L'Internet industriale, in quanto modello di business emergente e paradigma applicativo formato dalla profonda integrazione della tecnologia informatica di prossima-generazione con l'economia industriale, costituisce la base fondamentale per le imprese industriali per realizzare la trasformazione digitale. Negli ultimi anni sono emerse numerose soluzioni integrate attraverso l’innovazione adattata alle caratteristiche di produzione e ai punti critici delle industrie chiave. Gli esempi includono la collaborazione nella catena di fornitura nella-produzione di apparecchiature di fascia alta, il funzionamento e la manutenzione da remoto delle principali apparecchiature, il risparmio energetico e la riduzione delle emissioni nell'industria siderurgica e il monitoraggio della sicurezza della produzione nel settore petrolchimico. Queste soluzioni sfruttano appieno gli effetti di aggregazione e amplificazione dell'Internet industriale, guidando la trasformazione digitale della produzione e offrendo valore fondamentale in termini di miglioramento della qualità, riduzione dei costi e aumento di efficienza.
Le piattaforme Internet industriali forniscono funzionalità per aggregare, integrare, archiviare, elaborare, elaborare e analizzare enormi quantità di dati industriali, consentendo alle aziende di creare piattaforme di dati unificate per il controllo operativo dell'intero-ciclo di vita. Numerose tecnologie-correlate alla piattaforma sono sottoposte a iterazione e avanzamento continui (ad esempio, componenti di microservizi, contenitori, elaborazione dati in batch, elaborazione di flussi). Queste tecnologie ci consentono progressivamente di condurre-analisi approfondite di dati industriali eterogenei e di grandi dimensioni, accelerando al tempo stesso l'accumulo di conoscenze industriali, il disaccoppiamento di hardware e software e la rapida implementazione di applicazioni innovative. Tuttavia, riconosciamo che queste tecnologie avanzate e open source-sono fondamentalmente strumenti per aiutare le aziende a raggiungere la produzione intelligente-non l'obiettivo finale in sé. Sfruttando tali piattaforme, le grandi aziende possono ottimizzare la produzione nell'intero ambito produttivo, migliorare l'intera catena del valore di asset e operazioni e, infine, ottenere un'ottimizzazione del valore a livello di intero ciclo di vita. Ad esempio, il gruppo Abu Dhabi National Oil Company (ADNOC) sfrutta il suo centro di comando digitale panoramico per monitorare e ottimizzare centralmente le risorse e le prestazioni operative di 14 società operative dalla sua sede centrale. Attraverso soluzioni come la manutenzione predittiva e l’ottimizzazione della catena del valore, ha identificato potenziali opportunità di ottimizzazione del valore per il gruppo da 60 a 100 milioni di dollari (fornendo soluzioni di ottimizzazione della catena del valore del petrolio e del gas, integrando le catene del valore operative e degli asset e massimizzando la produzione e i rendimenti operativi).
L'Internet industriale offre numerose soluzioni in scenari come l'estensione del servizio, la collaborazione in rete e la personalizzazione personalizzata collegando aziende, utenti e prodotti. Tuttavia, rimane in una fase esplorativa per scenari di produzione intelligente e le imprese devono ancora affrontare sfide significative nelle operazioni di produzione.
Le sfide che devono affrontare le imprese manifatturiere di oggi
Sfide del mercato: le incertezze economiche e di mercato globali costringono i produttori ad adeguare rapidamente le strategie per adattarsi a richieste di mercato più frequenti e con ritmi più rapidi-gestendo al tempo stesso le fluttuazioni dei costi delle materie prime e dell'energia. Questa tendenza sta costringendo le aziende a riconsiderare i propri approcci operativi: devono lanciare continuamente nuovi prodotti riducendo al tempo stesso i cicli di approvvigionamento delle attrezzature, le tempistiche di sviluppo di nuovi prodotti e il time-to-market. Devono stabilire modelli di business di ottimizzazione coordinata-della domanda e della catena di fornitura-e sistemi di produzione flessibili come la produzione in linea-mista su larga scala-particolarmente critica per il settore manifatturiero discreto.
