L’Industria 4.0 è un fenomeno globale di innovazione della manifattura, che non a caso viene riconosciuta come quarta rivoluzione industriale, in linea di continuità con quel progresso continuo iniziato nel lontano Settecento. Grazie ad una serie di tecnologie emergenti, la fabbrica, già in precedenza informatizzata sulla base di un modello improntato sulla produzione di massa, diventa intelligente, flessibile e data-driven, per dare luogo alla produzione personalizzata, ormai indispensabile per sperare di essere competitivi sul mercato.
In questo contesto i dati costituiscono la risorsa principale, da cui estrarre valore per supportare le decisioni e rendere più efficiente una grandissima varietà di processi. Vediamo in cosa consiste l’Industria 4.0, quali sono le ragioni su cui si fonda la sua quarta evoluzione, prima di entrare nel merito delle tecnologie che la abilitano e delle opportunità che le aziende italiane possono sfruttare per diventare davvero 4.0.
Cos’è e come nasce l’Industria 4.0
L’Industria 4.0 deriva dal tedesco Industrie 4.0, iniziativa governativa che la Germania ha adottato nel 2011 per promuovere la fabbrica interconnessa grazie alla convergenza digitale tra i principali processi legati alla produzione. In altri contesti l’Industria 4.0 fa riferimento alla cosiddetta quarta rivoluzione industriale, di cui è diventata in buona sostanza un sinonimo.
Per comprendere il senso del 4.0 è dunque opportuno fare un piccolo passo indietro, per focalizzare in estrema sintesi quelle che sono state le principali fasi evolutive dell’industrializzazione dal Settecento ad oggi. Si tratta di una lunga timeline che ha visto appunto susseguirsi quattro stagioni fondamentali, comunemente identificate quali rivoluzioni industriali.
- · Industria 1.0: dove tutto ebbe inizio, grazie alla macchina a vapore, invenzione che introdusse nei sistemi industriali di allora un nuovo concetto di energia, molto più efficiente rispetto a quelli utilizzati nei secoli precedenti. La prima rivoluzione industriale vede la luce nel 1784, con l’invenzione del primo telaio meccanico.
- · Industria 2.0: occorre attendere circa un secolo per assistere all’introduzione nei processi di fabbrica dell’energia elettrica e del petrolio, che consentono di rivoluzionare radicalmente i ritmi e l’organizzazione del lavoro di fabbrica, dando il via alla lunghissima stagione della produzione di massa. La prima catena di montaggio vede la luce nel 1870 e troverà il proprio principale ispiratore nella figura di Henry Ford, fondatore dell’omonima casa automobilistica americana e leggendario pronunciatore della celebre frase: “C’è vero progresso solo quando i vantaggi di una nuova tecnologia diventano per tutti”, che ha ispirato la missione della produzione di massa e della seconda rivoluzione industriale.
- · Industria 3.0: l’industrializzazione e l’ingresso in produzione dell’informatica e dell’elettronica hanno dato i natali all’Information Technology (IT), innescando la terza rivoluzione industriale, la prima ad impiegare le tecnologie digitali. I processi produttivi vengono ancora una volta totalmente ridisegnati, a partire dal 1969, quando vide la luce il primo controller logico programmabile, indispensabile per automatizzare le linee di produzione. Si tratta del paradigma produttivo di cui l’industria 4.0 rappresenta una sostanziale evoluzione.
- · Industria 4.0: Cos’è quindi l’Industry 4.0? Un concetto, una prassi, un’ideologia? Come si è arrivati fin qui? Nel 2006, James Truchard, CEO di National Instruments, dichiarò che la Industry 4.0 fosse in grado di prevedere sistemi di fabbricazione di basati sulla cyberfisica, dove le fabbriche, grazie ai sensori “intelligenti”, avrebbero controllato tutti i processi produttivi.
A differenza di quanto avviene nell’industria 3.0, la fabbrica intelligente non si limita ad eseguire operazioni automatizzate sulla base di procedure impostate in precedenza. L’intelligenza si traduce nella sua capacità di acquisire, analizzare ed interpretare attivamente i dati. La Smart Factory segue logiche e necessita di tecnologie totalmente nuove, tuttavia capaci di integrarsi con i processi precedentemente attivi. Non esiste un interruttore on/off, ma una storia di continua integrazione.
