Il futuro del manifatturiero e il centro di competenza IEC-61499 in Lombardia.

di Franco Cavadini e Paolo Pedrazzoli*

 

L’Europa deve puntare ad un incremento di produttività stabile, che mitighi il basso tasso di crescita economica collegato alla crisi finanziaria, ancora oggi una minaccia per la prospettiva di sviluppo delle imprese. In questo contesto, l’Information and Communication Technology (ICT) è un fattore chiave per il futuro del manifatturiero, dove, in particolare, la capacità di ottimizzare e prevedere le dinamiche di prodotto-processo, risulteranno elementi vincenti per lo sviluppo di un manifatturiero sempre più competitivo e flessibile. Esiste un collegamento pulsante fra gli investimenti in ICT e la produttività industriale: diversi studi, come quelli dell’Oxford Economics[1] e del Lisbon Council[2], testimoniano come l’impatto di un investimento nel settore ICT abbia un ritorno sull’investimento maggiore rispetto a qualsiasi altra forma di capitalizzazione: l’uso diffuso dell’ICT nell’industria è allora pietra d’angolo per una produttività solida e per la conseguente crescita economica.

Industry 4.0: cyber-physical system e la quarta rivoluzione industriale

L’industria e l’accademia stanno ora studiando e sperimentando questo mutamento, definito come “la quarta rivoluzione industriale” o più comunemente “Industry 4.0”, che è basato sul diffondersi dei cosiddetti Cyber Physical System (CPS). I CPS sono sistemi inter-connessi, dotati d’intelligenza integrata resa possibile grazie alla diffusione di microcomputer ad elevata potenza computazionale e autonomia, in grado di interagire tra loro utilizzando protocolli Internet standard ed analizzare i dati provenienti dallo shop-floor (l’ambiente dove la produzione viene eseguita) dell’impianto manifatturiero, per reagire in tempo reale a cambiamenti nella domanda e auto-configurarsi di conseguenza.

Cosa sono, in pratica, i CPS? Ogni singola macchina utensile, gli elementi dell’automazione, i robot industriali (kuka, ABB, ecc.), i prodotti… tutti i componenti, insomma, presenti nella fabbrica dotati di intelligenza (grazie a sensori e microcontrollori integrati) e connessione. Tutti questi elementi sono collegati, al di là della singola impresa, lungo la catena del valore: è così che la raccolta e l’analisi intelligente dei dati rende i processi più veloci e resilienti, più flessibili ed efficienti per produrre beni di qualità superiore a costi ridotti ed in tempi minori. Industry 4.0[3] identifica dei trend chiari nell’attuale panorama manifatturiero che caratterizzeranno la fabbrica del futuro:

  • L’adozione di Internet a livello pervasivo anche nello shop-floor;
  • La prevalenza di CPS in grado di interagire in tempo reale con l’ambiente circostante;
  • La gestione ed analisi dei big-data (la presenza di CPS intrinsecamente porta all’aumento dei dati generati);
  • La complessità crescente (derivata sia dai prodotti da produrre, in lotti sempre più piccoli e personalizzati, sia dalle forme di collaborazioni dinamiche che si instaurano fra aziende con sistemi informativi e processi eterogenei);
  • Le tecnologie in rapida evoluzione (da quelle specificatamente manifatturiere a quelle presenti nei prodotti).

L’automazione industriale deve affrontare questi trend e le notevoli sfide connesse, per poter soddisfare i continui cambiamenti negli obiettivi imprenditoriali. Una forma di “intelligenza” tecnica che vada al di là della semplice raccolta di informazioni e segnali dal campo, ma che allo stesso tempo possa direttamente incapsulata all’interno dei componenti dei sistemi produttivi così come nei prodotti stessi, sono alla base di un cambiamento generazionale promosso da Industry4.0, che vede lo sviluppo nella direzione di impianti sempre più riconfigurabili ed “agili”.

La prossima generazione di sistemi manifatturieri dovrà quindi essere basata su un’estrema distribuzione di “intelligenza digitale” attraverso l’intero shop floor così come a cavallo delle sue mura a coinvolgere la filiera produttiva, al fine di abilitare l’operatività di sistemi intelligenti e distribuiti che trasformino flussi di informazioni in flussi produttivi.

L’iniziativa Daedalus: sfruttare un’opportunità di innovazione per l’automazione industrial

Lanciando uno sguardo a come la competizione globale nel settore manifatturiero stia diventando sempre più intensa, anche da paesi prima considerati “a basso contenuto tecnologico”, ci si rende conto di come le aziende produttive italiane ed europee, che hanno fatto della loro storica padronanza dell’automazione industriale per dominare il mercato, debbano ora rivolgersi a soluzioni innovative che permettano di abilitare, a costi accettabili, la flessibilità e riconfigurabilità di impianti e sistemi produttivi necessarie per ottimizzarne le prestazioni, ben al di là di quanto possibile oggi.

