L'Impatto dell'IOT sui Forni Industriali

di Thomas Rücker, Peter Sherwin
Pubblicato su Heat Processing, giugno 2016

 

Il forno industriale di domani sarà una sorta di macchina intelligente - più sicuro, meglio collegato, più flessibile e più efficiente – in grado di rispondere rapidamente a sempre nuove esigenze. Due tendenze che stanno creando notevole interesse oggi sono in procinto di scatenare una profonda innovazione nel mondo dell' industria globale: Industria 4.0, la versione aggiornata di quello che si definisce "smart manufacturing", e la versione industriale del c.d. "Internet degli oggetti" (IIoT) con un speciale attenzione sui dispositivi collegati e all'analisi dei dati che si possono in questo modo ottenere. In questo articolo l'attenzione è concentrata su come queste nuove tendenze avranno impatto sui forni di tipo industriale.

Ci sono alcune evidenti somiglianze e differenze tra il c.d. "IIoT" e la "manifattura intelligente" così come ci sono aree di convergenza. La "manifattura intelligente" e la sua versione più recente chiamata Industria 4.0 si concentrano sulla flessibilità produttiva ottenuta aumentando i livelli di automazione e la digitalizzazione. Questo non è tanto la prossima rivoluzione industriale, ma una sua evoluzione. A lungo andare questo rimodellarà le fabbriche e il loro modo di operare. Tale evoluzione richiede l'adozione di una moltitudine di tecnologie e idee che avranno un enorme impatto sugli utenti finali e i costruttori di macchinari (OEM). Per arivare a questo ci vorrà del tempo e l'IIoT, con tutti i suoi dispositivi collegati, agirà come importante fattore abilitante.

La visione "IIoT" del mondo è quella in cui i componenti di un sistema produttivo (gli oggetti, dal semplice sensore/attuatore fino ai sistemi di controllo) una volta connessi a Internet e dotati di diversi livelli di funzionalità intelligente sono in grado di operare come parte di un sistema più grande. Questi sistemi più complessi si basano su tecnologie Internet e "Cloud" aperte e standardizzate che consentono un accesso sicuro ai dispositivi e alle informazioni, al fine di sfruttare le grandi quantità di dati (i "big data") e beneficiano di funzioni avanzate di analisi e di tecnologie in mobilità, come Tablet e Smartphone, al fine di generare un maggiore valore nel business. L'introduzione di soluzioni IIoT utilizzando un approccio preferiblmente di tipo "wrap & re-use" (in luogo del tradizionale "taglia e sostituisci"), consentirà l'adozione di un modello di maggiore sviluppo e crescita per il business. Inoltre, questo approccio potrebbe guidare l'evoluzione verso una modello di produzione industriale più efficiente, sicura e sostenibile.

Smart Manufacturing

Se è vero che, da un lato, l'impatto a lungo termine dell'IIOT può essere difficile da prevedere, ci sono sin da ora tre ben distinti ambiti operativi nel c.d. Smart Manufacturing che rappresentano un’occasione da cogliere per le imprese che vogliono emergere rispetto alle aziende meno evolute [1].

  • Controllo Intelligente a livello aziendale (Smart Enterprise Control) - le tecnologie IIoT consentiranno stretta integrazione fra macchine intelligenti e connesse e il sistema-impresa inteso in senso ampio. Questo faciliterà una produzione più flessibile ed efficiente, e quindi più redditizia. Il controllo intelligente a livello d’impresa può essere visto come una tendenza di medio-lungo termine. E’ complesso da implementare e richiede la creazione di nuovi standard per consentire la convergenza di sistemi IT (information) e sistemi di OT (operation).
  • Gestione Ottimizzata dei Cespiti (Asset Performance Management) - una buona distribuzione di sensori senza fili, una facile connettività di tipo Cloud" (incluso il livello di rete geografica di tipo WAN) e una potente capacità di analisi dei dati, potranno certamente migliorare il rendimento degli asset aziendali. Questi strumenti consentono ai dati di essere facilmente raccolti dai macchinari e dagli impianti e convertiti, in tempo reale, in informazioni utili. Questo potrebbe consentire migliori decisioni a livello di direzione e, più in generale, processi decisonali meglio informati e quindi, lungimiranti.
  • Operatori di tipo "Augmented" - i futuri dipendenti useranno dispositivi mobili, l'analisi dei dati, la realtà aumentata e la connettività trasparente per aumentare la produttività. Man mano che, per effetto del cambio generazionale, un numero sempre minore di lavoratori qualificati dedicati agli aspetti di manutenzione e diagnostica resterà nelle aziende, i giovani lavoratori che subentreranno nelle fabbriche avranno bisogno di informazioni facilmente accessibili. Tali informazioni saranno rese in tempo reale in un formato che è loro familiare; in questo modo gli impianti evolvono mettendo al centro le persone e non i macchinari.

