Il potenziamento dell’intelligenza all’Edge consente ai macchinari di adattarsi in modo più rapido alle esigenze in real-time della produzione.
La richiesta di nuove tecnologie che abilitino l’intelligenza all’Edge di Rete aumenta. Ma cosa si intende per “Edge”? In Analog Devices si definisce “Edge” il luogo dove le macchine interagiscono o si interfacciano con il mondo reale.
di Jeff DeAngelis (*)
Nell’automazione di fabbrica, potenziare l’intelligenza all’Edge significa ridurre la perdita di produttività subita ogni anno. Il fattore che contribuisce maggiormente a questo fenomeno è il tempo di inattività, cioè quando la linea di lavorazione si ferma, procurando perdite di denaro all’azienda. Secondo un articolo pubblicato da McKinsey nell’ottobre 2018 dal titolo: “Digitally Enabled Reliability: Beyond Predictive Maintenance”, le fabbriche subiscono in media 800 ore/anno di arresto della linea di produzione, ovvero circa 15 ore/settimana. Per un’azienda si tratta di una conseguenza notevole sulle entrate e sui profitti. Supponiamo, per esempio, che un costruttore di automobili perda quasi 22.000 dollari al minuto quando la fabbrica interrompe la produzione. Ciò si tradurrebbe in una perdita di 1,3 milioni di dollari all’ora o quasi 20 milioni di dollari alla settimana.
Potenziare l’intelligenza all’Edge ha dunque un impatto immediato sulla linea di produzione, perché può migliorare la produttività del 10% e far ottenere un risparmio del 20% sui costi di manutenzione. Quindi, il risultato di tale potenziamento nelle fabbriche contribuisce a mantenere operative le linee di produzione, evitando costose interruzioni. Se da una parte è chiaro che il potenziamento dell’intelligenza all’Edge dà una spinta alla produttività e riduce i costi operativi, dall’altra la vera domanda è: “Cosa serve per potenziarla?”.
Gli attuatori intelligenti vengono utilizzati per controllare le condizioni, il flusso e la velocità con cui un prodotto si muove all’interno di uno stabilimento.
OCCORRE PENSARE IN MODO NUOVO
“Potenziare l’intelligenza” vuol dire dotare di un numero maggiore di funzionalità una determinata apparecchiatura che opera ai margini (Edge), in modo che possa prendere decisioni migliori, adattarsi all’ambiente circostante mantenendo prestazioni ottimali e garantire un nuovo livello di flessibilità che preveda la possibilità di effettuare riconfigurazioni tramite software per soddisfare esigenze diversificate in fase di produzione.
In qualità di fornitori di semiconduttori, dobbiamo proporre soluzioni che abilitino sensori e attuatori intelligenti, supportino I/O configurabili tramite software e assicurino una diagnostica avanzata. Esaminiamo la rilevanza di questi quattro importanti elementi nel potenziare l’intelligenza all’Edge, ovvero “l’intelligenza ai margini”.
Grazie all’adozione di un nuovo approccio sarà possibile potenziare l’intelligenza all’Edge e sfruttare tutti i vantaggi derivati dalla disponibilità di una fabbrica efficiente, capace di adattarsi alla variazione delle richieste dei clienti.
TECNOLOGIA DEI SENSORI SMART
Nella vita quotidiana i sensori sono ovunque. Nell’ambiente di produzione, tutti i prodotti realizzati richiedono una serie di sensori che operino sinergicamente per aiutare le macchine a rilevare un oggetto, determinarne la distanza, configurarne colori e composizione, monitorare la temperatura e la pressione di un oggetto o di un liquido.
La messa in esercizio di nuovi sensori per sostituire quelli danneggiati, o l’adattamento di un’apparecchiatura per permettere la realizzazione di un prodotto diverso, richiedono molta manodopera e comportano un notevole aggravio di costi, anche in considerazione del gran numero di sensori presenti in un ambiente produttivo. In un reparto, il costo d’intervento di un tecnico per sostituire e ricalibrare un sensore con i parametri di produzione corretti ha un impatto sui volumi di produzione dello stabilimento. Se moltiplichiamo questa tipologia di manutenzione per ciascun sensore presente in fabbrica, la sostituzione o riconfigurazione rappresenta la spesa unitaria più elevata che qualsiasi linea di produzione debba affrontare.
L’elemento centrale che permette di potenziare l’intelligenza all’Edge è IO-Link, una tecnologia decisamente interessante, grazie alla quale è possibile implementare una produzione flessibile finalizzata a migliorare l’efficienza operativa e il throughput di una fabbrica.
L’obiettivo di un numero sempre maggiore di aziende è quello di prendere decisioni più efficaci in tempo reale nei processi di produzione.
IO-Link trasforma i sensori digitali o analogici tradizionali in sensori intelligenti, consentendo uno scambio di informazioni bidirezionale con il sensore stesso, il quale è in grado non solo di acquisire dati, ma consente a un utente di modificare da remoto le sue impostazioni in base sia ai feedback in tempo reale sulle condizioni e lo stato di altri sensori presenti sulla linea, sia alle attività produttive che deve svolgere.
