Cos'è la fabbrica intelligente?
La fabbrica intelligente (smart factory) è un complesso cyber-fisico che si avvale di tecnologie avanzate per analizzare i dati, promuovere processi automatizzati e imparare dall'esperienza.
Panoramica della fabbrica intelligente
Come suggerisce il nome, la fabbrica intelligente è… smart. Rete interconnessa di macchine, meccanismi di comunicazione e potenza di calcolo, la fabbrica intelligente è un complesso cyber-fisico che sfrutta tecnologie avanzate come l'intelligenza artificiale (AI) e il machine learning per analizzare i dati, promuovere processi automatizzati e imparare dall'esperienza.
Le fabbriche intelligenti, così come lo smart manufacturing, sono manifestazioni di quella trasformazione tecnologica nota come Industry 4.0 o quarta rivoluzione industriale. Ciascuna delle tre precedenti rivoluzioni industriali era nata dall'introduzione di altrettante tecnologie innovative che avevano cambiato radicalmente il modo di lavorare e di fabbricare i prodotti: il motore a vapore, la catena di montaggio e la potenza del calcolo informatico. Oggi la quarta rivoluzione è trainata dalla trasformazione digitale e dall'automazione intelligente.
Fabbriche intelligenti per un mondo che cambia
Negli ultimi anni è emerso con crescente chiarezza per i dirigenti d'impresa che la trasformazione digitale è una priorità urgente per qualsiasi supply chain o attività produttiva che punti a essere competitiva e resiliente negli anni 2020. La pandemia ha messo ulteriormente in luce le debolezze della supply chain globale e le vulnerabilità del settore. Come ribadito da un articolo pubblicato nella rivista Forbes, "il COVID-19 ha rivelato al mondo qualcosa che l'industria manifatturiera avrebbe già dovuto sapere. Le supply chain e gli ecosistemi manifatturieri tradizionali stanno cedendo e dobbiamo passare a una soluzione più adattabile e agile, completamente abilitata al digitale”.
Sono le stesse aspettative dei consumatori a stimolare lo sviluppo delle tecnologie della fabbrica intelligente e del futuro. Noto come "effetto Amazon", la domanda dei consumatori di una consegna entro il giorno successivo cresce a un ritmo rapido e costante. Secondo un commento apparso nel 2019 nella rivista Entrepreneur, “Nel bene o nel male, l’economia statunitense e quella globale devono fare i conti con l’effetto Amazon. […] le società dell'e-commerce sono incalzate dalle richieste sempre più pressanti di stare al passo con la velocità e l'efficienza di Amazon, e non vi sono segni che le aspettative dei consumatori si stiano allentando.” Questa tendenza è stata tra le principali cause all'origine della crescente richiesta di tecnologie per la fabbrica intelligente, data l'incapacità dei sistemi tradizionali di raggiungere gli ordini di grandezza per la logistica e l'immagazzinamento necessari per tenere il passo con questo fenomeno.
Nel tentativo di ridurre al minimo la dipendenza dai partner internazionali, le aziende manifatturiere e i responsabili delle supply chain si espongono ora a ulteriori rischi e disfunzioni. Soluzioni per la fabbrica intelligente come la produzione on-demand e gli inventari virtuali sono sicuramente in grado di sciogliere i legami con i fornitori e produttori esteri. Tuttavia, come sottolineato dall'Harvard Business Review in un articolo del 2020, riportare la produzione negli Stati Uniti è cosa più facile a dirsi che a farsi. “Le aziende manifatturiere si sono rivolte a specialisti e subappaltatori che si concentrano esclusivamente su un unico settore, e persino questi sono costretti ad affidarsi a molti altri partner. Legando le proprie sorti a regioni diverse per risorse naturali come il minerale di ferro o il litio, il mondo si è ritrovato a dipendere dalle aree in cui risiedono tali specialisti”. La crescita della produzione interna può indubbiamente ridurre i costi e i rischi della supply chain, ma non elimina necessariamente la necessità di partner esteri né riesce a limitare il numero totale di anelli della catena. Appare pertanto più cruciale che mai dotarsi di fabbriche digitali che con le loro tecnologie riescano a ottimizzare efficienza e visibilità.