Fig. 1: Macchina Intelligente

Macchinari Intelligenti (Forni Industriali)

I forni industriali aumenteranno il loro livello di intelligenza includendo funzioni di manutenzione e pianificazione predittiva e anche maggiore adattabilità. L’espressione "macchina intelligente" definisce una macchina che è meglio connessa, più flessibile, più efficiente e sicura e può così rispondere rapidamente a nuove esigenze aziendali. Basata su un insieme di prodotti intelligenti e connessi, massimizza la sua efficienza tramite la collaborazione intuitiva con i suoi utilizzatori. Una macchina intelligente (fig. 1) è anche in grado di partecipare a pratiche di manutenzione predittiva, ridurre il proprio impatto ambientale e il costo totale di gestione [2].

Fig. 2: I sistemi di controllo sono sempre più sofisticati

Efficienza

Self-awareness
Con l'utilizzo di sensori e l'intrinseca conoscenza per quanto riguarda le proprie capacità e caratteristiche, il macchinario intelligente sarà in grado di monitorare i propri componenti chiave, così come le condizioni ambientali. L'intelligenza integrata saprà correlare a monte e a valle del processo produttivo i suoi comportamenti e adattare i propri parametri entro determinate regole di business. Un esempio per un forno industriale di trattamento termico potrebbe essere quello di avere conoscenza della chimica dell'acciaio dei componenti che si stanno lavorando (a monte) e della microstruttura dei componenti trattati (a valle) per meglio impostare i riferimenti di processo del forno. Fornendo informazioni utili ai suoi operatori, agli analisti dei dati presso il costruttore del macchinario e a tutta l'organizzazione dell'utilizzatore finale, la macchina smart permetterà di avere linee di produzione più affidabili, flessibili ed efficienti. Questa ottimizzazione può essere implementata rispetto all'energia consumata, ai tempi di produzione, alla c.d. OEE, al distacco selettivo dei macchinari, ad aspetti particolari di qualità o altri parametri significativi.

Applicazioni Specifiche per il Trattamento Termico:

  • L'aggiunta di sensori ambientali nei quadri di controllo per monitorare le temperature a cui lavorano gli strumenti di controllo; è stato infatti dimostrato che, controllando queste temperature (tramite ventole nei quadri o unità per aria condizionata), si può migliorare in modo significativo la precisione delle misure, riducendo la deriva di calibrazioni dei circuiti di misura.
  • I sistemi di controllo sono sempre più sofisticati e consentono l'integrazione delle caratteristiche dei materiali di processo (come la lega di acciaio per i forni di trattamento termico) per migliorare la definizione di parametri del ciclo operativo. Ad esempio si può incorporare una tecnologia di calibrazione automatica dei sensori 3GAS-IR nelle applicazioni di cementazione on-line per migliorare in modo significativo l'accuratezza complessiva del processo (Fig. 2). 
  • Il monitoraggio di tipo discreto (non continuo) della qualità del prodotto (ad es. la difettosità), le attività di manutenzione (ad es. periodi di inattività) e le attività di produzione (tempi di consegna) possono ora essere migliorati utilizzando soluzioni IIoT per coordinare e combinare queste attività distinte in un unico indice Overall Equipment Efficacia O.E.E consentendo una migliore comprensione del rendimento complessivo dell'impianto.
  • I regolatori di potenza basati su raddrizzatore controllato in silicio (SCR) sono stati sviluppati per fornire un metodo preciso di commutazione elettrica nel controllo dei circuiti di potenza in applicazioni di riscaldamento. Sono stati inoltre progettati per superare i limiti e problemi di durata dei contattori meccanici. La tecnologia SCR diventa parte di un approccio di sistema per gestire la domanda di potenza elettrica. Ciascun SCR può essere casualmente in conduzione molte volte al secondo e se le varie unità sono in conduzione negli stessi istanti allora la richiesta di potenza istantanea può aumentare in modo significativo. Utilizzando il sequenziamento di potenza attraverso una dorsale Ethernet (PLM -Predictive Load Management) per consentire il bilanciamento automatico del carico con uso di tecniche di differimento dell’innesco dei carichi, è possibile ottimizzare la regolazione di temperatura e ridurre il picco di richiesta di potenza. Questi dispositivi intelligenti collegati fra loro possono essere utilizzati per forni singoli o multi-zona e possono anche essere sfruttati attraverso celle multi-attrezzature.

