Industria 4.0 e ambiente integrato

La premessa dell’evoluzione alimentata da Industria 4.0 è che le risorse in un’azienda manifatturiera siano intelligenti, collegate in rete e integrate.
La comunicazione svolge quindi un ruolo indispensabile, e deve coprire tutto l’ambiente produttivo

Nelle aziende manifatturiere tradizionali, l’incertezza nelle comunicazioni porta a incomprensioni e flussi di lavoro inefficienti, gli eventi imprevisti non possono essere considerati immediatamente nel programma di produzione, e gli adeguamenti richiedono comunque costi o sforzi elevati a causa della bassa flessibilità. Nasce quindi l’esigenza di una migliore integrazione orizzontale e verticale che, in ottica Industria 4.0, assume l’importanza di una vera e propria spina dorsale nella Smart Factory.

Quattro scenari di integrazione

L’integrazione può essere orizzontale o verticale, ed esterna o interna. Sono quindi possibili quattro scenari. In particolare, l’integrazione orizzontale esterna implica il collegamento di tutte le parti della supply chain. In questo modo, un’azienda integrata orizzontalmente nella supply chain può concentrare le sue attività attorno alle proprie competenze chiave, e connettersi a partner esterni per costruire una catena del valore end-to-end nella quale tutte le imprese all’interno della rete si scambiano dati reciprocamente. L’integrazione orizzontale interna permette invece di creare un sistema coeso ai vari livelli dell’impresa. Per esempio, nei reparti di produzione macchine e unità di produzione sempre connesse diventano ciascuna un oggetto con proprietà ben definite all’interno della rete. Ogni elemento del sistema può comunicare costantemente il proprio stato di prestazione, e rispondere autonomamente alle mutevoli esigenze di produzione, migliorando così la visibilità, la flessibilità e la produttività.
L’integrazione verticale esterna è una strategia in base alla quale un’azienda possiede o controlla i propri fornitori, distributori o punti vendita per controllare il proprio valore o la supply chain. Infine, l’integrazione verticale interna mira a unire tutti i livelli logici all’interno dell’organizzazione, dalla produzione fino alla ricerca e sviluppo, alla garanzia della qualità, alla gestione del prodotto, alla gestione dei dati, alle vendite e al marketing e così via. In altre parole, la tecnologia operativa (OT) a livello di produzione converge con la tecnologia informatica (IT) a livello aziendale. I dati possono fluire liberamente e in modo trasparente fra i diversi livelli, permettendo di effettuare decisioni strategiche e tattiche “data-driven”.

L’integrazione nell’impresa industriale

Se ci soffermiamo sulle esigenze di integrazione interna, possiamo constatare come la razionale integrazione di tutte le componenti del processo di produzione rappresenti una delle maggiori sfide per ogni impresa industriale. Spesso, infatti, l’efficienza delle singole macchine e impianti non è sufficiente per raggiungere i livelli di tempestività e qualità (competitività) che il mercato richiede.
Il flusso dei materiali, delle lavorazioni e delle informazioni, le fluttuazioni del mercato, i rapporti con il mondo esterno dei fornitori rappresentano quindi alcuni degli elementi su cui l’impresa deve puntare l’attenzione, al di là della ottimizzazione delle singole fasi del processo di produzione. Questo può essere ottenuto solo favorendo l’integrazione all’interno dei diversi livelli dell’azienda (integrazione orizzontale) e fra i livelli stessi (integrazione verticale). L’automazione integrata, basata su una riorganizzazione delle attività, sull’eliminazione delle ridondanze e degli sprechi, nonché sulla creazione di un sistema informativo esteso a tutti i livelli dell’azienda, costituisce l’obiettivo finale e più ambizioso dell’azienda stessa. Il suo raggiungimento è oggi notevolmente favorito dall’introduzione delle tecnologie microelettroniche e informatiche orientate all’ambiente industriale.