Come funziona la fabbrica intelligente?
Si parla spesso di processi automatizzati come se fossero prerogativa unica della smart factory, quando di fatto l’automazione e la robotica sono in uso da decenni nelle attività produttive. Le stesse fabbriche tradizionali si affidano per vari aspetti del loro funzionamento a macchine automatizzate come scanner di codici a barre, fotocamere e apparecchiature di produzione digitalizzate. Ma questi dispositivi non sono interconnessi. In una fabbrica tradizionale, le persone, gli impianti e i sistemi di gestione dei dati operano tutti isolati l'uno dall'altro e per essere coordinati richiedono un continuo intervento manuale.
La fabbrica digitale intelligente funziona invece integrando macchine, persone e Big Data in un unico ecosistema connesso in rete. Oltre a curare e analizzare i dati, la smart factory apprende di fatto dall'esperienza. Interpreta e trae conoscenze dai set di dati per prevedere tendenze ed eventi e per raccomandare e implementare workflow di produzione intelligente e processi automatizzati. La fabbrica intelligente è soggetta a un miglioramento procedurale continuo verso l’auto-correzione e l’auto-ottimizzazione, ossia la capacità di insegnare a se stessa (e all’uomo) a essere più resiliente, produttiva e sicura.
La struttura della fabbrica intelligente
A grandi linee, la struttura di base della smart factory può essere sintetizzata in tre step:
Le tre procedure principali che costituiscono la fabbrica intelligente
- Acquisizione dati: l'intelligenza artificiale e le tecnologie dei database di nuova generazione consentono la cura e la raccolta di utili set di dati eterogenei dall'intera azienda, dalla supply chain e dal mondo in generale. Attraverso sensori e gateway, l'Industrial Internet of Things (IIoT) permette alle macchine connesse di far confluire dati nel sistema. Tramite un gran numero di altri portali di dati, i sistemi alimentati dall'AI possono compilare set di dati relativi a prestazioni, tendenze di mercato, logistica o qualsiasi altra fonte di possibile interesse.
- Analisi dei dati: il machine learning e i sistemi aziendali intelligenti sfruttano l'analisi avanzata e le moderne soluzioni di gestione dei dati per dare un senso a tutti i dati disparati raccolti. I sensori IIoT sono in grado di avvertire quando le macchine necessitano di riparazione o manutenzione. La compilazione dei dati operativi e di mercato permette di individuare opportunità e rischi. Lo studio dell'efficienza dei flussi di lavoro nel tempo consente di ottimizzare le prestazioni e di autocorreggersi, a seconda dei casi. I set di dati che possono essere confrontati e analizzati offrono di fatto possibilità pressoché infinite di combinazioni su cui basare l'ottimizzazione della fabbrica digitale e la formulazione di previsioni per la supply chain.
- Automazione della fabbrica intelligente: una volta compiute l'acquisizione e l'analisi dei dati, vengono stabiliti i flussi di lavoro e inviate istruzioni alle macchine e ai dispositivi all'interno del sistema. Questi dispositivi possono trovarsi tanto all'interno del perimetro della fabbrica quanto fisicamente distaccati, in vari anelli logistici o produttivi della catena di fornitura. I flussi di lavori e i processi intelligenti sono sottoposti a un'azione continua di monitoraggio e ottimizzazione. Se giunge la segnalazione di un picco di domanda per un determinato prodotto, è possibile istruire i flussi di lavoro delle stampanti 3D per dare rapidamente priorità alla produzione di quell'articolo. Se una spedizione di materie prime subisce un ritardo, i buffer di magazzino possono essere messi in rotazione per ovviare a qualsiasi interruzione.
