Una guida pratica per i produttori che intendono pianificare l'automazione industriale, la modernizzazione o l'integrazione dei sistemi di impianto senza aumentare la complessità operativa.
Harsh Joshi
Co-founder & Technical Director
I produttori raramente hanno bisogno dell'automazione fine a se stessa. Hanno bisogno di una maggiore produttività, di un minor numero di fermi macchina, di una qualità più costante, di una maggiore sicurezza o della possibilità di aumentare la produzione senza aumentare il livello di complessità operativa.
Ciò rende le soluzioni di automazione industriale una scelta ingegneristica, non un semplice acquisto di attrezzature. I programmi più efficaci partono dal vincolo più costoso dell’impianto, per poi integrare l’ingegneria di processo, i sistemi meccanici, i controlli, i dati di produzione e i flussi di lavoro degli operatori, il tutto orientato al raggiungimento di un risultato misurabile.
Questa guida spiega come pianificare tali lavori, sia che si tratti di realizzare una nuova linea di produzione, di ammodernare un impianto esistente o di collegare sistemi di impianto sviluppatisi in fasi successive.
Quali aspetti dell'automazione industriale andrebbero migliorati per primi
Prima di scegliere un robot, un PLC, un sensore o una piattaforma software per la produzione, è necessario definire il problema operativo in termini misurabili.
Una pianta potrebbe cercare di:
- Aumentare la produttività su una linea con capacità limitata
- Ridurre i tempi di inattività non programmati
- Migliorare la resa al primo passaggio e l'uniformità del prodotto
- Eliminare le attività manuali ripetitive o pericolose
- Migliorare la visibilità sulla produzione in tutti i turni
- Aumentare la capacità senza costruire un impianto completamente nuovo
- Migliorare la tracciabilità per soddisfare i requisiti di qualità o normativi
- Collegare i dati di produzione con i sistemi di pianificazione, manutenzione o aziendali
La priorità è fondamentale perché problemi diversi richiedono soluzioni ingegneristiche diverse. Un problema di produttività potrebbe richiedere il bilanciamento della linea o una riprogettazione del flusso dei materiali. Un problema di tempi di fermo potrebbe richiedere una diagnostica più accurata, l’integrazione dei controlli, dati di manutenzione o miglioramenti meccanici. Un problema di qualità potrebbe richiedere la visione artificiale, un controllo di processo più rigoroso o un approccio di convalida diverso.
Il miglior programma di automazione parte dal collo di bottiglia che comporta il costo aziendale più evidente.
La nuova automazione e la modernizzazione sono programmi distinti
Un progetto di automazione ex novo offre maggiore libertà. Il team di ingegneri può definire insieme la disposizione, le utenze, l’architettura di controllo, il modello di dati, l’approccio alla sicurezza e l’esperienza dell’operatore.
Un progetto di modernizzazione o di adeguamento parte sempre dai vincoli. Le macchine esistenti, i PLC, le reti, i sistemi di sicurezza, i programmi di produzione e le soluzioni alternative non documentate influenzano tutti la progettazione. L’obiettivo, di solito, non è quello di sostituire tutto, ma di migliorare le prestazioni garantendo al contempo la continuità della produzione.
Questa distinzione cambia le prime domande che dovresti porre:
| Tipo di programma | Domanda di ingegneria di base | Rischio principale |
|---|---|---|
| Nuova linea o impianto | Quale architettura supporterà il processo di destinazione? | Progettare un sistema che funzioni in teoria ma che sia difficile da mettere in servizio o da gestire |
| Adeguamento o ammodernamento | Cosa si può migliorare senza compromettere il funzionamento attuale? | Collegare le nuove tecnologie alle apparecchiature esistenti senza creare interfacce instabili |
| Integrazione tra impianto e sistema | In che modo i dati e le decisioni dovrebbero passare da un sistema all'altro? | Creare dashboard che mostrano l'attività ma non migliorano l'azione |
I cinque livelli ingegneristici di un’automazione affidabile
L'automazione industriale diventa complessa quando ogni livello viene progettato in modo isolato. Una soluzione affidabile collega i cinque livelli fin dall'inizio.
Ingegneria di processo
L'ingegneria di processo definisce il modo in cui il lavoro deve svolgersi all'interno dello stabilimento. Comprende la sequenza delle operazioni, i tempi di takt o i tempi di ciclo previsti, il flusso dei materiali, i punti di controllo della qualità, le mansioni degli operatori e i vincoli di produzione.