Questo livello di controllo del macchinario (Fig. 3) consente inoltre un tipo di manutenzione preventiva supportata dal costruttore (OEM), contribuendo a evitare guasti dei componenti con conseguenti fermi di produzione o danni alla macchina o ai componenti installati. Ciò permette anche di pianificare la manutenzione al fine di ridurre al minimo l'impatto sulla produzione, aumentando il valore delle attività fornite con servizi a valore aggiunto.

Fig. 3: Monitoraggio macchinari tramite tecnologia mobile

Gestione Dati

I macchinari intelligenti devono avere un adeguato livello di intelligenza per valutare i dati in modo rapido e decentralizzato. Riportare tutti i dati a un controllo centrale in modo indifferenziato per l'analisi può rapidamente determinare ritardi, inefficienze e saturazione di memoria dei sistemi. Sensori, componenti e macchinari dotati di intelligenza che consente loro di condividere solo i dati che cadono al di fuori di parametri impostati permetteranno una migliore gestione dei dati in generale. Migliorare il livello di dati condivisi con la più ampia rete/comunità consentirà di snellire il processo decisionale e ridurre i ritardi (dove informazioni critiche potrebbe essere ritardate o mancare del tutto).

  • E' prassi comune installare la strumentazione di controllo per un forno industriale il più vicino possibile all'apparecchiatura per consentire un controllo di processo rapido e preciso e un’acquisizione dati alla fonte così da evitare la potenziale perdita di dati tramite soluzioni remotate. Questi dati vengono poi condivisi centralmente mediante sistemi che utilizzano un robusto sistema di bufferizzazione che garantisce la massima integrità dei dati. Gli aspetti regolatori del settore del trattamento termico, guidato dall'industria aerospaziale (NADCAP/AMS2750E) e automobilistica (TS16949/CQI9 Issue3) definiscono a livello normativo i requisiti per i sistemi di acquisizione e storicizzazione dei dati, che devono essere a prova di manomissione e disponibili a lungo termine.
  • Un’importante estensione di queste caratteristiche dei sistemi di gestione dei dati è la gestione della sicurezza degli accessi e la tracciabilità per ispezioni successive. Questi sistemi e registratori digitali si sono evoluti in mini-stazioni di produttività rendendo disponibili direttamente a livello di dispositivo le informazioni chiave per le termocoppie, i loro test di calibrazione e le attività di manutenzione della macchina (Fig. 4).

Anche la memorizzazione definitiva dei dati è un aspetto molto importante. Fino a oggi, l'hardware è stato in gran parte utilizzato per memorizzare i dati di produzione, ma questo metodo può richiedere molto tempo e attrezzature a volte costose da gestire. La tecnologia del "cloud" in Internet è sempre più sicura e sta diventando una valida opzione per aiutare a gestire i dati in modo più conveniente, consentendone la conservazione a lungo termine (anche per periodi superiori ai 30 anni).

Fig. 4: Sistemi intelligenti di gestione dei dati

Sicurezza e Protezione

Con la sicurezza inserita nei parametri fondamentali di progetto, il macchinario intelligente migliorerà la sicurezza degli operatori sugli impianti e porterà al massimo grado i livelli di protezione contro i rischi da accessi non autorizzati in rete. La riduzione dei costi e il migliorameno delle prestazioni e della durata del macchinario non possono in alcun modo essere compensati riducendo la sicurezza o la protezione.
La possibilità di utilizzare una combinazione di componenti e controllori di sicurezza, permetterà ai costruttori di adottare la migliore soluzione per specifiche esigenze applicative degli utenti finali, contribuendo a migliorare le prestazioni complessive e la produttività.
Oggi, la sicurezza dei dati è la preoccupazione che più sta rallentando l'adozione di nuove tecnologie di rete e processi di lavorazione. La percezione del rischio legato a perseguire miglioramenti produttivi mettendo componenti e macchinari in rete è oggi assai elevata. In particolare, con l'IOT e i crescenti livelli di connettività, la sicurezza deve essere considerata a numerosi livelli. I dispositivi di protezione devono includere l'hardware, il software e i servizi. I costruttori di macchine e i fornitori di componenti di automazione devono assicurare che gli utenti finali siano a conoscenza dei rischi di vulnerabilità dei sistemi e che tutti gli attori coinvolti nella gestione dell'infrastruttura di rete collaborino per ridurre al minimo il rischio di violazione. E' necessario investire nell'istruzione degli utenti finali sia per quanto riguarda i benefici di macchinari intelligenti che sulle modalità con le quali la sicurezza può essere mantenuta all'aumentare della connettività internet, diffondendo in modo appropriato notizie ed esperienze applicative su casi d'uso e storie di successo.

