Automazione industriale

Cyber-physical System (CPS)

Che cos’è un Cyber Physical System?

I Cyber Physical System, o CPS, sono il risultato dell’integrazione di processi computazionali, di rete e fisici: sono quindi la combinazione di sistemi diversi e di differente natura, il cui scopo principale è quello di controllare un processo fisico e, attraverso il feedback, adattarsi alle nuove condizioni in tempo reale.

I CPS stanno trasformando il modo in cui gli esseri umani interagiscono con i sistemi ingegnerizzati, così come Internet ha trasformato il modo in cui le persone interagiscono con le informazioni.

Gli esseri umani rimarranno cruciali in questo scenario: in quanto “entità” più flessibile e intelligente, l’uomo assumerà infatti il ruolo di supervisore di livello superiore, controllando il funzionamento dei processi, per lo più automatizzati e auto-organizzati.

Un CPS, essendo composto da molti elementi eterogenei, richiede modelli complessi per definire ogni sottosistema ed il suo comportamento.

Le interazioni dinamiche tra i sottosistemi sono poi orchestrate da un modello globale: un’entità di controllo che assicura un comportamento deterministico di ogni sottosistema.

Gli attuali strumenti di progettazione devono quindi essere aggiornati per considerare le interazioni tra i vari sottosistemi, le loro interfacce e le astrazioni.

Le prestazioni della comunicazione in termini di latenza, larghezza di banda e affidabilità hanno un impatto notevole sulle interazioni dinamiche tra i sottosistemi. Per una rete wireless, fattori come la posizione del dispositivo, le condizioni di propagazione e il carico di traffico cambiano nel tempo.

Ciò significa che anche la rete di comunicazione deve essere integrata come uno dei modelli del CPS complessivo.

Il tempo necessario per eseguire un compito di controllo può essere critico per consentire il corretto funzionamento del sistema. I processi fisici sono infatti composti da diversi elementi che si verificano in parallelo. Un modello temporale, che è coerente con le realtà della misurazione del tempo e della sincronizzazione temporale, deve essere standardizzato in tutti i modelli.

In futuro, i CPS saranno presenti in tutti i settori industriali e, nell’ambito del paradigma Industry 4.0, permetteranno l’ingresso di nuove metodologie di produzione, diventando lo standard del domani per l’industria. Gli ambienti di produzione saranno in grado di configurarsi, regolarsi e ottimizzarsi in maniera autonoma, con un conseguente aumento di agilità, flessibilità ed economicità.

CPS e impianti di produzione: la fabbrica del futuro

Possiamo immaginare la fabbrica del futuro come un CPS, o un insieme di CPS tra loro interconnessi, dove i lavoratori altamente qualificati otterranno una visione delle operazioni direttamente da macchine intelligenti coordinate tra loro e da un’entità di controllo centrale.

La fabbrica sarà iper-collegata e presenterà un alta densità di dati, basata su una rete 5G al 100% sicura, di livello industriale.

Ogni aspetto funzionale della catena di produzione sarà quindi influenzato, dalla progettazione alla produzione, passando per le catene di fornitura, fino all’assistenza e al supporto al cliente.
Ovviamente il ritmo e l’approccio con cui le aziende adotteranno la trasformazione digitale varierà.

Fasi per l’implementazione

Tuttavia, il percorso di implementazione, passo dopo passo, verso l’intero paradigma Industry 4.0, è unico e ben definito. In particolar modo, possiamo individuare sei fasi, ciascuna delle quali basata sulla precedente:

  • Computerizzazione
  • Connettività
  • Visibilità
  • Trasparenza
  • Prevedibilità
  • Adattabilità

In questo percorso, i primi due passi sono la computerizzazione e la connettività. In queste prime fasi non è ancora stata raggiunta una completa integrazione dei processi di calcolo, di rete e fisici. Nel terzo stadio, attraverso l’uso di sensori e modelli digitali, la visibilità delle registrazioni e dei processi tecnologici viene raggiunta in tempo reale.

In seguito, attraverso l’uso dei modelli digitali, le industrie diventano in grado di raggiungere la quarta fase, quella della trasparenza. Qui diventa importante la “distillazione” e l’interpretazione dei dati, attraverso analisi complete a tutti i livelli.

La capacità previsionale e la prevedibilità formano il quinto step. Si tratta di creare diversi scenari, di stimare le loro probabilità di accadimento e di essere pronti alle possibili conseguenze.

L’Industry 4.0, tuttavia, sarà pienamente implementata con il raggiungimento del sesto e ultimo stadio: l’adattabilità. Si tratta di adottare automaticamente misure di adeguamento senza ritardi e, se necessario, senza intervento umano.

Per affrontare tutto ciò, la ricerca e lo sviluppo in settori quali reti radio, cloud e intelligenza delle macchine saranno fondamentali per realizzare appieno il potenziale dei CPS.

L’evoluzione dell’industria e l’automazione industriale: le sfide

Per poter sfruttare a pieno i vantaggi ed il potenziale dei CPS e la loro applicazione all’industria, sarà necessario superare alcune sfide e soddisfare una serie di requisiti. Tra questi, per esempio, troviamo:

  • Reti wireless degli impianti: queste dovranno soddisfare prestazioni radio rigide, assicurando un’elevata affidabilità, disponibilità e sicurezza.
  • Sensori wireless: vari tipi di sensori – di pressione, temperatura, vibrazione ma anche telecamere -, rigorosamente wireless, ovvero senza fili, dovranno essere presenti e ben funzionanti, poiché fondamentali per informare i sistemi esperti, permettendo loro di determinare cosa sta accadendo in tempo reale, prevedere problemi futuri e prevenire guasti e malfunzionamenti.
  • Centralizzazione e virtualizzazione dei controller: i controller dovranno essere centralizzati e virtualizzati a tutti i livelli (impianto, linee di produzione, celle robotizzate di lavoro, singoli robot, attuatori). Questo è l’unico modo, infatti, per garantire l’adattabilità.
  • Coordinazione degli AGV (Automated Guided Vehicle): ovvero l’implementazione del controllo remoto degli AGV per ottenere veri e propri sciami di AGV coordinati in grado di realizzare lo stesso compito.

Come possiamo osservare da questi brevi esempi, per poter garantire la totale autonomia – pur sempre supervisionata da esseri umani – delle fabbriche del futuro, processi fisici, computazionali e di rete dovranno quindi essere ben orchestrati, in modo da poter rispondere rapidamente ed in maniera efficace alle mutevoli richieste del mondo esterno.