Frosolini Tecnologie Abilitanti 40 - unipi.it

Industria 4.0Tecnologie abilitanti

Identificare, tracciare, integrare

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Sommario

• Strumenti 4.0

• Sistemi RFID

• Scenari e sviluppi futuri

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Strumenti 4.0

• L’Industria 4.0 combina una ampia gamma di strumenti e metodologie, in larga misura già conosciute

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Strumenti 4.0

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Strumenti 4.0

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Industria 4.0 significa essenzialmente l'integrazione tecnica

del CPS (Cyber-Physical System) nella produzione e nella

logistica, così come l'applicazione dell’Internet delle Cose e

dei Servizi nei processi industriali, incluse le conseguenze

che ne derivano per la creazione di valore, i modelli di

business e, a valle, per la fornitura di servizi e

l’organizzazione del lavoro

Strumenti 4.0

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Strumenti 4.0

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Strumenti 4.0

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Strumenti 4.0

• Alcuni esempi importanti di progetti pilota sono già in essere da alcuni anni

Fabbriche automatizzate

Robotica collaborativa

Manutenzione condizionale

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Strumenti 4.0

• Alcuni esempi importanti di progetti pilota sono già in essere da alcuni anni

Additive manufacturing

Realtà aumentata

Smart boxes

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Strumenti 4.0

• Alcuni esempi importanti di progetti pilota sono già in essere da alcuni anni

Sensori intelligenti per la logistica

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Strumenti 4.0

• L’obiettivo è quello di realizzare la fabbrica del futuro

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Strumenti 4.0

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Strumenti 4.0

Supply Chain completamente

integrata

Supply Chain completamente

integrata

Sistemi interconnessi

Sistemi interconnessi

Coordinamento e

sincronizzazione

Coordinamento e

sincronizzazioneLogistica 4.0Logistica 4.0

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Strumenti 4.0

• L’intero paradigma «Industria 4.0» si fonda sull’assunto che i componenti,gli impianti e le macchine di un sistema produttivo siano completamenteintegrati fra loro

• Un recente studio pubblicato da Cisco stima che nel 2020 circa 50 miliardidi dispositivi saranno connessi ad Internet

• Questo significa una rapida crescita di tutte le applicazioni dell’Internet ofThings (IoT) in grado di offrire immense opportunità per gli individui, leaziende e per interi settori industriali

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Strumenti 4.0

• Identificazione del modello parametrico di un sistema

• Controllo automatico

• Ricerca e ottimizzazione di performance

• Monitoraggio

• Diagnostica e prognostica

• Fault detection e fault recovery

• Sicurezza funzionale

A titolo di esempio, i sensori inseriti nei sistemi reali permettono:

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Strumenti 4.0

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Strumenti 4.0

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Strumenti 4.0

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Strumenti 4.0

• «Advancements in intelligent electronic sensing, control andcommunication are enabling new levels of factory automation for greaterefficiency and lower operational costs – and ultimately delivering betterproducts to customers»

• (Texas Instruments White paper: “Advancing the smart factory through technology innovation”Settembre 2014)

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WARNING!

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Un esempio di “Prodotto Digitale”Lockheed Martin F-35 Lightning II

WARNING!

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Il Lockheed Martin F-35 Lightning II può essere considerato il primo avanzatissimo “aereo 4.0” della storia …

ma anche il più criticato (e sicuramente costoso) …

E non è neanche un problema di soldi …

“La stima iniziale era di 40 miliardi di dollari, in massima parte a carico degli Usa, le ultime previsioni calcolano un costo di sviluppo superiore a

56 miliardi.“ (Fonte L’Espresso del Giugno 2013)

WARNING!

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Il problema non è l’avionica o l’elettronica di bordo (i.e. l’HW) ma è una questione di SW di gestione …

In altre parole: l’applicazione di Big

Data & Analytics ha fallito …

WARNING!

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La capacità di gestire in modo completamente integrato i processi di produzione e distribuzione promessa dallo Smart Planning è in realtà considerata, per ora, il grande assente, in Italia come in altri

Paesi

La digitalizzazione delle fasi di produzione e supply chain management NON può essere ancora considerato un

paradigma maturo

Strumenti 4.0

«Potrei sbagliarmi, ma sono abbastanza sicuro che la frase Internet of Thingssia nata come titolo di una presentazione che ho fatto per Procter&Gamblenel 1999.

