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Direttore responsabile Alessandro Longo

architetture

Industry 4.0, tutti gli standard e i modelli di riferimento

di Claudio Demartini, Politecnico di Torino

08 Dic 2017

8 dicembre 2017

Alcuni consorzi d’impresa, nel mondo, hanno elaborato proposte di modelli di riferimento differenti per accompagnare la corsa verso il futuro innovativo dell’industria. Se ne occupa un’unità operativa del Politecnico di Torino, che ha avviato sperimentazioni sulla trasformazione digitale nelle imprese

Grazie alla trasformazione digitale sono nate per le aziende italiane opportunità nelle applicazioni industriali e in tutto il flusso della catena del valore all’interno del ciclo di vita del prodotto e del sistema di produzione.

Per capitalizzare tale innovazione di scenario è emersa la necessità che la trasmissione dei dati attraverso Internet Industriale, in combinazione con Internet delle cose, dei servizi, delle organizzazioni, delle persone e delle macchine, sottenda anche lo sviluppo di specifiche applicazioni afferenti al dominio dell’intelligenza artificiale.

Sistemi complessi di reti interconnesse sono già in fase di consolidamento, mentre se ne scrive. Grandi quantità di sensori, collocati in quegli stessi sistemi, già oggi raccolgono dati provenienti dal mondo fisico producendo informazioni utili in tutti i domini socio-tecnologici.

La statuizione di protocolli di comunicazione bilaterali e multilaterali, standard “de facto”, o vere e proprie “norme” tecniche internazionali, consentono il trasferimento alla rete internet di dati provenienti dalle cose, dai servizi, dalle persone e dalle macchine, anche in movimento.

Oltre 25 miliardi di “oggetti” saranno collegati alla Rete entro il 2020, con lo scopo primario di utilizzare la stessa e la disponibilità di informazioni, in modo pertinente: in primis, per ottimizzare il flusso dei dati in ogni momento per rendere meglio fruibile quella stessa infrastruttura, e in secondo luogo, per generare nuovi modelli di impresa.  Tutto ciò impone adeguamenti di sistema di tipo logico e fisico per tutti i componenti, i sottosistemi e le soluzioni, con l’obiettivo primario di creare un ecosistema socio-tecnologico ove i dispositivi/sottosistemi siano interoperabili e trasparenti semplificando radicalmente il processo di sviluppo e la gestione funzionale delle PMI, loro stesse sistemi, inserite in quel eco-sistema integrato.

 

Quale modello?

Un modello, per definizione, è il tentativo di semplificare la complessità intrinseca di fatti ed eventi reali in modo tale da interpretarli e rappresentarli, per consentirne l’immediata comprensione finalizzata a sostenere l’obiettivo di ricondurne gli effetti al contesto sociale.

Nel caso specifico il modello promuove un’architettura di riferimento per scomporre le funzioni, i servizi, e i processi in componenti più facilmente manipolabili.

Come tale, un modello risponde al bisogno se propone una descrizione generale condivisa nell’ambito di un dominio ben circoscritto, attraverso la definizione di un insieme finito di parametri ben descritti e misurabili. Questi parametri si raccordano alle funzionalità appartenenti al dominio che lo stesso modello vuole descrivere, e comprendono l’impatto del modello rispetto alla sua applicazione, la determinazione dei confini del sistema rappresentato, e alle interfacce che il modello deve avere per interagire con altri modelli di riferimento.

Alcuni consorzi d’impresa, nel mondo, hanno elaborato proposte di modelli di riferimento differenti, ciascuna in grado di rappresentare una diversa prospettiva del contesto. Ne emergono due in particolare: l’architettura di riferimento “Industrie 4.0” (RAMI 4.0), elaborate da “Platform Industrie 4.0”, e l’architettura di riferimento per l’”Internet Industriale” (IIRA) del consorzio “Industrial Internet”.

RAMI4.0

La digitalizzazione e l’Internet di cose, servizi, persone e macchine, sono componenti centrali di entrambi i modelli. Ciò solleva la questione di quali parti dei modelli siano complementari o congruenti, in termini di proprietà, e quali processi abbiano caratteristiche comuni o, in proiezione estensiva, quali proprietà e caratteristiche debbano essere sviluppate per garantire il massimo vantaggio possibile per l’utente. Pertanto non rileva un semplice confronto tra alternative ma piuttosto occorre definire la scelta di un metodo sostenibile per la realizzazione di un sistema complessivo integrato, che sia in grado di amalgamare il mondo Internet, la trasformazione digitale, e la semplice interazione apparato-apparato nell’officina. In questo quadro il processo di coordinamento tra i principali organi e organizzazioni di normalizzazione diventa essenziale nella prospettiva favorevole agli utenti e ai prodotti internazionali utilizzati, includendo i sistemi produttivi ad impatto globale. Delineato il quadro generale, la nostra attenzione si orienta dunque sulla prima architettura.