I vantaggi della fabbrica intelligente
Sono molte le aziende costrette ad arrangiarsi con operazioni e sistemi di supply chain rimasti sostanzialmente inalterati da decenni. A fronte tuttavia di aspettative dei consumatori e di un'incertezza economica ai massimi storici, ai responsabili delle supply chain occorrono soluzioni in grado di fornire vantaggi misurabili e significativi, e anche in tempi brevi. Secondo la rivista Forbes, nel 2017 solo il 43% delle aziende del manifatturiero aveva messo in campo iniziative di smart factory. Nel 2019 la quota era passata al 68%. Per le aziende che investono in soluzioni di trasformazione digitale e fabbrica intelligente, i possibili vantaggi sono rilevanti e di varia natura:
Produttività ed efficienza: nel corso della sua storia l'industria manifatturiera ha mantenuto un approccio prevalentemente reattivo, ossia basato sull'osservazione di eventi o trend già manifestatisi per poi tentare di orientare l’azienda in una direzione diversa. Le tecnologie delle fabbriche intelligenti sono pensate per ridurre il ricorso all'azione reattiva, spostando piuttosto la gestione della supply chain verso una maggiore resilienza e responsività. L'utilizzo dell'analisi predittiva e dell'analisi dei Big Data consente di individuare e mettere in atto processi ottimizzati. Gestione just-in-time dello stock, previsione accurata della domanda e accelerazione del go-to-market sono solo alcuni dei vantaggi offerti dalle fabbriche intelligenti in termini di efficienza. Potendo contare sul supporto degli insight digitali, gli operatori delle fabbriche intelligenti sono anche in grado di snellire il lavoro, a tutto vantaggio della produttività complessiva del settore. Nel suo studio del 2019 sulle fabbriche intelligenti, Deloitte ci spiega che “Dopo aver investito in iniziative di smart factory, le aziende riferiscono incrementi fino al 12% in aree come la produzione manifatturiera, il grado di utilizzazione delle fabbriche e la produttività della manodopera. Non solo, entro il 2030 le aziende del comparto con fabbriche intelligenti supereranno probabilmente del 30% le fabbriche tradizionali in termini di produttività netta del lavoro”.
Sostenibilità e sicurezza: i consumatori si dimostrano sempre più disposti a spendere un po' di più per prodotti che siano il risultato di metodi socialmente ed ecologicamente responsabili in termini di provenienza e fabbricazione. Le moderne tecnologie della fabbrica intelligente rendono più semplice che mai per le aziende cogliere e attuare ogni opportunità di pratiche di fabbricazione più ecologiche, sicure e socialmente responsabili. Innovazioni digitali quali i sensori RFID e la blockchain possono essere impiegate dai responsabili delle fabbriche intelligenti per garantire controlli irreprensibili della provenienza e della qualità di ogni materiale e fornitura – anche dagli anelli più distanti della supply chain. Restando invece negli Stati Uniti, la International Society of Automation riferisce che i robot e i dispositivi automatizzati possono favorire la riduzione o l'eliminazione di tre delle cinque cause principali di infortuni sul posto di lavoro.
Qualità del prodotto e customer experience: un po' come nel telefono senza fili di quando eravamo bambini, le imprese manifatturiere tradizionali facevano spesso fatica ad assicurarsi che le loro direttive venissero recepite e seguite con precisione dai fornitori e dai produttori di livello inferiore nelle loro supply chain. Nella fabbrica intelligente, la connettività cloud e la visibilità a 360 gradi mette a disposizione insight e raccomandazioni in tempo reale a tutti i livelli del processo produttivo. La capacità di agire rapidamente nella personalizzazione e nella risposta ai cambiamenti di tendenza si traduce in prodotti sempre rigorosamente al passo con i desideri dei clienti. L'analisi avanzata dei dati di sistema fa emergere rapidamente i punti deboli o le aree di miglioramento. L'effetto è una maggiore competitività sul mercato, migliori recensioni dei prodotti e procedure meno onerose di reso e richiamo.