Le soluzioni di cloud computing

In generale, l’integrazione dei processi gestionali e produttivi della fabbrica richiede il trasferimento di ingenti flussi di dati e informazioni, a partire dai singoli sistemi di progettazione/ingegnerizzazione/ produzione fino ai centri di decisione e gestione. È quindi evidente l’importanza di tecnologie come i bus di campo, le reti industriali, le tecnologie IoT e IIoT e così via. Intanto, sono entrate in gioco nuove possibilità, come l’integrazione basata sul cloud.
La natura centralizzata delle soluzioni di cloud computing fornisce un’eccellente piattaforma per affrontare le numerose sfide che i sistemi di automazione industriale devono affrontare. Il cloud computing nei sistemi di automazione industriale permette di migliorare l’analisi dei dati (perché i calcoli di pianificazione vengono eseguiti in tempo reale e con risorse di elaborazione sufficienti per gestire l’analisi richiesta) e migliorare le misure di sicurezza informatica, perché la tecnologia di cloud computing industriale fornisce un ambiente centralizzato in cui è possibile memorizzare i set di dati più sensibili.

Un modello a più livelli

Seguendo una classificazione ormai consolidata, si possono distinguere i quattro livelli fondamentali, che devono essere integrati sia singolarmente (integrazione orizzontale) sia fra loro (integrazione verticale).
Il primo livello è quello dei componenti di automazione più semplici. Esso è costituito dall’insieme dei sensori e degli attuatori, ossia dai dispositivi di campo che vengono interfacciati direttamente al processo di produzione e costituiscono la parte di ingresso/uscita del sistema di controllo. Questo livello riporta al livello sovrastante le misure di processo e attua i comandi che ne riceve. Il livello di intelligenza richiesto ai dispositivi di campo è limitato, in quando devono solo convertire grandezze fisiche di varia natura (ad esempio temperatura, pressione, tensione e via dicendo) in segnali tipicamente di tipo elettrico e viceversa. È tuttavia crescente la tendenza di dotare sensori e attuatori di intelligenza locale e di un’interfaccia di comunicazione proprio per favorire l’integrazione orizzontale all’interno del livello. Al livello successivo si trovano i controllori richiesti per la gestione di una macchina o di un processo semplice. Il secondo livello è quindi costituito dai controllori, interfacciati coi sensori e gli attuatori del primo livello nell’ambito di una certa unità di produzione. Le apparecchiature del livello 2 sono tipicamente i PLC, i DCS, i PC industriali, i PAC e i CNC. Le funzioni cui il controllo di macchina è preposto sono la regolazione diretta delle variabili, l’esecuzione sequenziale di operazioni e così via; tali operazioni devono essere coordinate con quelle fatte eseguire alle altre macchine dell’unità di produzione.
Il terzo livello è quello della supervisione di una linea che comprende più macchine e/o fasi del processo di produzione. I controllori di questo livello regolano il funzionamento di tutte le macchine che compongono una cella di lavoro o una linea di produzione attraverso la comunicazione coi relativi controllori. Le operazioni svolte a questo livello sono analoghe a quelle del secondo livello, risultando solo più complesse e a maggior spettro di varietà e dimensioni.
Infine, al quarto livello troviamo la gestione globale della produzione: gestione operativa intesa come impostazione del lotto da produrre o dei cicli di lavorazione, gestione delle situazioni di allarme, analisi e report dei risultati e altro ancora. I requisiti di elaborazione real-time sono minori; le funzioni di questo livello sono infatti eseguite da sistemi che lavorano su orizzonti temporali e con obiettivi completamente differenti da quelli dei livelli sottostanti. Restano invece molto importanti i tempi di risposta dell’intero sistema per quanto concerne la rilevazione e segnalazione di eventuali situazioni di allarme. Altri livelli superiori possono essere utilizzati per rappresentare il coordinamento di più siti di produzione e/o i sistemi di gestione dell’azienda.

Conclusione

La realizzazione di un ambiente integrato richiede la completa gestione delle diverse strutture di automazione e della loro capacità di comunicare. La comunicazione è pertanto il presupposto indispensabile per lo sviluppo della fabbrica integrata e deve coinvolgere tutti i sottosistemi presenti, caratterizzati come sono da una grande varietà tipologica e funzionale. La comunicazione deve infatti giungere a coprire integralmente tutto l’ambiente produttivo a partire dai sensori a bordo macchina, fino ai sistemi informativi preposti alla pianificazione della produzione e ai sistemi di gestione dell’impresa.