La varietà enorme di applicazioni e i volumi relativamente piccoli fanno dell'automazione industriale un mercato molto orientato alle nuove tecnologie sviluppate in altri settori. Le aziende di automazione tendono a personalizzare i prodotti per soddisfare le esigenze che derivano da utilizzi specifici, favorendo un innovazione di tipo più applicativo che tecnologico. Negli ultimi decenni, gli esempi di innovazioni che hanno dato vita all'evoluzione integrativa dell'automazione industriale non mancano. Il prodotto principe è sicuramente il controllore logico programmabile o Plc, progettato per sostituire i tradizionali sistemi cablati a relè e proficuamente utilizzato nelle applicazioni in cui era difficile implementare e modificare della logica personalizzata. Molto più affidabile rispetto alle soluzioni basate su relè, il Plc è molto più facile da programmare e riprogrammare e ha trovato subito larga applicazione in settori dove la produzione è diversificata o soggetta a frequenti variazioni. Grazie alla sua flessibilità, il Plc ha una vita produttiva che si misura a decenni ed è (comprensibilmente) ormai diventato una commodity. Parallelamente allo sviluppo dei controllori logici programmabili, un'altra ondata di innovazione è arrivata grazie all'uso dei sistemi computerizzati. L'avvento e lo sviluppo delle risorse di elaborazione miniaturizzate hanno permesso di evolvere dai grandi mainframe, concentrati nelle sale di supervisione, ai sistemi distribuiti direttamente sugli impianti, sicuramente più agili, flessibili e potenti.
Nonostante il passo avanti, il concetto di "distribuito" si è ulteriormente sviluppato con l'affermazione di soluzioni hardware e software mutuate dal mondo dei personal computer, che hanno messo a disposizione delle funzionalità Dcs ancora più potenti e granulari, con costi e complessità notevolmente ridotti.
Come è possibile osservare, in tutti questi passaggi l'automazione industriale raramente è stata fonte di un'innovazione tecnologica "di base" tale da creare delle discontinuità: al contrario, è sempre stata un esempio di creatività applicativa di ritrovati tecnologici sviluppati per altri mercati di massa, modificati e personalizzati per le esigenze del controllo e della produzione. Anche sul fronte dei sensori, uno dei componenti più diffusi nell'automazione industriale, molte innovazioni e sviluppi hanno permesso una buona crescita delle aziende fornitrici, ma al di là di qualche colosso multiprodotto e multimercato, i costruttori focalizzati sul settore dell'automazione non sono mai riusciti ad andare oltre il centinaio di milioni di dollari di fatturato annuo.
La crescita verso nuove direzioni
Nonostante tutto, la crescita del settore dell'automazione industriale non può prescindere dallo sviluppo delle nuove tecnologie. Ciò che è interessante, come confermano gli analisti, è che le tendenze in atto nel settore dell'automazione non rappresentano un'estrapolazione di quanto successo in passato. Il trend evolutivo porterà sicuramente a una maggiore integrazione dei componenti di base, ma la vera crescita prenderà direzioni del tutto nuove. Secondo un blog statunitense dedicato al mondo dell'automazione industriale, alcuni dei trend di crescita più esplosivi riguardano la miniaturizzazione degli apparati e la crescente pervasività di Internet nelle reti di comunicazioni tra macchine (M2M). Tali sviluppi sono sicuramente collegati al crescente ricorso ai sistemi di produzione in tempo reale, i quali comporteranno lo sviluppo di soluzioni adattative, multi-processing e interconnesse. Le nuove applicazioni saranno basate su reti distribuite peer-to-peer, equipaggiate con piccoli sistemi operativi distribuiti in nodi wireless in comunicazione tra loro nell'ambito di un sistema adattativo più complesso e ampio.
