Fabbrica 4.0: Opportunità per le PMI.luigidcapra.altervista.org/Convegni/O50/Luigi D. Capra - Fabbrica 4.0... · La caratteristica peculiare dei prodotti digitali consiste nel sincronismo

Fabbrica 4.0: Opportunità per le PMI.Una prospettiva imprenditoriale

Luigi D. Capra - Fabbrica 4.0, opportunità per le PMI file:///R:/print.html

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Questa presentazione è suddivisa in tre parti:

1

2

3

descrizione del contesto 4.0

(possibilità di business)

digitalizzazione dei prodotti

ricorso a strumenti di sviluppo rapidonella realizzazione di prototipi


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Il contesto considerato presenta due risvolti

aspetti tecnici risvolti imprenditoriali

Buzzword

Sviluppo di nuoviprodotti & servizi

IoTRobot

Stampa 3D

AI

CPSEnergia

BigData

Cloud

Internet of Things (IoT)

Industria 4.0Fabbrica 4.0

Cyber-Physical System (CPS)

Digital Product


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Industria 4.0 è il punto di convergenza di alcune delletecnologie più sofisticate attualmente disponibili.

Nel caso in cui desideriate approfondire, vi rimando al materiale sul mio sito:

luigidcapra.com/obiettivo50.html

IoT

Robot

Stampa 3D

AI

CPSEnergia

BigData

Cloud

ognuna di queste meriterebbe una lunga presentazionema ciò è al di fuori degli scopi di questa presentazione


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Per quanto concerne i risvolti imprenditorialiil contesto considerato è dominato dalle

fatto che crea una gran confusione

per quanto concerne il significato dei termini e degli obiettivi

delle varie iniziative

In pratica ci sono diversigruppi di interesse chelavorano su temi simili chesi ignorano perché usanoterminologie differenti!


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Consideriamo questi due paradigmi

Modello americano Modello tedesco

Internet of ThingsIndustrial IoT

(Internet of Things) (Industrie 4.0 ???)

IoT ⊂ Industry 4.0Industry 4.0 ⊂ IoT


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Fabbrica 4.0 ≅ Industria 4.0

Industria 4.0 ≅ Industry 4.0

Industry 4.0 ≅ Internet of Things (IoT)

IoT ⊃ Industry 4.0 IoT ⊂ Industry 4.0

Industry 4.0 ≅ Industrie 4.0

saremmo propensi a dare per scontate una serie di equivalenze

senonché possiamo incorrere in situazioni paradossali!


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A questo punto non mi stupirei se qualcuno frail gentile pubblico cominciasse ad osservare

che tutto ciò è

Ma è proprio così?

Ma che ci importa!

Parliamo di cose serie.

E' irrilevante!


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ma l'aspetto più rilevante del paradosso sta proprio lì

Gli imprenditori e i manager di alto livello sono abituati ad affrontare i problemi in termini strategici e organizzativi

lasciando i "dettagli" ai tecnici.

Applicando le stesse considerazioni ad contesto come questo,che presenta una complessità non indifferente,

potrebbero essere tentati di affidarsi ancora una voltaal "senso comune" lasciandosi guidare dalle immagini

evocati da certi termini (le buzzword),ma data l'ambiguità di questi,

le decisioni potrebbero dipendere della buzzword del momento!


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- No perché è un SW- Non è un prodotto industriale- Si perché è un'applicazione IoT!

Chiariamo con un esempio:secondo voi

Pokemon Go può essere fatto rientrare nel contesto 4.0?

Sarebbe diversa lavostra risposta se

invece di Internet 4.0si facesse riferimentoa Internet delle Cose?


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Passando a questioni più serie.Se vi fossero chiesti dei consigli circa l'opportunità offerte da Industria 4.0,

come rispondreste?

Ovvero, semplificando,a quale delle due rappresentazioni pittoriche fareste riferimento?