Flessibilità

Plug & Work
Eventuali nuove macchine intelligenti dovranno essere compatibili con gli impianti esistenti o macchine fornite da diversi costruttori; gli utenti finali vogliono dispositivi che possono essere installati rapiamente e integrabili facilmente nel resto del sistema.

Hub di raccolta dati di tipo industriale e scalabili per il trattamento termico sono un valido metodo per raccogliere dati di input direttamente dai sensori cablati oltre a segnali digitali provenienti da altri dispositivi locali per catturare i dati vicino alla fonte e fornire un metodo per un collegamento sicuro sia per sistemi a livello di singolo impianto che per lo stoccaggio dei dati in centri di raccolta dato remoti e sicuri.

Modularità
Il ciclo di vita delle macchine di oggi non consente più un tipo di progettazione monolitico o per un unico scopo. Il rapido sviluppo guidato da vincoli di time-to-market costringono gli OEM a spostarsi verso criteri di progettazione meccatronica e modularità. Questa tendenza si presenta anche nel software e nella parte applicativa dei moderni macchinari. Le macchine intelligenti potranno beneficiare sia di semplici modelli dotati di funzioni software consolidate, che di un crescendo di soluzioni più complesse e moduli funzionali integrati di tipo meccanico, elettrico, motion, HMI.

Progettazione riutilizzabile
I costruttori di macchine utilizzano tecnologie che si sono dimostrate valide e affidabili. La modularità è un aspetto fondamentale dove il paradigma di riutilizzare software e hardware in un diverso contesto richiede un nuovo livello di pensiero. Il concetto di Forno Industriale con un'architettura TV&D (Total Validated& Documented) fornirà elementi di base per progettare il sistema e il quadro di controllo del forno e diventerà uso comune in futuro. Il concetto di interfacce chiare e rigorose con un ben definito comportamento che può essere testato viene dal mondo IT e trova il suo spazio in automazione con qualche adattamento. Questo diventerà un ulteriore elemento di differenziazione per una macchina intelligente.

Connettività

Connettività
Le macchine intelligenti si collegheranno direttamente a un'ampia rete basata su Ethernet. Ciò consente la condivisione dei dati e la pianificazione della produzione, che vanno ben oltre le capacità di macchine stand-alone tradizionali. Le macchine intelligenti sapranno colmare il divario tra il mondo dell'informatica (IT) e quello delle operation (OT), rendendo disponibili dati di produzione che possono essere utilizzati in numerose situazioni aziendali (ad es. controllo delle scorte, la pianificazione dei turni lavorativi, manutenzione, gestione dell'energia, e la sostituzione del prodotto). Per ottenere tutto ciò il requisito di base è usare degli standard per mettere valori e parametri in un contesto significativo e un linguaggio comune.
Gli standard di qualità per il trattamento termico hanno contribuito a guidare lo sviluppo di metodi di comunicazione diretta tra il dispositivo di controllo e lo strumento di registrazione come lo standard Ethernet Modbus TCP che ha consentito di eliminare errori creati con metodi convenzionali di ritrasmissione. Questa comunicazione da strumento a strumento è stata una caratteristica di sviluppo della c.d. IIoT nel corso degli ultimi dieci anni. Naturalmente, per aumentare il valore riconosciuto ai progetti di automazione, è necessario sviluppare ulteriormente i collegamenti tra l'apparecchiatura, l'operatore e la catena di fornitura con tutta la filiera fino al cliente finale. Applicazioni di tipo "Workflow" stanno guidando il cambiamento in questo settore. Di seguito sono riportati alcuni esempi:

  • Applicazioni in ambito produttivo che inseriscono elementi di conformità al contesto normativo (ad esempio le Tabelle CQI9 per il settore del Trattamento Termico in ambito Automotive) nel flusso di lavoro del software forniscono un collegamento tra macchine e tutte le decisioni chiave in tempo reale. In questo modo i requisiti di tipo regolatorio sono costantemente raggiunti e in caso di necessità vengono generati degli allarmi per eventuali violazioni delle norme sulla base del singolo lotto di produzione.
  • Soluzioni di tipo digitale per la conformità e la taratura consentono una facile pianificazione, programmazione e implementazione dei test di calibrazione degli strumenti per ridurre al minimo i tempi di inattività dei forni di trattamento. Le applicazioni digitali migliorano l'efficienza dei processi e riducono il rischio di errore umano al momento dei controllo di conformità, fornendo una sequenza facile da seguire dei vari step in cui si compone il processo di calibrazione. I dati di taratura, nella piena conformità alle normative, sono immediatamente disponibili on-line in modo da rispondere velocemente a richieste di enti ispettivi. La memorizzazione digitale elimina inoltre tutti i problemi associati alla conservazione di documenti cartacei; è possibile recuperare i certificati relativi a uno specifico forno in modo immediato attraverso la scansione di un codice QR con uno smartphone.
  • I dati di calibrazione possono anche essere condivisi in tempo reale con il costruttore o con il fornitore attraverso data-center sicuri per valutare lo stato delle apparecchiature e del sistema di controllo e utilizzando dati sulla deriva delle prestazioni e altri dati al fine di valutare eventuali esigenze di servizio.

