Industria 4.0 – Dalla visione alla realt�

Realtà Mista nei concetti di comando intelligenti. (Foto: OPTIMA packaging group GmbH) / Realtà Mista nei concetti di funzionamento intelligenti. (Foto: OPTIMA packaging group GmbH)

Il monitoraggio delle condizioni fornisce informazioni sulle singole macchine o sulle linee complete in tempo reale. Basandosi su limiti predefiniti di allarme e guasto, è possibile rilevare e correggere le deviazioni in anticipo. (Foto: Bosch Packaging Technology)

La trasformazione digitale verso ambienti di produzione connessi nel senso di Industrie 4.0 (I4.0) o Internet delle cose (Internet of Things, IoT) sta prendendo sempre più slancio. Numerose applicazioni nei settori di monitoraggio di prodotti e processi, tecnologie di etichettatura, imballaggio, logistica, nonché manutenzione e riparazione mostrano già oggi quale potenziale di ottimizzazione racchiuda questa trasformazione verso l'Internet delle cose.

Si tratta di sensori, chip RFID (Radio Frequency Identification), dispositivi, macchinari e impianti. Questi dovrebbero in futuro non solo fornire informazioni in modo autonomo e continuo su tutti i principali stati di processo e sistema, ma anche comunicare tra loro tramite Internet e intervenire in modo correttivo e ottimizzante nei processi di produzione senza intervento umano. La base di questa comunicazione tramite Internet è il protocollo Internet (IP) con i suoi indirizzi IP chiaramente identificabili. Il vecchio protocollo Internet IPv4 poteva fornire uno spazio di indirizzi di circa 4,3 miliardi di indirizzi IP – e già all'inizio del 2012 erano tutti assegnati – a PC, notebook, tablet e telefoni mobili. Per questo motivo è stato sviluppato il nuovo standard IPv6, che comprende uno spazio di indirizzi di 3,4 x 10^38 indirizzi IP. La scarsità di indirizzi non è più un problema. La transizione a IPv6 è ancora in corso. Le sfide sono quindi meno legate alle cose in sé e ai loro indirizzi, quanto piuttosto alla quantità di dati che esse generano, quando un giorno miliardi di sensori invieranno rispettivamente migliaia di dati al secondo ai sistemi di controllo. Questi dati devono essere analizzati in tempo reale per visualizzazioni e simulazioni e archiviati per scopi di documentazione (tracciabilità).

Nel Internet delle cose si tratta quindi principalmente di dati. Più precisamente – delle informazioni ottenute da questi dati. E questa è la sfera del software e degli algoritmi. Ciò che si può già ottenere oggi è motivo sufficiente per attivare attivamente la trasformazione. I seguenti esempi mostrano applicazioni che già a breve termine si dimostrano redditizie.

Cambio di paradigma nella manutenzione

Guasti a cuscinetti, ingranaggi, pompe o dispositivi di riempimento e dosaggio non si verificano improvvisamente, ma si annunciano a lungo prima dell’insorgenza del danno attraverso vibrazioni insolite, variazioni di temperatura, cambiamenti nel consumo di corrente, calo di pressione e simili. Queste deviazioni rilevate dai sensori nell’ambito del monitoraggio delle condizioni possono oggi essere analizzate, visualizzate e messe in relazione con i processi grazie a programmi di analisi e simulazione altamente complessi in tempo reale. Sulla base di queste informazioni, i conduttori di macchine e impianti possono intervenire in modo mirato, e soprattutto da remoto. Ad esempio, per mantenere gli impianti sempre nel range ottimale, apportare modifiche ai programmi o installare nuovi programmi di controllo e applicazioni. Inoltre, grazie ai risultati delle simulazioni, è possibile fare previsioni precise sulla durata residua ancora prevista di componenti critici, offrendo così prospettive completamente nuove per la manutenzione.

Si passa quindi dalla manutenzione reattiva e preventiva, con intervalli di sostituzione periodici, a interventi di manutenzione predittiva, cioè prevedibile e pianificabile con precisione – il Predictive Maintenance. I vantaggi sono una maggiore disponibilità di macchinari e impianti, rischi di guasto significativamente ridotti, maggiore sicurezza operativa e di produzione, nonché costi di manutenzione notevolmente inferiori.

Il Predictive Maintenance rappresenta inoltre un elemento importante per la sostenibilità. Con la sostituzione periodica di componenti si era sempre stati cauti, ma si sprecava la preziosa durata residua di componenti costosi, perché non si disponeva di dati comportamentali precisi. Oggi la conoscenza sul comportamento dei materiali, sulle sollecitazioni continue sotto carico variabile e simili è molto più avanzata rispetto a 10 o addirittura 20 anni fa. Un altro aspetto è la maggiore potenza di calcolo disponibile oggi, così come programmi di analisi più intelligenti, FEM (metodo degli elementi finiti) e simulazioni. Questi consentono di determinare e prevedere con alta precisione le durate residua attese, e questa conoscenza avvantaggia il Predictive Maintenance.

Chattare con le macchine

La crescente capacità, flessibilità e intelligenza di macchinari e impianti porta a sistemi sempre più complessi, che pongono requisiti elevati nello sviluppo di concetti di interfaccia uomo-macchina (HMI, Human Machine Interface). Dal punto di vista hardware, le HMI sono dispositivi con funzionalità touch screen, come quelle che la maggior parte delle persone conosce dagli smartphone o tablet. Ciò permette di partire da conoscenze familiari per imparare a usare macchinari e impianti, motivando e riducendo notevolmente i tempi di formazione.

