Dentro la fabbrica intelligente

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Dopo la meccanizzazione di fine 800, la produzione di massa dei primi del 900 e l’avvento dell’automazione di fine dello scorso millennio, questa quarta rivoluzione, guidata dai progressi compiuti in campo informatico e delle comunicazioni, promette di modificare radicalmente il volto del settore. Sempre più spesso i sistemi manifatturieri automatizzati basati su robotica avanzata comunicano tra loro su aspetti legati alla produzione, armonizzando una serie di processi un tempo frammentari. Collegando tutte le fasi della catena del valore, le imprese hanno a disposizione un mondo di opportunità totalmente nuovo. Secondo una definizione ormai accettata, il termine “Industria 4.0” rappresenta il trend che vede la crescente integrazione tra tecnologie d’automazione e tecnologie informatiche applicate al campo della manifattura. Gli elementi abilitanti di questa integrazione sono sostanzialmente tre: sistemi cyber-fisici, Internet of Things e Cloud computing.

La smart factory

L’espressione concreta di questo paradigma è la cosiddetta “smart factory”, cioè la fabbrica intelligente. All’interno delle fabbriche intelligenti, i sistemi cyber-fisici monitorano i processi creando una copia virtuale del mondo reale e prendendo decisioni decentrate. Attraverso le soluzioni Internet of Things, i sistemi cyber-fisici comunicano e collaborano tra loro e con gli operatori in tempo reale, offrendo attraverso la rete una serie di servizi sia interni sia trasversali. In quest’ottica una tipica ricetta di smart factory può comprendere tre ingredienti: nuove tecnologie produttive che creano collaborazione; infrastrutture informatiche e tecniche che permettono di integrare sistemi, attori e strutture esterne; soluzioni di efficientamento per ottenere sistemi più performanti.

I quattro pilastri dello sviluppo

In base alla letteratura, una smart factory si basa su quattro principi che permettono alle aziende di identificare e implementare i possibili scenari di sviluppo. Il primo principio è l’interoperatività, cioè l’abilità di macchinari, dispositivi, sensori e addetti ai lavori di connettersi e comunicare tra loro sulla base del concetto di Internet of Things. Il secondo riguarda la trasparenza delle informazioni, cioè la capacità dei sistemi informatici di creare una copia virtuale del mondo fisico arricchendo le rappresentazioni digitali con i dati forniti dai sensori e aggregandoli per creare informazioni contestualizzate ad alto valore. Il terzo è l’ausilio tecnico. Ciò contempla l’abilità dei sistemi di supportare gli operatori umani aggregando e visualizzando le informazioni in modo comprensibile per consentire di prendere decisioni informate e risolvere rapidamente i problemi urgenti. A questo si aggiunge l’abilità dei sistemi cyber-fisici di sostituire gli operatori nell’esecuzione di una serie di compiti non graditi, ripetitivi, pesanti o poco sicuri. Il quarto principio è la decentralizzazione delle decisioni sfruttando l’abilità dei sistemi cyber-fisici di effettuare scelte e svolgere attività in autonomia, delegandole solo in caso di eccezioni, interferenze o conflitti.

La fabbrica intelligente di Siemens

Uno dei colossi del mondo industriale, Siemens, segnala come le nuove tecnologie per la smart factory siano già una realtà dominata da metodi digitali di pianificazione (realtà virtuale), stampa 3D e robot leggeri. Lo stesso stabilimento Siemens nella città bavarese di Amberg, dedicato ai controlli industriali, è un esempio di fabbrica intelligente allo stato dell’arte. La struttura si basa sul concetto di produzione guidata da informazioni ricavate dall’integrazione di macchinari e processi. Questo permette di assoggettare la gestione dell’intero ciclo manifatturiero all’analisi di tali informazioni. Uno dei risultati più eclatanti ottenuti grazie all’adozione di questo approccio è che nella stessa quantità di spazio di produzione e con una forza lavoro variata solo leggermente nel numero, l’impianto ha aumentato il proprio volume di produzione di otto volte negli ultimi 20 anni. Dal punto di vista pratico, uno dei pilastri portanti di questo approccio è l’integrazione tra mondo fisico e mondo virtuale. Il software Plm di Siemens è un esempio di come questo possa avvenire e viene utilizzato per sviluppare e testare virtualmente i prodotti prima ancora che un solo elemento sia costruito nel mondo reale. Con questa tecnologia, i prodotti raggiungono il mercato con tempi ridotti anche del 50% e con lo stesso livello di qualità conseguito senza Plm. Ciò è possibile grazie alla simulazione effettuata su una copia digitale, cioè un’immagine virtuale del prodotto in cui i disegni dei singoli componenti possono essere integrati e testati in tutte le varie fasi del processo manifatturiero. Questo approccio è stato addirittura utilizzato per simulare l’atterraggio su Marte del Rover Curiosity nel 2012. L’atterraggio è stato testato 8.000 volte utilizzando il software di Siemens Plm.