L’iniziativa europea Daedalus è stata concepita e costruita a partire dalla consapevolezza che miglioramenti puramente tecnologiche non sono sufficienti per soddisfare le esigenze di innovazione del mercato dell’automazione industriale. È infatti necessario che i principali attori di questo settore siano dotati anche di nuovi strumenti metodologici che permettano loro di entrare a far parte ed alimentare un ecosistema economico ad elevato valore aggiunto.

Così Daedalus sposa Industry 4.0, per il quale la prossima rivoluzione industriale sarà innescata dalla capacità di distribuire all’interno dei sistemi produttivi una capacità computazionale (oggi a basso costo) che ne incrementi l’intelligenza. Infatti, i rapidissimi miglioramenti che si sono avuti negli ultimi anni nel distribuire diffusamente potere computazionale, accoppiati con l’opportunità che il Cloud offre di delocalizzare parte dell’infrastruttura ICT di un’azienda manifatturiera, offrono il potenziale per dare origine ad una nuova generazione di sistemi d’automazione industriale basati su servizi (“service-based manufacturing systems”), dove l’intelligenza locale (concepita per garantire il controllo e l’orchestrazione in real-time di task d’automazione, così come per instaurare i concetti di auto-consapevolezza) può essere dinamicamente collegata e guidata da funzionalità runtime che risiedono nel Cloud, dove anche più aziende possono entrare in collegamento funzionale fra loro pilule viagra prix.

Questi CPS basati su intelligenza real-time distribuita, incrementati nelle loro funzionalità dall’estensione virtuale nel Cloud, possono condurre ad una nuova infrastruttura d’automazione basata anche sui flussi di informazione e non solo su quelli produttivi; la tradizionale vista gerarchica dell’architettura funzionale ICT di una fabbrica (la famosa “piramide dell’automazione”) può quindi essere migliorata attraverso l’accesso diretto alle funzionalità (servizi) che i vari CPS espongono.

D’altra parte, questa visione è stata fino ad oggi enormemente limitata perché:

  • Le attuali tecnologie PLC, che dominano lo sviluppo di applicazioni di automazioni industriale, sono in realtà un’eredità degli anni ’80, del tutto inadeguata per sostenere una nuova architettura funzionale basata su “sistemi di sistemi”;
  • Al contempo, i linguaggi di programmazione d’automazione dello standard IEC-61131, base operativa dei suddetti PLC, sono antiquati da un punto di vista di ingegneria del software, oltre che implementati dai differenti fornitori attraverso specifici dialetti che ne impediscono l’interoperabilità.

Daedalus cerca concretamente di andare oltre questi limiti, proponendo di sfruttare le caratteristiche innovative dello standard IEC-61499 che, inizialmente pubblicato nel 2005, si pone come obiettivo proprio quello di portare nell’automazione industriale i concetti di distribuzione ed orientazione ad oggetti tipici invece del mondo del software (che su quei concetti ha costruito la rivoluzione di internet). In particolare, sfruttando le funzionalità già esistenti dello standard IEC-61499 per il controllo distribuito, il progetto propone un modello funzionale di CPS che fonda coerentemente sia il coordinamento real-time dei suoi task di automazione che la fornitura “runtime” di servizi funzionali agli altri livelli della piramide (MES e ERP in particolare).

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Arrivare alla creazione di CPS basati sullo standard IEC-61499 è solo l’elemento abilitante per l’approccio chiave del progetto. Infatti, la vera complessità degli scenari produttivi proposti (e, quindi, l’opportunità di proporre nuovi paradigmi produttivi) risiede nella possibilità di sviluppare facilmente l’intelligenza multi-livello orchestrante necessaria per coordinare il comportamento di tutti i CPS che, aggregati funzionalmente, governeranno i nuovi ambiti produttivi.

L’adozione da parte del progetto dello standard IEC-61499 presenta automaticamente la soluzione a questo problema, attraverso un approccio già pronto per l’applicazione industriale (e validato in molteplici scenari produttivi) che soddisfa le principali necessità per l’ingegnerizzazione di soluzioni d’automazione complesse, ovvero: l’interoperabilità fra sistemi di produttori differenti (opportunamente “inscatolati” attraverso gli strumenti di aggiornamento che Daedalus offrirà), la comunicazione real-time fra sistemi distribuiti, l’astrazione hardware, un linguaggio di sviluppo (ed il corrispondente ambiente di programmazione) moderno e orientato a oggetti, etc.

Grazie poi all’aggiunta di una specifica interfaccia orientata a servizi, l’integrazione orizzontale e verticale immaginata da “Industrie 4.0” potrà finalmente essere realizzata. Infatti, gli attuali sistemi MES e ERP, che l’iniziativa porterà ad ulteriore step di miglioramento attraverso la tecnologia Cloud, potranno estendere il loro orizzonte di accesso alle informazioni, dinamicamente, fino al livello dello shop-floor, interagendo direttamente con i singoli CPS.