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Industry 4.0

Smart-Factory DigitalProducts

Industry 4.0 ≅ Internet of Things (IoT)

= Smart-Factorymodello proposto dalle

aziende di automazione industriale

Internet of Things (IoT)


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Il malinteso si spiega osservando che:Industria 4.0 ==> Industry 4.0 ==> Industrie 4.0

Industrie 4.0 si rifà ai suggerimenti di un celebre articolo di Kagermann, Lukas e Wahlster:"Industria 4.0: L'Internet delle cose sulla strada della quarta rivoluzione industriale". (*)

(*) disponibile tradotto fra il materiale del corso, sul mio sito.

Tale studio, presentato alla Hannovermesse del 2011, si proponeva di esaminare come la Germaniapotesse "mantenere il proprio ruolo di produttore industriale, in una regione di alti salari,nel quadro della competizione globale", considerando l'orizzonte temporale successivo al 2020.Sotto queste premesse, poiché la Germania "aveva già guadagnato una posizione di leadershipnell'ambito dei sistemi embedded più sofisticati si suggeriva di "affrontare il passo successivo,introducendo Internet delle Cose nell'ambiente industriale",cosicché l'industria tedesca potesse acquistare un ruolo di leadership in questa tipologia di soluzioni.Infine scendendo sul piano pratico si suggeriva, che tale risultato si sarebbe potuto conseguirepuntando sul "miglioramento degli impianti produttivi, dei sistemi industrialiper finire con i prodotti di uso quotidiano mediante introduzione di memorie integrate,capacità di comunicazione, sensori wireless, attuatori integrati e software intelligenti" al fine "di stabilire un ponte fra il mondo virtuale (ciberspazio) e la realtà delle cose.

CPS

Digital ProductSmart-Factory


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Date le premesse le aziende tedesche già attive nell'ambito della automazione,seguendo i suggerimenti, si sono dedicate allo sviluppo di nuove soluzioni di

automazione 4.0 basate sul ricorso ai Cyber-Physical System (CPS)come premessa alla realizzazione delle smart-factory.

Il malinteso risiede in un errore di interpretazionedi ciò che è stato fatto in Germania,

cioè nel fatto di concentrarsi sull'impiego delle tecnologie di automazionementre invece si dovrebbe guardare al modo in cui hanno affrontato il

problema sviluppando delle soluzioni innovative basate sulle tecnologie 4.0

Industria 4.0


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La situazione è ulteriormente complicata dalla presenza di una certa retorica

Il suffisso 4.0 si interpreta infatti come un riferimento alla cosiddettaQuarta Rivoluzione Industriale

che dovrebbe comportare il passaggio dal modello produttivo basato sullaproduzione di massa di beni standardizzati

alla personalizzazione di massaintesa come fabbricazione in scala industriale di prodotti personalizzati

Il paradigma delle smart-factory fachiaramente riferimento al suddetto contesto,cosicché non è raro che gli imprenditorisi interroghino circa l'impatto dell'adozionedi un simile modello produttivo sulle loroaziende.

Insourcing

offerta di prodotti differenziati


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Dato che i vantaggi del paradigma 4.0 non sono sempre evidenti,per non perdere le opportunità del Piano Nazionale Industria 4.0

alcuni si sono concentrati sull'ammodernamento degli impianti, inseguendoobiettivi di tutto rispetto (come il conseguimento dell'efficienza energetica),

ma che probabilmente passano in secondo piano rispetto a ciò chesi potrebbe ottenere puntando sulla digitalizzazione dei prodotti,

seguendo l'esmpio delle aziende tedesche.

Chiaramente lo sviluppo di prodotti digitali è decisamente più impegnativo rispettoal semplice adeguamento dei processi produttivi, poiché implica la necessità dipadroneggiare le tecnologie 4.0 e quindi la disponibilità di competenze chepotrebbero non essere disponibili in azienda e ancora di più l'abilità di usarlein maniera creativa, immaginando dei nuovi prodotti nati dall'integrazione diquelli a catalogo con le nuove tecnologie. Le problematiche di sviluppo dei prodottidigitali presentano molti punti in comune con il marketing e il design.


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Facendo coincidere Industria 4.0 con Internet of Thingssi aprono delle possibilità decisamente più interessanti.

poiché possiamo avvalerci delletecnologie considerate non soloper sviluppare delle soluzioni diautomazione industriale (I-IoT)ma in svariati ambiti diversi.