Senza questo livello, l’automazione può semplicemente accelerare un processo inefficiente. L’impianto potrebbe generare una maggiore quantità di lavoro in corso, spostare i colli di bottiglia a valle o creare nuovi problemi di ispezione e manutenzione.
Inizia mappando il processo attuale e individuando i punti in cui si accumulano tempi, variazioni, rilavorazioni e tempi di attesa.
Ingegneria meccanica
L'ingegneria meccanica determina le prestazioni di macchine, attrezzature fisse, utensili, nastri trasportatori, involucri e sistemi di movimentazione dei materiali in un contesto reale.
La progettazione deve tenere conto dell'accessibilità, della facilità di manutenzione, delle tolleranze, dell'ergonomia, della sicurezza, delle vibrazioni, delle condizioni ambientali e delle modalità di interazione degli operatori con le apparecchiature. Le scelte di natura meccanica influiscono inoltre sull'affidabilità di sensori, attuatori, sistemi robotici e sistemi di ispezione.
È proprio qui che la progettazione del prodotto e la preparazione alla produzione possono collegarsi direttamente alla progettazione dell'impianto. Una macchina o un sistema di produzione è più facile da automatizzare quando il suo progetto fisico favorisce un funzionamento e una manutenzione ripetibili.
Tecnica di controllo e automazione
L'ingegneria dei controlli traduce il processo in un comportamento coordinato delle macchine. Ciò comprende la logica dei PLC, le interfacce uomo-macchina, gli azionamenti, i sistemi di sicurezza, la sequenzializzazione, gli allarmi, gli interblocchi e la comunicazione tra le apparecchiature.
Un programma di controllo dovrebbe essere concepito non solo per la messa in servizio iniziale, ma anche per supportare la risoluzione dei problemi, il controllo delle versioni, le modifiche future e il trasferimento delle conoscenze al personale dell'impianto.
L'ingegneria moderna delle linee di produzione integra sempre più l'automazione e la digitalizzazione. Siemens descrive questa convergenza come un modo per collegare la tecnologia operativa, la tecnologia dell'informazione, i processi, i sistemi e i dati lungo l'intero ciclo di vita di una linea di produzione. Le sue linee guida sottolineano inoltre l'importanza della simulazione e della messa in servizio virtuale come strumenti per testare la logica di automazione prima dell'installazione. Per ulteriori dettagli, consultare le linee guida di Siemens sull'ingegneria delle linee di produzione.
Ingegneria dei dati e del software
L'automazione genera dati, ma i dati di per sé non creano valore operativo. Lo stabilimento ha bisogno di un modello chiaro che definisca quali dati raccogliere, dove archiviarli, come interpretarli e quale decisione debbano contribuire a migliorare.
Tra i sistemi interessati possono figurare sistemi di archiviazione dei dati di produzione, sistemi di esecuzione della produzione, piattaforme IoT industriali, sistemi di gestione della qualità, applicazioni di manutenzione, strumenti di analisi e software aziendale. L'integrazione dovrebbe rendere più comprensibili le condizioni di produzione, non creare l'ennesimo dashboard scollegato dal contesto.
Rockwell Automation descrive i sistemi di esecuzione della produzione (MES) come un ponte tra IT e OT, in grado di fornire alle organizzazioni visibilità sui risultati di produzione, sui sistemi di controllo, sulle istruzioni di lavoro e sulle risorse dello stabilimento. La sua panoramica sui MES costituisce un utile riferimento per valutare in che modo i dati dello stabilimento debbano integrarsi con le decisioni aziendali.
Per una sfida correlata ai dati di produzione, consulta la guida di Monarch Innovation sull’automazione delle distinte base (BOM) nel settore manifatturiero, che spiega come la sincronizzazione dei dati dei componenti possa migliorare il coordinamento tra i reparti di progettazione, approvvigionamento e produzione.
I servizi di ingegneria digitale di Monarch Innovation estendono questo ambito all’architettura software, all’ingegneria dei dati, all’intelligenza artificiale, al cloud, al DevOps e alla sicurezza. Questa combinazione risulta fondamentale quando un programma di modernizzazione di un impianto richiede di collegare le operazioni fisiche a sistemi digitali scalabili.