Le tecnologie della fabbrica intelligente
Le tecnologie della fabbrica intelligente si distinguono per l'estrema agilità. Con le iniziative di trasformazione digitale che si susseguono all'interno delle aziende, le possibilità di scalare, modificare e adattarsi secondo necessità sono pressoché infinite.
Connettività cloud: pubblico, privato o ibrido, il cloud è il canale attraverso il quale vengono convogliati tutti i dati e le informazioni nella fabbrica intelligente. La connettività cloud su scala aziendale e globale assicura che ogni settore di attività operi con dati in tempo reale e che vi sia una visibilità immediata su tutti gli asset e i sistemi connessi all'interno della supply chain.
Intelligenza artificiale: i sistemi operativi che sfruttano tecnologie integrate di AI hanno la velocità, la potenza e la flessibilità necessarie non solo per raccogliere e analizzare set di dati eterogenei, ma anche per fornire insight in tempo reale e raccomandazioni per una migliore capacità di risposta. All'interno della smart factory, i processi automatizzati e i sistemi intelligenti sono continuamente ottimizzati e informati dall'intelligenza artificiale.
Machine learning: uno dei vantaggi più preziosi che il machine learning apporta alla fabbrica intelligente consiste nella sua capacità avanzata di manutenzione predittiva. Monitorando e analizzando i processi produttivi, la funzione può far scattare allerte prima che si verifichino guasti agli impianti. A seconda della situazione, può avvenire poi la manutenzione automatizzata o, all'occorrenza, può essere consigliato un intervento umano.
Big Data: nella fabbrica intelligente, voluminosi set di dati ben strutturati permettono di eseguire analisi predittive e avanzate. Pur avendo intuito da tempo il valore strategico dei Big Data, fino a epoca recente le aziende erano spesso prive dei sistemi necessari per farne un uso significativo. La trasformazione digitale nelle supply chain e nelle fabbriche intelligenti ha aperto un mondo di potenzialità per l'ottimizzazione e l'innovazione delle imprese sfruttando gli insight ricavati dai Big Data.
Industrial Internet of Things (IIoT): una volta dotati di un identificatore univoco e della capacità di inviare e ricevere dati digitali, i dispositivi e le macchine connesse all'interno della fabbrica intelligente entrano a far parte di una rete IIoT. È probabile che i macchinari di nuova generazione siano già muniti di portali digitali, ma anche su macchine analogiche vecchie di decenni è possibile installare dispositivi gateway IIoT per farle dialogare con i nuovi sistemi. In sostanza, i dati inviati dal dispositivo riferiscono in merito al loro stato e alla loro attività, mentre i dati inviati al dispositivo controllano e automatizzano le sue azioni e flussi di lavoro.
Digital twin: l'esatta replica virtuale di una macchina o di un sistema diventa il suo gemello digitale, Il digital twin consente il massimo dell'innovazione e della creatività con il minimo rischio operativo. Il digital twin twin può essere sviluppato enormemente, riconfigurato in più modi virtuali o testato per verificarne la compatibilità all'interno di un sistema esistente – il tutto senza incorrere in rischi o sprechi di risorse nel mondo fisico.
Stampa additiva: nota anche come stampa 3D, permette alle smart factories di sfruttare l'automazione intelligente per la produzione on-demand. Il vantaggio è particolarmente importante in periodi di interruzioni impreviste della supply chain o di improvvisa domanda di prodotti. Anche sul fronte della operatività corrente, gli inventari virtuali possono ridurre enormemente i rischi e gli sprechi rendendo possibile una produzione just-in-time.