Risorse umane e sfide per la conservazione della conoscenza: man mano che le generazioni più anziane di lavoratori vanno in pensione, le competenze che possiedono nei sistemi di controllo, nelle operazioni e nella manutenzione rischiano di andare perdute. Le imprese industriali devono affrontare sfide significative legate alla transizione della forza lavoro. La nuova generazione di nativi digitali si aspetta che la conoscenza dell’automazione industriale sia incorporata nei sistemi che utilizza, mentre i talenti OT tradizionali diventano sempre più scarsi.
Sfide nel costo totale e nella conformità: come ottimizzare e ridurre i costi per i nuovi progetti di costruzione e le spese operative rispettando al contempo le leggi e i regolamenti nazionali sulla protezione ambientale sempre più rigorosi per consentire lo sviluppo sostenibile.
I manager industriali sperano che l’Industria 4.0 e le tecnologie Internet industriale li aiuteranno ad affrontare queste nuove sfide. Gli analisti del settore stimano che tecnologie di produzione più flessibili di prossima-generazione potrebbero aumentare la produttività manifatturiera del 30%. Tuttavia, la ricerca indica anche che il 60% delle aziende non riesce a portare avanti i propri progetti oltre la fase pilota. Questo risultato deriva da diversi fattori legati al personale, ai processi e alla tecnologia. Sul fronte tecnologico, la maggior parte dei produttori fatica a ottenere rendimenti più elevati da queste innovazioni, principalmente perché i loro sistemi operativi rimangono sistemi chiusi e proprietari. Dagli anni ’70, quando i sistemi DCS e PLC sono entrati nell’automazione industriale, i sistemi proprietari si sono evoluti. Fino ad oggi, il mercato si è sviluppato attorno a modelli di bundle di hardware-software, in cui ogni fornitore di sistemi di automazione e informazione crea il proprio ecosistema software. Ciò costringe gli utenti a mantenere più sistemi OT e IT, favorendo un’elevata dipendenza dai fornitori di sistemi.
Gli attuali colli di bottiglia ai margini dell’Internet industriale
Non-Architettura digitale-La maggior parte dei sistemi di automazione moderni sono altamente ottimizzati per il controllo-in tempo reale, ma non riescono a sfruttare le tecnologie in rapido progresso emergenti dal dominio IT. Queste-tecnologie digitali all'avanguardia-tra cui analisi, intelligenza artificiale/apprendimento automatico, approcci-orientati agli oggetti e architetture-orientate ai servizi- sono essenziali per ottenere una produzione intelligente.
Modelli di business-incentrati sull'hardware-Sebbene i miglioramenti hardware possano ottimizzare gli ambienti di controllo esistenti, non rappresentano l'aspetto più critico della trasformazione digitale. La vera chiave risiede nell'innovazione-guidata dal software che affronta in modo intelligente le sfide tecnologiche operative. Di conseguenza, il valore aziendale si sta spostando costantemente dai modelli basati sull'hardware a quelli basati sul software.
Limitazioni dei sistemi proprietari-Attualmente, le applicazioni di automazione sviluppate per un sistema non possono essere eseguite su un altro. Tuttavia, negli ultimi decenni nel settore IT, i sistemi operativi aperti come Linux hanno favorito lo sviluppo di applicazioni di terze-parti, consentendo una rapida espansione dell'ecosistema e la creazione di ricchi portafogli software in grado di soddisfare le esigenze aziendali in più settori e segmenti di mercato. Purtroppo, i sistemi proprietari nel settore industriale creano barriere all'innovazione: gli utenti non possono migliorare i sistemi di produzione in modo ragionevolmente-efficace in termini di costi o integrare e abbinare i prodotti-migliori-della categoria di fornitori diversi. Il loro ritmo di innovazione è limitato dalla loro dipendenza dai fornitori di sistemi proprietari. Queste barriere, in definitiva, aumentano i costi aziendali totali.
Per i produttori di apparecchiature originali (OEM), la sfida sta nel bilanciare due priorità: sfruttare le capacità di debug virtuale durante la progettazione modulare per collegare il mondo virtuale e quello fisico-riducendo così i costi, mitigando i rischi e accelerando il time-to{2}}market-e allo stesso tempo migliorando i servizi a valore aggiunto-della macchina per espandere i mercati e promuovere la crescita del business.