Operazioni e risorse umane
L'ultimo livello è il modello operativo. Le persone devono essere in grado di comprendere, utilizzare, mantenere e migliorare il sistema anche dopo che il team di progetto se ne sarà andato.
Ciò comprende:
- Flussi di lavoro e istruzioni chiari per gli operatori
- Progettazione pratica degli allarmi
- Accesso per la manutenzione e la diagnostica
- Formazione e trasferimento delle conoscenze
- Definizione della titolarità dei dati e delle modifiche al sistema
- Percorsi di escalation per problemi relativi a qualità, sicurezza e produzione
- Un processo per verificare se l'automazione abbia prodotto il risultato previsto
Un sistema tecnicamente avanzato di cui gli operatori non si fidano o che i team di manutenzione non riescono a diagnosticare non è un sistema di automazione di successo.
Come valutare le apparecchiature esistenti prima dell'integrazione
Le apparecchiature obsolete non rappresentano automaticamente un problema. Il primo passo è comprenderne lo stato e le interfacce.
Recensione:
- Hardware e software di controllo: identificare le famiglie di PLC, le versioni del firmware, gli ambienti di programmazione e la documentazione disponibile.
- Interfacce di comunicazione: mappatura dei protocolli industriali, della topologia di rete, dei gateway e dei dati accessibili in modo affidabile.
- Condizioni della macchina: valutare l'usura meccanica, l'affidabilità dei sensori, i sistemi di sicurezza e le modalità di guasto ricorrenti.
- Qualità dei dati: verificare che i tag siano denominati in modo coerente, che i timestamp siano affidabili e che gli stati di produzione siano interpretabili.
- Dipendenze operative: documentare le soluzioni alternative manuali, le impostazioni non documentate e le prassi specifiche di ogni turno.
- Sicurezza e conformità: verificare che le modifiche garantiscano il mantenimento delle funzioni di sicurezza richieste e il rispetto delle norme applicabili.
- Requisiti di cambio formato: comprendere come la linea gestisce i nuovi prodotti, le ricette, gli utensili e i programmi di produzione.
Questa valutazione fornisce una base fattuale per decidere cosa mantenere, cosa collegare, cosa riprogettare e cosa sostituire.
Il ruolo della robotica, della visione artificiale e dell’IoT industriale
Queste tecnologie sono utili quando colmano una lacuna specifica a livello di processo o di informazioni.
- La robotica può migliorare la ripetibilità, la movimentazione dei materiali, l'ergonomia e la durata del ciclo per le attività adatte.
- La visione artificiale può supportare le operazioni di ispezione, posizionamento, misurazione e tracciabilità quando l'illuminazione, la qualità dell'immagine e i criteri di accettazione sono controllati.
- L'IoT industriale consente di collegare macchine e sensori a sistemi di monitoraggio, manutenzione, analisi e produzione.
- I gemelli digitali e la simulazione possono aiutare i team a testare layout, sequenze e comportamenti dei sistemi di automazione prima della messa in servizio fisica.
- L'intelligenza artificiale e l'analisi predittiva sono in grado di individuare modelli ricorrenti nei dati relativi alla produzione o alle risorse, ma richiedono dati affidabili e una risposta operativa chiara.
La tecnologia dovrebbe adeguarsi alle esigenze di processo. Introdurre una nuova tecnologia solo perché è disponibile è un modo comune per aumentare i costi senza migliorare le prestazioni dell'impianto.
Un percorso verso la modernizzazione dello stabilimento basato su tappe fondamentali
Un programma pratico di automazione industriale si articola solitamente nelle seguenti fasi:
Individuazione e situazione di partenza
Definire il problema operativo, le prestazioni attuali, i vincoli, le parti interessate e gli indicatori di successo. Raccogliere dati di riferimento sufficienti per confrontare lo stato futuro con quello attuale.
Valutazione dei processi e dei sistemi
Mappare il processo, le attrezzature, i controlli, i flussi di dati, i requisiti di sicurezza e i flussi di lavoro degli operatori. Identificare le dipendenze che potrebbero influire sulla continuità della produzione.
Analisi dell'architettura di riferimento e studi di mercato
Confrontare le opzioni di implementazione. Decidere cosa debba essere automatizzato, integrato, riprogettato o lasciato invariato. Valutare i costi, i rischi, la manutenibilità, la scalabilità e il tempo necessario per ottenere valore.