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La necessità di un Centro di Competenza per il Trasferimento Tecnologico della piattaforma Daedalus

La forza della piattaforma tecnologica di Daedalus, basata sullo standard IEC-61499, è che il cuore operativo delle sue soluzioni è già disponibile oggi, in un formato pronto per l’industria e per applicazioni complesse come quelle dell’ambito manifatturiero. Quelli del progetto non sono infatti sviluppi da zero i cui risultati si vedranno solo fra molti anni; al contrario, sono un progressivo miglioramento di strumenti per l’automazione la cui applicabilità e disponibilità esiste già oggi.

La domanda che sorge quindi spontanea è come mai, alla luce di questa prontezza, non sia già partita da tempo la forte diffusione di questa tecnologia, a maggior ragione sapendo che lo standard IEC-61499 esiste dall’ormai lontano 2005. Questo quesito porta a giustificare il secondo elemento chiave dell’iniziativa Daedalus, ovvero la creazione di un Centro di Competenza di livello europeo concepito per agire da tramite verso il mercato della piattaforma IEC-61499 per l’automazione distribuita.

La necessità di un’entità di questo tipo affonda le sue radici nelle peculiarità che il mercato dell’automazione industriale ha assunto nel corso degli ultimi trent’anni, con una struttura fondamentalmente dominata da una parte da grossi gruppi internazionali, che producono soluzioni integrate hardware e software (Siemens, ABB, Schneider Electric, etc.) ed i relativi servizi di personalizzazione, e dall’altra da fornitori di device di varia natura.

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Il settore è quindi dominato da due tendenze principali: le società di grosse dimensioni, con soluzioni verticali ed integrate, mantengono ormai da anni le loro quote di mercato grazie ad un modello industriale che fa della tecnologia proprietaria la principale leva con cui “bloccare” i clienti; dall’altro lato, una value chain fondamentalmente disaggregata, dove una miriade di PMI occupa della cosiddetta “Integrazione di Sistemi” (avendo però un limitatissimo impatto sulle dinamiche di mercato), ha indotto una cultura del software d’automazione decisamente di basso livello. Questi due fattori, uniti alla riluttanza degli operatori e proprietari di impianti produttivi verso l’innovazione in quanto tale, hanno causata una reticenza d’insieme del mondo dell’automazione industriale ad accettare prima di oggi tecnologie come la IEC-61499.

Studiando ed accettando queste condizioni al contorno, il Centro di Competenza per la IEC-61499 cerca di dare una risposta concreta a questo immobilismo nell’unico modo possibile: mostrare concretamente al mercato, con applicazioni complesse ed avveniristiche ma già di livello industriale, le potenzialità offerte dalla piattaforma tecnologica.

In Daedalus, ed in particolare per il mercato italiano, questo ruolo viene assunto da Synesis, coordinatore del progetto e società no-profit che ha fatto proprio del trasferimento tecnologico la propria missione. In particolare questo vorrà direi fare quattro cose:

  • Orchestrare e spingere lo sviluppo continuativo ed incrementale della piattaforma tecnologica IEC-61499;
  • Favorirne l’accettazione a livello internazionale, anche dai “big player” del settore, incubando un’iniziativa di supporto alla prossima release dello standard;
  • Incubare lo sviluppo di applicazioni-vetrina da parte di utenti avanzati della tecnologia, in modo da presentare sempre più esempi concreti ad altre aziende interessate;
  • Proporre a mercato dei servizi di supporto all’ingegnerizzazione di soluzioni basate sulla IEC-61499.

 

Ringraziamenti e contatti

L’iniziativa Daedalus e la creazione del Centro di Competenza per lo standard IEC-61499 sono il risultato di un lungo percorso di ricerca ed innovazione, così come di progressiva creazione di legami a mercato, che Synesis, SUPSI ed i loro partner strategici hanno fatto nel corso degli ultimi anni, supportati anche dalla Commissione Europea all’interno della Partnership Pubblico-Privata (PPP) “Factory of the Future” (FoF).

In particolare, l’iniziativa ha ricevuto finanziamenti nel contesto del settimo e ottavo programma quadro per la ricerca (Horizon 2020), attraverso i seguenti progetti:

  • Factory-Ecomation (GA N° 314805)
  • EFFECTIVE (GA N° 637245)
  • DAEDALUS (GA N° 723248)

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Per ulteriori informazioni:

*F. Cavadini – SYNESIS, P. Pedrazzoli – SUPSI

[1] Capturing the ICT Dividend: Using technology to drive productivity and growth in the EU. Oxford economics

[2] http://www.lisboncouncil.net/ – report “The Lisbon Council Think Tank”, 2014

[3]http://www.acatech.de/fileadmin/user_upload/Baumstruktur_nach_Website/Acatech/root/de/Material_fuer_Sonderseiten/Industrie_4.0/Final_report__Industrie_4.0_accessible.pdf

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