- home automation

- grid-management

- connected-car

- smart city

- assistive healt-care

etc.

IoTRobot

Stampa 3D

AI

CPSEnergia

BigData

Cloud


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Prodotti Digitali

Per "manufatto digitale" si intende un dispositivo che può esseremonitorato, coordinato e controllato localmente (da una CPU integrata)o eventualmente anche a distanza (per mezzo di una connessione IoT).

capacedi adattarsi alle circostanze, al contesto ambientale o alle richieste dell'utente

mostrando all'occorrenza un comportamento "intelligente".

Prodotto Digitale = Cyber-Physical System (CPS) destinato agli utenti finali

Dal punto di vista teorico i prodotti digitali sono dei sistemi olisticicostituiti da un meccanismo fisico e dalla sua controparte digitale (cyber-twin).La caratteristica peculiare dei prodotti digitali consiste nel sincronismo fra glistati dell'entità fisica e della sua contoparte digitale e quindi nella possibilità

di alterare l'una manipolndo l'altra, per mezzo di una interfaccia utente.


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Prodotti Digitali


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Wirel ess D es ktop

N etw or k C ard

O KM ade in

Gr oland

w _i \\ ~~ # |||

1 12 1 3 14 156 - -- ** 788

Wireles s Desk top

Network Card

OKM ade i n

G rol and

w _ i\\ ~ ~ # || |

1 12 1 3 14 156 - -- ** 788

Wi reless D es ktop

Netw ork Card

OKM ade in

Gr oland

w_i \\ ~ ~ # |||

1 1 2 13 1 4 15 6 --- ** 7 88

Wireless Desk t op

Networ k Card

O KM ade in

Gr oland

w _i\\ ~ ~ # |||

1 12 13 14 1 56 -- - ** 788

CLOUD

Nodi di base

Server Locale

Server Remoto

Interfaccia Utente

Rete Locale

Eco-Sistema IoT


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Active Product Memory


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AcquisizioneComando

Vocale

InterpretazioneComando

Vocale

Sintesi delcomando

per la macchinaAttuazione

CLOUD

Locale Remoto

Ciclo decisionale dei prodotti IoT che utilizzano servizi Cloud

Questa soluzione prospettala possibilità di

trasformare un prodottoin un servizio assicurandosila fidelizzazione del cliente

ed entrate regolari.


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Vantaggi delle soluzioni IoTmonitoraggio remoto;controllo remoto;divide ed impera (HW/SW);divide ed impera (nodo di base, server L/R, client).

Vantaggi delle memorie di prodotto

(per il venditore)

raccolta dati sistematica (memorie di prodotto attive);tele-aggiornamenti;tele-diagnostica;tele-manutenzione.

Vantaggi del ricorso a servizi Cloudfidelizzazione del cliente;possibilità di trasformarse il prodotto in un servizio.


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Problemi connessi allo sviluppo di Prodotti DigitaliIl principale problema connesso alla digitalizzazione dei prodotti è costituitodalla mancanza di punti di riferimento, poiché prodotti simili non sono maiesistiti in precedenza ed in secondo luogo nella necessità di vincere la proprianaturale ritrosia ad esporsi proponendo delle soluzioni che potrebbero apparirestampalate o fantascientifiche.

Per quanto concerne quest'ultimo punto, se può esservi di conforto, date unaocchiata alle applicazioni IoT che sono già state realizzate e sono già sul mercatoe considerate l'imbarazzo derivante da una brutta figura in confronto al rischioche un concorrente vi anticipi mettendo in pratica la vostra stessa idea?

I suddetti problemi non preoccupano minimamente i makers, cioè la comunitàdegli appassionati del "fai da te" tecnologico che affrontano tematiche analogheallo sviluppo di prodotti digitali senza il minimo imbarazzo.


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Imprenditori 4.0 e MakersImprenditori 4.0 e makers sono un classico esempio di persone chepur avendo degli indubbi interessi in comune si ignorano a vicenda.

