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Smart factory: cos'è, caratteristiche e vantaggi

La digitalizzazione della fabbrica rappresenta oggi una leva fondamentale per mantenere, difendere e guadagnare vantaggio competitivo

Che cos’è e come funziona una fabbrica digitale? Le tecnologie digitali applicabili a una fabbrica all’interno del framework ‘smart factory’ sono numerose, così come gli ambiti di applicazione e i casi d’uso possibili. Una cosa è certa: la digitalizzazione di una fabbrica è oggi una leva fondamentale per mantenere o guadagnare vantaggio competitivo.

Smart factory, definizione e contestualizzazione

La fabbrica intelligente, o ‘smart factory’, è un concetto utilizzato per descrivere l’utilizzo di diverse tecnologie digitali al fine di coordinare dinamicamente persone, processi e altri aspetti dell’ambiente circostante, come ad esempio attrezzature o pezzi di ricambio. Tuttavia, descrivere una fabbrica intelligente come un progetto tecnologico atto ad aumentare le capacità di produzione a livello di produzione o sito produttivo può essere limitante. Le fabbriche intelligenti possono infatti essere orchestrate e sincronizzate con altre funzioni della catena di approvvigionamento, generando maggior valore ed efficienza per tutti gli attori coinvolti.

Per comprenderne il significato e il potenziale impatto di una smart factory è infatti utile contestualizzare il concetto all’interno di un framework più ampio: la fabbrica intelligente è elemento fondante della ‘digital supply chain’. Andiamo con ordine.

Se per ‘smart factory’ possiamo fare riferimento all’applicazione di diverse combinazioni di tecnologie digitali all’interno di una fabbrica al fine di creare capacità di produzione flessibile e auto-adattativa, ovvero per rendere più efficienti e flessibili i processi operativi all’interno della fabbrica, con il termine ‘digital supply chain’ ci riferiamo a un sistema di fornitura interconnesso e quindi in grado di sincronizzare la domanda di un prodotto e la sua disponibilità con la principale conseguenza di poter soddisfare nei tempi attesi le richieste dei consumatori. Ma cosa significa? L’idea di catena di fornitura tradizionalmente concepita, ovvero composta in modo lineare e sequenziale da fasi che lavorano in modo ‘isolato’ l’una dall’altra, ovvero senza trasparenza delle informazioni e sincronizzazione delle operazioni, viene superato dalla digitalizzazione dei processi che compongono una catena di fornitura. In questo modo informazioni appartenenti ai diversi processi e attori sono disponibili in tempo reale, permettendo una interconnessione tra gli stessi e quindi una sincronizzazione. Ecco perché le ‘digital supply chain’ si dicono interconnesse, con visibilità end-to-end, ovvero collegano centralmente informazioni da altri nodi della rete. Ad esempio, i fornitori non aspetteranno più di ricevere piani mensili di fornitura, ma riceveranno feedback in tempo reale direttamente dai punti vendita. E ancora, i rivenditori non dovranno più supporre la capacità di un fornitore prima di evadere ordini, ma, grazie alla visibilità delle scorte dei fornitori a monte, potranno prendere decisioni sulla base dei dati del fornitore accessibili in tempo reale.

Le fabbriche intelligenti sono uno dei tasselli fondamentali della rete di fornitura e del concetto di digital supply chain e una smart factory di successo deriva inoltre da un intenso livello di orchestrazione e allineamento tra più funzioni della catena di approvvigionamento.

Il concetto di ‘smart factory’ non dovrebbe quindi prescindere da una visione olistica dell’intera catena di fornitura, fino a spingersi addirittura ad un modello di catena del valore integrata. Questo implica la necessità di definire una strategia e un programma di trasformazione digitale a lungo termine che includa un piano evolutivo di trasformazione della fabbrica, fermo restando la necessità di partire da ambiti circoscritti, come ad esempio una singola macchina o una funzionalità, fino ad arrivare all’intera fabbrica connessa o al complesso di siti produttivi distribuiti geograficamente.

Come funzionano le smart factory

Abbiamo detto che le fabbriche intelligenti utilizzano tecnologie digitali per coordinare dinamicamente persone, processi di produzione e altri aspetti. L’utilizzo di queste tecnologie consente di raccogliere le informazioni in formato digitale e quindi di analizzarle ottenendo ulteriori informazioni ad alto valore aggiunto. Vediamo come.