Digital Mobility
I conduttori degli impianti produttivi e i tecnici di manutenzione stanno abbracciando in numero sempre maggiore il concetto di utilizzare dispositivi mobili come tablet e smartphone sul lavoro. Il personale non ha più bisogno di essere in stretta prossimità di una macchina per monitorare o gestire le prestazioni. I dispositivi mobili forniscono agli operatori la flessibilità di avere l'accesso ai dati dei macchinari anche se non sono fisicamente vicini agli stessi. I tecnici specializzati nel macchinario possono diagnosticare i problemi e offrire una guida a distanza, il che accelera anche l'attuazione di una soluzione. Questo riduce i tempi di inattività e le perdite di produzione legate all’eventuale guasto di un componente.

  • Strumenti con capacità web-server sono stati utilizzati di frequente nel settore del trattamento termico nel corso degli ultimi dieci anni, e la possibilità di visualizzare più macchine sia sul posto che in modalità remota (generalmente tramite una connessione VPN) è stata uno standard dei più sofisticati sistemi di gestione dei dati. Gli sviluppi tecnologici recenti hanno ora permesso a questo tipo di caratteristica di essere disponibile anche nella strumentazione di tipo meno sofisticato (entry-level).
  • Applicazioni di realtà aumentata offriranno agli utenti la possibilità di avere una visualizzazione virtuale del loro ambiente di produzione. Un esempio di simili applicazioni è una vista virtuale della parte interna di un armadio elettrico di un forno nella quale si potranno sovrapporre informazioni sullo stato di vari dispositivi (condizioni ambientali, stati di allarme, ecc). Questo potrà portare a una più rapida diagnosi di eventuali problemi di manutenzione e, in alcuni casi, a rimuovere la necessità di fermare la produzione per accedere al pannello di controllo.

Le Competenze richieste agli operatori

Le competenze necessarie per progettare e gestire un sistema basato sull' IIOT sono in parte diverse da quelle necessarie per gestire un sistema di automazione classica. Un significativo sforzo di formazione sarà richiesto per gli operatori esistenti e per il personale di manutenzione per la gestione di tali sistemi. La buona notizia è che i sistemi IIoT utilizzeranno tecnologie che sono familiari nella vita quotidiana, e la nuova generazione di giovani operatori non avrà problemi di adattamento a questo nuovo approccio. La sfida principale per i fornitori di automazione sta nella progettazione di efficaci strumenti di diagnostica e di risoluzione dei malfunzionamenti. Questo farà sì che un sistema malfunzionante o in arresto, possa essere ripristinato rapidamente.

Conclusioni

I forni per trattamento termico tradizionali erano storicamente caratterizzati da costi elevati e limitata tecnologia di comunicazione. I nuovi macchinari intelligenti utilizzano protocolli di comunicazione, dispositivi IIoT, il cloud su internet, il tutto per consentire una riduzione dei costi del ciclo di vita, migliorare le prestazioni della macchina e offrire nuovi modi di interagire con tutti i lavoratori. Le nuove tecnologie e le pratiche IIoT stanno evolvendo nel corso del tempo. Prima che sia possibile una transizione su larga scala alle macchine intelligenti sarà indispensabile che i lavoratori interessati ricevano una adeguata formazione e che le aziende abbiano una chiara evidenza dei ritorni di nuovi investimenti. Le nuove tecnologie dovranno dimostrarsi valide nel tempo e nell'ambiente industriale, e alcune situazioni che frenano l'introduzione di nuove tecnologie, come le preoccupazioni per la protezione dei sistemi in rete, dovranno trovare adeguate risposte.

 

Riferimenti bibliografici
[1] Conway, J.. Schneider-Electric: The Industrial Internet of Things: An evolution to a smart manufacturing enterprise , 2015
[2] Dr. Beudert, R. et al. Schneider-Electric: Understanding smart machines: How they will shape the future, 2015
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