Oggi i macchinari dell’automazione industriale dispongono dunque di una ritrovata intelligenza per rispondere dinamicamente alle condizioni di funzionamento real-time. Attingendo a questo bacino di informazioni end-to-end attraverso una rete di sensori intelligenti, una struttura può creare la mappatura del proprio reparto produttivo, fornendo in tempo reale informazioni attendibili per un sicuro e completo monitoraggio AI, capace di identificare rapidamente i colli di bottiglia del processo, i punti di vulnerabilità e di assicurare una concreta ottimizzazione della produzione, per una migliore efficienza operativa.
Il modo in cui la tecnologia IO-Link semplifica il processo di messa in servizio e migliora la produttività della fabbrica è quello di rendere i sensori intercambiabili, tramite un’interfaccia fisica comune che utilizza uno stack di protocollo e un file “IO Device Description” (IODD). Ciò permette ai tecnici di mettere velocemente in funzione un sensore, il che si traduce in una riduzione dei tempi di fermo, permettendo di riconfigurare in tempo reale la linea di produzione.
L’adozione dei sensori IO-Link continua ad aumentare. Le aziende, infatti, comprendono i vantaggi di avere un’interfaccia comune, che rende facile come un plug-and-play lo scambio di vari sensori di pressione, prossimità e temperatura. Anche secondo ResearchAndMarkets, il mercato IO-Link continua a crescere e si prevede possa raggiungere 12 miliardi di dollari entro il 2023, partendo dai 3 miliardi del 2018, con un tasso annuo di crescita (CAGR) del 33,56%.
Esempio di attuatori intelligenti: Stepper Motor PD42-1243-IO-LINK e Gripper EoAT (TMCM-1617-GRIP REF).
HUB IO-LINK E IO CONFIGURABILI VIA SOFTWARE
Oltre a essere il catalizzatore dello sviluppo di tutta una serie di nuovi sensori intelligenti, la tecnologia IO-Link fornisce nuove opportunità per trasferire l’intelligenza ancora più vicino all’Edge mediante gli hub IO-Link. Grazie a questi ultimi è possibile espandere in modo molto semplice il numero di IO analogici e digitali, oltre a conferire doti di intelligenza ad attuatori quali solenoidi e azionamenti per motori. Questi moduli di espansione di IO sfruttano tutte le funzionalità di IO-Link, semplificando il commissioning degli hub IO-Link e minimizzando così i tempi di inattività della fabbrica. Esempi di queste soluzioni si possono trovare nella famiglia di prodotti IO-Link Hub NXR di Omron, che vantano una riduzione del 90% dei tempi di impostazione e messa in servizio.
Le soluzioni di IO analogico e digitale configurabili via software assicurano a ingegneri e tecnici la comodità di fornire una porta IO universale che può essere messa in servizio a distanza. Con benefici paragonabili a quelli forniti da IO-Link, questa nuova classe di prodotti IO digitali e analogici configurabili via software semplifica l’onere dello smistamento dei cavi nelle fabbriche e fornisce la flessibilità di collegare fisicamente qualsiasi sensore o attuatore IO digitale e analogico a qualunque porta IO digitale e analogica non assegnata. Tale tecnologia configurabile via software è più efficace in termini di costi e aumenta la densità di canali nel reparto di produzione.
Fabbriche digitali “autocoscienti” saranno in grado di ottimizzare le loro capacità produttive apportando correzioni temporanee per garantire il funzionamento di una parte di macchinari fino all’intervento di un tecnico dell’assistenza.
ATTUATORI INNOVATIVI
Gli attuatori intelligenti vengono utilizzati per controllare le condizioni, il flusso e la velocità con cui un prodotto si muove all’interno di uno stabilimento. Poiché ogni applicazione richiede un insieme specifico di caratteristiche in termini di azionamento del motore e di controllo del movimento, questi attuatori intelligenti si stanno evolvendo e dovranno adattarsi dinamicamente al loro ambiente per dare vita a un sistema meccatronico-cibernetico “perfetto”, in grado di garantire maggior efficienza, grazie alla riduzione dei consumi e delle dimensioni, miglior controllo del posizionamento e della coppia, capacità di autoregolarsi e ottimizzare le prestazioni durante il funzionamento nel proprio ambiente.
Per potenziare questa combinazione di “movimento intelligente”, è necessario integrare due elementi chiave. Il primo è la tecnologia Analog Drive ad elevata efficienza energetica che consente il funzionamento ad alta tensione, fornendo al contempo informazioni sulle condizioni e lo stato dell’ambiente locale. Ciò permette l’ottimizzazione dei motori che sono in grado di raggiungere un equilibrio tra efficienza elevata e velocità di produzione.
Il secondo elemento importante è la disponibilità di algoritmi per il controllo di movimento, necessari per garantire un movimento regolare nell’intervallo operativo. Ciò comporta la necessità di rilevare i carichi ai quali è soggetto il motore durante il movimento, in modo da evitare malfunzionamenti della linea e minimizzare i consumi di potenza.