Le tecnologie della quarta rivoluzione industriale che abilitano l’industria 4.0
La profetica descrizione di Truchard ha iniziato a prendere forma su larga scala qualche anno più tardi, in particolare nel 2011, quando in Germania venne intrapreso il piano Industrie 4.0. La grande industria tedesca fu la prima ad implementare in maniera sistematica il paradigma della quarta rivoluzione industriale, mentre negli Stati Uniti, un anno più tardi, vennero intrapresi i primi progetti di Smart Manufacturing, che si basa tuttora sugli stessi concetti dell’Industria 4.0.
Quali sono i nuovi metodi di produzione e le tecnologie che consentono di dare vita all’Industria 4.0, rendendo davvero intelligente la fabbrica?
Esistono moltissimi elenchi e teorizzazioni, ma per tracciare un quadro sintetico ci rifacciamo alla classificazione svolta dal Boston Consulting Group (BCG), secondo cui i processi dell’Industria 4.0 sono abilitati ed alimentati dalla linfa digitale di nove tecnologie emergenti.
Industrial Internet of Things (IIoT)
Secondo l’analisi di mercato svolta dall’Osservatorio Transizione Industria 4.0 del Politecnico di Milano, nel 2020 il volume d’affari delle tecnologie 4.0 è stato di 4,1 miliardi di euro, di cui il 60% (circa 2,4 miliardi) sarebbe riconducibile all’Industrial Internet of Things.
Secondo la definizione di BCG: “Industria 4.0 significa che più dispositivi sono arricchiti dall’elaborazione che integrano. Questo processo consente ai dispositivi di comunicare e interagire sia tra loro che con i sistemi di controllo centralizzati. L’IoT decentralizza anche l’analisi e il processo decisionale, consentendo così risposte in tempo reale”. La versione industriale di quella che tradizionalmente conosciamo come Internet of Things consente quindi di utilizzare i sensori installati sui dispositivi IoT e le tecnologie di connettività delle architetture Edge per interconnettere la fabbrica e renderla intelligente, generando quella che viene definita la Smart Factory.
Big Data Analytics
I dati sono la materia prima e il carburante della fabbrica intelligente, che li estrae dalle linee di fabbrica. Senza i dati anche i più avanzati sistemi IoT sarebbero del tutto sterili nella loro vocazione. Nel contesto dell’Industria 4.0 i dati vengono acquisiti in enormi quantità direttamente dai dispositivi IoT, che sono in grado di pre-elaborarli per svolgere le funzioni più immediati, e a renderli disponibili per le analisi svolte sui data center centralizzati, on-premise o in cloud.
I Big Data vengono correntemente sottoposti all’analisi della Business Intelligence, della Business Analytics e delle cosiddette tecnologie di Big Data Analytics, che consentono di estrarre valore informativo utile a supportare le decisioni e a rendere più efficienti i processi aziendali. Molto importanti, in questo contesto, sono le applicazioni di Data Visualization, che consentono di richiamare visualmente le informazioni attraverso a dashboard interattive e semplici da utilizzare. Tali sistemi risultano accessibili e fruibili anche da chi non è un data scientist o un data engineer, come nel caso di un manager d’azienda, chiamato ad utilizzare le informazioni per prendere determinate decisioni in maniera più informata.
Additive manufacturing (stampa 3D)
La manifattura additiva consente di rivoluzionare il modo con cui si fabbricano i prodotti. Grazie alle tecnologie di stampa 3D e alla crescente varietà di materiali certificati, è possibile progettare senza vincoli di forma e senza essere soggetti alla necessità di uno stampo o di un sistema di produzione sottrattivo (es. fresatura). Ciò consente di concepire prodotti del tutto innovativi e di non essere limitati a quantitativi minimi di produzione.
La stampa 3d è la tecnologia di produzione che più di ogni altra riesce a concretizzare il concetto di agilità e velocità della fabbrica intelligente, capace di sfruttare in tempo reale i dati di interazione con i clienti per produrre “on demand”, sulla base delle loro esigenze di configurazione. La manifattura additiva è il paradigma della nuova produzione industriale, che consente il passaggio dalla produzione di massa (mass production) alla produzione personalizzata (mass customization).