MakersDIY

personalizzazionedi massa

Prodotti Industriali classici Desideri e i bisogni della gente

10% applicazioni

90% degli utenti

90% applicazioni

100% degli utentiUtente medio per cui sono

pensate le soluzioni standardNOI

Le esigenze degli utenti finali sono molto più ampie di quelle coperte dalle aziende.


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Oggi possiamo acquistare on-line un System on Chip (SoC) ESP-8266 per pochi euro.

o una scheda equipaggiata dello stesso chip ESP-12 ed un paio di relè per poco di più.

Processore 32 bit4MB HD40KB RAM16 GPIO1 ADC1 RS232WiFi + stack TCP/IP

Compilatore CInterpreti: Lua, Python, BASIC, Lisp.

E se non siamo soddisfatti...non abbiamo che l'imbarazzo della scelta!

1,80€

5,31€


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Per realizzare una soluzione IoT occorrono almeno due nodi,tipicamente

un nodo di base dedicato alla supervisione di sensori/attuatorie un pannellino di controllo su cui gira l'interfaccia utente.

Pannellino di ControlloNodo di base

Server Client

CLOUD

Es. ESP-8266, Arduino,Raspberry, PC, CPS,stazione robotica

Es. PC, smart-phone,tablet, Mac, eccetera.

Internet oppure LANbasata su protocolli TPC/IP


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Ipotizzando di ricorrere ad un hardware basilare i requisitisoftware si riducono a due pacchetti di codice:

insieme delle routine necessarie per consentire la connessionedei nodi di base alla rete IoT, nonché per il monitoraggio deisensori e il controllo degli attuatori.

routine dedicate all'interazione con l'utente (presentazionedei dati raccolti dai nodi IoT e accettazione dei comandi)e alla gestione della connessione verso la rete IoT.

Interfaccia Utente

Firmware IoT


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L'impegno richiesto per lo sviluppo di un primo prototipo puòessere ridotto al minimo ricorrendo alla strategia

Divide et Imperache risulta particolarmente adatta alle reti IoT ,

essendo queste ultime progettate per ripartire il lavoroe il carico computazionale fra hardware e software

di nodi diversi, in base alle convenienze.

interfaccia utentenodi di base


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Date le premesse lo sviluppo di apparecchi IoT o diapplicazioni basate sullo sfruttamento dei dati raccolti dai nodi

potrebbe rivelarsi molto più semplice di quello dei loroequivalenti tradizionali.

Avvalendosi dell'architettura di rete è infatti possibile scindere i compiticorrispondenti ai diversi aspetti funzionali ripartendoli in modo ottimalefra le piattaforme disponibili. Ciò consente di semplificare gli apparecchigestendo localmente solo quei processi che non possono essere trasferitialtrove, tipicamente le attività di monitoraggio e controllo dell'hardwaree l'interazione con il mondo fisico, delegando quella con l'utente apiattaforme già dotate di GUI sofisticate (PC, Tablet, smart-phone),mentre le elaborazioni più pesanti come la comprensione di comandivocali) potrebbe essere affidata a server sul cloud.


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Per quanto concerne i nodi di base, date le caratteristiche delcomponente cui sarà affidata la supervisione dell'apparecchio,il firmware può essere ridotto a tre routine fondamentali:- inizializzazione delle porte di I/O;- connessione alla rete IoT;- ed un mini server web capace di

- accettare ed eseguire comandi remoti;- inviare dei rapporti concernenti lo stato del nodo agli utenti avvalendosi eventualmente di un server remoto.

Funzioni che possono essere espletate agevolmente da uncodice standard, configurabile per mezzo di parametri.


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Analogamente l'impegno richiesto per lo sviluppo delpannellino di controllo dell'interfaccia utente può essereridotto al minimo ricorrendo ad una pagina HTML eseguita nelbrowser di un comune PC o smart-phone.Una simile soluzione consente di beneficiare di una serie distrumenti standard sviluppati per facilitare lo sviluppo dellepagine Web, come gli HTML-Editor e il ricco corredo difunzionalità presenti in JavaScript.Disponendo di un simile punto di partenza non resterebbe chescrivere le routine più specifiche cioè quelle espressamentededicate al controllo dei nodi IoT; routine che potrebberoessere scritte una tantum è pubblicate sotto forma di libreria.