Realtà virtuale (VR) e realtà aumentata (AR): nel 2019 la rivista Assembly Magazine parlava di alcune applicazioni di dispositivi indossabili di VR nella fabbrica intelligente "in grado di collegare condizioni ambientali, livelli di stock, stato dei processi, dati di errori di assemblaggio, utilizzazione e metriche di rendimento in un modo dipendente dal contesto (ossia nell'ambiente in cui ti muovi e osservi gli oggetti)." Questa esperienza sensoriale immersiva consente agli utenti di amplificare la percezione naturale con dati in tempo reale provenienti da qualsiasi luogo, per ottenere un quadro dello stato della fabbrica senza alcuna limitazione.
Blockchain: fortunatamente, il progresso delle tecnologie per la smart factory è accompagnato di pari passo da nuove soluzioni di sicurezza. La blockchain trova molteplici applicazioni nella catena di approvvigionamento, dalla creazione di "contratti intelligenti" con i fornitori al monitoraggio della provenienza delle merci e della gestione lungo l'intero percorso della supply chain. Nelle fabbriche intelligenti la blockchain si rivela particolarmente utile per gestire l'accesso agli asset e alle macchine connesse nell'intera azienda – salvaguardando la sicurezza del sistema e l'integrità dei record contenuti in tali dispositivi.
Database di nuova generazione: i database in-memory e i sistemi di ERP più evoluti sono il "cervello" che fa muovere l'Industry 4.0 e tutte le soluzioni per la smart factory e la supply chain intelligente. I tradizionali database residenti su disco vengono sollecitati spesso ben oltre i limiti per stare al passo con le complesse funzionalità di gestione dati e analisi necessarie per gestire fabbriche intelligenti e supply chain moderne.
Come realizzare la trasformazione verso la fabbrica intelligente
Il 2020 è stato un anno di profonde crisi e rischi operativi per le aziende di tutto il mondo. Ancor prima del COVID-19 un sondaggio di Deloitte condotto nel 2019 su oltre 600 senior executive del settore manifatturiero riferiva che l'86% degli intervistati riteneva che nei cinque anni successivi le iniziative di smart factory sarebbero state "il principale motore della competitività nella produzione industriale". Oggi più che mai la trasformazione digitale e la modernizzazione della supply chain sono passate da obiettivi a lungo termine a priorità urgenti e immediate per le aziende seriamente intenzionate a innovare e competere.
Per ciascuna azienda, le modalità di avvio della trasformazione in fabbrica intelligente dipenderanno dalla situazione di partenza e dai processi che ritiene più importanti. Una verifica iniziale dei sistemi permetterà di analizzare e fare il punto su processi, asset e sistemi aziendali esistenti. Prima di lanciare l'automazione dei flussi di lavoro e dei processi di produzione è necessario valutare il loro assetto attuale.
Per chi si appresta a iniziare un percorso di trasformazione digitale, è anche importante ricordare che l'aspetto "smart" della fabbrica intelligente si spiega con la sua capacità avanzata di analisi e gestione dei dati. Un database evoluto e un solido sistema di ERP sono il cervello che muove la fabbrica intelligente, sostenendo le funzionalità avanzate che guidano il sistema. Un elemento di particolare rilievo per il successo di qualsiasi trasformazione in fabbrica intelligente sarà la capacità dei sistemi aziendali esistenti di gestire i Big Data e di integrare tecnologie come l'AI, il machine learning e l'analisi avanzata.
Infine, uno degli aspetti migliori della trasformazione digitale è che, per essere efficace, non deve avvenire tutta in una volta. Né imporre l'interruzione o la sospensione delle attività di business in corso. Ogni iniziativa intrapresa da un'azienda per modernizzare e ottimizzare i propri sistemi digitali le farà compiere un ulteriore passo di avvicinamento alla condizione di fabbrica intelligente completamente integrata. Inoltre, per loro stessa natura, le tecnologie della smart factory sono preposte alla raccolta e all'analisi di dati, il che significa che l'impatto e il ROI di qualsiasi nuova tecnologia digitale possono essere misurati e valutati dal momento stesso dell'installazione.
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