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Automazione industriale 4.0: tutto quello che occorre sapere

L’automazione industriale, definita come l’insieme di tecnologie e soluzioni volte a gestire una macchina o un processo in maniera automatica, ossia senza l’intervento umano, è la componente trainante di molti settori industriali. Dopo essere stata uno dei cardini della terza rivoluzione industriale, l’automazione si presta, con l’avvento delle tecnologie dell’Internet of Things e dell’Industria 4.0, a coprire un ruolo ancora più centrale nella produzione industriale.

In questo approfondimento, cercheremo insieme di capire come l’automazione si stia evolvendo, sia per adattarsi alle nuove esigenze di mercato sia per sfruttare le potenzialità delle nuove tecnologie connesse abilitanti.

Come cambia l’automazione industriale con le nuove esigenze del mercato

Il mercato si sta muovendo, ormai da anni, verso una domanda di consumo che richiede alle aziende lead time sempre più ridotti, lotti di produzione di piccole dimensioni (fino al pezzo singolo), ed una forte personalizzazione.

A fronte di queste nuove esigenze, l’automazione industriale sta rispondendo, rivoluzionandosi su una serie di aspetti, come una maggiore flessibilità che consenta una rapida configurazione e parametrizzazione dei sistemi ed un’attenzione verso la sostenibilità e l’efficienza energetica, con l’obbiettivo di una riduzione dei costi di produzione e la creazione di nuovi margini di guadagno.

 

Efficienza energetica

Il consumo di energia è sicuramente una delle principali voci di costo nella maggior parte degli impianti industriali.

Una gestione intelligente delle risorse energetiche consente di evitare o ridurre le richieste di picchi di potenza dalla rete di alimentazione, immagazzinando e rigenerando il surplus energetico, da sfruttare poi nelle operazioni che richiedono più potenza, abbattendo il consumo energetico; inoltre, con un controllo in real-time dei parametri inerenti al consumo di energia, si possono implementare soluzioni che minimizzino l’effetto delle armoniche sull’efficienza dell’impianto elettrico, ottenendo così maggiore stabilità della rete e riducendo rischi di rotture e fermo impianto.

 

Sostenibilità

I consumatori e l’industria manifatturiera sono ora più consapevoli sui rischi ambientali e quindi più attenti alla riduzione degli impatti sull’ecosistema. Le imprese produttrici e i costruttori di macchine e impianti stanno pertanto assumendo un ruolo ancora più attivo e proattivo per la creazione di un futuro sostenibile e il rispetto delle tematiche green, coerentemente con la responsabilità che l’azienda vuole assumersi e comunicare verso l’esterno e ai suoi stakeholder. ,

L’efficientamento energetico e la rigenerazione e il riutilizzo dell’energia elettrica in eccesso, oltre ad avere un effetto sulla voce di costo dei consumi, agiscono direttamente anche sulla sostenibilità della produzione, riducendone le emissioni di CO2 e così minimizzando l’impatto ambientale. Inoltre, strategie volte a favorire l’approvvigionamento energetico da fonti rinnovabili (in Italia, fotovoltaiche, eoliche e idroelettriche, principalmente) sono il primo passo verso una Green Smart Factory.

La sostenibilità ambientale passa anche attraverso una gestione oculata della produzione che, attraverso un approccio data-based, riduca gli sprechi e produca solo lo stretto necessario per soddisfare le richieste dei clienti e quindi concretizzare il concetto di Mass Customization in fabbrica, in modo sostenibile.

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Flessibilità

Molti impianti produttivi sono fortemente influenzati dalla stagionalità della domanda e quindi caratterizzati da picchi produttivi significativi. In altri casi, invece, lo stesso impianto viene utilizzato per la produzione (o parte della produzione, come nel caso dei beni di consumo) di prodotti differenti, sia in termini di formato che di tipologia. In altri casi ancora, l’impianto deve essere riconfigurato con elevata frequenza sia per rispondere alle necessità di personalizzazione fornite dalla domanda che per adattarsi alle produzioni in piccoli lotti introdotti dall’avvento dell’e-commerce.

