essere di tipo analogico o digitale, ma nel primo caso, i dati acquisiti devono essere digitalizzati per venire processati. Questi dati possono essere inviati in tempo reale a sistemi di monitoraggio, contribuendo a migliorare l’efficienza e la sicurezza degli impianti. Oltre ai sensori industriali più comuni, esistono delle versioni più avanzate ed integrate pensate per l’industria di nuova generazione.
Funzionamento dei Sensori nelle Applicazioni Industriali
Il funzionamento dei sensori industriali varia a seconda della grandezza che rilevano. Tuttavia, la maggior parte dei sensori industriali utilizza una combinazione di componenti meccanici (vedi i MEMS), elettronici e software. Questo per trasformare la grandezza fisica in un segnale elettrico o digitale. poi interpretato dai sistemi di controllo. La precisione e il grado di resistenza dei sensori sono i primi parametri da considerare, specialmente per ambienti difficili con alte temperature, forti vibrazioni e ambienti corrosivi.
Le Principali Tipologie di Sensori Industriali
Le tipologie di sensori industriali variano a seconda delle grandezze fisiche o chimiche da monitorare e delle specifiche esigenze operative dei diversi settori. Ogni tipo di sensore ha caratteristiche uniche, partendo da tipologie “base”, fino ad arrivare a dispositivi molto più complessi e variegati.
Sensori di temperatura
I sensori di temperatura sono tra i dispositivi più diffusi in ambito industriale, utilizzati per monitorare le variazioni termiche all’interno dei processi produttivi. Esistono diverse tipologie di sensori di temperatura, tra cui termocoppie, termistori e sensori a infrarossi. Questi ultimi, trovano ad esempio applicazione nelle industrie alimentari, chimiche e metallurgiche, dove serve un controllo preciso della temperatura.
Sensori di pressione e gas
I sensori di pressione misurano la pressione di gas e liquidi e sono utilizzati in settori come l’automotive, l’oil & gas e il settore manifatturiero. Esistono sensori di pressione assoluta, relativa e differenziale, ognuno con applicazioni specifiche. Ad esempio, nel settore oil & gas, sono utilizzati per monitorare la pressione nei tubi e nei serbatoi. In questo modo è possibile garantire un funzionamento sicuro prevenendo incidenti.
Anche i sensori di gas sono cruciali nell’Industria, progettati per rilevare in tempo reale la presenza di gas pericolosi e attivare sistemi di allarme e controllo. Esistono diverse tipologie di sensori di gas, ognuna con caratteristiche intrinseche, vantaggi e limitazioni. Esempi di tipologie sono i sensori di gas a semiconduttore, elettrochimici, infrarossi e catalitici.
Sensori di vibrazione
I sensori di vibrazione, ovviamente, rilevano le variazioni di vibrazione delle macchine industriali: un parametro critico per la manutenzione predittiva. Monitorando i livelli di vibrazione, è infatti possibile identificare anomalie nel funzionamento delle apparecchiature e intervenire prima che si verifichino guasti. Questi sensori sono ampiamente utilizzati nel settore manifatturiero e nelle industrie pesanti, dove il malfunzionamento delle macchine può causare gravi interruzioni e costi elevati.
Sensori di prossimità
I sensori di prossimità sono progettati per rilevare la presenza di oggetti senza contatto diretto. I principali tipi di sensori di prossimità includono quelli induttivi, capacitivi e a ultrasuoni. Trovano largo impiego nelle linee di produzione per contare e rilevare oggetti, e sono fondamentali nei sistemi di automazione industriale, dove garantiscono il corretto posizionamento dei componenti durante l’assemblaggio.
Sensori di umidità
I sensori di umidità misurano il contenuto di umidità dell’aria e sono particolarmente utili nei settori alimentare, farmaceutico e chimico. Questo perché l’umidità può influire sulle caratteristiche dei prodotti e sulla qualità di conservazione. Questi sensori, permettono di mantenere il livello di umidità all’interno di limiti specifici, preservando così l’integrità dei prodotti e la sicurezza delle linee di produzione.
