STORIA E DEFINIZIONE

INDUSTRIA 4.0

Il termine Industria 4.0, coniato alla Fiera di Hannover del 2011 e presentato l´anno dopo al Governo Federale tedesco da parte del gruppo di lavoro presieduto da Siegfried Dais della multinazionale di ingegneria ed elettronica Robert Bosch GmbH, Henning Kagermann della Acatech (Accademia tedesca delle Scienze e dell’Ingegneria) e dal Prof. Wolfgang Wahlster della DFKI (centro di ricerca per l’intelligenza artificiale), indica la quarta rivoluzione industriale, un ulteriore passo nell´organizzazione e controllo dell’intera catena di creazione del valore durante il ciclo di vita dei prodotti.
Questo ciclo è orientato verso le esigenze del consumatore sempre più individuali e si estende dall’idea iniziale, dall´incarico attraverso lo sviluppo, la produzione, e la consegna di un prodotto al consumatore finale, fino al riciclaggio, comprendendo anche tutti i servizi connessi alle diverse fasi del ciclo.
Alla base si trova la disponibilità di tutte le informazioni rilevanti in tempo reale attraverso la connessione in rete di tutte le istanze che partecipano alla creazione del valore.
Grazie al collegamento tra persone, oggetti e sistemi nascono delle reti di creazione del valore dinamiche, ottimizzate rispetto alla simultaneità della trasmissione dei dati, autonome dal punto di vista organizzativo e trasversali a diversi settori aziendali. Queste reti sono ottimizzabili secondo diversi criteri come ad esempio costi, disponibilità e uso delle risorse. Questo cambiamento rivoluzionario nel ciclo della produzione è considerata la quarta fase del processo di industrializzazione, iniziato alla fine del XVIII Secolo con l´introduzione degli impianti di produzione meccanici.

La prima e la seconda rivoluzione industriale – la produzione di massa dei beni basata sulla divisione del lavoro con l´ausilio dell’energia elettrica a partire dal XX secolo – sfociarono a metà degli anni ’70 nella terza rivoluzione industriale durata fino ad oggi. Questa ha come protagonista l´impiego di tecnologie dell´informazione e dell´elettronica (IT) nel processo di automazione dei processi di produzione e una parte del lavoro intellettuale viene conferito alle macchine.
La connessione verticale dei sistemi embedded con i processi aziendali nelle fabbriche e nelle aziende così come la loro connessione orizzontale con reti di creazione del valore controllabili in tempo reale e delocalizzate portano alla quarta fase dell´industrializzazione – l´Industria 4.0.

Visione: Industria 4.0 come parte di un mondo intelligente e connesso

In un mondo “intelligente e connesso” (Smart Globalized World) Industria 4.0 viene quindi impiegata in diversi ambiti dell´economia, tra i quali il settore della produzione (Smart Factories). Industria 4.0 rende i processi di produzione, ingegneria e logistica flessibili e allo stesso tempo solidi. Grazie a queste caratteristiche è possibile controllare in maniera sostenibile la dinamicità e complessità del ciclo della produzione, in particolare:

  • Le lavorazioni meccaniche degli impianti e le attività dei sistemi di produzione futuri
  • Le questioni legate al ciclo di vita del prodotto (PLC), i processi tecnologici che ne stanno alla base così come le risorse utilizzate, comprese le tecnologie a disposizione sul mercato
  • L’alimentazione energetica e la sostenibilità ambientale dei futuri macchinari e delle fabbriche, compresa la logistica tra le aziende e all´interno dell’impianto
  • L’inclusione di reti di creazione del valore sempre più estese e in continua trasformazione. I cosiddetti cyber-physical production systems permettono un salto di qualità da processi e strutture eterogenee sconnessi, a reti di creazione del valore accessibili, efficienti, dinamiche e autonome. Uomini e macchine nella Fabbrica Digitale comunicano e crescono insieme, aprendo nuove opportunità di fruibilità, un dominio completo della complessità e di creazione di valore.
  • La flessibilità e la configurazione dinamica dei sistemi di produzione utilizzando concetti di pianificazione e controllo generali che permettono un servizio ottimale ai clienti e al mercato in continua trasformazione

La Fabbrica Digitale: competenze, logica di rete, dati e sicurezza

La Fabbrica Digitale come propulsore tecnologico delle economie moderne consente la massima flessibilità, la massima integrazione così come la massima intelligenza organizzativa e produttiva grazie ad una solida base concettuale in grado di supportare lo sviluppo di innovazioni rilevanti per la gestione interna e delle filiere di fornitura in termini competitività a valore e quindi di generazione di reddito. Si individuano quattro pilastri su cui poggia la costruzione della Fabbrica Digitale: lo sviluppo di competenze digitali, l’assunzione di una logica di rete, l’uso dei dati come patrimonio aziendale e la garanzia della sicurezza informatica.