In tutti questi casi, gli impianti necessitano di una elevata flessibilità per adattarsi alle esigenze del mercato. La parametrizzazione dell’impianto, insieme all’integrazione della produzione con i sistemi gestionali su tutta la supply chain e alla visione in tempo reale dello stato della produzione, permettono una veloce riconfigurazione dell’impianto ed il raggiungimento degli standard di flessibilità richiesti. Un approccio modulare nei confronti dei sistemi di automazione industriale e degli azionamenti garantisce inoltre una facile configurazione anche dell’hardware dell’impianto.

Con l’utilizzo di tecnologie di automazione digitalizzate e connesse, è possibile implementare moduli Plug&Produce per l’automazione di macchine e impianti in fabbrica, per ottenere maggiore rapidità e agilità nella gestione dei processi produttivi, agevolati anche da funzioni di riconoscimento e avvio automatico dei sistemi di controllo, supervisione e gestione della produzione.

 

Semplicità

Per quanto visto finora, potrebbe sembrare che l’automazione industriale si stia muovendo verso sistemi a complessità crescente. Al contempo, ci si aspetterebbe che questo aumento di complessità porti a notevoli complicazioni nella gestione dei sistemi industriali. Curiosamente, l’evoluzione dei sistemi di automazione industriale si sta muovendo nel verso opposto, ovvero verso la semplificazione degli impianti.

Sebbene infatti le soluzioni utilizzate facciano uso di tecnologie digitali sempre più avanzate, viene prestata una notevole attenzione alla loro integrazione per costituire un sistema caratterizzato da uno schema semplice e lineare che si basi su soluzioni modulari e una struttura decentralizzata.

Ad esempio, la digitalizzazione dei componenti elettromeccanici unita a un sistema di gestione dei dati basato su piattaforma IoT permette l’integrazione e l’analisi dei dati decentralizzata e delegata ai componenti in prossimità della fonte dei dati (il cosiddetto edge computing), fornendo al livello di supervisione e gestione solamente i dati utili e significativi per la gestione della produzione, la programmazione della manutenzione e l’analisi dello stato dell’impianto. In questo modo si garantiscono sia l’efficienza operativa sia la scalabilità della soluzione, mantenendo un layout semplice e lineare sull’impianto.

 

Rapidità

La Mass Customization è una delle nuove esigenze di mercato che stanno trasformando i paradigmi della produzione. Questa consiste in una elevata possibilità di personalizzazione dei prodotti secondo le esigenze del cliente, mantenendo al contempo le caratteristiche di efficienza e produttività tipiche della produzione di massa. In questo modo si possono offrire prodotti personalizzati con costi di produzione vantaggiosi e quindi a prezzi molto contenuti.

Oltre alla flessibilità dei sistemi produttivi, per soddisfare le richieste della Mass Customization è necessaria rapidità sia nella realizzazione che nella consegna dei prodotti finiti. Impianti quindi non solo riconfigurabili facilmente, ma anche rapidamente.

 

Sicurezza

Anche se la sicurezza non è un fattore direttamente collegato con le nuove esigenze del mercato moderno, è senz’altro uno dei prerequisiti dell’innovazione nel settore dell’automazione industriale. La sicurezza degli impianti deve essere garantita in conformità con le stringenti direttive e norme internazionali e talvolta specifiche per ogni singolo settore industriale, ma diventa un prerequisito fondamentale nel momento in cui si inseriscono nuove tecnologie connesse nell’interazione uomo-macchina, che devono sempre preservare la salute degli operatori in fabbrica come in logistica.

In questo campo, nuovi tools per la progettazione della sicurezza funzionale dell’impianto come di sistemi cyber-fisici velocizzano il lavoro in fase di progettazione ed automatizzano le procedure di testing e validazione necessarie per ottenere le certificazioni e garantire la sicurezza degli impianti anche con soluzioni tecnologiche innovative, con un risvolto anche sul Time To Market per i nuovi prodotti personalizzati.

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Gli elementi abilitanti dell’automazione industriale 4.0

Per raggiungere nuovi standard in termini di flessibilità, rapidità ed efficienza, il mondo dell’automazione industriale è trainato da uno dei principali motori di trasformazione degli ultimi anni: lo Smart Manufacturing e le tecnologie abilitanti a esso connesse.