Progettazione tecnica dettagliata
Sviluppare la progettazione meccanica, l'architettura dei sistemi di controllo, il modello di rete e dei dati, le interfacce software, l'approccio alla sicurezza, il piano di collaudo e la sequenza di implementazione.
Simulazione, prototipazione e validazione
Verificate le ipotesi che presentano il rischio maggiore prima dell’implementazione completa. Ove possibile, ricorrete a simulazioni, prototipi funzionali, modelli digitali o collaudi graduali per ridurre gli imprevisti in produzione.
Installazione e messa in servizio
Attuare l’implementazione in fasi controllate, con chiari piani di rollback, formazione degli operatori, documentazione e criteri di accettazione.
Supporto e miglioramento della produzione
Misurare i risultati, risolvere i problemi, ottimizzare il sistema e individuare la prossima opportunità di miglioramento. Il programma dovrebbe lasciare allo stabilimento una base operativa sostenibile, non solo un’installazione completata.
Errori comuni nell'automazione che aumentano la complessità
Partire dalle attrezzature anziché dal collo di bottiglia
Un approccio che dia priorità alle apparecchiature può portare alla realizzazione di un sistema tecnicamente all’avanguardia, ma che non risolva il vincolo più oneroso dell’impianto.
Considerare l’integrazione come una fase finale
I requisiti relativi ai controlli, agli aspetti meccanici, ai dati, alla sicurezza e agli operatori dovrebbero determinare l’architettura sin dalle prime fasi. L’integrazione aggiunta in un secondo momento comporta solitamente un maggiore carico di lavoro.
Sostituire i sistemi obsoleti senza valutarli
Alcuni sistemi esistenti sono affidabili e possono essere integrati o migliorati. La loro sostituzione dovrebbe basarsi su dati concreti, non solo sull’età.
Creazione di dashboard senza decisioni
Ogni dato rilevante dovrebbe portare a un'azione ben definita, come ad esempio l'adeguamento di un processo, la pianificazione di interventi di manutenzione, l'analisi delle variazioni di qualità o la modifica di un piano di produzione.
Sottovalutare il trasferimento di conoscenze
Un team di impianto deve comprendere come si comporta il sistema, come risolvere i problemi e come gestire i cambiamenti futuri. La documentazione e la formazione fanno parte dei risultati attesi dall'attività di ingegneria.
Misurare il completamento anziché il risultato
Un progetto può essere consegnato nei tempi previsti e tuttavia non raggiungere il proprio obiettivo operativo. È necessario definire indicatori quali il tempo di ciclo, i tempi di fermo, la resa al primo passaggio, i tempi di cambio formato, il consumo energetico o i tempi di intervento di manutenzione prima dell’inizio dei lavori.
Come scegliere un partner nel settore dell'ingegneria dell'automazione industriale
Cercate un partner in grado di affrontare il problema ingegneristico nella sua interezza, non solo di fornire una singola componente tecnica.
Chiedi:
- Il team è in grado di valutare contemporaneamente i requisiti relativi ai processi, agli aspetti meccanici, ai controlli, ai dati e alle operazioni?
- È compatibile con le apparecchiature e gli stack tecnologici esistenti?
- In che modo vengono documentati le tappe fondamentali, i rischi, le decisioni progettuali e i criteri di accettazione?
- Cosa succede dopo la messa in servizio?
- Il team è in grado di soddisfare sia le esigenze relative all'ingegneria impiantistica che quelle relative all'ingegneria digitale?
- In che modo questo impegno garantirà la continuità della produzione e la conservazione delle competenze operative?
- Il partner ha esperienza in settori in cui l'affidabilità, la sicurezza e la conformità sono fondamentali?
Monarch Innovation basa il proprio modello globale di fornitura di servizi di ingegneria su un approccio interfunzionale, su una consegna basata su tappe fondamentali e su un supporto che accompagna l'intero ciclo di vita del prodotto e dell'impianto. La soluzione più adatta dipende comunque dai processi specifici dell'impianto, dai sistemi, dai vincoli e dai risultati richiesti.
Conclusione finale
Le soluzioni di automazione industriale creano valore duraturo quando semplificano il problema operativo più importante di un impianto. Il lavoro dovrebbe partire dal collo di bottiglia, integrare le discipline di processo e di ingegneria, rispettare la realtà dei sistemi esistenti e fornire agli operatori e ai team di manutenzione una base su cui poter contare anche dopo la messa in servizio.