Lo sviluppo di competenze digitali

La creazione di una fabbrica 4.0 implica un sistema di lavoro orientato alla relazione uomo-macchina nel quale la formazione professionale e accademica dei lavoratori svolge un ruolo chiave. Ogni addetto nella Fabbrica Digitale, indipendentemente dal livello di inquadramento professionale, deve possedere da una parte competenze di Information Technology in combinazione alle competenze delle tecnologie di produzione e dall’altra essere in grado di reagire in maniera tempestiva al cambiamento dei cicli di innovazione sempre più brevi, così come di sviluppo e realizzazione del prodotto. In qualità di anello di congiunzione tra mondo digitale e fisico all’interno dell’azienda, il personale operaio deve già possedere o comunque acquisire competenze basilari di IT, così da poter gestire strumenti digitali che li supportano nel consueto lavoro con torni, fresatrici, presse ecc. In questo modo il settore IT dell’azienda e di tutte le tecnologie abilitanti, quali ad esempio PLM, MES e CAM viene congiunto con la linea di realizzazione del prodotto. A queste competenze digitali e informatiche si aggiungono le cosiddette soft skills, come ad esempio la capacità di lavorare in gruppo, capacità comunicative, di analisi, problem-solving. Queste si rivelano necessarie nella quotidianità degli addetti 4.0 che si occupano di programmare macchine, oppure di decifrare i dati prodotti dalle stesse macchine e di immettere questi dati nel ciclo produttivo in modo da renderlo più efficiente in tempo reale. Gli uomini nella Fabbrica Digitale devono saper interagire fra loro e scambiare informazioni su dati e risultati in maniera elastica e tempestiva in modo da adeguarsi ai cambiamenti del ciclo produttivo. Si rendono inoltre necessarie capacità di decision-making anche a livello di personale operaio nel momento in cui ad esempio si presenta un problema hardware o software che potrebbe compromettere l’intero ciclo di produzione.
La padronanza di competenze digitali e di soft skills permettono a tutti gli addetti di qualsiasi livello di interfacciarsi al confine tra le diverse aree aziendali, sfruttando un flusso di informazioni condivise in un ecosistema virtuale che comprende addirittura le aree di gestione prodotto che sono a contatto diretto col cliente o i responsabili delle forniture. Tutti concorrono allo sviluppo di nuovi prodotti e servizi basandosi sulle decisioni prese a fronte dei dati reali forniti dalla fabbrica stessa.

L’assunzione di una logica di rete

Grazie all’uso di tecnologie Cloud, piattaforme virtuali di condivisione di dati provenienti dall’Internet of Things, dagli oggetti presenti in fabbrica che sono in grado di trasmettere e ricevere dati, tutti gli stakeholder possono partecipare al processo di realizzazione di prodotti e servizi, superando i confini della fabbrica fisica e creando delle strette collaborazioni lungo tutta la filiera produttiva. Questa sorta di alleanze tra aziende è funzionale alla sfida di rispondere alla crescente personalizzazione e digitalizzazione dei prodotti. Questi prodotti, essendo composti di parti meccaniche, elettriche, elettroniche e software, in un’ottica di Virtual Commissioning, cioè la riproduzione di un comportamento fisico di un macchinario o di un impianto in maniera virtuale attraverso una simulazione software, devono essere simulati sinergicamente. E’ pertanto difficile che una singola azienda possa sviluppare da sola un prodotto così complesso e del tutto nuovo. Le competenze necessarie fluiscono da partnership strategiche con terzi, ai quali necessario fornire l’accesso ai dati e ai processi interni. La logica di rete assume un ruolo ancora più significativo nel caso in cui si intenda sviluppare dei servizi lunga la catena del valore, in quanto le competenze necessarie possono facilmente date in outsourcing.

L’uso dei dati come patrimonio aziendale

Il terzo pilastro della Fabbrica Digitale è l’uso dei dati similmente al ciclo di trasformazione dei dati in patrimonio aziendale descritto dall’OECD (Errore. L’origine riferimento non è stata trovata.). I dati costituiscono sia una solida base per prendere delle decisioni a livello di processo sia un elemento fondamentale per la gestione dei punti di monitoraggio lunga la filiera produttiva. Un primo passo è costituito dalla meticolosa identificazione e raccolta dei dati. Questi devono essere tracciabili, disponibili in tempo reale e in forma decentrata per poter essere poi rappresentatati in maniera organica attraverso tecnologie di Big Data e Data Analytics, generando così un reale valore aggiunto alla qualità di prodotti e servizi e quindi all’intero business aziendale. In seguito i dati processati e organizzati vengono messi a disposizione di chi ha l’autorizzazione ad accedervi. L’accesso ai dati viene configurato in modo da rendere i dati usufruibili nel momento e nel luogo in cui servono.
La gestione dei dati è quindi del tutto integrata nel ciclo di realizzazione del prodotto e corrisponde a dei ruoli precisi delle persone coinvolte e alle relative responsabilità. Ogni tipologia di dato è gestito da uno o più incaricati formalmente autorizzati a trattare il dato nelle diverse fasi di elaborazione. Si genera così un equilibrio tra accessibilità e riservatezza dei dati che assicura una solida base per le decisioni aziendali e per la creazione di valore aggiunto, crescita e benessere aziendale, obiettivo finale del ciclo di trasformazione dei dati in patrimonio aziendale.

