Digital twin: potenzialità e sfide da affrontare

La sinergia fra gemello digitale e strumentazione offre benefici tangibili a livello di progettazione e produzione. Investire in tecnologie all’avanguardia e piattaforme software intelligenti è cruciale. Ma ci sono anche importanti sfide da superare.

Nel contesto sempre più digitale dell’industria, il gemello digitale, o digital twin, rappresenta una risorsa fondamentale, rivoluzionando gli approcci tradizionali di progettazione e produzione. Questa rappresentazione virtuale precisa di sistemi e processi trova una collaborazione efficace con la strumentazione industriale, contribuendo significativamente all’ottimizzazione operativa. Il concetto di gemello digitale si concretizza attraverso un processo sofisticato e ben strutturato, che richiede l’integrazione di dati provenienti dalla strumentazione industriale e l’impiego di piattaforme software avanzate. In sostanza, un gemello digitale rappresenta una replica virtuale accurata di un sistema fisico o di un processo industriale. Questa rappresentazione digitale non è semplicemente un modello statico, ma una copia dinamica che riflette il comportamento, lo stato e le interazioni in tempo reale dell’entità reale che vuole replicare.

L’importanza cruciale dei dati

La realizzazione di un gemello digitale inizia con la raccolta di dati provenienti da una vasta gamma di sensori industriali. Questi sensori, inclusi ma non limitati a quelli di pressione, temperatura, flusso e posizione, forniscono informazioni dettagliate sulle condizioni operative degli impianti. Le piattaforme software avanzate sono il collante che tiene insieme l’intero processo. Sono progettate per gestire la complessità dei dati provenienti dalla strumentazione industriale, e consentire una rappresentazione digitale coerente e in tempo reale. L’integrazione di tecnologie come l’intelligenza artificiale e l’edge computing contribuisce a elaborare in modo efficiente grandi quantità di dati, migliorando la precisione e la tempestività delle informazioni trasmesse al gemello digitale. Durante la fase di progettazione, il gemello digitale si basa su dati provenienti da una varietà di sensori industriali. Questi dati, insieme a quelli provenienti dalla strumentazione, consentono una simulazione accurata dei sistemi, accelerando i processi decisionali e migliorando la qualità delle soluzioni progettuali. La capacità di creare e valutare diversi scenari operativi fornisce un quadro completo e flessibile, riducendo i tempi di sviluppo e favorendo una progettazione più precisa e adattabile.  I progettisti possono esplorare diverse configurazioni, regolazioni e parametri prima di implementare fisicamente il sistema. Tale approccio preventivo riduce il rischio di inefficienze o problemi durante la produzione reale, sottolineando la potenziale presenza di criticità già nelle fasi iniziali del processo di progettazione. La natura dinamica del gemello digitale supporta una progettazione iterativa. I progettisti possono apportare modifiche al sistema, eseguire nuove simulazioni e valutare istantaneamente l’impatto di tali modifiche. Questo ciclo iterativo favorisce una progettazione più flessibile e adattabile, consentendo ai progettisti di perfezionare il sistema in risposta alle specifiche prestazioni desiderate.

Altri vantaggi fondamentali

L’analisi delle prestazioni è un altro aspetto chiave reso possibile dal gemello digitale. La simulazione di diverse condizioni operative e carichi di lavoro consente ai progettisti di valutare come il sistema risponda a variazioni nelle variabili di input. Questo livello di analisi dettagliata contribuisce all’ottimizzazione delle prestazioni del sistema, garantendo che soddisfi in modo efficace le esigenze produttive.
Un beneficio sostanziale del gemello digitale è la sua capacità di ridurre i tempi di sviluppo. La possibilità di individuare e risolvere problematiche in fase di progettazione evita ritardi dovuti a correzioni post-implementazione, contribuendo al rispetto dei tempi di consegna e di commercializzazione.
Infine, il gemello digitale facilita l’integrazione di tecnologie avanzate come l’intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico. Queste soluzioni possono essere testate e implementate virtualmente nel gemello digitale, prima di essere integrate fisicamente nel sistema di automazione. Ciò contribuisce a garantire un’implementazione più fluida e ottimizzata delle soluzioni tecnologiche avanzate.