Per i produttori, la questione concreta non è se l’automazione sia sufficientemente moderna, bensì se il sistema proposto renderà la produzione più affidabile, trasparente, facile da gestire e adattabile.
Se state valutando un programma di automazione industriale, di ammodernamento di un impianto o di integrazione dei sistemi di produzione, discutete le sfide ingegneristiche con il team di Monarch Innovation e definite la prossima tappa fondamentale prima di scegliere la tecnologia.
Domande frequenti sulle soluzioni di automazione industriale
In che modo l'automazione industriale può migliorare l'efficienza degli stabilimenti?
L'automazione industriale può migliorare l'efficienza degli stabilimenti aumentando la produttività, riducendo i tempi di fermo non programmati, migliorando l'uniformità dei processi, eliminando le attività manuali ripetitive e offrendo ai team una maggiore visibilità sulla produzione. La soluzione più adatta dipende dal punto di strozzatura specifico dello stabilimento. Il bilanciamento delle linee, i miglioramenti ai sistemi di controllo, la visione artificiale, la robotica, i dati di manutenzione e la riprogettazione dei processi possono ciascuno risolvere un diverso problema di efficienza.
In che modo un produttore dovrebbe pianificare un progetto di automazione industriale?
Iniziare definendo il problema operativo e stabilendo una linea di riferimento. Valutare quindi il processo attuale, le attrezzature, i controlli, i dati, i requisiti di sicurezza e i flussi di lavoro degli operatori. Utilizzare questa valutazione per definire l’architettura di riferimento, confrontare le opzioni di implementazione, sviluppare il progetto tecnico dettagliato, convalidare le ipotesi ad alto rischio e procedere all’implementazione in fasi controllate con chiari criteri di accettazione.
L'automazione industriale può integrarsi con i sistemi impiantistici esistenti?
Sì. Molti programmi di ammodernamento sono concepiti per collegare o migliorare le apparecchiature esistenti piuttosto che sostituire l'intero impianto. Prima dell'integrazione, è opportuno esaminare l'hardware dei sistemi di controllo, le versioni del software, le interfacce di comunicazione, le condizioni delle macchine, la qualità dei dati, i sistemi di sicurezza e le soluzioni alternative non documentate. Ciò aiuta a determinare cosa debba essere mantenuto, collegato, riprogettato o sostituito.
In che modo l’automazione può contribuire a ridurre i tempi di fermo nella produzione?
L'automazione può ridurre i tempi di fermo migliorando la diagnostica delle apparecchiature, monitorando le condizioni operative, individuando modelli ricorrenti di guasti, standardizzando i processi e rendendo più agevole l'attuazione delle informazioni relative alla manutenzione. Il sistema dovrebbe collegare i dati relativi ai tempi di fermo a una risposta definita, come l'analisi delle cause alla radice, la pianificazione della manutenzione o l'adeguamento dei processi.
Quali aspetti dovrebbero prendere in considerazione i produttori nella scelta di un partner per l'automazione industriale?
Cercate un partner in grado di valutare in modo integrato i requisiti relativi a processi, aspetti meccanici, sistemi di controllo, dati, sicurezza e operazioni. Chiedete in che modo il partner gestisce le tappe fondamentali, la continuità produttiva, i test, la documentazione, la formazione degli operatori, la sicurezza informatica e l’assistenza post-messa in servizio. Un partner dovrebbe essere in grado di integrarsi con la vostra infrastruttura tecnologica esistente e spiegare in che modo la soluzione proposta migliorerà i risultati aziendali in modo misurabile.
In che modo l’intelligenza artificiale e i dati supportano l’automazione industriale?
L'intelligenza artificiale e i dati di produzione possono supportare la manutenzione predittiva, l'analisi della qualità, l'individuazione delle cause alla radice, il monitoraggio della produzione e le decisioni adattive relative ai processi. Tuttavia, lo stabilimento necessita di dati affidabili, di un contesto operativo chiaro e di un'azione concordata per ogni segnale significativo. L'intelligenza artificiale dovrebbe essere collegata a una decisione operativa ben definita, non aggiunta come una semplice dimostrazione tecnologica scollegata dal contesto.