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Esattamente come ho fatto con il pacchetto open sourceFacciamo/Let's Make (FLM)

Il pacchetto Facciamo/Let's Make (FLM) consiste di:- firmware per le schede basate sul SoC ESP-8266;- una libreria di funzioni scritte in JavaScript allo scopo di consentire il controllo remoto dei nodi;- un insieme di strumenti di prototipazione rapida per lo sviluppo di applicazioni IoT, basate sulle suddette librerie.L'insieme comprende in particolare una Terminale Wirelessper il controllo remoti dei nodi e un generatore di codicededicato alla configurazione dei parametri di controllo dei nodi.


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In occasione del Linux Day 2016 ad Ivrea,l'utilizzo combinato del firmware e delle librerie FLMha permesso ad un ragazzino di quattordici anni di realizzareuna semplice applicazione IoT in poco più di un'ora.L'applicazione consisteva in una una pagina Web scrittain HTML-5 + JavaScript, che consentiva di utilizzareun comune smartphone come telecomando, accendendoe spegnendo una lampada controllata da una scheda IoTbasata sul SoC ESP-8266.Tale risultato è stato ottenuto da ragazzino che aveva allespalle non più di sei (6) ore di programmazione!


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All'estremo opposto si pone il problemadell'adeguamento di applicazioni e macchine industrialigià esistenti al contesto Fabbrica 4.0, introducendo delle

funzionalità di monitoraggio e controllo remoto.Evitando di riscrivere i programmi da capo!

La mia proposta si basa sull'osservazione che anche nel casodei sistemi più sofisticati l'interazione con il mondo esterno,ed in particolare con gli utenti, coinvolge un numero ridotto

di variabili che vengono utilizzate come se fosserodei "registri di I/O".


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La mia proposta si basa su due osservazioni:- anche nel caso dei sistemi più sofisticati l'interazione con il mondo esterno, ed in particolare con gli utenti, coinvolge un numero ridotto di variabili che vengono utilizzate come se fossero dei "registri di I/O".- La realizzazione di interpreti e compilatori di programma si fonda sul principio in base al quale il funzionamento degli eseguibili deve essere indipendente dall’ordine di allocazione delle variabili (salvo esplicita richiesta di assegnazione di indirizzi fissi da parte del programmatore), quale premessa per il corretto funzionamento delle routine di ottimizzazione del codice.


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Sotto queste premesse è permesso scambiare o spostare levariabili di memoria, trasferendole persino in altri segmenti.Da ciò l'idea di trasferire le variabili di I/O in una memoriacondivisa (shared memory) delegando l’interfacciamentocon gli utenti e il mondo esterno ad un altro processo omeglio ancora ad un programma indipendente che svolge lefunzioni di web-server, ricevendo i comandi e inviandole risposte sotto forma di messaggi HTTP.


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La soluzione considerata offre numerosi vantaggi rispettoallo sviluppo di un nuovo modulo dedicato alla comunicazione,poiché preservare le funzionalità dell’applicativo originale,evita i rischi di destabilizzazione connessi alla redistribuzionedel tempo macchina disponibile fra le thread del SW,ma soprattutto consente un drastico abbattimento delle tempi di sviluppo ricorrendo ai servizi di un modulo standard giàcollaudato e funzionante.


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Queste slide e la documentazione integrativasono disponibili alla pagina

http://www.luigidcapra.com/obiettivo50.html

Grazie per la cortese attenzionee

Buona Giornata


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Per approfondire:

Fabbrica 4.0 e IoT

Fabbrica 4.0 - Home PageDizionario di IoT e Fabbrica 4.0Prototipazione rapida di applicazioni IoT e aggiornamento di applicazioni legacy al contesto Fabbrica 4.0. - SlideFiera A&T-2017 -Prototipazione rapida di applicazioni IoT e aggiornamento di sistemi legacy al contesto Fabbrica 4.0. - ArticoloFiera A&T-2017 -Una breve introduzione a Fabbrica 4.0: Rischi e opportunità per le PMI. (PDF)


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