Le tecnologie di Internet of Things (IoT) si riferiscono a una rete di dispositivi fisici in grado di comunicare e scambiare dati attraverso internet e tipicamente vengono considerate il primo livello di raccolta dati all’interno di un flusso complesso che arriva fino alla analisi degli stessi. Possiamo immaginare, ad esempio, di applicare dei sensori alle macchine laddove il rilevamento di alcuni parametri fondamentali non avvenga tramite la macchina stessa, oppure in caso contrario di connettere la macchina a internet; i dati raccolti verranno quindi indirizzati verso un primo livello, tipicamente a livello edge, integrato con i sistemi di fabbrica e gestionali, all’interno del quale verranno fatte le prime elaborazioni sui dati e applicate logiche per estrarre indicatori di vario tipo, per esempio l’OEE (Overall Equipment Efficiency). Nell’accezione più completa dell’IoT, il sistema sarà in grado di ricevere i dati dal campo (dalle macchine, impianti, operatori, altro) ma altresì di inviarli al campo sotto forma di output delle analisi di primo livello.

L’applicazione di tecnologie IoT genera una produzione ingente di dati e richiede necessariamente un’infrastruttura adeguata, sia in termini di infrastruttura di rete, sia in termini di archiviazione dei dati, esigenza, quest’ultima, soddisfatta da infrastrutture cloud dove tipicamente i dati vengono appunto storicizzati.

I dati raccolti tramite l’IoT e storicizzati possono essere analizzati, insieme ad altri dati di contesto o provenienti da altri sistemi, tramite strumenti di analytics e machine learning, ovvero è possibile, a partire da grandi moli di dati eterogenei (i cosiddetti ‘big data’), applicare modelli che consentano di facilitare l’estrazione di indicatori sia in tempo reale sia su base storica e di abilitare logiche predittive, ad esempio, in ambito di qualità anticipando il verificarsi di condizioni non conformi agli standard.

Attraverso l’applicazione dell’intelligenza artificiale (AI) possono essere automatizzate alcune azioni. Se i modelli predittivi utilizzati grazie alle tecnologie di analytics e machine learning ci dicono quando potrebbe verificarsi il guasto di una valvola, grazie all’intelligenza artificiale può essere programmato autonomamente un intervento di manutenzione preventiva.

Un aspetto importante dell’applicazione delle tecnologie digitali sopracitate all’interno di una fabbrica, come dicevamo poc’anzi a partire dall’IoT, è la chiusura del loop informativo, ovvero le informazioni vengono raccolte dal campo, storicizzate, analizzate e in qualche modo ritornano al livello fisico sotto forma di azione e/o decisione che ne deriva dalla loro analisi e che essa stessa entra a far parte del patrimonio informativo diventando un elemento di analisi su cui prendere decisioni future, generando in questo modo un processo di apprendimento continuo.

Oltre alle tecnologie sopra citate, vi sono altre tecnologie digitali, sempre fonte di informazioni, ma il cui utilizzo non è concentrato solo sull’analisi delle informazioni generate e raccolte. Parliamo di robotica, manifattura additiva e digital reality.

Robotica, manifattura additiva, digital reality

La robotica, esistente all’interno delle fabbriche oramai da decenni, diventa ora ‘avanzata’ (advanced robotics), ovvero da ‘semplici’ robot, evolvono in avanzati dove una delle caratteristiche più innovative è la collaborazione tra robot.

La manifattura additiva, o stampa 3d, invece, è di recente introduzione e consente la realizzazione di oggetti (componenti, semilavorati o parti di ricambio), generando e sommando strati successivi di materiale, contrariamente a come accade in molte tecniche tradizionali dove si sottrae dal pieno per dare una forma (ad esempio tramite tornitura). Grazie a questa tecnologia è possibile realizzare e stampare oggetti con geometrie complesse altrimenti difficilmente realizzabili in un unico pezzo e abbassare notevolmente i costi di realizzazione delle varianti rispetto a un modello base.

La realtà digitale, in particolare la realtà aumentata (‘augmented reality’, AR), consente di sovrapporre informazioni virtuali alla realtà. Per esempio, tramite un visore o più semplicemente un tablet, è possibile consultare le istruzioni di manutenzione di un componente di una macchina o visualizzare l’operazione da effettuare.