Collegare il nuovo approccio RFID della supply chain di P&G con l’argomento,allora rovente, di Internet fu un ottimo modo per attirare l’attenzione deidirigenti.

Credo riassuma un’importante intuizione, spesso ancora fraintesa.»

• Kevin Ashton, direttore esecutivo del Centro di Auto-ID del MIT

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Strumenti 4.0

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Strumenti 4.0

• A differenza del barcode,che deve essere lettoesclusivamente in modofrontale e solo uno allavolta, i tag possono essereletti in maniera massiva

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Strumenti 4.0

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Strumenti 4.0

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Strumenti 4.0

• Informatizzare la gestione del ciclo di vita del prodotto attraversol’identificazione automatica, dunque, significa:

• Mettere a sistema informazioni

• Rendere più trasparente il passaggio dei dati

• Evitare ridondanze ed errori ricorrenti nella gestione manuale

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Strumenti 4.0

• I Key Performance Indicators (KPI) dei sistemi RFID, confermati dai progettiin produzione ormai noti e condivisi, sostanziano il ritorno dell’investimentotecnologico:

• riduzione degli stock tra il 60 e l’80%

• accuratezza dell’inventario tra il 98 e il 99,9%

• dimezzamento dei tempi di spedizione (-50%)

• controllo dei colli più veloce (+90%)

• riduzione dei costi di inventario tra il 30 e il 50%

• aumento delle vendite pari a un 18% grazie alla riduzione dell’out of stock

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Strumenti 4.0

• Il Product Lifecycle Management e la Big Data Analytics, grazie all’IoT,diventano le metodologie di approccio ideali per intercettare, organizzare egestire la molteplicità di informazioni

• Per governare la Internet of Things, inoltre, sono necessarie competenzemultilivello: competenze tecnologiche, sicurezza e compliance, gestionestandardizzata delle informazioni con modelli di Business Intelligenceassociati a una capacità di rappresentare i dati risolti a livello diarchitettura ma anche di rappresentazione (Interaction Design)

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Strumenti 4.0

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Trasporti e Logistica

Logistica

Sistemi di guida assistiti

Mobile ticketing

Monitoraggio ambientale

Augmentedmaps

Healthcare

Tracking

Identificazione e

autenticazione

Data collection

Sensorisation

Ambienti Smart

Domotica e ambienti

confortevoli

Industria

Ambienti comuni

intelligenti

Social

Social networking

Perdita

Furto

Attuali e Futuristici

Taxi robotizzati

City information

City mobility

Gaming

Strumenti 4.0

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Vantaggi

•Semplici da installare e disponibili in diverse forme e supporti

•Possono memorizzare dati

•Relativamente sicuri e capaci di proteggere i dati contenuti

Svantaggi

•Difficili da leggere in contesti operativi particolarmente gravosi

•Differenti distanze di lettura in aree geografiche diverse

•Potenzialmente invasivi dal punto di vista della privacy

•Costosi

Strumenti 4.0

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Strumenti 4.0

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Strumenti 4.0

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Sistemi RFID

• La configurazione tipica dei sistemiRFID è costituita da tre entitàprincipali:

• il tag o transponder, che è situatosull’oggetto da identificare

• il lettore o transceiver, cheinterroga il tag ed è in grado dileggere e scrivere i dati inmemoria

• il sistema di elaborazione ememorizzazione, che elabora idati secondo la logica prevista dalsistema di gestione

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Sistemi RFID

• Il transponder è normalmente costituito da un microchip che immagazzinai dati e da un elemento di accoppiamento (antenna)

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Sistemi RFID

• I sistemi che utilizzano tecniche RFID sono molteplici. Una primaclassificazione può esser fatta in base alle seguenti caratteristiche:

• frequenza di lavoro

• raggio d’azione e distanza massima di applicabilità

• gestione delle fonti energetiche e tipo di accoppiamento fisico

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Sistemi RFID

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Sistemi RFID

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Sistemi RFID

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Sistemi RFID

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Rallentamento e perdita di prestazioni!