Fabbriche e processi automatizzati sono troppo costosi e complessi per poter essere ricostruiti in corrispondenza di ogni modifica o variazione di progetto, quindi devono essere altamente configurabili e flessibili. Riconfigurare con successo un'intera linea di produzione o di processo, richiede l'accesso diretto alla maggior parte dei relativi elementi di controllo - interruttori, valvole, motori e azionamenti - fino al minimo livello di dettaglio. Le fabbriche completamente automatizzate esistono già da molti anni: i clienti ordinano on-line, con transazioni elettroniche che permettono di negoziare le dimensione del lotto (che in alcuni casi può arrivare al singolo pezzo), il prezzo, la dimensione e il colore. Definiti i dati, dei robot intelligenti e delle macchine sofisticate costruiscono in tempo reale una varietà di prodotti personalizzati su richiesta. Qualcuno vede addirittura oltre, integrando nel processo l'intera catena di approvvigionamento.
L'impresa collegata
Secondo Rockwell Automation, in futuro più l'impresa industriale sarà "connessa" più amplificherà il valore della sua proposta. Secondo Rockwell le comunicazioni Ethernet su IP stanno permeando sempre più il mondo dell'automazione, arrivando a coinvolgere non solo gli apparati e i processi di fabbrica, ma addirittura le relazioni coi fornitori e i processi aziendali, spingendosi fino ai "device" mobili dei collaboratori. Già oggi questa evoluzione sta favorendo lo sviluppo di ecosistemi industriali totalmente "Internet enabled", che offrono ai produttori l'opportunità di fare leva - in qualsiasi momento e in qualsiasi contesto aziendale, dalla progettazione all'approvvigionamento dei ricambi - su informazioni storiche o in tempo reale sempre corrette e aggiornate. La convergenza tra automazione e informazioni nell'ambito di un'unica impresa "collegata", permette alle aziende di migliorare la propria redditività, di ottimizzare gli impianti e di rendere le attività più pulite, sicure, ed efficienti. L'idea di impresa "collegata" è sicuramente più articolata rispetto alla semplice connessione in rete dei sistemi di fabbrica attraverso un protocollo di comunicazione avanzato. L'impresa collegata si spinge fino a rendere i dati acquisiti dal campo, dalla fabbrica e dai sistemi informativi, vere e proprie leve competitive capaci di produrre risultati concreti per tutti gli attori della filiera.
Internet of Things su scala industriale
In questo contesto, tutte le tecnologie disponibili - Ethernet, nodi intelligenti, software avanzati di analisi e monitoraggio a distanza, HMI, sistemi di controllo e così via - concorrono a creare una rete omogenea di informazioni in tempo reale. Questa visione di Internet of Things su scala industriale, condivisa da molti big di settore (e di cui ormai iniziamo a vedere degli esempi significativi), sta definendo i contorni dell'industria manifatturiera del ventunesimo secolo. L'Internet of Things è una dell'applicazioni "killer" che decideranno l'evoluzione futura. Dal punto di vista manifatturiero, tale approccio permetterà alle aziende di restare competitive attraverso il miglioramento dell'efficienza operativa. Ciò che conta non è tanto automatizzare i processi manifatturieri e aumentare l'output, ma trovare nuovi modi per integrare i controlli e le informazioni generate dagli apparati, dalle line, dai sistemi amministrativi, dagli addetti alla produzione e così via. L'obiettivo è uno: migliorare e accelerare i processi decisionali per essere più produttivi e assicurarsi una competitività stabile. La grande fabbrica centralizzata con robot potenti e non presidiati rappresenta un concetto del passato. Grazie a una disponibilità ormai globale di competenze e know-how, la fabbrica del futuro sarà piccola, agile, e dislocabile dove c'è disponibilità di risorse e clienti.