L’integrazione delle informazioni di Abb

Anche Abb, altro colosso dell’automazione, supporta il concetto di smart factory attraverso l’integrazione delle informazioni. Secondo un recente sondaggio condotto da Abb la chiave di volta per la fabbrica del futuro è l’accesso alle informazioni generate dalle applicazioni IoT. Il concetto di Internet delle Cose, Servizi e Persone o IoTsp (Internet of Things, Services and People), che l’azienda persegue da oltre un decennio con il suo portafoglio di sistemi di controllo dei processi, soluzioni di comunicazione, sensori e software, consente di disporre di potenti funzioni di analisi su dati sempre più integrati, anche grazie ai servizi Cloud, con cui migliorare pianificazione, produttività e sicurezza. Abb stessa è un protagonista della quarta rivoluzione industriale sia perché sta applicando le funzionalità abilitanti di IoTsp ai propri processi produttivi in tutto il mondo sia perché, al tempo stesso, sta proponendo questo nuovo approccio ai clienti facendo leva sull’integrazione di prodotti, sistemi, software e servizi innovativi e consolidati. Ad esempio, grazie all’approccio smart, la fabbrica Abb di Beijing, dove vengono realizzati prodotti a bassa tensione, garantisce ora maggiore competitività, consegne più affidabili, qualità superiore e maggiore soddisfazione del cliente. 27 robot lavorano fianco a fianco con gli operatori in un impianto dove l’automazione viene utilizzata lungo tutta la catena del processo ordine-consegna, compreso produzione, assemblaggio e logistica. L’impianto utilizza un sistema Mes (Manufacturing Execution) in grado di rispondere agli ordini dei clienti in tempo reale, permettendo la configurazione automatica del dispositivo in produzione in base ai requisiti richiesti. Il Mes può pianificare automaticamente la produzione anche sulla base dei livelli di inventario, riducendo le giacenze e le esigenze di approvvigionamento. Con il Mes, lo stato dell’impianto può essere monitorato da remoto, riportando malfunzionamenti delle apparecchiature, stato di ogni processo, risultati dei test con i motivi per cui i prodotti sono stati scartati, statistiche e resoconti generati dai dati manifatturieri. Le apparecchiature possono comunicare tra loro, notificando al personale lo stato operativo in tempo reale per una risposta più rapida. Lo stabilimento utilizza terminali wireless e mobili per registrare ogni operazione logistica e di line. Quando i componenti arrivano, vengono scaricati e organizzati prima di essere raccolti da veicoli a guida automatica per l’immagazzinaggio o l’invio in produzione. Questa tecnologia evita strozzature ed errori, migliorando l’accuratezza dell’inventario e l’efficienza complessiva. Ogni prodotto viene univocamente contrassegnato con un codice QR che permette di rintracciarlo in tutta la catena di processo ordine-consegna. Gli addetti al montaggio possono utilizzare dei touchscreen per richiedere altre parti: l’ordine viene immediatamente immesso in una coda di lavoro, mentre un sistema di erogazione automatico porta i componenti necessari alla catena di montaggio e informa il personale logistico di preparare i prodotti assemblati per la consegna.

La Connected Enterprise di Rockwell

Rockwell Automation propone il modello “Connected Enterprise”, basato sulle tecnologie più avanzate in fatto di analytics su Big Data, monitoring remoto e mobilità. Questo concetto è stato utilizzato anche in casa Rockwell per il proprio sistema produttivo: circa 20 fabbriche che producono 450.000 item con ciclo di vita di 20 anni e gestiscono ordini da 200 righe di media. Secondo Rockwell il modo migliore per gestire contesti manifatturieri così complessi è fare leva sul patrimonio informativo facendo convergere due mondi un tempo separati e distinti: le tecnologie informative e le tecnologie operative. All’inizio del progetto, la sfida principale della società è stata quella di adottare una strategia su scala aziendale capace di mettere in collegamento processi e strutture diversificati. La soluzione è stata quella di utilizzare tecnologie di comunicazione di tipo standard (in particolare EtherNet/IP) sostenute da un ambiente di gestione unificato capace di sovrapporsi ai vari sistemi Erp in uso. Per standardizzare i processi in tutti i suoi siti produttivi, Rockwell ha implementato inoltre un nuovo Mes. L’azienda ha scelto di utilizzare il proprio software FactoryTalk ProductionCentre, cioè una piattaforma utilizza un modello operativo e un engine di work-flow capaci di crescere con le operazioni. L’elevata flessibilità del software ha permesso anche di far fronte ai diversi stili manifatturieri adottati per produrre l’ampio portafoglio di soluzioni della società. Nel processo di “smartizzazione” delle sue fabbriche, Rockwell ha anche implementato FactoryTalk VantagePoint, un software proprietario di Emi (Enterprise manufacturing intelligence) capace di tener traccia e registrare i dati e supportare le tendenze della produzione. La combinazione tra Mes e Emi consente di concentrare le informazioni provenienti da centinaia di applicazioni all’interno di un’unica posizione centralizzata, offrendo dati comprensibili e fruibili che possono essere usati per apportare miglioramenti e consente l’analisi in tempo reale degli indicatori di performance, come qualità, prestazioni produzione e gestione dei flussi di lavoro. Il processo ha già dato importanti risultati: i giorni di rotazione di magazzino sono stati ridotti da 120 a 82; i tempi di delivery sono stati dimezzati; la produttività annua è cresciuta del 4-5%; le consegne nei tempi sono aumentate dall’82 al 98%; la difettosità è stata tagliata del 50% in termini di parti per milione. Confortata dai risultati interni, la società ritiene che la “Connected Enterprise” possa garantire gli stessi vantaggi competitivi anche ai suoi clienti, e già oggi nei case-study pubblicati da Rockwell si annoverano i nomi di importanti aziende. Un brand su tutti è quello della casa vinicola Gancia, che ha implementato un sistema di controllo distribuito PlantPAx su rete EtherNet/IP per la gestione delle oltre 1.000 valvole montate sulle sue 79 autoclavi da 600 quintali dove avviene il processo di spumantizzazione del vino.