Nel 2021 sono riconfermati gli incentivi fiscali per la conversione a Smart Factory dal Piano Nazione Transazione 4.0, che maggiora inoltre tetti ed aliquote per beni materiali ed immateriali riconducibili all’Industria 4.0. Il momento per adottare le tecnologie abilitanti dell’automazione industriale 4.0 è quindi maturo!

Vediamo, nel dettaglio, quali sono queste tecnologie.

 

IoT – Internet of Things

La prima, e forse più importante, caratteristica della Smart Factory consiste in un elevato livello di connessione tra le varie parti dell’impianto. I singoli componenti sono interconnessi tra loro e comunicano con tutte le parti dell’azienda su più livelli (compresi MES e ERP) anche (e sempre più spesso) tramite cloud. L’afflusso costante di dati permette una gestione pervasiva di tutto l’impianto in tempo reale.

Al field level dell’automazione industriale, l’Internet of Things non raggiunge il cloud, ma si basa piuttosto su protocolli di comunicazione standardizzati e aperti che permettano la comunicazione in real-time tra componenti diversi, garantendo al contempo elevati standard di sicurezza. Il protocollo di comunicazione più utilizzato, in questo senso, è sicuramente l’OPC-UA, un protocollo aperto orientato ai servizi e indipendente dalla piattaforma.

Ideato in un primo tempo come protocollo di comunicazione tra il livello di campo e il livello di supervisione, l’evoluzione dell’OPC-UA lo ha portato ad essere compatibile con le reti TNS, per una comunicazione deterministica ed in tempo reale su rete Ethernet. L’OPC-UA è inoltre compatibile con il livello di supervisione (HMI e SCADA) e supporta l’esportazione e la portabilità dei dati attraverso il cloud verso mobile app e tablet industriali per finalità di analisi e reportistica.

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Machine Automation

La digitalizzazione degli impianti, possibile anche grazie alle nuove tecnologie di connessione dell’IIOT (Industrial Internet of Things), consente una fusione, un punto di contatto, tra le sfere dell’Operational Technologies (OT) e dell’Information Technologies (IT), che fino a poco tempo fa erano tenute volutamente separate, sia per questioni di carattere funzionale, sia per questioni legate alla security dei dati dell’impianto.

Lo scambio di dati può ora avvenire bidirezionalmente tra tutti i livelli dell’automazione di fabbrica e tra sistemi eterogenei, anche grazie a nuovi standard per la comunicazione industriale, che consentono la comunicazione verticale tra i diversi livelli e perfino verso il cloud attraverso un unico protocollo comune o “connettori aperti” fra protocolli diversi.

Questa accessibilità alle informazioni permette un monitoraggio in tempo reale delle condizioni di funzionamento, creando così dei dataset che consentono di applicare algoritmi di ottimizzazione e intelligenza artificiale per il controllo e la gestione intelligente delle singole macchine, aumentando così l’adattabilità dell’impianto a nuove condizioni e richieste di mercato in un processo di apprendimento continuo dei software di gestione dei dati.

Grazie all’interoperabilità e alla connettività pervasiva sull’impianto si chiude così il loop tra la gestione della produzione ed il livello field: al livello di gestione software MES ricevono flussi di dati significativi dall’impianto e riferimenti sui lotti da produrre dal livello superiore (ERP); grazie ad algoritmi di analytics e a funzioni di machine learning che elaborano il flusso di dati, l’impianto può essere riconfigurato in maniera automatica per rispondere alle esigenze specifiche del cliente.

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Predictive Maintenance

La continuità operativa della produzione, che è divenuta di fondamentale importanza nel passaggio dalla logica push per il magazzino alla logica pull dell’approccio Just In Time (JIT), ha oggi un rilievo ancora maggiore con la Now Economy (o anche detta Platform Economy). Per rispondere alle esigenze di personalizzazione del cliente con lead time ridottissimi, la produzione non può permettersi fermi impianto imprevisti che non soddisferebbero le esigenze dei clienti e che lederebbero in maniera significativa alla brand image dell’azienda. In questo approccio, il guasto imprevisto non può quindi essere ammesso.

Per far fronte a questa necessità, i dati provenienti dall’impianto vengono analizzati e integrati con indicatori utili e informazioni a valore aggiunto sullo stato dell’impianto, del sistema o del singolo componente, fornendo servizi per la diagnostica ed il condition monitoring in tempo reale.