Migliorare i collegamenti
In tale contesto tutto è collegato - dalla progettazione al monitoraggio delle condizioni di mercato, dal controllo di fabbrica alle relazioni coi fornitori, dall'utilizzo delle risorse interne alla fatturazione - e tutto ha un impatto diretto sul valore offerto ai clienti. Ogni anno 70 milioni di persone nel mondo entrano a fare parte della cosiddetta "classe media". I numeri della Organisation for Economic Co-operation and Development, suggeriscono che a livello planetario il ceto medio passerà dagli 1,8 miliardi di individui del 2009 ai 3,2 miliardi del 2020.
Questa crescita offrirà ai costruttori del settore industriale un'enorme opportunità in termini di produzione, risorse e infrastrutture. In quest'ottica, i produttori dovranno bilanciare la crescita di paesi come Cina e India con i livelli di prezzo in vigore in queste nuove economie, portando le produzioni sempre più vicine ai mercati finali ed eliminando le inefficienze lungo la catena di approvvigionamento.
Migliorare i collegamenti all'interno dell'organizzazione rappresenta una delle chiavi di volta di questa evoluzione. Ciò comporta due importanti benefici. Il primo è la possibilità di integrare le informazioni di origine "IT" con quelle originale dai sistemi di controllo, consentendo di coordinare meglio le attività e le comunicazioni tra fabbrica e gli altri reparti dell'azienda. Il risultato è una catena di approvvigionamento pilotata dalla domanda. Il secondo, è la possibilità di acquisire e coordinare i dati, condividendoli un modo diffuso in vari contesti. Il risultato è rappresentato da decisioni più informate a tutti i livelli e da una maggiore omogeneità dei risultati.
L'analisi dei dati
Come accennato, questo tipo di evoluzione va oltre al semplice collegamento di sistemi eterogenei. Si tratta infatti di connettere in modo sicuro e omogeneo tutti i livelli di controllo e informazione di un'organizzazione. Ciò significa avere accesso agli archivi storici e ai dati operativi in tempo reale, ovunque siano prodotti, nonché a tutti i dati aziendali e transazionali che possono avere un impatto sulle fabbriche e sulle loro attività. Ma la vera sfida sarà disporre della tecnologia e del know -how per ricavare da questi dati delle informazioni utili per fornire un vero valore innovativo. L'integrazione delle informazioni e delle infrastrutture nel settore manifatturiero sta avvicinandosi a una massa critica, benché un sondaggio della pubblicazione Industry Week abbia messo in luce che attualmente la stragrande maggioranza delle industrie ha ancora una lunga strada da percorrere per arrivare a una vera impresa connessa. Dall'indagine è emerso che solo il 14 per cento degli impianti di fabbrica è completamente integrato nei sistemi aziendali, mentre solo un decimo può vantare macchinari (a parte i computer) dotati di funzioni "internet-enable" pari almeno all'80 per cento delle loro capacità totali. Recentemente, LNS Research ha chiesto ai produttori quali siano le principali sfide operative e di business del futuro, e ha scoperto che, subito dopo la mancanza di collaborazione tra i diversi dipartimenti, viene proprio l'eccessiva disomogeneità tra i sistemi e le fonti di dati.
Infrastruttura di rete e dispositivi mobili
L'impresa connessa rappresenta la fabbrica del futuro, una realtà che permetterà di fare leva su una forza lavoro sempre più mobile e sull'accesso sicuro ad ambienti virtuali controllati con funzioni di monitoraggio remoto. Gartner Research suggerisce che più del 50 per cento delle attuali connessioni Internet riguarda dei dispositivi elettronici (device) come ad esempio tablet, videocamere o lettori Rfid. Tutto questo fa parte del concetto "Internet of Things" - un universo apparentemente infinito di device collegati attraverso Internet Protocol (IP). Molti dei dispositivi attualmente utilizzati in fabbrica sono IP-enabled e ciò rappresenta un'ottima opportunità per estendere la loro portata ad applicazioni non strettamente di fabbrica. Questo approccio offre immense possibilità per aumentare la produttività, l'innovazione e la collaborazione. Per potere sfruttare appieno tali opportunità è necessario che macchinari e dispositivi comunichino tra loro attraverso un'infrastruttura di rete IP-centrica di tipo standard. Il protocollo Ethernet Industrial (EtherNet/IP) è stato creato per supportare questa interoperabilità a livello di fabbrica e per assicurare una connettività ottimizzata su scala industriale basata su un'unica infrastruttura "a prova di futuro" che permette di superare i vincoli, le barriere e i limiti evolutivi delle tecnologie di rete proprietarie. Al contrario delle reti proprietarie, EtherNet/IP consente alle informazioni di viaggiare liberamente anche nei contesti manifatturieri più complessi, garantendo una maggiore collaborazione tra macchine, persone e dispositivi. Questo protocollo permette inoltre di supportare un numero infinito di nodi, aspetto critico soprattutto alla luce della continua crescita della domanda di dispositivi connessi in ambiente di fabbrica.