La piattaforma Wonderware di Schneider

In tema di smart factory, Schneider Electric adotta un approccio pragmatico. La società ritiene che gli elementi per il successo di una strategia legata alle smart factory siano quattro: migliorare le connessioni, modernizzare, migliorare sicurezza e cyber-sicurezza, aumentare l’efficienza. La società propone a tale riguardo una serie di “smart-asset” che contribuiscono a realizzare il quadro finale. Esempio è la nota piattaforma Wonderware, un sistema di supervisione unificatore, integrabile nei processi di business, che si propone come fonte singola di informazioni organizzate per tutte le funzioni aziendali. Altro esempio è il Maintenance Response Center, un ambiente di aggregazione basato su prodotti di controllo di processo e di misura come quelli della famiglia Foxboro, comprendente piattaforme e Rtu Scada della linea Evo, sensori e strumenti di campo e attuatori/azionamenti connessi.

Il Cognitive Manufacturing di Ibm

Per la fabbrica del futuro, Ibm fa leva sul concetto di “Cognitive Manufacturing”. Questo approccio è opposto alla classica produzione convenzionale, che fatica a tenere il passo con la mole sempre crescente di dati e con la complessità delle analisi necessarie. Il termine “cognitivo” si riferisce alla capacità di processare, analizzare e ottimizzare le informazioni, distribuendole tra sistemi, apparati e processi per derivare delle informazioni utili per tutta la catena del valore, dalla progettazione al supporto sul campo. Il Cognitive Manufacturing intende trasformare la produzione attraverso risorse intelligenti e processi informati. Per questa iniziativa la società ha addirittura istituito un’apposita task force denominata Watson IoT. Il nome Watson IoT la dice lunga: IoT, secondo Ibm, sarà la più grande fonte singola di dati sul pianeta, generati da miliardi di sensori e dispositivi interconnessi, incorporati nei sistemi fisici. Watson IoT intende seguire proprio questa strada attraverso soluzioni d’intelligenza artificiale concepite per analizzare e interpretare i dati (immagini, testi, audio e video) come farebbe un cervello umano. Attualmente l’omonima piattaforma - che si pone al centro di una serie di asset intelligenti - è costituita da vari pacchetti che fanno riferimento all’analisi delle prestazioni, alla gestione della qualità e al potenziamento dei servizi aftermarket. Le proposte della società hanno permesso a numerosi clienti di migliorare le proprie performance. Tra i nomi si segnalano quelli di Honda, del produttore indonesiano di calzature PT Chang Shin e di Volvo, che è riuscita a tagliare del 20% i tempi di diagnosi e i costi di assistenza dei suoi camion.

La Connected Automation di Bosch

Chiudiamo questa rapida carrellata di testimonianze con Bosch Rexroth. Prendendo spunto dalla propria esperienza interna, ha messo a punto numerose soluzioni hardware e software all’insegna della “Connected Automation” con lo scopo di arrivare a un processo di produzione più veloce e flessibile, aumentando l’efficienza d’uso dei materiali e riducendo complessità e tempi di fermo. Dal punto di vista strategico, la proposta si basa su alcuni aspetti fondamentali. Tra questi, la centralità delle persone, l’intelligenza distribuita, la flessibilità di integrazione e configurazione, l’uso di standard aperti, la rappresentazione virtuale in tempo reale, la protezione delle informazioni e la gestione del ciclo di vita dei prodotti. Dal punto di vista pratico questo si declina su una serie di prodotti piuttosto articolata. Qui spiccano in particolare il gateway di elaborazione dati WebConnector che consente di collegare il mondo web e i sistemi di automazione, e la piattaforma Open Core Engineering, un insieme di tool, pacchetti e soluzioni multi-tecnologia che aiutano ad accelerare il workflow ingegneristico.

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