La garanzia della sicurezza informatica

Un quarto pilastro della Fabbrica Digitale è costituito dalla garanzia della sicurezza dei dati immessi in rete, i quali non riguardano solamente quelli contenuti in documenti, posta elettronica o report finanziari. I veri dati sensibili sono quelli che fluiscono dalle macchine e dagli impianti di produzione nelle reti condivise con l’esterno e quindi possibili bersagli da parte di pirati informatici. Nella fabbrica 4.0 il livello di sicurezza dei dati viene innalzato a livello di priorità aziendale. Ogni risorsa viene inventariata e analizzata in relazione ad un eventuale fuga di dati relativi ad essa. Su questa analisi del livello di criticità si applicano delle misure di sicurezza informatica integrate nel processo aziendale e ad alto grado di automazione. Ogni singola misura di sicurezza viene sottoposta a regolari stress test e simulazioni di attacchi informatici in modo da raggiungere un livello ottimale di protezione da minacce esterne. Nella Fabbrica Digitale è possibile raggiungere un grado di sicurezza informatica estremamente alto grazie al coinvolgimento di tutti i livelli aziendali, sia operativi sia manageriali. Il sistema di sicurezza informatica infatti non è un compito esclusivo dell’IT Manager, bensì un onere condiviso tra tutti i lavoratori, che devono essere in grado di sorvegliare i mezzi di comunicazione e memorizzazione dei dati in maniera adeguata, capire la natura delle minacce e trasmettere le informazioni tempestivamente per permettere una controbattuta efficace.

CAD/CAM e fabbrica 4.0

I software CAD (Computer Aided Design) e CAM (Computer Aided Manufacturing) in combinazione con sistemi di gestione dei dati di prodotto PDM (Product Data Management) sono tecnologie imprescindibili quando si parla di Fabbrica Digitale. I primi costituiscono strumenti di utilizzo quotidiano per un’esecuzione dei lavori semplificata che permette al contempo meno errori di produzione e tempistiche di sviluppo drasticamente ridotte. La loro reciproca integrazione inoltre permette un’evoluzione innovativa nel campo della progettazione di un prodotto e per la simulazione della sua fabbricazione. Grazie al CAD potenziato è possibile ad esempio gestire grandi quantità di informazioni geometriche relative a gruppi di componenti sempre più grandi e complessi che richiedono anche simulazioni dinamiche e cinematiche. Nel CAM, l’evoluzione mira alla completa virtualizzazione del processo di lavorazione, fornendo tutti gli elementi utili alla gestione della fase produttiva come ad esempio la definizione dei percorsi utensili sia di lavoro che di entrata e uscita rispetto al pezzo in lavorazione. I software CAD/CAM in sostanza permettono la digitalizzazione e la condivisione delle fasi importanti di progettazione del prodotto e dell’intero ciclo di produzione, perciò rappresentano il punto di partenza concreto verso la realizzazione della fabbrica 4.0.
Il passo successivo implica un livello più di alto integrazione e connessione in rete, la creazione cioè di un cyber-physical production system (CPPS).

DEFINIZIONE DI CPPS Cyber-Phisical Production System

Un sistema di produzione ciberfisico (cyber-physical production system, in breve CPPS) consiste nell´insieme di componenti di sensoristica, di informazione e telecomunicazione (p.es. TCP/IP), che permette la connessione di dati da un mondo fisico (come ad esempio dallo stato di produzione di una macchina fresatrice) con internet. Un semplice esempio di applicazione è l´ambito della manutenzione predittiva dei macchinari, cioè la possibilità di raccogliere dati in tempo reale sull´usura del macchinario allo scopo di individuare il tempo residuo prima del guasto e possibilmente ad evitarlo.
Con l’introduzione del protocollo IPv6 nel 2012, ci sono ad oggi indirizzi sufficienti per connettere dispositivi intelligenti ad internet. Questo significa che per la prima volta nella storia è possibile indirizzare risorse, informazioni, oggetti e persone per creare l’internet delle cose e dei servizi (per il mondo industriale ci si riferisce all’Industrial Internet of Things IIoT). La struttura attualmente è pronta ma non è pienamente implementata.
Benché l’internet delle cose possa essere visto come un’evoluzione di un CPPS, il secondo è più legato all’interazione fisica, mentre l’IoT è una rete che abbraccia il CPPS e quindi ha un alto livello di astrazione. L’IoT rende possibile la creazione di una rete che incorpora tutto il processo manifatturiero, convertendo le fabbriche in ambienti intelligenti. In sostanza l’Industria 4.0 implica l’integrazione tecnica di un CPPS nel sistema di produzione e nei servizi circostanti, così come l’uso “dell’internet delle cose e dei servizi” nei processi industriali (acatech, 2013).