Big Data: informazioni come leva competitiva
Stiamo vivendo l'era dei big data e secondo McKinsey & Company, gli ambienti di produzione generano più dati di qualsiasi altro settore applicativo. La società stima che, solo nel 2010, la massa memorizzata di dati è stata superiore ai due exabyte. Controller, sensori e altri dispositivi a basso costo rappresentano degli acceleratori che generano - in tutti i punti del processo - dati che riguardano, per esempio, le prestazioni dei macchinari, i parametri energetici o di manutenzione, le variabili di processo o l'uso dei materiali. Con questa mole enorme di dati a disposizione, è sì importante capire come effettuare l'acquisizione ma è altrettanto importante convertire e contestualizzare le informazioni trasformandole in un capitale operativo. Un aspetto importane è acquisire una grande esperienza nelle tecnologie operative di fabbrica essenziali per colmare il gap tra gli ingegneri di automazione e i loro colleghi dei servizi aziendali, dell'amministrazione o del settore IT.
Tali tecnologie, permettono di aiutare a identificare, catturare, interpretare e condividere i dati appropriati con le figure professionali adeguate, per stimolare delle migliorie che possono avere un valore esponenziale in tutta l'organizzazione. Creare questo capitale informativo operativo, e distribuirlo in azienda, permette di ottimizzare i processi sull'intero ciclo, di rispondere meglio al mutare delle esigenze dei clienti e di razionalizzare gli approvvigionamenti in funzione della domanda.
La fabbrica nella nuvola
Per catturare e condividere le informazioni, è possibile fare leva su tecnologie di discontinuità, quali il cloud computing, la mobilità o la virtualizzazione. Vediamole in dettaglio. Una recente indagine sui costruttori, effettuata da Lns Research, ha messo in luce che nell'arco dei prossimi 2 anni il 52% dei produttori prevede di migrare alle applicazioni "cloud" anche in ambiente manifatturiero. Nei prossimi 5 anni il traffico cloud aumenterà di sei volte. Trasferire sulla "nuvola" le applicazioni software che oggi girano all'interno di una fabbrica o di un data center, permette di risparmiare spazio, costi ed energia dedicati alle risorse IT. Da un punto di vista operativo, l'approccio cloud offre dei modi innovativi di sfruttare le proprie informazioni, come ad esempio la gestione remota delle strutture, degli allarmi, dei consumi, dei clienti, della catena di approvvigionamento e così via. Tale aspetto, non può esulare dalla crescente mobilità degli utenti. Secondo l'organizzazione Manufacturing Enterprise Communications Research Services, più del 60% delle imprese consente ai dipendenti di portare i propri dispositivi mobili sul luogo di lavoro. Le stime indicano che nell'ultimo anno, sui dispositivi mobili, sono stati visualizzati ben cinque terabyte di dati. Se l'accesso ai dati di produzione attraverso qualsiasi tablet o smartphone rappresenta un vantaggio chiave della mobilità, altrettanto vantaggiosa è la capacità degli addetti alle informazioni o alla fabbrica di essere "mobili" e di accedere alle applicazioni ovunque si renda necessario. Un ultimo tassello riguarda la virtualizzazione. Nel settore manifatturiero è sempre più frequente slegare l'hardware dal suo sistema operativo. Questo riduce la dipendenza da server fisici e altri apparati, contenendo i costi energetici. La virtualizzazione aumenta anche l'affidabilità della macchina, offre soluzioni di back-up ad alta disponibilità e a basso costo, e consente a più istanze di lavorare sulla base di un unico sistema.