L’utilizzo di algoritmi predittivi sui dati estende la visione temporale sullo stato dell’impianto, fornendo previsioni sugli stati futuri e sulle probabilità di guasti nei singoli componenti, consentendone la manutenzione predittiva prima che questi si verifichino.

Un approccio integrato consente quindi la programmazione degli interventi di manutenzione, ordinari e straordinari, con una visione d’insieme sulla produzione, sia per evitare rallentamenti e colli di bottiglia durante i picchi produttivi, sia per minimizzare l’insorgenza di guasti e fermi impianto imprevisti.

 

Collaborazione Uomo-Macchina

L’evoluzione dell’automazione industriale sta portando a una presenza pervasiva di robot, cobot e sistemi cyber-fisici sugli impianti. Ciononostante, sono rari i casi in cui sarà possibile, o comunque sempre conveniente, la completa automatizzazione di qualunque fase del processo produttivo e si prevede che la stragrande maggioranza dei settori sarà caratterizzata dalla convivenza tra operatori umani e robotica più o meno evoluta.

L’automazione integrata nella collaborazione uomo-macchina tiene conto della complementarietà dei ruoli di operatori e macchine: mentre gli operatori sono dedicati allo svolgimento di operazioni a lavoro aggiunto, i sistemi di collaborazione robotizzati si occupano delle operazioni più ripetitive e a scarso valore aggiunto.

Un esempio classico consiste nell’automazione delle movimentazioni intralogistiche, dove le operazioni di Material Handling sono gestite in maniera automatica da veicoli a guida autonoma (Automated Guided Vehicles, AGV). Questi veicoli, grazie a differenti sistemi di navigazione (guida laser, magnetica, guida ottica), a tecnologie di sicurezza integrata e possibilità di personalizzazione e interazione, automatizzano tutte le missioni di movimentazione all’interno di un magazzino, di uno stabilimento produttivo o di assemblaggio e spedizione.

Gli AGV possono essere progettati per ottimizzare la collaborazione con gli operatori, per esempio affiancandoli nelle attività di assemblaggio, impostando altezze di lavoro ergonomiche e integrando le istruzioni (di assemblaggio, ma anche per il controllo qualità) direttamente sull’interfaccia su tablet integrato nel veicolo.

 

Lean Smart Factory

Nell’industria manifatturiera si stanno affermando nuovi modelli organizzativi orientati alla razionalizzazione delle attività logistiche e produttive. Spinta delle esigenze del mercato di crescente flessibilità e rapidità, gli impianti produttivi devono mantenersi agili, efficaci ed efficienti.

In una Lean Smart Factory, la fabbrica diventa un sistema interconnesso all’interno del quale i processi di ottimizzazione della produzione vanno a coinvolgere tutti i livelli. Per questo, nel passaggio al paradigma della Lean Smart Factory, l’introduzione di tecnologie abilitanti 4.0 comporta spesso la necessità di una riprogettazione dell’intero processo produttivo.

L’integrazione tra i diversi livelli (field, controllo e supervisione, MES e fino all’ERP) viene resa possibile dall’analisi decentralizzata dei dati grazie all’edge computing, che garantisce la trasmissione dei dati significativi e fornisce solo le informazioni a valore aggiunto, mantenendo la struttura gestionale semplice e facilmente gestibile.

La Lean Smart Factory deve poi essere supportata da una serie di servizi che ne garantiscano il funzionamento continuo ed ottimale anche in periodi in cui il mercato richiedere performance elevate. Soprattutto in questo periodo di crisi e di distanziamento obbligato, è fondamentale che l’assistenza in campo da parte dei partner strategici, per il perfetto funzionamento dell’impianto, possa essere fornita con competenza anche da remoto, con efficienza e rapidità.


Passa dalla Just Factory alla Smart Factory

In un contesto globale che impone personalizzazione, flessibilità, rapidità, efficienza e soprattutto sostenibilità, la digitalizzazione dei processi di fabbrica non è più un’opzione ma è un prerequisito fondamentale.

Scopri in questa infografica:

  •  Quali sono i passi da compiere per rimanere al passo con le richieste del mercato;
  •  Cosa serve per abilitare la fabbrica snella e intelligente;
  •  vantaggi della Lean Smart Factory e le sfide da superare;
  •  Il ruolo della consulenza.