Advanced manufacturing (robotica autonoma)
Rispetto ai robot di prima generazione, il cui obiettivo era ripetere sempre la stessa operazione, nel modo più veloce e preciso possibile, i robot attuali sono in grado di collaborare in modo decisamente più profondo con il contesto in cui vengono collocati. I cobot (collaborative robot) sono infatti in grado di collaborare tra di loro e con i lavoratori umani, senza mettere a rischio la loro incolumità. Ciò avviene grazie ad una serie di sensori che li informano nel caso in cui si manifestassero pericolose interferenze, attivando immediatamente le procedure di sicurezza previste per evitare l’incidente.
I robot autonomi sono gestiti tramite sistemi di apprendimento automatico (Machine Learning) che consentono alle macchine di interpretare sempre meglio il loro contesto operativo, arrivando ad automatizzare le decisioni funzionali alla loro operatività. La robotica e l’Intelligenza Artificiale costituiscono due tecnologie emergenti cruciali per l’evoluzione della Smart Factory.
Simulazione e Realtà Virtuale
Le simulazioni digitali costituiscono uno degli ambiti dal maggior potenziale nel contesto dell’Industria 4.0, in quanto consentono di elaborare degli scenari predittivi capaci di accelerare e rendere estremamente meno costose le simulazioni rispetto alle metodologie tradizionali.
Nel contesto di fabbrica le simulazioni consentono di avvalersi dei digital twin, modelli 3D che grazie ai sensori installati sulle macchine riescono ad acquisire dati in tempo reale ed interfacciarsi come un vero e proprio specchio digitale dei macchinari e degli impianti fisici. Grazie ai digital twin è possibile avere una visibilità in tempo reale degli impianti, ma non solo. È ad esempio possibile simulare il funzionamento di un impianto ancora da realizzare.
Grazie alle tecnologie di Realtà Virtuale (VR), è inoltre possibile effettuare sessioni di training su impianti virtuali, senza dover interrompere la produzione sulle macchine reali o, anche in questo caso, formare gli addetti all’impiego di impianti che devono ancora essere realizzati. La VR consente inoltre di esercitarsi in totale sicurezza in quelle situazioni che, dal vero, comporterebbero rischi notevoli per il personale e per gli impianti stessi, nel caso in cui venissero eseguite delle procedure in modo errato.
Realtà Aumentata
La Realtà Aumentata (AR) consente una grande varietà di applicazioni nell’ambito dell’Industria 4.0 e rappresenta probabilmente la tecnologia abilitante dotata di maggior potenziale in prospettiva futura. Nella prossima generazione, con l’arrivo di connettività a banda ultra larga ed elevate disponibilità computazionali in cloud, la AR sarà in grado di trasformare la Smart Factory in un vero e proprio metaverso e di connetterla con altri metaversi, in cui le persone potranno ritrovarsi per lavorare in un unico ambiente virtuale collaborativo, a prescindere da dove effettivamente si trovino nel mondo reale.
Oggi la Realtà Aumentata è già piuttosto diffusa in applicazioni semplici quanto utili nell’ambito delle procedure guidate di montaggio e della manutenzione assistita in remoto.
Nel primo caso visori e tablet con applicazioni AR possono sovrapporre istruzioni digitali ai contenuti reali su cui gli addetti sono chiamati ad intervenire, guidandoli passo per passo nell’esecuzione delle procedure. Tale feature consente ad esempio un onboarding molto più semplice ed immediato dei nuovi dipendenti, che non devono per forza essere altamente specializzati, in quanto le istruzioni AR consentono di compensare agevolmente il gap in termini di competenze.
Nel caso dell’assistenza della manutenzione con istruzioni da remoto, l’operatore sul campo impiega visori e tablet AR per condividere il punto di vista con un operatore specializzato da remoto, che lo istruisce in tempo reale sul da farsi. Anche le applicazioni AR per l’assistenza in remoto consentono di visualizzare contenuti digitali in 3D in sovrapposizione al contesto reale.
In entrambi i casi, la Realtà Aumentata consente di rendere molto più efficienti, veloci ed economiche alcuni processi rispetto alle metodologie tradizionalmente impiegate.