Sistemi RFID

• I sistemi passivi possono operare a tutte le frequenze di lavoro ammessedai sistemi RFID e trovano il loro campo ideale di applicazione laddove èrichiesto l’uso di pochi dati o dove si possono sostituire le tipichefunzionalità dei codici a barre:

• controllo di flussi dei prodotti

• identificazione di pallet, contenitori e bottiglie di gas (ISO 18000)

• identificazione degli animali (ISO 11785)

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Sistemi RFID

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Sistemi RFID

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Sistemi RFID

• La tecnologia RFID presenta un certo numero di criticità rispetto allecaratteristiche ideali richieste dal mercato. Esistono, infatti, problematicheche potranno essere risolte con lo sviluppo tecnologico ma checostituiscono ancora un freno all’introduzione massiva della tecnologianella catena di distribuzione ed in altri ambienti applicativi:

1. scarsa compatibilità a livello mondiale in relazione alle bande difrequenza e alle potenze (in fase d risoluzione, ad esempio con i tagbroadband)

2. alti costi del software applicativo

3. prestazioni modeste di tag e lettori rispetto alle specifiche o alleaspettative dell’applicazione

4. scarsa distanza operativa51

Sistemi RFID

• La tecnologia RFID presenta un certo numero di criticità rispetto allecaratteristiche ideali richieste dal mercato. Esistono, infatti, problematicheche potranno essere risolte con lo sviluppo tecnologico ma checostituiscono ancora un freno all’introduzione massiva della tecnologianella catena di distribuzione ed in altri ambienti applicativi:

5. incidenza di errori nelle operazioni di lettura

6. incompleta applicabilità su tutte le merci

7. immaturità tecnica dei sistemi middleware, non disponibili per tutti gliattori della catena logistica

8. alto costo dei tag, che viene percepito come il maggior fattore ostativo

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Sistemi RFID

• Ad oggi, comunque, l’ordine di grandezza del costo dei sistemi RFID è ilseguente:

• tag passivi, per grandi volumi di acquisto, da 5 centesimi (per leetichette più semplici) ad alcuni Euro (per transponder in contenitoriplastici)

• tag attivi da circa 10 a oltre 50 Euro in funzione dalla dimensione dellebatterie, dalla quantità di memoria, dal tipo di contenitore,dall’eventuale presenza di sensori opzionali (temperatura)

• sistemi di lettura da 500 a 3000 Euro in funzione delle lorocaratteristiche accessorie

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Sistemi RFID

• Le caratteristiche principali da prendere in considerazione per la scelta diun tag nell’ambito di un particolare sistema RFID sono, in linea dimassima, i seguenti:

1. dimensioni e forma (in relazione alla collocazione del tag)

2. distanze reciproche dei tag

3. durata (eventuale necessità di avere una protezione esterna robustacontro usura e rotture)

4. riutilizzabilità

5. resistenza in ambienti critici (corrosivi, ad alta pressione, temperatura)

6. polarizzazione (orientazione del tag rispetto al campo del lettore)

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Sistemi RFID

• Le caratteristiche principali da prendere in considerazione per la scelta diun tag nell’ambito di un particolare sistema RFID sono, in linea dimassima, i seguenti:

7. distanza massima di comunicazione

8. influenza da parte di eventuali materiali metallici e liquidi

9. ambiente operativo (presenza di rumore elettrico, presenza di altriapparati radio)

10. frequenze operative (LF, HF, UHF, SHF)

11. standard e protocolli di comunicazioni supportati (ISO, EPC)

12. soddisfacimento di regolamentazioni regionali (USA, Europa, Asia)

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Sistemi RFID

• Le caratteristiche principali da prendere in considerazione per la scelta diun tag nell’ambito di un particolare sistema RFID sono, in linea dimassima, i seguenti:

13. ammontare dei dati da memorizzare nel tag (eventualmente più di ununico identificativo di prodotto EPC)

14. caratteristiche anticollisione (numero massimo di tag nel range dioperabilità e velocità di identificazione)

15. velocità dei tag all’interno del campo del lettore

16. interoperabilità (quali lettori sono in grado di leggere i tag dei variproduttori)

17. necessità di protezione dei dati del transponder (eventuale necessitàdi cifratura)

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Sistemi RFID

• Sistemi a dispersione di spettro e sistemi a banda larga

• Le tecnologie in questione fanno capo alle modulazioni a dispersione dispettro (Spread Spectrum)

• Poiché la quantità di potenza e le informazioni trasportate sono le stesse,la densità di potenza dei sistemi a dispersione è molto più bassa

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Sistemi RFID

• Con il termine Ultra Wide Band (UWB) si indica una tecnologia sviluppataper trasmettere segnali modulati a dispersione di spettro su bande moltolarghe, dell’ordine di 500 MHz e oltre

