Per la “modernizzazione” delle macchine, il primo passo consiste nell’individuazione dell’hardware necessario per eseguire le funzioni richieste e, aspetto altrettanto importante, nel modo in cui si “parlano” l’una con l’altra e, più in generale, con l’azienda, al fine di stabilire uno scambio di dati bidirezionale che è alla base di Industry 4.0
Con la diffusione sempre più rapida di IIoT (Industrial Internet of Things) e di Industry 4.0 in settori sempre più vasti, la trasformazione digitale è attualmente considerata l’unico modo per rimanere al passo con le richieste dei moderni consumatori. Proprio la consegna, la raccolta, l’analisi, l’erogazione e lo sfruttamento di tali dati sono alla base di questa nuova rivoluzione.
Esistono molte definizioni di Industry 4.0 ma in sostanza, ciò descrive la tendenza a sfruttare in maniera sempre più massiccia l’automazione e lo scambio di dati nelle tecnologie di fabbricazione, processo e produzione, che includono l’interfacciamento con se stessi, i sistemi cyber-fisici, IIoT, , il cloud (archiviazione ed elaborazione) e anche, in qualche misura, l’elaborazione cognitiva e l’intelligenza artificiale (AI).
I dati svolgono un ruolo di enorme importanza nella dinamica di un’operazione di produzione, fornendo le basi per decisioni che possono avere un notevole effetto sull’efficienza, sull’efficacia e sulla produttività. Le fabbriche intelligenti, moderne, connesse ottengono questi dati in tempo reale, il che significa che è possibile assumere queste decisioni quasi istantaneamente, offrendo risultati tangibili molto più velocemente rispetto alla tradizionale riunione a cadenze settimanali.
Lungi dal rappresentare una moda passeggera o un’operazione di marketing finalizzata alla vendita di un maggior numero di prodotti, questa connettività dei dati e il concetto di fabbrica intelligente vengono applicati da clienti e utenti finali in ogni Paese e in quasi tutti i settori e applicazioni concepibili. Per questo motivo, gli OEM che non forniscono macchine dotate di funzionalità dati rischiano seriamente di venire scartati a favore di coloro che garantiscono tali funzionalità. Senza dati non c’è conoscenza e senza conoscenza non c’è progresso.
Figura 1: Ethernet si sta affermando rapidamente come protocollo di interconnessione per i sistemi di automazione.
Oltre i dati
Esistono molte altre ragioni per cui i sistemi di automazione contemporanei possono offrire vantaggi, oltre a quelli relativi ai dati. L’agilità è un altro fattore chiave principale della fabbrica intelligente. Gli utenti finali desiderano macchine che possano essere modificate istantaneamente. I tempi di inattività devono essere minimi in quanto lotti o prodotti sono alternati per soddisfare mode passeggere dei consumatori ed è necessario poter ridurre le dimensioni del lotto senza perdere i vantaggi legate alle economie di scala.
Questo tipo di agilità è possibile solo con soluzioni di automazione moderne, ad esempio assi servocomandati che utilizzano architetture digitali. Le camme e le catene a passo fisso funzionano in modo ottimale nelle applicazioni per macchine, ma rappresentano tecnologie legacy che semplicemente non forniscono le funzionalità aggiuntive rispetto a quelle necessarie per espletare i compiti previsti.
Un altro vantaggio importante dell’automazione contemporanea è rappresentato, molto semplicemente, dai miglioramenti che si otterranno in termini di produttività, tempi di attività e ritorno sugli investimenti (ROI). I sistemi servocomandati possono essere percepiti come più complicati e più costosi, ma, in una visione allargata, nel momento in cui si considera l’efficienza complessiva dell’apparecchiatura (OEE), le soluzioni moderne superano di gran lunga i tradizionali corrispondenti meccanici. Le spese in termini di capitale possono essere superiori, ma le spese di funzionamento saranno inferiori.
Per la “modernizzazione” delle macchine, il primo passo consiste nell’individuazione dell’hardware necessario per eseguire le funzioni richieste e, aspetto altrettanto importante, nel modo in cui si “parlano” l’una con l’altra e, più in generale, con l’azienda, al fine di stabilire uno scambio di dati bidirezionale che è alla base di Industry 4.0. Esistono molti protocolli fieldbus di tipo industriale, che coprono diversi livelli e applicazioni, ma ai livelli superiori Ethernet e i sistemi basati su Ethernet si stanno affermando rapidamente (Fig. 1).
La maggior parte dei principali fornitori di automazione offre soluzioni Ethernet standard o basate su standard, che offrono una flessibilità molto maggiore rispetto ai fieldbus proprietari chiusi che venivano utilizzati 10 anni fa. Ethernet potrebbe non rappresentare la soluzione migliore per l’automazione di livello 0, ma questo non è più un problema, in quanto i controllori logici programmabili (PLC) e i controllori di automazione programmabili (PAC) fungono da tramite con i sistemi di livello più elevato sempre “affamati” di dati.
Figura 2: Siemens offre diversi kit di avviamento, che consentono ai tecnici di effettuare una rapida valutazione dei sistemi PLC per la propria applicazione di riferimento
I sistemi PLC e PAC rappresentano i “cervelli” del sistema, in quanto forniscono tutti gli aspetti di controllo e l’interfaccia con altre operazioni a monte e a valle. Come per qualsiasi risorsa di automazione, gli utenti hanno l’imbarazzo della scelta quando si tratta di fornitori, ma ciò offre il vantaggio di essere in grado di individuare soluzioni ottimali rispetto a una soluzione di controllo proprietaria che può risultare troppo o troppo poco sofisticata dal punto di vista ingegneristico. I principali fornitori riconoscono anche il fatto che la scelta di un sistema PLC può rappresentare un vero e proprio “salto nel buio”, specialmente per coloro che non dispongono di un’adeguata conoscenza di questi tipi di sistemi.