Gli integratori di sistemi (SI) si trovano ad affrontare una lacuna critica: i sistemi di automazione non dispongono di strumenti che connettano i domini IT e OT. Alla fine, si trovano costretti a investire notevoli risorse umane nello sviluppo di soluzioni personalizzate altamente complesse. Fondamentalmente, tali servizi su misura sono difficili da replicare ampiamente sul mercato. Cercano blocchi funzionali software che proteggano le loro conoscenze industriali e soluzioni specifiche del settore-, riducendo così gli sforzi ingegneristici di basso-valore (riutilizzando oggetti e algoritmi di processo in più progetti). Ciò consente agli esperti tecnici di concentrarsi più attentamente sulla risoluzione dei punti critici e delle sfide all'interno dei processi di produzione, operazioni e manutenzione (MOM), creando in definitiva maggiore valore.
Dal lato-utente finale (UE), affrontare queste sfide richiede urgentemente una gestione completa del sistema per ridurre al minimo i tempi di inattività non pianificati, garantire la consegna dei prodotti durante le stagioni di punta e ridurre la dipendenza dal supporto tecnico esterno. C’è il desiderio di sistemi/linee di produzione flessibili per garantire l’agilità della produzione, consentendo una maggiore flessibilità di produzione quando cambiano i cambiamenti della domanda o i programmi di manutenzione.
Per risolvere efficacemente questi problemi e creare realmente un ecosistema industriale digitale "software{0}}definito industriale" è necessario affrontare alla radice i sistemi OT chiusi, gli standard e le sfide dell'ecosistema. Ciò implica l'adozione di sistemi e standard di automazione aperti e l'integrazione di ulteriori capacità tecniche per accelerare la convergenza IT-OT.
Il futuro dei sistemi di automazione aperti
Le future architetture dei sistemi di automazione si evolveranno inevitabilmente verso l’apertura, l’implementazione distribuita e la sicurezza intrinseca. La tecnologia di automazione industriale e l’edge computing costituiscono la base di questi sistemi aperti. Rispetto ai tradizionali sistemi proprietari, le architetture di automazione aperte presenteranno le seguenti trasformazioni:
È evidente che le architetture di automazione aperte accelerano lo sviluppo tecnico, migliorano l’agilità del sistema, la flessibilità della produzione e l’efficienza complessiva. Questo cambiamento rappresenta più di un aggiornamento tecnico-ridefinisce radicalmente il modo in cui vengono progettati processi e macchinari. La programmazione a lungo-termine e a basso-valore per i controller proprietari passerà ai sistemi di automazione plug{5}}and-play. Questi sistemi sfrutteranno blocchi di funzioni software estesi e accuratamente convalidati, sviluppati da un vasto ecosistema. Verranno eseguiti su hardware diversificati di diversi fornitori,-dai sistemi di controllo integrati ai potenti dispositivi di edge intelligence.
Gli standard aperti sono essenziali per costruire sistemi di automazione aperti e IEC 61499 è lo standard chiave che sblocca questa nuova frontiera. Definendo regole di modellazione orientate agli oggetti-, incapsula i modelli di controllo e gli algoritmi degli oggetti controllati in "scatole nere" (blocchi funzione software). Questi blocchi funzione verificati possono essere riutilizzati in diversi scenari, riducendo significativamente gli sforzi di programmazione ripetitivi. Per gli utenti è sufficiente comprendere le funzionalità fornite senza dover conoscere i dettagli di implementazione, proteggendo così la proprietà intellettuale degli sviluppatori. A differenza dei blocchi funzione tradizionali, quelli definiti da questo standard operano in base all'attivazione di eventi piuttosto che alla scansione ciclica. Ciò si allinea ai concetti orientati agli oggetti e agli approcci di programmazione nel dominio IT, rendendola una tecnologia di convergenza IT/OT naturale. Facilita il miglioramento dell'efficienza della CPU del controller e il bilanciamento del carico, è particolarmente adatto per i sistemi distribuiti e consente l'integrazione perfetta di tecnologie IT avanzate nei sistemi di automazione. Lo standard definisce ulteriormente le regole per i modelli applicativi, i modelli di sistema e i modelli di dispositivi/risorse. La loro integrazione consente agli utenti di progettare applicazioni indipendentemente dall'hardware di automazione sottostante. Questo approccio di astrazione dell'hardware accorcia le tempistiche del progetto e riduce la dipendenza dai produttori di apparecchiature. In combinazione con lo sviluppo-orientato agli oggetti dei blocchi funzione, semplifica notevolmente le regolazioni online per le linee e le apparecchiature di produzione. Naturalmente, lo standard fornisce anche metodi per comporre blocchi funzione di base in blocchi compositi e per connettere rapidamente diversi blocchi funzione (tramite semplice trascinamento-and-drop), riducendo significativamente il carico di lavoro di debug della programmazione software e i tassi di errore del programma. In sintesi, i suoi obiettivi principali sono il raggiungimento dell'interoperabilità dei dispositivi, la riconfigurabilità del sistema e la portabilità del software. Organizzazioni come l'Open Process Automation Forum (OPAF) e l'International Association of Process Industry Automation Users (NAMUR), che attualmente sono guidate dalla partecipazione degli utenti finali, stanno sostenendo l'abbandono dei framework di sistemi di automazione proprietari esistenti basati su questo standard, il miglior esempio di questa ricerca.