Mentre gli algoritmi di controllo del movimento consentono di ottenere un moto fluido e preciso, gli algoritmi di Chopping sono finalizzati a rendere più efficiente il motore in termini di consumi. Oltre a ciò, il rilevamento della posizione delle armature è determinante per verificare che il motore si sia mosso nella posizione corretta. Una verifica di questo tipo viene effettuata mediante rilevamento magnetico, utilizzando sensori a effetto Hall o altre soluzioni che prevedono l’uso di encoder ottici.
Per dimostrare il valore di questi attuatori intelligenti di prossima generazione, citiamo due esempi: il PD42-1-1243-IO-LINK e il reference design “End of Arm Tooling (EoAT) Gripper” TMCM-1617-GRIP-REF. Entrambe le soluzioni dimostrano la potenza della combinazione di movimento intelligente, driver e tecnologia di comunicazione IO-Link di Analog Devices e ADI Trinamic.
Questi nuovi attuatori semplificano la messa in servizio, aumentano la produttività di fabbrica e forniscono ai tecnici dell’automazione industriale – attraverso l’interfaccia di comunicazione IO-Link – l’accesso a un numero di parametri di configurazione e prestazione superiore del 50% rispetto ai precedenti. Inoltre, possono essere regolati in tempo reale per adattarli ai cambiamenti dell’ambiente operativo e all’implementazione di soluzioni avanzate di produttività, derivate dall’Intelligenza Artificiale. La capacità di modellare le prestazioni degli attuatori in base all’ambiente di lavoro rappresenta il futuro del controllo del movimento intelligente.
La tecnologia IO-Link supporta l’intercambiabilità tra i sensori, consentendo la riconfigurazione istantanea delle apparecchiature di produzione.
DIAGNOSTICA E DECISIONI REAL-TIME
Funzionalità diagnostiche di livello più elevato forniscono un insieme di dati più ricco e completo, che migliora il processo decisionale real-time, basato sull’Edge, per potenziare la produttività e l’integrità operativa nel reparto produttivo.
Secondo un rapporto MarketsAndMarkets, pubblicato a gennaio 2019, dal titolo “Artificial Intelligence in Manufacturing Market”, gli introiti per queste potenti piattaforme di algoritmi AI, basate sulla manifattura, dovrebbero crescere da 1 miliardo di dollari (2018) a oltre 17 miliardi di dollari entro il 2025, pari a un tasso annuo di crescita (CAGR) di quasi il 50%. Durante questo periodo, si prevede che il machine learning possa rappresentare il segmento di maggiore crescita dell’AI, grazie ai rapidi investimenti in corso per implementare le fabbriche intelligenti. La forza trainante di questa crescita deriva dall’abbondanza di informazioni – generate da una rete di dispositivi alimentati dall’IoT – su stato e condizioni, dagli algoritmi che forniscono analisi predittive e dalle telecamere di visione artificiale che monitorano la qualità dei prodotti, oltre a valutare lo stato e le condizioni operative delle macchine.
A livello di circuiti integrati, sempre più informazioni vengono monitorate, raccolte e comunicate tramite il bus SPI, da e verso un microprocessore. Il volume di questi datagrammi continua a crescere, poiché per ogni dispositivo vengono trasferite informazioni critiche, come temperatura, sovratensione, sovracorrente, rilevamento di circuito interrotto, di cortocircuito, allarmi per sovratemperatura, arresto per cause termiche e Cyclic Redundancy Control. Se ora facciamo un passo indietro e moltiplichiamo tutte queste informazioni per il numero di semiconduttori che forniscono datagrammi attraverso l’intera linea di apparecchiature di un reparto di produzione, diventa chiaro che è possibile ottenere una mappatura diagnostica per prevedere, identificare e diagnosticare i guasti della catena di lavorazione.
Una diagnostica migliore consente di prendere decisioni in real-time finalizzate a ridurre i tempi di inattività sulle linee di produzione.
IL PROSSIMO GRANDE PASSO
Una cosa è chiara. Potenziando questo “nuovo modo di pensare”, le Smart Factory possono trarre vantaggio da tali nuove possibilità, migliorando il rendimento e incrementando la produttività. Man mano che queste nuove tecnologie continueranno ad evolversi, gli algoritmi di AI di prossima generazione ne diventeranno i beneficiari, sfruttando la maggiore qualità dei dati real-time generati da tali soluzioni. Di conseguenza, le nuove macchine dotate di autoconsapevolezza implementeranno automaticamente soluzioni generate dall’Intelligenza Artificiale per mantenere operativa una linea di produzione fino a quando non verrà riparata o assistita da un tecnico. Questa nuova era di macchine autocoscienti sarà di ispirazione per il prossimo grande passo, “The Next Big Thing”, dell’automazione industriale. ©ÈUREKA!
(*) Jeff DeAngelis, Vice President Digital Factory di Analog Devices.