“Industria 4.0” può essere considerata come una specializzazione dell’Internet delle cose e dei servizi che, congiuntamente, vanno a collocarsi all’interno del dominio “Sistema di produzione-prodotto”.  Esso infatti raccoglie l’intima relazione esistente tra l’ingegnerizzazione degli strumenti di produzione, delle caratteristiche del prodotto e dei corrispondenti servizi.

Si tratta di un modello tridimensionale che descrive lo spazio nel quale Industria 4.0 si manifesta. Coerentemente con “Smart Grid Architecture Model”, SGAM – CEN/CENELEC/ETSI SG-CG, Overview of SG-CG Methodologies, Versione 3.0, i piani orizzontali riportati in figura intersecano l’asse verticale e rappresentano altrettante prospettive, quali i processi aziendali (Business), le descrizioni funzionali (Function), le mappe dei dati (Information), i meccanismi di comunicazione (Communication) e l’hardware (asset).

RAMI4.0 – Il Primo Asse

Il primo livello, quello dei processi aziendali, dunque:

  • Garantisce l’integrità delle funzioni nel flusso del valore.
  • Costruisce la mappa tra i modelli di business e i risultati conseguiti nel processo complessivo
  • Gestisce gli aspetti legali e regolamentari
  • Modella le regole a cui il sistema deve rispondere
  • Orchestra i servizi forniti dal livello funzionale
  • Collega i diversi processi aziendali
  • Intercetta gli eventi per la gestione di quegli stessi processi aziendali

Il secondo livello, concernente la rappresentazione funzionale, realizza:

  • La descrizione formale delle funzioni
  • La piattaforma per l’integrazione orizzontale delle diverse funzioni
  • L’ambiente per di esecuzione e la modellazione dei servizi a supporto dei processi aziendali
  • L’ambiente per l’esecuzione delle applicazioni e dei relativi meccanismi funzionali

Il terzo livello, concernente la rappresentazione dell’informazione, gestisce:

  • L’ambiente del tempo reale per la preelaborazione degli eventi
  • L’esecuzione delle regole connesse all’evento
  • La descrizione formale di tali regole
  • Il contesto per l’elaborazione degli eventi

Il livello quattro, dedicato alla gestione delle comunicazioni, si occupa in particolare di:

  • Uniformare i meccanismi di interazione
  • Definire il formato dei dati
  • Fornire I servizi di controllo e gestione del sottostante livello di integrazione

Il quinto, invece, si occupa dell’integrazione delle componenti hardware sottostanti attraverso:

  • La gestione delle informazioni relative agli “asset” – intesi come componenti tangibili e intangibili, ovvero hardware, software, documenti -, formalizzate in modo tale da poter essere elaborate automaticamente.
  • L’esercizio del controllo del processo tecnico-operativo
  • La generazione degli eventi associati agli elementi costitutivi dell’asset
  • La raccolta dei componenti quali HMI, lettori di RFID e sensore

Il sesto e ultimo permette di:

  • Rappresentare la realtà, tracciando i componenti fisici quali assi lineari, parti metalliche, documenti, diagrammi dei circuiti, idee e archivi.
  • Rappresentare anche gli operatori, che sono connessi al mondo virtuale attraverso il livello di integrazione
  • Esprimere la connessione passiva di tutti i componenti al livello superiore, di integrazione, anche usando codici QR

Questa organizzazione corrisponde allo schema spesso seguito nelle tecnologie dell’informazione, ove progetti di elevata complessità vengono scomposti in parti più piccole, si pensi al modello ISO-OSI, che sottende il sistema di comunicazione Internet, rendendo così maggiormente gestibile e di più facile descrizione la complessità del sistema integrato di interconnessione.

RAMI4.0 – Il Secondo Asse

La seconda dimensione dello spazio RAMI4.0, è descritta attraverso lo standard IEC 62890, che rappresenta il ciclo di vita del tipo di prodotto e la durata delle istanze di quello stesso prodotto e dei relativi sistemi di produzione, rappresentando anche i flussi di valore che essi esprimono.