Negli ultimi anni anche la tecnologia dell’edge computing ha conosciuto un rapido sviluppo. La tecnologia dei contenitori fornisce metodi efficaci per l'aggiornamento/upgrade in batch delle applicazioni per il controllo dei bordi e per garantire la trasmissione e l'elaborazione tempestiva dei dati. Le tecnologie dei container, principalmente Docker, e gli strumenti di orchestrazione dei container come Kubernetes stanno ora maturando. L’architettura dei microservizi migliora continuamente l’efficienza dell’utilizzo delle risorse nell’edge, promuove il disaccoppiamento e il riutilizzo funzionale, accelera lo sviluppo delle applicazioni ed è diventata una tendenza chiave nella tecnologia dell’edge computing. Standard come OPC UA e Time-Sensitive Networking (TSN) forniscono framework internazionali e reti deterministiche per l'interconnettività dei dispositivi sul campo, soddisfacendo diversi requisiti di trasmissione e scambio di dati nelle applicazioni industriali. L'integrazione di queste tecnologie di informazione e comunicazione di prossima-generazione con le tecnologie standard IEC 61499 accelererà il progresso dell'automazione aperta. Questa apertura si estende non solo agli standard ma anche al networking, all’hardware, al software e all’architettura di sistema, ponendo solide basi per raggiungere la digitalizzazione, il networking e l’intelligenza nelle fabbriche e nelle officine.
L’automazione aperta guiderà il rapido sviluppo dell’Internet industriale, risolvendo in ultima analisi i punti critici per gli utenti finali, gli integratori di sistemi e gli OEM. Questo approccio consente di ottenere una produzione flessibile, abbreviare il time-to-market, ridurre i tempi e i costi di progettazione, migliorare l'efficienza operativa e produttiva e proteggere la proprietà intellettuale. In effetti, un recente studio comparativo condotto da un'azienda internazionale di terze parti-lo evidenzia in modo efficace: per completare un tipico progetto di automazione su-scala su piccola scala (attività tra cui la creazione di applicazioni, l'importazione di database pertinenti, la definizione della logica, la configurazione dei dispositivi, lo sviluppo di HMI e l'implementazione del progetto), gli strumenti software di automazione tradizionali richiedevano 40 ore. Utilizzando un sistema di automazione aperto, invece, questo tempo si è ridotto del 68%. Per testare l'agilità del sistema, i controller sono stati scambiati manualmente tra i dispositivi e nuovi controller configurati per i dispositivi originali. Queste operazioni si sono rivelate complesse con i tradizionali sistemi proprietari, mentre i sistemi di automazione aperti le hanno eseguite con una velocità dal 70% all’80% più rapida.
In sintesi, la capacità del futuro Internet industriale di superare gli attuali colli di bottiglia e di far avanzare ulteriormente la trasformazione digitale delle imprese industriali in profondità e ampiezza dipende dalla creazione di un sistema di automazione aperto costruito su nuovi concetti, architetture e standard. I tradizionali sistemi proprietari-incentrati sull'hardware verranno sostituiti da sistemi aperti-incentrati sul software. Un numero maggiore di tecnologie cloud verranno applicate all’edge computing, consentendo a un ampio pool di talenti IT di integrarsi profondamente con la conoscenza delle applicazioni industriali all’interno di questo quadro aperto. Possiamo prevedere che l’Internet industriale creerà un percorso sano e sostenibile sfruttando questo ecosistema aperto.