Sensori di livello
I sensori di livello sono utilizzati per monitorare la quantità di liquido o materiale solido presente in un serbatoio o in un contenitore. Trovano applicazione nel settore chimico, nel trattamento delle acque e nelle industrie alimentari, dove il monitoraggio accurato del livello dei materiali è essenziale per garantire un flusso costante e sicuro dei processi. Tra le tecnologie più comuni ci sono i sensori a ultrasuoni, capacitivi e radar.
Reti di Sensori Intelligenti e IIoT
Con la diffusione dell’Industrial Internet of Things (IIoT), le reti di sensori intelligenti sono diventate sempre più comuni negli impianti industriali. Queste reti consentono la comunicazione tra diversi sensori e dispositivi, creando una piattaforma integrata per il monitoraggio e la gestione dei dati in tempo reale. Le reti di sensori IIoT permettono agli operatori di avere una visione completa e continua dei processi, facilitando la manutenzione predittiva e migliorando l’efficienza energetica. La possibilità di connettere sensori a piattaforme di analisi basate su cloud è uno dei principali vantaggi dell’IIoT, consentendo alle aziende di sfruttare big data e intelligenza artificiale per ottimizzare la produzione.
In questo contesto si parla di Sensor Fusion: l’integrazione intelligente dei sensori industriali.
Sensor Fusion e Reti di Sensori Wireless
La Sensor Fusion è una tecnica avanzata che aggrega e analizza i dati raccolti da sensori multipli, spesso eterogenei, per ottenere informazioni dettagliate sui processi industriali. Utilizzando algoritmi di machine learning e tecniche di data mining, la Sensor Fusion consente alle aziende di monitorare e prevedere in modo più preciso il comportamento delle macchine. Questo è particolarmente utile nella manutenzione predittiva, dove i dati combinati da sensori di vibrazione, temperatura e pressione possono identificare segni di degrado e guasti imminenti, ottimizzando così gli interventi manutentivi e riducendo i costi operativi.
In parallelo, le reti di sensori wireless (WSN) svolgono un ruolo chiave, specialmente in contesti industriali complessi dove il cablaggio è impraticabile o costoso. Queste reti, capaci di comunicare in tempo reale e di essere scalabili, sono una componente essenziale dell’IIoT. I nodi sensoriali delle WSN raccolgono e trasmettono dati come temperatura, umidità e qualità dell’aria, fornendo una visione continua delle condizioni operative. L’uso della Sensor Fusion in reti WSN rende possibile la gestione di impianti remoti e favorisce un monitoraggio continuo con impatti positivi sulla sicurezza e sulla resilienza degli impianti industriali
Applicazioni Principali dei Sensori nelle Diverse Industrie
Automazione e controllo dei processi
In ambito industriale, le misure svolgono un ruolo fondamentale per il decision-making, fornendo informazioni indispensabili per il controllo, la tracciabilità, la sicurezza, la qualità e la produttività di macchine, impianti e sistemi. I dati raccolti vengono utilizzati per prendere decisioni in tempo reale, regolare parametri operativi e garantire che i processi avvengano in maniera fluida e senza interruzioni.
Monitoraggio delle condizioni ambientali
La qualità dell’ambiente di produzione può avere un impatto significativo sia sulla qualità del prodotto finale sia sulla sicurezza degli operatori. I sensori di umidità, temperatura e qualità dell’aria permettono di mantenere le condizioni ambientali all’interno dei limiti di sicurezza e ottimizzano il comfort degli ambienti di lavoro. Questo tipo di monitoraggio è fondamentale nelle industrie alimentari, farmaceutiche e microelettroniche, dove il controllo delle condizioni ambientali è essenziale.
Manutenzione e diagnostica
La manutenzione predittiva, resa possibile dall’uso dei sensori di vibrazione e temperatura, è una delle applicazioni più avanzate in ambito industriale. Grazie alla raccolta continua di dati sullo stato delle macchine, è possibile individuare in anticipo eventuali guasti e programmare interventi di manutenzione senza interrompere il flusso produttivo. I sensori di vibrazione e di temperatura, integrati in un sistema IIoT, consentono di analizzare il degrado delle componenti meccaniche e ridurre i tempi di inattività, migliorando l’affidabilità dell’impianto.