Starter kit, un valido ausilio
Per facilitare i primi passi in questo settore, molti fornitori offrono una gamma di kit di avviamento. Un esempio è rappresentato dal kit di avviamento Logo!8 di Siemens (Fig. 2), che comprende un modulo logico con display interno o esterno Simatic WinCC Basic V13, alimentatore LOGO!Power e software LOGO! Soft Comfort V8 per programmazione PC. In alternativa, il kit di avviamento SIMATIC S7-1200 include un simulatore di ingresso digitale SIM 1274 insieme alla documentazione multilingue su CD. Il software di programmazione SIMATIC STEP 7 Basic V11.X è disponibile sul portale Siemens TIA (Totally Integrated Automation). A livello del controller, i costruttori di macchine possono anche dover tenere conto delle funzionalità di sicurezza delle proprie macchine.
I sistemi PLC e PAC di livello medio e superiore sono spesso dotati di strumenti complementari dotati di funzionalità di sicurezza oppure di moduli plug-in, entrambi in grado di funzionare tramite Ethernet o reti di sicurezza dedicate. A volte una CPU di sicurezza dedicata rappresenta l’approccio migliore; uno di questi è il modello Omron NX-SL3300. Il modello NX-SL3300 offre connettività tramite il protocollo EtherCAT (FSoE), che offre una configurazione flessibile, abbinando unità di sicurezza con moduli di entrata/uscita NX standard. Con questo approccio, il modello NX-SL3300 (Fig. 3) è in grado di controllare fino a 128 unità I/O di sicurezza. La classificazione EN ISO13849-1 (PLe/categoria di sicurezza 4) e la certificazione IEC 61508 (SIL3) indicano anche la conformità dell’attuale normativa in materia di sicurezza.
Interfacce uomo/macchina
L’interazione con l’operatore rappresenta un altro importante aspetto di progettazione per la fabbrica intelligente e agile, in quanto le interfacce uomo-macchina (HMI) di facile utilizzo forniranno agli operatori la capacità non solo di interrogare le macchine, ma anche di applicare rapidamente le modifiche alle prescrizioni o di modificare i parametri di produzione. Un caso di questo genere è rappresentato dal modello SIMATIC KTP400 BASIC HMI di Siemens (Fig. 5). Con le sue funzioni di segnalazione, gestione delle prescrizioni, funzionalità grafiche e passaggio a un’altra lingua, l’interfaccia HMI esegue la connessione tramite PROFINET/Ethernet standard (per funzionalità di base) e può essere configurata tramite il software SIMATIC STEP 7 Basic, offrendo lo stesso ambiente software del modello IMATIC S7-1200 PLC precedentemente citato.
L’interfaccia NB7W-TW01B HMI (Fig. 4) di Omron è un’unità con risoluzione di 800 x 480 pixel che offre interfacce multiple, tra cui RS232, Ethernet, dispositivo USB e host USB. I 128 MB di memoria interna, la capacità di fornire funzionalità grafica vettoriale e bitmap e una visualizzazione chiara rendono questa soluzione ideale per architetture più complesse.
Figura 4: La visualizzazione chiara e il supporto per le immagini vettoriali e bitmap rendono l’interfaccia HMI di Omron ideale per l’interfacciamento con installazioni complesse
Nonostante i recenti sviluppi prevedano la visualizzazione dei dati mediante interfacce HMI e la possibilità di accedere ai sistemi in remoto tramite reti, esiste ancora la necessità di registratori di dati, ad esempio per quanto riguarda le industrie chimiche di alimenti e bevande. In questo settore esiste la necessità di documentare, archiviare e valutare i dati del processo, per garantire il mantenimento di standard elevati e la possibilità di tenere traccia di tutti gli aspetti del processo. Il registratore Jumo LOGOSCREEN nt (Fig. 5) costituisce un esempio di soluzione per tali applicazioni. Grazie a più ingressi con termometro a resistenza e termocoppia, associati a un ingresso con potenziometro da 0 a 4.000 Ohm, questa unità è ideale per l’acquisizione e l’analisi dei dati provenienti da più nodi. Oltre a offrire connettività RS232/485 ed Ethernet, è possibile inoltre memorizzare i dati localmente su CompactFlash o su una chiavetta di memoria USB.
Figura 5: È possibile ottenere la registrazione dei dati del processo relativo ad alimenti e bevande con il registratore LOGOSCREEN nt di Jumo
Come si è visto, la connessione Ethernet rappresenta la funzione comune a tutti questi prodotti, in quanto punta al fatto che i dati costituiscono una delle risorse più importanti di qualsiasi soluzione di automazione moderna. Le fabbriche intelligenti sono tali solo se contengono macchine intelligenti e la creazione di macchine intelligenti non rappresenta più qualcosa di estraneo ai limiti o all’insieme di competenze di qualsiasi tecnico. Molti dei principali fornitori, attraverso distributori come Distrelec, offriranno assistenza, pacchetti di avvio e il software di facile utilizzo che semplificheranno l’adozione dei concetti propri di Industry 4.0. Inoltre, grazie a soluzioni più intelligenti, le funzionalità delle macchine potranno solo migliorare, rendendo i prodotti degli OEM molto più “accattivanti” per gli utenti finali, per i quali i dati, l’agilità e la flessibilità rappresentano attualmente il traguardo da raggiungere.