Integrazione tra sistemi orizzontali e verticali (IT/OT System Integration)
Grazie ad un’ampia varietà di tecnologie è possibile integrare i sistemi IT con i controller OT delle linee di produzione. Se a prima vista questa system integration potrebbe apparire meno appariscente rispetto ad altre implementazioni tecnologiche nell’ambito dell’Industria 4.0, si tratta di un processo fondamentale per aumentare il livello di controllo e l’automatizzazione data-driven delle macchine attive presso la Smart Factory.
Come già nel 2015 il Boston Consulting Group rilevava come nel contesto dell’industria tradizionale, anche qualora vi fossero già diverse applicazioni digitali, la maggior parte dei sistemi IT non sono completamente integrati. Aziende, fornitori e clienti sono raramente connessi da piattaforme condivise, per vi è una visibilità limitata nella supply chain. All’interno dell’azienda stessa, anche i dipartimenti come l’ingegneria, la produzione e l’assistenza tendono a lavorare per compartimenti stagni, creando molto spesso dei data silos. Dall’ufficio all’officina si lavora in modo disconnesso, se non per via di qualche sporadica iniziativa. Anche l’ingegneria stessa, dai prodotti agli impianti all’automazione, manca spesso di una completa integrazione. Ma con l’Industria 4.0, le varie linee di business di un’azienda e i suoi fornitori iniziano ad implementare piattaforme condivise, e pertanto a diventare molto più coesi, man mano che le reti di integrazione dei dati abilitano catene del valore veramente automatizzate.
Cloud Computing
Il cloud computing è fondamentale per condividere e implementare processi avanzati di analisi dei dati, in quanto costituisce la linea di continuità con l’Edge Computing su cui si basa il funzionamento di base dei sistemi IoT. Il cloud consente di abilitare una enorme quantità di processi, anche grazie ad una serie di implementazioni tecnologiche che richiedono grandi risorse a livello computazionale, si pensi all’Intelligenza Artificiale o alla blockchain. Un modello di architettura IT che vedrà una crescente diffusione nei prossimi anni è il cloud-to-edge, che consentirà di ridurre progressivamente le latenze che in questo momento rende praticamente impossibile l’utilizzo del cloud in prossimità dell’origine dei dati.
Cybersecurity
L’IIoT comporta tanti dispositivi interconnessi e connessi alla rete internet, con il consistente aumento della superficie d’attacco a disposizione dei criminali informatici, che possono facilmente individuare una vulnerabilità sia a livello IT che a livello OT per penetrare il perimetro di sicurezza delle aziende. Cyberspie e cybercriminali costituiscono una minaccia ormai costante e diffusa, al punto da richiedere importanti investimenti per proteggere i propri sistemi informatici.
I dati rappresentano infatti la principale risorsa dell’azienda digitale e questo vale ancor più in un contesto come l’Industria 4.0, in cui se ne dispone in enormi quantità. Un furto di dati o la loro compromissione tramite un ransomware può infatti comportare un danno addirittura fatale per le sorti di un business, in quanto può bloccare le linee di produzione, comportare il furto di segreti industriali o di informazioni strategiche vitali per l’azienda, un suo cliente o un suo fornitore.
Gli esempi applicativi delle tecnologie per Smart Manufacturing e Smart Factory
In merito alla grande diffusione dell’Industrial Internet of Things, abbiamo anticipato come la fabbrica intelligente abbia totalizzato, nel 2020, un controvalore pari a circa 4.1 miliardi di euro. Un incremento dell’8% rispetto al 2019, per certi versi frenato dalla pandemia, che non è tuttavia riuscita ad invertire un ciclo di crescita costante ormai da diversi anni, anche in virtù del fatto che stiamo parlando di una disciplina relativamente giovane.
Secondo le stime dell’Osservatorio Transizione Industria 4.0, oltre all’IIoT, che domina la scena con il suo 60% di fatturato, vi sono altre tecnologie che stanno dando un notevole contributo alla crescita della Smart Factory, in particolare il comparto dell’Industrial Analytics, fondato sull’analisi dei dati, che rappresenterebbe il 17% del mercato (circa 685 milioni di euro), il Cloud Manufacturing (8% per 390 milioni), l’Advanced Automation (5% per 215 milioni), l’Additive Manufacturing (2% per 91 milioni) e l’Advanced HMI (1% per 57 milioni). Vi sarebbe inoltre un fiorente mercato per i servizi di consulenza e formazione nell’ambito delle nuove competenze richieste per il funzionamento della fabbrica intelligente, per cui l’Osservatorio stima un 7% sul fatturato totale annuo, pari a circa 275 milioni di euro.