La fabbrica intelligente o connessa come descritta sopra, porta con sé innumerevoli benefici, ma altrettanti rischi che devono essere gestiti e mitigati, primo tra tutti l’esposizione di informazioni raccolte o degli oggetti connessi ad attacchi informatici. In questo senso, una strategia di cyber security, ovvero l’insieme di pratiche che consentono di proteggere gli oggetti connessi e la confidenzialità, integrità e disponibilità delle informazioni dalle minacce rappresenta un pilastro fondamentale della digitalizzazione di una fabbrica.

I principali ambiti di applicazione e alcuni casi d’uso

Abbiamo visto quali siano le principali tecnologie che definiscono una smart factory, cerchiamo ora di descrivere l’utilizzo di alcune di esse all’interno dei principali ambiti di una fabbrica.

L’ambito principale di una fabbrica è senza dubbio la produzione. Già descrivendo l’IoT nel paragrafo precedente, abbiamo visto come in ambito produttivo la connettività delle linee di produzione possa abilitare il calcolo di indicatori di efficienza come l’OEE. Infatti, il rilevamento dei dati di produzione, processo e diagnostici, sono un elemento centrale per il calcolo di alcuni indicatori che permettono, in generale, di aumentare l’efficienza di produzione, ridurre al minimo gli sprechi e il tempo di ciclo di produzione.

Quando si parla di produzione, non è possibile prescindere dalla qualità, sia in termini di controllo qualità in linea sia in laboratorio, e anche in questo ambito la smart factory fa la sua parte. Immaginiamoci di installare alcune telecamere con sistemi di computer vision associati in grado di rilevare il colore del prodotto da forno dopo la fase di cottura e riconoscere quando è oltre soglia e deve quindi considerarsi bruciato e scartato.

Immaginiamoci anche di poter correlare informazioni di qualità del prodotto con dati diagnostici relativi ad una macchina ed evitare lo scarto di una parte di produzione e al contempo anticipare il potenziale guasto o semplicemente abbassamento della performance di una macchina.

Anche l’ambito della manutenzione è sicuramente rilevante all’interno di una fabbrica intelligente. Ridurre i fermi macchina o le inefficienze è possibile grazie all’analisi dei dati diagnostici e l’applicazione di algoritmi di machine learning che abilitano logiche predittive. Pensiamo ancora se l’intervento di manutenzione su quella macchina storica dell’impianto, su cui ha sempre fatto interventi un addetto oramai esperto, potesse essere supportata da realtà aumentata che permette di visualizzare su un tablet, in sovrapposizione alla realtà, quindi inquadrando la macchina, quell’esatto componente sul quale eseguire la manutenzione e l’operazione precisa che deve essere effettuata, a questo punto da qualsiasi operatore.

O ancora, pensiamo come, grazie al monitoraggio dei consumi energetici, per esempio elettrici, sia possibile evitare un mal funzionamento di una macchina anticipando un picco energetico, con il duplice risultato sia di efficienza della macchina sia di efficienza energetica.

Le principali caratteristiche di una smart factory

Siamo partiti dal contestualizzare la smart factory all’interno della ‘digital supply chain’, abbiamo dato una definizione, analizzato alcune delle tecnologie a supporto e viste alcune applicazioni nei principali ambiti. Ma quali sono le principali caratteristiche di una smart factory?

Adottando alcune delle principali tecnologie digitali che possono aiutare a definire una smart factory siamo in grado di raccogliere dati dal livello fisico e dai processi che definiscono le operations di fabbrica e quindi potenzialmente siamo in grado di creare una copia digitale dei nostri oggetti connessi o processi monitorati. Parliamo del cosiddetto ‘digital twin. Le informazioni che raccogliamo, se considerate nel loro insieme, vanno a definire l’immagine digitale, ovvero l’istantanea del nostro oggetto e la ‘storia’ dello stesso, nel nostro caso l’idea può essere estesa alla fabbrica. Grazie ad una smart factory, possiamo immaginare di avere il profilo digitale in evoluzione del comportamento storico e attuale della fabbrica, composta da oggetti (macchine e componenti, impianti, robot, ecc.), processi e persone. La nostra fabbrica così concepita è per natura connessa, ovvero le fabbriche intelligenti richiedono che i processi e gli oggetti sottostanti siano connessi a Internet per generare dati e analizzarli al fine di prendere decisioni in tempo reale o comunque basate su analisi dati.