Sicurezza prima di tutto
Quando si parla di impresa collegata, la maggiore preoccupazione dei produttori riguarda la sicurezza. Che si tratti di reti, di risorse o di proprietà intellettuale, l'azienda deve essere protetta dalle minacce sia intenzionali sia accidentali. Con la convergenza delle reti, la quantità sempre maggiore di dati, la crescente mobilità e il collegamento di apparati estremamente diversificati, i rischi legati alla sicurezza crescono proporzionalmente. Se applicato correttamente, il concetto di impresa collegata estende i propri benefici anche alla sfera della protezione, consentendo di gestire in modo integrato la sicurezza dell'impresa e delle automazioni, fino a comprendere anche i dispositivi finali. In virtù di questo approccio, i programmi di sicurezza devono essere implementati in modo collaborativo e interdisciplinare, coinvolgendo infrastrutture di rete, sistemi di controllo nuovi e vecchi, collaboratori, fornitori, venditori, politiche interne, procedure e così via. L'integrazione della catena di approvvigionamento ne è un esempio. Una maggiore comprensione delle consegne e un miglioramento delle comunicazioni con i fornitori per quanto riguarda i cambiamenti di programmazione, gli aumenti degli ordini e altri problemi di questa natura, possono aiutare a ottimizzare la gestione del magazzino e il time-to-market. Anche un approccio collaborativo e pilotato dalla richiesta può offrire un contributo importante. Il collegamento tra le attività di produzione e i sistemi informativi permette di mettere automaticamente in relazione tra loro gli addetti alle varie funzioni aziendali, consentendo di collaborare meglio e di lavorare verso l'obiettivo comune: soddisfare la domanda dei clienti. Parlando di dati, è necessario ottimizzare le informazioni per creare valore rapidamente. Per aumentare l'efficienza, migliorare la qualità, gestire meglio le scorte e accelerare il time-to- market i dati possono essere estratti da ogni fase dei vari processi. La continua raccolta di dati e la distribuzione del capitale operativo di informazioni consente anche di stimolare ancora di più il miglioramento, e di individuare le pratiche più virtuose. Infine, sincronizzare i processi di business e il flusso di lavoro permette di produrre i dati storici o in tempo reale necessari per assicurare la conformità e migliorare le metriche di sostenibilità, riducendo così i rischi aziendali a livello globale.
L'impatto sull'industria dei semiconduttori
I crescenti requisiti di qualità associati alle esigenze di affidabilità delle produzioni in volumi implicano la continua crescita dell'automazione industriale. Secondo un'analisi di Credit Swiss, il mercato dell'automazione industriale globale vale 152 miliardi dollari ed è cresciuto del 6% l'anno, in media, dal 2003 a oggi, quasi due volte più velocemente della produzione industriale complessiva. Efficienza energetica, mobilità e sicurezza rappresentano le sfide principali su cui si stanno concentrando molti fornitori di semiconduttori per automazione industriale. Secondo Infineon le applicazioni di automazione industriale possono essere rappresentate secondo il seguente schema. La piramide di Infineon illustra i tre livelli principali e i relativi punti di intercomunicazione. In tale ambito, Infineon inserisce i propri sistemi e i propri prodotti di potenza integrati e discreti, di controllo e d'interfacciamento, offrendo un portafoglio tagliato in particolare su robustezza e affidabilità. Le principali linee di prodotto Infineon riguardano Pc industriali, Pc da pannello, Hmi (Human Machine Interface), Plc e Micro Plc, I/O-Link, sensori industriali, controlli per motori, Fieldbus, driver per attuatori e molto altro ancora. L'approccio Infineon è basato su funzionalità e capacità d'integrazione particolarmente spiccate, che accelerano la progettazione e il time-to-market.