Un aspetto centrale nello sviluppo delle interfacce di controllo è che i macchinari devono poter essere utilizzati in modo sicuro anche da persone senza formazione professionale specifica e spesso con conoscenze linguistiche insufficienti. Per evitare errori di comando, gli sviluppatori di interfacce optano quindi per elementi grafici intuitivi invece del linguaggio. Sono sempre più diffusi anche rappresentazioni fotorealistiche 3D di macchinari, impianti e componenti. Inoltre, un HMI deve soddisfare le esigenze di diversi utenti, a seconda delle qualifiche e delle autorizzazioni. I conduttori di macchine vedono interfacce diverse rispetto, ad esempio, a capi turno, manutentori o responsabili di produzione. In questo modo, ogni utente visualizza solo i dati pertinenti al proprio ruolo e alla situazione, e le informazioni sono limitate all’essenziale, garantendo una rappresentazione chiara e immediata delle principali metriche di macchina e dati di produzione.

La mobilità e la portabilità sono altre caratteristiche delle moderne HMI. La tendenza va verso dispositivi mobili, da cui è possibile controllare e gestire macchinari e impianti ovunque ci si trovi, in base alle autorizzazioni dell’utente. Questo permette di risparmiare tempo e costi di viaggio, soprattutto nel settore del servizio e della manutenzione.

Operare in mondi virtuali

Raramente un tema suscita così tante reazioni nel contesto dell’Internet delle cose come il gemello digitale o virtuale. Le sue basi tecniche sono programmi di modellazione 3D, simulazione e analisi potenti, oltre a copie virtuali 1:1 di programmi di controllo reali di macchinari e impianti. Basandosi su questi strumenti software, si rappresenta l’intero processo di produzione, inclusi componenti, macchinari, impianti e loro controlli, come modello virtuale – con tutti i dati fisici necessari per le simulazioni. Offre inoltre la possibilità di programmazione offline. Tutto ciò rende il gemello digitale uno strumento universale per sviluppatori, operatori e manutentori.

Grazie a simulazioni realistiche, durante la fase di sviluppo è possibile individuare e correggere errori di progettazione o vulnerabilità senza dover prima produrre un pezzo reale. Questo vale anche per la programmazione e ottimizzazione dei controlli.

Una delle applicazioni più importanti è l’avviamento virtuale. Non si tratta solo di un test virtuale, ma anche di familiarizzare i tecnici con le peculiarità e le possibilità del sistema. In altre parole: il gemello digitale è il simulatore di volo per processi industriali, macchinari e impianti. La simulazione preventiva rispetto all’avvio reale dà molteplici vantaggi. Se ci sono ancora errori nel sistema o nel concetto di controllo, possono essere corretti in anticipo, senza danneggiare parti reali dell’impianto. La programmazione offline permette ai pianificatori di produzione di apportare modifiche virtuali durante il funzionamento, di valutare gli effetti sui tempi di ciclo o di testare diverse modalità operative. L’aspetto più importante è che nel gemello digitale si riuniscono le conoscenze di molti specialisti, che possono poi essere utilizzate anche in altri progetti.

In breve, costruttori di impianti e utenti possono ridurre significativamente i tempi di progetto, accelerare le messa in funzione e ottenere effetti di efficienza nello sviluppo di impianti e processi simili, grazie alle simulazioni avanzate. Questo permette di risparmiare, oltre al tempo, risorse, energia e manodopera.

Interfacce standardizzate sono un must

La standardizzazione rimane una grande sfida, poiché ancora la maggior parte dei produttori di macchinari ha proprie interfacce. Tuttavia, l’integrazione è la caratteristica fondamentale dell’Internet delle cose. E questa integrazione richiede soprattutto la continuità nello scambio di dati e informazioni tra macchinari – sia verticalmente che orizzontalmente. E proprio questo impone l’uso di protocolli standard aperti. La tendenza va quindi verso soluzioni open source, che offrono sicurezza di investimento e indipendenza come sistemi non proprietari. Un esempio è l’OPC Unified Architecture (OPC UA), un insieme di specifiche per il collegamento di macchinari di diversi produttori. La sicurezza di OPC UA è garantita tramite autenticazione, autorizzazione, crittografia e integrità dei dati.

In questo modo, OPC UA è ideale per un trasporto sicuro, affidabile e neutrale tra produttori di dati grezzi e informazioni preelaborate dalla produzione verso sistemi di pianificazione della produzione o ERP di livello superiore.

Anche le vecchie installazioni possono diventare Industrie 4.0

Molti macchinari, impianti, motori e compressori più datati non sono dotati della sensoristica e della tecnologia di comunicazione necessarie per l’Industria 4.0 – in alcuni casi nemmeno per il funzionamento in sistemi connessi. Tuttavia, ciò non significa che questi impianti siano obsoleti di fronte alla trasformazione digitale. Come soluzione di ingresso nell’Industria 4.0, si possono installare sensori intelligenti che misurano regolarmente parametri di stato importanti di macchinari e impianti e inviano i dati in modalità wireless tramite un’interfaccia di comunicazione integrata, per l’analisi, agli HMI o agli smartphone o tablet dei dipendenti. Con questi e altri metodi semplici, le aziende possono entrare a costi contenuti nel mondo di Industria 4.0 e beneficiare di tempi di fermo ridotti, maggior durata delle macchine, consumo energetico inferiore e così via.

Per l’Interpack 2017, il settore delle macchine alimentari e delle macchine per imballaggio del VDMA organizza una mostra speciale sul tema Industria 4.0. Questa, come lounge tecnologica presso lo stand VDMA, presenta esempi di applicazioni di soluzioni nel settore delle macchine per imballaggio e della tecnologia di processo, che offrono nuove possibilità in ambiti come sicurezza, tracciabilità, protezione contro copie e plagi, e imballaggi personalizzati.