In particolare, nella prima delle due fasi, rilevano l’immissione di ordini di progettazione, sviluppo e test, eseguiti fino al primo campione e alla produzione dei prototipi seguenti.  In questa fase si rappresenta dunque, il tipo di prodotto, di macchina ecc. Solamente alla conclusione di tutti i test e delle corrispondenti validazioni, il tipo viene “certificato” e rilasciato per la produzione di serie.

Nella seconda fase, quella che descrive l’istanza, i prodotti sono fabbricati in base al tipo generale descritto nella fase precedente. Ogni prodotto infatti esprime un’istanza di quel tipo specifico  e possiede un numero di serie unico. Sono le istanze, dunque, ad essere cedute e consegnate ai clienti. Presso il cliente, i prodotti sono, inizialmente e ancora una volta, solo tipi. Diventano istanze nel momento in cui essi vengono installati in un particolare sistema aggregato.

RAMI4.0 – Il Terzo Asse

Il terzo aspetto chiave è figurativamente rappresentato spazialmente con il terzo asse, che descrive la gerarchia delle funzioni e delle responsabilità all’interno degli stabilimenti e degli impianti, esso ha origine dagli standard IEC 62264 e IEC 61512. Il quadro d’insieme qui tracciato rappresenta una gerarchia di tipo funzionale, non classi di dispositivi, o livelli gerarchici, peraltro già declinati nella piramide classica dell’automazione. In particolare RAMI espande i livelli della gerarchia afferenti a IEC 62264, aggiungendo soltanto, in basso, il “Prodotto”, e in alto, il “Mondo connesso”, livello, quest’ultimo, che rappresenta l’interazione sistemica, che si pone oltre i confini della singola fabbrica.

RAMI4.0 – Il flusso del valore

Nel complesso, la digitalizzazione e il collegamento dei flussi del valore in I4.0 offre enormi potenzialità di miglioramento dell’organizzazione delle imprese. In questo scenario i raccordi posti in essere che coinvolgono un numero elevato di funzioni sono di importanza decisiva. Ad esempio i dati raccolti concernenti la logistica possono essere utilizzati nelle operazioni di assemblaggio, e i servizi riguardanti l’intra-logistica si organizzano sulla base dello storico delle ordinazioni. Le operazioni di acquisto, infatti, possono accedere agli inventari in tempo reale, e sono in grado di conoscere in ogni istante di tempo la posizione corrente dell’ordinato nel percorso che si estende a partire dal fornitore. Il cliente può constatare lo stato di completamento del prodotto ordinato durante tutte le fasi di produzione.

Il collegamento degli acquisti con la pianificazione degli ordini, l’assemblaggio, la logistica, la manutenzione, i clienti e i fornitori, esprime un grande potenziale di miglioramento in termini di efficacia e efficienza. Il ciclo di vita del prodotto viene infatti ad essere considerato, unitamente ai processi, valore aggiunto, e non una semplice rappresentazione isolata di una singola fabbrica, ma piuttosto l’identificazione del prodotto e della fabbrica stessa nel collettivo di tutte le fabbriche e tutte le componenti coinvolte, dall’ingegneria della parte, ai fornitori, al cliente.

 

Il progetto pilota presso il Politecnico di Torino

Alla base della sperimentazione vi è la presa d’atto della rapida, costante e diffusa crescita della connettività realizzata attraverso dispositivi “gateway” per l’”Internet delle cose” (IoT) in grado di operare come interfaccia comune tra reti di interconnessione aventi diverse caratteristiche tecniche. Il “gateway” IoT per sua natura rappresenta il “ponte” tra protocolli di comunicazione diversi tra loro, tema ricorrente in fabbrica, e ad oggi sono state nel mondo realizzate numerose proposte per collegare sensori, nodi industriali, robot, sistemi a controllo numerico alla rete Internet.

I protocolli già consolidati nel tempo e inseriti nell’architettura classica del sistema di comunicazione di fabbrica, si inseriscono anche nell’architettura di riferimento RAMI 4.0, ma occorre che essi possano integrarsi anche completando l’insieme delle norme esistenti al fine di rispondere alla prospettiva totalizzante dell’integrazione prefigurata in Industry 4.0. Nel caso dei protocolli di comunicazione in officina rilevano le specifiche OPC UA presenti in IEC 62541 e le specifiche Prolist presenti in IEC 61987.