• La normativa in merito si sta sviluppando in questi ultimi mesi (inparticolare a partire da Febbraio 2007) sia negli USA che in Europa. Perl’invio dei segnali vengono utilizzati impulsi in radiofrequenza di durataestremamente ridotta (da poche decine di picosecondi a qualchenanosecondo)

• Questi impulsi sono rappresentati da pochi cicli d’onda di una portante equindi lo spettro risultante è estremamente largo

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Sistemi RFID

• Le caratteristiche principali sono:

• lettura di tag attivi a distanze dai ricevitori di oltre 200 metri in spaziaperti e di oltre 50 metri attraverso ostacoli multipli

• durata della batteria di oltre 5 anni, con tag funzionanti ad un impulso alsecondo

• precisione di localizzazione in tempo reale al di sotto dei 30 cm,migliorabile a 10 cm mediante algoritmi di minimizzazione dell’errore

• ottime prestazioni in ambienti multipath con strutture metalliche(raffinerie)

• dimensione dei tag ridotte (1.2 x 2.5 x 0.6 cm)

• tag certificati UL1604 per utilizzo in ambienti estremi (raffineriepetrolifere)

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Sistemi RFID

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Sistemi RFID

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Scenari e sviluppi futuri

• Poiché uno dei maggiori fattori ostativi all’introduzione dei nuovi strumenti4.0 è il costo della tecnologia, lo sforzo comune è quello di ridurredrasticamente il presso unitario dei tag RFID

• Inoltre, nell’ottica di incrementarne ulteriormente le potenzialità, sono allostudio e/o in fase di sperimentazione anche nuove soluzioni tecnologiche

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Scenari e sviluppi futuri

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Riduzione dei costi

Riduzione dei costi

Antennaless tagsAntennaless tags

Chiplesstags

Chiplesstags

Scenari e sviluppi futuri

• I transponder privi di antenna (antennaless) sono pensati per ridurre ilcosto del singolo oggetto (costituito solo da un microchip)

• L’assenza di antenna costringe a utilizzare il corpo dell’oggetto su cui il chipviene applicato come elemento di comunicazione e di captazionedell’energia

• Gli oggetti metallici, che con i sistemi RFID tradizionali costituiscono unproblema, divengono un elemento fondamentale del sistema diidentificazione

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Scenari e sviluppi futuri

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Scenari e sviluppi futuri

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Scenari e sviluppi futuri

• All’estremo opposto si trovano i tag chipless, cioè privi di microchip

• In questa soluzione, l’antenna, unico elemento presente, viene costruita sumisura, in modo da risuonare a determinate frequenze

• Il costo è estremamente basso e la sicurezza molto alta. Ad oggi, l’unicofattore ostativo sono le elevate competenze richieste per la loroprogettazione

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Scenari e sviluppi futuri

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Scenari e sviluppi futuri

• Il principio fisico che ne garantisce il funzionamento è quello sfruttato daun sistema di identificazione e tracciabilità datato ma poco noto: leSuperficial Acoustic Waves (SAW)

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Scenari e sviluppi futuri

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Scenari e sviluppi futuri

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Scenari e sviluppi futuri

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Scenari e sviluppi futuri

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Scenari e sviluppi futuri

• L’uso di inchiostri conduttivi, alcuni dei quali biodegradabili, staulteriormente allargando il campo di azione e le potenzialità dei tag RFID

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Scenari e sviluppi futuri

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Scenari e sviluppi futuri

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Inchiostro conduttivo

(Silver nano, Copper nano,

Alluminio)

Inchiostro conduttivo

(Silver nano, Copper nano,

Alluminio)

Substrato

(Carta, Polimeri, Kapton, Teonex)

Substrato

(Carta, Polimeri, Kapton, Teonex)

Antenna stampataAntenna

stampata

Scenari e sviluppi futuri

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Scenari e sviluppi futuri

• L’uso congiunto di sistemi di identificazione e sensori specifici èattualmente incoraggiato e sospinto dalla riduzione di costo dei micro-sensori e dalla accresciuta capacità tecnologica (sensori sempre piùperformanti e miniaturizzati)

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Scenari e sviluppi futuri

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Scenari e sviluppi futuri

• Allo stesso modo, l’accresciuta disponibilità di infrastrutture per lacostruzione di reti interconnesse è alla base dello sviluppo e del proliferaredi reti di tracciabilità sensorizzate

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