Le misurazioni in un’industria orientata alla qualità
Le organizzazioni orientate alla qualità sono interessate ad ottenere un miglioramento costante e metodico. A questo scopo, scelgono solitamente un modello di gestione Plan-Do-Check-Act (PDCA, noto anche come ciclo di Deming) il cui nome fa riferimento alle diverse fasi previste da attuare.
Inizialmente, vengono pianificate le attività di un processo specifico, tenendo conto delle specifiche dei clienti, dei requisiti del mercato e altri fattori rilevanti (fase “Plan”). In seguito, le attività pianificate vengono implementate (fase “Do“) e monitorate allo scopo di verificare la correttezza delle operazioni di processo, valutando le prestazioni ottenute attraverso degli indicatori (fase “Check”). Infine, partendo dai risultati ottenuti durante il monitoraggio e tenendo conto di altri eventuali feedback, nel corso dell’ultima fase si procede con l’attuazione di eventuali azioni correttive, preventive o di miglioramento, rivedendo e migliorando la pianificazione del processo (fase “Act“).
Attraverso il ciclo PDCA, le organizzazioni possono impostare parametri e soglie che i sensori monitorano costantemente, agevolando il processo di verifica e validazione del prodotto durante tutte le fasi della produzione. Nella fase “Check”, i dati raccolti dai sensori consentono di verificare la conformità dei parametri operativi e identificare eventuali difformità. Durante la fase “Act”, questi dati vengono utilizzati per apportare miglioramenti, riducendo al minimo gli scarti e ottimizzando il processo produttivo.
Lo standard ISO 9001:2015
Per quanto riguarda le specifiche tecniche dei sistemi di gestione della qualità, si può prendere come riferimento la norma ISO 9001:2015, la quale afferma che:
“Un’organizzazione deve fornire le risorse necessarie per garantire risultati validi e affidabili durante il monitoraggio o la misurazione della conformità di prodotti o servizi ai requisiti” (7.1.5.1).
In tal senso, il ruolo della misurazione viene definito in tre sezioni principali:
- Supporto al processo.
- Funzionamento.
- Valutazione delle prestazioni.
Conclusione
I sensori industriali rappresentano oggi una delle basi portanti della trasformazione digitale in ambito produttivo, garantendo controllo, efficienza e sicurezza in una vasta gamma di applicazioni. Dall’automazione dei processi alla manutenzione predittiva, queste tecnologie consentono di raccogliere dati preziosi in tempo reale, offrendo un monitoraggio costante e la possibilità di ottimizzare le operazioni in modo proattivo. La combinazione dei sensori con reti IIoT, come le reti di sensori wireless (WSN) e l’adozione di protocolli di comunicazione avanzati, ha dato vita a un sistema interconnesso e integrato che permette una visibilità completa dei processi produttivi, anche in ambienti industriali complessi e isolati. Inoltre, l’integrazione dei sensori con standard di gestione della qualità, come l’ISO 9001:2015 e il ciclo PDCA, assicura che ogni fase del processo produttivo venga monitorata e ottimizzata secondo criteri precisi e tracciabili, migliorando la conformità e la qualità del prodotto finale. I dati acquisiti dai sensori, utilizzati per valutare il comportamento delle apparecchiature e rilevare possibili anomalie, sono oggi fondamentali per una gestione predittiva delle risorse, riducendo tempi di inattività e migliorando la resilienza degli impianti industriali.
In sintesi, i sensori industriali, uniti alle tecnologie IIoT, stanno trasformando l’industria verso un futuro più intelligente, adattivo e sostenibile. Innovazioni come la Sensor Fusion e l’uso di piattaforme di analisi avanzate continueranno a migliorare la gestione operativa, spingendo le aziende verso un nuovo paradigma produttivo basato sull’efficienza e sull’automazione.