L’Osservatorio Industria 4.0 del Politecnico di Milano ha inoltre definito tre ambiti in cui le tecnologie emergenti stanno variando lo scenario tradizionale della fabbrica, per implementare in maniera sempre più consistente il modello produttivo dello Smart Manufacturing:
- · Smart LifeCycle Management: il ciclo di sviluppo di un prodotto, ivi compresa la gestione del suo ciclo di vita;
- · Smart Supply Chain: pianificazione e gestione dei flussi relativi al sistema produttivo e al sistema logistico, per quanto riguarda le merci e le finanze generali;
- · Smart Factory: infrastrutture e servizi per produzione, logistica, manutenzione, controllo qualità, sicurezza e compliance con le normative vigenti, dagli aspetti strumentali della filiera a quelli relativi alla governance.
In merito alla Smart Factory, BCG, oltre a definire le nove tecnologie abilitanti per l’Industria 4.0, identifica a sua volta tre livelli che ne offrono una visione complessiva:
- · Smart Production: la fabbrica interconnessa a livello di linee di produzione, con la convergenza IT/OT alla base del paradigma dell’Industria 4.0;
- · Smart Services: il livello della governance, grazie a quelle applicazioni capaci di gestire i sistemi di produzione in funzione della massima integrazione possibile nella definizione e nell’esecuzione della supply chain;
- · Smart Energy: l’attenzione per un’industria più sostenibile passa per il controllo dei consumi energetici, in virtù di ridurre i costi di esercizio ed attuare una strategia di miglioramento continuo per rendere le infrastrutture di fabbrica più performanti ed ecologiche.
Transizione 4.0, i nuovi piani per la ripresa dell’Italia
Il PNRR (Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza) comprende ed estende la copertura finanziaria del Piano Transizione 4.0, erede diretto di quel Piano Nazionale Industria 4.0 con cui il governo italiano nel 2017 aveva timidamente iniziato ad imitare una realtà come quella tedesca, attivatasi già nel 2011 con volumi di risorse ben più ambiziosi. L’iniziativa del Mise (Ministero dello Sviluppo Economico) ha riscosso un successo sicuramente superiore rispetto alle aspettative iniziali, al punto che il Governo ha iniziato a lavorare su una misura più importante, formalizzando il Piano Transizione 4.0.
Dopo la pandemia Covid-19, il Piano Transizione 4.0 è stato inserito all’interno delle misure previste dal PNRR, con una copertura di 18,45 miliardi di euro, disponibili per le imprese sotto forma di un credito di imposta, le cui aliquote dipendono dalla tipologia di intervento e dalle somme investite entro alcune soglie massimali.
Le misure previste dal Piano Transizione 4.0 consentono alle aziende di investire in beni materiali e immateriali, definiti genericamente beni 4.0, oltre ad effettuare investimenti sulle attività di formazione, ricerca e sviluppo.
Nel momento in cui scriviamo il Piano Transizione 4.0 ha una durata biennale per il 2021 e il 2022, anche se il periodo da cui è possibile computare gli investimenti sostenuti è stato anticipato al novembre 2020. La Legge di Bilancio 2022 dovrebbe estendere la validità del Piano Transizione 4.0 fino al 2025 (alcune misure di sostegno dovrebbero essere confermata anche per il 2023, per poi essere estese, con differenti modalità, fino al 2025).
Il Piano Transizione 4.0 è soltanto una delle opportunità che le aziende potranno sfruttare per supportare i processi di trasformazione digitale e transizione tecnologica nell’orbita quinquennale del PNRR. I bandi pubblici per la modernizzazione della PA e gli importanti investimenti previsti tra l’altro per settori quali sanità, agricoltura, turismo, cultura consentono alle aziende italiane, in particolare modo alle PMI, di mettere immediatamente in pratica e monetizzare i servizi e le soluzioni implementate grazie alla transizione tecnologica in atto.
Categoria: ANALYTICS
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