Più efficenza nella produzione

In fase di produzione, il gemello digitale sfrutta la continua alimentazione di dati in tempo reale dalla strumentazione industriale. Sensori e dispositivi di misurazione forniscono un flusso costante di informazioni sugli asset produttivi, consentendo un monitoraggio dettagliato e l’adattamento immediato alle variazioni nelle condizioni operative. La gestione efficiente degli impianti, e la possibilità di intervenire tempestivamente in caso di anomalie, si traducono in una produzione più efficiente e resiliente. L’analisi predittiva basata sui dati in tempo reale, facilitata dalla strumentazione industriale, permette di anticipare potenziali guasti e ottimizzare le attività di manutenzione. Questo approccio proattivo contribuisce significativamente a ridurre i tempi di fermo non pianificato, migliorando l’affidabilità e la disponibilità degli impianti. In tutto questo, l’implementazione di un gemello digitale consente sia di migliorare e rendere più efficiente la produzione, ma anche di andare a definire e verificare trend che si sviluppino nel corso della gestione, e poter prevedere modifiche di lungo termine a livello strategico, o anche la possibilità di implementare efficacemente algoritmi di manutenzione predittiva.

La possibilità di fare test “in casa”

Ma per poter implementare un gemello digitale sono necessarie diverse informazioni e strumenti software; tra l’altro l’implementazione di questa soluzione può essere anche modulare sulla base dei dati, delle informazioni e delle conoscenze disponibili e accessibili.
In primis il gemello digitale rappresenta un modo per avere un feedback dal campo senza avere fisicamente il campo disponibile, da qui la prima esigenza che va incontro alla fase di implementazione e sviluppo di nuovi processi. In questo modo è possibile ridurre in modo significativo i tempi della messa in servizio potendo fare un test “in casa”.  Successivamente, è possibile anche implementare il comportamento reale del sistema, basandosi sulle risposte e le retroazioni del sistema reale collaudato e testato. In questo modo il gemello digitale avrà il comportamento del processo, e potrà essere dinamicamente aggiornato per avere comportamenti sempre più vicini al comportamento reale del processo, includendo anche la parte di simulazione dinamica e meccanica dell’impianto. Ovviamente questo richiede una conoscenza del processo e della sua dinamica molto profonda, e i tempi di implementazione lato software sono sicuramente lunghi, e il risultato potrebbe non essere quello sperato. Da qui emerge l’importanza di piattaforme software avanzate nel processo di implementazione pratica di un gemello digitale. Queste soluzioni devono essere in grado di gestire e integrare dati provenienti da una vasta gamma di sensori e strumentazione.

La formazione degli operatori

Un aspetto innovativo è l’applicazione del gemello digitale anche nella formazione degli operatori. La sua capacità di replicare fedelmente scenari operativi reali consente agli addetti di acquisire esperienza pratica in un ambiente virtuale sicuro. Ciò non solo facilita la formazione iniziale, ma consente anche l’addestramento continuo e la simulazione di situazioni complesse, contribuendo a migliorare le competenze e la prontezza degli operatori. Ciò non solo migliora la preparazione degli operatori, ma riduce anche i rischi associati alla formazione pratica nei contesti industriali complessi. Inoltre, il gemello digitale può essere impiegato per creare programmi di formazione personalizzati, adattati alle esigenze specifiche degli operatori e alle caratteristiche del sistema in cui opereranno. 
Questa flessibilità consente di fornire un percorso formativo mirato, ottimizzando il tempo dedicato e massimizzando l’efficacia dell’apprendimento.
Grazie alla sua capacità di replicare fedelmente le dinamiche operative, il gemello digitale permette agli addetti di sviluppare una comprensione approfondita dei processi industriali, dalla gestione degli impianti alla risoluzione di eventuali problematiche. Ciò contribuisce a creare operatori più competenti e pronti a gestire in modo efficiente le sfide quotidiane.