Anche Texas Instruments offre prodotti e strumenti adatti per completare e ottimizzare il proprio sistema di automazione industriale. I vantaggi della proposta TI includono la possibilità di usufruire di strumenti e risorse hardware/software utili per rendere più semplice e veloce la progettazione, nonché l'opportunità di contare su un fornitore globale con supporto e competenze a livello locale. TI spazia dai microcontroller ai processor Arm-based, dai transceiver wireless agli IC analogici per power management, dai data converter alle interfacce, dagli amplificatori ai driver industriali, dai Plc ai computer industriali, dai sensori ai sistemi Hmi, inserendosi in tutti i contesti che riguardano la produzione industriale.
"Robusti, affidabili, riutilizzabili" è il motto adottato da Freescale per i suoi prodotti per il controllo, le comunicazione cablate e wireless e l'interfacciamento uomo-macchina dedicati al settore dell'automazione di fabbrica. I sistemi sono sicuri e protetti per resistere ad hacking, clonazione, manomissioni ed errori soft tipici degli ambienti aggressivi della produzione e dei processi. In particolare, Freescale offre una serie di soluzioni per gli standard di sicurezza funzionale descritti nella norma Iec 61508 (Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-related Systems - E/E/PE o E/E/PES). L'offerta Freescale comprende controllori di processo, Plc, controllori di temperatura, converter (bridge) e switch Ethernet, gateway (router), hub, periferiche industriali e molto altro ancora.
STMicroelectronics ha un forte background nell'automazione industriale e nel controllo di processo, dove opera con prodotti caratterizzati da lunghi cicli di vita e con tecnologie di fascia alta. I semiconduttori ST sono realizzati per soddisfare i requisiti e le norme per il controllo elettronico dei processi industriali e garantiscono affidabilità ed efficienza degli apparati. Esempi del portafoglio sono i blocchi per applicazioni Hmi, Plc, di power management, robotica e così via. Una rete di centri di competenza distribuita a livello mondiale permette di supportare i progettisti nella scelta delle soluzioni giuste per le loro applicazioni. I prodotti chiave dell'offerta sono microcontroller a 32 bit in architettura Arm Cortex M4, dispositivi intelligenti di potenza low-side, high-side e bridge per bobine, motori Dc e motori passo, Mosfet e Igbt di potenza. Anche Renesas offre una linea specifica di prodotti per applicazioni industriali. In particolare, la società propone una serie di soluzioni comprendente sistemi di controllo programmabili e distribuiti, di controllo assi, di controllo motori, inverter, sensoristica, azionamenti, prodotti per reti industriali e Power Line Communication. Molti altri fornitori vedono nel proprio catalogo prodotti dedicati al mercato dell'automazione industriale. Un comune denominatore tra le varie offerte troviamo sicuramente la tendenza a offrire delle vere e proprie piattaforme su cui si riflettono le tendenza in atto nel settore. I prodotti per automazione di nuova generazione difficilmente potranno essere realizzati con il contributo di un solo fornitore ma richiederanno uno sforzo comune capace di aggregare competenze specifiche nel campo industriale con altre tecnologie mutuate da quelli che fino a ieri potevano essere considerati mercati paralleli. Ciò permetterà di dare vita a soluzioni verticali, allineate coi nuovi percorsi di crescita. Non è un caso se oggi i maggiori player del settore non sono solo fornitori di prodotti per automazione e controllo ma offrono cataloghi che si estendono dai componenti industriali ai tool software, dai controlli per motori a quelli per sensoristica, dalle soluzioni di comunicazione alle tecnologie sicurezza, fino ai servizi chiavi in mano.