La connessione della fabbrica in senso ampio, e quindi la possibilità di centralizzare le informazioni raccolte, definisce un’altra caratteristica di una smart factory: la trasparenza. I dati relativi al funzionamento di una fabbrica, dei suoi processi, delle sue componenti e delle persone che vi operano, diventano potenzialmente accessibili ai diversi reparti aziendali, o ad attori se nel contesto di supply chain.

Abbiamo brevemente visto come l’applicazione di machine learning consenta di abilitare logiche predittive, per esempio in ambito di manutenzione, definendo le fabbriche intelligenti proattive: è infatti possibile anticipare l’occorrere di una certa situazione, come ad esempio un guasto macchina, intervenendo in modo, appunto, anticipato.

La trasparenza delle informazioni rende una fabbrica altresì agile consentendo di reagire in modo rapido a fronte di uno scenario inaspettato, come ad esempio la situazione di pandemia in corso. Avere una fabbrica digitalizza e connessa sia in termini di sito produttivo sia in termini di supply chain, ci permette, ad esempio, di prepararci e perfezionare i programmi di produzione in base all’inventario disponibile e alla domanda in evoluzione.

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I vantaggi di una smart factory

I motivi e le modalità in cui le aziende intraprendono un percorso di trasformazione di una fabbrica possono essere molteplici. Tuttavia, a prescindere delle ragioni che guidano la trasformazione e dalle modalità in cui viene eseguita, è possibile identificare alcuni vantaggi cardine.

Monitorando i nostri asset fisici, ma soprattutto analizzandoli costantemente e studiando l’evoluzione degli stessi nel tempo, aumentiamo la loro efficienza. Le nostre macchine, ad esempio, hanno tempi di inattività ridotti, capacità ottimizzata e tempi di sostituzione ridotti, in altre parole, l’efficienza generale degli asset fisici di una smart factory aumenta notevolmente rispetto ad una fabbrica i cui oggetti non vengono monitorati e studiati.

Il monitoraggio della qualità come abbiamo descritto precedentemente, ovvero la previsione delle non conformità, può aiutare ad identificarne le cause, siano esse umane, meccaniche o ambientali e conseguentemente aiuta a ridurre gli scarti ed aumentare l’efficienza di produzione.

Aumentando le efficienze operative diminuiamo proporzionalmente l’impatto ambientale grazie sia alla riduzione delle risorse sprecate sia alla diminuzione dei consumi energetici (per esempio un costante monitoraggio dello stato delle macchine, può aiutare ad evitare picchi di consumi elettrici dovuti da malfunzionamenti).

Infine, la maggior efficienza dei processi si traduce inevitabilmente in riduzione di costi: pensiamo alla diminuzione dei tempi di inattività o efficienza di una macchina, diminuzione delle scorte in magazzino, alla riduzione dei tempi di produzione di un prodotto…

Conclusioni

I vantaggi così descritti, categorizzati in modo da essere applicabili a diversi scenari di smart factory, e le caratteristiche insite di una fabbrica digitale, possono produrre vantaggi collaterali: semplificando, l’agilità e flessibilità di una fabbrica ci consentono di commercializzare più velocemente un prodotto permettendoci di reagire prontamente all’evoluzione della domanda e di acquisire maggiori quote di mercato in tempi potenzialmente più rapidi. Il flusso informativo potenzialmente infinito, ovvero la chiusura del loop informativo come l’abbiamo chiamata, genera un processo di apprendimento continuo e consente di migliorare continuamente il funzionamento di una fabbrica, le sue operazioni, la sua progettazione. Il patrimonio informativo della fabbrica nel suo complesso consente di prendere decisioni accurate, in tempo reale, e permette alle aziende di agire proattivamente a fronte di scenari imprevisti. L’efficienza dei processi che ne deriva, in generale, permette di avere un impatto ambientale nettamente inferiore, aspetto di particolare interesse per il consumatore di oggi, rappresentando una leva di valorizzazione del brand. In altre parole, la digitalizzazione della fabbrica rappresenta oggi una leva fondamentale per mantenere, difendere e guadagnare vantaggio competitivo.

 

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