In questo prototipo, è stato predisposto un “gateway” IoT abilitato agli standard OPCUA ver. 2. Questo lavoro comporta l’impiego di DIIG (Gateway per Internet Industriale) per raccordare ambienti e nodi caratterizzati da una capacità di comunicazione molto elevata e ridotta latenza di trasferimento dati. Nella proposta, si usa l’architettura OpenFog per realizzare unità di elaborazione prossimo ai nodi presenti in officina. Perseguendo, oltre alla bassa latenza, elevato impatto in termini di sicurezza [2].

OPC Unified Architecture (OPC UA) [3] è un protocollo di comunicazione da macchina a macchina per l’automazione industriale sviluppato da OPC Foundation. Le caratteristiche principali sono le seguenti:

  • È focalizzato sulla comunicazione tra apparecchiature e sistemi industriali finalizzata alla raccolta e al controllo dei dati
  • È aperto, essendo liberamente accessibile e utilizzabile senza restrizioni e costi
  • È Multipiattaforma, non essendo legato a uno specifico sistema operativo o a un linguaggio di programmazione particolare
  • È Orientato a un’architettura di servizi (SOA)
  • Offre un livello robusto di sicurezza
  • Sostiene il modello integrale di rappresentazione dell’informazione

In questo quadro la cosiddetta “nebbia” o “polvere” informatica sta diventando molto popolare e sarà una delle caratteristiche di punta per I4.0. Questa architettura è definita dal consorzio OpenFog a sostegno della distribuzione orizzontale dell’informazione. Lo scopo è quello di fornire gestione dei dati garantendo bassa latenza e soprattutto collocando le risorse di calcolo in modo fisicamente prossimo all’utenza, ciò a supporto dell’autonomia dei sistemi che traggono vantaggio dall’intelligenza locale sensibile al contesto.

Nel pilota è stato realizzato il protocollo OPCUA per scambiare i dati tra i gateway e i nodi locali trasferendo il confine dell’Internet delle Cose nella nebbia, ove si collocano le comunicazioni tra i Nodi e tra i nodi e il “gateway” facendo leva sullo standard IEC 62541 come mostrato in figura.

I nodi utilizzati sono quelli tipicamente presenti in officina, ovvero PLC o altre macchine industriali a controllo numerico. In questo scenario gli stessi sensori attivi che generano i dati potrebbero essere utilizzati come nodi terminali.

In questo caso specifico, arricchendo parte del pilota con tecnologia Open Source, è stato utilizzato il protocollo DIIG (Distributed Internet Industrial Gateway), compatibile con lo standard IEC62541, per consentire l’inserimento di più nodi in un solo canale OPCUA, prevedendo la pianificazione sistematica della qualità del servizio appropriata, tale da garantire i livelli attesi nonostante i vincoli connessi alle esigenze del tempo reale.

 

Un’unità multidisciplinare al Politecnico di Torino

La trasformazione digitale è uno degli argomenti chiave dei progetti di Industry 4.0 ed è proprio per studiare standard e norme che ne gestiscono i processi e capire quali cambiamenti avviare per meglio impattare sulla produttività delle aziende che è stata recentemente costituita, presso il Politecnico di Torino, una unità operativa multidisciplinare.

La mission è dedicarsi al tema della trasformazione digitale nell’impresa, con particolare riferimento alle piccole imprese. Standard e norme internazionali, esistenti e nuovi, costituiscono il focus dell’azione pianificata che vede convergere l’interesse di due dipartimenti, quello di Automatica e Informatica e quello di Ingegneria Gestionale e della Produzione. Nello specifico oggi l’unità raccoglie competenze che spaziano dall’organizzazione dell’impresa, alle Architetture, ai sistemi IoT, ai sistemi fisico-cibernetici, ai Big Data, alla Realtà Virtuale, alla sicurezza informatico-fisica, ai sensori, e oltre. Esso raccoglie l’esperienza consolidata nel tempo che sin dagli anni ’90 ha permesso di seguire l’evoluzione delle norme internazionali nell’ambito del “Manufacturing”. L’unità segue anche aspetti connessi al fronte della ricerca, attraverso alcuni dottorati, e promuove, inoltre, lo sviluppo di progetti pilota focalizzati su alcune prototipazioni, attraverso l’azione di alcune start-up, presenti nella cittadella politecnica, che seguono alcune piccole imprese del territorio sul tema.

 

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