Servono competenze e tecnologie variegate e trasversali

Sicuramente l’implementazione di un sistema che rappresenti un gemello digitale del processo richiede competenze e tecnologie a servizio piuttosto variegate e trasversali in svariati ambiti. In primis a livello di sensori avanzati e strumentazione industriale: la strumentazione industriale (strumenti di misura, attuatori, dispositivi di controllo e monitoraggio) costituisce la fonte primaria di dati che alimenta il gemello digitale. Piattaforme avanzate per la raccolta, l’elaborazione e la gestione dei dati sono fondamentali. L’utilizzo di strumenti di modellazione 3D avanzati consente la creazione di una replica virtuale fedele dei componenti fisici dell’impianto o del processo. L’implementazione di algoritmi di intelligenza artificiale e apprendimento automatico invece permette al gemello digitale di apprendere e adattarsi dinamicamente alle variazioni nelle condizioni operative, migliorando la sua capacità predittiva e ottimizzando le prestazioni.
La creazione di connessioni affidabili fra il gemello digitale e la strumentazione industriale richiede inoltre una solida infrastruttura di reti di comunicazione, utilizzando protocolli industriali standard come OPC-UA o MQTT. La protezione dei dati e la sicurezza informatica sono di primaria importanza. L’implementazione di protocolli di sicurezza, cifratura e misure per prevenire attacchi informatici è cruciale per garantire l’integrità e la riservatezza delle informazioni.
La comprensione approfondita dei processi industriali e delle dinamiche operative è essenziale. Gli ingegneri dei sistemi devono tradurre questa conoscenza nel design e nell’implementazione del gemello digitale, garantendo la sua coerenza con il mondo fisico. Infine, le competenze avanzate nella programmazione e nello sviluppo software sono fondamentali per creare applicazioni e algoritmi complessi che alimentano il gemello digitale.

Le sfide dell’implementazione

Come abbiamo visto, l’implementazione di un gemello digitale è un processo complesso che, pur offrendo numerosi vantaggi, presenta alcune sfide. Tra queste, spicca la gestione dei dati, che devono essere acquisiti da una varietà di sensori e integrati in modo accurato; da ciò scaturisce la complessità delle interconnessioni tra il gemello digitale e la strumentazione industriale. Si dovrà, pertanto, avere la possibilità di creare reti e infrastrutture di comunicazione in grado di trasferire in modo bidirezionale questi dati tra gli applicativi diversi: il controllo e il gemello digitale. Ovviamente ci dovrà essere una netta e chiara separazione fra le reti e i ruoli che queste rivestono, perché la priorità dovrà sempre essere data alle reti e alle informazioni per il controllo in tempo reale del processo, e ai dati necessari per garantire la sicurezza delle persone e dell’ambiente. Un aspetto che non deve essere trascurato è rappresentato dai costi, sia iniziali che di manutenzione. L’acquisizione di sensori avanzati, l’implementazione di tecnologie di raccolta dati e lo sviluppo software possono comportare investimenti notevoli. 
Inoltre, è necessario considerare i costi a lungo termine legati alla manutenzione e agli aggiornamenti.
La sicurezza informatica è una preoccupazione critica, con la necessità di proteggere i dati, cifrarli e prevenire accessi non autorizzati. 
L’integrazione del gemello digitale coi sistemi esistenti può rivelarsi complessa, richiedendo compatibilità con protocolli industriali esistenti. Il rispetto delle normative e degli standard settoriali è fondamentale, aggiungendo un ulteriore livello di complessità all’implementazione. La resistenza al cambiamento e la formazione del personale sono sfide culturali, mentre la gestione della scalabilità e degli aggiornamenti continui richiede una pianificazione accurata. La precisione e l’affidabilità dei modelli sono aspetti cruciali, dipendenti dalla qualità dei dati e dalla fedeltà del modello alla realtà. Errori nella modellazione o dati inaccurati possono compromettere l’utilità del gemello digitale come strumento predittivo e di simulazione.